DD276603A3

DD276603A3 - Verschleissfester ueberzug, insbesondere fuer werkzeuge, und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DD276603A3
Application number: DD31490684A
Authority: DD
Inventors: Manfred Schoenherr; Manfred Seidler; Albrecht Leonhardt; Erich Wolf; Karl Bartsch; Dieter Selbmann; Rolf Roesler; Wolfgang Weitz; Hartmut Westphal; Arnd Beger
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1984-12-03
Filing date: 1984-12-03
Publication date: 1990-03-07

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des Verschleissschutzes von Werkzeugen und Verschleissteilen aus Metall und Hartmetallen. Ziel der Erfindung ist es, die Biegefestigkeit des Verbundkoerpers und die Verschleissfestigkeit, auch bei schwerem oder unterbrochenem Schnitt, zu erhoehen und den technologischen Aufwand bei der Beschichtung zu senken und die Beschichtungszeiten wesentlich zu verkuerzen. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, einen verschleissfesten Ueberzug anzugeben, der kein Stengelwachstum und damit verbundene Grobkornbildung und eine hohe Haftfestigkeit aufweist sowie ein Verfahren anzugeben, das auch bei Normaldruck anwendbar ist und demzufolge hohe Abscheidungsraten ermoeglicht. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass mehrere aus Metallcarbiden, -nitriden oder -carbonitriden bestehende, granular gewachsene Schichten gleicher chemischer Bestandteile uebereinander angeordnet sind. Die einzelnen Schichten sind bis zu 5 mm dick, unterscheiden sich im Gefuege, und der gesamte Ueberzug weist eine Dicke 50 mm auf. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe mit einem Verfahren geloest, bei dem das Beschichtungsgut in einen Reaktor eingebracht und in einer inerten oder reduzierenden Atmosphaere erwaermt wird. Danach werden neben Metallhalogeniden als Kohlenstoff- und/oder Stickstofftraeger mindestens zwei kohlenstoff- oder stickstoffhaltige Verbindungen oder Mischungen dieser Verbindungen, deren Umsetzungsgeschwindigkeit mit den uebrigen gasfoermigen Reaktionspartnern zu Carbiden, Nitriden oder Carbonitriden unterschiedlich ist, alternierend in den Reaktor eingeleitet. Abschliessend wird das Beschichtungsgut in inerter oder reduzierender Atmosphaere auf Raumtemperatur abgekuehlt. Anwendungsgebiet der Erfindung sind Werkzeuge und Verschleissteile, insbesondere Hartmetall-Wendeschneidplatten.

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf den Verschleißschutz von Werkzeugen und Verschleißteilen, insbesondere aus Motdllen und Hartmetallen. Ihre Anwendung ist bei allen Werkzeugen und Verschleißteilen möglich, auf die mittels CVD-Verfahren Schutzschichten aufgebracht worden. Besonders zweckmäßig ist dio Erfindung für das Beschichten von Wendeschneidplatten anwendbar.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist allgemein bekannt, Werkzeuge und Verschleißteile aus Metall oder Hartmetall zum Schutz (legen Vorschic ß mit Hartstoffschichten zu vorsehen. So M es nach U.König u.a.; Techn. Mitteilungen Kiupp, Forsch. Bor., Bd 39 (81) H. 10 bokannt, auf Hartmotallwerkzouge für die spanendo Formgebung Carbid-, Nitrid-, Carbonitricl-, Borid- oder Oxids, lichten der Elemente dor III. bis Vl. Gruppe dos PSE aufzubringen. Der Nachteil dieser Schichten besteht .urin, daß dio Biegefestigkeit des Verbundkörper, z. B. einor Wendeschneidplatte, vermindert wird und somit seino Verschleißfestigkeit, insbesondere boi Schnittuntorbrechungen, nicht bufriedigt. Verursacht wild dieser Mangel durch das Siengelwachstum der Schicht und der mit zunehmender Schichtdicke vorbundonun Kornvergröberung (Leo, M.: Richman, H. M.; Metals Technology 1 |1974| 538). Weiterhin ist es bokannt (DE-AS 2253745), das StanQalwachstum der Schicht durch Mehrlagonboschichtung prinzipiell zu vormeiden. Boi schwerem odor unterbrochenem Schnitt ist dio Verschleißfestigkeit, als Folgo mangelhafter HarfostioVoit, zu gering. Nach der DE-AS 2917348 ist auch bokannt, das Stongolwachstum dor Schicht durch alterniorondo Violfachbeschichtung zu vormoidon. Daboi wordon bei Unterdruck AljOj/T'N-Wn :hsolschichten uus m.ndestens 30 his etwa 750 Einzolixhichton von je 0,02 bis 0,1 pm Dicko abgoschiodon. Doraitig dünno Schichton können nur bei sehr kloinon Schichtwachstumsgoschwindigkoiton, dio boim Untordruckvorfahron aufgrund dos goringon Stoffangehotes pro Zoitoinhoit automatisch ointroton, technisch realisiert wordon. Nachteilig sind daboi dor durch dio Anwendung c'os Untord 'uokvorfahrons bodingto großo technologische Ai /wand und die nxtrom lange» Boschichtungszoiton.

Ziel der Erfindung

Ziol dor Erfindung ist or, dio Biogofostigkoit dos Vorbundkörpors und dio Verschleißfestigkeit, auch boi schworo.n odor unterbrochenem Schnitt, zu erhöhon und (lon tochnologischun Aufwand boi dor Beschichtung zu senken und dio Boschichtungszoiton wesentlich zu vorkürzon.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verschleißfesten Überzug anzugeben, der kein Stengelwachstum und damit verbundene Grobkornbilduno. und eine hohe Haftfestigkeit aufweist sowie ein Verfahren anzugeben, das auch bei Normaldruck anwendbar ist und demzufolge hohe Abscheidungsraton ermöglicht. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß mehrere aus Metalicarbiden, -nitriden ode' -carbonitriden bestehende, granular gewachsene Schichten gleicher chemischer Bestandteile übereinander angeordnet sind. Die einzelnen Schichten sind bis zu 5μιη dick, unterscheiden sich im Gefüge, und der gesamte Überzug weist eine Dicke s 50μητι auf. Zweckmäßigerweise bestehen die granular gewachsenen Schichten aus Titancarbonitrid. Vorzugsweise beträgt dip Dicke des Überzugs 12-15pm. Der erfindungsgemäße Überzug kann auch Bestandteil einer Schichtkombination mit anderen Hartstoffschichten sein. Erfindungsgemäß wird did Aufgabe mit einem Verfahren gelöst, bei dem das Beschichtungsgut in einen Reaktor eingebracht und in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre erwärmt wird. Danach werden rieben Metallhalogeniden ah Kohlenstoff- und/oder Stickstoffträger mindestens zwei kohlenstoff- oder stickstoffhaltige Verbindungen oder Mischungen dieser Verbindungen, deren Umsetzungsgeschwindigkeit mit den übrigen gasförmigen Reaktionspartnern zu Carbiden, Nitriden oder Carbonitriden unterschiedlich ist, alternierend in den Reaktor eingeleitet. Abschließend wird das Beschichtungsgut in inerter oder ruduzierender Atmosphäre auf Raumtemperatur abgekühlt. Vorzugsweise wird als Metallhalogenid TiCI₄ eingesetzt. Als Kohlenstoffträger werden insbesondere C₆H₆, n-C_?H₁₆ oder deren Mischungen verwendet. Bevorzugt werden als Stickstoffträger N₂, HN₃ oder deren Mischungen eingesetzt. Zweckmäßigerweise wird der Wechsel /wischen den Trägergasen in Zeitintervallen vorgenommen, bei denen Einzelschichten von 0,3 bis 2 pm Dicke abgeschieden werden. Im Reaktor wird vorzugsweise Normaldruck eingestellt.

Ausführungsbeispiele Beispiel 1

Die zugehörige Zeichnung zeigt einen metallografischen Schliff quer zu den auf einer Wendeschneidplatte erfindungsgemäß angeordneten Schichten in einer 2500fachen Vergrößerung. Auf einer Wendeschneidplatte 1 der Zusammensetzung 88Ma.-% WC. 2Ma.-% TiC, 4Ma.-% TaC/NbC und 6Ma.-% Co, sind 10 Titancarbonitrid-Schichten angeordnet. Die Schichten 2 unterscheiden sich in ihrem Gefügb deutlich von den Schichten 3. Die einzelnen Schichtan 2 und 3 sind je etwa 1,5μηι dick und liegen wechselweise übereinander. Die Dicko des gesamten Überzuges beträgt ~ 15 pm. Zur Abscheidung der Schichten werden die Wendeschneidplatten in einen Kaltwandreaktor eingebracht und unter Argon auf 1320K erwärmt. Anschließend werden alternierend in Zeitintervalien von je 3 Minuten Gasgemische folgender Zusammensetzung bei Normaldruck in den Reaktor eingeleitet:

1.Gasgemisch: 7,5VoI.-%N₂

2.i4Vol.-%C₆H₆

0,75 Vol.-% TiCI₄ 60,0 Vol.% H₂ Rest Vol.-% Argon 2.GaSgGiTi¹SCh: 15,0Vol.-%N₂

2,0 Vol. -% C₆H₆

0,15VoL-⁰AnC₇H₁₆

0,75 Vol.% ViCI₄ 60,0Vol.-%H₂ Rest Vol.% Argon.

Nach9WochselndosGa3gernischessind 10 Schichtonvonje 1,5pmDickt,d.h.einüborzugvon 15pmDicko,abgeschieden.Die Abscheidungszeit beträgt 30 Minuten gegenüber einer Abscheidungszeit von 350min für eine 6μπι dicko Multischicht nach dem bekannten Stand dor Technik. Schroidvorsucho boi glattem Schnitt mit diesen Wendeschneidplatten und C60 als Gegenwerkstoff .feigen folgende Ergebnisse:

Bei ν - 200 m/min

S = 0,4 mm/U 9 -- 2 mm

und einer Schnittteit von 10min I)Gl(HgI die Vorschleißmarkonbreito VB = 0,08mm und bei

ν - 140m/min s 0,8 mm/U a=2 mm

und oinor Schnitt/oit von 10min wird eino Vorschloißmarkonbroito VB - 0,1 mm ermittelt. Im Gogonsalr dazu zeigt eins Wondoschnoidplatto, mit liN/AljOjMultischichton vorsohnn, boi dor Zorsoanung von C 60 boi glattem Schnitt ml folgenden Schnittworton

ν 200 m/min s 0,28 mm/U α 1,5 mm

nachninor Schnittzoit von 10min boroitsoino Voischloißr.iorkonbroito VB - 0,13mm.

Beispiel 2

Auf einer WC-Co-Wendeschneidolatte der gleichen Zusammensetzung wie im Beispiel'. sind 10 Titancarbidschichten angeordnet, deren Schichten 2 sich in ihrem Gefüge deutlich von den Schichten 3, ähnlich wie im Beispiel 1, unterscheiden. Die einzelnen Schichten sind je etwa 1,5μηη dick, so daß die Dicke des gesamten Überzuges - Ιδμιη beträgt. Zur Abscheidung der Schichten werden die Wendeschneidplatten in einen CVD-Reaktor eingebracht und unter Argon auf 1320 K erwärmt. Anschließend werden alternierend in Zeitintervallen von je 3 Minuten Gasgemische folgender Zusammensetzung bei Normaldruck in den Reaktor eingeleitet.

I.Gasgemisch: 3,0 Vol.-% C₆H₆

0,75VoL-VoTiCl₄ 60,0Vol.-%H₂ RenVol.-%Argon

2.Gcrjemisch: 2,25Vol.-%C₆H_e

0,15Vol.-%n-C₇H₆ 0,7DVol.-% TiCI₄ 60,0Vol.-7oH₂ ReslVol.-%Argon

Schneidversuche mit diesen Wendeschneidplatten bei glattem Schnitt auf austenitischem Stahl (X8CrNiTi 18.10) als Gegenwerkstoff

bei v= 100 m/min

s = 0,6 mm/U a = 2 mm

zeigen gegenüber Wendeschneidplatten mit TiN/A^OyMultischichten einen Standzeitzuwachs von durchschnittlich 70%. Dabei wurde das Standleitende auf eine Verschleißmarkenbreite von 0,5mm bezogen.

Beispiel 3

Auf einer WC-Co-Wendeschnoidplatte der gleichen Zusammensetzung wie im Beispiel 1 sind 10 Titannitridschichten angeordnet. Ähnlich wie im Beispiel 1 unterscheiden sich die Schichten 2 in ihrem Gefüge deutlich von den Schichten 3 und sind je etwa 1,2 \im dick. Die Dicke des gesamten Überzuges beträgt daher ~ 12pm. Um die Schichten abzuscheiden, warden die Wendeschneidplatten in einen CVD-Reaktor eingebracht und unter Argon auf 1320K erwärmt. Danach werden alternierend in Zeitabständen von je 3 Minuten bei Non. ,oldtuck Gasgemische folgender Zusammensetzung in den Reaktor eingeleitet:

I.Gasgemisch: 16,0Vol.-%N₂

0,35Vol.-%TiCI₄ 80,0VoI. % H₂ Rest Vol. % Argon 2. Gasgemisch: 15,0Vol.-%N₂

1,0Vol.-7oNH₃ 0,35 »01.·% TiCI₄ 80,0 Vol.-% H₂ Rost Vol.-% Argon

Schneidvorsucho bei glattem Schnitt mit dioson Wendeschneidplatten und C60 als Gegenwerkstoff

l)oi ν "200 m/min

s = 0,4 mm/U a = 2 mm

zeigen gogonüber Wendeschneidplatten, deren Beschichtung nur aus dom 1 .Gasgemisch bostoht, einen Standzeitzuwachs von 80%. Schneidversuche boi unterbrochenem Schnitt (Bolzondrohversuch) und C60 als Gogenworkstoff

boi ν - · 120 m/min

ε 0,3 mm/U a - 1 mm

Oigobon gogonübor Wondoschnoidplatton mit TiN/A^Oj-Multischichton oinon Standzoitzuwachs von 45%. In boidon Fällen wurdo dos Stnndzoitondo auf oino Vorschloißmarkonbroito von 0,5 mm bozogon.

Claims

1. Verschleißfester Überzug, insbesondere für Werkzeuge, bestehend aus Metallcarbiden, -nitriden oder -carbonitriden, gekennzeichnet dadurch, daß mehrere granular gewachsene Schichten gleicher chemische»· Bestandteile und unterschiedlichen Gefüges (2; 3) mit einer Dicke der einzelnen Schicht von <5μιτι bis zu einer Dicke lies Überzugs von 2 50 um übereinander angeordnet sind.

2. Verschleißfester Überzug nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die granular gewachsenen Schichten (2; 3) ausTitancarbonitrid bestehen.

3. Verschleißfester Überzug nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Dicke des Übe rzugs 12 bis 15μητι beträgt.

4. Verfahren zur Herstellung verscnleißfester Überzüge nach Punkt 1 durch Abscheidung aus der Gasphase bei dem das Beschichtungsgut in einen Reaktor eingebracht, in inerter oder reduzierender Atmosphäre erwärmt und abschließend auf Raumtemperatur abgekühlt wird, gekennzeichnet dadurch, daß neben Metallhalogenide!! als Kohlenstoff und/oder Stickstoffträger mindestens zwei kohlenstoffhaltige oder stickstoffhaltige Verbindungen oder Mischungen dieser Verbindungen, deren Umsetzungsgeschwindigkeit mit den übrigen gasförmigen Reaktionspartnern zu Carbiden, Nitriden oder Carbonitriden unterschiedlich ist, alternierend in den Reaktor eingeleitet werden.

5. Verfahren nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß als Metallhalogenid TiCI₄ eingesetzt wird.

6. Verfahren nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß als Kohlenstoffträger C₆H₆, n-C₇Hi₆ oder deren Mischungen eingesetzt werden.

7. Verfahren nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß als Stickstoffträger N₂, NH₃ oder deren Mischungen eingesetzt werden.

8. Verfahren nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß der Wechsel zwischen den Trägergasen in Zeitintervallen vorgenommen wird, bei denen Einzelschichten von 0,3 bis 2 pm Dicke abgeschieden werden.

9. Verfahren nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß im Reaktor Normaldruck eingestellt wird.