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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Druckeigenspannung
oder zur Erniedrigung der Zugeigenspannung einer äußeren oder
einer äußersten,
mittels CVD, PCVD oder PVD auf einen Hartmetall-, Cermet- oder Keramiksubstratkörper aufgetragenen
Hartstoffschicht, bei dem der beschichtete Substratkörper nach
dem Beschichten einer trockenen Strahlbehandlung unter Verwendung
eines körnigen
Strahlmittels unterzogen wird.
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Die
Erfindung betrifft ferner einen Schneideinsatz zum Zerspanen, der
aus einem Hartmetall-, Cermet- oder Keramiksubstratkörper mit
einer ein- oder mehrlagigen Beschichtung aus Carbiden, Nitriden,
Carbonitriden, Oxicarbonitriden und/oder Boriden der Elemente der
IVa bis VIa-Gruppe des Periodensystems, borhaltigen Hartstoffverbindungen
und/oder oxidischen Verbindungen des Aluminiums und/oder des Zirkoniums
besteht, die mittels eines PCVD- oder CVD-Verfahrens aufgetragen
worden sind.
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Hartmetalle
besitzen eine aus Cobalt und/oder Nickel bestehende Bindephase sowie
eine Hartstoffphase, die z. B. WC, TiC, TaC, NbC, VC und/oder Cr3C2 aufweisen kann.
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Demgegenüber unterscheiden
sich die Cermets durch einen starken Anteil einer TiCN-Phase, der
jedoch auch andere Carbide und/oder Nitride zugehören können. Bindemetalle
sind auch hier die Elemente der Eisengruppe, zumeist Co und/oder
Ni.
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Keramiken,
insbesondere für
Zerspanungszwecke bestehen meist aus Al2O3 und/oder ZrO2.
Je nach Zerspanungsoperation und zu bearbeitendem Werkstück kann
die Verschleißbeständigkeit
(Standzeit) durch ein- oder mehrlagige Beschichtungen der obengenannten
Zusammensetzung gesteigert werden. Die Beschichtung läßt sich
mittels eines physikalischen Aufdampfverfahrens (PVD) oder eines
chemischen Aufdampfverfahrens (CVD) auftragen, wobei das CVD-Verfahren
oder – in
einer Weiterentwicklung – das
sogenannte plasmaunterstützte
CVD-Verfahren (PCVD) den Vorteil einer gleichmäßigeren Ablagerung hat, die
die bei PVD-Verfahren auftretenden Schattierungseffekte vermeiden.
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Die
Mikrostruktur, die Eigenspannungen und die Haftfestigkeit von ein-
oder mehrlagigen Schichten ist stark von den jeweils angewandten
Beschichtungsverfahren und den verwendeten Beschichtungsparametern abhängig. In
der Vergangenheit gewonnene Erfahrungen zeigen, daß mittels
CVD abgeschiedene Beschichtungen im Regelfall Zugspannungen aufweisen,
während
durch PVD-Verfahren aufgetragene Beschichtungen Druckspannungen
besitzen. Zur Verbesserung der Bruchfestigkeit wird beispielsweise
in der
WO 92/05296 vorgeschlagen,
eine CVD-Schicht bzw. mehrere CVD-Schichten mit einer oder mehreren
durch PVD abgeschiedenen Schichten zu kombinieren, wobei als Material
für die
inneren, mittels CVD abgeschiedene Schicht, Nitride des Titans,
Hafniums und/oder Zirkoniums und für die mittels PVD abgeschiedene
Schicht Nitride und Carbonitride der genannten Metalle vorgeschlagen
werden. Eine solche Beschichtung muß jedoch nachteiligerweise
in unterschiedlichen Apparaturen durchgeführt werden, was arbeitsaufwendig
und kostspielig ist.
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In
der
DE 197 19 195
A1 wird daher vorgeschlagen, eine mehrlagige Beschichtung
durch einen ununterbrochenen CVD-Prozeß bei Temperaturen zwischen
900°C und
1100°C durch
jeweiligen Wechsel der Gaszusammensetzung abzuscheiden. Die äußere Schicht
(Deckschicht) besteht aus einer ein- oder mehrphasigen Schicht aus
Carbiden, Nitriden oder Carbonitriden auf Zr- oder Hf-Basis, die
mittels CVD aufgetragen worden ist und die innere Druckspannungen
aufweist und deren darunterliegende, ebenfalls mittels CVD aufgetragene
Schicht oder Schichten ausnahmslos innere Zugspannungen aufweisen,
wobei mindestens eine oder die einzige darunterliegende Schicht
aus TiN, TiC und/oder Ti(C,N) besteht. Die in den äußeren Schichten
oder der äußeren Schicht
gemessenen Druckspannungen liegen zwischen –500 und –2500 MPa (Druckspannungen
werden definitionsgemäß mit negativen
Werten im Gegensatz zu Zugspannungen, für die positive Werte angesetzt
werden, benannt).
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Nach
dem Stand der Technik ist es weiterhin bekannt, beschichtete Substratkörper nach
der Beschichtung einer Oberflächenbehandlung
zu unterziehen. Gängige
mechanische Behandlungsverfahren sind das Bürsten und die Strahlbehandlung,
bei der die verwendeten kugelförmigen
Strahlmittel mit Korngrößen von 300 μm bis 600 μm mittels
Preßluft
unter einem Druck von 2 × 105 Pa bis 4 × 105 Pa
auf die Oberfläche
gerichtet werden. Eine solche Oberflächenbehandlung erhöht die Druckeigenspannungen
der äußersten
Schicht durch eintretende Verfestigung geringfügig. Hiermit will man störenden Rißbildungen
und Ausbreitungen, Korrosion und Abplatzungsreaktionen entgegenwirken.
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In
der
DE 196 52 872
C2 wird ein Verfahren zur Steigerung der Randschichtfestigkeit
an Oberflächen von
aus sprödharten
Werkstoffen gefertigten Werkstücken
vorgeschlagen. Insbesondere soll das Verfahren für die Behandlung von Keramiken
geeignet sein. Dazu wird vorgeschlagen, dass die Werkstückoberfläche in eng begrenzten
Oberflächenbereichen
mit einem Werkzeug in Kontakt gebracht wird, das ohne Werkstoff
abzutragen den Oberflächenbereich
plastisch verformt und innerhalb des Werkstückes oberflächennahe Druckeigenspannungen
erzeugt. Bei der Anwendung des Verfahrens ist darauf zu achten,
dass gefährdete
Ecken und Kanten des Werkstückes,
die nicht behandelt werden sollen, durch Masken vor Beschädigungen
geschützt werden.
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Ein ähnliches
Verfahren wird in der
DE
40 41 103 A1 offenbart, bei dem Oberflächen von Bauteilen mittels
Kugelstrahlen behandelt werden sollen. Die diesem Verfahren zugrunde
liegende Aufgabenstellung besteht darin, eine Glättung von rauen oxidations-
und heißgaskorrosionsfesten
Beschichtungen zu ermöglichen, wobei
die Haftfähigkeit
der Beschichtung nicht vermindert wird und kein ungleichmäßiger Schichtabtrag
verursacht wird. Dazu wird vorgeschlagen, dass auf die Bauteiloberfläche zunächst eine
MCrAlY-Schicht als Oxidations- und Heißgaskorrosionsschicht aufgebracht
und anschließend
die Schichtoberfläche
mit Partikelstrahlen einer Strahlintensität von höchstens 0,15 mm Almen A, einem
Deckungsgrad von mindestens 400% und einem mittleren Strahlpartikeldurchmesser
von höchstens
0,5 mm kugelgestrahlt wird. Dieses Verfahren wird vorzugsweise für Schaufelblattoberflächen von
Hochdruckturbinenschaufeln angewandt, die eine MCrAlY-Beschichtung
aufweisen, wobei M in der Regel für mindestens eines der Elemente
Fe, Co oder Ni steht.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Rißanfälligkeit, Korrosionsbeständigkeit
und Verschleißbeständigkeit
von beschichteten Verbundwerkstoffen, insbesondere Schneidkörpern, durch
geeignete Maßnahmen
zu erhöhen
und einen verbesserten Schneideinsatz zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß besitzt
das Strahlmittel einen maximalen Durchmesser von 100 μm. Ferner
wird als Strahlmittel Schwermetallpulver oder hieraus hergestellte
Legierungen oder Hartmetallgranulate und/oder bruchfeste Keramik
verwendet. Überraschenderweise
führt die
Verwendung von derart feinkörnigen
Strahlmitteln, die trocken ohne Wasser oder sonstigen Flüssigkeitszusatz
verwendet werden, zu dem überraschenden
Ergebnis, daß die
Druckspannungen der äußeren Schicht
in weitaus stärkerem
Maße erhöht werden
bzw., sofern die äußere Schicht
innere Zugspannungen aufweist, die Zugspannungen mittels der trockenen
Strahlbehandlung deutlich minimiert werden können bis hin zur Umkehrung
in eine Druckspannung in der äußeren Schicht.
Je nach Dauer und Intensität
der Strahlbehandlung ändert
sich auch in gleichförmiger
Weise die innere Spannung der unter der Deckschicht liegenden Schichten
bis hin zur Beeinflussung der oberflächennahen Randzonen des Substratkörpers. Im
Idealfall kann somit ein Verbundkörper mit einer mehrlagigen
Beschichtung durch trockene mechanische Strahlbehandlung erzeugt
werden, dessen Schichten ausnahmslos innere Druckspannungen aufweisen,
wobei die Deckschicht eine intensive Verfestigung und damit erhöhte Verschleißbeständigkeit
erfahren hat. Die feinkörnigen
pulverartigen Strahlmittel sind auch im wesentlichen nicht, zumindest
aber deutlich weniger abrasiv als die bisher nach dem Stand der
Technik verwendeten groberen Körnungen.
Ein weiterer Vorteil dieser trockenen Strahlbehandlung liegt darin,
daß die
Schichtoberfläche
erheblich besser geglättet
wird als dies durch bisherige Strahlbehandlung oder Bürsten erreichbar
war. Die verwendeten Strahlmittel zeichnen sich durch eine große Bruchfestigkeit
aus, so daß ein
Zerspringen der Körner
zu scharfkantigen kleineren Körnern,
die dann die Verbundkörperoberfläche stärker beschädigen können, vermieden
wird.
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In
der
WO 99/23275 wird
zwar die Verwendung eines aus Al
2O
3-Partikeln mit einer Größe von 30 μm bestehenden Strahlmittels
vorgeschlagen, jedoch soll dies in Form einer Suspension als Naßstrahlmittel
angewendet werden, das unter einem Druck von 2 bis 6 bar (× 10
5 Pa), vorzugsweise 3 bar benutzt werden
soll. Die dort beschriebene Naßstrahlbehandlung
bezieht sich jedoch ausschließlich
auf die konkrete Schichtfolge mit einer unteren Al
2O
3-Schicht, auf der eine äußere Schicht aufgetragen worden
ist, die aus TiN oder einer Viellagenschicht aus TiN/TiC besteht.
Das zur Beschichtung verwendete CVD-Verfahren führt augenscheinlich zu (Zug-)Spannungen,
die mittels des Naßstrahlens
minimiert werden sollen. Das Naßstrahlen
mit einem Al
2O
3-Abrasionsmittel
dient jedoch primär
der Oberflächenglättung, wohingegen
die erzielbare Änderung
der inneren Spannungen gegenüber
einer Trockenstrahlbehandlung deutlich minimiert ist.
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Dies
wird auch daran deutlich, daß in
dieser Druckschrift die Befürchtung
ausgesprochen wird, daß eine
unmittelbar auf eine Al2O3-Schicht
abgeschiedene TiN-Schicht eine nur geringe Haftfestigkeit hat, weshalb
vorzugsweise eine Zwischenlage aus (Ti,Al)(C,O,N) bevorzugt werden
sollen.
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Entsprechendes
gilt auch für
das in der
EP 0 727
510 A2 beschriebene Naßstrahlbehandeln
einer Aluminiumoxid-Beschichtung. Das an der Oberfläche vorliegende
K-Aluminiumoxid soll abschließend
bei einer Temperatur von 900°C
bis 1100°C
für 0,3
bis 10 Stunden wärmebehandelt
werden, um das naßgestrahlte κ-Aluminiumoxid in α-Aluminiumoxid umzuwandeln.
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Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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So
weist das Strahlmittel zumindest im wesentlichen eine rundliche
Korngestalt auf, dessen Durchmesser vorzugsweise zwischen 5 bis
100 μm,
weiterhin vorzugsweise zwischen 10 bis 100 μm liegt. Bei jeweils größeren Körnungen
besteht die Gefahr einer stärkeren
Abrasion der aufgetragenen Deckschicht bis hin zu einem völlig unerwünschten
Abtragen dieser äußeren Deckschicht
sowie angrenzender darunterliegender Schichten. Bei kleineren Strahlmittel-Korngrößen reduziert
sich demgegenüber
die abrasive Wirksamkeit der trockenen Strahlmittelbehandlung erheblich.
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Nach
einer weiteren Erkenntnis der Erfindung wird das oder werden die
Strahlmittel mittels Preßluft unter
einem Druck von mindestens 5 × 105 Pa bis maximal 106 Pa,
vorzugsweise zwischen 6 × 105 Pa bis 7 × 105 Pa
auf den beschichteten Substratkörper
gerichtet. Die verwendeten Strahldrucke liegen damit erheblich über den üblicherweise
nach dem Stand der Technik (bei Verwendung eines grobkörnigeren
Strahlmittels) verwendeten Drucken.
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Grundsätzlich ist
es möglich,
daß Strahlmittel
unter beliebigen Winkeln auf die Verbundkörperoberfläche zu richten, jedoch erhöht sich
die Wirkung, wenn das Strahlmittel im wesentlichen senkrecht auf
die Verbundkörperoberfläche gerichtet
wird.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung wird die Strahlbehandlung so lange
durchgeführt,
bis auch die unter einer äußeren Schicht
oder einer äußersten
Schicht liegenden Bereiche bzw. Schichten, vorzugsweise bis in die
oberflächennahen
Zonen des Substratkörpers
hinein, eine Veränderung
der inneren Spannungen, d. h. entweder Erhöhung der Druckspannungen oder
Minimierung der Zugspannungen erfahren haben. Durch entsprechende
Wahl des Strahldruckes und Behandlungsdauer lassen sich somit gezielt
auch die inneren Spannungen der unter der Deckschicht liegenden
Schichten beeinflussen.
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Überraschenderweise
konnten mit einem Schneideinsatz gemäß Anspruch 6 erheblich verbesserte Standzeiten
beim Zerspanen erreicht werden. Erstmals ist es gelungen, in einer äußeren bzw. äußersten Schicht,
die mittels PCVD oder CVD aufgetragen worden ist, Druckeigenspannungen
zu erzeugen, die ≥ 4 GPa,
vorzugsweise 4,5 bis 10 GPa betragen. Solche Druckeigenspannungen
waren bisher allenfalls in PVD-Schichten, die nachbehandelt worden
sind, erreichbar.
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Der
Substratkörper
kann ein Hartmetall, ein Hartmetall mit einem Randzonengradienten,
ein Cermet oder eine Oxid- oder Nitridkeramik sein. Der Substratkörper wird
vorzugsweise mit einer Beschichtung aus Carbiden, Nitriden, Carbonitriden,
Oxicarbonitriden und/oder Boriden der Elemente der IVa bis VIa-Gruppe
des Periodensystems, borhaltigen Hartstoffverbindungen und/oder
oxidischen Verbindungen des Aluminiums und/oder Zirkoniums beschichtet.
Die Schichtdicke einer einzelnen Schicht liegt zwischen 0,1 μm und maximal 10 μm. Die Gesamtschichtdicke
einer mehrlagigen Beschichtung soll bevorzugt ≤ 20 μm betragen.
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Die
Druckeigenspannungen werden röntgenographisch
nach dem sin2ψ-Verfahren gemessen. Das Verfahren
wird beispielsweise in der Veröffentlichung
HTM43 (1988) 4, Seiten 208 bis 211, ”Röntgenographische Eigenspannungsmessungen
an texturbehafteten PVD-Schichten aus Titancarbid” von B.
Eigenmann, B. Scholtes und E. Macherauch.
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Die
erfindungsgemäß gemessenen
Eigenspannungswerte werden an mindestens einer Gitterebene erreicht.
Die vorgeschlagene Strahlbehandlung erfaßt zumindest den gesamten für die jeweiligen
Zerspanungsoperationen verwendeten Schneidenbereich eines Schneideinsatzes.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert:
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Beispiel 1
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Schneidkörper des
Typs CNMG 120412 mit Spanformrille für mittlere bis mittelschwere
Schnittbedingungen aus P 20 Hartmetall (WC/TaC/NbC/TiC/7,5% Co)
mit mischcarbidfreier Randzone und einer am Substrat beginnenden
CVD-Beschichtung TiN-TiCN(MT CVD)-Al
2O
3-ZrCN bei einer Gesamtschichtdicke von 18 μm wurden
nach der Beschichtung einer Trockenstrahlbehandlung nach dem Injektor-Gravitations-Strahlverfahren
mit Zirkonoxidkeramik-Granulat, druckverdüstem Stahlpulver und gesintertem
Hartmetallsprühgranulat unterworfen,
die Eigenspannungen nach dem sin
2ψ-Verfahren
röntgendiffraktometrisch
an jeweils mindestens zwei Gitterebenen bestimmt (die darauf gebildeten
Mittelwerte sind in der Tabelle 1 angegeben) und im Drehtest mit
stark unterbrochenen Schnitt (Leistendrehtest) auf rostfreiem martensitischem
Stahl auf Schneidhaltigkeit geprüft
(v = 150 m/min, a
p = 2,0 mm, f = 0,35 mm/U):
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Beispiel 2
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Zur
Verbesserung des Glätteffektes
wurde für
die Stahlbehandlung mit Hartmetallgranulat gemäß obenstehender Tabelle ca.
5% Gußhartmetallsplitt
in der Körnung
50–100 μm als abrasiv
wirkende Komponente zugemischt. Unter den gleichen Bedingungen,
wie sie für
Hartmetallgranulat oben beschrieben sind, vermindert sich die Rauhtiefe
um ca. 1/3. Die Änderung
der Eigenspannungen bleibt davon unbeeinflußt.
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Beispiel 3
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Schneidkörper des
Typs SEKN 1203 AF.N mit umlaufender Spanflächenfase (15°/0,2 mm)
aus K 20 Hartmetall (WC/6,2% Co) mit einer am Substrat beginnenden
CVD-Beschichtung TiN-TiCN(MT CVD)-Al
2O
3-TiN mit einer Gesamtschichtdicke von 11 μm wurden
nach der Beschichtung einer Trockenstrahlbehandlung nach dem Injektor-Gravitations-Strahlverfahren
mit Stahlkies, Hartmetallgranulat und Wolframmetallpulver unterworfen,
wie in Beispiel 1 beschrieben, Eigenspannungen bestimmt und im Einzahn-Frästest (Planfräsen) auf
Kugelgraphitguss GGG60 auf Schneidhaltigkeit geprüft (v =
250 m/min, a
p = 2,0 mm, f
z =
0,25 mm/Zahn, v
f = 200 mm/min) (siehe Tabelle
2):
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Die
vorstehenden Tabellen zeigen, daß eine Trockenstrahlbehandlung
erhebliche Standzeitverbesserungen der Schneidkörper bewirkt. Die besten Ergebnisse
konnten mit druckverdüstem
Stahlpulver, Hartmetallgranulat und Wolframpulver erreicht werden.