DE4402988A1 - Verfahren zur Verbesserung der Standfestigkeit von Schneid-, Bohr- und Zerspanwerkzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Standfestigkeit von Schneid-, Bohr- und Zerspanwerkzeugen.

Die Standfestigkeit von Schneid-, Bohr- und Zerspanwerkzeugen wie z. B. Bohrern und Reibahlen ist in der industriellen Fertigung ein wesentliches Kriterium. Abgesehen von den reinen Materialkosten für verschlissene Werkzeuge sind auch die Personalkosten sowie die Opportunitätskosten der Zeit bei Stillstand von Maschinen immens. Darüber hinaus ist das Arbeitsergebnis von Werkzeugen, die an ihrer Verschleißgrenze angelangt sind oft ungenügend und die Ausschußquote in der Produktion wächst erheblich.

Seit jeher wird deshalb versucht, die Materialeigenschaften der Werkzeuge dem jeweiligen Einsatzzweck möglichst optimal anzupassen. Die dabei heute gebräuchlichen Verfahren sind bei tribologischer Beanspruchung der Werkzeuge insbesondere die Beschichtung und Härtung der beanspruchten Oberfläche. Die dabei zum Einsatz kommenden Verfahren sind neben älteren Beschichtungsmethoden wie z. B. der Galvanik, dem Auftragsschweißen oder Schmelztauchverfahren moderne Verfahren wie physikalische oder chemische Aufdampfprozesse (PVD - Physical Vapour Deposition, CVD - Chemical Vapour Deposition). Daneben kommen auch Verfahren zur Modifizierung der Randschicht in Frage, wie z. B. klassische Diffusionsverfahren, mechanische Oberflächenverfestigung oder auch Laser- oder elektronenstrahlgestützte Umschmelzverfahren. Auch die moderne Sputtertechnologie wird genutzt, um die Werkstoffoberfläche zu modifizieren.

Ein entscheidende Schwierigkeit bei all diesen Techniken ist jedoch die geeignete Kombination zwischen dem Grundmaterial des Werkzeuges und der modifizierten Oberflächenschicht. Die unterschiedlichen Anforderungen, die an das Grundmaterial des Werkzeugs gestellt werden, wie z. B. hohe Biegefestigkeit und den Anforderungen, die der Oberfläche abverlangt werden, wie große Härte, lassen sich meist nicht optimal kombinieren. Die Haftfestigkeit der an der Werkzeugoberfläche aufgebrachten Schicht ist vielfach ungenügend oder es müssen Kompromisse bei der Auswahl der Materialien eingegangen werden. Unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten von Grundwerkstoff und Beschichtung lassen die Beschichtung bei thermischer Beanspruchung frühzeitig abplatzen.

Durch das Aufbringen einer zusätzlichen Schicht leidet auch die Maßgenauigkeit des Werkzeugs, was z. B. bei Reibahlen oder Bohrern ganz entschieden von Nachteil sein kann. Da bei einigen der oben angegebenen Verfahren die Reproduzierbarkeit der Schichtdicke unter industriellen Bedingungen unzureichend ist, kann auch die Dicke der aufgebrachten Schicht bei der Produktion des Werkstoffrohlings nicht im Vorwege berücksichtigt werden, so daß sich eine ausreichende Maßhaltigkeit insbesondere bei Kleinstwerkzeugen auch auf diesem Wege nicht gewährleisten läßt.

Ungleichmäßige Schichtverteilung führt zu schwankender Qualität der beschichteten Werkzeuge. So muß entweder in Kauf genommen werden, daß Werkzeuge am oberen Rand der Qualitätsspanne zu früh ausgewechselt werden, um die Ausschußquote in der Produktion möglichst niedrig zu halten oder aber, daß die Werkzeuge am unteren Rand der Qualitätsspanne gegen Ende ihres Einsatzes über Gebühr viel Ausschuß produzieren. Beides ist mit erhöhten Kosten verbunden, die mit qualitativ besseren Werkzeugen vermeidbar wären.

Weiterhin verursacht die zusätzlich aufgebrachte Schicht bei Schneidwerkzeugen eine Verrundung der Schneiden, die z. B. bei Bohrern kleinen Durchmessers die Schneidleistung erheblich herabsetzen.

Viele Beschichtungsverfahren sind zudem mit hoher thermischer Belastung der Werkzeuge verbunden, die gerade bei sehr kleinen Werkzeugen zu unerwünschten Effekten, wie z. B. Schädigung der Festkörperstruktur führen können, da sie die beim Beschichten auftretende Hitze nur unzureichend abführen können.

Die oben angegebenen Verfahren sind deshalb insbesondere bei Kleinstwerkzeugen für die Präzisionsmechanik nicht anwendbar oder es lassen sich die werkstofftechnisch möglichen optimalen Ergebnisse nicht erzielen, da geeignete Werkstoffkombinationen mit vertretbarem Aufwand nicht herstellbar sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist also die Bereitstellung eines Verfahrens zur Verbesserung der Standfestigkeit von Schneid-, Bohr- und Zerspanwerkzeugen, das insbesondere bei Kleinstwerkzeugen die oben angegebenen Nachteile nicht aufweist.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Verbesserung der Standfestigkeit von Schneid-, Bohr- und Zerspanwerkzeugen vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die tribologisch beanspruchte Werkzeugoberfläche durch Ionenimplantation verdichtet wird. Bei der an sich bekannten Ionenstrahltechnik erfolgt die Oberflächenverdichtung durch einen gerichteten Strahl beschleunigter Ionen mit definierter Energie. Die zu implantierenden Ionen werden mittels eines Teilchenbeschleunigers unter Hochvakuum in die zu modifizierende Werkstoffoberfläche eingeschossen. Ergebnis ist eine dotierte oder legierte Materialrandschicht, in der chemische Umsetzungen stattfinden. Die Anzahl der implantierten Ionen und deren Eindringtiefe ist dabei exakt festlegbar und abhängig von den verwendeten Materialien und der Energie der Ionen. Die Eindringtiefe liegt typischerweise im Bereich bis etwa 1 µm.

In der praktischen Anwendung hat dieses Verfahren gegenüber den bisher angewendeten Verfahren einige entscheidende Vorteile. Zunächst treten bei diesem Verfahren keine Probleme mit der Haftfestigkeit auf, wie dies bei aufgebrachten Schichten der Fall ist. Es können annähernd beliebige Legierungskonzentrationen und Zusammensetzungen von Werkstoffen erzielt werden, auch solche außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichts und der Lösungsgrenzen der Materialien. Weiterhin sind nur wenige Parameter im Prozeß zu beachten, nämlich die Ionendosis, die Teilchenenergie und die Beschußzeit. Deshalb ist der Prozeß sehr gut kontrollierbar und das Ergebnis ausgezeichnet reproduzierbar. Da keine Schicht auf das Werkzeug aufgebracht wird, sondern die Grenzschicht modifiziert wird, ist auch die ausgezeichnete Maßhaltigkeit der behandelten Werkzeuge gewährleistet. Ebenso ist die thermische Belastung des Grundwerkstoffes während der Modifizierung der Oberfläche gering, die Temperatur kann unter 100°C gehalten werden.

Da bei der Ionenimplantation die Güte der ursprünglichen Oberfläche erhalten bleibt, leidet auch die Qualität der Werkzeugschneiden nicht unter der Oberflächenbehandlung, wie dies bei praktisch allen herkömmlichen Verfahren der Fall ist. Darin liegt ein besonderer Vorteil für die Verbesserung von kleinen bis mittelgroßen Reibahlen, deren Schneiden durch Beschichtungen stumpf werden und deren Maße sich ändern.

All diese Vorteile machen das Verfahren der Ionenimplantation ausgezeichnet nutzbar zur Oberflächenverbesserung von Schneid-, Bohr und Zerspanwerkzeugen. Insbesondere die Anwendung auf kleinste Werkzeuge ist ausgesprochen erfolgreich.

Die bevorzugten Werkstoffkombinationen der Werkzeugindustrie, nämlich Metalle und ihre Legierungen inkl. Stählen und Titan- oder Aluminiumbasislegierungen als Grundwerkstoffe in Kombination mit Nitriden oder Carbiden der Übergangsmetalle, insbesondere der Elemente in den Nebengruppen III bis VII des periodischen Systems der Elemente, vorzugsweise Ti, V, Cr, Mo lassen sich hervorragend mit den Verfahren der Ionenimplantation herstellen. Bevorzugt werden N oder C-Ionen in titan- oder chromhaltige Werkstoffe implantiert. Das Ergebnis sind qualitätsverbessernde Nitrid- oder Carbidverbindungen.

Besonders im Gegensatz zur Galvanik hat die Ionenstrahltechnik weiterhin den Vorteil besserer Umweltverträglichkeit, da praktisch keine Abfälle anfallen.

Bei der Anwendung der Ionenimplantation auf tribologisch beanspruchte Werkzeuge fallen zusätzlich einige Nachteile des Verfahrens an sich weg, die sonst während der Fertigung beseitigt werden müßten. Die bei der Ionenimplantation im Ionenstoßkanal erzeugten Defekte müssen nicht während der Produktion beseitigt werden, da es bei einem thermisch beanspruchten Werkzeug wie Bohrern, Reibahlen und anderen Zerspanwerkzeugen automatisch bei der ersten Erhitzung im Betrieb zu einer Annihilation der Defekte durch thermische Elektron-Phonon- Wechselwirkung kommt.

Der typische Nachteil, daß mit Vakuumprozessen wie der Ionenimplantation hoher Aufwand verbunden ist, tritt bei der Anwendung auf Kleinstwerkzeuge nur schwach zutage, da relativ große Stückzahlen gleichzeitig bearbeitet werden können und der Aufwand vom positiven Nutzen überwogen wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Beispiels näher erläutert:

Kleinstbohrer aus HSS-E-Stählen werden im Vakuum mit Stickstoffionen mit einer Energie von 170 keV beschossen. Die Beschußdauer beträgt 4-6 Stunden, die Ionenstromdichte 10-50 µA/cm². Die Ionen dringen in die Oberfläche ein, verdichten diese physikalisch und erzeugen gleichzeitig chemische Änderungen in Form von Nitriden. Die so behandelten Bohrer haben im Test bis zu 1.8fache Standzeiten der nach herkömmlichen Beschichtungsverfahren behandelten Bohrer erreicht.

Claims (10)

1. Verfahren zur Verbesserung der Standfestigkeit von Schneid-, Zerspan- und Bohrwerkzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die tribologisch beanspruchten Flächen der Werkzeuge durch Ionenimplantation verdichtet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die tribologisch beanspruchten Oberflächen Stickstoff- oder Kohlenstoff- Ionen implantiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zu behandelnden Werkzeuge aus titan-, vanadium-, chrom- oder molybdänhaltigen Werkstoffen, insbesondere Stählen, Aluminium- oder Titan-Basislegierungen, bestehen.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie der zu implantierenden Ionen zwischen 80 und 200 keV liegt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschußdauer der Werkzeuge 4 bis 6 Stunden beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenstromdichte 10-50 µA/cm² beträgt.

7. Schneid-, Zerspan- oder Bohrwerkzeuge mit erhöhter Standfestigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß die tribologisch beanspruchten Flächen durch Ionenimplantation, insbesondere mit N- oder C-Ionen, verdichtet sind.

8. Schneid-, Zerspan- oder Bohrwerkzeuge nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus Stählen, Titan- oder Aluminiumwerkstoffen, gegebenenfalls in Legierung mit Elementen der Nebengruppen III bis VII des Periodensystems, bestehen.

9. Schneid-, Zerspan- oder Bohrwerkzeuge nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die verdichteten Flächen zumindest teilweise Nitride und/oder Carbide der Ausgangsmetalle enthalten.

10. Schneid-, Zerspan- oder Bohrwerkzeuge nach Anspruch 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Verdichtungen im Bereich von etwa 1 µm liegt.