DE3539729C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Metallbearbeitung und betrifft Schneidwerkzeuge mit verschleißfestem Überzug.

Die vorliegende Erfindung gelangt bei Schneidwerkzeugen wie Meißel, Bohrer, Fräser u. ä. jeweils für die Dreh-, Bohr-, Fräsbearbeitung und sonstige Arten der Metallbearbeitung zum Einsatz.

Eine der Möglichkeiten der Verlängerung der Standzeit eines Schneidwerkzeuges mit verschleißfestem Überzug bildet zur Zeit die Verlängerung der Nutzungsdauer des verschleißfesten Überzuges selbst.

Bekannt ist ein Schneidwerkzeug mit verschleißfestem Überzug (US-PS 39 00 592), der aus einer schwerschmelzbaren Metallverbindung Titan- oder Zirkoniumnitrid oder -karbid besteht. Die Konzentration des nichtmetallischen Bestandteils, d. h. Stickstoff oder Kohlenstoff, nimmt bei der schwerschmelzbaren Verbindung, aus der der Überzug besteht, in Richtung von der Überzugsoberfläche her, die an der Oberfläche des Werkzeuggrundkörpers anliegt, zur Außenfläche des Überzugs hin zu. Dabei steigt die Härte des Überzugs in Richtung seiner Außenfläche. Bei diesem Überzug kann sich das Kristallgitter von Schichten, die unmittelbar an der Oberfläche des Werkzeuggrundkörpers anliegen, von dem der oberflächlichen Überzugsschichten unterscheiden. Innere Spannungen, die unter dem Einfluß der Schneidkräfte im Überzug auftreten, werden während des Betriebes in bildsameren Innenschichten des Überzugs gedämpft. Beim Betrieb verschleißt jedoch die Außenschicht des Überzugs allmählich, und die mit Reinmetall, das dem Bearbeitungsmetall gegenüber reaktionsfreudiger ist als die schwerschmelzbaren Metallverbindungen, angereicherten Innenschichten des Überzuges kommen mit dem Bearbeitungsgut in Kontakt, wodurch der Adhäsionsverschleiß beschleunigt wird.

Bekannt ist ein Schneidwerkzeug mit verschleißfestem Überzug (FR-PS 24 54 903) in Form einander abwechselnder Schichten von mindestens zwei schwerschmelzbaren Metallverbindungen, bei dem kein Adhäsionsverschleiß vorliegt.

Dieser verschleißfeste Überzug weist keine Metalle in freiem Zustand auf. Er besteht aus Schichten von schwerschmelzbaren Titanverbindungen mit Elementen von C und/oder N, die ein Kristallgitter vom NaCl-Typ haben, und Schichten eines schwerschmelzbaren Aluminiumoxids Al₂O₃, das sich im Kristallgitter vom NaCl-Typ unabhängig von den Bildungsbedingungen nicht kristallisiert. Das bedeutet, daß die schwerschmelzbaren Verbindungen, die die abwechselnden Schichten des bekannten verschleißfesten Überzugs bilden, Kristallgitter verschiedenen Strukturtyps aufweisen.

Die Anzahl der Überzugsschichten, deren Dicke und Reihenfolge können sehr verschieden sein und von den durch die Betriebsbedingungen an das Schneidwerkzeug gestellten Forderungen abhängen.

Das mehrschichtige Gefüge des verschleißfesten Überzugs bietet die Möglichkeit, in ein und demselben Überzug verschiedene Eigenschaften der die Einzelschichten bildenden schwerschmelzbaren Verbindungen zu vereinigen. Ein solcher Überzug hat jedoch eine kurze Standdauer, weil sich der Überzug beim Betrieb des Werkzeugs unter dem Einfluß von thermischen und dynamischen Belastungen in Schichten zerlegt, da die abwechselnden Schichten des bekannten Überzugs Kristallgitter unterschiedlichen Strukturtyps aufweisen.

Die Abschichtung des Überzugs ist durch zwei Faktoren bedingt. Erstens erweisen sich nicht alle an der Schichtentrenngrenze befindlichen Atome der schwerschmelzbaren Verbindungen als gegenseitig durch Valenzbindungen gekoppelt. Zweitens nimmt ein Teil der Atome eine für sie nicht kennzeichnende Stellung in den Kristallgitterpunkten der die Nachbarschicht bildenden Verbindung ein. Dadurch wird der Pegel der inneren Spannungen im Kopplungsbereich der Gitter verschiedener Typen erhöht und die Kraft der interatomaren Bindungen an der Schichtentrenngrenze reduziert.

Bei der erfindungsgemäßen technischen Lösung wird der mehrschichtige Überzug durch Kondensation der Substanz nach dem KIB-Verfahren (Kondensation durch Ionenbeschuß) aufgetragen. Dieses Verfahren sieht die Bildung des Überzugs ohne Erwärmung auf hohe Temperaturen vor. Ein solcher Überzug besteht aus genau voneinander getrennten Schichten schwerschmelzbarer Verbindungen, deren Zusammensetzungen und Strukturen nicht durch Diffusion verändert wurden.

In der GB-PS 16 01 224 wird ein mehrschichtiger Überzug beschrieben, der im wesentlichen aus Titannitrid (Schicht I), Titankarbid (Schicht II) und Titannitrid oder Titancarbonitrid (Schicht III) besteht.

Titannitrid und Titankarbid kristallisieren in Gittern der folgenden Arten: Monoverbindungen von TiC und TiN in einem NaCl-Gitter, Titankarbid TiC₂ in einem einfachen kubischen Gitter und Titandinitrid TiN₂ in einem CaF-Gitter.

Somit sagt der Begriff "Karbid" bzw. "Nitrid" eines Metalls an sich nichts über die Kristallstruktur aus, sondern gibt lediglich die qualitative Zusammensetzung einer Verbindung wieder und teilt diese einer bestimmten Stoffgruppe zu.

Somit enthält diese PS keine Angaben darüber, daß die Kristallstruktur der die Schichten des Überzugs bildenden Verbindungen von derselben Art sein muß.

In der GB-PS 15 65 399 wird ein keramisches Karbidmaterial mit einem aus drei Schichten bestehenden Überzug beschrieben, wobei die Schichten aus Karbid, Carbonnitrid und Nitrid von Metallen der Gruppen IV und V bestehen. Außerdem wird dort gesagt, daß alle Schichten durch chemische Fällung aus der Dampfphase gebildet werden (CVD-Verfahren).

Die beschriebenen Verbindungen, d. h. die Karbide, Carbonitride und Nitride der Metalle Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niobium und Tantal sind bezüglich ihrer Zusammensetzung und der Art der entsprechenden Struktur sehr verschiedenartig.

Die Monikarbide von Metallen der Gruppen IV und V mit der Zusammensetzung MeC weisen eine kubische NaCl-Struktur auf. Niedere polymorphe Karbide von Metallen der Gruppe V mit der Zusammensetzung Me₂C weisen dagegen je nach den Bedingungen ihrer Synthese verschiedene Strukturen auf. Bekannt sind Karbide V₂C, Nb₂C und Ta₂C mit einer Mo₂C-Struktur, Karbide V₂C, Nb₂C und Ta₂C mit einer 3-Fe₂N-Struktur und ein Karbid Ta₂C mit einer rhomboedrischen Sn₄P₃-Struktur.

Ebenso verschiedenartig sind die Strukturen der Nitride und Carbonitride der Übergangsmetalle der Gruppen IV und V.

Da also die GB-PS keine Angaben über die konkrete Zusammensetzung und die Art der Struktur der einzelnen Verbindungen enthält, besteht kein Grund zu der Annahme, daß diese Verbindungen Strukturen von derselben Art besitzen müssen.

Außerdem werden durch das CVD-Verfahren, nach dem die erwähnten höheren Verbindungen von Übergangsmetallen erhalten werden, keine genauen Trenngrenzen zwischen den Schichten des Überzugs erreicht. Bei der Durchführung des CVD-Verfahrens finden infolge der hohen Temperatur der Unterlage (über 1000°C) Diffusionsvorgänge statt, wodurch die Substanzen der einzelnen Schichten ihre Zusammensetzung ändern und an der Trenngrenze von der einen Schicht in die andere gelangen. Der Überzug wird dadurch praktisch ein Monolith. Darüber hinaus enthält der nach dem CVD-Verfahren erhaltene Überzug ein Bindemetall, beispielsweise Kobalt oder Nickel, das aus dem Material der Unterlage in das Material des Überzugs diffundierte. Im Falle einer Diffusion, die an den Grenzen der Körner der den Überzug bildenden Verbindungen verläuft, wird in die Zusammensetzung des Überzugs die Reinmetallphase eintreten, die immer eine andere Struktur aufweist als Metallverbindungen. Wenn die Diffusion innerhalb der Körper der Verbindungen verläuft, erfahren deren Zusammensetzungen und Strukturen einen wesentlichen Wandel. Man kann daher nicht beurteilen, ob an den Trenngrenzen der Schichten des nach dem CVD-Verfahren erhaltenen Überzugs die Strukturen der Metallverbindungen von derselben Art sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schneidwerkzeug mit verschleißfestem Überzug aus einander abwechselnden Schichten von schwerschmelzbaren Metallverbindungen derart zu schaffen, daß eine Zunahme der Kraft der interatomaren Bindungen an der Schichtentrenngrenze des Überzugs ermöglicht und somit die Standzeit des Schneidwerkzeugs verlängert wird.

Diese Aufgabe wird wie aus dem vorstehenden Anspruch ersichtlich gelöst.

Die Standzeit eines solchen Schneidwerkzeugs mit verschließfestem Überzug nimmt um das 1,6- bis 2fache zu. Das wird dadurch gewährleistet, daß sich alle Atome der schwerschmelzbaren Verbindungen mit ein und demselben Kristallgittergefüge an der Schichtentrenngrenze gegenseitig durch Valenzbindungen koppeln können, wodurch die Anzahl der Strukturfehler an der Schichtentrenngrenze vermindert wird. Die Migration der Strukturfehler des Kristallgitters, die beim Schneiden unter dem Einfluß von thermischen und dynamischen Belastungen intensiviert wird, kann bekanntlich zum Fehlerzusammenfluß und zur Bildung von Poren führen, deren Auftreten die Abschichtung des Überzugs herbeiführt. Bei dem erfindungsgemäßen Überzug nehmen alle Atome der vorhergehenden Schicht die ihnen eigenen Stellungen in den Kristallgitterpunkten der schwerschmelzbaren Verbindung der nachfolgenden Schicht ein, wodurch die Kraft der interatomaren Bindungen an der Schichtentrenngrenze erhöht und die Abschichtungsmöglichkeit für den Überzug vermindert wird.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert; es zeigt:

Fig. 1 die Gesamtansicht eines erfindungsgemäßen Schneidwerkzeuges mit verschleißfestem Überzug, insbesondere ein abnehmbares Schneidplättchen für Fräser (Teilquerschnitt),

Fig. 2 einen Verbindungsplan der Kristallgitter von ein und demselben Gefügetyp an der Trenngrenze von zwei benachbarten Überzugsschichten nach der Erfindung (isometrische Darstellung in vergrößertem Maßstab).

Das Schneidwerkzeug mit verschleißfestem Überzug, insbesondere das abnehmbare Schneidplättchen für Fräser enthält einen Grundkörper 1 (Fig. 1) aus dem Werktstoff, aus dem das Werkzeug hergestellt worden ist, z. B. Schnellstahl, Hartlegierung, Keramik. Auf den Grundkörper 1 ist ein verschleißfester Überzug 2 aufgebracht, der in Form von vier einander abwechselnder Schichten 3, 4 mindestens zweier schwerschmelzbarer Metallverbindungen, die die Nachbarschichten 3, 4 bilden, gelangen schwerschmelzbare Verbindungen, deren Kristallgitter von ein und demselben Strukturtyp ist, zum Einsatz. So weisen bei der beschriebenen Variante die Nachbarschichten 3, 4 der schwerschmelzbaren Verbindungen ein Kristallgitter 5 vom hexagonalen Typ auf.

Schwerschmelzbare Metallverbindungen, aus denen der verschleißfeste Überzug besteht, sind wohlbekannt. Zu ihnen gehören Karbide, Nitride, Oxide, Boride, Silizide, vorzugsweise von Übergangsmetallen. Der verschleißfeste Überzug 2 wird auf den Grundkörper 1 auf eine beliebige, auf diesem Gebiet bekannte Weise bzw. im Stoffkondensationsverfahren mit Ionenbeschuß aufgetragen.

Die Auftragung mit Ionenbeschuß erfolgt beispielsweise so: Ein Teil der Bohrer wird auf einen Tisch in einer Vakuumkammer gelegt, dann dreht man die Bohrer um ihre eigene Achse und gleichzeitig bezüglich der in der Kammer angebrachten drei Kathoden, die aus Titan bzw. Zirkonium bestehen. Die Drehgeschwindigkeit des Tisches beträgt 1,6 U/min, der Druck in der Kammer 2 bis 3 × 10^-3 Pa. An die Bohrer wird eine Spannung von 1,5 kV angelegt. Es entzündet sich ein Lichtbogen (Strom des Bogens 110 A), durch den das Kathodenmaterial verdampft. Unter diesen Bedingungen wird die Oberfläche der Bohrer gereinigt und bis auf 520°C erhitzt. Nach Erreichen dieser Temperatur wird die Spannung an den Bohrern auf 250 V gesenkt und gasförmiger Sauerstoff in die Kammer geleitet, wobei in der Kammer ein Druck von 1 bis 2 × 10^-1 Pa hergestellt wird. Nun beginnt der Prozeß des Aufbringens der Schichten. Die Drehgeschwindigkeit des Tisches bleibt gleich. Während des Prozesses der lichten Bildung wird die Temperatur des Erhitzens der Bohrer auf 500°C aufrechterhalten. Nach 60 Minuten wird der Lichtbogen abgeschaltet, die Spannung von den Bohrern genommen, die Zufuhr des Sauerstoffs gestoppt, und die Bohrer werden in der Kammer auf Zimmertemperatur abgekühlt.

Die Dicke des ganzen Überzugs, die Schichtenzahl dieses Überzugs, das Dickenverhältnis der Schichten, die Anzahl von schwerschmelzbaren Verbindungen, die die Überzugsschichten bilden und deren Reihenfolge sind auf dem gegebenen Gebiet der Technik bekannt und können sehr verschieden sein. Sie werden ausgehend von der Überzugsaufbringtechnologie und den Betriebsbedingungen des Schneidwerkzeuges mit verschleißfestem Überzug gewählt.

Das Schneidwerkzeug arbeitet wie folgt. Während der Metallbearbeitung wirkt der verschleißfeste Überzug 2 (Fig. 1) bei hohen Temperaturen und Drücken, die im Schneidbereich auftreten, mit dem Bearbeitungsmetall zusammen. Durch den gleichen Strukturtyp der Kristallgitter 5 (Fig. 2) der schwerschmelzbaren Metallverbindungen, die die Überzugsschichten 3, 4 bilden, verursachen dabei die thermischen und dynamischen Belastungen beim Betrieb des Schneidwerkzeuges keinen Bruch der interatomaren Bindungen an der Schichtentrenngrenze des verschleißfesten Überzugs 2, wodurch keine Abschichtung des Überzugs 2 erfolgt.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung werden nachstehend folgende Ausführungsbeispiele von Bohrern mit 5 mm Durchmesser aus Stahl folgender Zusammensetzung in Gew.-% angeführt:

Bohrer in einer Menge von 15 Stück wurden beim Bohren von 15 mm tiefen Bohrungen in Stahl der Zusammensetzung von 0,42 bis 0,49 Gew.-% C, Rest Fe an einer Senkrechtbohrmaschine unter folgenden Schnittbedingungen erprobt:

Schnittgeschwindigkeit V = 45 m/min,
Bohrervorschub S = 0,18 mm/U
Abstumpfungskennzeichen: Knarren des Bohrers.

Beispiel 1

Der Bohrer hat einen 6 µm dicken Überzug aus Schichten von drei schwerschmelzbaren Metallverbindungen: die erste, 1 µm dicke, sich an die Oberfläche des Werkzeugs anschließende TiC-Schicht, die ein kubisches Kristallgitter vom NaCl-Typ aufweist, und 100 einander abwechselnde gleich dicke Schichten von schwerschmelzbaren Verbindungen: TiN mit einem Kristallgitter vom NaCl-Typ und ZrN mit einem Kristallgitter von demselben Strukturtyp. Die Anzahl der mit jedem Bohrer gebohrten Bohrungen beträgt 380.

Beispiel 2

Der Bohrer hat einen 5 µm dicken Überzug, bestehend aus drei gleich dicken Schichten von schwerschmelzbaren Verbindungen: (TiZr)CN, (TiZr)C und (TiZr)N, aufgetragen in der angegebenen Reihenfolge. Die erwähnten schwerschmelzbaren Verbindungen weisen ein kubisches Kristallgitter vom NaCl-Typ auf. Die Anzahl der mit jedem Bohrer gebohrten Bohrungen beträgt 470.

Beispiel 3

Der Bohrer hat einen 5 µm dicken Überzug aus 1500 gleich dicken, einander abwechselnden Schichten von den drei folgenden schwerschmelzbaren Verbindungen: TaB₂, NbB₂, MoB₂, aufgebracht in der angegebenen Reihenfolge. Die schwerschmelzbaren Verbindungen weisen ein kubisches Kristallgitter vom AlB₂-Typ auf. Die Anzahl der mit dem Bohrer gebohrten Bohrungen beträgt 430.

Beispiel 4

Der Bohrer hat einen 5 µm dicken Überzug aus 600 einander abwechselnden Schichten von schwerschmelzbaren Verbindungen: Ta₅Si₃, Nb₅Si₃, die ein tetragonales Kristallgitter vom Cr₅B₃-Typ aufweisen. Dabei beträgt das Schichtdickenverhältnis jeweils 2 : 1. Die Anzahl der mit dem Bohrer gebohrten Bohrungen beträgt 480.

Beispiel 5

Der Bohrer hat einen 5 µm dicken Überzug aus 200 einander abwechselnden Schichten von schwerschmelzbaren Verbindungen TiO, ZrO, die ein kubisches Gitter vom NaCl-Typ aufweisen. Das Schichtdickenverhältnis beträgt jeweils 1 : 3, die Anzahl der mit dem Bohrer gebohrten Bohrungen 410.

Claims (1)

1. Schneidwerkzeug mit verschleißfestem Überzug in Form von mindestens zwei einander abwechselnden Schichten von mindestens zwei schwerschmelzbaren Metallverbindungen, deren Kristallgitter ein und denselben Strukturtyp aufweist, gekennzeichnet durch einen 6 µm dicken Überzug aus einer ersten 1 µm dicken, sich an die Oberfläche des Werkzeugs anschließender TiC-Schicht und hundert einander abwechselnden, gleich dicke Schichten der schwerschmelzbaren Verbindungen TiN und ZrN, oder durch einen 5 µm dicken Überzug bestehend aus drei gleich dicken Schichten von (TiZr)CN, (TiZr)C und (TiZr)N, oder durch einen 5 µm dicken Überzug aus 1500 gleich dicken, einander abwechselnden Schichten der folgenden Verbindungen: TaB₂, NbB₂, MoB₂, aufgebracht in dieser Reihenfolge, oder durch einen 5 µm dicken Überzug aus 600 einander abwechselnden Schichten von Ta₅Si₃, Nb₅Si₃, die ein tetragonales Kristallgitter von Cr₅B₃-Typ aufweisen, jeweils mit einem Schichtdickenverhältnis von 1 : 2, oder durch einen 5 µm dicken Überzug aus 200 einander abwechselnden Schichten der Verbindung TiO, ZrO vom kubischen Gitter mit einem Schichtdickenverhältnis von jeweils 1 : 3.