DE4421144C2 - Beschichtetes Werkzeug mit erhöhter Standzeit - Google Patents
Beschichtetes Werkzeug mit erhöhter StandzeitInfo
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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.
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:
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.
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.
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 (9)
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.
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