EP0083043A1 - Verschleissteil - Google Patents

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EP0083043A1
EP0083043A1 EP82111762A EP82111762A EP0083043A1 EP 0083043 A1 EP0083043 A1 EP 0083043A1 EP 82111762 A EP82111762 A EP 82111762A EP 82111762 A EP82111762 A EP 82111762A EP 0083043 A1 EP0083043 A1 EP 0083043A1
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EP
European Patent Office
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layer
layers
wearing part
boron
titanium
Prior art date
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Application number
EP82111762A
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English (en)
French (fr)
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EP0083043B1 (de
Inventor
Wilfried Dr. Schintlmeister
Wolfgang Wallgram
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Metallwerk Plansee GmbH
Original Assignee
Metallwerk Plansee GmbH
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Publication date
Application filed by Metallwerk Plansee GmbH filed Critical Metallwerk Plansee GmbH
Publication of EP0083043A1 publication Critical patent/EP0083043A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0083043B1 publication Critical patent/EP0083043B1/de
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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C30/00—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process
    • C23C30/005—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process on hard metal substrates

Definitions

  • the invention relates to a wearing part, in particular a hard metal cutting insert for machining, with a multilayer hard material coating, at least one layer being designed as an oxide layer.
  • Such a wear part is known from DE-AS 22 53 745, the inner layer of the carbide base body which is initially located and consists of one or more carbides and / or nitrides of the elements Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Si and / or B and whose outer layer consists of one or more extremely wear-resistant deposits made of aluminum oxide and / or zirconium oxide.
  • a disadvantage of this wearing part is that cracks can occur in the pure oxide cover layers and that in many cases the oxide layers have an insufficient adhesive strength and flake off.
  • the brittleness of the oxide layer increases rapidly with increasing layer thickness.
  • the structure changes very disadvantageously, so that in practice such wear parts require the use of a comparatively very thin layer of a few micrometers in thickness is limited or a thicker layer has no additional advantages; wrestles. This in turn decisively limits the service life of wearing parts, for example indexable inserts for cutting machining newspapers.
  • DE-OS 23 17 447 which represents an additional application to DE-AS 22 53 745 mentioned at the outset, describes a wearing part whose outer cover layer consists of one or more deposits of Kerawian oxides, the oxides in particular being in addition to the oxides mentioned in the main patent the elements Si, B, Ca, Mg, Ti and / or Hf are enumerated and the formation of mixed oxides is generally included in the application. Individual mixed oxides are not particularly emphasized.
  • DE-AS 28 51 584 discloses a composite body, preferably with a hard metal base body, in which one or more layers of one or more carbides and / or nitrides of the elements Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Si, B and on this layer or layers one or more layers of a mixture of at least one oxide and at least one nitride and / or of at least one oxynitride of the elements Cr, Al, Ca, Mg , Th, Sc, Y, La, Ti, Hf, V, Nb, Ta are arranged, the nitrogen content of the outermost layer being 0.1 to 30 atom%, preferably 0.2 to 15 atom%.
  • the only example describes the following layer structure on hard metal: TiC, 4 / um + Al 2 O 2.8 N 0.2 , 2 - 3 / um.
  • the object on which the invention is based is to create a wearing part, in particular a hard metal cutting insert for machining with a multilayer hard material coating, at least one layer being embodied as an oxide layer, which has improved wear resistance and improved wear compared to known wearing parts Has adhesive strength of the hard material coating.
  • the coating applied directly or via an underlayer on the base body consists of one or more layers of oxycarbides and / or oxycarbonitrides and / or oxynitrides and / or oxiborides and / or oxibornitrides and / or oxiborocarbonitrides of the elements Ti , Zr, Hf, B, Si, Al with an oxygen content of 0.1 to 5 wt.% Each alternating with one or more layers of aluminum-boron mixed oxides with boron contents of 0.01 to 1 wt.% .
  • the wearing part according to the invention has a significantly increased wear resistance as well as an excellent adhesive strength of the hard material coating compared to known multi-layer coated wearing parts, so that the service life of the wearing part is considerably increased.
  • These unexpectedly good properties are achieved by the incorporation of boron in the aluminum oxide layers with the simultaneous incorporation of oxygen components in the oxycarbide, oxycarbonitride, oxynitride, oxiboride, oxibornitride and oxiborocarbonitride intermediate layers.
  • the oxygen and boron contents of the individual layers are within the specified limits. Below 0.1% by weight, the influence of oxygen can practically no longer be determined. At higher oxygen contents than in the specified range, the hardness of the intermediate layers drops very quickly and does not increase the wear resistance of the layer structure according to the invention. Likewise, only a boron content within the limits according to the invention in aluminum oxide leads to an abrupt increase in wear resistance. On the contrary, it was not even to be expected that the addition of boron to aluminum oxide could lead to an increase in wear resistance, since pure boron oxide is very soft and completely unsuitable as a wear protection layer.
  • the boron content within the specified limits causes the deposition of the aluminum-boron mixed oxide layer, less dust is generated in the coating chamber and thus also on the surface of the coating material. This results in fewer shift errors and more even shifts.
  • an underlayer between the base body and the cover according to the invention.
  • This underlayer preferably has a single or multi-layer structure consisting of one or more carbides, nitrides, carbonitrides, borides or boron nitrides of the elements of IV. To VI. Group of the periodic table.
  • titanium oxycarbonitride and / or titanium oxynitride with a layer thickness of 0.05 to 1 ⁇ m directly on a base body made of hard metal or over an underlayer and then a single aluminum-boron mixed oxide layer with a layer Layer thickness from 2 to 10 / to apply.
  • a particularly preferred embodiment of the invention provides that a coating consisting of a layer of titanium oxycarbonitride and / or titanium oxynitride with a layer thickness of 0.1 to 1 .mu.m and then of 2 to 8 aluminum-boron mixed oxide layers with layer thicknesses of 0.3 to 2 / um in alternation with 1 to 7 layers of titanium oxycarbonitride and / or titanium oxynitride with layer thicknesses of 0.05 to 0.5 / um are applied.
  • the titanium oxycarbonitride and / or titanium oxynitride layers preferably have an oxygen content of 0.5 to 3% by weight, while the aluminum-boron mixed oxide layers preferably have a boron content of 0.2 to 2% by weight.
  • this multilayered layer structure according to the invention leads to a further increase in the toughness of the coating with an excellent adhesive strength of the individual layers and thus to an unexpected increase in the wear resistance under impact stress compared to a layer structure according to the invention which contains only one aluminum-boron mixed oxide layer of the wearing part.
  • a particularly preferred backing comprises of a base body of hard metal, starting the layer sequence titanium carbide and / or titanium carbonitride and / or titanium nitride having a total layer thickness of 1 to 10 / .mu.m.
  • the aluminum-boron mixed oxides partially contain titanium, zirconium, hafnium, niobium, chromium and / or magnesium oxides.
  • the mixed oxides can also have a nitrogen content of 0.2 to 4 atom%.
  • the hard material coating of the wearing part according to the invention is preferably carried out by the CVD method, the chemical composition of the individual layers being determined by appropriate mixing ratios of the reaction gases.
  • Another preferred method for producing the wearing part according to the invention is that the individual layers of appropriate chemical composition are produced both by deposition using the CVD method and by interdiffusion between adjacent layers.
  • the introduction of the oxygen fractions into the oxycarbide, oxycarbonitride, oxynitride, oxiboride, oxibornitride and / or oxiborocarbonitride layers can take place both via an appropriate gas mixture composition, for example C0 2 H 2 O vapor, air, 0 2 or contain other oxidizing gases, as well as by interdiffusion from the adjacent aluminum-boron mixed oxide layers.
  • This interdiffusion can be carried out, for example, by a temperature treatment between or after the individual coating runs at a temperature which is above the coating temperature, or during the coating travel of the aluminum-boron mixed oxide layers by means of an increased supply of oxygen in the gas mixture.
  • indexable inserts made of hard metal of the U10T grade / composition 6% Co, 5% TiC, 5% (TaC + NbC), 84% WC coatings corresponded to ISO application group M10 / and the shape SPGN 120308 EN in 5 different layer construction variants applied according to the table below.
  • the indexable inserts were cleaned, installed in the coating chamber of a prototype system from the applicant, heated to the coating temperature under protective gas and coated under the following coating conditions.
  • Variants 4 and 5 are provided with a layer structure according to the invention. These variants are compared with variants 1 to 3, which have a layer structure which differs from the invention and is known in one case, in a machining test.
  • Al 2 O 3 layer or Al-B mixed oxide layer Al 2 O 3 layer or Al-B mixed oxide layer:
  • the wear mark width v B of the flank wear was measured after a rotation time of 5 min.
  • Example 2 In contrast to Example 1, the single-layer Al 2 0 3 or aluminum-boron mixed oxide layer is replaced by 4 layers which are connected by 3 Ti (C, N) or 3 Ti (C, N, 0) intermediate layers .
  • Al 2 O 3 layers or aluminum-boron mixed oxide layers are Al 2 O 3 layers or aluminum-boron mixed oxide layers:
  • the multilayer structure of the aluminum oxide or aluminum-boron mixed oxide layer according to Example 2 compared to the single-layer structure according to Example 1 shows a further increase in wear resistance can be achieved.
  • the increase in wear resistance in the layer structure according to the invention is substantially greater than in the layer structure according to variants 1 to 3.
  • a Ti (C 0.6 , N 0.4 ) layer was deposited on indexable inserts of the same type as in Example 1 and a TiN layer was deposited thereon.
  • the further layer structure was carried out in two variants, variant 2 representing a layer structure according to the invention.
  • the coating was carried out under reduced pressure. The wear resistance of the individual variants was again compared with one another in a machining test.
  • hard metal was used as the base body.
  • the invention is not limited to hard metal base bodies.
  • the layer structure according to the invention also leads to other base materials such as with high-speed steel, stellite or other heat-resistant alloys to an unexpectedly large increase in wear resistance.
  • the invention is not limited to machining tools. Rather, it also extends to tools for non-cutting machining, such as drawing dies and the like, and to tools which are mainly exposed to erosive wear, such as Rock drilling.

Abstract

Ein Verschleißteil, insbesondere ein Hartmetall-Schneideinsatz zur spanabhebenden Bearbeitung, ist mit einem mehrschichtigen Hartstoffüberzug versehen. Der unmittelbar oder über eine Unterlagsschicht auf dem Grundkörper aufgebrachte Überzug besteht aus je einer oder mehreren Schichten von Oxikarbiden und/oder Oxikarbonitriden und/oder Oxinitriden und/oder Oxiboriden und/oder Oxibornitriden und/oder Oxiborkarbonitriden der Elemente Ti, Zr, Hf, B, Si, Al mit einem Sauerstoff-Gehalt von 0,1 bis 5 Gew.%, die jeweils im Wechsel mit einer oder mehreren Schichten von Aluminium-Bor-Mischoxiden mit Bor-Gehalten von 0,01 bis 1 Gew.% aufgebracht werden. Das Verschleißteil weist gegenüber bekannten mehrlagig beschichteten Verschleißteilen eine wesentlich höhere Verschleißfestigkeit sowie eine ausgezeichnete Haftfestigkeit der Hartstoff-Beschichtung auf.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verschleißteil, insbesondere einen Hartmetall-Schneideinsatz zur spanabhebenden Bearbeitung, mit einem mehrschichtigen Hartstoff-Überzug, wobei mindestens eine Schicht als Oxidschicht ausgeführt ist.
  • Aus der DE-AS 22 53 745 ist ein derartiges Verschleißteil bekannt, dessen dem Hartmetall-Grundkörper zunächst liegende innere Schicht aus einem oder mehreren Karbiden und/oder Nitriden der Elemente Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Si und/oder B besteht und dessen äußere Schicht aus einer oder mehreren extrem verschleißfesten Ablagerungen aus Aluminium-Oxid und/oder Zirkon-Oxid besteht.
  • Nachteilig bei diesem Verschleißteil ist, daß es in den reinen Oxid-Deckschichten zu Rissen kommen kann und daß die Oxid-Schichten in vielen Fällen eine ungenügende Haftfestigkeit aufweisen und abplatzen. Die Sprödigkeit der Oxidschicht nimmt mit wachsender Schichtdicke rasch zu. Dabei verändert sich das Gefüge sehr nachteilig, so daß man bei derartigen Verschleißteilen in der Praxis auf die Verwendung einer vergleichsweise sehr dünnen Schicht von wenigen Mikrometern Dicke beschränkt ist bzw. eine dickere Schicht keine zusätzlichen Vorteile ;ringt. Dieser Umstand beschränkt wiederum die Standzeit von Verschleißteilen, z.B. von Wendeschneidplatten zur spanabhebenden Bearzeitung, entscheidend.
  • In der DE-OS 23 17 447, die eine Zusatzanmeldung zur eingangs erwähnten DE-AS 22 53 745 darstellt, ist ein Verschleißteil beschrieben, dessen äußere Deckschicht aus einer oder mehreren Ablagerungen kerawischer Oxide besteht, wobei neben den im Hauptpatent genannten Oxiden insbesondere die Oxide der Elemente Si, B, Ca, Mg, Ti und/oder Hf aufgezählt sind und auch die Ausbildung von Mischoxiden in der Anmeldung allgemein mit eingeschlossen ist. Einzelne Mischoxide sind nicht besonders hervorgehoben.
  • Soweit zu einzelnen Ausgestaltungsmöglichkeiten praktische Erfahrungen vorliegen, ist auch in diesen Fällen das Auftreten von Rissen und die Haftfestigkeit der Oxid-Deckschichten nicht zufriedenstellend.
  • Aus der DE-AS 28 51 584 ist ein Verbundkörper, vorzugsweise mit einem Hartmetall-Grundkörper bekannt, bei dem auf dem Grundkörper eine oder mehrere Schichten aus einem oder mehreren Karbiden und/oder Nitriden der Elemente Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Si, B und auf dieser Schicht bzw. Schichten eine oder mehrere Schichten aus einem Gemenge von mindestens einem Oxid und mindestens einem Nitrid und/oder aus mindestens einem Oxinitrid der der Elemente Cr, Al, Ca, Mg, Th, Sc, Y, La, Ti, Hf, V, Nb, Ta angeordnet sind, wobei der Stickstoff-Gehalt der äußersten Schicht 0,1 bis 30 Atom %, vorzugsweise 0,2 bis 15 Atom % beträgt. Das einzige Beispiel beschreibt folgenden Schichtaufbau auf Hartmetall: TiC, 4/um + Al2O2,8N0,2, 2 - 3/um.
  • In der Praxis wurden vor allem Hartmetall-Verschleißteile bekannt, bei denen die äußere Schicht aus sehr vielen Lagen von abwechselnd Ti(C,N) und A12(O,N) besteht, wobei diese Ausführung zusätzlich in den Schutzumfang der DE-AS 29 17 348 fällt.
  • Auch bei diesem Verbundkörper sind die erzielbaren Verschleißfestigkeiten für viele Anwendungsfälle nicht befriedigend. Zudem ist eine zu große Anzahl von einzelnen Lagen - das einzige Beispiel der DE-AS 29 17 348 beschreibt 38 Einzellagen - in der Fertigung nicht mehr wirtschaftlich.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe liegt nun darin, ein Verschleißteil, insbesondere einen Hartmetall-Schneideinsatz zur spanabhebenden Bearbeitung mit einem mehrschichtigen Hartstoff-Überzug, wobei mindestens eine Schicht als Oxidschicht ausgeführt ist, zu schaffen, das gegenüber bekannten Verschleißteilen eine verbesserte Verschleißfestigkeit und eine verbesserte Haftfestigkeit der Hartstoff-Beschichtung aufweist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der unmittelbar oder über eine Unterlagsschicht auf dem Grundkörper aufgebrachte Überzug aus je einer oder mehreren Schichten von Oxikarbiden und/oder Oxikarbonitriden und/oder Oxinitriden und/oder Oxiboriden und/oder Oxibornitriden und/oder Oxiborkarbonitriden der Elemente Ti, Zr, Hf, B, Si, Al mit einem Sauerstoffgehalt von 0,1 bis 5 Gew.% jeweils im Wechsel mit einer oder mehreren Schichten von Aluminium-Bor-Mischoxiden mit Bor-Gehalten von 0,01 bis 1 Gew.% besteht.
  • Das erfindungsgemäße Verschleißteil weist gegenüber bekannten mehrlagig beschichteten Verschleißteilen eine wesentlich erhöhte Verschleißfestigkeit sowie eine ausgezeichnete Haftfestigkeit der Hartstoff-Beschichtung auf, so daß sich erheblich vergrößerte Standzeiten des Verschleißteiles ergeben. Diese unerwartet guten Eigenschaften werden durch den Einbau von Bor in die Aluminiumoxid-Schichten bei gleichzeitigem Einbau von Sauerstoff-Anteilen in die Oxikarbid-, Oxikarbonitrid-, Oxinitrid-, Oxiborid-, Oxibornitrid- und Oxiborkarbonitrid-Zwischenschichten erreicht. Es war insbesondere völlig überraschend - wie nachfolgend an Hand der Beispiele belegt wird - daß lediglich der gleichzeitige Einbau der Sauerstoff-Anteile in den Zwischenschichten und des Bors in den Aluminiumoxid-Schichten eine wesentliche Steigerung der Verschleißfestigkeit bewirkte.
  • Es ist dabei wichtig, daß die Sauerstoff- und Bor-Gehalte der einzelnen Schichten innerhalb der angegebenen Grenzen liegen. Unterhalb 0,1 Gew.% ist der Einfluß des Sauerstoffs praktisch nicht mehr feststellbar. Bei höheren Sauerstoff-Gehalten als in dem angegebenen Bereich fällt die Härte der Zwischenschichten sehr rasch ab und bewirkt keine Verschleißfestigkeitssteigerung des erfindungsgemäßen Schichtaufbaues. Desgleichen führt auch lediglich ein Bor-Gehalt innerhalb der erfindungsgemäBen Grenzen im Aluminiumoxid zu einer sprunghaften Verschleißfestigkeitssteigerung. Es war im Gegenteil sogar nicht zu erwarten, daß es bei der Zugabe von Bor zu Aluminiumoxid überhaupt zu einer Verschleißfestigkeitssteigerung kommen kann, da reines Boroxid sehr weich und als Verschleißschutzschicht völlig ungeeignet ist.
  • Zusätzlich bewirkt der Bor-Gehalt in den angegebenen Grenzen bei der Abscheidung der Aluminum-Bor-Mischoxid-Schicht eine geringere Staubentwicklung in der Beschichtungskammer und damit auch auf der Oberfläche des Beschichtungsgutes. Dadurch fallen weniger Schichtfehler an und es ergeben sich gleichmäßigere Schichten.
  • In gewissen Anwendungsfällen ist es zweckmäßig, eine Unterlagsschicht zwischen dem Grundkörper und dem erfindungsgemäßen Überzug anzuordnen. Diese Unterlagsschicht weist vorzugsweise einen ein- oder mehrlagigen Schichtaufbau aus einem oder mehreren Karbiden, Nitriden, Karbonitriden, Boriden oder Bornitriden der Elemente der IV. bis VI. Gruppe des Periodensystems auf.
  • Weiters ist es in gewissen Anwendungsfällen vorteilhaft, unmittelbar auf einem Grundkörper aus Hartmetall oder über eine Unterlagsschicht eine einzige Schicht aus Titanoxikarbonitrid und/oder Titanoxinitrid mit einer Schichtdicke von 0,05 bis 1,um und anschließend daran eine einzige Aluminium-Bor-Mischoxidschicht mit einer Schichtdicke von 2 bis 10/um aufzubringen.
  • Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß unmittelbar auf einem Grundkörper aus Hartmetall oder über eine Unterlagsschicht ein Überzugs, bestehend aus einer Schicht aus Titanoxikarbonitrid und/oder Titanoxinitrid mit einer Schichtdicke von 0,1 bis 1 /um und anschließend daran aus 2 bis 8 Aluminium-Bor-Mischoxidschichten mit Schichtdicken von 0,3 bis 2/um jeweils im Wechsel mit 1 bis 7 Schichten aus Titanoxikarbonitrid und/oder Titanoxinitrid der Schichtdicken 0,05 bis 0,5/um aufgebracht sind. Die Titanoxikarbonitrid-und/oder Titanoxinitrid-Schichten weisen dabei vorzugsweise einen Sauerstoff-Gehalt von 0,5 bis 3 Gew.% auf, während die Aluminum-Bor-Mischoxidschichten vorzugsweise einen Bor-Gehalt von 0,2 bis 2 Gew.% aufweisen.
  • Insbesondere durch diesen mehrschichtigen erfindungsgemäßen Schichtaufbau kommt es gegenüber einem erfindungsgemäßen Schichtaufbau, der nur eine Aluminium-Bor-Mischoxid-Schicht enthält, zu einer weiteren Steigerung der Zähigkeit des Überzuges bei gleichzeitig ausgezeichneter Haftfestigkeit der einzelnen Schichten und damit zu einer unerwarteten Steigerung der Verschleißfestigkeit unter Schlagbeanspruchung des Verschleißteiles.
  • Eine besonders bevorzugte Unterlagsschicht weist von einem Grundkörper aus Hartmetall ausgehend die Schichtfolge Titankarbid und/oder Titankarbonitrid und/oder Titannitrid mit einer Gesamtschichtdicke von 1 bis 10/um auf.
  • Weiters kann es vorteilhaft sein, wenn die Aluminium-Bor-Mischoxide teilweise Titan, Zirkonium, Hafnium, Niob, Chrom- und/oder Magnesium-Oxide enthalten. Daneben können die Mischoxide auch einen Stickstoff-Gehalt von 0,2 bis 4 Atom % aufweisen.
  • Die Hartstoff-Beschichtung des erfindungsgemäBen Verschleißteiles erfolgt vorzugsweise nach dem CVD-Verfahren, wobei die chemische Zusammensetzung der einzelnen Schichten durch entsprechende Mischungsverhältnisse der Reaktionsgase festgelegt wird.
  • Ein weiteres bevorzugtes Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verschleißteiles besteht darin, daß die Herstellung der einzelnen Schichten entsprechender chemischer Zusammensetzung sowohl über die Abscheidung nach dem CVD-Verfahren als auch durch Interdiffusion zwischen angerenzenden Schichten erfolgt.
  • Insbesondere kann die Einbringung der Sauerstoff-Anteile in die Oxikarbid-, Oxikarbonitrid-, Oxinitrid-, Oxiborid-, Oxibornitrid-und/oder Oxiborkarbonitrid-Schichten sowohl über eine entsprechende Gasmischungszusammensetzung, die z.B. C02 H2O-Dampf, Luft, 02 oder andere oxidierende Gase enthalten kann, als auch durch Interdiffusion aus den angrenzenden Aluminium-Bor-Mischoxid-Schichten erfolgen. Diese Interdiffusion kann z.B. durch eine Temperaturbehandlung zwischen oder nach den einzelnen Beschichtungsfahrten bei einer Temperatur, die über der Beschichtungstemperatur liegt, oder während der Beschichtungsfahrt der Aluminium-Bor-Mischoxid-Schichten durch ein erhöhtes SauerstoffAngebot der Gasmischung durchgeführt werden.
  • Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend an Hand von Beispielen näher erläutert.
    • Beispiel 1
  • Auf Wendeschneidplatten aus Hartmetall der Sorte U10T /Zusammensetzung 6 % Co, 5 % TiC, 5 % (TaC + NbC), 84 % WC, entspricht der ISO-Anwendungsgruppe M10/ und der Form SPGN 120308 EN wurden Überzüge in 5 verschiedenen Schichtaufbau-Varianten entsprechend nachstehender Tabelle aufgebracht. Die Wendeschneidplatten wurden dazu gereinigt, in die Beschichtungskammer einer Prototypenanlage des Anmelders eingebaut, unter Schutzgas auf die Beschichtungstemperatur aufgeheizt und unter den nachfolgenden Beschichtungsbedingungen beschichtet.
  • Die Varianten 4 und 5 sind mit einem Schichtaufbau entsprechend der Erfindung versehen. Diese Varianten werden mit den Varianten 1 bis 3, die einen von der Erfindung abweichenden, in einem Fall vorbekannten Schichtaufbau aufweisen, in einem Zerspanungstest verglichen.
  • Bei allen Varianten liegt eine Unterlagsschicht bestehend aus 2/um Titankarbid gefolgt von 2/um Titankarbonitrid (mit ca. 40 % TiC- und 60 % TiN-Anteil) vor. Bei den Varianten 1 bis 4 wurde Stickstoff als Trägergas verwendet, die Aluminiumoxid- bzw. die Aluminium-Bor-Mischoxidschicht enthält daher ca. 3 Atom % N. Bei Variante 5 ist die Aluminium-Bor-Mischoxidschicht frei von Stickstoff.
    • Schichtaufbauten:
  • Figure imgb0001
    • Beschichtungsbedingungen:
  • Gasdruck in allen Fällen: Atmosphärendruck (ca. 1 bar absolut)
    Figure imgb0002
    Figure imgb0003
    • Al2O3-Schicht bzw. Al-B-Mischoxidschicht:
  • Figure imgb0004
    Dauer: 160 min
  • Temperatur: 1060°
    • Zerspanungstest:
  • Mit den beschichteten Wendeschneidplatten wurden unter Verwendung eines Werkzeuges HDP 7225 Drehversuche auf 2 Wellen aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen Schnittbedingungen durchgeführt:
    • 1. Werkstoff: Baustahl - Werkstoffnummer 1.1231
      Figure imgb0005
      Figure imgb0006
    • 2. Werkstoff: Grauguß
      Figure imgb0007
  • Härte: 215 HB Schnittgeschwindigkeit: v = 80 m /min Vorschub: s = 0,28 mm/U Spantiefe: a = 2 mm
  • Die Verschleißmarkenbreite vB des Freiflächenverschleisses wurde jeweils nach einer Drehzeit von 5 min gemessen.
    Figure imgb0008
  • Das Standzeitende war bei allen Varianten durch Kolkverschleiß gegeben.
  • Ein Vergleich der Verschleißergebnisse zeigt, daß lediglich durch den erfindungsgemäßen Schichtaufbau entsprechend den Varianten 4 und 5, wo gleichzeitig ein Bor-Anteil in der Aluminiumoxidschicht und ein Sauerstoff-Anteil in der Ti(C,N)-Schicht vorhanden sind, eine merkliche Verschleißfestigkeitssteigerung gegenüber der Variante 1, die in etwa einen zur Zeit auf dem Markt befindlichen Schichtaufbau aufweist, erzielt wird. Der alternative Einbau von Bor in der Aluminiumoxidschicht (Variante 2) oder von Sauerstoff in der Ti(C,N)-Schicht (Variante 3) ergibt hingegen keine wesentlichen Verschleißfestigkeitssteigerungen gegenüber der Variante 1.
  • Aus dem Vergleich der Varianten 4 und 5 ist zu ersehen, daß ein gewisser Stickstoff-Anteil in der Aluminium-Bor-Mischoxidschicht, der z.B. durch die Verwendung von Stickstoff als Trägergas beim Beschichtungsvorgang zustande kommt, nur einen unwesentlichen Einfluß auf die Verschleißfestigkeitswerte hat.
    • Beispiel 2
  • Zum Unterschied von Beispiel 1 wird die einlagige Al203- bzw. Aluminium-Bor-Mischoxidschicht durch 4 Schichten ersetzt, die durch 3 Ti(C,N)- bzw. 3 Ti(C,N,0)-Zwischenschichten verbunden sind.
  • Bei den Varianten 1 bis 4 wurde Argon als Trägergas verwendet, die Aluminium-Bor-Mischoxidschicht ist daher frei von Stickstoff.
  • Bei der Variante 5 sind in der Mischoxidschicht 3 Atom % Stickstoff enthalten, da N2 als Trägergas verwendet wurde.
    • Schichtaufbau
  • Figure imgb0009
    • Beschichtungsbedingungen:
  • Gasdruck in allen Fällen: Atmosphärendruck (ca. 1 bar absolut)
    Figure imgb0010
    Figure imgb0011
    • Al2O3-Schichten bzw. Aluminium-Bor-Mischoxidschichten:
  • Figure imgb0012
    Dauer: 40 min/Schicht Temperatur: 106°
    • Ti(C,N)-Zwischenschichten
  • Beschichtungstemperatur und Gaszusammensetzung wie bei 2.Ti(C,N)-Schicht Dauer: 8 min/Schicht
    • Ti(C,N,0)-Zwischenschichten
  • Beschichtungstemperatur und Gaszusammensetzung wie oben Dauer: 8 min/Schicht
    • Zerspanungstest:
  • Mit den beschichteten Wendeschneidplatten wurden Drehversuche auf der gleichen Welle aus Baustahl unter den gleichen Schnittbedingungen wie beim Beispiel 1 durchgeführt.
    Figure imgb0013
  • Das Standzeitende war jeweils durch die Grenze des noch tolerierbaren Kolkverschleißes bedingt.
  • Aus dem Vergleich der Beispiele 1 und 2 läßt sich erkennen, daß sich unter den gegebenen Zerspanungsbedingungen bei insgesamt etwa gleicher Gesamtschichtstärke bei dem mehrschichtigen Aufbau der Aluminiumoxid- bzw. Aluminium-Bor-Mischoxidschicht entsprechend Beispiel 2 gegenüber dem einschichtigen Aufbau gemäß Beispiel 1 eine weitere Verchleißfestigkeitssteigerung erreichen läßt. Die Verschleißfestigkeitssteigerung beim erfindungsgemäßen Schichtaufbau (Varianten 4 und 5) ist wesentlich größer als bei dem Schichtaufbau gemäß der Varianten 1 bis 3.
    • Beispiel 3
  • Auf Wendeschneidplatten der gleichen Art wie in Beispiel 1 wurde als Unterlagsschicht eine Ti(C0,6,N0,4)-Schicht und darauf eine TiN-Schicht abgeschieden. Der weitere Schichtaufbau erfolgte in 2 Varianten, wobei die Variante 2 einen erfindungsgemäßen Schichtaufbau darstellt. Zum Unterschied zu den vorangegangenen Beispielen wurde die Beschichtung bei Unterdruck durchgeführt. Die Verschleißfestigkeit der einzelnen Varianten wurde wiederum in einem Zerspanungstest miteinander verglichen.
    • Schichtaufbau:
  • Figure imgb0014
    Beschichtungsbedingungen:
    Figure imgb0015
    Figure imgb0016
  • Mit den beschichteten Platten wurden Drehversuche auf Baustahl unter den in Beispiel 1 genannten Schnitbedingungen und Drehversuche auf Grauguß mit folgenden Schnittbedingungen durchgeführt:
    • Werkstoff: Grauguß - Zusammensetzung wie bei Beispiel 1 Härte: 205 HB Schnittgeschwindigkeit: v = 80 m/min Vorschub: s = 0,28 mm/U Spantiefe: a = 2 mm
      Figure imgb0017
  • Ein Vergleich der Beispiele 1 und 2 mit 3 zeigt, daß kein nenneswerter Unterschied in der Qualität der Verschleißteile mit den jeweiligen Überzügen besteht, ja nachdem ob bei Atmosphärendruck oder im Unterdruckbereich beschichtet wurde.
    • Beispiel 4
  • Auf Wendeschneidplatten der gleichen Art wie in den vorhergehenden Beispielen wurde wiederum bei Unterdruck ein erfindungsgemäßer viellagiger Schichtaufbau ohne Unterlagsschicht direkt auf dem Hartmetall aufgebracht (Variante 2). Dieser Schichtaufbau wird wiederum mit einem von der Erfindung abweichenden viellagigen Schichtaufbau der ebenfalls ohne Unterlagsschicht aufgebracht ist (Variante 1) verglichen. Schichtaufbau:
    Figure imgb0018
    Figure imgb0019
    Beschichtungsbedingungen:
    Figure imgb0020
    Figure imgb0021
    • Zerspanungstest:
  • Auf einer Baustahlwelle (0,6 % C, Festigkeit 750 N/mm2) wurden Drehversuche unter folgenden Schnittbedingungen durchgeführt:
    • Schnittgeschwindigkeit: v = 200 m/min
    • Vorschub: s = 0,41 mm/U
    • Spantiefe: a = 2 mm
  • Das Standzeitende war bei beiden Varianten durch Kolkverschleiß gegeben. Das Standzeitende betrug bei Variante 1 32 min bei der erfindungsgemäßen Variante 2 41 min.
  • In den Beispielen wurde Hartmetall als Grundkörper verwendet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Hartmetall-Grundkörper beschränkt. Der erfindungsgemäße Schichtaufbau führt ebenso bei anderen Grundkörpermaterialien wie z.B. bei Schnellstahl, Stellit oder anderen warmfesten Legierungen zu einer unerwartet großen Steigerung der Verschleißfestigkeit. Desgleichen ist die Erfindung nicht auf Werkzeuge für die spanabhebende Bearbeitung beschränkt. Sie erstreckt sich vielmehr auch auf Werkzeuge für die spanlose Bearbeitung wie Ziehmatrizen und dgl. sowie auf Werkzeuge, die hauptsächlich erodierendem Verschleiß ausgesetzt sind, wie z.B. Gesteinsbohrern.

Claims (10)

1. Verschleißteil, insbesondere Hartmetall-Schneideinsatz zur spanabhebenden Bearbeitung mit einem mehrschichtigen Hartstoffüberzug, wobei mindestens eine Schicht als Oxidschicht ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der unmittelbar oder über eine Unterlagsschicht auf dem Grundkörper aufgebrachte Überzug aus je einer oder mehreren Schichten von Oxikarbiden und/oder Oxikarbonitriden und/oder Oxinitriden und/oder Oxiboriden und/oder Oxibornitriden und/oder Oxiborkarbonitriden der Elemente Ti, Zr, Hf, B, Si, Al mit einem Sauerstoff-Gehalt von 0,1 bis 5 Gew.% jeweils im Wechsel mit einer oder mehreren Schichten von Aluminium-Bor-Mischoxiden mit Bor-Gehalten von 0,01 bis 1 Gew.%, besteht.
2. Verschleißteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlagsschicht einen ein- oder mehrlagigen Schichtaufbau aus einem oder mehreren Karbiden, Nitriden, Karbonitriden, Boriden oder Bornitriden der Elemente der IV. bis VI. Gruppe des Periodensystems aufweist.
3. Verschleißteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar am Grundkörper oder über eine Unterlagsschicht eine Schicht aus Titanoxikarbonitrid und/oder Titanoxinitrid mit einer Schichtdicke von 0,05 bis 1/um und anschließend daran eine Aluminium-Bor-Mischoxid- schicht mit einer Schichtdicke von 2 bis 10/um aufgebracht sind.
4. Verschleißteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar am Grundkörper oder über eine Unterlagsschicht eine Schicht aus Titanoxikarbonitrid und/oder Titanoxinitrid mit einer Schichtdicke von 0,1 bis 1/um und anschließend daran abwechselnd 2 bis 8 Aluminium-Bor-Mischoxidschichten mit Schichtdicken von 0,3 bis 2/um jeweils im Wechsel mit 1 bis 7 Schichten aus Titanoxikarbonitrid und/oder Titanoxinitrid mit Schichtdicken von 0,05 bis 0,5/um aufgebracht sind.
5. Verschleißteil nach Anspruch 3 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Titanoxikarbonitrid- und/oder Titanoxinitridschichten einen Sauerstoff-Gehalt von 0,5 bis 3 Gew.% aufweisen.
6. Verschleißteil nach Anspruch 3 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminium-Bor-Mischkarbidschichten einen Bor-Gehalt von 0,04 bis 0,4 Gew.% aufweisen.
7. Verschleißteil nach Anpruch 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlagsschicht vom Grundkörper ausgehend die Schichtfolge Titankarbid und/oder Titankarbonitrid und/oder Titannitrid mit einer Gesamtschichtdicke von 1 bis 8/um aufweist.
8. Verschleißteil nach Anspruch 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischoxide einen Stickstoff-Gehalt von 0,2 bis 4 Atom % aufweisen.
9. Verfahren zur Herstellung eines Verschleißteiles nach den Ansprüchen 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidung der Hartstoffbeschichtung nach dem CVD-Verfahren erfolgt, wobei die chemische Zusammensetzung der einzelnen Schichten durch entsprechende Mischungsverhältnisse der Reaktionsgase festgelegt werden.
10. Verfahren zur Herstellung eines Verschleißteiles nach den Ansprüchen 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung einzelner Schichten von entsprechender chemischer Zusammensetzung sowohl über die Abscheidung nach dem CVD-Verfahren als auch durch Interdiffusion zwischen angrenzenden Schichten erfolgt.
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