DE3515919C2

DE3515919C2 -

Info

Publication number: DE3515919C2
Application number: DE3515919A
Authority: DE
Inventors: Udo Artur Heinrich Hubertus Dr.Rer.Nat 4300 Essen De Koenig
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Widia GmbH
Priority date: 1985-05-03
Filing date: 1985-05-03
Publication date: 1993-08-19
Also published as: EP0200088B1; IN165323B; IN165910B; EP0200088A1; DE3515919A1; JPH0580548B2; JPS61264171A; US4728579A

Description

Die Erfindung betrifft einen verschleißfesten, beschichteten Hartmetallkörper, der aus einem Hartmetallgrundkörper, einer metallischen Zwischenschicht und mindestens einer metallfreien Hartstoffschicht besteht. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung dieses Hartmetallkörpers.

Aus der DE-OS 25 28 255 sind mit einem Überzug versehene Gebrauchs- und Ziergegenstände bekannt, deren Überzug 0,1 bis 50 µm dick ist und aus Hartstoffen besteht, wobei als Hartstoffe die Carbide und/oder Nitride und/oder Boride und/oder Silicide und/oder Oxide der Elemente der III. bis VI. Gruppe des Periodensystems zur Anwendung kommen. In der DE-OS 25 28 255 wird ferner vorgeschlagen, zur Verbesserung der Haftfestigkeit der Hartstoffe bzw. zur Verminderung von thermischen Spannungen eine oder mehrere Zwischenschichten aus Metallen oder aus Legierungen von Metallen und Hartstoffen oder aus Hartstoffen zu verwenden. Als Grundmaterial der bekannten Gebrauchs- und Ziergegenstände kommen sowohl metallische als auch nichtmetallische Stoffe in Frage, wie z. B. Stähle, Gußwerkstoffe, Buntmetalle, Leichtmetalle, Hartmetalle, Glas und Keramik.

Die bekannten Gebrauchs- und Ziergegenstände können dadurch hergestellt werden, daß die Zwischen- und Deckschichten durch Gasphasenreaktion nach dem CVD-Prozeß nacheinander auf dem Grundkörper abgeschieden werden. Auch aus der CH-PS 5 42 678 ist ein Verbundwerkstoff für Schneidwerkzeuge bekannt, der aus einem metallischen oder nichtmetallischen Substrat, mindestens einer Zwischenschicht und einer verschleißfesten Deckschicht besteht, wobei die Zwischenschicht folgende Eigenschaften aufweisen muß:

a) ihre mittlere Härte liegt zwischen derjenigen des Substrats und derjenigen der Deckschicht,
b) sie ist duktiler als die Deckschicht,
c) ihr mittlerer thermischer Ausdehnungskoeffizient liegt zwischen demjenigen des Substrats und demjenigen der Deckschicht,
d) sie ist sowohl im Substrat wie in der Deckschicht teilweise gelöst,
e) die mittlere Korngröße ist wesentlich kleiner als die Schichtdicke.

Der aus der CH-PS 5 42 678 bekannte Verbundwerkstoff wird dadurch hergestellt, daß man auf dem Substrat das Zwischenschichtmaterial durch chemische Reaktion aus der Gasphase abscheidet, wobei Substratmaterial und Zwischenschichtmaterial ineinander diffundieren, und daß man die Deckschicht durch chemische Reaktion aus der Gasphase auf der Zwischenschicht abscheidet, wobei Deckschichtmaterial und Zwischenschichtmaterial ineinander diffundieren.

Es hat sich gezeigt, daß beschichtete Hartmetallkörper, die aus einem Hartmetallgrundkörper, einer metallischen Zwischenschicht und mindestens einer metallfreien Hartstoffschicht bestehen und die durch chemische Reaktionen aus der Gasphase beschichtet werden, Verschleißeigenschaften besitzen, die ihre Verwendung als Werkzeug für die spanende und spanlose Formgebung von metallischen Werkstücken ausschließen. Eigene Versuche haben beispielsweise gezeigt, daß sich die Verschleißfestigkeit einer Titannitridschicht, die auf einem Hartmetallgrundkörper aus der Gasphase abgeschieden wird, durch eine ebenfalls aus der Gasphase abgeschiedene Zwischenschicht aus Nickel, Cobalt oder Titan verschlechtert.

Die DE 35 03 105 A1 (Stand der Technik nach § 3 Abs. 2 Ziffer 1 PatG) beschreibt ein Verfahren zum Beschichten von Maschinenteilen und Werkzeugen aus einem Grundkörper aus temperaturempfindlichem Stahl und einer Beschichtung aus Hartstoffmaterial aus Stickstoff- und Kohlenstoffverbindungen von Metallen der Gruppe Ti, Zr, Hf, Cr, Ta, W und Nb, wobei zwischen den jeweils nur einen Bruchteil der Gesamtschichtdicke einnehmenden Einzelschichten aus Hartstoffmaterial metallische Zwischenschichten aus Ti, Zr, Hf, Cr, Ta, W, Nb, Al, Ni oder Fe angeordnet sind. Die Schichtdicken für die Metallschichten sollen 5 bis 100 nm betragen.

Die DE-A 26 01 896 betrifft Verschleißteile für die spanabhebende und spanlose Formgebung, bestehend aus einem Hartmetallgrundkörper, einer Zwischenschicht aus Ruthenium, Rhenium, Rhodium, Iridium, Osmium, Chrom und/oder Molybdän und einer ein- oder mehrlagigen Hartstoffdeckschicht, wobei an die Auftragung eine ein- bis zehnstündige Diffusionsbehandlung bei Temperaturen zwischen 900 und 1200°C angeschlossen werden soll. Die Hartstoffdeckschicht wird mittels CVD-Verfahren aufgetragen. Durch die Diffusionsbehandlung des Verbundkörpers wird jedoch die zuvor aufgebrachte metallische Zwischenschicht zum größten Teil in die jeweiligen Carbide umgewandelt. Eine weitere Diffusion sowie Carborierung geschieht während des Auftragens der Deckschichten mittels des CVD-Verfahrens, das bekanntlich bei hohen Temperaturen oberhalb 1000°C abläuft.

Die US-A 36 40 689 behandelt einen Hartmetallverbundkörper mit einer metallischen Zwischenschicht, beispielsweise aus Wolfram, jedoch soll diese Zwischenschicht mittels CVD aufgebracht werden. Die hierzu einzustellende Temperatur soll 649°C betragen, wobei die Temperatur nach der CVD-Beschichtung auf über 1200°C erhöht werden soll, wodurch sich durch die Verschleißfestigkeit des Hartmetallkörpers mindernde Effekte einstellen. Im Ergebnis erhält man eine WC-Zwischenschicht, die als "Barriere" genutzt werden soll.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen verschleißfesten beschichteten Hartmetallkörper zu schaffen, der aus einem Hartmetallgrundkörper, einer metallischen Zwischenschicht und mindestens einer metallfreien Hartstoffschicht besteht und der Verschleißeigenschaften aufweist, die seine Verwendung als Werkzeug zur spanenden und spanlosen Formgebung von metallischen Werkstücken ermöglichen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die metallische Zwischenschicht aus Molybdän und/oder Wolfram besteht, eine Dicke von 0,1 bis 2 µm hat und durch einen PVD-Prozeß auf den Hartmetallgrundkörper aufgebracht ist, der während des Aufbringens der Zwischenschicht eine Temperatur von 200 bis 600°C aufweist. Ein derartig gestalteter Körper hat Verschleißeigenschaften, die seine Verwendung als Werkzeug für die spanlose und spanende Formgebung von metallischen Werkstücken ermöglichen. Dies ist für den Fachmann überraschend, denn die aus der CH-PS 5 42 678 bekannte Lehre wird den Fachmann davon abhalten, metallische Zwischenschichten aus Molybdän und/oder Wolfram zu verwenden, da er weiß, daß die Mikrohärte einer Zwischenschicht aus Molybdän und/oder Wolfram wesentlich geringer ist als die Mikrohärte der Hartstoffe und Hartmetalle. Beispielsweise hat eine Molybdänzwischenschicht eine Mikrohärte von 160 bis 190 HV, während das Hartmetallsubstrat (WC-7Co) eine Mikrohärte von 1800 bis 1900 HV und eine TiN-Hartstoffschicht eine Mikrohärte von 2000 bis 2200 HV besitzt. Da sich auch eine Zwischenschicht aus Nickel als ungeeignet erwiesen hat, deren Mikrohärte bei 190 HV liegt, wurde der Fachmann auch hierdurch davon abgehalten, Zwischenschichten aus Molybdän und/oder Wolfram zu verwenden.

Nach der Erfindung ist es besonders vorteilhaft, wenn die metallische Zwischenschicht aus Molybdän und/oder Wolfram durch direkte Kathodenzerstäubung auf den Hartmetallgrundkörper aufgebracht ist, da bei diesem PVD-Prozeß ein besonders gleichmäßiges Aufstäuben des Molybdäns und/oder Wolframs auf den Hartmetallgrundkörper erreicht wird. Die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Zwischenschicht können in vorteilhafter Weise dadurch variiert werden, daß 0,1 bis 49 Gew.-% des Molybdäns und/oder des Wolframs durch Titan, Zirkon, Hafnium, Niob und/oder Tantal ersetzt sind. Ein erfindungsgemäßer Hartmetallkörper, dessen metallfreie Hartstoffschichten aus Titancarbid, Titannitrid, Titancarbonitrid oder Aluminiumoxid bestehen, hat besonders gute Verschleißeigenschaften.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zur Herstellung des verschleißfesten beschichteten Hartmetallkörpers gelöst, bei dem die metallische Zwischenschicht durch einen PVD-Prozeß auf den Hartmetallgrundkörper aufgebracht wird, der während des Aufbringens der Zwischenschicht auf eine Temperatur von 200 bis 600°C aufgeheizt wird. Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß Zwischenschichten aus Molybdän und/oder Wolfram den Hartstoffschichten eine ausgezeichnete Haftfestigkeit verleihen, obwohl es bei den erfindungsgemäßen Verfahrenstemperaturen nicht zu Diffusionsvorgängen zwischen dem Hartmetallgrundkörper und der metallischen Zwischenschicht kommt, die nach den bisherigen Erkenntnissen für das gute Haftvermögen der Schichten verantwortlich sind.

Nach der Erfindung ist es besonders vorteilhaft, wenn die metallische Zwischenschicht durch direkte Kathodenzerstäubung auf den Hartmetallgrundkörper aufgebracht wird, da mit diesem PVD-Prozeß ein besonders gleichmäßiges Aufstäuben der Zwischenschicht erreicht wird. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß auf die metallische Zwischenschicht mindestens eine metallfreie Hartstoffschicht durch reaktive Kathodenzerstäubung aufgebracht wird oder daß auf die metallische Zwischenschicht mindestens eine metallfreie Hartstoffschicht durch Gasphasenreaktion aufgebracht wird. Das Aufbringen von Hartstoffschichten durch reaktive Kathodenzerstäubung bzw. durch Gasphasenreaktion ist an sich bekannt.

Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Bei den nachfolgenden Ausführungsbeispielen wurden Hartmetallgrundkörper benutzt, welche als Wendeschneidplatte mit der geometrischen Form SNUN 120408 gestaltet waren und aus Hartmetall M15 (Zusammensetzung in Gew.-%: 82,5 WC, 11 (Ti, Ta, Nb) C 6,5 Co) bestanden.

Beispiel 1

Die Wendeschneidplatte wurde in einer CVD-Anlage zunächst bei 1020°C mit einem Gasgemisch aus Titantetrachlorid, Methan und Wasserstoff behandelt. Nach 60 Minuten wurde die Temperatur auf 990°C gesenkt und Methan durch Stickstoff ersetzt. Nach insgesamt 180 Minuten wurde die Ofenheizung abgeschaltet, und die Wendeschneidplatte wurde in strömendem Wasserstoff abgekühlt. Durch einen metallographischen Schliff wurde festgestellt, daß sich auf der Wendeschneidplatte aus Hartmetall eine Hartstoffdoppelschicht aus Titancarbid und Titannitrid von insgesamt 7,5 µm Dicke gebildet hatte.

Beispiel 2

In einer Kathodenzerstäubungsanlage wurde bei einer Temperatur von 350°C auf der Wendeschneidplatte durch reaktive Kathodenzerstäubung eines Titantargets (Kathode) in einer Gasatmosphäre aus 10 Vol.-% Stickstoff und 90 Vol.-% Argon und einem Druck von 1 Pascal eine Schicht aus Titannitrid mit einer Dicke von 7,2 µm abgeschieden.

Beispiel 3

Auf einer Wendeschneidplatte wurde eine 0,6 µm dicke Zwischenschicht aus Nickel durch die direkte Kathodenzerstäubung eines Nickeltargets in einer Argonatmosphäre erzeugt, wobei die Wendeschneidplatte eine Temperatur von ca. 400°C hatte. Anschließend wurde auf die Nickelzwischenschicht eine Titannitridschicht in der Weise aufgebracht, wie es in Beispiel 2 beschrieben ist.

Beispiel 4

Auf die Wendeschneidplatte wurde eine Molybdänzwischenschicht mit einer Dicke von 0,6 µm durch Kathodenzerstäubung eines Targets aus Molybdän in einer Argonatmosphäre abgeschieden. Die Wendeschneidplatte hatte während der Abscheidung der Molybdänzwischenschicht eine Temperatur von ca. 400°C. Anschließend wurde auf die Molybdänzwischenschicht eine Titannitrid-Hartstoffschicht in der Weise aufgebracht, wie es in Beispiel 2 beschrieben ist.

Nach der Beschichtung wurden die Wendeschneidplatten durch metallographische Methoden untersucht, wobei die Schichtdicken gemessen und der Verbund zwischen den Grundkörpern und den Schichten qualitativ beurteilt wurde. Mit Hilfe des Kratztestes, bei dem eine Diamantkegelspitze mit zunehmender Auflagelast über die Schicht gezogen wird, konnte eine quantitative Meßgröße für die Haftfestigkeit, die sogenannte kritische Last, bestimmt werden. Schließlich wurde die Schneidhaltigkeit der beschichteten Wendeschneidplatten auf einer Prüfdrehbank durch Zerspanen einer Welle aus Stahl C60 festgestellt. Die Ergebnisse der Versuche sind in der Tabelle 1 angegeben. Die gemäß Beispiel 1 nach dem CVD-Prozeß beschichtete Wendeschneidplatte erreichte beim Kratztest eine kritische Last von 4,5 kg. Beim Zerspanungstest wurde nach einer Drehzeit von 12 Minuten eine Kolktiefe von 25 µm und eine Verschleißmarkenbreite von 0,15 mm festgestellt. Die gemäß Beispiel 2 beschichtete Wendeschneidplatte zeigte eine kritische Last von nur 2,5 kg. Im Zerspanungstest wirkte sich die geringere Schichthaftfestigkeit durch einen höheren Kolkverschleiß und eine höhere Verschleißmarkenbreite aus. Nach dem Zerspanungstest wurden bei der gemäß Beispiel 2 beschichteten Wendeschneidplatte Schichtabplatzungen beobachtet. Die Wendeschneidplatte nach Beispiel 3 zeigte bereits nach einer Drehzeit von 2 Minuten einen so großen Kolkverschleiß, daß der Zerspanungstest abgebrochen wurde. Die erfindungsgemäße Wendeschneidplatte gemäß Beispiel 4 besaß eine hohe kritische Last und somit auch eine hohe Haftfestigkeit der Hartstoffschicht. Hinsichtlich der Verschleißkennwerte war diese Wendeschneidplatte der Vergleichsplatte gemäß Beispiel 1 überlegen. Nach der Erfindung ist es also möglich, bei einer niedrigen Beschichtungstemperatur gleiche oder bessere Haftfestigkeiten und Verschleißkennwerte zu erzielen, als dies bei Wendeschneidplatten möglich ist, die nach dem CVD-Verfahren beschichtet werden. Durch die niedrigen Prozeßtemperaturen des erfindungsgemäßen Verfahrens können nunmehr Hartmetallwerkzeuge beschichtet werden, die bisher wegen der hohen Temperaturen beim CVD-Prozeß nicht beschichtet werden konnten, wie z. B. verzugsempfindliche Hochgenauigkeitsteile und gelötete Hartmetallteile.

Beispiel 5

Eine Wendeschneidplatte wurde durch direkte Kathodenzerstäubung mit einer Molybdänzwischenschicht und anschließend durch reaktive Kathodenzerstäubung mit einer 2 µm dicken Aluminiumoxidschicht überzogen. Die Temperatur des Hartmetallgrundkörpers betrug während der beiden Beschichtungsvorgänge ca. 400°C. Die kritische Last der so beschichteten Wendeschneidplatte wurde mit 6 kg bestimmt. Beim Fehlen der Molybdänzwischenschicht ergab sich eine kritische Last von 1,5 kg.

Beispiel 6

Eine Wendeschneidplatte wurde unter den in Beispiel 4 genannten Bedingungen mit einer Zwischenschicht aus einer Molybdänlegierung, die aus 0,07% Zirkon, 0,5% Titan und Rest Molybdän bestand, versehen. Auch diese Zwischenschicht verlieh der anschließend aufgebrachten Titannitrid-Hartstoffschicht eine gute Haftfestigkeit und gute Verschleißeigenschaften.

Nachfolgend wird die Bedeutung einiger hier verwendeter Begriffe näher erläutert.

PVD-Prozeß (Physical Vapor Deposition-Prozeß)

Verfahren zur Beschichtung von Substraten, wobei die Beschichtung durch physikalische Methoden herbeigeführt wird. Als physikalische Methoden werden das Aufdampfen, die Kathodenzerstäubung, die Lichtbogenzerstäubung usw. angesehen.

CVD-Prozeß (Chemical Vapor Deposition-Prozeß)

Bei diesem Verfahren werden die Schichten durch chemische Reaktionen, die in der Gasphase ablaufen, auf dem Substrat abgeschieden.

Hartstoffe

Hierzu gehören Carbide, Nitride, Boride, Silicide und Oxide, die eine besonders große Härte besitzen und die einen hohen Schmelzpunkt haben, wie z. B. Titancarbid, Titannitrid, Titancarbonitrid, Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Borcarbid, Siliciumcarbid, Titandiborid.

Hartmetall

Die Hartmetalle bestehen aus einer Bindemetallphase, die aus Eisen, Cobalt und/oder Nickel zusammengesetzt ist, und aus einer Hartstoffphase, die vorzugsweise harte Carbide des Wolframs, Titans, Niobs und/oder Tantals enthält. Hartmetalle werden heute durch Gießverfahren und pulvermetallurgische Verfahren hergestellt.

Kathodenzerstäubung

In einem Vakuumkessel, der Argon enthält und in dem ein Druck von ca. 10^-2 mbar herrscht, befindet sich eine planare, kreisförmige oder rechteckige Targetplatte. Die zu beschichtenden Substrate werden in einem Abstand von einigen cm zum Target auf einem Teller positioniert. Ein elektrisches Feld zwischen Target und Substratteller bewirkt eine teilweise Ionisation des im Vakuumkessel enthaltenen Gases. Hinter der Targetplatte ist ein kräftiger Topfmagnet angebracht, dessen Feldlinien die freien Elektronen des Plasmas vor dem Target auf Kreisbahnen bzw. Spiralbahnen zwingen, wobei die Ebenen der Elektronenbahnen ungefähr parallel zur Targetplatte liegen. Durch die kreisförmigen Bahnen der Elektronen wird die Ionisationsdichte wesentlich erhöht, und man kann bei relativ niedrigen Gasdrücken arbeiten. Das Zerstäuben des Targets wird durch die durch das elektrische Feld beschleunigten positiven Argonionen bewirkt. Die abgestäubten Atome oder Atomgruppen treffen mit relativ großer Energie auf das Substrat auf. Man unterscheidet zwischen direkter und reaktiver Kathodenzerstäubung. Bei der direkten Kathodenzerstäubung wird das Targetmaterial direkt auf das Substrat aufgebracht. Bei der reaktiven Kathodenzerstäubung wird zum Arbeitsgas Argon noch eine gasförmige Komponente hinzugefügt, die mit dem abgestäubten Targetmaterial reagiert. Eine Molybdänzwischenschicht wird beispielsweise durch Zerstäubung eines Molybdäntargets erzeugt, während zur Abscheidung von Titannitrid in einem Argon-Stickstoff-Gemisch gearbeitet wird, das etwa 5% Stickstoff enthält. Das vom Titantarget abgestäubte Titan reagiert mit dem Stickstoff zu Titannitrid, das auf dem Substrat eine Titannitrid-Hartstoffschicht bildet.

Claims

1. Verschleißfester, beschichteter Hartmetallkörper, der aus einem Hartmetallgrundkörper, einer metallischen Zwischenschicht und mindestens einer metallfreien Hartstoffschicht besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Zwischenschicht aus Molybdän und/oder Wolfram besteht, eine Dicke von 0,1 bis 2 µm hat und durch einen PVD-Prozeß auf den Hartmetallgrundkörper aufgebracht ist, der während des Aufbringens der Zwischenschicht eine Temperatur von 200 bis 600°C aufweist.

2. Hartmetallkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Zwischenschicht aus Molybdän und/oder Wolfram durch direkte Kathodenzerstäubung auf den Hartmetallgrundkörper aufgebracht ist.

3. Hartmetallkörper nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß 0,1 bis 49 Gew.-% des Molybdäns und/oder des Wolframs durch Titan, Zirkon, Hafnium, Niob und/oder Tantal ersetzt sind.

4. Hartmetallkörper nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die metallfreien Hartstoffschichten aus Titancarbid, Titannitrid, Titancarbonitrid oder Aluminiumoxid bestehen.

5. Verfahren zur Herstellung des verschleißfesten beschichteten Hartmetallkörpers nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Zwischenschicht durch einen PVD-Prozeß auf den Hartmetallgrundkörper aufgebracht wird, der während des Aufbringens der Zwischenschicht auf eine Temperatur von 200 bis 600°C aufgeheizt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Zwischenschicht durch direkte Kathodenzerstäubung auf den Hartmetallgrundkörper aufgebracht wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf die metallische Zwischenschicht mindestens eine metallfreie Hartstoffschicht durch reaktive Kathodenzerstäubung aufgebracht wird.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf die metallische Zwischenschicht mindestens eine metallfreie Hartstoffschicht durch Gasphasenreaktion aufgebracht wird.