DE4421144C2

DE4421144C2 - Beschichtetes Werkzeug mit erhöhter Standzeit

Info

Publication number: DE4421144C2
Application number: DE4421144A
Authority: DE
Inventors: Erich Bergmann
Original assignee: Unaxis Balzers AG
Current assignee: Oerlikon Surface Solutions AG Pfaeffikon
Priority date: 1993-07-21
Filing date: 1994-06-16
Publication date: 2003-02-13
Anticipated expiration: 2014-06-17
Also published as: FR2708001A1; JP2008012669A; JP2005193376A; JP4874911B2; DE4421144A1; FR2708001B1; JPH07164211A; US5830531A; US5707748A

Abstract

Erfindungsgemäß wird die Standzeit von Werkzeugen durch geeignete Beschichtungen erhöht. Diese Beschichtungen bestehen mindestens aus einer Hartstoffschicht und einer Reibminderungsschicht, die amorphen Kohlenstoff enthält. Für die Hartstoffschicht eignen sich insbesondere Metallcarbide, Metallnitride und/oder deren Mischformen. Titan, Hafnium, Zirkon oder deren Legierungen sind beispielsweise geeignete Metalle. Die Hartstoffschicht weist eine mittlere lineare Korngröße von weniger als einem mum auf. Die Reibminderungsschicht liegt direkt auf der Hartstoffschicht auf. Für die Reibminderungsschicht eignen sich insbesondere Schichten auf Kohlenstoffbasis, wie z. B. Wolframcarbid mit Kohlenstoff (WC/C) oder auch andere wie z. B. die des Chrom, Silizium oder Titan. Die Reibminderungsschicht weist eine Korngröße von weniger als 0,1 mum auf. Die vorliegende Erfindung beschreibt die bevorzugten Abmessungen, Zusammensetzungen und physikalische Größen.

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. Oele 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 erhöhend, 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 ver schiedene Probleme. Die von dieser Erfindung angestrebte Oberfläche entsteht nur auf Flächen, bei denen eine planare Glättung durch Verschleiß erfolgt. Dies ist aber bei Werk zeugen in der Regel nicht der Fall. Der Verschleiß erfolgt im wesentlichen durch eine An schrägung von der Schneidkante weg. Die Schichten werden also nicht eingeebnet, son dern vom Werkstück bzw. vom Span schräg angeschliffen. Multischichten neigen unter diesen Bedingungen zu Abschieferungen, d. h. es kommt entweder zu interlamellarem Ver sagen 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 vorge schlagenen 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 Werkzeug anwendungen sind in dieser Schrift nicht offenbart.

DE-OS-42 11 829 offenbart eine Mehrlagenhaftbeschichtung und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Diese umfaßt in ihren Hauptbestandteilen eine Titanverbindung, eine Titan verbindungszwischenschicht mit Anteilsgradienten und zu oberst eine selbstschmierende Beschichtung aus hartem amorphen Kohlenstoff. Als Schichtmaterialien werden TiC oder TiN und amorpher Kohlenstoff genannt. Das Plasma CVD Verfahren soll bei Temperatu ren von 500°C bzw. 250°C bis 400°C durchgeführt werden und führt zu Verunreinigungen der Schichten von bis zu 3 at% Chlor.

DE-OS-37 06 340 offenbart als Veschleißschutzschicht das Abscheiden einer Diamant schicht, was mit einem CVD Verfahren durchgeführt wird.

DE-OS-37 41 127 bezieht sich im wesentlichen auf eine ternäre Schicht aus einer Titanle gierung, einem Carbid der Titanlegierung und darin dispers gelösten Kohlenstoff. Vorge schlagen wird hierfür ein PVD Verfahren im Bereich zwischen 200°C und 500°C.

DD-PS-155 826 offenbart eine Verschleißschutzschicht als Deckschicht, bei welcher Me tallverbindungen aus den Gruppen III bis VII, diamantähnlicher Kohlenstoff und/oder Bornitrid und/oder Borcarbid beigemischt werden.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu ver meiden. Insbesondere soll ein Schichtsystem für spanende Werkzeuge, welche zu Aufbau schneidenbildung 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, beispielswiese 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, Zirkonium 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 Ueberlegungen erfolgen, wie beispielsweise das Zulegieren von Aluminium, Silizium oder Zirkonium, 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 µm. 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 µm. 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 56-5-2 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 Ueberschicht von 1,0 µm WC/C versehen. Die Ueberschicht hatte einen Gesamtkohlenstoffanteil von 72 at%. Die so beschichteten Fräser erzielten 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 Hochstromplasmastrahlionenplattieren 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 µm 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 360000 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 520000 Löchern. Das Los C mit der 1 ebenfalls erfinderischen Beschichtung von 4 µm TiN und 1 µm WC/C mit 72 at% Kohlenstoff erreichte eine Standmenge von 510000 Löchern.

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

Claims

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 aus einem Metallcarbid, -nitrid und/oder -carbo nitrid und mindestens einer darüber liegenden äußeren Reibminderungsschicht besteht, die amorphen Kohlenstoff enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibminderungsschicht direkt auf der Hartstoff schicht aufliegt, daß die Hartstoffschicht eine lineare mittlere Korngröße von weniger als 1 µm aufweist und daß die Reibminderungsschicht eine Korngröße von weniger als 0,1 µm aufweist.

2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall in der Hart stoffschicht Titan, Hafnium, Zirconium und/oder eine Legierung mit anderen Metallen ist und die Reibminderungsschicht eine Mischung von Metallcarbiden mit Kohlenstoff enthält.

3. Werkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartstoff schicht TiN oder (TiAlV6)N enthält, wobei die Reibminderungsschicht eine Mischung von Metallcarbiden mit Kohlenstoff ist.

4. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallcarbid der Reibminderungsschicht aus mindestens einem der Metalle Chrom, Silizi um, Titan oder Wolfram gebildet ist.

5. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibminderungsschicht als WC/C- oder CrC/C-Schicht ausgebildet ist.

6. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ge samt-Kohlenstoffanteil der Reibminderungsschicht größer als 61 at% ist.

7. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartstoffschicht eine kompressive Eigenspannung größer als 0,2 Gigapascal aufweist.

8. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartstoffschicht eine Schichtdicke im Bereich von 1,1 µm bis 8 µm aufweist.

9. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibminderungsschicht eine Schichtdicke im Bereich von 1/3 der Hartstoffschichtdicke aufweist und insbesondere im Bereich von 0,12 µm bis 1,6 µm liegt.