DE2736982A1 - Verschleisschutzschicht fuer formteile und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents
Verschleisschutzschicht fuer formteile und verfahren zu ihrer herstellungInfo
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Description
- Verschleißschutzschicht für Formteile und Verfahren
- zu ihrer Herstellung Die Erfindung bezieht sich auf Verschleißschutzschich ten für Formteile, insbesondere für Werkzeuge, die aus einem Formkörper vorzugsweise aus Hartmetall und einer oder mehreren Oberflächenschichten bestehen.
- Bekannt sind Keramikformkörper, die aus einer keramik schen Matrix und mindestens einer darin dispergierenden Phase aus keramischem Einlagerungsmaterial bestehen, das bei der Brenntemperatur des Keramikformkörpers und bei Raumtemperatur in verschiedenen enantiotripen festen Modifikationen vorliegt, und deren Dichten deutlich verschieden sind. Als Einlagerungsmaterial verwendet man dabei feinste Teilchen aus Zirkoniumdioxid (ZrO2), das während der Abkühlung von Temperaturen oberhalb etwa 120000 eine kristallgitterumwandlung erfährt, die mit einer plötzlichen Ausdehnung verbunden ist. Infolge der verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von keramischer Matrix und Einlagerungsmaterial entstehen bei Abkühlung von 140000 bis 150000 auf niedrigere Temperaturen hohe Zugspannungen, die zur Bildung der die Bruchzähigkeit von Formkörpern erhöhenden Nikrorissen führend von denen die Formkörper durchsetzt sind.
- Bei Belastung des Formkörpers wirken diese Mikrorisse energieabsorbierend.
- Die Anforderungen an Werkzeuge sind ebenso mannigfaltig wie ihr Verwendungszweck. Im allgemeinen wird von ihnen hohe Härte und Verschleißfestigkeit verlangt, bei zer spanenden Werkzeugen außerdem Schneidfähigkeit und Schneidhaltigkeit, auch bei den durch erhöhte Schnitte~ schwindigkeit erhöhten Temperaturen, bei umformenden Werkzeugen Zähigkeit und Schlagunempfindlichkeit, bei Warmarbeitswerkzeugen rmfestigkeit und Beständigkeit gegen häufige Temperaturwechsel. Diese Forderungen lassen sich dann am besten erfüllen, wenn der Werkstoff einen Hartmetallkern aus einer zähen Material~ sorte besitzt, die mit einer Schutzschicht aus einer verschleißfesten Materialsorte überzogen ist.
- Als Stoffe für die Schutzschicht boten sich bisher vor allem Titancarbid (TiC) und Titannitrid (TiN) an.
- Weiterhin sind Doppelbeschichtungen bekannt, die teilweise auch mit einer Zwischenschicht aus einem Metall der fünften oder sechsten Nebengruppe des Perioden~ systems und einer oberen Carbidschicht versehen werden.
- Diese Zwisdenschichten sollen teils als Diffusionshemmer, tdls als Ausgleichsschicht für die verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Grundmaterials und der oberen Schicht wirken. Ein besonderes Problem dabei ist, daß bei Verwendung verschiedener Hartmetall~ sorten zwischen dem Kern und der Oberfläche Spannungen auftreten, die nur dadurch reduziert werden können* daß man die verschleißfeste Oberflächenschicht sehr dünn macht (5 bis 10 X m)m). In den DTOS 2 253 745 und 2 525 185 werden verschleißfeste Schichten beschrieben, deren äußere aus Aluminiumoxid und/oder Zirkonoxid und deren innere Schicht aus einem oder mehreren Car biden und/oder Nitriden bzw. Boriden besteht. Die äußeren Oxidschichten sind jedoch sehr spröde; sie besitzen nur eine begrenzte Bruchzähigkeit.
- Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verschleißhemmende, korosionsbeständige Oberflächenschicht extrem hoher Härte und hoher Bruchzähigkeit zu finden, die in ein facher Weise aufgetragen werden kanne und die großen Zähigkeitsbeanspruchungen standhält, schlagunempfindo lich ist sowie als Schicht auf zerspanenden Werkzeugen bei höheren Temperaturen Schneidfähigkeit und Schneidhaltigkeit besitzt.
- Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Formkörper von mindestens einer Schutzschicht aus einer keramischen Matrix überzogen wird, in die ein weiteres Material ein~ gelagert istt das einen deutlich verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt. Diese Schicht ist von feinsten Mikrorissen durchzogen.
- Besonders vorteilhaft ist es, wenn das keramische Ein~ lagerungsmaterial einen kleineren Ausdehnungskoeffizienten besitzt als die keramische Matrix. In weiterer Xusgestaltun der Erfindung ist vorgesehen, als Einla gerungsmaterial unstabilisertes und/oder teilstabilisiertes Zirkoniumoxid (ZrO2) und als Material für die keramische Matrix Aluminiumoxid (Al2O3) zu verwenden, Ein vorteilhafter Zirkoniumoxid-Gehalt ist 8 bis 25 Vol.-'. Die Oberflächenschutzschichten werden vorteilhafi.
- terweise nach dem sogenannten CVD-Verfahren oder dem sogenannten PVDVerfahren aufgetragen. Danach kann man gegebenenfalls den Formkörper einer thermischen Endbehandlung unterziehen, bei der sie auf die Temperatur gebracht werden, bei der sich die Phasenumwandlung des Einlagerungsmaterials vollzieht. Dadurch, daß Mikrorisse entstehen, wird vorteilhafterweise erreicht, daß die der Oberflächen~ schutzschicht von außen zugeführte Energie durch unterkritisches Wachstum der Mikrorisse absorbiert wird, ohne daß eine Schädigung eintritt. Die erfindungsgemäusen Oberflächenschutzschichten besitzen gegenüber gattungsgleich bekannten Schichten eine erhöhte Bruchzähigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit und Schlag~ unempfindlichkeit und gleichzeitig eine hohe mechanische Festigkeit.
- Dadurch, daß das keramische Einlagerungsiaterial einen kleineren Ausdehnungskoeffizienten besitzt als die keramische Matrix, wird erreicht, daß die in dem Forn>0 körper beim Abkühlen durch die mit einer Volumenänderung verbundene Phasenumwandlung des Einlagerungsmate rials hervorgerufenen Spannungen, die zur Bildung fein~ ster Mikrorisse führen, noch durch zusätzliche Span~ nungen verstärkt werden, die durch die Differenz der Ausdehnungskoeffizienten von Einlagerungsmaterial und keramischer Matrix entstehen. Die Verwendung von Zirr koniumoxid ist deshalb besonders vorteilhaft, weil der Dichteunterschied zwischen der oberhalb der Umwandlungs temperatur von etwa 1100°C beständigen tetragonalen und der unterhalb von etwa 1100°C beständigen monoklinen Modifikation besonders groß ist, die Phasenumwandlung also mit einer besonders großen Volumenänderung verbund den ist. Die Verwendung von Aluminiumoxid in Verbindung mit Zirkoniumoxid ist deshalb besonders geeignet, da die~ se Materialien unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten besitzen, die zur Erzeugung extrem feiner Mikrorisse führen. Damit erhöht sich überraschenderweise die Bruch~ zähigkeit der Oberflächenschicht. Mit zunehmendem Volu menanteil des Zirkoniumoxids steigt gleichzeitig die Mikrorissdichte und damit die Zähigkeit der Aluminiumoxid~ keramik bis zum Maximum bei etwa 15 Vol.-0 Höhere Zirkoniumoxid-Gehalte ergeben eine höhere Mikroriss dichte und damit eine zunächst konstant bleibende Zähigkeit und Festigkeit, die bei weiterer Erhöhung des Zirkoniumgehalts über 25 Vol, jedoch stark abfällt. Je nach Anforderung kann man also Oberflächen~ schichten mit bdiebiger Zähigkeit schaffen. Weiterhin wurde gefunden, daß außer unstabilisiertem und/oder teilstabilisiertem Zirkoniumoxid zur Erzeugung sehr kleiner und gleichmäßig verteilter Mikrorisse ferner noch die engt~ sprechenden Oxide der Elemente der vierten Nebengruppe geeignet sind.
- Die gegebenenfalls durchzuführende thermische Endbehandlung der vorzugsweise nach dem PVD (physical vapor deposition) oder CVVerfahren (chemical vapor deposition) aufgetragenen Oberflächenschichten garantiert, daß sich die Phasenumwandlung des Einlagerungsmaterials auch voll~ zogen hat und somit die vorbestimmte Mikrorissdichte wirklich erreicht ist.
- Im folgenden wird die Herstellung des Erfindungsgegenstandes anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
- Beim CVD-Verfahren läßt man eine oder mehrere dampf-oder gasförmige Substanzen bei hohen Temperaturen chemisch so reagieren, daß sich auf der Oberfläche des Substrates Feststoffe in Form einer festhaftenden Schicht niederschlagen. Da diese chemischen Reaktionen in hohem Maße von oberflächenphysikalischen bzw.
- ~chemischen Vorgängen bestimmt werden, werden nur Ausgangssubstanzen hoher Reinheit verwendet. Eine Übersicht über die chemischen Reaktionen nach dem die Bildung der keramischen Matrix und des Einlagerungs materials erfolgt, ist wie folgt wiedergegeben: Diese Reaktionen werden unter Wasserstoff bei Temperaturen von etwa 11000C und bei Normaldruck oder Unterdruck durchgeführt. Da das Volumen der gasfbrmigen Kornponente auf der Seite der Roaktionaprodukte,gröXer ist als auf der Seite der Ausgangsstoffe, werden die Reaktionen im Sinne des Prinzips vom kleinsten Zwang durch Druckerniedrigung thermodynamisch begünstigt.
- Während gemäß Gleichung (ia) das Al2O3 unter Mitwirkung des Wassergasgleichgewichtes erzeugt wird, wird entsprechend Gleichung (1b) das Wasser direkt dampfförmig zugeführt. Bei der letztgenannten Arbeitsweise sind für die Zuführung der einzelnen Reaktionspartner (Wasser und Aluminiumhalogenid) getrennte Zuleitungen notwendig um vorzeitige Hydrolyse des AlHal3 möglichst zu vetmeio den.
- Die gleichzeitige Einlagerung von Zirkonoxid in die keramische Matrix erfolgt nach der Reaktionsgleichung (2). Das über die Reaktion (ib) Gesagte gilt entsprechend auch für die Reaktion (2) Beim PVD-Verfahren werden die Materialien vorzugsweise mit Hilfe einer Elektronenstrahlquelle auf den Formkörper aufgegeben, der auf erhöhte Temperatur gebracht werden kann. Zirkon und Aluminium werden in einem der endgültigen Zusammensetzung der jeweiligen Oberflächenschicht entsprechenden Verhältnis verdampft. In Gegenwart von Sauerstoff wird auf diese Weise der Formkörper mit Oxiden der genannten Elemente beschichtet.
Claims (8)
- A n s p r ü c h e 1 Verschleißschutzschicht für Formteiles insbesondere Werkzeuge, bestehend aus einem Formkörper vorzugsweise aus Hartmetall, und einer oder mehreren Ober, flächenschichten, dadurch gekennzeichnet1 daß mindestens eine Schutzschicht aus einer keramischen Matrix besteht, in die ein weiteres Material eingelagert ist, daß die keramische Matrix und das eingelagerte Material eindeutig voneinander verschiedene thermische Ausdehnungskoeffizienten besitzen, und daß diese Schicht von feinsten Mikrorissen durch~ zogen ist.
- 2. Verschleißschutzschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient des Einlagerungsmaterials kleiner ist als der der keramischen Matrix.
- 3. Verschleißschutzschicht nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch eine keramische Matrix aus Al2030
- 4. Verschleißschutzschicht nach Anspruch 1 dadurch ge kennzeichnet, daß das Einlagerungsmaterial aus unstabilisiertem und/oder teilstabilisertem ZrO2 besteht.
- 5. Yerschleißschuzschicht nach Anspruch 1* gekennzeichnet durch ein ZrO2-Gehalt von 8 bis 25 Yol.%.
- 6. Verfahren zur Herstellung einer Schutzschicht nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem CVD«Verfahren kontinuierlich und/oder alternativ Keramikschichten mit ZrO2 als Rißbild ner" aufgebracht werden.
- 7. Verfahren zur Herstellung von Verschleißschutz~ schichten nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß eine keramische Matrix und der Rißbildner nach dem PVIL.Verfahren aufgebracht werden.
- 8. Verfahren zur Herstellung von Verschleißschutz~ schichten nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das verschleißfeste Formteil nach dem Aufbringen der Oberflächenschichten auf die Temperatur gebracht wird, bei der sich die Phasenumwandlung des Rißbildners vollzieht.
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