DE19719195A1 - Schneideinsatz zum Zerspanen und Verfahren zur Herstellung dieses Schneideinsatzes - Google Patents
Schneideinsatz zum Zerspanen und Verfahren zur Herstellung dieses SchneideinsatzesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Schneideinsatz zum Zerspanen,
bestehend aus einem Hartmetall-, Cermet- oder Keramik-Substrat
körper mit einer mehrlagigen Beschichtung.
Mit Hartstoff, ggf. auch mehrlagig beschichtete Substratkörper
sind nach dem Stand der Technik bekannt. Die Hartstoffbeschich
tung soll im Regelfall dazu dienen, eine verschleißbeständige
Oberflächenschicht zu schaffen, die mit zähen, mechanisch hoch
belasteten Substratkörpern kombiniert wird. Nach dem Stand der
Technik werden zur Beschichtung zwei verschiedene Verfahren
verwendet, nämlich die sogenannte Chemical Vapour Deposition
(CVD) oder die Physical Vapour Deposition (PVD) angewendet.
Übliche Schutzschichten bestehen beispielsweise aus TiC, TiN
und/oder Aluminiumoxid. Es sind auch bereits Mehrlagenbeschich
tungen mit der Schichtfolge TiN, Ti(C,N), Ti(C,N), TiN auf
einem Substratkörper mit beliebigem C : N-Mischungsverhältnissen
vorgeschlagen worden.
Aus der DE 195 30 517 A1 sind auch Metallcarbonitrid-Hartstoff
schichten auf einem Substratkörper bekannt, bei denen das
Metall der Metallcarbonitridschicht zwei oder mehrere Elemente
der Gruppe Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo und W enthält. Die
Schicht wird durch CVD, insbesondere in Form einer quaternären
Schicht aus (Ti,Zr)(C,N) beschrieben. Als spezielles Ausfüh
rungsbeispiel für eine Wendeschneidplatte wurde eine Beschich
tung aus einer ca. 1 µm dicken TiN-Schicht, einer 8 µm dicken
Schicht aus einem (Ti,Zr)(C,N) und einer letzten, zwischen 1
bis 5 µm dicken Al2O3-Schicht auf einem Hartmetall-Substratkör
per abgeschieden.
Die bereits erwähnten PVD-Beschichtungen, die bereits ab ca.
400°C hergestellt werden können, werden zumeist bei temperatur
empfindlichen Substratkörpern verwendet, insbesondere zur
Beschichtung von Schnellarbeitsstählen, die während der
Beschichtung nicht temperaturbelastet werden sollen.
Den inhaltsgleichen Druckschriften WO 92/05296 oder
US 5 143 488 ist darüber hinaus zu entnehmen, daß durch
CVD-Verfahren abgeschiedene TiN-Beschichtungen Zugspannungen auf
weisen, während durch PVD-Verfahren aufgetragene TiN-Beschich
tungen Druckspannungen aufweisen, die nicht wie Zugspannungen
zu Rissen führen. Zur Verbesserung der Bruchfestigkeit wird
daher in diesen Druckschriften vorgeschlagen, eine oder mehrere
CVD-Schicht bzw. -Schichten mit einer oder mehreren durch PVD
abgeschiedenen Schichten zu kombinieren. Als Material für die
innere, mittels CVD-abgeschiedene Schicht werden Nitride des
Titans, Hafniums und/oder Zirkoniums und für die mittels
PVD-abgeschiedene Schicht Nitride und Carbonitride der genannten
Metalle vorgeschlagen. Verfahrenstechnisch besteht der Nach
teil, daß aufeinanderfolgend zwei relativ aufwendige unter
schiedliche Beschichtungen (CVD, PVD) in unterschiedlichen
Apparaturen durchgeführt werden müssen. Darüber hinaus hat sich
herausgestellt, daß die mehrlagige Beschichtung aus mittels
CVD-abgeschiedenen inneren Schichten und mindestens einer äuße
ren mittels PVD-abgeschiedenen Schicht bei größeren Schicht
dicken zum Abplatzen neigen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorgenann
ten Nachteile zu vermeiden. Der Schneideinsatz soll bis hin zu
relativ großen Schichtdicken eine hohe Bruchzähigkeit
(Biegebruchfestigkeit) aufweisen. Das zu seiner Herstellung
benötigte Verfahren soll mit möglichst geringem apparativen
Aufwand kostengünstig durchführbar sein.
Diese Aufgabe wird durch einen Schneideinsatz nach Anspruch 1
gelöst.
Die mehrlagige Beschichtung auf einem Hartmetall-, Cermet- oder
Keramik-Substratkörper besitzt eine äußere Schicht
(Deckschicht), die aus einer ein- oder mehrphasigen Schicht aus
Carbiden, Nitriden oder Carbonitriden auf Zirkonium- oder Haf
nium-Basis besteht und die innere Druckspannungen aufweist. Die
darunterliegende Schicht oder Schichten weisen ausnahmslos
innere Zugspannungen auf, wobei mindestens eine oder die ein
zige darunterliegende Schicht aus Titannitrid, Titancarbid
und/oder Titancarbonitrid besteht. Alle Schichten sind mittels
CVD aufgetragen, wobei auch solche Ausführungsformen umfaßt
sich, bei denen die Deckschicht aus mehreren einzelnen Lagen
gleicher oder unterschiedlicher Materialzusammensetzung beste
hen kann. Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist, daß die
Deckschicht jeweils als Carbid, Nitrid oder Carbonitrid gebun
denes Zirkonium oder Hafnium enthält und mit einer darunterlie
genden Schicht aus einem Titancarbid, -nitrid und/oder
-carbonitrid kombiniert wird. Bevorzugt liegen die Druckspan
nungen zwischen -500 bis -2500 MPa (Druckspannungen werden
definitionsgemäß mit negativen Werten im Gegensatz zu Zugspan
nungen, für die positive Werte angesetzt werden, benannt).
Insbesondere kann als einphasige Deckschicht ein Carbid, Nitrid
oder Carbonitrid des Zirkoniums oder Hafniums gewählt werden.
Alternativ hierzu sind jedoch auch einphasige Deckschichten aus
einem Carbid, Nitrid oder Carbonitrid der Form (M1, M2)(CxN1-x)
mit M1 = Zr oder Hf und M2 = Ti, Hf, Nb besteht, wobei
0 ≦ x ≦ 1 ist. Im letzteren Fall spricht man auch von sogenann
ten quaternären Multimetall-Carbonitriden.
Eine bevorzugte zweiphasige äußere Schicht besteht aus einem
Carbid, Nitrid oder Carbonitrid des Zirkoniums oder Hafniums
und ZrO2.ZrO2 kann in monokliner, tetragonaler und/oder kubi
scher Modifikation vorliegen. Insbesondere kann die äußere
Schicht eine Zusammensetzung der Form Me(CxN1-x) mit Me = Zr
oder Hf und 0,3 ≦ x ≦ 7 enthalten. Ist die Deckschicht eine
einphasige Schicht, so unterscheidet sie sich von der zweipha
sigen Schicht dadurch, daß sie eine einheitliche Struktur und
Gitterkonstante aufweist, was insbesondere tertiäre und quater
näre Carbide,
Nitride oder Carbonitride einschließt, bei denen Zirkonium oder
Hafnium allein oder insgesamt zu mindestens 50 Atom-% vorhanden
sein müssen. Die betreffenden Metallatome verteilen sich dann
statistisch auf einem Untergitter, während deren Metalloide
Kohlenstoff und Stickstoff ebenfalls ungeordnet auf dem anderen
Untergitter verteilt sind.
Bei einer zweiphasigen Schicht, die insbesondere aus einem Car
bid, Nitrid oder Carbonitrid des Zirkoniums oder Hafniums
besteht und zusätzlich ZrO2 aufweist, bestehen nebeneinander
zwei hinsichtlich der Kristallstruktur und des Gitters unter
schiedliche Phasen. Die zweite Phase ZrO2 liegt vorzugsweise
mit einem relativen Anteil zwischen 15 und 60 Massen% vor.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann zusätzlich
zwischen der Deckschicht und mindestens einer substratkörperna
hen Schicht eine der unteren Lagen aus Al2O3 bestehen.
Bevorzugte Dicken der Deckschicht liegen zwischen 2 µm und
maximal 10 µm, wobei weiterhin vorzugsweise die Gesamtdicke der
aus der inneren, unter Zugspannung stehenden, und der äußeren,
unter Druckspannung stehenden Schichten zwischen 5 und 25 µm,
insbesondere zwischen 10 und 20 µm liegt.
Bevorzugt wird eine erste auf dem Substratkörper abgeschiedene
TiN-Schicht mit einer Dicke bis 2 µm und eine oder mehrere
TiCN-Schichten bis 5 µm, worauf eine bis 5 µm dicke einphasige
oder zweiphasige Deckschicht abgeschieden worden ist.
Zur Herstellung eines Schneideinsatzes der vorgenannten Art
wird die Beschichtung durch einen ununterbrochenen CVD-Prozeß
bei Temperaturen zwischen 900°C und 1100°C durch jeweilige
Wechsel der Gaszusammensetzungen aufgetragen.
Die Druckspannung einer äußeren Schicht aus einem einphasigen
Multimetall-Carbonitrid läßt sich insbesondere dadurch stei
gern, daß nach der CVD-Abscheidung eine Wärmebehandlung einer
höherer Temperatur als derjenigen Substratkörpertemperatur bei
der letzten Abscheidung anschließt. Die betreffenden Temperatu
ren liegen zwischen 950°C und unterhalb der eutektischen Tempe
ratur des Substratkörperwerkstoffes. Die Wärmebehandlung dauert
mindestens 15 Minuten, so daß eine spinodale Entmischung in
eine titanreiche und eine zirkonreiche Phase stattfindet.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispie
len näher erläutert.
Vorzugsweise wird die Beschichtung nach Abschluß des CVD-Pro
zesses einer zusätzlichen, die Oberfläche glättenden mechani
schen Behandlung durch schmirgelnde Bürsten oder durch trocke
nes oder nasses Strahlen mit feinem Strahlmittel, vorzugsweise
Glaskugeln oder Korund unterworfen.
In CVD-Versuchen wurden verschiedene, in der Tabelle 1 zusam
mengestellte Beschichtungen auf Wendeschneidplatten aus einem
Hartmetall aufgebracht. An diesen Beschichtungen wurden durch
eine Meßmethode mit Röntgenstrahlen (sogenannte sin2ψ-Methode)
die Spannungen in der an die Oberfläche grenzenden Schicht
gemessen. Zum Vergleich sind in Tabelle 1 auch Meßwerte von
durch PVD hergestellte TiN- und TiC-Schichten (siehe Bei
spiele 1 und 2) aufgeführt. Diese durch PVD abgeschiedenen
Schichten wiesen die nach dem Stand der Technik bekannten hohen
Druckeigenspannungen auf, während die mittels CVD abgeschiede
nen TiN-, TiC- und Ti(C,N)-Schichten gemäß Beispielen 3 bis 5
unterschiedlich große Zugspannungen aufweisen, was ebenfalls
nach dem Stand der Technik bekannt ist. Demgegenüber sind in
Beispielen 6 bis 8 erfindungsgemäße Beschichtungen aufgeführt,
nämlich jeweils eine innere Schicht aus Ti(C,N) und eine Deck
schicht aus Zr(C0,49N0,51) (Beispiel 6), eine zweiphasige
Schicht aus Zr(C0,5N0,5)/ZrO2 (Beispiel 7) und eine Deckschicht
aus Hf(C0,5N0,5).
Eigenschaften von Hartstoffschichten, wobei mit positiven Vor
zeichen Zugspannungen und negativen Vorzeichen Druckspannungen
angegeben werden:
Tabelle 1
Zum Nachweis der verbesserten Zähigkeit der erfindungsgemäßen
beschichteten Hartmetallkörper wurden Probekörper nach der Norm
DIN ISO 3327 aus einer Hartmetallegierung (83,5 Massen% WC,
11 Massen% (Ti, Ta, Nb)C, 5,5 Massen% Co) hergestellt. Die Probe
körper mit den Abmessungen L×H×B = 20×5,25×6,5 mm dien
ten zur Bestimmung der Biegebruchfestigkeit. Ein Teil der Pro
bekörper wurde in bekannter Weise durch CVD bei 1010°C mit
einer Schicht aus Ti(C0,5N0,5) beschichtet. In einem anderen
CVD-Prozeß wurde ein weiteres Los der Probekörper mit einer
zweilagigen Schicht aus 8 µm Ti(C0,5N0,5) und 3 µm Zr(C0,5N0,5)
versehen. Nach der Bestimmung der Schichtdicken wurden jeweils
11 Probekörper aus statistischen Gründen bis zum Bruch bela
stet. Die Ergebnisse sind in einer Weibull-Statistik in Fig. 1
dargestellt. Die Biegefestigkeit 1 der unbeschichteten Prüf
körper beträgt 2095 ± 150 N/mm2. Durch eine ca. 8 µm dicke
Beschichtung aus Ti(C0,5N0,5) wird die Biegefestigkeit 2 der
Prüfkörper auf 1332 ± 34 N/mm2 herabgesetzt. Dieser Effekt ist
in der Literatur mehrfach beschrieben worden, beispielsweise in
der US 5 143 488. Er ist um so größer, je dicker die Schicht
ist.
Gleichfalls Fig. 1 ist die Biegefestigkeit 3 einer erfindungs
gemäßen Beschichtung aus 8 µm Ti(C0,5N0,5) und 3 µm
Zr(C0,5N0,5) dargestellt. In diesem Fall ist der Mittelwert der
Biegefestigkeit 2021 ± 194 N/mm2 nur wenig geringer als bei den
unbeschichteten Proben. Dies bedeutet, daß die Bruchzähigkeit
des erfindungsgemäß beschichteten Verbundkörpers praktisch
vollständig erhalten bleibt.
Weiterhin wurden Wendeschneidplatten des Typs CNMG120412-5 aus
einer Hartmetallegierung mit der Zusammensetzung 83,5 Massen%
WC, 11 Massen% (Ti, Ta, Nb)C, 5,5 Massen% Co hergestellt und mit
den mit den in Tabelle 1 spezifizierten Schichtfolgen (5)
und (6) durch CVD-Prozesse beschichtet. Mit diesen Schneidein
sätzen wurden Zerspanungsversuche durchgeführt. Das Zähigkeits
verhalten wurde in einem Bolzendrehtest nach Brechbühl unter
sucht. Hierbei handelt es sich um ein stirnseitiges Plandrehen
von vier parallel zur Drehachse angeordneten Rundstäben von
40 mm Durchmesser aus dem Stahl C45N (570 N/mm2). Pro Umdrehung
wird die Schneidecke mit vier Einschnitten in den Werkstoff
belastet. Nach jeweils drei Überläufen wird der Vorschub f
systematisch erhöht. Weitere Schnittparameter sind Schnittge
schwindigkeit vc = 250 m/min und Schnittiefe ap = 2 mm. Dieser
Test stellt ganz besondere Anforderungen an die Bruchzähigkeit
des Verbundkörpers aus Hartmetall und Beschichtung. Die Ergeb
nisse dieses Tests sind in Tabelle 2 zusammengestellt.
Zahl der Überläufe beim Zähigkeitstest nach Brechbühl
Zahl der Überläufe beim Zähigkeitstest nach Brechbühl
Die Wendeschneidplatte mit der Beschichtung (5) nach dem Stand
der Technik versagte wegen Bruch der Schneide bei einem Vor
schub von f = 0,40 mm/U nach 16 Überläufen. Die Wendeschneid
platte mit der erfindungsgemäßen Beschichtung (6) erreichte 34
Überläufe bei der Planung der Stirnflächen.
Claims (13)
1. Schneideinsatz zum Zerspanen, bestehend aus einem Hart
metall-, Cermet- oder Keramik-Substratkörper mit einer
mehrlagigen Beschichtung, deren äußere Schicht (Deck
schicht) aus einer ein- oder mehrphasigen Schicht aus
Carbiden, Nitriden oder Carbonitriden auf Zr- oder
Hf-Basis besteht, die mittels CVD aufgetragen worden ist
und die innere Druckspannungen aufweist und deren darun
terliegende, ebenfalls mittels CVD aufgetragene
Schicht(en) ausnahmslos innere Zugspannungen aufweist/
aufweisen, wobei mindestens eine oder die einzige darun
terliegende Schicht aus TiN, TiC und/oder Ti(C,N) besteht.
2. Schneideinsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die äußere Schicht einphasig ist und aus einem Carbid,
Nitrid oder Carbonitrid des Zr oder Hf oder aus einem Car
bid, Nitrid oder Carbonitrid der Form (M1, M2)(CxN1-x) mit
M1 = Zr oder Hf und M2 = Ti, Hf, Nb besteht und 0 ≦ x ≦ 1
ist.
3. Schneideinsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die äußere Schicht zweiphasig ist und aus einem Car
bid, Nitrid oder Carbonitrid des Zr oder Hf und ZrO2
besteht.
4. Schneideinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß eine zwischen der Deckschicht und min
destens einer substratkörpernahen Schicht liegende Schicht
aus Al2O3 besteht.
5. Schneideinsatz nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Schicht eine Zusam
mensetzung Me(CxN1-x) mit Me = Zr oder Hf und
0,3 ≦ x ≦ 7 enthält.
6. Schneideinsatz nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß die äußere Schicht zusätzlich als zweite
Phase ZrO2 mit einem relativen Anteil zwischen 15 und
60 Massen% enthält.
7. Schneideinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Deckschicht eine Dicke von minde
stens 2 µm und maximal 10 µm aufweist.
8. Schneideinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Gesamtdicke der aus inneren, unter
Zugspannung stehenden und der aus äußeren, unter Druck
spannung stehenden Schicht(en) zwischen 5 und 25 µm, vor
zugsweise zwischen 10 und 20 µm, liegt.
9. Schneideinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekenn
zeichnet durch eine auf dem Substratkörper abgeschiedene
Schichtfolge TiN mit einer Dicke bis 2 µm, TiCN mit einer
Dicke bis 5 µm und der bis 5 µm dicken einphasigen oder
zweiphasigen Deckschicht.
10. Verfahren zur Herstellung eines Schneideinsatzes nach
einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die Beschichtung durch einen ununterbrochenen CVD-Prozeß
bei Temperaturen zwischen 900°C und 1100°C durch jeweilige
Wechsel der Gaszusammensetzungen aufgetragen wird.
11. Verfahren zur Herstellung eines Schneideinsatzes mit einer
äußeren Schicht aus einem einphasigen Multimetall-Carboni
trid, dadurch gekennzeichnet, daß nach Abscheidung der
äußeren Schicht diese Schicht durch eine Wärmebehandlung
oberhalb der letzten CVD-Abscheidetemperatur und unterhalb
der eutektischen Temperatur des Substratkörpers über
mindestens 15 Minuten ausgesetzt wird, wodurch eine
spinodale Entmischung entsteht.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
die Wärmebehandlung zwischen 1000°C und 1200°C, vorzugs
weise in einer Schutzgasatmosphäre erfolgt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß die Beschichtung (Deckschicht) nach
Abschluß des CVD-Prozesses einer zusätzlichen, die Ober
fläche glättenden mechanischen Behandlung durch schmir
gelnde Bürsten oder durch trockenes oder nasses Strahlen
mit feinem Strahlmittel, vorzugsweise aus Glaskugeln oder
Korund, unterworfen wird.
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