WO2005038089A2 - Verschleissschutzschicht - Google Patents

Verschleissschutzschicht Download PDF

Info

Publication number
WO2005038089A2
WO2005038089A2 PCT/DE2004/002308 DE2004002308W WO2005038089A2 WO 2005038089 A2 WO2005038089 A2 WO 2005038089A2 DE 2004002308 W DE2004002308 W DE 2004002308W WO 2005038089 A2 WO2005038089 A2 WO 2005038089A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
wear protection
content
protection layer
cutting tools
Prior art date
Application number
PCT/DE2004/002308
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2005038089A3 (de
Inventor
Frank-R Weber
Original Assignee
Gühring, Jörg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Gühring, Jörg filed Critical Gühring, Jörg
Priority to JP2006534584A priority Critical patent/JP4745243B2/ja
Priority to EP04802621A priority patent/EP1675973B1/de
Publication of WO2005038089A2 publication Critical patent/WO2005038089A2/de
Publication of WO2005038089A3 publication Critical patent/WO2005038089A3/de
Priority to US11/403,829 priority patent/US7541101B2/en

Links

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
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C27/00—Alloys based on rhenium or a refractory metal not mentioned in groups C22C14/00 or C22C16/00
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C27/00—Alloys based on rhenium or a refractory metal not mentioned in groups C22C14/00 or C22C16/00
    • C22C27/06—Alloys based on chromium
    • 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
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/24—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.]
    • Y10T428/24942—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.] including components having same physical characteristic in differing degree
    • Y10T428/2495—Thickness [relative or absolute]
    • Y10T428/24967—Absolute thicknesses specified
    • Y10T428/24975—No layer or component greater than 5 mils thick
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/26—Web or sheet containing structurally defined element or component, the element or component having a specified physical dimension
    • Y10T428/263—Coating layer not in excess of 5 mils thick or equivalent
    • Y10T428/264—Up to 3 mils
    • Y10T428/265—1 mil or less

Definitions

  • the present invention relates to the tempering of tools with the aid of hard wear protection layers.
  • Machining tools in particular rotating shank tools, such as drills, countersinks, taps, reamers, etc., are suitable as tools for machining metals.
  • the wear protection layers are approximately 1 to 7 thick hard material layers, which are preferably deposited on the tool surface by means of PVD (Physical Vapor Deposition).
  • dry, stable machining refers to machining without coolant and lubricant, but also machining with mini-quantity lubrication.
  • the most common wear protection layer consists of the golden yellow titanium nitride TiN.
  • TiN layers can be used universally. Layers made of the dark, blue-red shimmering titanium aluminum nitride (Ti, Al) N are known for their high warm hardness. They usually have a percentage ratio of the titanium to the aluminum atoms of 50:50 or (Ti 0 , 5, A1 0 , 5) N, occasionally also shifted in the direction of 40:60 or (Ti 0 , 4, Al 0 , ⁇ ) N.
  • CrN layers are recommended for machining non-ferrous metals (see e.g. P. Hones, Surface and Coatings Technology 94-95 (1997) 398-402).
  • a multilayer layer made of (Ti, Al) N and CrN has also recently become known (see, for example, I. Wadsworth et al., Surface and Coatings Technology 94-95 (1997) 315- 321). The higher the Cr content, the higher their oxidation resistance, at least up to Cr content of 30 at.%. Layers of TiAlN with minor additions of Cr and Y were also examined in the same laboratory (patent specification DE 19818782), application date April 27, 1998).
  • the invention is therefore based on the object of providing a wear protection layer of the object described at the outset, which is characterized by superior wear behavior in simple manufacture, in particular in so-called dry machining and with minimal lubrication, and in particular for highly abrasive applications, such as, for example, for machining titanium alloys, GGV and MMC as well as for so-called high speed cutting (HSC).
  • a wear protection layer of the object described at the outset which is characterized by superior wear behavior in simple manufacture, in particular in so-called dry machining and with minimal lubrication, and in particular for highly abrasive applications, such as, for example, for machining titanium alloys, GGV and MMC as well as for so-called high speed cutting (HSC).
  • HSS high speed steel
  • hard metal with various layers and layer systems
  • the optimization included the following operations: (1) coating, (2) analysis of the Layer composition, phase determination and texture analysis, (3) milling tests with various application parameters, (4) measurement of wear behavior during the tests, (5) evaluation and results, (6) coating of the same tools with a layer with a different percentage composition of the metal atoms, etc.
  • Another particular aspect of the invention is that the inventors have found a two-ply layer according to claim. 4 then provides the longer service life if the thicker base layer is covered with a thin CrN layer, the high Cr content in the overall layer again being an important aspect.
  • a particularly abrasion-resistant layer which is suitable for materials that are difficult to machine, results when the Layer has two layers, the lower layer being formed by a thicker (TiAlCr ⁇ ) N base layer in the composition as a homogeneous mixed phase, which is covered by a thinner CrN cover layer as the upper layer.
  • Yttrium is preferably used as the element (K) for grain refinement, the percentage of the total metal content of the layer being below 1 at%, preferably up to about 0.5 at%.
  • the total thickness of the layer is preferably between 1 and 7 ⁇ m, since greater thicknesses tend to form cracks due to increasing layer internal stresses.
  • the thickness of the lower layer is preferably between 1 and 6 microns, and the thickness of the thinner cover layer between 0.15 to 0.6 microns.
  • a particularly good layer structure can be achieved if the wear protection layer is deposited by means of cathodic arc evaporation or high-rate magnetron sputtering.
  • the surface of the tool carrying the wear protection layer is preferably subjected to substrate cleaning by means of plasma-assisted etching using noble gas ions, preferably Ar ions, which can be carried out, for example, by means of low-voltage arc discharge, as described in the patent application
  • a (Ti, Al, Cr, Y) N single layer was first deposited on HSS and hard metal milling tools.
  • a Cr cathode and a (Ti, Al, Y) cathode were used as steam sources.
  • the coating process was preceded by substrate cleaning using plasma-assisted etching (bombardment with Ar ions from a low-voltage arc discharge). Solid carbide tools were coated. The layer thickness was approximately 2.5 ⁇ m.
  • the determination of the atomic concentration in the layers was determined on the basis of sensitivity factors which were determined by Cr, Ti, TiN, TiAlN and Y 2 0 3 standards. The low proportion of carbon in the layer was neglected and was not taken into account when determining the concentration.
  • concentrations based on the metal atoms in the layer were set as follows in the range given in claims 1 and 4:
  • phase determination of the layer was again carried out by means of X-ray diffraction under ⁇ - 2 ⁇ geometry with Cu K ⁇ ⁇ radiation (20 kV). It could be shown that it is a nitridic mixed phase of the elements Ti, Al and Cr with a ⁇ 111> texture.
  • milling cutters of identical geometry were provided with conventional layers, namely with a conventional metal nitride layer and a so-called GÜHRING fire layer, i.e.. a (Ti, Al) N / TiN multilayer layer.
  • the figure shows that the tool coated according to the invention can achieve a service life that is far more than twice the service life that can be achieved with a GÜHRING Fire multilayer (Ti, Al) N / TiN.
  • this test result allows the concrete values for the layer to specify corresponding scattering ranges as contained in the patent claims.
  • the wear protection layer according to the invention achieves excellent wear behavior with extremely difficult to machine material. It is still characteristic of the wear protection layer that the base layer is homogeneous in itself and represents a homogeneous cubic mixing phase. The yttrium built into the layer serves to refine the grain. Furthermore, in the production of the wear protection layer according to the invention, neither the use of an adhesion promoter layer nor a subsequent special heat treatment is necessary, so that the wear protection layer according to the invention can be easily produced.
  • the coating is preferably deposited in a pure PVD process (cathodic arc evaporation) at substrate temperatures of a maximum of 450 ° C.
  • the total thickness of the wear protection layer is preferably in the range between 1 and 7 ⁇ m.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)
  • Drilling Tools (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)
  • Milling Processes (AREA)

Abstract

Beschrieben wird eine harte Verschleißschutzschicht für Werkzeuge, insbesondere für spanabhebende Werkzeuge, wie z.B. rotierende Schaftwerkzeuge, wie Bohrer, Senker, Gewindebohrer, Reibahlen, usw. zur spanabhebenden Bearbeitung von Metallen. Bei den Verschleißschutzschichten handelt es sich um etwa 1 bis 10 gm dicke Hartstoffschichten, die bevorzugt mittels PVD (Physical Vapor Deposition) auf der Werkzeugoberfläche abgeschieden werden. Die Verschleißschutzschicht besteht im Wesentlichen aus Nitriden mit dem Metallkomponenten Cr, Ti und Al und einem geringen Anteil von Elementen (K) zur Kornverfeinerung, mit - jeweils bezogen auf alle Metallatome in der gesamten Schicht - einem Cr-Anteil von über 65%, vorzugsweise 66 bis 70%, einem Al-Anteil von 15 bis 23% und einem Ti-Anteil von 10 bis 15%.

Description

VerschleißschützSchicht
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Vergütung von Werkzeugen mit Hilfe von harten Verschleißschutzschichten. Als Werkzeuge kommen spanabhebende Werkzeuge, insbesondere rotierende Schaftwerrkzeuge, wie Bohrer, Senker, Gewindebohrer, Reibahlen, usw. zur spanabhebenden Bearbeitung von Metallen in Betracht. Bei den Verschleißschutzschichten handelt es sich um etwa 1 bis 7 um dicke Hartstoffschichten, die bevorzugt mittels PVD (Physical Vapor Deposition) auf der Werkzeugoberfläche abgeschieden werden.
Die Fachwelt ist seit geraumer Zeit bemüht eine Verschleißschutzschicht für die trockene Bearbeitung von Metallen zu finden. Als trockene standfeste Bearbeitung bezeichnet man in diesem Zusammenhang die Zerspanung ohne Kühl- und Schmierflüssigkeit, aber auch die Zerspanung mit Minirαalmengenschmierung.
Dabei ging man bei der Entwicklung der Schicht insbesondere bei der Wahl des Schichtmaterials von der Überlegung aus, dass das Werkzeug beim trockenen Spanen wesentlich höhere Temperaturen annimmt und dass diese unerwünschte Temperaturerhöhung reduziert werden kann, wenn ein möglichst hoher Anteil der Wärme nicht über das Werkzeug, sondern über die Späne abtransportiert wird. Es wurde daher in Erwägung gezogen, Mater-ialien zu kombinieren, die entweder für eine hohe Warmhärte und/oder für eine hohe Oxidationsbeständigkeit und/oder für eine niedrige Wärmeleitfähigkeit bekannt waren.
Die am meisten verbreitete Verschleißschutzschicht besteht aus dem goldgelben Titannitrid TiN. TiN-Schichten sind universell einsetzbar. Schichten aus dem dunklen, blaurot schimmernden Titanaluminiumnitrid (Ti,Al)N sind bekannt für ihre hohe Warmhärte. Sie haben meist ein prozentuales Verhältnis der Titan- zu den Aluiainiumatomen von 50:50 bzw. (Ti0,5, A10,5)N, gelegentlich auch verschoben in Richtung 40:60 bzw. (Ti0,4, Al0,δ)N. Bei der Vergütung von Werkzeugen finden sie Anwendung sowohl als Einzelschicht (siehe z.B. Gilles et al., Surface and Coatings Technology 94-95 (1997) 285-290) als auch als (Ti,Al)N/TiN-Mehrlagenschicht mit Zwischenlagen aus Titannitrid (siehe z.B. die sogenannte FIRE-Schicht der Gühring oHG) .
CrN-Schichten werden für die Bearbeitung von Nichteisenmetallen empfohlen (siehe z.B. P. Hones, Surface and Coatings Technology 94-95 (1997) 398-402) .
Bekannt sind auch MeCrAlY-Legierungen (Me = Metall) zur Beschichtung von Turbinenschaufeln. Sie erhöhen die Oxidationsbeständigkeit und die Wärmedämmung und damit die zulässige Temperatur und den Wirkungsgrad von Flugzeugtriebwerken (siehe z.B. W. Brandl et al-, Surface and Coatings Technology 94-95 (1997) 21-26) .
Neuerdings wurde auch eine Viellagenschicht (multilayer) aus (Ti,Al)N und CrN bekannt (siehe z.B. I. Wadsworth et al., Surface and Coatings Technology 94-95 (1997) 315- 321) . Ihre Oxidationsbeständigkeit war um so höher, je höher der Cr-Anteil war, jedenfalls bis zu Cr-Anteilen von 30 at.%. Im selben Labor wurden auch Schichten aus TiAlN mit geringfügigen Zusätzen von Cr und Y untersucht (Patentschrift DE 19818782), Anmeldedatum 27. April 1998) .
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Verschleißschutzschicht der eingangs beschriebenen Aufgabe zu schaffen, die sich bei einfacher Herstellung durch ein überlegenes Verschleißverhalten, insbesondere bei der sogenannten Trockenbearbeitung und bei Minimalschmierung, auszeichnet und im Besonderen für hoch abrasive Anwendungen, wie z.B. für die Bearbeitung von Titanlegierungen, GGV und MMC sowie für das sogenannte High Speed Cutting (HSC) .
Diese Aufgabe wird durch eine Verschleißschutzschicht mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 4 gelöst.
Die Erfindung baut dabei auf dem. Inhalt der eigenen, früheren Patentanmeldung P 102 12 383 auf, auf deren Inhalt hier ausdrücklich Bezug genommen wird und deren Offenbarung in diese Anmeldung mit einbezogen werden soll.
Im Zuge der Entwicklung der Erfindung wurden Werkzeuge aus HSS (high speed steel) und aus Hartmetall mit verschiedensten Schichten und Schichtsystemen aus folgenden Bestandteilen hergestellt und optimiert: Nitride der Metalle Chrom, Aluminium und Titan und ein geringfügiger Zusatz (etwa bis 1 at %) Yttrium zur Kornverfeinerung. Die Optimierung umfasste folgende Arbeitsgänge: (1) Beschichtung, (2) Analyse der Schichtzusammensetzung, Phasenbestimmung und Texturuntersuchung, (3) Fräsversuche mit verschiedenen Einsatzparametern, (4) Messung des Verschleißverhaltens während der Versuche, (5) Auswertung und Ergebnisse, (6) Beschichtung gleicher Werkzeuge mit einer Schicht mit veränderter prozentualer Zusammensetzung der Metallatome, usw.
Es wurde aufbauend auf den Versuchen, die zum Inhalt der älteren Patentanmeldung P 102 12 383 geführt haben, herausgefunden, dass das beste Verschleißverhalten bei hoch abrasiven Anwendungen durch die erfindungsgemäße
Steigerung des Cr-Anteils in der gesamten Schicht am
Gesamtmetallgehalt auf Werte über 65 at % erzielt wird. Die Anteile von AI und Ti werden dabei entsprechend verringert auf 15 bis 23 at % bzw. 10 bis 15 at % . Wie die vergleichenden Anwendungstests zeigen, konnten die
Standzeiten gegenüber dem. Stand der Technik entscheidend, nämlich auf das beinahe 2,5-Fache verlängert werden.
Ein weiterer besonderer Aspekt der Erfindung ist, dass die Erfinder herausgefunden haben, dass eine Zweilagenschicht nach Anspruch. 4 dann die höheren Standzeiten liefert, wenn die dickere Grundschicht mit einer dünnen CrN-Schicht abgedeckt wird, wobei wiederum der hohe Cr-Anteil in der Gesamtschicht ein wichtiger Aspekt ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche .
Eine besonders abriebfeste Schicht, die sich für schwerst zerspanbare Materialien eignet ergibt sich dann, wenn die Schicht zwei Lagen hat, wobei die untere Lage von einer dickeren (TiAlCrκ)N-Grundschicht in der Zusammensetzung als homogene Mischphase gebildet ist, die von einer dünneren CrN-Deckschicht als obere Lage abgedeckt ist.
Als Element (K) zur Kornverfeinerung wird vorzugsweise Yttrium heran gezogen, wobei der prozentuale Anteil am Gesamt-Metallgehalt der Schicht unter 1 at%, vorzugsweise bei bis zu etwa 0,5 at% liegt.
Vorzugsweise liegt die Gesamtdicke der Schicht zwischen 1 und 7 um, da größere Dicken aufgrund zunehmender Schicht- Eigenspannungen zu Rissbildung neigen.
Bei Ausbildung einer zweilagigen Schicht nach Anspruch 2 wird die Dicke der unteren Schicht vorzugsweise zwischen 1 und 6 μm, und die Dicke der dünneren Deckschicht zwischen 0,15 bis 0,6 μm festgelegt.
Ein besonders guter Schichtaufbau lässt sich dann erzielen, wenn die Verschleißschutzschicht mittels kathodischer Lichtbogen-Verdampfung oder Hochrate- Magnetron-Zerstäubung abgeschieden wird.
Um die Haftung der Verschleißschutzschicht am Werkzeug zu verbessern, wird die die Verschleißschutzschicht tragende Oberfläche des Werkzeugs vorzugsweise einer Substratreinigung mittels plasmaunterstütztem Ätzen mittels Edelgas-Ionen, vorzugsweise Ar-Ionen unterzogen, was beispielsweise mittels Niedervolt-Bogenentladung durchgeführt werden kann, wie es in der Patentanmeldung
DE 198 18 782, auf deren Inhalt ausdrücklich Bezug genommen wird und deren Offenbarung in die vorliegende
Anmeldung einbezogen wird, beschrieben ist. Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht an Hand eines Beispiels beschrieben. Dabei wird auf die Figur Bezug genommen, die beispielhaft gemittelte Standwege beim Fräsen in Titan mit Wolframkarbid-Inlay darstellt, wobei ein metallnitrid-beschichtetes Werkzeug des Wettbewerbs, eine sogenannte GÜHRING-Fire-Schicht (Ti,Al)N/TiN und die erfindungsgemaße Schicht nach Anspruch 1 in der besonderen Variante nach Anspruch 2, d.h. mit einer dickeren (Ti, I, Cr,Y) N-Grundschicht und einer dünnen CrN- Deckschicht, miteinander verglichen werden.
Beispiele:
Mit Hilfe eines Arc-Beschichtungsverfahren wurde zunächst eine (Ti, AI, Cr, Y) N-Einzelschicht auf HSS- und Hartmetall-Fräswerkzeugen abgeschieden. Als Dampfquellen wurden eine Cr-Kathode und eine (Ti,AI, Y) -Kathode eingesetzt. Prozeßparameter: Substrattemperatur Ts = 450° C, Bias-Spannung UB^ -50 V, Gesamtionenstro Ji0n= 14 A auf die zu beschichtenden Probesubstrate, Kathodenstrom für die Cr- bzw. TiAlY-Kathoden Ik = 300 A, reines Stickstoffplasma (Stickstoffpärtialdruck pN2 = 5 Pa) .
Dem Beschichtungsprozess war eine Substratreinigung durch ein plasmaunterstütztes Ätzen (Beschuss mit Ar-Ionen aus einer Niedervoltbogenentladung) vorgeschaltet. Es wurden Vollhartmetallwerkzeuge beschichtet. Die Schichtdicke lag bei etwa 2,5 μm.
Die Bestimmung der atomaren Konzentration in der Schichten wurde anhand von Empfindlichkeitsfaktoren bestimmt, die von Cr, Ti, TiN, TiAlN und Y203 Standards ermittelt wurden. Der geringe Anteil von Kohlenstoff in der Schicht wurde vernachlässigt und bei der Konzentratiσnsbestimmung nicht berücksichtigt. Die auf die Metallatome in der Schicht bezogenen Konzentrationen wurden im Bereich der Angaben in gemäß den Ansprüchen 1 bzw. 4 wie folgt eingestellt:
Cr-Anteil: 60 at% AI-Anteil: 16,5 at% Ti-Anteil: 23 at% Y-Anteil: - 0,5 at%
Die Phasenbestimmung der Schicht wurde wieder mittels Röntgenbeugumg unter Θ - 2 Θ Geometrie mit Cu Kα~ Strahlung durchgeführt (20 kV) . Es konnte gezeigt werden, dass es sich um eine nitridische Mischphase der Elemente Ti, AI und Cr mit einer <111> Textur handelt.
Anschließend wurde auf die Grundschicht eine dünne Deckschicht aus CrN - wieder im Are-Verfahren abgeschieden. Die Dicke der Deckschicht wurde bei etwa 0,4 um eingestellt. Die Prozessparameter waren:
Substrattemperatur Ts = 450° C, Bias-Spannung UB= -50 V, , Entladungsstromstrom für die Cr-Kathode I = 300 A, Gesamtionenstrom auf die zu beschichtenden Werkzeuge bei CrN-Deposition Jion= 9A, reines Stickstoffplasma (Stickstoffpartialdruck pN2 = 5 Pa) .
Damit ergab sich eine Gesamtschicht, in der - bezogen auf alle Metallatome in der Schicht der Cr-Anteil 65,6 at%, der AI-Anteil 14,2 at%, der Ti-Anteil 19,7 at und det Y- Anteil 0,5 at% betragen hat.
Vergleichende Tests: Die Hartmetallfräser mit der im Beispiel beschriebenen Schicht wurden in einem Feldversuch hinsichtlich ihres Standwegs in Proben folgenden Aufbaus getestet: Titan- Basiswerkstoff mit Wolframkarbid-Inlay. Es kamen Strinfräser mit 16mm Durchmesser zum Einsatz, wobei folgende Prozessparameter eingehalten wurden:
Schnittgeschwindigkeit 1000 m/min Externe Ölkühlung
Zustellmaß ap = 25 mm Zustellmaß ae = 2,5 mm
Als Maß für den erzielbaren Standweg kann die Anzahl der Werkstücke herangezogen werden, die sich mit den
Werkzeugen mit vorgegebener Gütetoleranz bearbeiten lassen.
Bei den vergleichenden Tests wurden Fräser identischer Geometrie mit herkömmlichen Schichten versehen, und zwar mit einer herkömmlichen Metallnitrid-Schicht und einer sogenannten GÜHRING-Fire-Schicht, d..h. einer (Ti,Al)N/TiN-Mehrlagen-Schicht.
Die Figur zeigt, dass sich mit dem erfindungsgemäß beschichteten Werkzeug eine Standzeit erzielen lässt, die weit über dem Zweifachen der Standzeit liegt, die sich mit einer GÜHRING-Fire-Mehrlagenschicht (Ti,Al)N/TiN erzielen lässt. Unter Heranziehung der Erkenntnisse und Versuchsergebnisse, die mit der Schicht nach der eigenen älteren Patentanmeldung P 102 12 383 gewonnen und experimentell untermauert werden konnten, erlaubt dieses Testergebnis, die konkreten Werte für die Schicht mit entsprechenden Streubereichen anzugeben, wie sie in den Patentansprüchen enthalten sind.
Mit diesem vorstehend beschriebenen Beispiel wurde also gezeigt, daß mit der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht ein hervorragendes Verschleißverhalten bei äußerst schwer zu bearbeitendem Werkstoff erreicht wird. Charakteristisch für die Verschleißschutzschicht ist nach wie vor, daß die Grundschicht in sich homogen ist und eine homogene kubische Mischphase darstellt. Das in die Schicht eingebaute Yttrium dient dabei der Kornverfeinerung. Darüber hinaus ist bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht weder die Verwendung einer Haftvermittlungsschicht, noch eine nachgeschaltete spezielle Wärmebehandlung notwendig, so daß die erfindungsgemäße Verschleißschutzschicht einfach hergestellt werden kann.
Die Beschichtung wird vorzugsweise in einem reinen PVD- Verfahren (Kathodische Lichtbogenverdampfung) bei Substrattemperaturen von maximal 450°C abgeschieden.
Die Gesamtdicke der Verschleißschutzschicht liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 1 und 7 μm.

Claims

Ansprüche
1. Verschleißschutzschicht für spanabhebende Werkzeuge, insbesondere rotierende Zerspanungswerkzeuge, im Wesentlichen bestehend aus Nitriden mit dem Metallkomponenten Cr, Ti und AI und ine geringen Anteil von Elementen (K) zur Kornverfeinerung, gekennzeichnet durch einen Cr-Anteil von über 65%, vorzugsweise 66 bis 70%; einen AI-Anteil von 10 bis 23%; und einen Ti-Anteil von 10 bis 25%, jeweils bezogen auf alle Metallatome in der gesamten Schicht.
2. Verschleißschutzschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht zwei Lagen () hat, wobei die untere Lage () von einer dickeren (TiAlCrκ)N- Grundschicht in der Zusammensetzung als homogene Mischphase gebildet ist, die von einer dünneren CrN- Deckschicht als obere Lage abgedeckt ist.
3. Verschleißschutzschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Element (K) zur Kornverfeinerung Yttrium dient, wobei der prozentuale Anteil am Gesamt-Metallgehalt der Schicht unter 1 at%, vorzugsweise bei bis zu etwa 0,5 at% liegt.
4 . Verschleißschutzschicht für spanabhebende Werkzeuge, insbesondere rotierende Zerspanungswerkzeuge, im
Wesentlichen bestehend aus Nitriden mit dem
Metallkomponenten Cr, Ti und AI und vorzugsweise einem geringen Anteil von Elementen ( K ) zur Kornverfeinerung, gekennzeichnet durch den Aufbau als Zweilagenschicht, wobei die untere Lage () von einer dickeren (TiAlCr)N- bzw. (TiAlCrκ) N-Grundschicht in der Zusammensetzung als homogene Mischphase ist, die von einer dünneren CrN- Deckschicht als obere Lage abgedeckt ist, wobei die Grundschicht einen Cr-Anteil von über 30%, vorzugsweise 30 bis 65%; einen AI-Anteil von 15 bis 35%, vorzugsweise 17 bis 25%; und einen Ti-Anteil von 16 bis 40%, vorzugsweise 16 bis 35%, besonders bevorzugt 24 bis 35%, jeweils bezogen auf alle Metallatome in der gesamten Schicht, hat.
5. Verschleißschutzschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtdicke der Schicht zwischen 1 und 7 μm liegt.
6. Verschleißschutzschicht nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der unteren
Schicht zwischen 1 und 6 μm und die Dicke der dünneren Deckschicht 0,15 bis 0, 6 μm beträgt.
7. Verschleißschutzschicht -nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie mittels kathodischer Lichtbogen-Verdampfung oder Magnetron- Zerstäubung abgeschieden ist.
8. Werkzeug mit einer Verschleißschutzschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die die Verschleißschutzschicht tragende Oberfläche des Werkzeugs einer Substratreinigung mittels plasmaunterstütztem Ätzen mittels Edelgas-Ionen, vorzugsweise Ar-Ionen unterzogen ist.
9. Werkzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das das plasmaunterstütze Ätzen mittels Niedervolt- Bogenentladung durchgeführt ist.
PCT/DE2004/002308 2003-10-15 2004-10-13 Verschleissschutzschicht WO2005038089A2 (de)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006534584A JP4745243B2 (ja) 2003-10-15 2004-10-13 耐摩耗層
EP04802621A EP1675973B1 (de) 2003-10-15 2004-10-13 Verschleissschutzschicht
US11/403,829 US7541101B2 (en) 2003-10-15 2006-04-14 Anti-abrasive layer

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10347981A DE10347981A1 (de) 2003-10-15 2003-10-15 Verschleißschutzschicht für spanabhebende Werkzeuge, insbesondere für rotierende Zerspanungswerkzeuge
DE10347981.3 2003-10-15

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US11/403,829 Continuation US7541101B2 (en) 2003-10-15 2006-04-14 Anti-abrasive layer

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2005038089A2 true WO2005038089A2 (de) 2005-04-28
WO2005038089A3 WO2005038089A3 (de) 2005-09-01

Family

ID=34441974

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE2004/002308 WO2005038089A2 (de) 2003-10-15 2004-10-13 Verschleissschutzschicht

Country Status (6)

Country Link
US (1) US7541101B2 (de)
EP (1) EP1675973B1 (de)
JP (1) JP4745243B2 (de)
KR (1) KR20060118484A (de)
DE (1) DE10347981A1 (de)
WO (1) WO2005038089A2 (de)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007035623A (ja) * 2005-07-22 2007-02-08 Sandvik Intellectual Property Ab プラズマ活性を向上させる装置
US7217466B2 (en) 2002-03-20 2007-05-15 Joerg Guehring Wear-resistant coating for metal-removing tools, particularly for rotary metal-cutting tools
DE102006015367B4 (de) * 2006-04-03 2020-08-13 Gühring KG Drehantreibbares Werkzeug zur Herstellung von Gewinden

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006006564B4 (de) 2006-01-23 2022-12-08 Gühring KG Werkzeug zum Entgraten von Bohrungen sowie Bausatz für ein solches Werkzeug
US7939181B2 (en) * 2006-10-11 2011-05-10 Oerlikon Trading Ag, Trubbach Layer system with at least one mixed crystal layer of a multi-oxide
EP2351870B1 (de) * 2007-06-25 2018-08-08 Oerlikon Surface Solutions AG, Pfäffikon Schichtsystem zur Bildung einer Oberflächenschicht auf einer Oberfläche eines Substrats
US7947363B2 (en) * 2007-12-14 2011-05-24 Kennametal Inc. Coated article with nanolayered coating scheme
CN103249869B (zh) * 2010-11-23 2016-05-18 山高刀具公司 涂层切削工具刀片
DE102011007139A1 (de) 2011-04-11 2012-10-11 Gühring Ohg Verfahren zum Ausbilden einer Verschleißschutzschicht auf einem Schneidwerkzeugkörper und Schneidwerkzeug mit einer Verschleißschutzschicht
EP2540858B1 (de) 2011-06-30 2014-12-17 Lamina Technologies SA Kathodische Lichtbogenablagerung
US8475943B2 (en) * 2011-07-08 2013-07-02 Kennametal Inc. Coated article having yttrium-containing coatings applied by physical vapor deposition and method for making the same
US10954803B2 (en) * 2019-01-17 2021-03-23 Rolls-Royce Corporation Abrasive coating for high temperature mechanical systems

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04288363A (ja) 1991-03-18 1992-10-13 Asahi Chem Ind Co Ltd Ｉｃ耐熱トレー用樹脂組成物
DE19818782A1 (de) 1998-04-27 1999-10-28 Muenz Wolf Dieter Werkzeugbeschichtung und Verfahren zu deren Herstellung

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04128363A (ja) * 1990-09-19 1992-04-28 Limes:Kk 複合材料
DE19523550A1 (de) * 1995-06-28 1997-01-02 Hauzer Holding PVD-Hartstoffbeschichtung
DE19547305A1 (de) * 1995-12-18 1997-06-19 Univ Sheffield Verfahren zum Beschichten von metallischen Substraten
DE29615190U1 (de) * 1996-03-11 1996-11-28 Balzers Verschleissschutz Gmbh Anlage zur Beschichtung von Werkstücken
DE19609647A1 (de) * 1996-03-12 1997-09-18 Univ Sheffield Hartstoffschicht
US6492011B1 (en) * 1998-09-02 2002-12-10 Unaxis Trading Ag Wear-resistant workpiece and method for producing same
PT1219723E (pt) * 2000-12-28 2007-01-31 Kobe Steel Ltd Película dura para ferramentas de corte
JP3910373B2 (ja) * 2001-03-13 2007-04-25 オーエスジー株式会社 回転切削工具用硬質積層被膜、および硬質積層被膜被覆回転切削工具
JP3598074B2 (ja) * 2001-05-11 2004-12-08 日立ツール株式会社 硬質皮膜被覆工具
DE10212383A1 (de) * 2002-03-20 2003-10-16 Guehring Joerg Verschleißschutzschicht für spanabhebende Werkzeuge, insbesondere für rotierende Zerspanwerkzeuge

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04288363A (ja) 1991-03-18 1992-10-13 Asahi Chem Ind Co Ltd Ｉｃ耐熱トレー用樹脂組成物
DE19818782A1 (de) 1998-04-27 1999-10-28 Muenz Wolf Dieter Werkzeugbeschichtung und Verfahren zu deren Herstellung

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
GILLES ET AL., SURFACE AND COATINGS TECHNOLOGY, vol. 94-95, 1997, pages 285 - 290
I. WADSWORTH ET AL., SURFACE AND COATINGS TECHNOLOGY, vol. 94-95, 1997, pages 315 - 321
P. HONES, SURFACE AND COATINGS TECHNOLOGY, vol. 94-95, 1997, pages 398 - 402
SURFACE AND COATINGS TECHNOLOGY, vol. 125, 2000, pages 269 - 277
W. BRANDL ET AL., SURFACE AND COATINGS TECHNOLOGY, vol. 94-95, 1997, pages 21 - 26

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7217466B2 (en) 2002-03-20 2007-05-15 Joerg Guehring Wear-resistant coating for metal-removing tools, particularly for rotary metal-cutting tools
JP2007035623A (ja) * 2005-07-22 2007-02-08 Sandvik Intellectual Property Ab プラズマ活性を向上させる装置
DE102006015367B4 (de) * 2006-04-03 2020-08-13 Gühring KG Drehantreibbares Werkzeug zur Herstellung von Gewinden

Also Published As

Publication number Publication date
EP1675973B1 (de) 2012-12-19
JP2007515300A (ja) 2007-06-14
JP4745243B2 (ja) 2011-08-10
US20060222891A1 (en) 2006-10-05
WO2005038089A3 (de) 2005-09-01
DE10347981A1 (de) 2005-07-07
US7541101B2 (en) 2009-06-02
KR20060118484A (ko) 2006-11-23
EP1675973A2 (de) 2006-07-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1354984B1 (de) Verschleissschutzschicht für spanabhebende Werkzeuge, insbesondere für rotierende Zerspanwerkzeuge
EP1726687B1 (de) Beschichtes Werkzeug
DE19546357C2 (de) Harte Beschichtung mit ausgezeichneter Abriebsbeständigkeit zur Substratbeschichtung
KR101441136B1 (ko) 내열성 초합금 (ｈｒｓａ) 및 스테인리스 강의 선삭가공용미립 초경합금 인서트
DE102007039193B4 (de) Hartschicht und Werkzeug mit dieser Schicht
EP2167705B1 (de) Beschichtetes werkzeug
WO1993004015A1 (de) Werkzeug mit verschleissfester schneide aus kubischem bornitrid oder polykristallinem kubischem bornitrid, verfahren zu dessen herstellung sowie dessen verwendung
US7541101B2 (en) Anti-abrasive layer
DE19609647A1 (de) Hartstoffschicht
EP0513662A1 (de) Verfahren zum Beschichten des Werkstückes und mit einer Hartschicht versehener Grundkörper
DE112009005368B4 (de) Hartschicht und mit hartschicht beschichtetes werkzeug
EP1231295B1 (de) Hartmetallverschleissteil mit Mischoxidschicht
EP0534905B1 (de) Werkzeuge für die Zerspannung von Werkstoffen
EP2411561A1 (de) Pvd beschichtetes werkzeug
EP2171121B1 (de) Werzeug mit mehrlagiger metalloxidbeschichtung und verfahren zum herstellen des beschichteten werkzeugs
DE102014104672A1 (de) Beschichtetes Schneidwerkzeug und Verfahren zu seiner Herstellung
DE19825572A1 (de) Werkzeug aus einem Grundkörper und mindestens einer hierauf abgeschiedenen Schicht sowie Verfahren zur Herstellung einer Molybdänsulfidschicht auf einem Substratkörper
WO2004029321A2 (de) Verbundkörper mit einer verschleissmindernden oberflächenschicht und verfahren zu seiner herstellung
EP1413647B1 (de) Verschleissschutzschicht
WO2023246967A1 (de) Beschichtetes werkzeug, verfahren zu dessen herstellung sowie verwendung des werkzeugs
DE112022003803T5 (de) Beschichtetes Werkzeug und Schneidwerkzeug
DE112022003762T5 (de) Beschichtetes werkzeug und schneidwerkzeug
DE112022003801T5 (de) Beschichtetes Werkzeug und Schneidwerkzeug
DE112022003752T5 (de) Beschichtetes werkzeug und schneidwerkzeug
DE102015010632A1 (de) Wendeschneidplatte und Verfahren zum Herstellen einer Wendeschneidplatte

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): AE AG AL AM AT AU AZ BA BB BG BR BW BY BZ CA CH CN CO CR CU CZ DK DM DZ EC EE EG ES FI GB GD GE GH GM HR HU ID IL IN IS JP KE KG KP KR KZ LC LK LR LS LT LU LV MA MD MG MK MN MW MX MZ NA NI NO NZ OM PG PH PL PT RO RU SC SD SE SG SK SL SY TJ TM TN TR TT TZ UA UG US UZ VC VN YU ZA ZM ZW

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): BW GH GM KE LS MW MZ NA SD SL SZ TZ UG ZM ZW AM AZ BY KG KZ MD RU TJ TM AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IT LU MC NL PL PT RO SE SI SK TR BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW ML MR NE SN TD TG

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 11403829

Country of ref document: US

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2006534584

Country of ref document: JP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2004802621

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1020067009402

Country of ref document: KR

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 2004802621

Country of ref document: EP

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 11403829

Country of ref document: US

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 1020067009402

Country of ref document: KR