AT504908A4

AT504908A4 - Beschichtetes werkzeug

Info

Publication number: AT504908A4
Application number: AT4922007A
Authority: AT
Inventors: Arno Dr Koepf; Reinhard Dipl Ing Pitonak
Original assignee: Boehlerit Gmbh & Co Kg
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2008-09-15
Also published as: AT504908B1

Description

Beschichtetes Werkzeug
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Werkzeuges mit einer Beschichtung oder einer Beschichtungslage, welche ein Metallcarbid aufweist, wobei die Beschichtung bzw. Beschichtungslage durch CVD (chemical vapor deposition) bei einer Temperatur von etwa 900 [deg.]C bis 1150 [deg.]C aus einem zumindest eine Metallverbindung und zumindest eine Kohlenwasserstoffverbindung aufweisenden Gas abgeschieden wird.
Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Körper, insbesondere Werkzeug oder Werkzeugteil wie eine Schneidplatte, welcher Körper eine Beschichtung oder Beschichtungslage umfasst, die zumindest ein Metallcarbid aufweist.
Es zählt zum Stand der Technik, Werkzeuge, beispielsweise Schneidplatten aus Hartmetallen, zu beschichten, um den Werkzeugen eine höhere Verschleissfestigkeit zu verleihen.

Dabei kommen vornehmlich CVD-Verfahren (chemical vapor deposition) und PVD-Verfahren (physical vapor deposition) zur Anwendung. Daneben finden auch abgewandelte Verfahren, beispielsweise Sputter-PVD-Verfahren oder PA-CVD (plasma assisted chemical vapor deposition), Anwendung.
Wenngleich ein Beschichten in der Regel zu einer höheren Verschleissfestigkeit des beschichteten Werkzeuges führt, was grundsätzlich positiv ist, so ist doch auch zu beachten, dass die Beschichtung nicht mit dem Material eines bearbeiteten Werkstückes wechselwirken soll.

Bei Schneidplatten beispielsweise, die sich im Einsatz lokal, insbesondere in beschichteten Bereichen, auf Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius erwärmen können, führen solche Wechselwirkungen zu einem Aufkleben von abgenommenen Spänen, was eine Funktion der Schneidplatten beeinträchtigen und sogar zu deren Unbrauchbarkeit führen kann. Dieses Problem tritt besonders deutlich zutage, wenn Werkstücke aus Aluminium oder einer Aluminiumbasislegierung bearbeitet werden. Damit solche Nachteile vermieden werden können, soll eine Beschichtung neben Verschleissfestigkeit auch gewisse Schmiereigenschaften aufweisen.
Diesbezüglich bestand ein Ansatz bislang darin, Composite-Schichten aus einem Metallcarbid und so genanntem DLC (diamond like carbon) mittels PVD-Verfahrens abzuscheiden.

DLC steht vereinfacht dargestellt für amorphen Kohlenstoff; dieser soll eine Schmierwirkung erbringen. Im Vergleich mit Grafit ist amo[phi]her Kohlenstoff wesentlich härter und weist keine geordnete Kristallstruktur auf (siehe VDI-Richtlinien, Kohlenstoffschichten, VDI 2840, November 2005). Da PVD-Schichten mit Metallcarbiden und DLC allerdings insbesondere auf Hartmetallkörpern nicht gut haften und daher zumindest für Schneidplatten aus Hartmetall in der Regel nicht unmittelbar am Werkzeug abscheidbar sind, musste man bislang relativ komplexe Multilayerschichtsysteme aufbauen bzw. abscheiden.

Diese Multilayerschichtsysteme sind in ihrer Zusammensetzung so abgestimmt, dass die letzte Schicht, die aus Metallcarbid und DLC besteht, schliesslich gut haften soll.
Gemäss dem Stand der Technik können Composite-Schichten aus einem Titancarbid und Kohlenstoff als Einlagen-Beschichtung abgeschieden werden (EP 0394661 A1). Hierfür werden so genannte Sputter-CVD-Verfahren eingesetzt, bei denen wie bei PVDVerfahren bei relativ geringen Temperaturen gearbeitet wird. In diesem Fall können zwar Einlagenschichtsysteme hergestellt werden, wobei in der Schicht ebenfalls amo[phi]her Kohlenstoff (bzw. DLC) vorhanden ist.

Allerdings kann bei solchen direkt abgeschiedenen Schichten die Haftung am Substrat ebenfalls ein Problem darstellen.
Für einige spezielle Anwendungen, beispielsweise die bereits geschilderte spanende Bearbeitung von Aluminium oder Aluminiumbasislegierungen, sind die
Schmiereigenschaften bekannter Schichten noch nicht befriedigend. Mit anderen Worten: Bei einer spanabhebenden Bearbeitung von Aluminium oder Aluminiumlegierungen kann es rasch zum Aufkleben von Spänen und in der Folge zur Entwicklung einer unerwünschten Aufbauschneide kommen.
Die Erfinder haben erkannt, dass es auf Grundlage bekannter Hochtemperatur-CVDVerfahren in einfacher Weise möglich ist, gut haftende, verschleissfeste und selbstschmierende Beschichtungen zu erhalten.

Demgemäss ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass Werkzeuge mit einer gut haftenden, verschleissfesten und verbessert schmierenden Beschichtung herstellbar sind. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, einen Körper der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine gut haftende, verschleissfeste und selbstschmierende Beschichtung oder Beschichtungslage aufweist und einfach herstellbar ist.
Die verfahrensmässige Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass mit Bezug auf eine Zusammensetzung des abzuscheidenden Metallcarbides die Kohlenwasserstoffverbindung relativ zur Metallverbindung mit einem Überschuss eingesetzt wird, sodass neben dem Metallcarbid Grafit gebildet wird:

Soll beispielsweise das abzuscheidende Metallcarbid ein Monocarbid (allgemein MC) sein, so wird beim Abscheiden mehr der Kohlenwasserstoffverbindung zur Verfügung gestellt, als zur
Erreichung einer idealen Zusammensetzung MC erforderlich wäre. Durch diese einfache Massnahme wird erreicht, dass sich neben dem Metallcarbid bei den gegebenen Beschichtungs- bzw. Substrattemperaturen auch Grafit abscheidet. Dabei erfolgt ein Schichtwachstum derart, dass Metallcarbid und Grafit homogen verteilt sind. Im Ergebnis wird dadurch eine Beschichtung bzw. Beschichtungslage erreicht, die einerseits auf Grund des vorgesehenen Metallcarbides verschleissfest und andererseits auf Grund des vorhandenen Grafits selbstschmierend ist.

Die Beschichtungslage weist darüber hinaus eine exzellente Haftung auf gängigen Hartmetallsorten auf.
Als Kohlenwasserstofrverbindung kann beispielsweise eine aromatische Verbindung oder auch ein Alkin wie Acetylen eingesetzt werden. Bevorzugt ist es jedoch, auf Grund einer Verfügbarkeit und geringen Toxizität wegen, wenn die Kohlenwasserstofrverbindung ein Alkan ist.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann in einer sehr einfachen Art ausgeführt werden, wenn das Gas neben der Metallverbindung nur Methan und Wasserstoff enthält.

Methan dient dann der Bildung von Grafit sowie der Bildung von Metallcarbid; Wasserstoff ist als Trägergas vorgesehen.
Mit Bezug auf ein Abscheiden von Beschichtungen, die sowohl hohe Verschleissfestigkeit als auch hohe Schmierwirkung aufweisen, hat es sich als zweckmässig erwiesen, wenn die Metallvenbindung ein Metallhalogenid und die Kohlenwasserstoffverbindung Methan ist, wobei Methan zumindest im zweifachen, bevorzugt zumindest fünffachen, insbesondere zumindest zehnfachen, Überschuss eingesetzt wird. Mit einem derartigen Überschuss an Methan in Bezug auf eine Stöchiometrie des abzuscheidenden Metallcarbides können Grafitgehalte in der Beschichtung von beispielsweise 20 Volumenprozent bis 40 Volumenprozent erreicht werden.

Grössere Überschüsse als 60fach sind selbstverständlich auch möglich, können jedoch zu Schichten führen, die so viel Grafit enthalten, dass eine Schmierwirkung überwiegt und die geforderte Verschleissfestigkeit nicht ohne weiteres erreicht wird.
Als Metallcarbid können alle bekannten Metallcarbide abgeschieden werden, insbesondere Metallcarbide eines oder mehrerer der Metalle der Gruppen IV B, V B und/oder VI B des Periodensystems der Elemente (Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän und/oder Wolfram). Bevorzugt ist es, wenn das Metallcarbid ein Monocarbid ist bzw. die Summenformel MC hat.
Bevorzugte Schichtdicken der abgeschiedenen Beschichtung bzw. Beschichtungslage liegen in einem Bereich von 1 [mu]m bis 10 [mu]m, vorzugsweise 2 [mu]m bis 5 [mu]m. Bei zu geringen Schichtdicken gehen die gewünschten Effekte im Einsatz rasch verloren.

Auf der anderen Seite wird es mit steigenden Schichtdicken zunehmend schwieriger, beim Beschichten die gewünscht homogene Verteilung von Metallcarbid und Grafit zu erreichen.
Bevorzugt erfolgt das Abscheiden der Beschichtung bzw. Beschichtungslage bei einem Druck von 50 Millibar bis 200 Millibar, insbesondere 60 Millibar bis 100 Millibar. In diesem Druckbereich können mit Bezug auf eine Grafitausbildung optimale Ergebnisse erzielt werden.
Die weitere Aufgabe der Erfindung wird durch einen Körper der eingangs genannten Art gelöst, wenn bei diesem die Beschichtung bzw. Beschichtungslage Grafit enthält, wobei das zumindest eine Metallcarbid und Grafit im Wesentlichen homogen verteilt vorliegen. Die mit einem erfindungsgemässen Körper erzielten Vorteile sind neben der einfachen Herstellbarkeit insbesondere darin zu sehen, dass die Beschichtung bzw.

Beschichtungslage mit guter Haftung anliegt und sowohl verschleissfest als auch gut schmierend ist. Ist der Körper eine Schneidplatte, so eignet er sich insbesondere auch zur spanabhebenden Bearbeitung, beispielsweise einem Drehen, von Werkstücken aus Aluminium oder Aluminiumbasislegierungen. Das vorgesehene Metallcarbid sorgt dabei für eine Verschleissfestigkeit. Der vorgesehene Grafit sorgt hingegen für eine Schmierwirkung. Durch die homogene Verteilung von Metallcarbid und Grafit in der Schicht sind über die gesamte Schichtdicke konstante Eigenschaften gegeben.
Als Metallcarbid können insbesondere Monocarbide, beispielsweise TiC, NbC, VC oder andere Monocarbide von Elementen der Gruppen IV B, V B und/oder VI B des Periodensystems der Elemente, vorgesehen sein.
Aus den bereits erläuterten Gründen erweist es sich als zweckmässig, wenn die Beschichtung bzw.

Beschichtungslage eine Schichtdicke von 1 [mu]m bis 10 [mu]m, vorzugsweise 2 [mu]m bis 5 [mu]m, aufweist.
Um einerseits eine optimale Verschleissfestigkeit und andererseits eine optimale Schmierwirkung zu erreichen, ist es zweckmässig, dass die Beschichtung bzw. Beschichtungslage 10 Volumenprozent bis 50 Volumenprozent, vorzugsweise 20 Volumenprozent bis 40 Volumenprozent, Grafit enthält.
Als besonders geeignetes Carbid für eine Ausbildung von Composite-Schichten hat sich Titancarbid erwiesen.
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung gehen aus dem nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiel, anhand dessen die Erfindung noch weitergehend dargestellt ist, hervor.
Es zeigen
Fig. 1 : Ein Röntgendiffraktogramm einer auf einem Hartmetallkörper abgeschiedenen Schicht aus Titancarbid und Grafit;
Fig. 2:

Eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer sandgestrahlten Beschichtung bestehend aus ca. 67 Volumenprozent Titancarbid und ca. 33 Volumenprozent Grafit;
Fig. 3: Schaubild zur Gesamtfläche der Aufklebungen bei Schneidwerkzeugen mit verschiedenen Beschichtungen beim Drehen von AIMgSi0,5 (trocken). Auf einer Schneidplatte aus einem herkömmlichen Hartmetall (ca. 85 Gewichtprozent Wolframcarbid, ca. 5 Gewichtsprozent Titancarbid, ca. 10 Gewichtsprozent Cobalt) wurde in einer Beschichtungsvorrichtung bei einer Substrattemperatur von ca. 1050 [deg.]C und einem Druck von ca. 70 Millibar eine Composite-Schicht aus Titancarbid und Grafit abgeschieden. Das Reaktionsgas bestand aus ca. 4 Volumenprozent Titantetrachlorid, ca. 15 Volumenprozent Methan, Rest Wasserstoff .
Von der so erstellten Beschichtungslage wurde ein Röntgendiffraktogramm aufgenommen (Fig. 1).

Neben markanten Reflexen für Titancarbid zeigten sich intensitätsstarke Reflexe, die Grafit zugeordnet werden konnten. Die stärksten dieser Reflexe sind in Fig. 1 durch Pfeile markiert.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, scheiden sich bei einem erfindungsgemässen Verfahren Titancarbid bzw. Grafit in kugelförmigen Kristallaggregaten und sehr feinkörnig sowie in der Beschichtungslage homogen verteilt bzw. gemischt ab. Dies ist vor allem hinsichtlich des Titancarbides wichtig, da durch diese Mo[phi]hologie und eine geringe durchschnittliche Kristaliitgrösse eine Wirkung des Titancarbides in Bezug auf eine Verschleissfestigkeit sichergestellt ist.
Die Schmier- und Antihaftwirkung erfindungsgemäss hergestellter Beschichtungslagen kann anhand der Fig. 3 nachvollzogen werden.

Es wurden Schneidplatten des gleichen Typs, jedoch mit unterschiedlichen Beschichtungen, zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken aus einer Aluminiumbasislegierung AIMgSiO,5 eingesetzt. Mit Bezug auf die Nummerierung in Fig. 3 wurden folgende Beschichtungen unter gleichen Bedingungen e[phi]robt:
Probe 1...TiB2(PVC); Probe 2...TiCN (plasma assisted-CVD); Probe 3...AITiN (PVD); Probe 4...ta-C:H (PVD); Probe 5...TiC/Grafit; Probe 6... wie Probe 5, zusätzlich sandgestrahlt. Wie ersichtlich, sind bei einer erfindungsgemäss hergestellten Beschichtung (Probe 5) Aufklebungen im Ausmass von zumindest 5 % gegenüber der besten Referenz (Probe 4) verringert.

Durch Sandstrahlen der Beschichtung können die Ergebnisse noch weiter verbessert werden (Probe 6).
Im Rahmen der Erfindung ist es wie beispielhaft dargelegt möglich, einlagige CompositeSchichten aus einem Metallcarbid und Grafit unmittelbar auf einem Hartmetallkörper abzuscheiden. Selbstverständlich ist es jedoch auch möglich, sofern erforderlich, zwischen einem Hartmetallkörper und einer Composite-Schicht aus einem Metallcarbid und Grafit auch Zwischenschichten, zum Beispiel aus Titancarbonitrid, Titannitrid und/oder Titancarbid, vorzusehen.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Werkzeuges mit einer Beschichtung oder einer Beschichtungslage, welche ein Metallcarbid aufweist, wobei die Beschichtung bzw. Beschichtungslage durch CVD (chemical vapor deposition) bei einer Temperatur von etwa 900 [deg.]C bis 1150 [deg.]C aus einem zumindest eine Metallverbindung und zumindest eine Kohlenwasserstoffverbindung aufweisenden Gas abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, dass mit Bezug auf eine Zusammensetzung des abzuscheidenden Metallcarbides die Kohlenwasserstoffverbindung relativ zur Metallverbindung mit einem Überschuss eingesetzt wird, sodass neben dem Metallcarbid Grafit gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenwasserstoffverbindung ein Alkan ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas neben der Metallverbindung nur Methan und Wasserstoff enthält.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallverbindung ein Metallhalogenid und die Kohlenwasserstoffverbindung Methan ist, wobei Methan zumindest im zweifachen, bevorzugt zumindest fünffachen, insbesondere zumindest zehnfachen, Überschuss eingesetzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallcarbid ein Monocarbid ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung bzw. Beschichtungslage mit einer Schichtdicke von 1 [mu]m bis 10 [mu]m, vorzugsweise 2 [mu]m bis 5 [mu]m, abgeschieden wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiden der Beschichtung bzw. Beschichtungslage bei einem Druck von 50 Millibar bis 200 Millibar, insbesondere 60 Millibar bis 100 Millibar durchgeführt wird.

8. Körper, insbesondere Werkzeug oder Werkzeugteil wie eine Schneidplatte, welcher Körper eine Beschichtung oder Beschichtungslage umfasst, die zumindest ein Metallcarbid aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung bzw. Beschichtungslage Grafit enthält, wobei das zumindest eine Metallcarbid und Grafit im Wesentlichen homogen verteilt vorliegen.

9. Körper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Metallcarbid ein Monocarbid eines Metalls der Gruppen IV B, V B und/oder VI B des Periodensystems der Elemente ist.

10. Körper nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung bzw. Beschichtungslage eine Schichtdicke von 1 [mu]m bis 10 [mu]m, vorzugsweise 2 [mu]m bis 5 [mu]m, aufweist.

11. Körper nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung bzw. Beschichtungslage 10 Volumenprozent bis 50 Volumenprozent, vorzugsweise 20 Volumenprozent bis 40 Volumenprozent, Grafit enthält.

12. Körper nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Metallcarbid Titancarbid vorliegt.

13. Körper nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper ein Hartmetallkörper ist.

14. Körper nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung bzw. Beschichtungslage durch CVD (chemical vapor deposition) aufgebracht ist.

15. Körper nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung sandgestrahlt ist.

Leoben, am 28. März 2007 BOEHLERIT GmbH & Co.KG. <EMI ID=9.1>