DE3532733A1

DE3532733A1 - Verschleissfester ueberzug aus einem metallcarbid, -nitrid oder -carbonitrid

Info

Publication number: DE3532733A1
Application number: DE19853532733
Authority: DE
Inventors: Karl Dr.rer.nat. DDR 8010 Dresden Bartsch; Arndt Dr.-Ing. DDR 8027 Dresden Beger; Albrecht Dr.rer.nat. DDR 8036 Dresden Leonhardt; Rolf Dipl.-Phys. DDR 6218 Bad Salzungen Rösler; Manfred Dr.-Ing. DDR 8051 Dresden Schönherr; Manfred Dr.rer.nat. DDR 8049 Dresden Seidler; Dieter Dr.-Ing. DDR 8027 Dresden Selbmann; Wolfgang DDR 6201 Hämbach Weitz; Hartmut Dr.rer.nat. DDR 6205 Dermbach Westphal; Erich Prof. Dr.sc.nat. Wolf
Original assignee: VEB WERKZEUGKOMBINAT SCHMALKALDEN DDR 6080 SCHMALKALDEN; Veb Werkzeugkombinat Schmalkalden
Current assignee: Hartmetallwerk Immelborn O-6217 Immelborn D GmbH
Priority date: 1984-12-03
Filing date: 1985-09-13
Publication date: 1986-06-05

Description

Verschleißfester Überzug aus einem ITetallcarbid,
-nitrid oder-carbonitrid Die Erfindung betrifft einen verschleißfesten berzug aus einem Metallcarbid, -nitrid oder -carbonitrid als Verschleißschutz für Werkzeuge und Verschleißteile insbesondere aus Hartmetall sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher verschleißfester Überzüge durch Abscheidung der Metallcarbide, -nitride oder -carbonitride aus der Gasphase.
Es ist bekannt erkzeuge und Verschleißteile aus Metall oder Hartmetall zum Schutz gegen Verschleiß mit Hartstoffschichten zu versehen. oo ist es nach U. König u.a.; bekannt, auf Hartmetallwerkzeuge für die spanende Formgebung Carbid-, Nitrid-, Carbonitrid-, Borid- oder Oxidschichten der Elemente der III. bis VI. Gruppe des PSE durch Abscheidung aus der Gasphase aufzubringen.
Der Nachteil dieser Schichten besteht darin, daß die Biegefestigkeit des Verbundkörpers, z.B. einer Wendeschneidplatte, vermindert wird und somit seine Verschleißfestigkeit, insbesondere bei Schnittunterbrechungen, nicht befriedigt. Verursacht wird dieser Mangel durch das Stengelwachstum der Schicht und der mit zunehmender Schichtdicke verbundenen Kornvergröberung.
Weiterhin ist es bekannt (DE-AS 225 37 45), das Stengelwachstum der Schicht durch Mehrlagenbeschichtung(prinzipiell) zu vermeiden. Bei schwerem oder unterbrochenem Schnitt ist die Verschleißfestigkeit, als Folge mangelhafter Haftfestigkeit, zu gering. Nach der D£-AS 291 73 48) ist auch bekannt, das Stengelwachstum der ochicht durch alternierende Vielfachbeschichtung mit 30 bis ca. 750 Einzelschichten je 0,02 - O,1m Dicke von unterschiedlichen Hartstoffen, z.3.
Al2O3, TiN, zu vermeiden. DaSei ist der hohe technologische Aufwand zur Herstellung solcher Multischichtsysteme mit unterschiedlichen Hartstoffen nachteilig.
Außerdem können derartig dünne Schichten nur bei sehr kleinen Schichtwachstumsgeschwindigkeiten, die beim Unterdruckverfahren aufgrund des geringen Stoffangebotes pro Zeiteinheit eintreten, technisch realisiert werden. Nachteilig sind dabei der durch die .-nwendung des Unterdruckverfahrens bedingte große technologische Aufwand und die extrem langen Beschichtungszeiten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verschleißfesten @berzug aus einem Metallcarbid, -nitrid oder -carbonitrid zu entwickeln, der kein Stengelwachstum mit der damit verbundenen Grobkornbildung aufweist und der durch ein Abscheidungsverfahren aus der Gasphase auch unter Normaldruck mit hohen Abscheidungeraten herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schichtstruktur des verschleißfesten Gberzuges gelöst, bei der mehrere aus einem Metallcarbid, -nitrid oder -carbonitrid bestehende, granular gewachsene Schichten gleicher chemischer Bestandteile und unterschiedlichen Gefüges mit einer Dicke der einzelnen Schicht von 35 >im bis zu einer Dicke des Überzuges von # # 50 µm übereinander angeordnet sind, Zweckmäßigerweise besteht jede grnular gewachsene Schicht aus Titancarbonitrid.
Die günstige Dicke der granular gewachsenen einzelnen Schicht liegt zwischen 0,3 und 2 µm.
Die günstige Dicke des gesamten Überzuges beträgt 15 bis 20 µm.
Der erfindungsgemäße Überzug kann auch Bestandteil einer Schichtkombination mit anderen Hartstoffschichten sein.
Verfahrensseitij- wird die Aufgabe der Herstellung solcher verschleißfester Gberzüge durch Abscheidung aus der Gasphase, wobei das Beschickungagut in einen Reaktor eingebracht, in inerter oder reduzierender Atmosphäre erwärmt und abschlioßend auf Raumtemperatur abgekühlt wird, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß neben einem Metallhalogenid als Kohlenstoff- und/oder Stickstoffträger mindestens zwei kohlenstoffhaltige oder stickstoffhaltige Vcrbindungen oder Mischungen dieser Verbindungen, deren Umsetzungsgeschwindigkeit mit den übrigen gasförmigen Reaktionspartnern zu Carbiden, Nitriden oder Carbonitriden unterschiedlich ist. alternierend in den Reaktor eingeleitet werden.
Vorzugsweise wird als Metallhalogenid TiClo eingesetzt.
Als Kohlenstoffträger werden insbesondere C6H6, n -C7H16 oder deren Mischungen verwendet.
3evorzugt werden als Stickstoffträger N2, H3 oder deren Mischungen eingesetzt.
Zweckmäßig wird der Wechsel zwischen Trägergasen in Zeitintorvallen vorgenommen, bei denen ainzelschichten von 0,3 bis 2 µm Dicke abgeschieden werden.
Im Reaktor wird vorzugsweise Normaldruck eingestellt.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen verschleißfesten Überzuges sind die höhere Diegefestigkeit der Verbundkörper und die größere Verschleißfestigkeit auch bei schweren oder unterbrochenem Schnitt sowie der verhältnismäßig niedrige technologische und zeitlictle Aufwand für die Verfahrensführung bei der Herstellung solcher Überzüge.
Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Die zugehörige Zeichnung zeigt einen metallographischen Schliff quer zu den auf einer Wendeschneidplatte crfindungsgemäß angeordneten Schichten in einer 2500fachen Vergrößerung.
Auf einer Wendeschneidplatte 1 dr Zusammensetzung 88 Masse-% WC, 2 Masse-% TiC, 4 Masse-% TaC/NbC und 6 Masse-%, sind 10 Titancarbonitrid-Schichten angeordnet.
Die Schichtabscheidung @rfolgt nach dem CVD-Verfahren bei Normaldruck, indem als Kohlenstoffträger im Reaktionsgasgemisch alternierend Benzen und ein Gemisch von Benzin und n-Hcptan eingesetzt sind. Die Schichten 2 unterscheiden sich in ihrem Gefüge deutlich von den Schichten 3.
Die einzelnen Schichten 2 und 3 sind je ca. 1,5 µm dicke und liegen wechselweise übereinander. Die Dicke des gesamten Überzuges beträgt #15 µm. Schneidversuche mit diesen Wendeschneidplatten mit C60 als Gegenwerkstoff zeigen folgende Ergobnisse: Sei v = 200 m/min s = 0,4 nìm/U a = 2 mm und einer Schnittzeit von 10 min betragt die VerschleiSmarkenbreite VB = 0,08 mm und bei v = 140 m/min s = O,8 mm/U a = 2 mm und einer Schnittzeit von 10 min wird eine Verschleißmarkenbreite VB = 0,1 mm ermittelt. Im Gegensatz dazu zeigt eine Wendeschneidplatte mit TiN/Al2O3-Multischichten versehen, bei der Zerspanung von C60 mit folgenden Schnittwerten v = 200 m/min s = 0,28 mm/U a = 1,5 mm nach einer Schnittzeit von 10 min bereits eine Verschleißmarkenbreite VB = 0,13.
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen verschleißfesten Oberzuges werden WC-Co-Wendeschneidplatten in einen Kaltwandreaktor eingebracht und unter Argon auf 1320 K erwärmt Anschließend werden alternierend in Zeitintervallen von je 2 Minuton Gasgemische folgender Zusammensetzung bei Normaldruck in den Reaktor eingeleitet.
1. Gasgemisch: 7,5 Vol.-% N2 2,14 " C6H6 0,75 " TiCl4 60,0 " H2 Rest " Argon 2. Gasgemisch 15,0 Vol.% N2 2,0 " C6H6 0,15 " n-C7H16 0,75 " TiCl4 60,0 " H2 Rest " Argon Nach 11 Wechseln des Gasgemisches sind 12 Schichten von je 1 µm Dicke, d. h. ein Überzug von 12 µm Dicke abgeschieden. Die Abscheidungszeit beträgt 24 min gegenüber einer Ab-Scheidungszeit von 350 min für eine 6Jim dicke Nultischicht nach dem bekannten Stand der Technik.
- L e e r s e i t e -

Claims

P a t e n t a n 5 p r u c 1. Verschleißfester Überzug aus einem Metallcarbid, -nitrid oder -carbonitrid, insbesondere für spanende Werkzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere granular gewachsene Schichten gleicher chemischer Bestandteile und unterschiedlichen Gefüges (2; 3) mit einer Dicke der einzelnen Schicht von 4 5 µm bis zu einer Dicke des Oberzuges von «r 50 um übereinander angeordnet sind 2. Verschleißfester Überzug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die granular gewachsenen Schichten (2; 3) aus Titancarbonitrid bestehen.

3. Verschleißfester Überzug nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede granular gewachsene einzelne Schicht (2; 3) eine Dicke zwischen 0,3 und 2)im besitzt.

4. Verschleißfester Überzug nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Überzugs 12 bis 15 µm beträgt.

5. Verfahren zur Herstellung verschleißfester Überzüge aus Metallcarbiden, -nitriden oder -carbonitriden nach Ansprüchen 1 bis 4, durch Abscheidung aus der Gasphase, bei dem das Beschichtungegut in einen Reaktor eingebracht, in inerter oder reduzierender Atmosphäre erwärmt und abschließend auf Raumtemperatur abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß neben einem Metallhalogenid als Kohlenstoff- und/oder Stickstoffträger mindestens zwei kohlenstoffhaltige oder stickstoffhaltige Verbindungen oder Mischung dieser Verbindungen, deren Umsetzungsgeschwindigkeit mit den übrigen gasförmigen Reaktionspartnern zu Carbiden, Nitriden oder Carbonitriden unterschiedlich ist, alternierend in den Reaktor eingeleitet werden.

6, Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnèt, als Metallhalogenid TiC14 eingesetzt wird.

7, Verfahren nach Ansprüchen 5 und 6, dadurch gelcennzeichnet, daß als Kohlenstofiträger C6H6, n-C7H16 oder deren Mischungen eingesetzt werden.

8. Verfahren nach Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Stickstoffträger Na, NH3 oder deren Mischungen eingesetz werden.

9. Verfahren nach Ansprüchen 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet,daß der wechsel zwischen den Trägergasen in Zeitintervallen vorgenommen wird, bei denen Einzelschichten von 0,3 - 2 µm Dicke abgeschieden werden.

io. Verfahren nach Ansprüchen 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Reaktor Normaldruck eingestellt wird.