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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine oberflächenbeschichtete Hartlegierung, die für Schneidwerkzeuge verwendbar ist, die durch eine Spitze, einen Bohrer und einen Schaftfräser und verschiedene verschleißfeste Werkzeuge und Teile repräsentiert werden. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine oberflächenbeschichtete Hartlegierung, die eine verlängerte Werkzeuglebensdauer hat, indem die Haftfähigkeit an einer Grenzfläche zwischen einem Hartfilm und einem Hartlegierungsbasismaterial verbessert ist, indem sowohl ein Hartlegierungsbasismaterial als auch ein Hartfilm an einem benachbarten Teil der Grenzfläche zumindest ein diffusives Element enthalten, das aus einem Eisengruppenmetall, Chrom, Molybdän, Mangan, Kupfer und Silizium ausgewählt ist. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Herstellen der oberflächenbeschichteten Hartlegierung, das einen Schritt des gleichmäßigen Beschichtens einer Oberfläche des Hartlegierungsgrundmaterials mit dem diffusiven Element im Voraus und einem darauf folgenden Schritt des Beschichtens der Oberfläche mit dem Hartfilm umfasst.
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2. Stand der Technik
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Oberflächenbeschichtete Hartlegierungen, bei denen ein Hartlegierungsbasismaterial mit einem Hartfilm aus TiC, TICK, TiN oder Al2O3 durch ein chemisches Dampfphasenabscheidungs- oder physikalisches Dampfphasenabscheidungsverfahren beschichtet wird, zeigen sowohl Festigkeit und Zähigkeit des Basismaterials als auch Verschleißfestigkeit des Hartfilms. Deshalb werden sie in breiter Front als Schneidwerkzeuge und verschließfeste Werkzeuge oder Teile verwendet. Wenn jedoch die Haftfähigkeit zwischen dem Basismaterial und dem Hartfilm nicht zufriedenstellend ist, werden die Hartlegierungen aufgrund des Abblätterns des Films bei der Verwendung rasch abgenutzt, wodurch die Werkzeuglebensdauer verkürzt wird.
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Da die Haftfestigkeit des Films stark von einem Diffusionszustand der Hartlegierungsbestandteile, wie etwa Kobalt und Wolfram, in dem Hartfilm beeinflusst werden, sind viele Versuche unternommen worden, wie etwa die Anpassung der Grundmaterialoberfläche, die Auswahl der Filmmaterialien für eine Unterlagenschicht, die Optimierung der Beschichtungsbedingungen der Unterlagenschicht und dergleichen. In den
japanischen Patentoffenlegungs-Publikationen Nrn. 243023/1995 ,
118105/1996 ,
187605/1996 ,
262705/1997 ,
263252/1993 usw. ist offenbart, dass die Grundmaterialbestandteile, wie etwa Kobalt und Wolfram, in den Hartfilm eindiffundieren.
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Andererseits wird das Grundmaterial einer oberflächenbeschichteten Hartlegierung in eine von der Verwendung abhängige Gestalt durch Schleifen und dergleichen gebracht. Deshalb besteht es aus der mechanisch bearbeiteten Oberfläche und einer Oberfläche im Sinterzustand, die nicht geschliffen ist. An der mechanisch bearbeiteten Oberfläche haften kobalthaltige Bearbeitungsspäne relativ gleichmäßig an der obersten Oberfläche, aber es ist ein Problem, dass dort eine aufgrund der Bearbeitung verschlechterte Oberfläche verbleibt (Risse in den Hartphasenteilchen, Defekt an einer Grenzfläche zwischen den Hartphasenteilchen oder zwischen den Hartphasenteilchen und der Binderphase, der Übergang der Binderphase) nahe der Oberfläche. Obwohl keine degenerierte Schicht existiert, gibt es in der Oberfläche im Sinterzustand außerdem ein Problem, dass die Binderphase nicht auf den Hartphasenteilchen aufgrund einer ernsthaften Oberflächenunregelmäßigkeit vorhanden ist.
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Demgemäß werden als Mittel zum Bereitstellen einer geeigneten, an der Hartlegierungsoberfläche gleichmäßig verteilten Kobaltmenge und zum Entfernen der degenerierten Schicht an der mechanisch bearbeiteten Oberfläche und zum Glätten der Oberfläche und Anreichern von Kobalt an der Oberfläche im Sinterzustand, Verfahren zum Kontrollieren der Bearbeitungsbedingungen oder Verfahren zum Nachsintern vorgeschlagen. Unter den Verfahren im Stand der Technik ist in der
japanischen Patentoffenlegungs-Publikation Nr. 108253/1994 , usw., ein Verfahren zum Verringern der Oberflächenrauhigkeit offenbart, und ein Nachsinterungsverfahren ist in den
japanischen Patentoffenlegungs-Publikationen Nrn. 123903/1993 ,
097603/1995 , usw., offenbart.
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Im Hinblick auf Diffusion der Komponenten des Grundmaterials in den Hartfilm hinein offenbaren die
japanischen Patentoffenlegungs-Publikationen Nrn. 243023/1995 ,
118105/1996 ,
187605/196 und
262705/1997 ein Schneidwerkzeug aus einer oberflächenbeschichteten Hartlegierung auf Wolframcarbid-(WC)-Basis, worin eine Hartbeschichtungsschicht auf einer Oberfläche eines Hartlegierungssubstrats auf WC-Basis durch das CVD-Verfahren gebildet wird, wobei die Schicht eine Basisfilmstruktur umfasst, die aus der ersten Schicht aus TiC oder TiN, der zweiten Schicht aus TiCN mit einer aufwachsenden zylindrischen kristallinen Struktur, der dritten Schicht aus TiC, TiCO, usw., und der vierten Schicht aus Al
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3, enthaltend κ-artige Kristalle, zumindest Wolfram und Kobalt unter den Komponenten der Hartlegierung, die in die erste und zweite Schicht oder die erste bis dritte Schicht eindiffundiert und dispergiert werden, besteht. Die in diesen Publikationen offenbarten beschichteten Hartlegierungen zeigten verbesserte Haftfähigkeit aufgrund der Diffusion von Wolfram und Kobalt in den Hartfilm. Jedoch gibt es ein Problem, dass die Haftfähigkeit nicht ausreichend verbessert wird, indem man bloß die Beschichtungsbedingungen, wie etwa einen Filmtyp, die Temperatur, den Gaspartialdruck und dergleichen kontrolliert.
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Die
japanische Patentoffenlegungs-Publikation Nr. 263252/1993 offenbart ein beschichtetes Hartlegierungselement, das die erste Beschichtungsschicht, umfassend TiC, die zweite Beschichtungsschicht, umfassend TiCN mit einer Gitterkonstante von 4,251 bis 4,032 Angström, und die dritte Beschichtungsschicht, umfassend TiC, auf der Oberfläche eines Hartlegierungsbasismaterials umfasst. Das in der Publikation offenbarte beschichtete Hartlegierungselement ist gleichzeitig in der Verschleißfestigkeit und in der Beständigkeit gegenüber Abplatzen als ein Schneidwerkzeug verbessert worden, indem man die Diffusion von Wolfram, usw., und die Absorption von Kobalt aus dem Hartlegierungsbasismaterial während der Bildung einer Beschichtungsschicht verhindert hat. Das heißt, TiC in der ersten Beschichtungsschicht und WC in dem Hartlegierungs-Basismaterial sind verhältnismäßig ausgezeichnet, was die Haftfähigkeit angeht, und durch Erhöhen der Mengen von C und N in TiCN der zweiten Beschichtungsschicht ist es beabsichtigt, die Diffusion von C aus dem Basismaterial zu verhindern. Es gibt jedoch das Problem, dass ein sprödes Co-W-C-artiges Kompositcarbid dazu tendiert, sich an der Grenzfläche zu bilden, und die Verbesserung der Haftfähigkeit begrenzt ist, da es keine stark haftende Diffusionsschicht gibt, die resultierend aus der Diffusion von Kobalt und Wolfram gebildet wird.
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Andererseits beschreibt im Stand der Technik, als ein Verfahren zum Verringern der Oberflächenrauhigkeit, die
japanische Patentoffenlegungs-Publikation Nr. 108253/1994 eine beschichtete Hartlegierung, worin ein Hartfilm auf eine Oberfläche der Hartlegierung mit einer mittleren Oberflächenrauhigkeit Ra von 0,15 bis 0,4 μm, auf der durch Polieren in zufälligen Richtungen durch beispielsweise Bürsten der Oberfläche der Hartlegierung Kratzer gebildet werden, aufgeschichtet wird. Die in der Publikation offenbarte Hartlegierung zeigt eine verbesserte Haftfähigkeit des Hartfilms auf dem Basismaterial, in dem Kobalt gleichmäßig auf den Hartpartikeln der Hartlegierungsoberfläche durch Anhaften von durch das Bürsten verursachte Mahlspäne befestigt wird, aber die Kobaltmenge nicht ausreichend ist und von der Bildung einer degenerierten Schicht begleitet wird, so dass es das Problem gibt, dass die Verbesserung der Haftfähigkeit nicht ausreichend ist.
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Außerdem offenbart die
japanische Patentoffenlegungs-Publikation Nr. 123903/1993 als Nachsinterverfahren ein Verfahren zum Herstellen eines Schneidwerkzeugelements, das aus einer oberflächenbeschichteten Hartlegierung auf WC-Basis besteht, worin eine Hartbeschichtungsschicht durch chemische Dampfphasenabscheidung gebildet wird, wobei als ein Substrat eine Hartlegierung verwendet wird, die bei einer höheren Temperatur, als die Temperatur, bei der die Flüssigphase auftritt, in einer Hochdruckatmosphäre eines inerten Gases nach dem Polieren der Oberfläche nachgesintert worden ist. Die
japanische Patentoffenlegungs-Publikation 097603/1995 offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines Substrats auf Keramikbasis für die Diamantbeschichtung und ein Substrat zum Beschichten, worin die Schneide einer Hartlegierungsspitze einem Lichtbogenhonen mit R = 0,03 mm unterzogen und dann in einer 1% N
2-Ar-Atmosphäre nachgesintert wird, um eine stickstoffhaltige Konkav-Konvex-Schicht an der Oberfläche zu bilden. Die nachgesinterten Oberflächen, die in diesen Publikationen offenbart sind, zeigen eine leichte Verbesserung in der Haftfähigkeit aufgrund der vollständigen Entfernung der degenerierten Schicht, aber es gibt das Problem, dass die Verbesserung der Haftfähigkeit ungenügend ist, da Kobalt, das an den Oberflächen der Hartphasenpartikel aufgrund des Schleifens anhaftet, während dem Nachsintern verschwindet und deshalb keine Diffusionsschicht gebildet wird. Darüber hinaus besteht auch das Problem, dass ein bearbeitetes Material dazu tendiert, an der nachgesinterten Oberfläche aufgrund der Erhöhung der Konkav-Konvex-Oberfläche anzuhaften und deshalb das Abblättern des Films oder die Verringerung der Genauigkeit der fertigen Oberfläche daraus resultiert.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine oberflächenbeschichtete Hartlegierung bereitzustellen, die eine verbesserte Haftfähigkeit an einer Grenzfläche zwischen dem Hartbeschichtungsfilm und dem Hartlegierungs-Basismaterial besitzt, um deshalb eine verbesserte Verschleißfestigkeit eines resultierenden Schneidwerkzeugs zu erlangen.
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Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben ausführliche und intensive Untersuchungen bei der Suche nach einem Verfahren zum drastischen Verbessern der Haftfähigkeit zwischen dem Basismaterial und dem Film im Hinblick auf die oberflächenbeschichtete Hartlegierung über eine lange Zeitdauer durchgeführt und haben schließlich gefunden, dass Diffusion und Dispersion von bestimmten Zusammensetzungselementen sowohl des Hartfilms als auch des Hartlegierungs-Basismaterials die Haftfähigkeit aufgrund einer Wirkung der Beschleunigung der Diffusion der bestimmten Elemente oder einer Wirkung der Verstärkung der Grenzflächenfestigkeit die Haftfestigkeit sehr verstärken, dass das am meisten geeignete Element zumindest eines ist, ausgewählt aus Molybdän, Mangan, Kupfer, Silizium, Nickel und Eisen, und dass es, um das spezifische Element in das Hartlegierungs-Basismaterial und den Hartfilm einzudiffundieren, wirkungsvoll ist, ein Metall, eine Legierung oder eine Verbindung des spezifischen Elements an der Oberfläche des Hartlegierungs-Basismaterials zu dispergieren oder aufzuschichten, bevor ein Hartfilm aufgeschichtet wird. Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse ist die vorliegende Erfindung verwirklicht worden.
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Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine hochadhäsive oberflächenbeschichtete Hartlegierung wie in Anspruch 1 definiert.
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Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren wie in Anspruch 5 definiert.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Als ein Basismaterial der oberflächenbeschichteten Hartlegierung der vorliegenden Erfindung umfasst es Hartphasenpartikel, die Wolframcarbid als eine Hauptkomponente und wenigstens ein Material enthalten, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Carbid, einem Nitrid und einem Carbonitrid eines Metalls besteht, das aus Metallen der Gruppen 4 (Ti, Zr, Hf, usw.), 5 (V, Nb, Ta, usw.) und 6 (Cr, Mo, W, usw.) des Periodensystems und einer gegenseitigen festen Lösung daraus als eine Hilfskomponente ausgewählt ist, und eine Bindemittelphase umfasst, die Kobalt als Hauptkomponente umfasst. Spezielle Beispiele der Hartlegierung enthalten Legierungen, in denen die Hartphasenpartikel nur Wolframcarbid umfassen, wie etwa eine WC-Co-artige Legierung und Legierungen, in denen die Hartphasenpartikel Wolframcarbid und kubisch-kristalline Verbindungen umfassen, wie etwa WC-TaC-Co-artige, WC-(W, Ti, Ta)C-Co-artige, WC-(W, Ti, Ta)C-(Co, Ni, Cr)-artige oder WC-(W, Ti, Ta, Nb)(C, N)-Co-artige Legierung, wobei eine relative Menge der Bindemittelphase von etwa 3 bis 30 Vol.-% ist.
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Als Aufbau eines Hartfilms umfasst der Film zumindest eine Schicht, die eine Einzelschicht oder eine laminierte Schicht von zwei oder mehreren Schichten sein kann. Als eine Komponente zum Aufbauen des Hartfilms kann zumindest ein Material genannt werden, das ausgewählt ist aus einem Carbid, einem Nitrid und einem Oxid eines Elements, das ausgewählt ist aus Elementen der Gruppen 4 (Ti, Zr, Hf, usw.), 5 (V, Nb, Ta, usw.) und 6 (Cr, Mo, W, usw.) des Periodensystems, Aluminium und Silizium und einer gegenseitigen festen Lösung davon. Spezifische Beispiele des Hartfilms können einen Film aus einer einzelnen Schicht, der zumindest TiC, TiCN, (Ti, Zr)N, (Ti, Al)N, CrN oder dergleichen umfasst, und laminierten Schichten, wie etwa, von der Seite des Basismaterials, TiC/TiN/TiCN/TiN, TiN/TiC/Al2O3, TiN/TiCN/TiC/Al2O3/TiN, TiN/(Ti, Al)N/TiN, TiN/Si3N4, CrN/VN oder dergleichen, mit einer Dicke von insgesamt 1 bis 20 μm, hergestellt durch ein chemisches Dampfphasenabscheidungs- oder physikalisches Dampfphasenabscheidungsverfahren, einschließen. In dem Fall der laminierten Schichten ist es bevorzugt, dass die Unterlagenschicht (nahe der Grenzfläche mit dem Hartlegierungs-Basismaterial) vorzugsweise zumindest eine Substanz umfasst, die aus einem Nitrid, einem Carbid oder einem Carbonitrid von Titan ausgewählt ist, weil das diffusive Element einfach in den Film eindiffundiert werden kann, wodurch die Haftfestigkeit weiter verbessert werden kann.
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Im Hinblick auf einen Gehalt der diffusiven Elemente in der hochadhäsiven oberflächenbeschichteten Hartlegierung der vorliegenden Erfindung sind insbesondere zumindest 0,5 Atom-% der diffusiven Elemente in dem Hartfilm und dem Hartlegierungs-Basismaterial innerhalb des Bereichs von 0,5 μm von der Grenzfläche zwischen dem Hartfilm und dem Hartlegierungs-Basismaterial sowohl des Hartfilms als auch des Hartlegierungs-Basismaterials enthalten, basierend auf der Mikroanalyse an einem Querschnitt der oberflächenbeschichteten Hartlegierung. Sie liegt bevorzugt in dem Bereich von 1 bis 10 Atom-%. Es ist überflüssig zu sagen, dass von dem Hartlegierungs-Basismaterial eindiffundiertes Wolfram ebenfalls in dem Hartfilm enthalten ist.
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Des Weiteren ist der Gehalt des diffusiven Elements in dem Hartlegierungs-Basismaterial insbesondere innerhalb von 0,5 μm von der Grenzfläche zumindest 0,5 Atom-% höher als ein Gehalt bei 100 μm innerhalb von der Grenzfläche.
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Wenn der Gehalt des diffusiven Elements maximal ist an der Grenzfläche zwischen dem Hartfilm und der Hartlegierung und von der Grenzfläche zum Inneren des Hartfilms und der Hartlegierung hin allmählich abnimmt, wird die Zusammensetzungsstruktur ein Gradient. Darüber hinaus kann, wenn die Komponente der Kobalt-Bindemittelphase, Wolfram und das diffusive Element auch in dem Hartfilm sofort auf die Hartphasenpartikel an der Grenzfläche zwischen dem Hartfilm und dem Hartlegierungs-Basismaterial eindiffundieren und enthalten sind, eine gleichmäßige Diffusionsschicht mit einer großen Menge von Diffusionselementen gebildet werden, verglichen mit dem herkömmlichen Fall, wo Diffusion in dem Hartfilm nur unmittelbar auf der Bindemittelphase auftritt.
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In der hochadhäsiven oberflächenbeschichteten Hartlegierung der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, eine Metallschicht mit einer mittleren Dicke von 0,5 μm oder weniger herzustellen, die ein diffusives Element als eine Hauptkomponente an der Grenzfläche zwischen dem Hartfilm und dem Hartlegierungs-Basismaterial umfasst, weil die Haftfähigkeit in einigen Fällen weiter verbessert wird. Darüber hinaus kann im Hinblick auf die Hartphase, wenn alle Hartphasenpartikel mit 0,2 μm oder weniger fehlen und kein Riss in den Hartphasenpartikeln an der Oberfläche der Hartlegierung vorhanden ist, die an die Grenzfläche zwischen dem Hartfilm und dem Hartlegierungs-Basismaterial angrenzt (d. h., die durch eine mechanische Bearbeitung degenerierte Schicht wird von der Oberfläche des Basismaterials entfernt), die Haftfähigkeit an der Grenzfläche verbessert werden.
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Wenn eine Hauptkomponente der Bindemittelphase Kobalt ist und das diffusive Element zumindest ein Element ist, das aus Nickel, Eisen, Molybdän, Mangan, Kupfer und Silizium ausgewählt ist, wird das Hartlegierungs-Basismaterial ausgezeichnet in Härte und Zähigkeit und gleichzeitig wird das diffusive Element sowohl im Hartfilm als auch im Hartlegierungs-Basismaterial eindiffundiert und ist dort enthalten, wodurch die Haftfähigkeit verbessert wird.
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Ein Verfahren zur Herstellung der hochadhäsiven oberflächenbeschichteten Hartlegierung der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Schritte (1) der gleichmäßigen Beschichtung von zumindest einem Teil der Oberfläche des oben genannten Hartlegierungs-Basismaterials mit einem Metall, einer Legierung oder einer Verbindung, die zumindest ein diffusives Element umfassen, das aus Molybdän, Mangan, Kupfer, Silizium, Nickel und Eisen ausgewählt ist, und dann (2) Beschichten der Hartfilmkomponente auf der Oberfläche des Hartlegierungs-Basismaterials umfasst.
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Als ein Beschichtungsverfahren des diffusiven Elements in dem Produktionsverfahren der vorliegenden Erfindung schließen spezielle Beispiele ein chemisches Beschichtungsverfahren, wie etwa Elektroplattieren, stromfreies Plattieren, physikalische Dampfphasenabscheidung (PVD), chemische Dampfphasenabscheidung (CVD), Kolloidanwendung oder Lösungsanwendung mit einem Metall, einer Legierung oder einer Verbindung, die das diffusive Element umfassen, und eine mechanische Beschichtung, wie etwa Strahlbearbeitung oder Schrotstrahlbehandlung unter Verwendung eines Strahlmaterials, das das diffusive Element als eine Hauptkomponente enthält oder unter Verwendung einer Mischung des Strahlmaterials und eines abrasiven Reinigungsmittels oder eines Schleifmittels ein. Insbesondere die Beschichtung durch Elektroplattieren oder stromloses Plattieren mit einem Material, einer Legierung oder einer Verbindung, die das diffuse Element umfassen, wird bevorzugt angewendet, da eine Beschichtung bei niedrigen Kosten durchgeführt werden kann und die resultierende Beschichtung gleichmäßig ist.
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Darüber hinaus ist es in dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung bevorzugt, dass zumindest ein Teil der Oberfläche des Hartlegierungs-Basismaterials vor dem Beschichten mit dem obigen diffusiven Element eine Oberfläche im Sinterzustand, eine Feinschlifffläche, eine elektrolytisch geschliffene Haut oder eine chemisch geätzte Oberfläche ist, weil eine ausgezeichnete Haftung aufgrund des Fehlens jeglicher verbleibender degenerierter Schicht bewirkt wird. Insbesondere werden die durch Elektrolyse bearbeitete Haut oder die chemisch geätzte Oberfläche bevorzugt verwendet, weil die Haftfähigkeit durch das Entfernen der degenerierten Schicht an der geschliffenen Oberfläche und durch eine glatte Oberfläche, die man an der Oberfläche im Sinterzustand erhält, weiter verbessert wird.
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Darüber hinaus ist es in dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung bevorzugt, dass die Oberfläche des Hartlegierungs-Basismaterials einem Elektropolieren unter Verwendung einer wässrigen Losung, die zumindest eine Substanz als eine wesentliche Komponente enthält, die aus einem Hydroxid, einem Nitrit, einem Sulfit, einem Phosphit, einem Carbonat eines Metalls von Metallen ausgewählt ist, die aus der Gruppe 1 (Ia) des Periodensystems ausgewählt sind, unter den Bedingungen einer Stromdichte von 0,01 bis 0,2 A/cm2 ausgesetzt wird, gefolgt durch Elektroplattieren unter Verwendung einer wässrigen Lösung, die das diffusive Element und/oder die Bindemittelphasenkomponente enthält, da sowohl die Haftfähigkeit beträchtlich verbessert wird, als auch der Prozess einfach und praktisch und auch kostengünstig ist. Als die Gründe für die verbesserte Haftfähigkeit können insbesondere die vollständige Entfernung der degenerierten Schicht (Hartphasenpartikel mit einem Partikeldurchmesser von 0,2 μm oder weniger und mit darin befindlichen Rissen) auf der Oberfläche des Hartlegierungs-Basismaterials, die Möglichkeit zur selektiven Orientierung von Wolframcarbidpartikeln auf der Oberfläche des Basismaterials in eine spezielle Kristallebene (WC(001)-Fläche), die mit der Unterlagenschicht des Hartfilms koordiniert ist, und dergleichen genannt werden.
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In der hochadhäsiven oberflächenbeschichteten Hartlegierung der vorliegenden Erfindung lässt man zumindest ein Element, das aus Molybdän, Mangan, Kupfer, Silizium, Nickel und Eisen ausgewählt ist, sowohl in den Hartfilm als auch in die Hartlegierung nahe der Grenzfläche zwischen dem Hartfilm und der Hartlegierung eindiffundieren und einwandern, so dass es eine Wirkung der Verbesserung der Haftfähigkeit zwischen dem Film und dem Basismaterial hat. In dem Verfahren zum Herstellen desselben wird ein Metall, eine Legierung oder eine Verbindung, die zumindest ein Element umfassen, das aus Molybdän, Mangan, Kupfer, Silizium, Nickel und Eisen ausgewählt ist, gleichmäßig auf die Oberfläche des Basismaterials vor dem Aufschichten des Hartfilm-bildenden Materials aufgeschichtet, so dass diese Elemente sowohl in den Hartfilm als auch in die Hartlegierung nahe der Grenzfläche eindiffundieren und einwandern, wodurch die Haftfähigkeit zwischen dem Film und dem Basismaterial weiter verbessert werden kann.
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Beispiele
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Im Nachfolgenden wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf die folgenden Beispiele in weiteren Einzelheiten beschrieben, die nicht als Beschränkung des Umfangs der vorliegenden Erfindung ausgelegt werden sollen.
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Beispiel 1
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Unter Verwendung eines Spitzenmaterials mit Brecher von CNMG120408 bei ISO-Standards, das eine Zusammensetzung aus 86,0WC-1,5TiC-0,5TiN-4,0TaC-8,0Co (Gew.-%) umfasst, wurde die Anschlagfläche mit #270-Diamant-Schleifstein geschliffen und der Kantenbereich wurde einem Honen mit einem Radius von 0,04 mm mit einer Polyamidbürste unterzogen, die #320-Siliziumcarbid-Honkörner enthielt, um eine Basismaterialspitze für eine beschichtete Hartlegierung zu erhalten.
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Dann wurde die Spitze einer Oberflächenbehandlung gemäß zu den in Tabelle 1 gezeigten Verfahren bzw. Bedingungen unterzogen, gefolgt von Ultraschallreinigung in Aceton. Dann wurde sie von der Basismaterialseite her mit 1,0 μm TiN, 8,0 μm zylinderförmig kristallinem TiCN, 1,5 μm Al
2O
3 und 0,5 μm TiN mit einer Dicke von 11,0 μm insgesamt unter Verwendung einer CVD-Beschichtungsapparatur beschichtet, um Werkzeugspitzen der oberflächenbeschichteten Hartlegierung der vorliegenden Erfindung 1 und 2 und den Vergleichsprodukten 1 bis 6 zu erhalten. Tabelle 1
| Proben-Nr. | Name der Oberflächenbehandlung | Behandlungsbedingungen usw. |
| vorliegende Produkte | 1 | Elektropolieren und Elektroplattieren | behandelt in 10% NaNO2-Lösung bei 0,5 A × 0,5 min, dann in 10% NiSO4-Lösung bei 0,5 A × = ,5 min behandelt |
| 2 | Elektropolieren und Elektroplattieren | behandelt wie oben, dann mit kommerzieller Ni-Lösung für stromlose Plattierung 5 min lang behandelt |
| Vergleichs-Produkte | 1 | keine Behandlung | - |
| 2 | Elektropolieren | behandelt in 10% NaNO2-Lösung bei 0,5 A × 0,5 min |
| 3 | Bürstenpolieren | Schleifen über die gesamte Oberfläche mit Polyamidbürste, enthaltend #600 SiC-Schleifkörner |
| 4 | Nachsintern | im Vakuum von etwa 100 Pa bei 1400°C 10 min gehalten |
| 5 | Strahlbehandlung | Trockenstrahlen mit #800 Aluminiumoxid-Schleifmittel für 15 s ausgesetzt |
| 6 | Elektropolieren | behandelt in 10% NiSO4-Lösung bei 0,5 A × 0,5 min |
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Eine Probe für die Messung in einem Feldemissions-Scanning-Elektronenmikroskop wurde hergestellt, indem man jede der oben erhaltenen Werkzeugspitzen nahe seiner Kante schnitt und dann einem Feinschliff mit Diamantpaste von 0,5 μm unterzog. Der Kantenbereich einer jeden Probe (vor dem Bürsten) wurde einer Linienanalyse von der Filmoberfläche bis ins Innere des Basismaterials unter Verwendung eines Röntgenstrahlungs-Mikroanalysators und einer Punktanalyse bei etwa 3 μm im Inneren sowohl des Films als auch des Basismaterials von der Grenzfläche zwischen dem Film und dem Basismaterial unterzogen. Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse der Linienanalyse, d. h., die Arten und Verteilung der diffusiven Elemente (Elemente, die sich von den Komponenten des Films und des Basismaterials unterscheiden) und die Ergebnisse der Punktanalyse, d. h. die Menge der diffusiven Elemente und den Gehalt der Komponenten des Basismaterials (W, Co) in dem Hartfilm, zusammengenommen an 10 Punkten. Tabelle 2
| Proben Nr. | Art und Verteilung des diffundierten Elements | Menge des diffundierten Elements (Atom-%) | Gehalt der Komponenten des Basismaterials (Atom-%) |
| | im Film | im Basismaterial | CO | W |
| vorliegendes Produkt | 1 | enthaltend Ni in Hartfilm und Basismaterial mit Gradient von der Grenzfläche | Ni: 12–17 | 4–6 | 5–8 | 13–19 |
| 2 | enthaltend Ni in Hartfilm und Basismaterial mit Gradient von der Grenzfläche (Ni-haltiger Hartfilm an der Grenzfläche mit hohem Gehalt) | Ni: 8–15 | 6–10 | 3–6 | 8–15 |
| Vergl.-Produkt | 1 | keine Diffusion, außer von Komponenten des Hartfilms und des Basismaterial | 0 | 0 | 5–8 | 6–10 |
| 2 | keine Diffusion, außer von Komponenten des Hartfilms und des Basismaterial | 0 | 0 | 2–5 | 3–8 |
| 3 | keine Diffusion, außer von Komponenten des Hartfilms und des Basismaterial | 0 | 0 | 8–11 | 10–15 |
| 4 | keine Diffusion, außer von Komponenten des Hartfilms und des Basismaterial | 0 | 0 | 2–9 | 4–8 |
| 5 | keine Diffusion, außer von Komponenten des Hartfilms und des Basismaterial | 0 | 0 | 5–9 | 5–10 |
| 6 | enthaltend Ni in Hartfilm und Basismaterial mit Gradient von der Grenzfläche | Ni: 10–16 | 2–5 | 4–8 | 11–18 |
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Darüber hinaus wurde die Nachbarschaft der Grenzfläche zwischen dem Hartfilm und dem Basismaterial beobachtet, und Tabelle 3 zeigt die Messergebnisse der Dicke der Metallschicht, die an der Grenzfläche vorhanden ist, die Risse in den Hartphasen-(WC)-Partikeln, und die feinen Partikel der Hartphase (WC) mit einem Partikeldurchmesser von 0,2 μm oder weniger. Tabelle 3
| Proben Nr. | Dicke der Metallphase (μm) | Risse in WC-Partikeln | Feinpartikel von WC |
| vorlieg. Produkt | 1 | 0 | fehlt | fehlt |
| 2 | 0,2 | fehlt | fehlt |
| Vergl.-Produkt | 1 | 0 | vorhanden | vorhanden |
| 2 | 0 | fehlt | fehlt |
| 3 | 0 | vorhanden | vorhanden |
| 4 | 0 | fehlt | fehlt |
| 5 | 0 | vorhanden | vorhanden |
| 6 | 0 | vorhanden | vorhanden |
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Als Nächstes wurde als Schnitttest (1) unter Verwendung von fünf Werkzeugspitzen, die man unter den gleichen Bedingungen erhielt, jeweils ein intermittierender Umfangsdrehtest unter den folgenden Bedingungen durchgeführt: zu drehendes Material: S45C mit vier Rillen, Schnittgeschwindigkeit: 150 m/min, Schnitttiefe: 2,0 mm, Vorschub: 0,30 mm/Umdrehung und Nassprozess. Als Testergebnis zeigt Tabelle 4 jedes Verhältnis der Zahl der Kanten-gebrochenen Spitzen, bevor die Schlagzeiten durch das intermittierende Schneiden 10.000 Mal erreichte, die Anzahl der Spitzen mit Ablösen des Films (Chipping) und die Anzahl der unbeschädigten Spitzen, die 10.000 Schlagzeiten beim Schneiden aushielten.
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Darüber hinaus wurde als Schneidtest (2) unter Verwendung einer Werkzeugspitze ein intermittierender Drehtest unter den folgenden Bedingungen durchgeführt: zu drehendes Material: Scheiben von S48C (150 ϕ × 30 mm), Schnittgeschwindigkeit: 50 bis 180 m/min, Schnitttiefe: 2,0 mm, Vorschub: 0,30 mm/Umdrehung und Nassprozess. Als Beschädigung der Schneidkante nach der Bearbeitung von 50 Scheiben wurde der mittlere Anteil des Verschleißes an der Freifläche und die maximale Weite des Kolkverschleißes an der Schneidfläche gemessen und ebenfalls in Tabelle 4 gezeigt.
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Beispiel 2
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Unter Verwendung eines Spitzenmaterials aus SNGN120408 mit ISO-Standards, das eine Zusammensetzung von 88,0WC-2,0TaC-9,5Co-0,5Cr (Gew.-%) umfasste, wurden die oberen und unteren Flächen der Umfangsfläche mit #270-Diamantschleifstein geschliffen und der Kantenteil wurde einem Honen bei –25° × 0,10 mm mit #400-Diamantschleifstein unterzogen. Dann wurde die Spitze jeweils einer Oberflächenbehandlung unterzogen, unter den gleichen Bedingungen in der Herstellung des vorliegenden Produkts 2 und der Vergleichsprodukte 1, 2, 4 und 6, beschrieben in Tabelle 1.
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Nach dem Unterziehen einer Ultraschallreinigung in Aceton wurden diese von der Basismaterialseite her mit 0,5 μm TiN, 3,5 μm zylinderförmig kristallinem TiCN, 0,5 μm Al2O3, 0,5 μm TiN, mit einer Dicke von insgesamt 5,0 μm beschichtet, indem eine CVD-Beschichtungsapparatur verwendet wurde, um Werkzeugspitzen der oberflächenbehandelten Hartlegierungen der vorliegenden Erfindung 3 bzw. der Vergleichsprodukte 7 bis 10 zu erhalten.
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Es wurden die gleichen Untersuchungen und Beobachtungen wie in Beispiel 1 an den Schneidflächen des Kantenbereichs der oben erhaltenen Werkzeugspitzen ausgeführt (mit der Ausnahme der Röntgenbeugung). Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 gezeigt. Tabelle 5
| Proben Nr. | Art und Verteilung des diffundierten Elements | Menge des diffundierten Elements (Atom-%) | Gehalt der Komponente des Basismaterials (Atom-%) | Dicke (μm) | Riss in den Partikeln | Feinpartikel |
| im Film | im Basismaterial | Co | W |
| vorl. Produkt | 3 | enthaltend Ni im Film und Basismaterial, mit Gradient von der Grenzfläche | Ni: 9–12 | 2–4 | 2–6 | 8–12 | 0 | fehlt | fehlt |
| Vergl.-Produkt | 7 | keine Diffusion, mit Ausnahme der Elemente von Film und Basismaterial | 0 | 0 | 4–8 | 6–11 | 0 | anwesend | anwesend |
| 8 | keine Diffusion, mit Ausnahme der Elemente von Film und Basismaterial | 0 | 0 | 2–5 | 3–7 | 0 | fehlt | fehlt |
| 9 | keine Diffusion, mit Ausnahme der Elemente von Film und Basismaterial | 0 | 0 | 7–12 | 6–11 | 0 | fehlt | fehlt |
| 10 | enthaltend Ni im Film und Basismaterial mit Gradient von Grenzfläche | Ni: 8–12 | 1–3 | 4–7 | 10–15 | 0 | anwesend | anwesend |
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Als Nächstes wurde an jeder Werkzeugspitze der Test unter den folgenden Bedingungen durchgeführt: zu schneidendes Material: SCM440 (zu bearbeitende Flächengestalt: 50 W × 200 L), Schnittgeschwindigkeit: 135 m/min, Schnitttiefe: 2,0 mm, Vorschub: 0,36 mm/Kante und Trockenprozess. Nach der Bearbeitung von 40 Pfaden wurde der Kantenbereich eines jeden Werkzeugs untersucht und die Anzahl von an der Schneidfläche gebildeten Hitzerissen, die abgeblätterten Flächen des Films am Kraterteil, das mittlere Ausmaß des Verschleißes an der Freifläche und feines Abplatzen am Kantenteil wurden bewertet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 6 gezeigt.
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In der oberflächenbeschichteten Legierung, die durch chemische Dampfphasenabscheidung mittels Vorbeschichten der Oberfläche des Basismaterials mit zumindest einem diffusiven Element erhältlich ist, das aus Molybdän, Mangan, Kupfer, Silizium, Nickel und Eisen ausgewählt ist, ist die Haftfähigkeit im Vergleich mit der herkömmlichen Vorbehandlung, wie etwa Nachsintern, Bürstenpolieren oder Strahlbehandlung aufgrund der Diffusion der Elemente in den Hartfilm und das Hartlegierungsbasismaterial hinein beträchtlich verbessert. Wenn das Material der vorliegenden Erfindung in Bohrern, verschleißbeständigen Werkzeugen und Spitzen für Schneidwerkzeuge verwendet wird, zeigen deshalb jene Werkzeuge eine stabile lange Lebensdauer, da die Beschädigung, die durch Abblättern des Films verursacht wird, verringert wird.
