EP2350336A2 - VERSCHLEIßSCHUTZSCHICHT UND VERFAHREN ZU IHRER HERSTELLUNG - Google Patents

VERSCHLEIßSCHUTZSCHICHT UND VERFAHREN ZU IHRER HERSTELLUNG

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Publication number
EP2350336A2
EP2350336A2 EP09748318A EP09748318A EP2350336A2 EP 2350336 A2 EP2350336 A2 EP 2350336A2 EP 09748318 A EP09748318 A EP 09748318A EP 09748318 A EP09748318 A EP 09748318A EP 2350336 A2 EP2350336 A2 EP 2350336A2
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EP
European Patent Office
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wear protection
protection layer
zirconium
aluminum
target
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09748318A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Lechthaler
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Oerlikon Surface Solutions AG Pfaeffikon
Original Assignee
Oerlikon Trading AG Truebbach
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Filing date
Publication date
Application filed by Oerlikon Trading AG Truebbach filed Critical Oerlikon Trading AG Truebbach
Publication of EP2350336A2 publication Critical patent/EP2350336A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0641—Nitrides
    • 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
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24—Vacuum evaporation
    • C23C14/32—Vacuum evaporation by explosion; by evaporation and subsequent ionisation of the vapours, e.g. ion-plating
    • C23C14/325—Electric arc evaporation

Definitions

  • the invention relates to a wear protection layer and a method for its production.
  • AlCrN system In addition to the TiAlN system, which has been known for decades, the AlCrN system is already regarded as state of the art. This system is characterized by improved mechanical thermal and tribological properties resulting in increased performance of the coated components and tools in many applications.
  • US 7226670 shows a coated portion having a Schichtsys ⁇ system comprising at least one AlyCrl-yX system comprises wherein X be ⁇ writes N, C, B, CN, BN, CBN, NO, CO, BO, CNO, BNO, CNCO.
  • the described part is a milling tool, a hob cutter, a ball nose cutter, a planer or profile cutter, a reaming tool, a reamer, an indexable insert, a casting mold or an injection molding tool.
  • AlCrN-containing layers show a very high oxidation resistance. Oxidation starts with AlCrN-containing layers in the range of temperatures> 1100 ° C. Depending on the conditions of use of the layer, however, it may happen that the formation of a stable oxide skin is hindered. Such conditions are given, for example, in a glow test in a vacuum or under protective gas, but also in cutting applications where the cutting edge is not directly or only partially exposed to the atmosphere. Conditions be ⁇ write this state, for example, can be placed in a rotating application or in a drilling application.
  • AINbN-containing layers show a comparable oxidation ⁇ resistance, which is in the range of HOO 0 C.
  • the width ⁇ ren also shows this system the decay to thermodynamic mixing ⁇ stable Nb 2 N.
  • this decomposition takes place only at temperatures well in excess of HOO 0 C.
  • Fig. 1 through Fig. 3 show the phase diagrams of the ZweistoffSys ⁇ systems Fe-Ti, Fe-Cr and Fe-Nb.
  • the shaded area always shows the complete miscibility of the two metals.
  • Ver ⁇ we compare the three binary systems so that the Cr-containing layers AlCrNN shows the greatest solubility in iron.
  • the titanium of the Ti-containing layers shows a much lower solubility than Cr, but at high temperatures, as in the field of many wear protection applications, the solubility increases significantly there as well.
  • Nb as it is present in NbAlN-containing layers, this solubility is very small even at high temperatures. Even at 1000 0 C, it is still below one atomic percent.
  • PVD Physical Vapor Deposition
  • the ARC evaporation process is preferred, which allows for its high deposition rate and high ionization economic Ab ⁇ divorce of high quality hard coatings.
  • This process is characterized in that an arc physically vaporizes the target surface.
  • This evaporation process entails that partially vaporized particles, so-called splash, be emit ⁇ greatly from the target surface and these splashes can then be recovered as so-called droplets in the layer.
  • a high quality Evaporation process is characterized in that the number of spatter is kept as low as possible.
  • the object of the invention is to provide an improved wear ⁇ protective layer, which has improved mechanical properties with very good tribochemical properties.
  • the object is achieved by a wear protection ⁇ layer, which despite not disappearing Nb content comprising at least one over the prior art significantly reduced number of Nb-splashes, by the target assembly over the prior art is modified so no or that at least approximates the melting behavior of Al and Nb.
  • the Al powder Zr is admixed, preferably between 10 and 50 at% Zr. In a further limitation, the range is between 20 and 30 at%, and ideally, the in ⁇ termetallische phase A13Zr is used which has an atomic ratio of 75 at% Al and 25 at% Zr.
  • a wear protection layer according to the invention has, for example, the following composition:
  • X is at least one element from the group N, C, B, CN, BN,
  • the wear protection layer has the following composition:
  • X describes N, C, B, CN, BN, CBN, NO, CO, BO, CNO, BNO, CNCO, and 0.3 ⁇ a ⁇ 0.9 0 ⁇ b ⁇ 0.2 0.1 ⁇ c ⁇ 0.5
  • the invention is exemplified with reference to a drawing erläu ⁇ tert. It shows:
  • Figure 1 a phase diagram of the iron-titanium system.
  • the hatched area shows the solubility of titanium in iron.
  • This solubility is an indication of the tribochemical wear resistance of a Materi ⁇ alkomposition, wherein: the smaller the solubility, the greater the chemical wear resistant ⁇ ness.
  • Figure 2 a phase diagram iron-chromium system. The shaded area shows the solubility of chromium in egg ⁇ sen.
  • Figure 3 a phase diagram iron-niobium system. The hatched area shows ⁇ fATOR the solubility of niobium in egg ⁇ sen. Niobium is virtually insoluble in iron, even at very high temperatures (1000 ° C.) as used, unlike titanium and chromium.
  • Figure 4 a phase diagram of aluminum zirconium system. The phase diagram clearly shows that the addition of zirco nium ⁇ leads to aluminum to a melting point elevation. At a phase content of 75 at% Al and 25 at% Zr, a high-melting intermetallic phase and immediately thereafter a high-melting eutectic 1595 ° occur.
  • FIG. 5 shows diagrammatically niobium grains 7 in a continuous aluminum matrix 5 (hatched). This phase mixture is present at high aluminum contents ( ⁇ 60%)
  • Figure 6 schematically niobium grains 11 mixed with aluminum or AlZr 9 (hatched). This constellation is present at low aluminum contents ( ⁇ 60%). In this case, there is no continuous AI matrix. This results in a certain porosity in the target and spatter formation can only be overcome by the adjusted melting points of niobium and AlZr.
  • the zirconium component is added to the target used for the coating.
  • part of the aluminum ⁇ miniums is replaced in the target by zirconium. It has provided ⁇ out that the number of spatter can be greatly reduced with a percentage share of zirconium to aluminum ⁇ 10%. Presumably, this is due to the formation of an intermetallic AlZr phase and the associated increase in melting point. This melting point increase results in an approximation of the melting points of the Nb and of the intermetallic AlZr phase mixture.
  • the difference of the melting point between aluminum and niobium which is in the range of 1800 0 C, can be reduced to the difference of the melting point between aluminum ⁇ zirconium and niobium of 850 0 C.
  • This An ⁇ equation of the melting points finally leads to a much more stable and spatterredu containeren evaporation behavior.
  • the present invention therefore also relates to the components coated in this way.
  • These may include: a milling tool, a hob cutter, a ball nose cutter, a planer or profile cutter, a reaming tool, a reamer, an indexable insert, a mold, or an injection molding tool.
  • Cutting parameters Workpiece: DIN 1.2344 (36 HRC)
  • Cutting tool 3-lipped end mill, 0 mm, fine-grained carbide
  • Cutting parameters Workpiece: DIN 1.2344 (45 HRC)
  • Cutting tool indexable insert, fine-grained hard metal ⁇

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verschleißschutzschicht für Werkzeuge wie Fräser, Schneidplatten, Spritzgusswerkzeuge und dergleichen, insbesondere über Pysical Vapor Deposition abgeschiedene Verschleißschutzschicht der allgemeinen Zusammensetzung AlNbX, wobei X steht für N, C, B, CN, BN, CBN, NO, CO, BO, CNO, BNO, CNCO steht, dadurch gekennzeichnet, dass der Nb-Anteil unter 40 at% liegt und/oder das zur Herstellung verwendete Aluminiumpulver mit 10 bis 50 at% Zirkonium bezogen auf das Aluminium versetzt ist sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Verschleißschutzschicht.

Description

Verschleißschutzschicht und Verfahren zu Ihrer Herstellung
Die Erfindung betrifft eine Verschleißschutzschicht sowie ein Verfahren zu Ihrer Herstellung.
Neben den bereits seit Jahrzehnten bekannten TiAlN System, gilt das AlCrN-System bereits als Stand der Technik. Dieses System zeichnet sich durch verbesserte mechanische thermische und tribologische Eigenschaften aus was in vielen Anwendungen zu einer erhöhten Leistungsfähigkeit der beschichteten Bauteile und Werkzeuge führt.
US 7226670 zeigt ein beschichtetes Teil mit einem Schichtsys¬ tem welches zumindest ein AlyCrl-yX System umfasst wobei X be¬ schreibt N, C, B, CN, BN, CBN, NO, CO, BO, CNO, BNO, CNCO. Das beschriebene Teil ist ein Fräswerkzeug, ein Abwälzfräser, ein Kugelkopffräser, ein Planar- oder Profilfräser, ein Reibwerkzeug, ein Reibahle, eine Wendeschneidplatte, eine Gussform oder ein Spritzgusswerkzeug.
Aus der JP-2006225703 ist ein [{Nbι_dTad)aAlι_a_b_c, Sib, B0](C^xNx) Schichtsystem mit folgenden Zusammensetzungen:
O ≤ d ≤ l
0Λ ≤ a ≤ 0.6
0 ≤ b + c ≤ 0Λ5
0.4 ≤ Λ: < 1 bekannt . Es ist bekannt, dass AlCrN-haltige Schichten eine sehr hohe Oxidationsbeständigkeit zeigen. Die Oxidation startet bei AlCrN-haltigen Schichten im Bereich von Temperaturen >1100°C. Je nach Einsatzbedingungen der Schicht kann es jedoch vorkommen, dass die Bildung einer stabilen Oxidhaut behindert wird. Solche Bedingungen sind z.B. bei einem Glühversuch im Vakuum oder unter Schutzgas gegeben, aber auch in Zerspanungsanwendungen wo die Schneidkante nicht direkt oder nur teilweise der Atmosphäre ausgesetzt ist. Bedingungen, die diesen Zustand be¬ schreiben, können z.B. in einer Drehanwendung oder in einer Bohranwendung gegeben sein.
Unter derartigen Bedingungen wird eine Zersetzung von AlCrN zu einem thermodynamisch stabileren Cr2N ab einer Temperatur von 8000C beobachtet.
AINbN-haltige Schichten zeigen eine vergleichbare Oxidations¬ beständigkeit, welche im Bereich von HOO0C liegt. Des Weite¬ ren zeigt auch dieses System den Zerfall zu einem thermodyna¬ misch stabileren Nb2N. Allerdings findet dieser Zerfall erst bei Temperaturen von deutlich mehr als HOO0C statt. Insofern gibt es Arbeitsbereiche für diese Schichten, in welchen sie trotz vergleichbarer Oxidationsbeständigkeit die wesentlich bessere Leistungsfähigkeit zeigen.
Ein weiterer Punkt sind die verschiedenen Verschleißmechanis¬ men. Die guten mechanischen, tribologischen und thermischen Eigenschaften von NbAlN-haltigen Schichten zeigen das Potential dieser Schichten im Bereich Verschleißschutz.
Abhängig vom Verschleißmechanismus ist jedoch auch der tribo- chemische Verschleiß von höchster Bedeutung. So ist die Lös¬ lichkeit des Schichtmaterials in Eisen ein Indiz für die tri- bochemische Verschleißbeständigkeit bei einer Anwendung in Kontakt mit eisenhaltigen Werkstoffen. Dabei gilt die ein- leuchtende Daumenregel: Je geringer die Löslichkeit in Eisen, desto größer die tribochemische Verschleißbeständigkeit bei einer Anwendung in Kontakt mit eisenhaltigen Werkstoffen.
Fig. 1 bis Fig. 3 zeigen die Phasendiagramme der ZweistoffSys¬ teme Fe-Ti, Fe-Cr und Fe-Nb. Der schraffierte Bereich zeigt jeweils die lückenlose Mischbarkeit der beiden Metalle. Ver¬ gleicht man die drei ZweistoffSysteme so zeigt das Cr der AlCrN-haltigen Schichten die größte Löslichkeit in Eisen. Das Titan der Ti-haltigen Schichten zeigt eine wesentlich geringere Löslichkeit als Cr, aber bei hohen Temperaturen, so wie im Anwendungsbereich vieler Verschleißschutzapplikationen steigt auch dort die Löslichkeit signifikant. Im Falle von Nb, wie es in NbAlN-haltigen Schichten vorhanden ist, ist diese Löslichkeit selbst bei hohen Temperaturen sehr klein. Selbst bei 10000C liegt sie noch unterhalb von einem Atomprozent. Inso¬ fern kann mit diesem System eine verbesserte tribochemische Verschleißbeständigkeit im Verschleißkontakt mit Eisenbasis¬ werkstoffen erzielt werden. Dies ist beispielsweise in mecha¬ nischen Bearbeitungsprozessen von Stahl wie z B. Zerspanung oder Umformung, aber auch in Reibkontakten von Bauteilen und technischen Komponenten gegeben.
Typische Herstellungsverfahren für derartige Schichten sind PVD (Physical Vapor Deposition) Prozesse. Im Speziellen wird der ARC-Verdampfungsprozess bevorzugt, der durch seine hohe Abscheidungsrate und hohe Ionisation eine wirtschaftliche Ab¬ scheidung von qualitativ hochwertigen Hartstoffschichten ermöglicht. Dieser Prozess ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Lichtbogen die Targetoberfläche physikalisch verdampft. Dieser Verdampfungsprozess bringt mit sich, dass teilweise verdampfte Partikel, sogenannte Spritzer, von der Targetoberfläche emit¬ tiert werden und diese Spritzer dann als sogenannte Droplets in der Schicht wieder gefunden werden können. Ein hochwertiger Verdampfungsprozesses ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl der Spritzer so gering wie möglich gehalten wird.
Allerdings hat sich bei einem zu hohen Anteil an Nb herausge¬ stellt, dass vermutlich aufgrund des unterschiedlichen Schmelzpunktes (Schmelzpunkt Al: 66O0C, Schmelzpunkt Nb 24670C) metallische Nb Spritzer in die Schicht eingebaut wer¬ den. Dies hat u. a. eine größere Oberflächenrauhigkeit zur Folge die zu einer stark reduzierten Verschleißbeständigkeit führt. Durch die Spritzer werden auch die mechanischen Eigenschaften, wie zum Beispiel die Härte, die Elastizität etc. in für die Anwendung ungünstige Art und Weise modifiziert.
Aufgabe der Erfindung ist es eine verbesserte Verschlei߬ schutzschicht zu schaffen, die bei sehr guten tribochemischen Eigenschaften verbesserte mechanische Eigenschaften besitzt.
Die Aufgabe wird mit einer Verschleißschutzschicht mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen gekennzeichnet .
Es ist darüber hinaus eine Aufgabe, ein Verfahren zum Herstel¬ len einer verbesserten Verschleißschutzschicht zu schaffen, welches eine Verschleißschutzschicht mit sehr guten triboche¬ mischen Eigenschaften und verbesserten mechanischen Eigenschaften ermöglicht.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Verschleißschutz¬ schicht gelöst, welche trotz nicht verschwindenem Nb-Gehalt keine oder zumindest eine gegenüber dem Stand der Technik deutlich verringerte Anzahl von Nb-Spritzern aufweist, indem der Targetaufbau gegenüber dem Stand der Technik dergestalt modifiziert wird, dass sich das Schmelzverhalten von Al und Nb zumindest annähert.
Es hat sich herausgestellt dass dies einerseits durch einen geringeren Nb-Anteil erreichbar ist. So hat sich gezeigt dass ab einem prozentuellen Nb-Anteil von weniger als 40% sich die Anzahl der Spritzer dramatisch verringert. Es hat sich außerdem herausgestellt, dass sich dies andererseits durch Zugabe von Zirkonium im Target signifikant reduzieren lässt. Dabei wird dem AI-Pulver Zr beigemischt und zwar bevorzugt zwischen 10 und 50 at% Zr. In einer weiteren Einschränkung liegt der Bereich zwischen 20 und 30 at% und idealerweise wird das in¬ termetallische Phase A13Zr verwendet welche ein Atomverhältnis von 75 at% Al und 25 at% Zr aufweist.
Eine erfindungsgemäße Verschleißschutzschicht hat beispiels¬ weise die folgende Zusammensetzung:
Nbi-a-bAla (Sib)X, wobei
X mindestens ein Element aus der Gruppe N, C, B, CN, BN,
CBN, NO, CO, BO, CNO, BNO, CNCO ist und für a und b die Bereiche
0.6 < a < 0.9
0 < b < 0.2 gelten .
Wobei a > 0.6 bedeutet, dass das mit dem Index a versehene Ma¬ terial mit mehr als 60 Atomprozent vorliegt. Analoges gilt für den Index b. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung hat die Verschleißschutzschicht die folgende Zusammensetzung:
Nbi-a-b (Al1-CZrC)3(SIb)X, wobei
X beschreibt N, C, B, CN, BN, CBN, NO, CO, BO, CNO, BNO, CNCO, und 0.3 < a < 0.9 0 < b < 0.2 0.1 < c < 0.5
Wobei a > 0.3 bedeutet, dass das mit dem Index a versehene Ma¬ terial mit mehr als 30 Atomprozent vorliegt. Analoges gilt für die Indizes b und c.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand einer Zeichnung erläu¬ tert. Es zeigen dabei:
Figur 1: ein Phasendiagramm des Eisen-Titan Systems. Der schraffierte Bereich zeigt die Löslichkeit von Titan in Eisen. Diese Löslichkeit ist ein Indiz für die tribochemische Verschleißbeständigkeit einer Materi¬ alkomposition, wobei gilt: je kleiner die Löslichkeit, umso größer die chemische Verschleißbeständig¬ keit.
Figur 2: ein Phasendiagramm Eisen-Chrom Systems. Der schraffierte Bereich zeigt die Löslichkeit von Chrom in Ei¬ sen .
Figur 3: ein Phasendiagramm Eisen-Niob Systems. Der schraf¬ fierte Bereich zeigt die Löslichkeit von Niob in Ei¬ sen. Niob ist selbst bei sehr hohen Temperaturen (10000C) wie sie in der Anwendung vorkommen, im Gegensatz zu Titan und Chrom so gut wie unlöslich ist in Eisen. Figur 4: ein Phasendiagramm Aluminium Zirkonium Systems. Das Phasendiagramm zeigt klar, dass die Zugabe von Zirko¬ nium zu Aluminium zu einer Schmelzpunkterhöhung führt. Bei einem Phasengehalt von 75 at% Al und 25 at% Zr tritt eine hochschmelzende intermetallische Phase und direkt danach ein hochschmelzendes Eutekti- kum 1595° auf.
Figur 5: schematisch Niob Körner 7 in einer durchgehenden Aluminiummatrix 5 (schraffiert) . Dieses Phasengemisch ist bei hohen Aluminiumgehalten (<60%) vorhanden
Figur 6: schematisch Niob Körner 11 gemischt mit Aluminium bzw. AlZr 9 (schraffiert) . Diese Konstellation ist bei niedrigen Aluminiumgehalten (< 60%) vorhanden. In diesem Falle gibt es keine durchgehende AI-Matrix. Daraus resultiert eine bestimmte Porosität im Target und die Spritzerbildung kann nur mehr durch die angeglichenen Schmelzpunkte von Niob und AlZr in Griff bekommen werden.
Erfindungsgemäß wurde festgestellt, dass sich bei hohen Nb- Gehalten zwar die tribochemischen Verschleißeigenschaften gegenüber einem System ohne Nb verbessern, sich allerdings die mechanischen Verschleißeigenschaften in nicht akzeptabler Weise verschlechtern. Dies vermutlich aufgrund in der Schicht eingebauten metallischen Nb.
Erfindungsgemäß hat sich ergeben, dass sich bei mittels Arc- Verdampfen (Bogen-Verdampfen) hergestellten Schichten die Spritzerproblematik stark reduziert, ohne dass dabei die Vorteile im Bereich des tribochemischen Verschleißschutzes aufge¬ geben werden müssen, wenn gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Nb-Anteil kleiner als 40% und bis zu 10% verwandelt wird. Bei noch kleinerem Nb-Anteil ist im Wesentlichen keine tribochemische Verschleißschutzverbesse¬ rung gegenüber reinem AlN mehr festzustellen.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird dem zur Beschichtung verwendeten Target ein Zirkonium- Anteil beigemischt. Besser ausgedrückt, wird ein Teil des Alu¬ miniums im Target durch Zirkonium ersetzt. Es hat sich heraus¬ gestellt dass bei einem prozentuellen Anteil von Zirkonium zu Aluminium < 10% die Zahl der Spritzer stark reduziert werden kann. Vermutlich ist dies die Bildung einer intermetallischen AlZr-Phase und der damit verbundenen Schmelzpunkterhöhung zurückzuführen. Aus dieser Schmelzpunkterhöhung resultiert eine Angleichung der Schmelzpunkte des Nb und des intermetallischen AlZr-Phasengemischs . So kann die Differenz des Schmelzpunktes zwischen Aluminium und Niob, welche im Bereich von 1800 0C liegt, auf die Differenz des Schmelzpunktes zwischen Alumini¬ um-Zirkonium und Niob von 850 0C reduziert werden. Diese An¬ gleichung der Schmelzpunkte führt schließlich zu einem wesentlich stabileren und spritzerreduzierteren Verdampfungsverhalten .
Wie das AlZr-Phasendiagramm klar für den Fachmann zeigt, führt die Zugabe von einigen Prozenten von Zirkonium zu Alumiunium zu einer zweiphasigen Gefügestruktur - nämlich der hochschmelzenden Aluminium-Zirkonium Phase und dem niedrig schmelzenden Aluminiummischkristall, Der Anteil dieser hochmelzenden Alumi- mium-Zirkonium Phase nimmt mit steigendem Zirkoniumgehalt zu und bei einem Anteil von 25% Zirkonium und 75 % Aluminium erhält man schließlich eine einphasige intermetallische Phase. Weitere vergleichbare intermetallische Phasen bilden sich bei noch mehr steigendem Zirkoniumgehalt. Idealerweise wird eine derartige intermetallische Phase mit dem Niobpulver gemischt. Mit den oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verschleißschutzschichten können Bauteile und Werkzeuge vorteilhaft beschich¬ tet werden. Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind daher auch die derart beschichteten Komponenten. Dies können unter anderem sein: ein Fräswerkzeug, ein Abwälzfräser, ein Kugelkopffräser, ein Planar- oder Profilfräser, ein Reibwerkzeug, ein Reibahle, eine Wendeschneidplatte, eine Gussform oder ein Spritzgusswerkzeug .
Mit den folgenden Anwendungsbeispielen werden zwei Versuche vorgestellt, im Rahmen derer die Lebensdauer anhand der bearbeitbaren Strecke ausgedrückt ist. Die Stöchimetrie ist in diesem Fall über Atomprozent angegeben.
VERSUCH 1:
Zerspanungsparameter : Werkstück : DIN 1.2344 (36 HRC) Zerspanungswerkzeug: 3-lippiger Schaftfräser, 0 mm, fein- körniges Hartmetall
Schnittgeschwindigkeit 120 mmin-1 Zahnvorschub : 0.05 mm/ Zahn Zustellung radial: 0.5 mm Zustellung axial: 10 mm Kühlmittel: Nassbearbeitung 6% Emulsion Frässtrategie: seitliches Abfräsen Verschleißkriterium: vbmax > 120 μm
Ergebnis (maximale Standzeit des beschichteten Werkzeuges)
kommerz iel le Schicht 40 m
Al 60Nb40N 50 m
Al80Nb20N 60 m
Al40Nb60N 35 m Al45Nb45Zr10N 55 m Al70Nb20S iI 0N 60 m
VERSUCH 2 :
Zerspanungsparameter : Werkstück : DIN 1.2344 (45 HRC) Zerspanungswerkzeug : Wendeschneidplatte, feinkörniges Hart¬ metall
Schnittgeschwindigkeit 330 mmin-1 Zahnvorschub : 0.18 mm/ Zahn Zustellung radial: 50 mm Zustellung axial: 2 mm Kühlmittel: trocken Frässtrategie: seitliches Abfräsen Verschleißkriterium: vbmax > 200 μm
Ergebnis (maximale Standzeit des beschichteten Werkzeuges!
kommerz iel le Schicht 1 . 2 m
Al 60Nb40N 2 . 0 m

Claims

Patentansprüche
1. Verschleißschutzschicht für Werkzeuge wie Fräser, Schneidplatten, Spritzgusswerkzeuge und dergleichen, insbesondere über Physical Vapor Deposition (PVD) abgeschie¬ dene Verschleißschutzschicht der allgemeinen Zusammenset¬ zung AlNbX, wobei X steht für N, C, B, CN, BN, CBN, NO, CO, BO, CNO, BNO, CNCO steht, dadurch gekennzeichnet, dass der Nb-Anteil unter 40 at% liegt und/oder das zur Herstellung verwendete Aluminiumpulver mit 10 bis 50 at% Zirkonium bezogen auf das Aluminium versetzt ist.
2. Verschleißschutzschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht die folgende Zusammensetzung hat:
wobei
X mindestens ein Element aus der Gruppe N, C, B, CN,
BN, CBN, NO, CO, BO, CNO, BNO, CNCO ist und für a und b die Bereiche:
0.6 < a < 0.9
0 < b < 0.2 gelten .
3. Verschleißschutzschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht die folgende Zusammensetzung besitzt:
Nbi-a-b (Al1-CZrC)3(SIb) X,
wobei
X beschreibt N, C, B, CN, BN, CBN, NO, CO, BO, CNO, BNO, CNCO und 0.3 < a < 0.9 0 < b < 0.2 0.1 < c £ 0.5 .
4. Verschleißschutzschicht nach Anspruch 1 und/oder 3, da¬ durch gekennzeichnet, dass dem Aluminiumpulver 20 bis 30 at% Zirkonium zugesetzt sind.
5. Verschleißschutzschicht nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Aluminiumpulver 25 at% Zirkonium zugemischt sind, so dass eine intermetallische Phase Al3Zr mit einem Atomverhältnis von 75 at% Aluminium und 25 at% Zir¬ konium ausbildbar ist.
6. Verfahren zur Herstellung einer Verschleißschutzschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abscheidung der Schicht auf einem Werkzeug eine Target-Bogen verdampft wird, wobei das Target im Wesentlichen ein AINb-Target ist, welches in Reaktivgasat- mosphere verdampft wird, wobei das Verhältnis von Nb zu Al so eingestellt wird, dass der Nb-Gehalt in der Schicht zwischen 10 und 40 % liegt und/oder zur Herstellung des Targets dem AI-Pulver Zr beigemischt wird, in einer Menge zwischen 10 und 50 at% Zr.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Aluminiumpulver zwischen 20 und 30 at% Zr beigemischt werden .
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Atomverhältnis von Aluminium zu Zirkonium 75 at% zu 25 at% beträgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Target so gemischt, dass die durch bogenverdampfen abgeschiedene Verschleißschutzschicht die folgende Zusammensetzung besitzt:
wobei
X mindestens ein Element aus der Gruppe N, C, B, CN,
BN, CBN, NO, CO, BO, CNO, BNO, CNCO ist und für a und b die Bereiche:
0.6 < a < 0.9
0 < b < 0.2 gelten .
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Target so zusammengemischt wird, dass die abgeschiedene Verschleißschutzschicht die folgen¬ de Zusammensetzung besitzt:
Nbi-a-b (Al1-CZrC)3(SIb) X,
wobei
X beschreibt N, C, B, CN, BN, CBN, NO, CO, BO, CNO, BNO, CNCO und 0.3 < a < 0.9 0 < b < 0 . 2 0 . 1 < c £ 0 . 5 .
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Angleichung der Schmelzpunkte des Nb und des Aluminium zunächst eine intermetallisches AIu- miniumzirkoniumfasengemisch hergestellt wird, mit Zirkoniumgehalten zwischen 10 und 15 at% Zirkonium, vorzugsweise 20 und 30 at% Zirkonium und besonders bevorzugt 25 at% Zirkonium.
12. Verwendung einer Verschleißschutzschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 5, hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11 für Fräswerkzeuge wie Abwälz¬ fräser, Kugelkopffräser, Planar- oder Profilfräser, Reibwerkzeuge, Reibahlen, Wendeschneidplatten, Gussformen oder Spritzgusswerkzeuge .
EP09748318A 2008-11-04 2009-11-02 VERSCHLEIßSCHUTZSCHICHT UND VERFAHREN ZU IHRER HERSTELLUNG Withdrawn EP2350336A2 (de)

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