AT406167B

AT406167B - Beschichteter verschleisskörper

Info

Publication number: AT406167B
Application number: AT61597A
Authority: AT
Original assignee: Dresden Ev Inst Festkoerper
Priority date: 1996-04-19
Filing date: 1997-04-10
Publication date: 2000-03-27
Also published as: ATA61597A; DE19615534C1

Description


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   Die Erfindung bezeiht sich auf das Gebiet des Verschleissschutzes von Werkzeugen und Verschleissteilen und betrifft einen beschichteten Verschleisskörper aus Stahl, Hartmetall, Cermet oder Keramik mit einer einphasigen, kristallinen (Ti,AI)N-Schicht. Besonders zweckmässig ist die Anwendung der Erfindung bei Schneidwerkzeugen für die spannende Formgebung, wie beispielsweise bei Wendeschneidplatten und bei Wendel- und Gewindebohrern Ein weiteres Anwendungsgebiet ist der Verschleissschutz von Umformwerkzeugen. 



   Es ist bekannt, Werkzeuge und andere verschleissbeanspruchte Teile durch dünne einlagige, mehrlagige oder Kompositschichten auf der Basis von Hartstoffen, wie TiNx, TiCx, TiCxNy,   AI203   und anderen gegen Verschleiss zu schützen. Die Schichten werden nach dem Stand der Technik durch thermochemische Gasphasenabscheidung (CVD), plasmaaktivierte Gasphasenabscheidung (PACVD), und physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) aufgebracht. 



   Nach US 4 714 660 ist es bekannt, mittels CVD die Hartstoffe   TiAIOC,     TIAION   oder   TiAIOCN   zusammen mit anderen Hartstoffphasen, bevorzugt jedoch mit   AI203,   durch Ko-Abscheidung auf Hartmetallen aufzubringen. Für das   TiAIOC   wird als AI-reichste Zusammensetzung T103 
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 angenommen, wobei C teilweise durch N ersetzt ist. Der Nachteil dieser Beschichtung ist, dass aufgrund des hohen Sauerstoffanteils der Schichten und der hohen Abscheidungstemperaturen von etwa 1000  C Substratschädigungen auftreten, zu deren Vermeidung aus anderen Hartstoffen bestehende Zwischenschichten aufgebracht werden müssen. Ein weiterer Nachteil ist, dass temperaturempfindliche Substrate nicht beschichtet werden können. 



   Nach JP 5-337705 ist das Aufbringen von (Ti, AI)N, (Ti, AI)C oder (Ti, AI)CN auf Wendeschneidplatten mittels PACVD bekannt. Diese metastabilen Schichten, die durch thermisches CVD nicht hergestellt werden können, sind auf Grund der besseren Oxidationsbeständigkeit und der geringeren Reibungskoeffizienten den konventionellen Hartstoffen des Typs TiCxNy im Verschleissschutz prinzipiell überlegen. Besonders vorteilhaft sind (Ti, AI)N- Schichten, da in diesen hohe AI-Gehalte erreicht werden können, die für eine gute Verschleissbeständigkeit wesentlich sind. Ein Nachteil der (Ti, AI)N-Schichten besteht jedoch dann, 
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 häufig starke Schwankungen in der Mikrohärte auftreten, die sich im Bereich zwischen HV20 = 1500 und HV20 = 3500 bewegen. Diese Schwankungen haben eine mangelhafte Reproduzierbarkeit der Verschleisseigenschaften zu Folge.

   Die Ursache dieses Effekts hegt im unkontrollierten Einbau von Sauerstoff in die Schichten, der nur mit hohem, ökonomisch nicht vertretbarem, technologischen Aufwand ausreichend gesenkt werden kann 
Bekannt ist es auch, (Ti, AI)N-Schichten mit physikalischen Abscheidungsverfahren, wie beispielsweise DC- oder RF-Magnetronsputtem, zu erzeugen (JP 5-285215) Auch bei diesen Schichten treten Eigenschaftsschwankungen auf. Nachteilig ist ausserdem bei dieser Beschichtung, dass auf Grund der Richtungsabhängigkeit des Wachstumsprozesses komplizierte Substratbewegungen erforderlich sind und die Schichtdicke häufig mangelnde Konstanz aufweist. 



   Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mittels PACVD beschichteten Verschleisskörper so zu modifizieren, dass dieser reproduzierbar einen hohen Verschleisswiderstand aufweist, an der Substratoberfläche keine Schädigungen zeigt und ohne zusätzliche Substratbewegungen herstellbar ist. 



   Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein erfindungsgemässer Verschleisskörper aus Stahl, Hartmetall, Cermet oder Keramik mit einer einphasigen, kristallinen (Ti, AI)N-Schicht dadurch gekennzeichnet, dass in der Schicht mindestens 3 At. -% C und mindestens 3 At. -% 0 enthalten sind, wobei die Summe aus C + 0 maximal 10 At.-% beträgt, die Schicht mindestens 40 At-% N enthält und das 
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   Gemäss zweckmässigen Ausgestaltungen der Erfindung weist die Schicht bei einem O-Gehalt im Bereich zwischen 3,0 bis 5,0 At. -% einen C-Gehalt zwischen 7,0 und 5,0 At-% auf und sind der C-Gehalt und der O-Gehalt in der Schicht annähernd gleich gross. 
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Die Schicht kann zwischen 0,5 und 20 um, vorzugsweise zwischen 2 bis 4 um dick sein 
Zweckmässigerweise ist die Schicht auf einer nitrierten, carbonitrierten oder bonerten Werkzeugoberfläche aufgebracht. 



   Erfindungsgemäss kann die Schicht auch in Kombination mit weiteren einphasigen oder mehrphasigen Hartstoffschichten aufgebracht sein, die ein oder mehrere Elemente der IV bis VI Nebengruppe des PSE und/oder AI und eines oder mehrere der Elemente N, C, 0, B, Si enthalten 

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Mit dem erfindungsgemäss vorgesehenen gleichzeitigen Einbau von Sauerstoff und Kohlenstoff in die Schicht zeigt sich in überraschender, vorteilhafter Weise, dass in dem genannten Konzentrationsbereich die Schichtharte konstant bleibt und dass eine ausgezeichnete Reproduzierbarkeit der Verschleisseigenschaften gegeben ist. Der erfindungsgemässe Verschleisskörper zeichnet sich bei jedem fixierten   Ti/AI-Verhältnis   durch eine hohe Reproduzierbarkeit der Verschleisseigenschaften aus.

   Vorteilhaft ist ausserdem, dass die Verschleissfestigkeit höher ist, als bei unmodifizierten (Ti, AI)N-Schichten mit gleichem T/Al Verhältnis Von Vorteil ist weiterhin, dass die für den 0- und C-Einbau beim PACVD-Prozess benötigten Konzentrationen an gasförmigen 0- und C-Verbindungen von einer Grösse sind, die verfahrenstechnisch gut beherrscht werden kann und dass der schwankende 0- Verunreinigungspegel in den Abscheidungsanlagen gegenüber den zugegebenen O-Mengen vernachlässigbar ist Überraschend ist darüber hinaus, dass mit dem Sauerstoffeinbau auch der Al Einbau in die Schicht gefördert wird.

   Damit können die Schichten bei geringeren Plasmaleistungsdichten abgeschieden werden, wodurch Überhitzungen der Verschleisskörper infolge geometrisch bedingter Feldstärke-Inhomogenitäten vermieden werden können 
Nachstehend ist die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert 
Kommerzielle Hartmetall-Wendeschneidplatten für den P10-Bereich werden in einem PACVD- Heisswandreaktor auf der Kathode angeordnet und in bekannter Weise für 30 min mit einer Gleichstromglimmentladung in einem Gasgemisch, bestehend aus 38 Vol.-% H2,12 Vol -% N2 und 50   Vol.-%   Ar, bei einem Druck von 60 Pa vorbehandelt Die Plasmaleistungsdichte auf den Wendeschneidplatten beträgt 0,8 W/cm2.

   Danach wird ein Gasgemisch eingeführt, das aus 0,11 Vol -%   TiCI4,   0,3 Vol.-%   AICI3,   6   Vol.-%   N2, 0,6   Vol.-%   CO, 0,3   Vol.-%   CH4,30 Vol -% Ar und Rest H2 besteht. Mit der Einführung dieses Gasgemisches werden der Gesamtdruck im Reaktor auf 170 Pa und die Plasmaleistung auf 2   W/cm2  erhöht. Die Temperatur der Wendeschneidplatten wird auf 500  C eingestellt. Nach 90 min wird das Reaktionsgas abgeschaltet.

   Abschliessend werden die Wendeschneidplatten noch während, einer Dauer von 10 min einer Nachbehandlung unterworfen, bei der die gleichen Verfahrensbedingungen wie bei der eingangs beschriebenen Vorbehandlung angewandt werden 
Die abgeschiedene Schicht weist eine Schichtdicke von 4 m auf und ist wie folgt zusammengesetzt 
30,5At -% AI   18,2 At -% Ti    
41,0 At=% N 
4,0 At -% C 
5,1   At-%0   
1,2 At=% Cl 
Bei der Zerspannung von Stahl C60N bei einer Schnittgeschwindigkeit von 200   m/min,   einer Schnittiefe von 1,5 mm und einem Vorschub von 0,3 mm werden gegenüber unbeschichteten Wendeschneidplatten Standzeiterhöhungen von 400 % erreicht.

   Schichten, die ohne CO- und CH4- Zusatz zur Gasphase hergestellt wurden, zeigten Standzeiterhöhungen von 200 bis 300 % 
Patentansprüche: 
1.Beschichteter Verschleisskörper aus Stahl, Hartmetall, Cermet oder Keramik mit einer einphasigen, kristallinen (Ti, AI)N-Schicht, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schicht mindestens 3 At. -% C und mindestens 3 At.-% 0 enthalten sind, wobei die Summe aus C + O maximal 10   At.-%   beträgt, die Schicht mindestens 40   At.-%   N enthält und das 
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Claims

2 Beschichteter Verschleisskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht bei einem O-Gehalt im Bereich zwischen 3,0 bis 5,0 At -% einen C-Gehalt zwischen 7,0 und 5,0 At.-% aufweist.

3 Beschichteter Verschleisskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der C-Gehalt und der O-Gehalt in der Schicht annähernd gleich gross sind 4 Beschichteter Verschleisskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ti/Al-Atomprozent Verhältnis annähernd 1,0 ist. <Desc/Clms Page number 3>

5. Beschichteter Verschleisskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke zwischen 0,5 und 20 um liegt.

6. Beschichteter Verschleisskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke 2 bis 4 um beträgt.

7 Beschichteter Verschleisskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht auf einer nitrierten, carbonitrierten oder borierten Werkzeugoberfläche aufgebracht ist.

8. Beschichteter Verschleisskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht in Kombination mit weiteren einphasigen oder mehrphasigen Hartstoffschichten aufgebracht ist, die ein oder mehrere Elemente der IV. bis VI. Nebengruppe des PSE und/oder AI und eines oder mehrere der Elemente N, C, 0, B, Si enthalten Hiezu 0 Blatt Zeichnungen