CH652629A5 - Schneidwerkzeug mit beschichtung. - Google Patents

Description

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PATENTANSPRUCH Schneidwerkzeug mit einer Titannitrid enthaltenden BeSchichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung zusätzlich entweder

10-30 Gew.-% Chromnitrid oder

3 -18 Gew.-% Aluminiumnitrid 2-8 Gew.-% Molybdännitrid 2 -10 Gew.-% Chromnitrid und 0,5-10 Gew.-% Siliciumnitrid enthält, die gleichmässig im gesamten Volumen der Beschichtung verteilt sind.

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Metallbearbeitung und betrifft ein Schneidwerkzeug mit einer Titannitrid enthaltenden Beschichtung. Solche Schneidwerkzeuge sind bereits bekannt (s. beispielsweise H.F. Bunshan et al. Thin solid films, 1977,45, Nr. 3, p: 453-462) und weisen bei der Bearbeitung von Werkstücken aus Baustählen eine hohe Verschleissfestigkeit auf, die die Verschleissfestigkeit eines unbeschichteten Werkzeugs um das 5- bis 7fache überschreitet.

Bei der Bearbeitung von Werkstücken aus rostfreien Stählen und hitzebeständigen Legierungen mit einem Werkzeug mit Titannitridbeschichtung ist jedoch die Verschleissfestigkeit eines derartigen Werkzeugs gering. Die Ursache liegt in einem hohen Grad der adhäsiven Zusammenwirkung der Beschichtung mit dem Werkstück, die an den Kontaktflächen des Werkzeugs während des Schneidvorgangs entsteht. Im Ergebnis steigt die Temperatur in der Schneidzone und unter Einwirkung von Wasserdampf und Sauerstoff kommt eine Lockerung der Beschichtung zustande.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Werkzeug mit einer Beschichtung vorzuschlagen, welche Titannitrid enthält und eine derartige Zusammensetzung aufweist, dass bei der Bearbeitung von Werkstücken aus rostfreien Stählen und hitzebeständigen Legierungen eine hohe Verschleissfestigkeit des Werkzeugs gewährleistet wird.

Diese Aufgabe wird mit einem Schneidwerkzeug gelöst, welches erfindungsgemäss die im Patentanspruch aufgeführten Merkmale aufweist.

Dabei ist die Zweikomponentenbeschichtung aus Chrom- und Titannitrid etwas billiger in der Herstellung, während die Mehrkomponentenbeschichtung eine hohe Verschleissfestigkeit für eine breitere Palette der zu bearbeitenden Werkstoffe gewährleistet.

Bei beiden der vorgeschlagenen Varianten der Beschichtung wird die Verschleissfestigkeit des Schneidwerkzeuges bei der Bearbeitung von rostfreien Stählen und hitzebeständigen Legierungen um das 4- bis 6fache im Vergleich zu der bekannten Titannitridbeschichtung erhöht.

Bei der Bearbeitung von rostfreien Stählen und hitzebeständigen Legierungen dient der Chromnitridanteil der Beschichtung aus Titan- und Chromnitrid als eine Barriere, die aktive Adhäsionsvorgänge auf den Kontaktflächen des Werkzeugs verhindert, wodurch dessen Verschleissfestigkeit erhöht wird. Ausserdem führt die bei hohen Temperaturen während des Schneidvorganges entstehende teilweise Oxydation des Chromnitrids zur Bildung von thermodynamisch beständigen Chromoxiden, welche den Werkzeugverschleiss infolge Adhäsion und Ermüdung noch mehr verringert.

Eine Beschichtung, welche Titan-, Aluminium-, Molyb-dän-, Chrom- und Siliziumnitrid im vorgeschlagenen Verhältnis enthält, weist durch die Nitride eine hohe Mikrohärte auf. Infolge der homogenen Verteilung der Nitride im gesamten Volumen der Beschichtung treten sie alle gleichzeitig in Aktion. Mit der Temperaturerhöhung in der Schneidzone werden die entstehenden Verschleissprodukte und die Aluminium- und Molybdännitrid enthaltende Oberflächenschicht der Beschichtung durch den Luftsauerstoff und Wasserdämpfe zu Oxiden oxydiert. Durch das gebildete Aluminiumoxid wird eine adhäsive Zusammenwirkung des Werkzeugs mit dem bearbeiteten Werkstoff sowie die chemische Aktivität der Beschichtung verringert. Das während des Schneidvorganges entstandene Molybdänoxid besitzt selbstschmierende Eigenschaften und trägt zur Verringerung des Reibungsfaktors und auch der Temperatur in der Schneidzone bei. Bei einer Temperaturerhöhung beginnt die Zersetzung von Chromnitrid unter Bildung eines beständigen Oxids, das eine elektrische Barriere bildet, durch die eine Umverteilung der Stromträger verhindert wird. Durch die umgesetzten Nitride werden Titan- und Siliziumnitrid, durch die eine hohe Härte im gesamten Volumen der Beschichtung gewährleistet wird, vor Lockerung geschützt.

Bei der Bestimmung der quantitativen Verhältnisse der genannten Nitride wurde davon ausgegangen, dass die ther-modynamische Stabilität der Beschichtung sichergestellt werden soll.

Da sämtliche Komponenten im genannten Verhältnis gleichmässig in der Beschichtung verteilt sind, sind sie ständig auf der Kontaktfläche anwesend und schwächen den Einfluss der Faktoren ab, die zur Lockerung der Beschichtung bei der Bearbeitung von rostfreien Stählen und hitzebeständigen Legierungen führen.

Fertigungstechnisch kann die vorgeschlagene Beschichtung auf die Arbeitsfläche eines beliebigen Schneidwerkzeugs beispielsweise durch eines der folgenden bekannten Verfahren einfach aufgetragen werden:

a) Zerstäubung einer Mosaikkathode, die aus einem Satz von Platten (Segmenten) aus den oben genannten Werkstoffen besteht, in einer Stickstoffatmosphäre unter einem Druck von 3-5 • 10" 3 mm QS;

b) Kathodenzerstäubung eines Pulvergemisches, das aus den genannten Werkstoffen im angegebenen Verhältnis besteht, in einer Stickstoffatmosphäre unter einem Druck von 3-5 • 10"3 mm QS;

c) Verdampfung einer Kathode, die aus entweder mit Chrom oder mit Aluminium, Molybdän, Chrom und Silizium legierten Titan besteht, in einer Vakuumkammer in einer Stickstoffatmosphäre (Kondensation von Stoff aus Metallplasma unter Ionenbeschuss).

Nachstehend wird die Erfindung an Hand von konkreten Ausführungsbeispielen erläutert.

Beispiel 1

Auf die Arbeitsfläche eines Schneidwerkzeugs (Meissel) aus einer Legierung der K-Gruppe nach ISO wurde eine Beschichtung durch die Kondensation von Stoff aus Metallplasma unter Ionenbeschuss aufgetragen.

Dieser Vorgang wurde durch das gleichzeitige Verdampfen von Titan und Chrom und Einlassen von Stickstoff in die Vakuumkammer unter Aufrechterhaltung eines Druckes von 2-5 • 10"3 mm QS durchgeführt.

Das Verhältnis der Chrom- und Molybdänmenge in der Beschichtung wurde durch die Stärke des Entladungsstroms in jedem Verdampfer geregelt.

Es wurden Meissel mit einer Beschichtung entsprechend 10,20,30% Chromnitrid, Rest - Titannitrid geprüft.

Die Prüfungen wurden beim Langdrehen einer hitzebeständigen Legierung folgender Zusammensetzung (Gewichtsprozent) durchgeführt: C-0,1-0,16; Si < 0,6; Mn < 0,6; Cr - 10,5-12; Ni - 1,5-1,8; W- 1,6-2; Mo - 0,35-0,5; V - 0,18-0,3; Fe - Rest.

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Die Schneidverhältnisse waren wie folgt: Schneidgeschwindigkeit V = 37,3 m/min, Vorschub S = 0,15 mm/U, Schneidtiefe t = 0,3-0,5 mm.

Vergleichsweise wurde ein Schneidwerkzeug mit der bekannten Titannitridbeschichtung unter den gleichen Verhältnissen geprüft.

Die Prüfergebnisse sind in der Tabelle 1 zusammenge-fasst.

Tabelle 1

Beschichtungskomponenten Gehalt, % Standzeit, min

TiN-CrN 10 21,5

20 25,5

30 28,0

TiN - 4,9

Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass bei der Bearbeitung einer hitzebeständigen Legierung die Standzeit des Werkzeugs mit der erfindungsgemässen Beschichtung die Standzeit eines Werkzeuges mit der bekannten Beschichtung um das 4- bis 5fache überschreitet.

Beispiel 2

Auf einen Meissel mit 3-kantiger Wegwerfplatte aus der Legierung der M- oder K-Gruppe nach ISO wurde durch die Kondensation von Stoff aus Metallplasma ähnlich wie im Beispiel 1 eine Beschichtung folgender Zusammensetzung aufgetragen: A1N - 5,5%, Mo2N- 2,0%, CrN- 2%, SiN - 0,5%, TiN - Rest. Der Meissel wurde beim Drehen von Chromnickelstahl mit einer Zusammensetzung (Gewichtsprozent): C < 0,12, Si < 0,8, Mn- 1-1,2, Cr - 17-19, Ni - 9-11, Ti — 0,8, Fe - Rest geprüft.

Die Schneidverhältnisse waren wie folgt: t = 3 mm, S = 0,3 mm/U, V = 122 m/min.

Im Ergebnis der Prüfungen betrug die Standzeit des Meisseis 30 min für 3 Kanten.

Als Vergleich wurde ein ähnlicher Meissel mit Titannitridbeschichtung geprüft. Unter den gleichen Verhältnissen betrug die Standzeit 5,4 min für 3 Kanten, d.h. um das 5,5fa-che geringer als beim Meissel mit der erfindungsgemässen Beschichtung.

Beispiel 3

Auf einen Meissel mit 3-kantiger Wegwerfplatte aus der Legierung der K-Gruppe nach ISO wurde durch die Kondensation von Stoff aus Metallplasma eine Beschichtung mit einer Zusammensetzung: A1N - 18%, Mo2N - 4%, CrN - 5%, SiN - 5%, TiN - 68% aufgetragen. Der Meissel wurde beim Langdrehen von Stahl mit einer Zusammensetzung (Gewichtsprozent): C-0,11-0,17, Si < 0,8, Mn < 0,8, Cr - 16-18, Ni - 1,5-2,5, Fe - Rest geprüft.

Die Schneidverhältnisse waren die gleichen wie im Beispiel 2. Im Ergebnis der Prüfungen betrug die Standzeit des Meisseis 25 min für 3 Kanten.

Beispiel 4

Der Versuch wurde ähnlich wie im Beispiel 3, jedoch mit dem Unterschied durchgeführt, dass eine Beschichtung aus A1N - 5,5%, Mo2N - 4%, CrN - 5%, SiN - 10%, TiN -Rest aufgetragen wurde. Im Ergebnis der Prüfungen betrug die Standzeit des Meisseis 22 mit für 3 Kanten.

Durch die in den Beispielen 3 und 4 beschriebenen Be-schichtungen wurde die Standzeit des Schneidwerkzeugs bei der Bearbeitung vom rostfreien Stahl etwa um das 4,5fache erhöht im Vergleich zu dem Schneidwerkzeug mit der Titannitridbeschichtung (siehe Beispiel 2).

Beispiel 5

Durch die Kondensation von Stoff aus Metallplasma wurden unterschiedliche Beschichtungen auf die Arbeitsfläche von drei ähnlichen Stossrädern aus Schnellschneidstahl mit 6% W, 5% Mo, Fe - Rest aufgetragen. Auf das eine wurde die Beschichtung aus 20% CrN und 80% TiN, auf das zweite die Beschichtung aus 5% A1N, 6% Mo,N, 4% CrN, 5% SiN, TiN - Rest und auf das dritte die bekannte Beschichtung aus TiN zum Vergleich aufgetragen.

Die Stossräder wurden auf einer Zahnradstossmaschine bei der Bearbeitung von Stahl mit einer Zusammensetzung (Gewichtsprozent): C- 1,6, Cr, Mn, Ti, Ni je 1, Fe - Rest geprüft.

Die Schneidverhältnisse waren wie folgt: Stösselge-schwindigkeit - 125 Doppelhübe/min, Kreisvorschub - 0,25 min/Doppelhub.

Im Ergebnis der Prüfungen betrug die Standzeit des Stossrades mit der CrN-TiN-Beschichtung 1040 min, die Standzeit des Stossrades mit der Mehrkomponentenbe-schichtung 1196 min, und die Standzeit des Stossrades mit der TiN-Beschichtung 273 min, d.h. um das 3,8- und 4,4fa-che geringer als die Standzeit der erfindungsgemässen Beschichtung.

Beispiel 6

Der Versuch wurde ähnlich wie im Beispiel 3 durchgeführt. Eine Mehrkomponentenbeschichtung mit einer Zusammensetzung: A1N - 3%, Mo2N - 2%, CrN - 2%, SiN - 3%, TiN - Rest wurde aufgetragen. Im Ergebnis der Prüfungen betrug die Standzeit des Meisseis 18 min für 3 drei Kanten, was die Standzeit eines ähnlichen Meisseis mit der Titannitridbeschichtung um das 2,4fache überschreitet.

Beispiel 7

Der Versuch wurde ähnlich wie im Beispiel 3 durchgeführt. Eine Mehrkomponentenbeschichtung der Zusammensetzung: A1N - 3%, Mo2N - 8%, CrN - 2%, SiN - 3%, TiN - Rest wurde aufgetragen. Im Ergebnis der Prüfungen betrug die Standzeit des Meisseis 25 min für drei Kanten, was die Standzeit eines ähnlichen Meisseis mit der Titannitridbeschichtung um das 3,3fache überschreitet.

Beispiel 8

Der Versuch wurde ähnlich wie im Beispiel 3 durchgeführt. Eine Mehrkomponentenbeschichtung der Zusammensetzung: AlN-3%, Mo2N-8%, CrN- 10%, SiN-3%, TiN - Rest wurde aufgetragen.

Im Ergebnis der Prüfungen betrug die Standzeit des Meisseis 22 min für drei Kanten, was die Standzeit eines ähnlichen Meisseis mit der bekannten Titannitridbeschichtung um das 2,9fache überschreitet.

Die vorgeschlagene Beschichtung kann für beliebige Schneidwerkzeuge, wie Bohrer, Meissel, Fräser usw., und insbesondere für Werkzeuge aus einem Schnellschneidstahl verwendet werden. Solche Werkzeuge werden bei der Bearbeitung von rostfreien Stählen und hitzebeständigen Legierungen eingesetzt.

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