DE3608734C1

DE3608734C1 - Beschichtete Keramik-Wendeschneidplatte

Info

Publication number: DE3608734C1
Application number: DE19863608734
Authority: DE
Inventors: Ulf Dipl-Min Dr Dworak; Kilian Dipl-Ing Dr Friederich; Werner Dipl-Chem Haenni; Dr Sc Nat Hintermann Han Erich
Original assignee: Feldmuehle AG
Current assignee: Stora Feldmuehle AG
Priority date: 1986-03-15
Filing date: 1986-03-15
Publication date: 1987-01-02
Also published as: EP0237622A1; JPS62224676A

Description

Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Schneidwerkzeug für die spanabhhebende Bearbeitung nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Beschichtete Schneidplatten sind in der DE-PS 24 43 160 beschrieben. Die dort beschriebenen Schneidplatten-Grundkörper bestehen aus keramischen Oxiden oder aus verschleißfesten keramischen Oxiden, die mit einem oder mehreren Hartkarbiden und/oder Nitriden und/oder Bindemetall gemischt sind. Zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit weist die bekannte Schneidplatte eine Beschichtung aus keramischen Oxiden auf, vorzugsweise aus den Oxiden von: Al, Zr, Si, Ca, Mg, Ti und/oder Hf. Zwischen der oxidischen Verschleißschicht und dem Grundkörper kann zusätzlich eine Zwischenschicht aus einem oder mehreren Karbiden und/oder Nitriden von Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, MO, W, Si und/oder B angeordnet sein.

Die DE-PS 31 44 192 sieht bei einem Verfahren zur PVD-Beschichtung von Sinterkarbiden oder Cermets mit Karbiden, Nitriden oder Oxiden von Metallen aus der Gruppe IVa, Va und VIa des PSE und/oder Al₂O₃ und ZrO₂ eine Zerstäubungsreinigung mit Wasserstoff oder anderem Gasgemisch zur Verbesserung der Haftung der Beschichtung auf den Grundkörpern vor.

Für aus Al₂O₃ oder eine Al₂O₃-Schicht aufweisende Substrate sieht die EP-OS 85 240 Zwischenlagen aus Titanoxid vor, auf der Nutzschichten aus Titannitrid, Titankarbid oder Titancarbonitrid nach dem CVD-Verfahren aufgetragen werden.

In der DE-OS 28 25 009 werden Hartmetallkörper mit einer Aluminiumoxidschicht beschrieben, wobei vor Auftrag der Aluminiumoxidschicht noch eine Zwischenschicht aus verschleißfestem Karbid, Nitrid, Carbonitrid und/oder Borid, u. a. aus Titankarbid, Titannitrid und Titancarbonitrid aufgebracht wird.

Die DE-AS 25 25 185 betrifft ebenfalls verschleißfeste Formteile mit Grundkörpern aus Hartmetall und sieht vor Aufbringung der verschleißfesten Schichten aus Aluminiumoxid und/oder Zirkonoxid den Auftrag von inneren Teilschichten aus einem oder mehreren Boriden, insbesondere von Diboriden der Elemente Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän und Wolfram vor.

Zur Verbesserung der Gleichmäßigkeit bei der Aufbringung der Beschichtung mittels des CVD-Verfahrens wurde in der EP-OS 45 291 auch bereits vorgeschlagen, während der Abscheidung einer im wesentlichen aus Aluminiumoxid bestehenden Nutzschicht dem aus Hartmetall oder Keramik bestehenden Substrat vor, eine kontrollierte Menge von Schwefel, Selen und/oder Tellur zuzufügen. Diese Schrift sieht Zwischenschichten aus Karbiden, Nitriden, Carbonitriden und/oder Boriden von einem oder mehreren der Elemente Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Silizium und/oder Beryllium vor.

Von den vorstehend beschriebenen Schneidwerkzeugen haben im wesentlichen nur diejenigen mit einem Grundkörper auf Basis von Hartmetallen eine gewisse Verbreitung erfahren. Im Vergleich zu keramischen Werkstoffen haben Hartmetalle infolge ihres Bindemetallanteils aber eine geringere Temperaturbeständigkeit, so daß hier noch gewisse Nachteile, insbesondere bei infolge von hohen Schnittgeschwindigkeiten verursachtem Temperaturanstieg bestehen. Als nachteilig müssen auch komplizierte Verfahrensbedingungen angesehen werden, wie z. B. der Schwefelzusatz beim Abscheiden der Beschichtung oder die Bildung einer TiO-Schicht aus zuvor abgeschiedenem TiO₂, da eine reproduzierbare Arbeitsweise im Produktionsmaßstab dabei nicht immer möglich ist.

Die Nachteile der bisher bekannten Zwischenschichten auf Borid-, Karbid-, Nitrid- und Carbonitridbasis bestehen in der noch nicht ausreichenden Haftfestigkeitsverbesserung.

Die vorliegende Erfindung sieht deshalb ihre Aufgabe in der Entwicklung eines Schneidwerkzeuges mit verbesserter Temperaturbeständigkeit, wobei die Nutzschicht auf dem Substrat über eine ausreichende Haftungfestigkeit verfügt. Das Schneidwerkzeug soll ferner unter Verzicht auf aufwendige Verfahrensmaßnahmen unter Rückgriff auf übliche Rohstoffe kostengünstig und im industriellen Maßstab reproduzierbar herstellbar sein.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei einem Schneidwerkzeug gemäß dem Gattungsbegriff des Hauptanspruches die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 vor.

Wenngleich auch noch nicht geklärt ist, worin die hervorragende Eignung von Siliziumdioxid als Zwischenschicht begründet ist, muß die Auswahl von Siliziumdioxid als Glücksgriff verstanden werden, denn aufgrund der minimalen thermischen Ausdehnung von nur 0,5×10^-6 K^-1 dieser Substanz im Vergleich zu der wesentlich höheren thermischen Ausdehnung der Grundkörperwerkstoffe - Al₂O₃ : 8×10^-6 K^-1 - mußte eigentlich damit gerechnet werden, daß sich das abgeschiedene SiO₂ beim Abkühlen nach der Beschichtung vom Grundkörper mit höherer thermischer Ausdehnung lösen und damit die Haftung eher vermindern als steigern würde. Unerwarteterweise stellte sich jedoch heraus, daß SiO₂ entgegen dieser Überlegung zu einer guten Haftung zwischen einem aus keramischen Werkstoffen bestehenden Grundkörper und einer Nutzschicht, die im wesentlichen aus Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Hafniumoxid, deren Mischung oder aus einem Titancarbonitrid der allgemeinen Formel Ti (C_x, N_1- _x), wobei x=0 bis 1 ist, besteht, führt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der Grundkörper im wesentlichen aus: Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, einer Mischung von Aluminiumoxid mit bis zu 20 Vol.-% Zirkoniumoxid, wobei insbesondere Zusatzmengen von 2 bis 15 Vol.-% bevorzugt sind; ferner aus einem die üblichen Sinterhilfsmittel enthaltenden Siliziumnitrid, das entweder drucklos gesintert oder heißgepreßt ist, sowie aus gesintertem oder heißgepreßtem Siliziumnitrid, dem Hartstoffe, vorzugsweise Titankarbid, Titannitrid, Titanborid, Niobborid, Niobkarbid und Siliziumkarbid zugesetzt sind, sowie aus gesintertem und kein metallisches Silizium enthaltendem Siliziumkarbid, ferner aus Aluminiumoxid mit einem Zusatz von 1 bis 40 Vol.-% Titankarbid. Vor dem Auftrag der Zwischenschicht aus Siliziumdioxid werden die Grundkörper gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zur Ausbildung der genormten Geometrien allseitig geschliffen

Zwischenschichten sowie Nutzschichten, jeweils mit einer Dicke von 0,1 bis 5 µm haben sich als gut geeignet erwiesen. Als besonders geeignet erwiesen haben sich infolge ihres weniger stark ausgeprägten Glascharakters jedoch Zwischenschichten einer Dicke µm. Zwischenschichten dieser Dicke gelten daher als besonders bevorzugt, weil die hohe Sprödigkeit von Siliziumdioxid sich bei diesen geringen Schichtdicken in negativer Hinsicht kaum bemerkbar macht. Um gleichmäßige Schichten dieser geringen Dicke erzeugen zu können, hat sich die Anwendung des CVD oder PVD-Verfahrens, insbesondere des CVD-Verfahrens als besonders geeignet erwiesen.

Der Auftrag der Siliziumdioxidschicht kann beispielsweise erfolgen in Anlehnung an das in der US-PS 40 99 990 beschriebene Verfahren zum Auftrag von SiO₂-Schichten auf die innere Oberfläche von Reaktorröhren.

Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Schneidplatte wird ein Grundkörper aus z., B. Al₂O₃, jedoch ohne die in der vorerwähnten US-PS 40 99 990 beschriebene Voroxidierung, direkt mit SiO₂ beschichtet durch Einwirkung einer Atmosphäre aus einem 0,5% H₂O enthaltendem Stickstoffträgergas, das als Si-Träger 0,5% TEOS (Tetraethylorthosilikat) enthält und bei 50 mbar und 780°C während einer Behandlungsdauer von 1 h eine SiO₂-Schicht von 0,5 µm Dicke abgeschieden. Es folgt eine nochmalige Behandlung in einer Wasserdampfatmosphäre von 1 bar bei 1000°C während 30 min. Die Abscheidung der Nutzschicht erfolgt nach den bekannten CVD-Verfahren zum Auftrag von TiC-Al₂O₃, TiC, TiN, Ti(C, N).

Die nachfolgenden Beispiele dienen der näheren Erklärung der Erfindung.

Beispiel 1

Ein Grundkörper aus einer Mischung von Aluminiumoxid und 12 Vol.-% Zirkoniumoxid wurde mit einer nach dem CVD-Verfahren aufgebrachten Schicht aus Siliziumdioxid mit einer Dicke von 0,5 µm versehen und anschließend im gleichen Reaktor mit einer Schicht aus Titancarbonitrid einer Dicke von 1,5 µm beschichtet. Die Haftfestigkeit der Titancarbonitrid-Schicht betrug 23 N.

Die Messung der Haftfestigkeit erfolgte nach dem REVETEST-Verfahren, bei der das Substrat unter einer mit steigender Last beaufschlagten Diamantspitze fortbewegt wird.

Zum Vergleich wurde die gleiche Titancarbonitridschicht auf dem Grundkörper aus Aluminiumoxid mit 12 Vol.-% Zirkoniumoxid, ohne Auftrag einer Siliziumdioxidzwischenschicht aufgebracht. Die dabei ermittelte Haftfestigkeit betrug nur 4 N.

Beispiel 2

In weiteren Versuchen wurden Grundkörper aus:
Aluminiumoxid mit Zusatz von Magnesiumoxid und Siliziumdioxid als Sinterhilfsmittel,
Aluminiumoxid mit einem Zusatz von 20 Vol.-% Titankarbid
Siliziumnitrid mit Zusätzen von Magnesiumoxid und Yttriumoxid sowie Kalziumoxid als Sinterhilfsmittel,
Siliziumnitrid, das außer den vorerwähnten Sinterhilfsmitteln noch 20 Vol.-% Titankarbid enthält,
Siliziumnitrid, das außer den vorerwähnten Sinterhilfsmitteln noch 20 Vol.-% Titannitrid enthält,
Siliziumnitrid, das außer den vorerwähnten Sinterhilfsmitteln noch je 10 Vol.-% Titandiborid und Titankarbid enthält,
Siliziumkarbid mit einer Zwischenschicht aus: SiO₂ und Nutzschichten aus jeweils: Aluminiumoxid, Titankarbid, Titannitrid und Titancarbonitrid versehen.

Die Haftfestigkeit der Nutzschicht auf dem Substrat bzw. der Zwischenschicht betrug in jedem Fall mehr als 20 N.

Die Figur zeigt in schematischer Darstellung - im Querschnitt - einen Ausschnitt eines Schneidwerkzeuges.

Die in der Figur gezeigte Schneidplatte (1) besteht aus einem Grundkörper (2) aus Aluminiumoxid, auf dem eine Zwischenschicht (4) aus Siliziumdioxid angeordnet ist, die mit der Nutzschicht (3) aus Titancarbonitrid abgedeckt ist.

Claims

1. Schneidwerkzeug für die spanabhebende Bearbeitung mit einem im wesentlichen aus gesinterten keramischen Werkstoffen bestehenden Grundkörper, einer auf den Grundkörper aufgetragenen keramischen Zwischenschicht und einer äußeren keramischen Nutzschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die auf dem Grundkörper (2) angeordnete Zwischenschicht (4) aus Siliziumdioxid und die äußere Nutzschicht (3) im wesentlichen aus Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Hafniumoxid, deren Mischung oder aus einem Titancarbonitrid der allgemeinen Formel: Ti (C_x, N_1- _x) besteht, wobei x = 0 bis 1 ist.

2. Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (2) im wesentlichen besteht: aus Aluminiumoxid oder Zirkonoxid, aus einer Mischung von Aluminiumoxid mit bis zu 20 Vol.-% Zirkoniumoxid, aus Siliziumnitrid, aus Siliziumkarbid, einer Siliziumnitrid und Hartstoffe umfassenden Zusammensetzung oder aus einer Mischung aus Aluminiumoxid mit 1 bis 40 Vol.-% Titankarbid.

3. Schneidwerkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartstoffe Titankarbid, Titannitrid, Titanborid, Niobborid, Niobkarbid und Siliziumkarbid sind.

4. Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (4) eine Dicke von 0,1 bis 5 µm hat.

5. Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutzschicht (3) eine Dicke von 0,1 bis 5 µm hat.

6. Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (4) und Nutzschicht (3) nach dem CVD oder PVD-Verfahren aufgetragen sind.