DE4421144A1 - Beschichtetes Werkzeug mit erhöhter Standzeit - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Werkzeug nach Anspruch 1.

Werkzeuge für die zerspanende und formende Bearbeitung von Metallen aber auch Kunststoffen werden zur Erhöhung der Standzeit und zur Verbesserung der Bearbeitungsbedingungen oft beschichtet. Für die Beschichtung werden bekannte Verfahren wie beispielsweise CVD oder PVD verwendet. Als Schichten werden Hartstoffschichten verwendet, welche üblicherweise aus Nitriden, Carbiden, Carbonitriden der Metalle Titan, Hafnium und Zirkon sowie deren Legierungen gebildet werden. Die Einsatzmöglichkeiten so beschichteter Werkzeuge sind beispielsweise in folgenden Veröffentlichungen erwähnt (Proceedings of the 13th Plansee-Seminar, Plansee, May 1993 und Proceedings of the 20th International Conference on Metallurgical Coatings, San Diego, April 1993). Bei der Bearbeitung einiger Werkstoffe haben diese Schichten aber nicht immer das gewünschte Resultat gebracht, vor allem wenn diese zur Aufbauschneidenbildung neigen. Das betrifft einerseits Werkstoffe mit starker Freßneigung wie Aluminium- und Titanlegierungen oder Werkstoffe die zu einer starken Kaltverfestigung neigen wie austenitische rostfreie Stähle oder Messing. Das Schadensbild hängt vom Werkzeugtyp ab. Bei spanenden Werkzeugen beobachtet man Aufbauschneidenbildung, die einerseits zu einem verstärkten Adhäsivverschleiß beim Abreißen führt, andererseits die Qualität des Werkstückes negativ beeinflußt.

Bei formenden Werkzeugen kommt es durch Aufschmierungen zu einem Verlust der durch die Hartstoffbeschichtung angestrebten verringerten Reibung. Bei Werkzeugen, die unbeschichtet für diese Operationen nicht geeignet wären, führt dies beispielsweise zum Versagen meistens durch Bruch, bei anderen zu einer niedrigeren Standzeit, zu häufigeren Reinigungs- und Unterhaltsarbeiten sowie zu verminderter Werkstückqualität. Um diese Probleme zu verringern oder zu lösen wird häufig versucht, wie bei unbeschichteten Werkzeugen, auf bekannte Art und Weise die Schmierung zu verbessern. Öle oder Emulsionen werden beispielsweise verbessert durch Entwicklung von Titannitridophilen Schneidflüssigkeiten. Ebenso werden apparative Veränderungen an der Maschine oder neue Formgebungen der Werkzeuge vorgesehen, um die Schmiermittelzufuhr zu verbessern. Insbesondere beim Stanzen und Tiefziehen wird auch eine Vorbehandlung des Werkstoffes in Betracht gezogen. Diese Möglichkeiten sind aber bereits stark ausgeschöpft, wobei weitere Möglichkeiten durch das Bemühen zu umweltgerechten Fertigungsmethoden zu gelangen immer mehr eingeschränkt werden. Die Entwicklungsmöglichkeiten weitere Verbesserungen mit Hartstoffen zu erreichen sind ebenfalls begrenzt. Seit der Einführung der verbesserten Titancarbonitridbeschichtung sind keine großen Fortschritte mehr erzielt worden.

Die im Maschinenbau üblicherweise verwendeten Gleitschichten wie Molybdändisulfid und diamantartiger Kohlenstoff haben sich für Schneidwerkzeuge aber nicht bewährt. Es zeigt sich immer wieder, daß Beschichtungen dieser Art keinen ausreichenden Abrasionswiderstand aufweisen und außerdem einen ungenügenden Widerstand gegenüber Abscheren zeigen. Das beschichtete Werkzeug wird viel zu rasch verschlissen und ein nennenswerter Effekt, die Standzeit zu erhöhen tritt nicht auf.

Es wurde auch schon vorgeschlagen, das Problem mit Multischichten zu lösen, beispielsweise in der EP 0 170 359 und in der FR 2 596 775. In der FR 2 596 775 wird vorgeschlagen ein Werkzeug mit einer Titannitridschicht zu versehen und darüber eine Endschicht bestehend aus I-Carbonen.

Für die Schneidwerkzeugbeschichtung ist die vorgeschlagene Lösung ungeeignet, weil die Schichtabscheidung nur bei tieferen Temperaturen möglich ist, typischerweise bei 200 Grad Celsius. Außerdem weisen die bei diesen tiefen Temperaturen abgeschiedenen Schichten für Schneidwerkzeuge keine genügende Haftung auf. In der EP 0 170 359 wird vorgeschlagen, das Werkzeug mit sehr dünnen Multischichtpaketen zu beschichten. Sind diese einmal angeschlissen, führt dies zu einer Werkzeugoberfläche bei der verschiedene Zonen mit verschiedenen Schichten bedeckt sind. Daraus ergeben sich in der Praxis verschiedene Probleme. Die von dieser Erfindung angestrebte Oberfläche entsteht nur auf Flächen bei denen eine planare Glättung durch Verschleiß erfolgt. Dies ist aber bei Werkzeugen in der Regel nicht der Fall. Der Verschleiß erfolgt im wesentlichen durch eine Anschrägung von der Schneidkante weg. Die Schichten werden also nicht eingeebnet, sondern vom Werkstück bzw. vom Span schräg angeschliffen. Multischichten neigen unter diesen Bedingungen zu Abschieferungen, d. h. es kommt entweder zu interlamellarem Versagen oder zu kohäsivem Versagen in den Schichten, die Schmierfunktionen ausführen sollen, da diese Werkstoffe keine ausreichende Zugfestigkeit besitzen. Das Resultat ist eine Oberfläche oder Treppe, die fast ausschließlich von Hartstoffen gebildet wird. Die vorgeschlagenen Lösungen haben nicht zum erwünschten Erfolg geführt.

In der EP 0 394 661 ist die Verwendung von kohlenstoffhaltigen Reibminderungsschichten beschrieben. Schichtsysteme mit besonders guten Eigenschaften für spezielle Werkzeuganwendungen sind in dieser Schrift nicht offenbart.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden. Insbesondere soll ein Schichtsystem für spanende Werkzeuge, welche zu Aufbauschneidenbildung neigen, vorgeschlagen werden, welches zu einer erhöhten Standzeit führt bei hoher Bearbeitungsqualität und bei hoher Wirtschaftlichkeit des Beschichtungsverfahrens.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe wird durch Ausbildung des Werkzeuges nach Anspruch 1 erreicht.

Insbesondere wird vorgeschlagen, das Werkzeug mit einer Hartstoffschicht und anschließend mit einer Reibminderungsschicht zu beschichten. Die Beschichtung erfolgt mit bekannten Vakuumbedampfungsverfahren wie PVD-Verfahren, beispielsweise Aufdampfen, Ionenplattieren und Sputtern. Die gewünschte Schichtzusammensetzung wird in bekannter Weise durch Zufuhr von reaktiven Gasen in den Prozeß eingestellt. Selbstverständlich sind auch Mischformen der angegebenen Verfahren möglich. Besonders geeignet sind Hartstoffschichten aus einem Metallcarbid, einem Metallnitrid oder einem Carbonitrid oder dessen Mischformen. Geeignete Metalle sind beispielweise Titan, Hafnium, Zirkon oder Legierungen mit einem wesentlichen Anteil dieser Elemente mit anderen Metallen sowie auch deren Mischungen. Die Prozeßbedingungen sind so zu wählen, daß die Hartstoffschicht vorteilhaft eine kompressive Eigenspannung, die größer als 0,2 Gigapascal ist, aufweist. Die mit einem PVD-Verfahren abgeschiedene Schicht weist Korngrößen mit einer mittleren linearen Ausdehnung von kleiner 1 µm auf. Die genaue Abstimmung der Schichtparameter hängt vom Einzelfall ab, beispielsweise wurden gute Resultate erreicht bei Schichtdicken der Hartstoffschicht von etwa 4 µm für Spiralbohrer, 3 µm für Schaftfräser und 6 µm für Lochstempel. Es können aber in gewissen Fällen aus wirtschaftlichen oder verfahrenstechnischen Gründen auch geringere Schichtdicken gewählt werden, diese sollten jedoch 1,1 µm nicht unterschreiten. Die Wahl der Verbindung und der Legierung für die Hartstoffschicht kann nach den bekannten Überlegungen erfolgen, wie beispielsweise das Zulegieren von Aluminium, Silizium oder Zirkon, um die Temperaturbeständigkeit zu erhöhen, oder beispielsweise die Verwendung von Carbonitriden um die Härte zu steigern.

Für die reibvermindernde Schicht ist eine wesentlich geringere Schichtstärke notwendig. Geeignet ist in der Regel etwa ein Drittel der Hartstoffschichtstärke. Daraus resultiert ein praktischer Bereich von 0,12-1,6 m. Ein besonders geeignetes Material für die Reibminderungsschicht sind Schichten auf Kohlenstoffbasis. Insbesondere sind Mischungen von Carbiden mit Kohlenstoff geeignet wie beispielsweise Wolframcarbid mit Kohlenstoff (WC/C) mit einem Gesamtkohlenstoffanteil von mehr als 61 at%. Aber auch andere Carbide wie beispielsweise die des Chrom, Silizium und Titan sind geeignet, wobei auch deren Mischungen möglich sind. Die Verfahren, solche Schichten alleine herzustellen sind bekannt, beispielsweise aus der EP 0 394 661, welche hier als integrierender Bestandteil erklärt wird. Diese Art reibungsvermindernde Materialien ergeben mit dem entsprechenden PVD-Verfahren hergestellt typische Korngrößen mit einer linearen mittleren Ausdehnung von kleiner 0,1 m. Da sowohl die Hartstoffschicht wie auch die Reibminderungsschicht mit PVD-Verfahren hergestellt werden, können diese einfach und wirtschaftlich und mit besonders gutem Ergebnis in derselben Anlage nacheinander aufgebracht werden. Selbstverständlich können je nach Anwendung auch Mehrfachschichten und Wechselschichten vorgesehen werden.

Die Erfindung wird anschließend anhand von Beispielen erläutert.

Beispiel 1

Verglichen wurden Schlichtfräser mit einem Durchmesser von 16 mm aus Schnellstahl S6-5-2 mit der Geometrie ISO 1641/1 vom Typ N.0110. Bearbeitet wurde mit Planfräsen eine Aluminiumlegierung Avional 100 (AlCuMg1) vollausgehärtet. Es wurden folgende Schnittbedingungen gewählt.

Schnittgeschwindigkeit 240 m/Min.; Vorschub 0,3 mm/Zahn; Nuttiefe 16 mm.
Untersucht wurden 3 Proben:

• a) unbeschichtet RA = 4,1 µm
• b) beschichtet mit 3 µm TiN RA = 9,1 µm
• c) beschichtet mit 2,3 µm WC/C RA = 2,1 µm
• d) beschichtet mit 3 µm TiN + 1,0 µm WC/C (72 at%C) RA = 2,1 µm
• (RA = mittlerer Rauheitswert)

Die Probe c), welche mit WC/C beschichtet war, verlor ihre Vorzüge gegenüber den unbeschichteten Fräsern durch Verschleiß der Schicht an der Freifläche nach 10 Minuten, d. h., die Schicht war weg und führte zu einem mittleren Rauheitswert von 4,1 µm. Die Probe B, welche nur mit Titannitrid beschichtet worden ist, zeigt sogar größere Rauheitswerte als die unbeschichtete Probe A. Verglichen wurde die Oberflächengüte des Werkstückes, welche durch die mittlere Rauheit ausgedrückt wird.

In einem vierten Versuch d) wurden dieselben Fräser zuerst mit 3 µm TiN beschichtet und danach mit einer Überschicht von 1,0 µm WC/C versehen. Die Überschicht hatte einen Gesamtkohlenstoffanteil von 72 at%. Die so beschichteten Fräser erziehlten ebenfalls eine Oberflächengüte von 2,1 µm wie die einfach beschichteten Probe c) mit WC/C. Die Standzeit, welche bei dieser verbesserten Oberflächengüte erzielt werden konnte betrug nun aber 100 Minuten, was einer drastischen Erhöhung entspricht.

Beispiel 2

In einem weiteren Versuch wurde das Bohren in rostfreiem Stahl untersucht. Verwendet wurden Spiralbohrer vom Durchmesser 6 mm aus Schnellstahl 42. Für die Bearbeitung wurde das Bohren von 30 mm tiefen Sacklöchern in rostfreiem Stahl SISI 316 gewählt.

Die Schnittgeschwindigkeit betrug dabei 6 m/Min. und der Vorschub 0,05 mm pro Umdrehung.

Das Los A wurde nicht beschichtet und erreicht eine Standmenge von 50 Loch. Das Los B wurde mit TiC oder TiN beschichtet mit Hochströmplasmastrahlionenplattieren mit einer Schichtdicke von 5 m, wobei eine Standmenge von 90 Loch erreicht wurde. Das Los C wurde mit einer Titannitridhartstoffschicht beschichtet mit Hochstromplasmastrahlionenplattieren und darüber wurde mit Sputter-CVD eine WC/C-Schicht mit 55 at% Kohlenstoff gelegt. Die Hartstoffschicht war 3 µm und die WC/C-Schicht 2 mm dick, wobei die Standmenge 80 Löcher erreichte. Das Los D wurde mit (Ti,Al)N durch Katodenzerstäubung beschichtet, wobei eine Standmenge von 70 Löchern erreicht wurde. Erst die erfinderischen Schichtsysteme der Lose E und F zeigten eine wesentliche Standmengenerhöhung bei guter Schneidqualität. Bei Los E wurde eine 3,5 µm dicke Hartstoffschicht aus (TiAlV6)N mit Katodenzerstäubung abgeschieden und darüber eine Reibminderungsschicht mit Sputter-CVD von 1,5 µm Dicke aus CrC/C mit 70 at% Kohlenstoff, wobei dies zu einer Standmenge von 140 Loch führte. Das zweite erfinderische Schichtsystem F besteht aus einer 5 µm dicken Hartstoffschicht aus TiN mit Hochstromplasmastrahlionenplattieren abgeschieden und einer darüberliegenden WC/C-Schicht von 0,1 µm Dicke mit Sputter-CVD abgeschieden mit 65 at% Kohlenstoffgehalt. Dies führte zu einer Standmenge von 100 Loch.

Beispiel 3

In einer weiteren Versuchsreihe wurde die Zerspanung von Messing untersucht. Verwendet wurden Kühlkanalbohrer aus Hartmetall K40 vom Durchmesser 3 mm. Es wurden durchgehende Löcher in Messing CuZn37 gebohrt. Die Schnittbedingungen waren: Schnittgeschwindigkeit 140 m/Min.; Vorschub 0,1 mm pro Umdrehung; Es wurden folgende Resultate erzielt:

Der nur mit einer TiN-Hartstoffschicht von 2 µm Schichtdicke versehene Bohrer gemäß Los A erreichte eine Standmenge von 360 000 Löchern. Das Los B mit der erfindungsgemäßen Beschichtung von 2 µm TiN und 0,1 µm WC/C mit 63 at%C, erreichte eine Standmenge von 520 000 Löchern. Das Los C mit der ebenfalls erfinderischen Beschichtung von 4 µm TiN und 1 µm WC/C mit 72 at% Kohlenstoff erreichte eine Standmenge von 510 000 Löchern.

Aus den vorerwähnten Beispielen ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Schichtsystem zu einer wesentlichen Erhöhung der Standzeit bzw. der Standmenge führt.

Claims (8)

1. Werkzeug, das zumindest an den dem Verschleiß ausgesetzten Stellen mit einem Vakuumverfahren beschichtet ist, wobei die Beschichtung aus mindestens einer auf dem Werkstück anliegenden Hartstoffschicht und mindestens einer darüber liegenden äußeren Reibminderungsschicht besteht und die Korngrößen der einzelnen Schichten eine lineare mittlere Ausdehnung von kleiner als 1 µm aufweisen.

2. Werkzeug nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Reibminderungsschicht eine Korngröße von kleiner 0,1 µm aufweist.

3. Werkzeug nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Hartstoffschicht eine kompressive Eigenspannung größer als 0,2 Giga Pascal aufweist.

4. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Hartstoffschicht aus einem Metallcarbid und/oder Nitrid und/oder Carbonitrid besteht, wie aus den Metallen des Titans, Hafniums oder Zircon und/oder aus Legierungen mit anderen Metallen besteht und die Reibverminderungsschicht auf Kohlenstoffbasis beruht wie beispielsweise Mischungen von Metallcarbiden mit Kohlenstoff.

5. Werkzeug nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoffanteil der Reibverminderungsschicht größer als 61% ist.

6. Werkzeug nach einem der Ansprüche 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, daß das Metallcarbid der Reibverminderungsschicht aus mindestens einem der Metalle Chrom, Silizium oder Titan, wie insbesondere Wolfram gebildet ist.

7. Werkzeug nach einem der Ansprüche 4 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß die reibvermindernde Schicht eine Schichtdicke im Bereich von 1/3 der Hartstoffschichtdicke aufweist, die insbesondere im Bereich von 0,12 µm bis 1,6 µm liegt.

8. Werkzeug nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Hartstoffschicht Schichtdicken aufweist im Bereich von 1,1 µm bis 8 µm.