EP0149449A1 - Hartmetallkörper, insbesondere Hartmetall-Schneidwerkzeug - Google Patents

Hartmetallkörper, insbesondere Hartmetall-Schneidwerkzeug Download PDF

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EP0149449A1
EP0149449A1 EP84890252A EP84890252A EP0149449A1 EP 0149449 A1 EP0149449 A1 EP 0149449A1 EP 84890252 A EP84890252 A EP 84890252A EP 84890252 A EP84890252 A EP 84890252A EP 0149449 A1 EP0149449 A1 EP 0149449A1
Authority
EP
European Patent Office
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coating
layer
aluminum
zirconium
hard metal
Prior art date
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Application number
EP84890252A
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English (en)
French (fr)
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EP0149449B1 (de
Inventor
Johann Ing. Kiefer
Oskar Dr. Pacher
Johann Dipl.-Ing. Stamberger
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Vereinigte Edelstahlwerke AG
Original Assignee
Vereinigte Edelstahlwerke AG
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Publication date
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Publication of EP0149449A1 publication Critical patent/EP0149449A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0149449B1 publication Critical patent/EP0149449B1/de
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    • 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 hard metal body, in particular a hard metal cutting tool, with a coating based on carbides and / or nitrides of elements from IV.
  • Such tools are used above all in the machining of materials, in particular metal, for example turning, cutting and milling tools, milling heads, drills, saws and the like. They can also be used for non-cutting deformation, such as dies, nozzles, press rams, dies or the like.
  • a large number of coated hard metal bodies with a base body and mostly multi-layer coatings are known, but there is always the endeavor to achieve high cutting speeds with as little wear as possible and also to have a tool available which can also withstand high necnanic stresses, such as those with an interrupted one Occur cut, withstands. All efforts are aimed at still increasing the service life of the tools and the ease of machining. For example, it is known from US Pat. No.
  • such phenomena should be reduced if Serge is worn to ensure that oxygen introduction is avoided at least in certain areas of the base body coating by first providing the body with a carbide nitride or carbon nitride layer diffusion from the substrate into the layer or vice versa, followed by a wear-resistant coating with oxide. Before this oxide layer is applied, the intermediate coating can be co-oxidized from the outside to improve the adhesion, but only in a layer thickness that does not reach the substrate.
  • the invention relates to a hard metal body, in particular a hard metal cutting tool, of the type mentioned at the outset, which is characterized in that a first, oxygen-containing, carbidic and / or nitridic coating with at least one 0, directly on the substrate of the main body containing Ta 1 - 2.5 atomic% aluminum layer made of oxycarbide, oxycarbonitride or oxynitride, in particular oxycarbonitride, at least one of the elements Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta and Cr, preferably of titanium or zirconium is brought over which a second, oxidic coating with at least one layer, optionally containing boride-containing deposits, with an oxide of aluminum and / or zirconium is arranged, and the body is optionally heat-treated and / or compacted.
  • the above-mentioned inclusions have at least substantial proportions of metal boride.
  • oxycarbide, carbonitride or nitride - particularly preferred is oxycarbonitride - of the first coating has an aluminum content of 0.5 to 2 atom%, particularly secure adhesion of the two coatings is ensured, it being noted that zirconium oxide also having a second coating of aluminum alone is able to bring about the favorable effect.
  • the first coating has two or more layers with oxycarbide, oxycarbonitride or oxynitride, preferably oxycarbonitride, at least one of the above-mentioned elements, the aluminum content of the individual layers increasing from a layer directly adjacent to the substrate, optionally aluminum-free, increasing towards the outside.
  • the aluminum content of the layers of the first coating does not increase substantially linearly from the area immediately adjacent to the substrate.
  • the increase in the aluminum content can be gradual or practically continuous.
  • the oxygen content of the oxycarbide, oxycarbonitride or oxinitric layer (s) of the first coating in each case 0.1 to 8 atom%, preferably 1 to 5 atom%, is. At these contents in particular, it has been shown that oxygen in the coating applied to the substrate in no way has an adverse effect.
  • the first coating comprises two or more layers with an oxycarbide or oxycarbonitride or oxynitride, preferably oxycarbonitride, has at least one of the above-mentioned elements, the oxygen content of the individual layers increasing from the layer immediately adjacent to the substrate and increasing towards the outside, wherein even better operating behavior can be achieved if the Oxygen content in the first coating of the un - indirectly adjacent to the substrate layer outwardly, preferably substantially linear ascending is. Very thin individual layers can also be present, so that the increase is practically continuous.
  • zirconium 1 to 20% by weight, preferably 2 to 15% by weight.
  • the second coating has two or men oxidic bars
  • the zirconium content of the individual layers increasing from the outside, directly adjacent to the first coating and possibly free of zirconium, can be increased among others the abrasion on open surfaces subject to wear and thus estimate the remaining tool life, whereby an essentially linear - gradual or continuous - increase in the zirconium content is particularly beneficial in this regard.
  • an estimation option unintentional downtimes can be largely avoided.
  • the doping of the first coating or of its layers with aluminum itself has a stabilizing effect, so that the presence of zirconium is not urgent per se, the oxidic layer of the second coating immediately adjacent to the first coating can therefore also have a zirconium-free layer with aluminum oxide.
  • boride-containing deposits provided in the second coating are those with aluminum and / or zirconium boride.
  • a body according to the invention is therefore particularly preferred if the substrate and layer (s) of the first and second coating each have diffusion zones with one another.
  • Another object of the invention is a process for the production of hard metal miners, in particular cutting tool bodies, as described so far, which is carried out in a manner known per se with regard to the application of the individual layers, an embodiment being preferred in accordance with the invention in which substrate body, preferably containing tantalum, is present after a gas phase separation process (CVD process) in the presence of a powder and aluminum, in the gas phase containing or delivering quantities which may change during the coating process, a first coating with at least one layer with oxycarbide, oxycarbonitride or oxynitride, in particular oxycarbonitride , at least one of the metals mentioned in detail above is applied, and then in the presence of an aluminum and / or zirconium and optionally boron, in a gas phase containing quantities which may change during the coating process, with a second coating at least one layer, optionally containing boride-containing deposits, is deposited with aluminum and / or zirconium oxide, whereupon the coated body obtained, if
  • the zirconium content of the gas phase is increased, preferably essentially linearly, during the coating process.
  • Cuts made of hard metal are czw.
  • Vacuum heated to a temperature of 100 ° C then treated with a gas mixture containing 5% TiCl 4 , 8C% H 2 , 5% N 2 , 5% CH 4 and 5% CO for 60 minutes.
  • the gas mixture AlC l 3 is mixed in amounts of 0.5% (test series la) and 1% (test series 1b with small amounts of CO (2% in each case) based on AlCl 3 .
  • Cuts made of hard metal (91% WC, 2.5% TiC + TaC, 6.5% Co) are heated in an oven under protective gas or vacuum to a temperature of 1000 ° C and then for 40 minutes with a gas mixture with 8% TiCl 4, 2% ZrCl4, 70% hydrogen, 15% N 2 and 5% CO 2 initially (experiment A) treated. Thereafter, the TiCl 4 is replaced by AlCl 3 for 5 min at intervals of 10 min and the CO 2 content is continuously increased from 5 to 15% with a corresponding reduction in the H 2 content.
  • the total pressure in the furnace during this treatment is 650 mbar. After 90 minutes, an approximately 2.5 ⁇ m thick oxynitride Layer in which the Al content averaged 0.9 atomic% and the oxygen content from the substrate rose to the outside from 0.5 to 3.5 atomic%.
  • Cuts made of hard metal (79% WC, 10% TiC + TaC, 11% Co) are heated in an oven under protective gas or vacuum to a temperature of 1020 ° C, and then for 90 minutes with a gas mixture with 5% TiCl 4 , 70% H 2 and 25% CH 4 treated.
  • the working pressure in the furnace is 200 mbar.
  • the temperature is then increased to 1050 ° C. and at a working pressure of 150 mbar, the temperature is 120 minutes 5% AlCl 3 and 5% CO 2 were alternately added to the gas mixture with a corresponding reduction in the hydrogen content in each case for 5 minutes.
  • test series 3a After a total duration of 150 min, a coating has formed in test series 3a which has an Al content of 1.5 atom% Al and 6 atom% oxygen enriched against the outer surface, while Al and the oxygen content are close to the substrate are each less than 0.1 atomic%.
  • Cutting bodies according to the preceding examples and test series are treated in a gas mixture with 10% AlCl 3 , 80% H 2 , 5% CO 2 and 5% ZrCl 4 for 120 min at a temperature of 1020 ° C, during which period at regular intervals of 8 min the proportion of CO 2 is reduced in each case for 2 minutes and replaced by BCl 3 .
  • Oxidic coatings are formed on the cutting bodies, which have embedded borides of aluminum or zirconium.
  • BCl 3 is not doped when coating samples from the test series la, 2a.
  • the properties of the bodies obtained are summarized in a table at the end of the examples.
  • Cutting bodies according to the preceding examples and test series are treated in a gas mixture with initially 10% AlCl 3 , 70% hydrogen, 12% CO 2 , 5% ZrCl 4 and 3% HC1 at 1030 ° C. and a working pressure of 200 mbar in such a way that the AlCl3 content is continuously reduced to 60% of the initial value over a period of 150 min and at the same time the ZrCl content is increased accordingly, so that the total AlCl 3 + ZrCl remains constant.
  • An approximately 2 ⁇ m thick layer with an outer zone rich in ZrO 2 is obtained.
  • the flexibility of the layers and their adhesion that can be achieved by installing Al in the base layer is particularly positive.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hartmetallkörper, insbesondere Hartmetall-Schneidwerkzeug, mit Beschichtung auf Basis von Karbiden und/oder Nitriden von Elementen der IV, bis VI. Nebengruppe des Periodensystems und mindestens einer weiteren Beschichtung auf Basis von Aluminiumoxid und/oder Zirkonium-oxid, wobei unmittelbar auf dem, bevorzugt Ta enthaltenden, Substrat des Grundkörpers eine erste, Sauerstoff aufweisende, karbidische und/oder nitridische Beschichtung mit zumindest einer 0,1 - 2,5 Atom-% Aluminium aufweisenden Schicht aus Oxikarbid, Oxikarbonitrid oder Oxinitrid, insbesondere Oxikarbonitrid, zumindest eines der Elemente Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta und Cr, vorzugsweise des Titans oder Zirkoniums, aufgebracht ist, über welcher eine zweite, oxidische Beschichtung mit zumindest einer, gegebenenfalls boridhältige Einlagerungen aufweisenden, Schicht mit Oxid von Aluminium und/oder Zirkonium angeordnet ist, und der Körper, gegebenenfalls kompaktiert und/oder hitzebehandelt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Hartmetallkörper, insbe- scncere ein Hartmetall-Schneidwerkzeug, mit Beschichtung auf Basis von Karbiden und/oder Nitriden von Elementen der IV. bis VI. Nebengruppe oes Periodensystems und mindestens einer weiteren Beschichtung auf Basis von Aluminiumoxid und/oder Zirkoniumoxid.
  • Solche Werkzeuge finden vor allem in der spanabhebenden Material-, insbesondere Metallbearbeitung, Verwendung, es seien z.B. Dreh-, Schneid-, und Fräswerkzeuge, Fräs-Köpfe, Bohrer, Sägen und dgl. genannt. Sie können weiters auch für nicht spanabhebende Verformung, wie z.B. als Matrizen, Düsen, Preßstempel, GesenKe od. dgl. Einsatz fingen. Es ist eine große Anzanl von beschichteten Hartmetallkörpern mit Grundkcrper und meist mehrlagigen Beschichtungen bekannt, wobei immer das Bestreben besteht, nohe Schnittgescnwindigkeiten bei möglichst geringem Verscrleiß zu erreichen und außerdem ein werkzeug zur Verfügung zu naben, welches auch hohen necnanischen Beanspruchungen, wie sie beispielsweise bei unterbrochenem Schnitt auftreten, standhält. Alle Bestrebungen sind darauf ausgerichtet, die Standzeit der Werkzeuge und den Bearbeitungskomfort immer noch zu erhöhen. So ist z.B. aus der US-PS 40 18 631 bekannt, einen Schneidkörper mit Mehrfachbeschichtung herzustellen, bei dem auf ein gesintertes Karbidsubstrat eine Karbid-, Nitrid- oder Karbonitrid-Beschichtung aufgebracht wird, dann aus dem Grundkörper Elemente, wie Wolfram und Kobalt, in den Überzug eindiffundieren gelassen werden, danach die Beschichtung oxidiert wird und auf die so vorbehandelte Beschichtung eine oxidische Schicht aufgebracht Wird. Nachteil solcher Körper ist, daß die beim beschriebenen Vorgang gebildete Oxid-schicht zu Volumsexpansion neigt. Gemäß EP-PS 32 887 soller solche Erscheinungen vermindert sein, wenn dafür Serge getragen ist, daß Sauerstoff-Einbringung zumindest in bestimmte Bereiche der Grundkörper-Beschichtung vermieden wird, indem der Grundkörper zuerst mit einer Kar- bid-Nitrid- oder Karbonitrid-Schicht versehen wird, danach Diffusion vom Substrat in die Schicht oder umgekehrt erfolgt, wonach eine nochverschleißfeste Beschichtung mit Oxid folgt. Bevor diese oxidische Schicht aufgebracht wird, Kann zur Verbesserung der Haftung, jedoch nur in einer das Substrat nicht erreichenden Schientdicke, die Zwischenbeschichtung von außen her ancoxiciert werden.
  • Es wurde nun gefunden, caß die Probleme, die infolge der unterschiedlicher physikalischen und Gebrauchs-Eigenschaften sowie Zweckbestimmung cer einzelnen Lager von Beschichtungen von hartsoffkörpern mit hochverschleißfesten oxioischen Außen-Beschichtungen auftreten, weitestgehend ausschaltbar sind, wenn cie auf dem Grundkörper bzw. Substrat befindliche Beschichtung unter Einhaltung bestimmter Mengengrenzen mit einem Element, das in der Außenbeschichtung anwesend bzw. mit ihm wesensverwandt ist , dotiert wird.
  • Gegenstand der Erfindung ist ein Hartmetallkörper, insbesondere ein Hartmetallschneidwerkzeug, der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, daß unmittelbar auf dem, bevorzugt Ta enthaltenden, Substrat des Grundkörpers eine erste, Sauerstoff aufweisende, karbidische und/oder nitridische Beschichtung mit zumindest einer 0,1 - 2,5 Atom-% Aluminium aufweisenden Schicht aus Oxikarbid, Oxikarbonitrid oder Oxinitrid, insbesondere Oxikarbonitrid, zumindest eines der Elemente Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta und Cr, vorzugsweise des Titans oder Zirkoniums, aufgebracht ist, über welcher eine zweite, oxidische Beschichtung mit zumindest einer, gegebenenfalls boridhältige Einlagerungen aufweisenden, Schicht mit einem Oxid von Aluminium und/oder Zirkonium angeordnet ist, und der Körper gegebenenfalls nitzebehandelt und/oder kompaktiert ist. Die genannten Einlagerungen weisen zumindest wesentliche Anteile Metallborid auf.
  • Es wurde gefunden, daß der Einbau von Aluminium in den genannten kleinen Mengen in die erste Beschichtung den Effekt dann praktisch stufenlosen Eigenschaftsüberganges der Einzellagen der Beschichtung ineinander erbringt, scdaß sich die jeweils spezifischen günstigen Eigenschaften von karbidischen und/ccer nitridischen Schichten synergistiscn mit den ausgezeichneten verscnleißeigenscnafter von oxidischen (Außen)Beschichtungen kombinieren lassen. Nicht nur die Übergänge zwischen den beiden haupt-Typen der Beschichtung, sondern auch jener vom Substrat zu den BesChichtungen zeichnet sich durcn Flexibilität und hohe Haftung aus. Es wurde gefunden, daß eine Anwesenheit von Sauerstoff auch in unmittelbar an das Substrat angrenzender Schicht unproblematisch ist. Mit den neuen Hartmetall-Körpern können hohe Schnittgeschwindigkeiten sowie hohe Bearbeitungsökonomie bei gleichzeitig verbesserten Standzeiten erreicht werden.
  • Wenn das Oxikarbid, -karbonitrid oder -nitrid - besonders bevorzugt ist Oxikarbonitrid - der ersten Beschichtung einen Gehalt an Aluminium von 0,5 bis 2 Atom-% aufweist, ist besonders sicheres Haften der beiden Beschichtungen gewährleistet, wobei anzumerken ist, daß auch bei Zirkonoxid aufweisender zweiter Beschichtung Aluminium allein den günstigen Effekt zu bringen imstande ist.
  • Hohe Standzeiten trotz ökonomisch hoher Schnittgeschwindigkeiten sind zu erzielen, wenn die erste Beschichtung zwei oder mehrere Schichten mit Oxikarbid, Oxikarbonitrid oder Oxinitrid, vorzugsweise Oxikarbonitrid, zumindest eines der oben genannter Elemente aufweist, wobei der Aluminium-Gehalt der einzelnen Schichten von einer unmittelbar an das Substrat grenzenden, gegebenenfalls aluminiumfreien, Schicht weg nach außen hin steigend ist.
  • In dieser Richtung weitere Verbesserungen kennen erzielt werben, wenn der Aluminium-Gehalt der Schichten der ersten Beschichtung von der unmittelbar an das Substrat grenzenden Scnicht nach außer hin im wesentlichen linear steigend ist. Der Anstieg des Aluminium-Gehaltes kann dabei stufenweise, oder praktisch kontinuierlich sein.
  • Es nat sion in der Praxis als günstig erwiesen, wenn der Sauerstoff-Gehalt der Oxikarbid-, Oxikarbonitrid-, oder Oxinitric-Schicht(en) der ersten Beschichtung jeweils 0,1 bis 8 Atom-%, vcrzugsweise 1 bis 5 Atom-%, beträgt. Insbesondere bei diesen Gehalten hat Sauerstoff in der auf das Substrat aufgebrachten Beschichtung, wie sich zeigte, keinesfalls nachteilige Wirkung.
  • Ähnlich wie das Vorhandensein von Aluminium, dessen Gehalt günstigerweise zusätzlich nach außen hin ansteigend gehalten werden kann, ist es im Hinblick auf den Übergang zum oxidischen Überzug hin weiters technisch vorteilhaft, wenn die erste Beschichtung zwei oder mehr Schichten mit einen Oxikarbid oder Oxikarbonitrid oder Oxinitrid, vorzugsweise Oxikarbonitrid, zumindest eines der oben genannten Elemente aufweist, wobei der Sauerstoff-Gehalt der einzelnen Schichten von der unmittelbar an das Substrat grenzenden Schicht weg nach außen hin steigend ist, wobei noch besseres Betriebsverhalten erzielbar ist, wenn der Sauerstoffgehalt in der ersten Beschichtung von der un- mittelbar an das Substrat grenzenden Schicht weg nach außen, vorzugsweise im wesentlichen linear-steigend ist. Dabei können auch sehr dünne Einzelschichten vorhanden sein, sodaß der Anstieg praktisch kontinuierlich ist.
  • Für eine hone Stabilisierung der oxidischen Beschichtung ist es vorteilhaft, wenn diese bzw. zumindest einzelne von deren Schichten Zirkonium von 1 bis 20 Gew.-% vorzugsweise von 2 bis 15 Gew.-%, aufweist bzw. aufweisen.
  • wenn, wie gemäß einer weiteren Variante vorgesenen, cie zweite Beschichtung zwei oder menr oxidische Schienten aufweist, wobei der Zirkonium-Gehalt der einzelnen Schichten von einer unmittelbar an die erste Beschichtung grenzenden, gegebenenfalls zirkonium-freien Schicht weg nach außen hin steigend ist, lassen sich u.a. die Abtragung an oen verschleißbeanspruchten Flächen und damit die noch ausstehenden Standzeiten der Werkzeuge abschätzen, wobei aucn in dieser Hinsicht ein im wesentlichen linearer - stufenweiser oder kontinuierlicher - Anstieg des Zirkoniumgehaltes besonders günstig ist. Mit einer solchen Abschätzungsmöglichkeit sind unbeabsichtige Stillstandzeiten weitgehend vermeidbar.
  • Es hat sich gezeigt, daß die Dotation der ersten Beschichtung bzw. von deren Schichten mit Aluminium an sich stabilisierend wirkt, sodaß Anwesenheit von Zirkonium an sich nicht dringlich ist, es kann daher die an die erste Beschichtung unmittelbar angrenzende oxidische Schicht der zweiten Beschichtung auch eine zirkonium-freie Schicht mit Aluminiumoxid sein.
  • Weitere wesentliche Verschleißfestigkeitserhöhung läßt sich erreichen, wenn die in der zweiten Beschichtung gegepenenfalls vorgesehenen boridhältigen Einlagerungen solche mit Aluminium und/oder Zirloniuborid sind.
  • Insbesoncere durch Wärmebehandlung, z.B. durch ein vorteilhafterweise vorzusehendes Heißpresser Kann ein besonaers ioniger noch verbesserter Verbund aer einzelnen Lagen der Beschichtungen erzielt werden. Es ist also ein Körper gemäß der Erfindung besonders bevorzugt, wenn Substrat und Schicht(en) der ersten und zweiten Beschichtung jeweils untereinander Difusionszonen aufweisen.
  • Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein verfahren zur Herstellung von wie bisher beschriebenen Hattmetallförbern, insbesondere Schneidwerkzeugörpern, welches bezüglich der Aufbringung der Einzel-Lagen in an sich bekannter Weise erfolgt, wobei erfindungsgemäß eine Ausführungsform bevorzugt ist, bei welcher auf einem, vorzugsweise Tantal estnaltender, Substratkörper nach einem Gasphasen-Anscheisungs-Verfahrer (CVD-verfahren) in Gegenwart einer Saberste" und Aluminium, in gegebenenfalls sich während aes Beschichtungsvorganges ändernden Mengen, enthaltenden bzw. liefernden Gasphase eine erste Beschichtung mit zumindest einer Schicht mit Oxikarbid, Oxikarbonitrid oder Oxinitrid, insbesondere Oxikarbonitrid, zumindest eines der oben im einzelnen genannten Metalle aufgebracht wird, und danach in Gegenwart einer Aluminium und/oder Zirkonium sowie gegebenenfalls Bor, in gegebenenfalls während des Beschichtungs vorganges sich ändernden Mengen enthaltenden Gasphase eine zweite Beschichtung mit zumindest einer, gegebenenfalls boridhältige Einlagerungen enthaltenden, Schicht mit Aluminium- und/oder Zirkoniumoxid abgeschieden wird, worauf cer erhaltene, beschichtete Körper gegebenenfalls einem Nachverdichtungsvorgang, vorzugsweise einem isostatischen Pressen, insbesondere bei Drucken von 500 bis 2500 bar, und/oder einer Wärme- bzw. Hitzebehandlung, vorzugsweise Thermodiffusionsbehandlung, insbesondere bei Temperaturen von 900 - 1600°C, vorzugsweise von 1100 bis 150C°C, unterworfen wird.
  • Um gegebenenfalls gewünschten,im wesentlichen linearen Anstieg des Sauerstoff- und/oder Aluminiumgehaltes innerhalb der ersten Beschichtung zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn bei Abscheiden von deren Einzelschichter der Sauerstoff - und/oder der Aluminiumgehalt der Gasphase während des Beschichtungsvorganges linear-stufenweise oder kontinuierlich - gesteigert wird.
  • Schließlich kann weiters in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, daß beim Abscheiden einer zweiten Beschichtung mit zumindest zwei oxidischen Schichten der Zirkonium-Genalt der Gasphase während des Beschichtungsvorganges, vorzugsweise im wesentlichen linear, gesteigert wird.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand von Beispielen mit Ergebnissen aus Testversuchen mit den neuen Schneidkörpern erläutert.
    • Beispiel 1:
  • Schneidkörper aus Hartmetall (85 % WC, 9,5 % TiC - TaC, 5,5 Co) werden in einem Ofen unter Schutzgas czw. Vakuum auf eine Temperatur von 100C°C aufgeheizt, uno danach 60 min lang mit einem Gasgemisch mit 5 % TiCl4, 8C % H2, 5 % N2, 5 % CH4 und 5 % CO behandelt. Danach wird cem Gasgemisch AlCl3 in Mengen von 0,5 % (Versuchsreihe la) und 1 % (Versuchsreihe 1b mit geringen Mengen CO(jeweils 2 %) bezogen auf AlCl3 zugemischt.
  • Für Vergleichszwecke unterblieb die Zumischund von AlCl3. (Versuchsreihe 1C) Der Gesamtdruck im Ofen trägt während den Behandlungen 150 mbar. Nach einer Behandlungsdauer von 210 min hat sich eine etwa 3 µm dicke, völlig dichte Oxikarbonitrid-Schicht gebildet, die, jeweils im Mittel bei den Köpern der Versuchsreihe 1a mit 0,5 Atom% Al und bei jenen der Versuchsreihe 1b mit 1,4 Atom% A1 dotiert war.
    • Beispiel 2: Versuchsreihe 2a
  • Schneidkörper aus Hartmetall (91 % WC, 2,5 % TiC + TaC, 6,5 % Co) werden in einem Ofen unter Schutzgas oder Vakuum auf eine Temperatur von 1000°C aufgeheizt und danach 40 min lang mit einem Gasgemisch mit 8 % TiCl4, 2 % ZrCl4, 70 % Wasserstoff, 15 % N2 und anfänglich 5 % CO2 (Versuch A) behandelt. Danach wird in Intervallen von jeweils 10 min jeweils für 5 min das TiCl4 durch AlCl3 ersetzt und kontinuierlich wird unter entsprechender Reduktion des H2-Gehaltes der Gehalt an CO2 von 5 auf 15 % gesteigert. Der Gesamtdruck im Ofen beträgt während dieser Behandlung 650 mbar. Nach 90 min hat sich eine etwa 2,5 µm dicke Oxinitrid-Schicht, in welcher der Al-Gehalt durchschnittlich 0,9 Atom% betrug, und der Sauerstoff-Gehalt vom Substrat nach außen hin von 0,5 auf 3,5 Atom% anstieg, ausgebildet.
    • Versuchsreihe 2b
  • Es wird in gleicher Weise vorgegangen, wie in Versuchsreihe 2a, jedoch wurden statt 15 %N2 im Gasgemisch 7,5 und 7,5 % CH4 eingesetzt. Es wird eine ebenfalls etwa 2,5 µm dicke Oxikarbonitrid-Schichte mit im wesentlichen ähnlichen Aluminiumgehalten und Sauerstoffgehalten, wie für versuch la angegeben, auf dem Substrat abgeschieden.
    • Versuchsreihe 2c
  • Bei dieser Versuchsreihe erfolgte keine Zudotierung von AlCl3, jedoch wurden die Behandlungsbedingungen gemäß Versuchsreihe 2a und 2b beiDehalten. Das erhaltene beschichtete Material enthielt in seiner Hartstoffschichte kein Aluminium.
  • Zu den mit Aluminium dotierten Proben gemäß 2a und 2b ist anzumerken, daß in der direkt an das Substrat angrenzenden Schicht,in die an sich teilweise Aluminium von der späteren Behandlung eindiffundieren kann, analytisch Aluminium an der Nachweisgrenze lag.
    • Beispiel 3: Versuchsreihe 3a
  • Schneidkörper aus Hartmetall (79 % WC, 10 % TiC + TaC, 11 % Co) werden in einem Ofen unter Schutzgas bzw. Vakuum auf eine Temperatur von 1020°C aufgeheizt, und.danach 90 min lang mit einem Gasgemisch mit 5 % TiCl4, 70 % H2 und 25 % CH4 behandelt. Der Arbeitsdruck im Ofen beträgt 200 mbar. Danach wird die Temperatur auf 1050°C erhöht und bei einem Arbeitsdruck von 150 mbar werden dann 120 min lang dem Gasgemisch unter jeweils entsprechender Senkung des Wasserstoff-Gehaltes jeweils 5 % AlCl3 und 5 % CO2 jeweils 5 min lang alternierend zugesetzt.
  • Nach einer Gesamtdauer von 150 min hat sich bei versuchsreihe 3a ein Überzug ausgebildet, der gegen die Außenfläche nin einen Al-Gehalt von 1,5 Atom% Al und 6 Atom% Sauerstoff angereichert aufweist, während nahe am Substrat Al- und der Sauerstoff-Gehalt jeweils unter 0,1 Atom% liegen.
    • Versuchsreihe 3b
  • Hiebei wurde Kein Aluminium zudetiert, jedoch wurden die sonstigen Bedingungen gemäß Versuchsreihe 3a eingehalten.
    • Beispiel 4: Versuchsreihe 4a
  • Schneidkörper gemäß den vorangegangenen Beispielen und Versuchsreihen werden in einem Gasgemisch mit 10 % AlCl3, 80 % H2, 5% CO2 und 5 % ZrCl4 während 120 min bei einer Temperatur von 1020°C behandelt, währenddessen in regelmäßigen Abständen von 8 min jeweils 2 min lang der Anteil an CO2 reduziert und durch BCl3 ersetzt wird. Es werden auf den Schneidkörpern oxidische Überzüge ausgebildet, welche Einlagerungen von Boriden des Aluminiums bzw. Zirkoniums aufweisen.
    • Versuchsreihe 4b
  • Bei sonst gleichem Vorgehen erfolgt bei Beschichtung von Proben der Versuchsreihe la, 2a kein Zudotieren von BCl3. Die Eigenschaften der erhaltenen Körper sind in einer Tabelle am Ende der Beispiele zusammengefaßt.
    • Beispiel 5: Versuchsreihe 5a
  • Schneidkörper gemäß der vorangegangenen Beispielen und Versuchsreihen werden in einem Gasgemisch mit anfänglich 10 % AlCl3, 70 % Wasserstoff, 12 % C02, 5 % ZrCl4 und 3 % HC1 bei 1030°C und einem Arbeitsdruck von 200 mbar derart behandelt, daß der AlCl3-Gehalt kontinuierlich während einer Zeit von 150 min auf 60 % des Anfangswertes reduziert wird und gleichzeitig der Gehalt an ZrCl, entsprechend gesteigert wird, sodaß die Summe AlCl3 +ZrCl, Konstant bleibt. Es wird eine etwa 2 µm dicke Schicht mit ZrO2-reicherer Außenzone erhalten.
    • versuchsreihe 5b
  • Es werden die sonstigen Bedingungen gemäß Versuchsreihe 5a eingehalten, jedoch fehlte in der Gasphase das ZrCl4. Der AlCl3-Gehalt betrug 12 % und der H2-Gehalt 73 %. Es wirc ebenfalls ein etwa 1,5 bis 2 µm dicker gleichmäßiger Aluminiumoxidüberzug erhalten.
  • Die Ergebnisse von Tests aucn nach diesem Beispiel hergestellter Schneidkörper sind in der Tabelle zusammengefaßt.
  • Bei der Prüfung der Schneidkörper wurde die Biegebruchfestigkeit, sowie anhand von Drehversuchen an Grauguß 235 HB mit 1000 N/mm2 Festigkeit bei Testzeiten von 15 min mit Schnittgeschwindigkeit von 130 m min-1, Spanquerschnitt a x s= 2,0 x 0,25 mm2, die Verschleißmarkenbreite in mm, sowie an Stahl 34 Cr Ni Mo 6 bei Schnittgeschwindigkeiten von 140 m min -1, Spanquerschnitt a x s= 2,0 x 0,25 mm2, die Standzeit in min jeweils als Mittel von 5 Probeschneidkörpern ermittelt.
  • Die Ergebnisse zeigen deutlich den positiven Einfluß einer Anwesenheit von Al in der ersten Beschichtung sowie jenen von Sauerstoff. Verschleißeigenschafts-Verbesserungen werden durch Einbau von Zirkon in die auf die erfindungsgemäß mit Al dotierte Grundbeschichtung aufgebrachten oxidischen Überzüge erreicht, ebenso durch Einbau von Borid-Einlagerunger.
  • Besonders positiv ist die durch den Einbau von Al in die Grundschicht erreichbare Flexibilität der Schichten und deren Haftung.
    Figure imgb0001
    Figure imgb0002

Claims (16)

1. Hartmetallkcrper, insbesondere Hartmetall-Schneidwerkzeug, mit Beschichtung auf Basis vor; Karbiden und/oder Nitriden von Elementen der IV. bis VI. Nebengruppe des Periodensystems und mindestens einer weiteren Beschichtung auf Basis von Aluminiumoxic und/oder Zirkoniumoxid, dadurcn gekennzeichnet, daß unmittelbar auf dem, bevorzugt Ta enthaltenden, Substrat des Grundkörpers eine erste, Sauerstoff aufweisende, karbidische und/oder nitridische Beschichtung mit zumindest einer 0,1 - 2,5 Atom-% Aluminium aufweisenden Schicht aus Oxikarbid, Oxikarbonitrid oder Oxinitrid, insbesondere Oxikarbonitrid, zumindest eines cer Elemente Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta und Cr, vorzugsweise des Titans oder Zirkoniums, aufgebracht ist, über welcher eine zweite, oxidische Beschichtung mit zumindest einer, gegebenenfalls borichältige Einlagerungen aufweisenden, Schicht mit Oxid von Aluminium und/oder Zirkonium angeordnet ist, und der Körper, gegebenenfalls kompaktiert und/oder hitzebehandelt ist.
2. Hartmetallkörper nach Ansprucn 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxikarbid, Oxikarbonitrid oder Oxinitrid, insbesondere Oxikarbonitrid, der ersten Beschichtung einen Gehalt an Aluminium von 0,5 bis 2 Atom-% aufweist.
3. Hartmetallkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Beschichtung zwei oder mehr Schichten mit Oxikarbid, Oxikarbonitrid oder Oxinitrid, vorzugsweise Oxikarbonitrid, zumindest eines der im Anspruch 1 genannten Elemente aufweist, wobei der Aluminium-Gehalt der einzelnen Schichten von einer unmittelbar an das Substrat grenzenden, gegebenenfalls aluminiumfreien, Schicht weg nach außen hin steigend ist.
4. Hartmetallkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Aluminium-Gehalt der Schichten der ersten Beschichtung von der unmittelbar an das Substrat grenzenoen Schicht nach außen hin im wesentlichen linear steigend ist.
5. Hartmetallkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff-Gehalt der OxiKarbid-, Oxikarbonitrid- ober Oxinitrid-Schicht(en) der ersten Beschichtung jeweils 0,1 bis 8 Atom-%, vorzugsweise 1 bis 5 Atom-%, beträgt.
6. Hartmetallkörper nacr einer der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß cie erste Beschichtung zwei oder mehr Schichten mit einem Oxikarobid oder Oxikarbonitrid oder Oxinitrid, vorzugsweise Oxikarbonitrid, zumindest eines der im Anspruch 1 genannten Elemente aufweist, wobei der Sauerstoff-Gehalt der einzelnen Schichten von der unmittelbar an das Substrat grenzenden Schicht weg nach außen hin steigend ist.
7. Hartmetallkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffgehalt der Schichten der ersten Beschichtung von der unmittelbar an das Substrat grenzenden Schicht weg nach außen hin im wesentlichen linear steigend, ist.
8. Hartmetallkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht(en) der zweiten Beschichtung 1 - 20 Gew.-%, vorzugsweise 2 bis 15 Gew.-% Zirkonium enthält (enthalten).
9. Hartmetallkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Beschichtung zwei oder mehr oxidische Schichten aufweist, wobei der Zirkonium-Gehalt der einzelnen Schichten von einer unmittelbar an die erste Beschichtung grenzenden, gegebenenfalls zirkonium-freien, Schicht weg nach außen hin steigend ist.
10. Hartmetallkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Beschichtung der ZirKonium-Genalt von der an die erste Beschichtung unmittelbar angrenzenden Oxid-Schicht weg nach außen hin im wesentlichen linear steigend ist.
11 . Hartmetallkörper nacn einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß cie an cie erste Beschichtung unmittelbar angrenzende cxidische Schicht der zweiten Beschichtung eine zirkonium-freie Aluminiumoxid-Schicht ist.
12. Hartmetallkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die in mindestens einer Schicht der zweiten Bescnichtung vorhandenen boridhältigen Einlagerungen durch Aluminium-und/oder Zirkoniumborid(e) gebildet sind.
13. Hartmetallkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß Substrat und Schicht bzw. Schichten der ersten und zweiten Beschichtung Diffusionszonen aufweisen.
14. Verfahren zur Herstellung eines Hartmetallkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem, vorzugsweise Tantal enthaltenden Substratkörper nach einem Gasphasen-Abscheidungs-Verfahren (CVD-Verfahren) in Gegenwart einer Sauerstoff und Aluminium, in gegebenenfalls sich während des Beschichtungsvorganges ändernden Mengen, enthaltenden bzw. liefernden, zumindest eines der in Anspruch genannten Metalle aufweisenden Gasphase eine erste Beschichtung mit zumindest einer Schicht mit Oxikarbid, Oxikarbonitrid oder Oxinitric, insbesondere Oxikarbonitrid, zumindest eines der im Anspruch 1 genannten Metalle aufgebracht wird, und danach in Gegenwart einer Aluminium und/oder Zirkonium, sowie gegebenenfalls Bor, in gegebenenfalls während des Beschichtungsvcrganges sich ändernden Mengen, enthaltenden Gasphase eine zweite Beschichtung mit zumindest einer, gegebenenfalls boridhältige Einlagerungen enthaltenden Schicht mit Aluminium- und/oder Zirkoniumoxic abgeschieden wird, worauf der erhaltene, beschichtete Körper gegebenenfalls einem Nachverdichtungsvorgang, vorzugsweise einem isostatischen Pressen, insbesondere bei Drucken von 500 bis 2500 bar, und/oder einer Wärme- bzw. Hitzebehandlung, vcrzugsweise Thermodiffusionsbehandlung, insobesondere bei Temceraturen von 900 - 1600°C, vorzugsweise von 1100 - 1500°C, unterworfen wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch geKennzeichnet, daß beim Abscheiden einer ersten Beschichtung mit zumindest zwei Schichten der Sauerstoff- und/oder der Aluminium-Gehalt der Gasphase während des Beschichtungsvorganges, vorzugsweise im wesentlichen linear, gesteigert wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Abscheiden einer zweiten Beschichtung mit zumindest zwei oxidischen Schichten der Zirkonium-Gehalt der Gasphase während des Beschichtungsvorganges, vorzugsweise im wesentlichen linear, gesteigert
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