DE3221388A1

DE3221388A1 - Verfahren zum beschichten eines werkstuecks aus ausscheidungshaertendem werkstoff mit hartstoffen nach der cvd-technik

Info

Publication number: DE3221388A1
Application number: DE19823221388
Authority: DE
Inventors: August Dr.rer.nat. 8031 Gilching Mühlratzer; Hans Dr.-Ing. 8031 Puchheim Zeilinger
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MT Aerospace AG
Priority date: 1982-06-05
Filing date: 1982-06-05
Publication date: 1983-12-08
Also published as: CH653373A5; ATA183883A; DE3221388C2

Description

Verfahren zum Beschichten eines Werkstücks aus
ausscheidungshärtendem Werkstoff mit Hartstoffen nach der CVD-Technik Mit Hilfe der CVD-Technik (Chemical Vapor Deposition), nach welcher Feststoffe durch chemische Reaktion aus der Gasphase abgeschieden werden (s. Zeitschrift "Metall", Heft 12/1981 S. 1253 ff; Metall-Verlag GmbH, Berlin), ist es möglich geworden, Werkstoffe bzw. Werkstücke oder Werkzeuge mit Hartstoffen zu beschichten. In weite Bereiche der Fertigung haben derartig beschichtete Werkzeuge Eingang gefunden und sich bewährt. Als Beispiel seien genannt: Die Bereiche Umformen, Stanzen und Schneiden. Der Anwendung von harten Schichten auf Werkzeugen liegt immer das Prinzip zugrunde, daß die Beschichtung - je nach Einsatzgebiet des Werkzeuges - den Schutz gegen Abrieb und/oder Material aufschwei ßung (Fressen) übernimmt, während der Werkstoff selbst eine zur Abstützung der Schicht ausreichend hohe Härte bei größtmöglicher Zähigkeit aufweisen muß.
Nun bringen aber die zur Durchführung der CVD-Beschichtung erforderlichen hohen Temperaturen erhebliche Probleme mit sich. Solche Temperaturen führen, bedingt durch Gefügeumwandlang, zu einem Verlust erstrebter mechanischer Eigenschaften von Kalt- und Warmarbeitsstählen, welche üblicherweise für Werkzeuge verwendet werden. Um nun diese Einbuße an mechanischen Eigenschaften wieder auszugleichen, ist nach der CVD-Beschichtung eine anschließende Wärmebehandlung der Stähle erforderlich, die aber wiederum die Maßgenauigkeit der Werkstücke bzw. Werkzeuge beeinträchtigt. Aus diesen Gründen war es bisher nicht möglich, das CVD-Beschichtungsverfahren überall dort anzuwenden, wo es auf äußerste Maßgenauigkeit der Werkstücke bzw. Werkzeuge ankommt.
Es ist zwar das bei niedrigeren Temperaturen durchführbare PVD-Beschichtungsverfahren ("Physical Vapor Deposition", Aufdampfen) bekannt, doch haftet diesem Verfahren der Nachteil an, daß nicht nur die Auswahl der Arten auftragbarer Hartstoffschichten sehr begrenzt ist, sondern solche Schichten auch auf stark profilierten Werkstücken nicht gleichmäßig abgeschieden werden können.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Werkstiicke, Werkzeuge oder Werkzeugteile mit Hartstoffen wie beispielsweise Titannitrid in einer Weise zu beschichten, die es erlaub, unter Aufrechterhaltung der Vorteile der CVD-Technik gegenüber dem PVD-Verfahren, die der CVD-Technik anhaftenden Probleme zu überwinden und hartstoffbeschichtete Werkstücke, Werkzeuge oder deren Teile mit höchster Maßgenauigkeit herzustellen.
Diese Aufgabe wird durch das im obigen Hauptanspruch gekennzeichnete Verfahren gelöst. So ist es u.a. möglich, nach dem erfi ngungsgemäßen Verfahren hartstoffbeschichtete Hochleistungs-Präzisionswerkzeuge für Kalt- und Warmarbeit herzustellen, insbesondere aber auch hochbelastbare Armaturen (Hähne, Ventile), wie sie beispielsweise in der Kohleveredelung benötigt werden.
Als Werkstoff verwendet man beim erfindungsgemäßen Verfahren einen martensitisch aushärtenden Stahl. Dieser Werkstoff erfüllt die im Hinblick auf die Herstellung beschichteter Präzisionsteile gestellten Forderungen: Er erleidet durch den Beschichtungsprozeß kein Verziehen und weist nach der Ausscheidungshärtung, die bei relativ niederiger Temperatur abläuft, eine sehr hohe Festigkeit auf und damit auch eine sehr gute Stützwirkung für die Schicht. Geeignet sind beispielsweise die Stähle X 2 NiCoMo 18 9 5 (18 Ni 300 grade), X 2 NiCoMo 18 12 4 (18 Ni 350 grade), X 2 NiCoMo 13 15 10 (13 Ni 400 grade) und X 1 CrNiCoMo 13 8 5 , letzterer für den Einsatz in korrosiver Umgebung.
Das Werkzeug oder Bauteil wird aus dem martensitisch aushärteten Stahl im lösungsgeglühten Zustand auf Endmaß bzw., wenn es auf hohe Präzision ankommt, auf ein der Schichtdicke der aufzutragenden CVD-Schicht entsprechendes Untermaß gefertigt. Anschließend wird das Werkstück nach dem CVD-Verfahren beschichtet. Hierbei ist es wichtig, daß die Aufheizung auf die Beschichtungstemperatur langsam vorgenommen wird. Vorteilhaft hat sich eine Aufheizgeschwindigkeit in der Größenordnung von 10 Grad/min erwiesen.
Für Anwendungen mit sehr hoher Verschleißbeanspruchung wird eine mehrlagige Beschichtung mit der Schichtfolge - ausgehend vom Substrat - etwa 3 um Titannitrid (TiN), etwa 3 um Titancarbonitrid (TiCxNl-x) und etwa 3 um Titancarbid (TiC) aufgebracht.
Die Direktabscheidung von TiC auf martensitisch aushärtende Stähle ist wegen deren niedrigen Kohlenstoffgehalten nur nach einer vorherigen Randaufkohlung des Werkstück es möglich.
Dabei ist eine vorgehensweise erforderlich, die zu einer scharf begrenzten dünnen Aufkohlungszone führt, um die mechanischen Eigenschaften des Werkstückes nicht zu beeinträchtigen. Am vorteilhaftesten ist es, die Methode der Gasaufkohlung (mit den bekannten Aufkohlungsmitteln) anzuwenden, da diese innerhalb der CVD-Anlage durchgeführt werden kann. Besonders günstig ist die Variante Carbonitrieren, da dabei am besten scharf begrenzte (stickstoffhaltige) Aufkohlungszonen in der Größenordnung von einigen Hundertstel Millimetern erzielt werden können.
Für manche Anwendungen, insbesondere in korrosiven Medien ist TiN das geeignete Schichtmaterial. TiN kann auch auf die martensitisch aushärtenden Stähle problemlos direkt abgeschieden werden.
Nach Beendigung der Abscheidung wird von der Beschichtungstemperatur langsam, d.h. mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von etwa 3 bis etwa 20 OC/min abgekühlt. Unter diesen Umständen bieten die oben genannten Werkstoffe den Vorteil der hohen Maßhaltigkeit. Für Besonders hoch beanspruchte Werkstücke kann nach der CVD-Beschichtung eine etwa einstündige Zwischenglühung bei 800 OC zur Kornfeinung empfehlenswert sein. Danach bzw. unmittelbar nach der Beschichtung wird das Werkstück in einen Vakuumofen umgesetzt und auf die Aushärtetemperatur des Werkstoffes erhitzt, wobei wiederum eine Aufheizgeschwindigkeit von etwa 10 Grad/ min. von Vorteil ist. Die Dauer der Aushärtebehandlung beträgt, je nach Werkstückgröße, 4 bis 6 Stunden.
Für Präzisionsteile empfiehlt sich ein abschließendes Polieren der Funktionsflächen, da die genannten Beschichtungen keine völlig glatten Oberflächen aufweisen. Insbesondere das auf TiN bzw. TiCxN1x abgeschiedene TiC hat eine relativ große Rauhtiefe von einigen Mikrometern.
Das erfindungsgemäße Verfahren sei nunmehr durch die nachfolgenden Ausführungsbespiele näher erläuter: Beispiel 1: Herstellung von TiC-beschichteten Armaturenteilen 1. Die verschleißbeanspruchten Teile eines Kugelhahnes wurden aus lösungsgegluhtem Werkstoff X 2 NiCoMo 18 12 4 (18 Ni 300 grade) auf ein der Dicke der aufzubringenden TiC-Schicht entsprechendes Untermaß fertig bearbeitet.
2a Die Teile wurden einer 30-minütigen Corbonitrier-Behandlung mit 3 - 3 Vol Propan + 1 Vol% Ammoniak in Aron bei 700 - 720 OC unterzogen.
2b Alternativ hierzu wurde eine 15-minütige Aufkohlung mit 2 - 3 Vol% Propan in Argon bei 800 OC durchgeführt.
In beiden Fällen wurde eine kohlenstoffhaltige Randschicht von 0,1 mm erhalten.
3. Die Gleit- bzw. Dichtflächen der Teile wurden danach poliert.
4. Die so vorbehandelten Teile wurden folgendermaßen mit TiC beschichtet: Ein CVD-Heißwandreaktor gemäß obiger Veröffentlichung in der Zeitschrift "Metall", wurde nach dem Evakuieren und Spülen mit Inertgas mit einer Aufheizgeschwindigkeit von etwa 10 Grad/min. auf die Beschichtungstemperatur von 950 °C erhitzt. Die Abscheidung von TiC wurde mit 1 - 2 Vol% Titan(IV)-chlorid (TiCl4) und 3 - 6 Vol% ethan (CH4) in Wasserstoffatmosphäre (H2) bei einem Druck von etwa 50 mbar durchgeführt. Die Abscheidungsdauer war 4 Stunden. Dann wurde mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 8 °C/min. auf Raumtemperatur abgekühlt.
Es wurde eine etwa 8 um dicke TiC-Schicht erhalten.
5, Die beschichteten Teile wurden in einem Vakuumofen mit 10 Grad/min. auf 500 °C aufgeheizt und 4 Stunden auf dieser Temperatur belassen. Durch diese Aushärtungsbehandlung wurde eine Festigkeit der Bauteile von 2000 N/mm2 erhalten.
Beispiel 2: Herstellung von Armaturenteilen mit einer Beschichtung aus TiN + TiCXNl X + TiC 1,Die Teile wurden wie unter Punkt 1. in Beispiel 1 gefertigt.
2.Darauf wurde eine dreilagige Beschichtung, bestehend aus TiN + TiCXNl X + TiC, auf folgende Weise aufgebracht: Nach dem Evakuieren und Inertgasspülen des Reaktors wurde mit einer Aufheizgeschwindigkeit von etwa 10 Grad/min.
auf 900 °C aufgeheizt. Bei dieser Temperatur wurden in 1 1/2 Stunden etwa 4 um TiN aus einer ProzeBatmosphare mit etwa 1 VolnX TiCl4 und etwa 83 Volt Stickstoff (N2), Rest IJ2, bei einem Druck von 700-900 mbar abgeschieden.
Ohne Unterbrechung des Prozesses wurde dann der Gas- phase CH4 zugesetzt, in einer über einen Zeitraum von etwa 1 Stunde kontinuierlich ansteigenden Menge, unter gleichzeitiger Reduzierung des N2-Anteils und des Prozeßdruckes von 700-900 mbar auf etwa 50 mbar und gleichzeitiger Erhöhung der Temperatur auf 1000 OC. Auf diese Weise wurde eine Titancorbonitrid (TiCXNl x)-Schicht von etwa 3 um Dicke mit kontinuierlich anwachsendem Kohlenstoffgehalt bis hin zu reinem TiC erzeuqt. Darauf wurde in weiteren 2 Stunden eine 2 - 3 um starke TiC-Lage abgeschieden.
3. Die Teile wurden wie unter 5. in Beispiel 1 ausgehärtet, 4. Abschließend wurden die Gleit- und Dichtflächen poliert.
Beispiel 3: Herstellung von TiN-beschichteten Armaturenteilen für den Einsatz unter korrosiven Bedingungen 1. Die Teile wurden aus dem Werkstoff X 1 CrNiCoMo 13 8 5 wie unter Punkt 1. in Beispiel 1 gefertigt.
2. Die Teile wurden mit TiN beschichtet wie unter Punkt 2.
3. Wie Punkt 5. in Beispiel 1.
4. Wie Punkt 4. in Beispiel 2.
Beispiel 4: Herstellung eines Hartstoff-beschichteten Strangpreßwerkzeuges Matrize und Dorn eines Strangpreßwerkzeuges wurden aus dem Werkstoff X 2 tliCotlo 18 9 5 im lösunqsgegl'ihten Zustand auf Fertigmaß bearbeitet, wobei an Funktions- und Paßflächen die Dicke der aufzubringenden Hartstoffschicht zum Abzug kam.
2. Die Werkzeugteile wurden gemäß Punkt 2. in Beispiel 2 mit TiN beschichtet.
3. Wie Punkt 5. im Beispiel 2.
4. Die Funktionsflächen wurden poliert.

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zum Beschichten eines Werkstücks aus ausscheidungshärtendem Werkstoff mit Hartstoffen nach der CVD-Technik, dadurch gekennzeichnet, daß man als Werkstoff für das Werkstück martensitisch aushärtenden Stahl in lbsungsgegliihtem Zustand verwendet; daß man das Werkstück auf Endmaß bzw. auf ein der vorgewählten CVD-Schichtdicke entsprechendes Untermaß vorfertigt; daß man die CVD-Beschichtung bis zur vorgewählten Schichtdicke mit einer Aufheizgeschwindigkeit von etwa 5 bis etwa 20 OC/min bis zu einer Endtemperatur von etwa 800 bis etwa 1100 OC durchführt; und daß man abschließend das Werkstück mit einer Geschwindigkeit von etwa 3 bis etwa 20 0C/min abkühlt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Werkstoff einen der Stähle X 2 NiCoMo 18 9 5 (18 Ni 300 grade), X 2 NiCoo 18 12 4 (18 Ni 350 grade) und X 2 NiCoMo 13 15 10 (13 Ni 400 grade) verwendet.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man für in korrosiver Umgebung einzusetzende Werkstücke den Stahl X 1CrNiCoMo 13 8 5 verwendet.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Aufheizgeschwindigkeit von etwa 10 OC/min einhält.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Beschichtung aus Titannitrid, Titancarbonitrid, Titancarbid oder mehreren dieser Hartstoffe auf das Werkstück aufbringt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man eine mehrlagige Beschichtung vornimmt und zwar, ausgehend vom Werkstücksubstrat, mit der Schichtfolge Titannitrid, Titancorbonitrid, Titancarbid.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man jede der Schichten bis zu einer Stärke von etwa 3 um aufträgt.
8. Verfahren nach eine der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man vor einer unmittelbaren Abscheidung von Titancarbid auf der Stahloberfläche, den Stahl einer Randaufkohlung unterzieht.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man die Randaufkohlung durch Gasaufkohlen vollzieht.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Randaufkohlung durch Carbonitrieren vollzieht.