CH669347A5

CH669347A5 -

Info

Publication number: CH669347A5
Application number: CH2089/86A
Authority: CH
Inventors: Alexei Georgievich Gavrilov; Viktor Petrovich Zhed; Elena Ivanovna Kurbatova; Andrei Karlovich Sinelschikov; Evdokia Mikhailov Sokolovskaya; Vladimir Borisovich Bozhukov; Albert Mikhailovich Boyarunas
Original assignee: Vni Instrument Inst
Priority date: 1986-05-28
Filing date: 1986-05-23
Publication date: 1989-03-15
Also published as: BR8602568A; FR2599285B1; GB2190925B; US4753854A; GB2190925A; NL8601424A; GB8612921D0; FR2599285A1; AU5826486A; SE8602357L; SE453369C; SE453369B; AU583124B2; SE8602357D0; DE3620325A1; JPS62287062A

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schneidwerkzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 3.

Die Erfindung eignet sich insbesondere für Schneidstähle, Bohrer und Fräser sowie für weitere zur Metallbearbeitung dienende Schneidwerkzeuge. Insbesondere ist die Erfindung für solche Schneidwerkzeuge bestimmt, die einem erhöhten Verschleiss ausgesetzt sind.

Einer der Wege zur Erhöhung der Standzeit eines einen verschleissfesten Überzug aufweisenden Schneidwerkzeuges ist gegenwärtig die Verbesserung der Betriebseigenschaften des Überzuges. Besonders aussichtsreich ist die Verwendung eines auf der Basis von Einlagerungsphasen hergestellten Überzuges, weil ein solcher eine grosse Härte aufweist. Bei einem bekannten Überzug solcher Art und einem Verfahren zum Aufbringen dieses Überzuges besteht der Überzug aus Einlagerungsphasen wie Karbonitriden der Metalle der Gruppen IVa—Via des Periodensystems der Elemente. Als Grundwerkstoff des Schneidwerkzeuges werden dabei vorwiegend Hartmetalle, beispielsweise auf der Basis von Wolf-ramcarbid (WC) verwendet. Ein solcher Überzug wird in einem Verfahren über eine Gasphase aufgebracht, wobei der Grundkörper des Schneidwerkzeuges auf eine Temperatur von etwa 1000 °C erhitzt wird. Bei solchen Temperaturen tritt jedoch teilweise eine Entfestigung des Hartmetalls ein. Bei dem bekannten Verfahren ist es auch unmöglich, einen verschleissfesten Überzug auf ein Schneidwerkzeug aufzubringen, bei dem der Grundkörper aus einem leichter schmelzenden Werkstoff, wie beispielsweise aus einem Stahl besteht. Um die Betriebseigenschaften des verschleissfesten Überzuges, insbesondere die Verschleissfestigkeit und die

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Härte zu verbessern, werden in die Zusammensetzung zweckmässigerweise Legierungskomponenten eingeführt.

Bekannt ist ferner ein verschleissfester Überzug für ein Schneidwerkzeug, der mindestens eine auf den Grundkörper aufgebrachte Schicht der Legierungskomponenten enthaltenden Einlagerungsphase mit unterschiedlichem Gehalt an der nichtmetallischen Komponente über die Schichtdicke enthält.

Der Überzug besteht aus der Einlagerungsphase auf der Basis von Molybdäncarbiden und enthält Titan, Zirkonium und Wolfram als Legierungskomponenten. Die Hauptkomponenten der Einlagerungsphase, u.zw. Molybdän und Kohlenstoff, bilden dabei in der Überzugsschicht zwei Verbindungen: Molybdäncarbid (MojC) und Molybdänmonocar-bid (MoC). Somit sind in der Überzugsschicht neben der thermodynamisch besonders stabilen Phase Mo2C auch andere, thermodynamisch instabile Phasen, wie MoC vorhanden.

Die Heterogenität der Phasenzusammensetzung des Überzuges hat zur Folge, dass beim Betrieb des Schneidwerkzeugs unter hohen Temperaturen, die in der Schnittzone 600 bis 1000 °C erreichen können, die thermodynamisch instabilen Verbindungen sich in ihre Bestandteile (Molybdän und Kohlenstoff) spalten, wobei Mo2C gebildet wird. Derartige Umwandlungen, die im Überzug während des Betriebs des Schneidwerkzeugs erfolgen, sind damit verbunden, dass in der Überzugsschicht wesentliche Spannungen entstehen, durch die eine erhöhte Sprödigkeit der Schicht, ihr spontanes Aussplittern und Abspalten hervorgerufen und folglich die Beständigkeit des Überzuges verringert und somit die Standzeit des Schneidwerkzeugs verkürzt werden.

Bekannt ist auch ein Verfahren zum Aufbringen eines verschleissfesten Überzuges auf ein Schneidwerkzeug mittels Kondensation eines Werkstoffs durch Ionenbeschuss, welches darin besteht, dass eine Bogenentladung zum Verdampfen des Kathodenwerkstoffs im Vakuum erzeugt, eine Verlagerungsspannung an den Grundkörper des Schneidwerkzeugs angelegt, der Grundkörper durch Ionenbeschuss des verdampfenden Kathodenwerkstoffs erwärmt und gereinigt, die Verlagerungsspannung auf eine Spannung, bei der die Überzugsschicht gebildet wird, unter gleichzeitiger Herabsetzung der Temperatur des Grundkörpers reduziert, ein Reagenzgas, das mit dem verdampfenden Kathodenwerkstoff unter Bildung einer Einlagerungsphase der sich bildenden Überzugsschicht zusammenwirkt, bis zur Erzeugung der vorgegebenen Schichtdicke ins Vakuum geleitet wird.

Die Stufe der Bildung einer 5 bis 8 um dicken Schicht dauert im technologischen Beschichtungszyklus normalerweise 45 bis 60 min. Während dieser Zeit nimmt die Aktivität der Zusammenwirkung der Hauptkomponenten der Einlagerungsphase der sich bildenden Überzugsschicht ab, und als Folge werden neben den thermodynamisch stabilen Verbindungen thermodynamisch instabile yerbindungen gebildet. Ausserdem erfolgt die Bildung der Überzugsschicht bei einer Temperatur von 420 °C, bei der die Diffusion des Reagenzgases in den Grundwerkstoff genügend stark ist, wodurch der Gehalt an der nichtmetallischen Komponente in der eine Überzugsschicht bildenden Einlagerungsphase verringert wird und thermodynamisch instabile Verbindungen während der Zusammenwirkung mit dem verdampfenden Kathodenwerkstoff gebildet werden, durch die die Beständigkeit des Überzuges verringert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schneidwerkzeug einem verschleissfesten Überzug und ein Verfahren zu dessen Aufbringen zu schaffen, bei denen durch eine erhöhte Homogenität der einen Überzug bildenden Einlagerungsphase die Lebensdauer des verschleissfesten Überzuges

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und damit die Standzeit des Schneidwerkzeugs verlängert werden.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 3 gelöst.

Die Herstellung eines Schneidwerkzeuges sowohl mit einem einschichtigen als auch mit einem mehrschichtigen verschleissfesten Überzug aus thermodynamisch besonders stabilen Verbindungen der Einlagerungsphasen mit dem maximalen Enthalpiewert (—A H°) gestattet es, optimale physikalisch-mechanische Eigenschaften eines solchen Überzuges zu erzielen, die während des Betriebes des Schneidwerkzeuges beibehalten bleiben. Ferner wird die Beständigkeit des Überzuges im Durchschnitt um das zwei bis vierfache erhöht und damit die Standzeit des Schneidwerkzeuges verlängert.

Viele Metalle weisen in Verbindung mit Nichtmetallen entsprechend ihren Phasenzustandsdiagrammen mehrere thermodynamisch stabile Einlagerungsphasen auf. Im vorliegenden Fall ist mit einer besonders stabilen Verbindung gemeint, dass Einlagerungsphasen mit der grössten thermody-namischen Stabilität, also einer thermodynamisch hochstabilen Verbindung, aus der Anzahl von mehreren thermodynamisch stabilen Einlagerungsphasen gemäss der Erfindung auszuwählen sind.

Das Verfahren zum Aufbringen des verschleissfesten Überzuges auf das Schneidwerkzeug ermöglicht die Bildung eines solchen Überzuges, bei dem jede Schicht aus der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung besteht, ohne dass dabei die Kosten zusätzlich erhöht, die technologische Zyklusdauer verlängert und der Verbrauch an Mangelwerkstoffen erhöht werden.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von konkreten Ausführungsbeispielen erläutert:

Der verschleissfeste Überzug des Schneidwerkzeuges enthält mindestens eine Schicht einer Einlagerungsphase. Bekanntlich stellt die Einlagerungsphase eine hochschmelzende Verbindung eines Übergangsmetalls mit mindestens einem Nichtmetall, beispielsweise C, N, O oder B dar. Die Anzahl der Schichten, deren Dicke, deren Reihenfolge und die Zusammensetzung jeder Schicht können sehr unterschiedlich sein. Solche Zusammenhänge sind auf diesem Gebiet der Technik gut bekannt und hängen von den Anforderungen ab, die an das Werkzeug im Betriebszustand gestellt werden.

Bekanntlich gestattet es die mehrschichtige Struktur eines solchen Überzuges, im Überzug verschiedene Eigenschaften der Einlagerungsphasen zu kombinieren, aus denen die Einzelschichten gebildet werden.

Um die physikalisch-mechanischen Eigenschaften der Einlagerungsphasen zu verbessern, werden diesen Legierungskomponenten zugesetzt. Als Legierungszusätze werden in der Regel derartige Metalle, wie Magnesium, Molybdän, Wolfram, Niob, Chrom, Vanadium verwendet. Dabei soll mindestens eine der Legierungskomponenten der Einlagerungsphase als Katalysator bei der Bildung der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung wirken. Das bedeutet, dass jede Schicht aus einer Einlagerungsphase besteht, bei der der Gehalt an der nichtmetallischen Komponente im Homogenitätsbereich der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung liegt.

Das Verfahren zum Aufbringen eines verschleissfesten Überzuges auf das Schneidwerkzeug mittels Kondensation eines Werkstoffs durch Ionenbeschuss besteht im folgenden: Vorerst wird das Werkstück, d.h. der Grundkörper des Schneidwerkzeugs, von Verschmutzungen und Oxidfilmen auf bekannte Weise gereinigt und in eine Vakuumkammer mit darin angeordneten Kathoden eingebracht, deren Anzahl mit der die Überzugsschichten bildenden Einlagerungsphasen übereinstimmt. Jede Kathode enthält ein Übergangsmetall und Legierungskomponenten der die Überzugsschich3

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ten bildenden Einlagerungsphase. In der Kammer kann eine zusätzliche Kathode angeordnet werden, die nur für die Erwärmung und Reinigung des Grundkörpers eingesetzt wird. Ausserdem kann in der Kammer noch eine zusätzliche Kathode aus einem Werkstoff vorgesehen werden, der einen Katalysator für die Bildung der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung, d.h. der Einlagerungsphase des aufzubringenden Überzuges enthält.

Nach Beschickung mit Werkstücken wird die Kammer evakuiert und eine Bogenentladung für die Verdampfung des Kathodenwerkstoffs darin gezündet. Zuerst wird die Oberfläche der Grundkörper gereinigt und erwärmt. Dazu wird an die Grundkörper eine Verlagerungsspannung angelegt und die Kathode verdampft, die nur für die Reinigung und Erwärmung eingesetzt wird. Falls diese nicht vorhanden ist, wird diejenige Kathode verdampft, die für das Auftragen der ersten Schicht dient.

Auf diese Weise werden die Grundkörper gereinigt und ihre Oberfläche durch Beschuss mit Ionen des verdampfenden Kathodenwerkstoffs auf eine Temperatur erwärmt, bei der keine Entfestigung eintritt.

Danach wird die an die Grundkörper angelegte Verlagerungsspannung auf einen Wert reduziert, bei dem eine Kondensation des verdampfenden Kathodenwerkstoffs auf den Grundkörpern sichergestellt wird. Im Ergebnis sinkt die Temperatur der Grundkörper. Dabei wird die Verlagerungsspannung derart verringert, dass die Temperatur der Grundkörper auf eine solche Temperatur sinkt, bei der eine Überzugsschicht gebildet wird. Dann wird ein Reagenzgas in die Kammer geleitet, das mit dem verdampfenden Kathodenwerkstoff unter Bildung der Einlagerungsphase der sich bildenden Überzugsschicht zusammenwirkt. In die Kammer wird ebenfalls ein Katalysator für die Bildung der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung der Einlagerungsphase eingeführt.

Die Verwendung des Katalysators gestattet es, in Verhältnissen des Ungleichgewichts bei der Ausbildung der Überzugsschicht die Konzentration ihrer nichtmetallischen Komponente über die Schichtdicke im Homogenitätsbereich der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung aufrechtzuerhalten.

Der Katalysator wird in die Zusammensetzung des Werkstoffes der für das Aufbringen des Überzuges eingesetzten Kathode eingeführt oder es wird die zusätzliche Kathode verdampft, deren Werkstoff einen Katalysator enthält. Auf diese Weise wird eine Überzugsschicht gebildet, indem auf den Grundkörpern eine Temperatur aufrechterhalten wird, die für den Verlauf einer katalytischen Reaktion zur Bildung der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung ausreichend ist und bei der durch die Diffusionszusammenwirkung des Reagenzgases mit dem Grundwerkstoff ein Gehalt an der nichtmetallischen Komponente im Homogenitätsbereich der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung gewährleistet ist. Diese Temperatur soll hoch genug sein, um die Bildung dieser Verbindung auf der Oberfläche der Grundkörper zu ermöglichen und andererseits soll sie unter derjenigen Temperatur hegen, bei der das Reagenzgas durch den Grundwerkstoff intensiv aufgenommen wird, wodurch seine Menge nicht mehr ausreicht, um die thermodynamisch besonders stabile Verbindung zu bilden. Für jeden konkreten Grundwerkstoff wird diese Temperatur experimentell ermittelt.

Als Reagenzgas werden normalerweise Stickstoff, Methan, Sauerstoff oder Boran eingesetzt. Die Schichtdicke wird durch die Dauer der Reagenzgaszufuhr in die Kammer bestimmt. Bei der Bildung einer Schicht von vorgegebener Dicke wird die Zufuhr des Reagenzgases unterbrochen, die Verlagerungsspannung und die Bogenentladung ausgeschaltet. Danach werden die Schneidwerkzeuge in der Kammer auf Raumtemperatur abgekühlt.

Zum besseren Verständnis wird die vorliegende Erfindung an Hand von folgenden Ausführungsbeispielen erläutert.

Beispiel 1

Es wurden Spiralbohrer mit 5 mm Durchmesser aus Schnellarbeits-Gussstahl folgender Zusammensetzung (in Gew.%) hergestellt:

C 0,85 Cr 3,6 W 6,0

V 2,0 Mo 5,0 Fe Rest.

Das von Verschmutzungen vorgereinigte Los von 10 Bohrern wurde in Spezialkassetten untergebracht, die in der Vakuumkammer einer bekannten Anlage zum Aufbringen eines verschleissfesten Überzugs mittels Kondensation eines Werkstoffs durch Ionenbeschuss drehbar angeordnet wurden.

In der Kammer wurde eine Titankathode für die Reinigung der Schneidwerkzeuge sowie eine Kathode für die Bildung eines Überzugs angeordnet, die aus einer molybdän-haltigen Titanlegierung folgender Zusammensetzung (in Gew.%) hergestellt worden war:

Ti 93 Al 5,0 Mo 1,0

V 1,0.

Somit müssen die genannten Komponenten in der Zusammensetzung des verschleissfesten Überzuges enthalten sein.

Bei Erreichen eines Vakuums von 6,65 • 10-3 Pa in der Vakuumkammer wurde in dieser eine Bogenentladung zum Verdampfen des Werkstoffs der Kathode für die Reinigung der Grundkörper der Schneidwerkzeuge erzeugt. An die Bohrer wurde eine negative Verlagerungsspannung von 1100 V für die Beschleunigung von positiv geladenen Titanionen angelegt, mit denen die Reinigung und die Erwärmung der Grundkörper der Bohrer auf eine Temperatur von 520 °C durch den Beschuss erfolgt. Gleichzeitig wurde die Kassette in Drehung relativ zu den Kathoden mit einer Geschwindigkeit von 6 U/min gebracht. Dann wurde die Verlagerungsspannung auf 200 V reduziert, wobei die Erwärmungstemperatur der Grundkörper auf 400 °C gesenkt wurde. Dann wurde die Kathode für die Bildung der Überzugsschicht mit der Bogenentladung verdampft. Gleichzeitig wurde ein Reagenzgas in die Kammer geleitet und ein Druck von 4 • 10"1 Pa in der Kammer erzeugt. Als Reagenzgas wurde N2 eingesetzt, das auf den Grundkörpern bei der Zusammenwirkung mit dem verdampfenden Kathodenwerkstoff eine Überzugsschicht aus der Einlagerungsphase (Ti, Al, Mo, V) N bildete, in der der Gehalt an der nichtmetallischen Komponente N in einem Bereich von 15,0 Gew.% bis 22,0 Gew.%, d.h. im Homogenitätsbereich der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung liegt.

AI, Mo und V sind Legierungskomponenten in dieser Phase, wobei Mo als Katalysator bei der Bildung der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung wirkt. Sie sind im Werkstoff der Kathode für die Bildung der Überzugsschicht enthalten.

Das Reagenzgas wurde während 60 min bis zur Bildung einer 6 |im dicken Schicht des verschleissfesten Überzuges in die Kammer geleitet.

Dann wurde die Verlagerungsspannung von den Grundkörpern abgeschaltet, die Zufuhr des Reagenzgases abge4

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stellt, die Bogenentladung ausgeschaltet und die Kammer mit den darin angeordneten Bohrern auf Raumtemperatur abgekühlt.

Das Los von 10 Bohrern mit der verschleissfesten Be-schichtung wurde beim Bohren von Löchern in Stahl folgender Zusammensetzung:

C 0,42 bis 0,49 Gew.%

Fe Rest auf einer Senkrechtbohrmaschine bei folgenden Bohrverhältnissen:

Geschwindigkeit V = 45 m/min Vorschub s = 0,18 mm/U Bohrtiefe 1 = 3d worin d der Bohrerdurchmesser ist, geprüft. Das Kriterium der Abstumpfung war das Quietschen der Bohrer. Die durchschnittliche Anzahl der mit einem Bohrer gebohrten Löcher betrug 335.

Beispiel 2

Die Bohrer wurden wie im Beispiel 1 hergestellt und auf die Grundkörper der Schneidwerkzeuge wurde ein einschichtiger verschleissfester Überzug ähnlich wie im Beispiel 1 mit der Ausnahme aufgebracht, dass für die Bildung des Überzuges zwei Kathoden — die eine aus einer Legierung auf der Basis von Titan folgender Zusammensetzung (Gew.%) eingesetzt wurden:

Ti 91,0 Al 5,0 V 4,0 und die andere Kathode aus Mo.

Als Reagenzgas wurde CO2 verwendet, das bei der Zusammenwirkung mit dem Kathodenwerkstoff eine Einlagerungsphase (Ti, Al, V, Mo) CO bildete. Der Gehalt an der nichtmetallischen Komponente, d.h. der Gesamtgehalt an C und O, liegt in dieser Einlagerungsphase in einem Bereich von 14,0 Gew.% bis 19,0 Gew.%, d.h. im Homogenitätsbereich der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung. Dabei wirkt Molybdän als Katalysator bei der Bildung der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung. Molybdän wurde durch die Verdampfung der zusätzlichen Kathode ins Vakuum eingeführt. Ausserdem wurde die an die Grundkörper bei der Bildung des Überzuges angelegte Verlagerungsspannung nach Erwärmung der Grundkörper auf einen Wert von 190 V und die Erwärmungstemperatur der Grundkörper auf 350 °C reduziert.

Das Los von Bohrern mit dem verschleissfesten Überzug wurde ähnlich wie im Beispiel 1 geprüft. Prüfergebnis: die durchschnittliche Anzahl der mit einem Bohrer gebohrten Löcher betrug 350.

Beispiel 3

Es wurde ein Los ähnlicher Bohrer, wie im Beispiel 1 beschrieben, hergestellt und ein 6 um dicker mehrschichtiger Überzug in Form von 500 miteinander abwechselnden Schichten aus zwei Legierungskomponenten enthaltenden Einlagerungsphasen aufgebracht. Dazu wurden in der Vakuumkammer zwei Kathoden für die Ausbildung der Überzugsschichten angeordnet. Die eine Kathode bestand aus einer molybdänhaltigen Titanlegierung folgender Zusammensetzung (Gew.%):

Ti 93 Al 5,0 Mo 1,0.

Die andere Kathode war aus einer magnesiumhaltigen Aluminiumlegierung folgender Zusammensetzung (Gew.%) hergestellt worden:

AI 98,5 Si 0,5

Mg 0,5

Cu 0,5.

Die Verhältnisse für die Überzugsbildung sind ähnlich wie im Beispiel 1 mit der Ausnahme, dass die Verlagerungsspannung nach Erwärmung der Grundkörper auf 195 V und deren Erwärmungstemperatur auf 380 °C reduziert wurde.

Die Bildung des Überzuges aus sich abwechselnden Schichten der zwei Einlagerungsphasen erfolgte durch die Verlagerung der Bohrer relativ zu den Kathoden. In der Stellung, wenn sich die Bohrer in der Verdampfungszone der Kathode aus der molybdänhaltigen Titanlegierung befanden, wurden auf diesen Überzugsschichten gebildet, die aus der Einlagerungsphase (Ti, Al, Mo, V) N bestanden, in welcher der Gehalt der nichtmetallischen Komponente N in einem Bereich von 15,0 Gew.% bis 22,0 Gew.%, d.h. im Homogenitätsbereich der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung lag. Dabei diente Mo als Katalysator für die Bildung der genannten Verbindung. In der Stellung, wenn sich die Bohrer in der Verdampfungszone der Kathode aus der magnesiumhaltigen Aluminiumlegierung befanden, wurden auf diesen Überzugsschichten aus der Einlagerungsphase (Al, Mg, Cu, Si) N mit einem Gehalt der nichtmetallischen Komponente in einem Bereich von 21,2 Gew.% bis 21,3 Gew.%, d.h. im Homogenitätsbereich der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung, gebildet. Dabei diente Mg als Katalysator für die Bildung der genannten Verbindung.

Das Los der Bohrer mit der verschleissfesten Beschich-tung wurde ähnlich wie im Beispiel 1 getestet. Prüfergebnis: die durchschnittliche Anzahl der mit einem Bohrer gebohrten Löcher betrug 460.

Beispiel 4

Es wurde ein Los von ähnlichen Bohrern wie im Beispiel 1 hergestellt und ein 6 um dicker mehrschichtiger Überzug in Form von 450 miteinander abwechselnden Schichten aus zwei Einlagerungsphasen aufgebracht, von denen die eine Legierungskomponenten enthielt.

Dazu wurden in der Vakuumkammer zwei Kathoden für die Bildung der Überzugsschichten angeordnet. Die eine Kathode bestand aus einer molybdänhaltigen Titanlegierung mit der gleichen Zusammensetzung wie im Beispiel 1. Die andere Kathode war aus Chrom hergestellt worden.

Die Verhältnisse für die Bildung des Überzuges waren ähnlich wie im Beispiel 1.

Der Überzug aus 450 sich abwechselnden Schichten der zwei Einlagerungsphasen wurde durch Verlagerung der Bohrer relativ zu den Kathoden ähnlich wie im Beispiel 3 hergestellt, wobei die Drehgeschwindigkeit der Kassette 5,5 U/min betrug.

Bei der Verdampfung der Kathode aus der molybdänhaltigen Titanlegierung wurden Überzugsschichten gebildet, die aus der Einlagerungsphase wie im Beispiel 1 bestanden.

Beim Verdampfen der Chromkathode wurden Überzugsschichten aus der Einlagerungsphase CrN gebildet, in der der Gehalt der nichtmetallischen Komponente N in einem Bereich von 21,1 Gew.% bis 21,5 Gew.%, d.h. im Homogenitätsbereich der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung lag. Dabei diente Mo, das in der Zusammensetzung der vorherigen Schicht enthalten war, als Katalysator für die Bildung der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung der Einlagerungsphase CrN der nachfolgenden Schicht.

Das Los der Bohrer mit der verschleissfesten Beschich-tung wurde ähnlich wie im Beispiel 1 geprüft. Prüfergebnisse: die durchschnittliche Anzahl der mit einem Bohrer gebohrten Löcher betrug 465.

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Beispiel 5

Ein Los von Bohrern wurde aus einem Schnellarbeits-Pulverstahl als Grundkörper hergestellt, dessen Zusammensetzung im Beispiel 1 angegeben ist. Auf die Bohrer wurde ein 6 [im dicker mehrschichtiger Überzug in Form von 500 miteinander wechselnden Schichten aus zwei Legierungskomponenten enthaltenden Einlagerungsphasen aufgebracht.

Dafür wurden in der Vakuumkammer zwei Kathoden für die Bildung der Überzugsschichten angeordnet; die Zusammensetzung der einen Kathode war ähnlich wie im Beispiel I. Die andere Kathode bestand aus einer niobhaltigen Molybdänlegierung folgender Zusammensetzung (Gew.%):

Ti 1,0

Zr 0,5

Nb 1,5

C 0,5

Mo 96,5.

An die Bohrer wurde eine Verlagerungsspannung von 1000 V zur Beschleunigung von positiv geladenen Ti-Ionen angelegt, durch die deren Grundkörper gereinigt und durch Beschuss auf eine Temperatur von 500 °C erwärmt wurden. Gleichzeitig wurde die Kassette mit einer Geschwindigkeit von 6 TT/min in Drehung relativ zu den Kathoden gebracht.

Danach wurde die Verlagerungsspannung auf 180 V reduziert und die Erwärmungstemperatur der Grundkörper auf 300 °C gesenkt.

Dann wurde der Werkstoff der Kathoden für die Bildung der Überzugsschichten mittels einer Bogenentladung yer-dampft. Gleichzeitig wurde Methan GEL» in die Vakuumkammer geleitet und ein Druck von 40 • 10"1 Pa in dieser erzeugt. Das Methan bildet bei der Zusammenwirkung mit dem verdampfenden Kathodenwerkstoff einen Überzug aus sich abwechselnden Einlagerungsphasen (Ti, Al, Mo, V) C und (Mo, Ti, Zr, Nb)2C auf den Grundkörpern.

In der Einlagerungsphase (Ti, Al, Mo, V) C dienten Al, Mo und V als Legierungskomponenten, wobei Mo als Katalysator bei der Bildung der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung mit einem Gehalt an der nichtmetallischen Komponente C in einem Bereich von 12,5 Gew.% bis 19,0 Gew.%, d.h. im Homogenitätsbereich der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung, wirkte.

In der Einlagerungsphase (Mo, Ti, Zr, Nb)2C dienten Ti, Zr, Nb als Legierungskomponenten, wobei Nb als Katalysator bei der Bildung der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung mit einem Gehalt an der nichtmetallischen Komponente C von 5,5 Gew.% bis 5,8 Gew.% wirkte, der im Homogenitätsbereich der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung lag. Das Reagenzgas wurde während 60 min bis zur Bildung eines 6 (im dicken Überzuges zugeführt. Danach wurde die Verlagerungsspannung von den Grundkörpern abgenommen, die Methanzufuhr abgestellt, die Bogenentladung ausgeschaltet und die Kammer mit den darin angeordneten Bohrern auf Raumtemperatur abgekühlt.

Das Los der Bohrer wurde ähnlich wie im Beispiel 1 geprüft. Prüfergebnisse: die durchschnittliche Anzahl der mit einem Bohrer gebohrten Löcher betrug 290.

Beispiel 6

Ein Los von Bohrern wurde aus einem Schnellarbeits-Pulverstahl als Grundkörper hergestellt, dessen Zusammensetzung im Beispiel 1 angegeben ist.

Für das Aufbringen des Überzugs aus 500 miteinander abwechselnden Schichten aus zwei Einlagerungsphasen wurden Kathoden eingesetzt, deren Zusammensetzung mit der im Beispiel 5 identisch ist, und als Reagenzgas wurde Stickstoff N2 verwendet. An die Bohrer wurde eine negative Verlagerungsspannung von 1000 V angelegt und die Grundkörper auf eine Temperatur von 500 °C erwärmt. Danach wurde die Verlagerungsspannung auf 190 V reduziert und die Erwärmungstemperatur der Grundkörper auf 350 °C gesenkt.

Der auf die Grundkörper des Schneidwerkzeugs aufgebrachte verschleissfeste Überzug enthielt die miteinander wechselnden Schichten der Einlagerungsphase (Ti, Al, Mo, V) N, die mit den im Beispiel 1 beschriebenen identisch waren, sowie Schichten der Einlagerungsphase (Mo, Ti, Zr, Nb^CN mit einem Gehalt an der nichtmetallischen Komponente von 6,5 Gew.% bis 6,6 Gew.%, der im Homogenitätsbereich der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung hegt. In dieser Phase dienten Ti, Zr, Nb als Legierungskomponenten, wobei Nb als Katalysator für die Bildung der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung diente.

Das Los der Bohrer wurde ähnlich wie im Beispiel 1 geprüft. Prüfergebnisse: die durchschnittliche Anzahl der mit einem Bohrer gebohrten Löcher betrug 410.

Beispiel 7

Der Überzug mit der gleichen Zusammensetzung wie im Beispiel 6 wurde auf das gleiche Schneidwerkzeug wie im Beispiel 6 mit der Ausnahme aufgebracht, dass die Verlagerungsspannung bei der Bildung des Überzuges auf 185 V und die Erwärmungstemperatur der Grundkörper auf 320 °C reduziert wurden.

Das Los der Bohrer wurde ähnlich wie im Beispiel 1 geprüft. Prüfergebnisse: die durchschnittliche Anzahl der mit einem Bohrer gebohrten Löcher betrug 380.

Beispiel 8

Ein Los von 10 Schneidplatten wurde aus einer Komposition auf der Basis einer hochschmelzenden Verbindung BN mit einer Härte von HV 5500 bis 9500 hergestellt, und eine Schicht des verschleissfesten Überzuges wurde ähnlich wie im Beispiel 1 mit der Ausnahme aufgebracht, dass für die Reinigung und Erwärmung der Grundkörper der Schneidwerkzeuge sowie für die Bildung des Überzuges die gleiche Kathode eingesetzt wurde, die aus einer molybdänhaltigen Titanlegierung folgender Zusammensetzung (Gew.%) hergestellt worden war:

. Mo 1,0 AI 5,03 V 1,0 Zr 2,0 Ti 91.

An die Grundkörper wurde eine Verlagerungsspannung von 1500 V angelegt, wobei sie auf 680 °C erwärmt wurden. Die Verlagerungsspannung wurde auf 280 V und die Erwärmungstemperatur der Grundkörper auf 550 °C reduziert. Als Reagenzgas wurde Stickstoff N2 eingesetzt, der auf den Grundkörpern bei der Zusammenwirkung mit dem verdampfenden Kathodenwerkstoff eine Einlagerungsphase (Ti, Mo, Al, V, Zr) N mit einem Gehalt an der nichtmetallischen Komponente N von 15,5 Gew.% bis 22,0 Gew.% bildete, der im Homogenitätsbereich der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung liegt.

Mo, Al, V, Zr dienten in dieser Einlagerungsphase als Legierungskomponenten, wobei Mo als Katalysator bei der Bildung der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung wirkte.

Das Los der Schneidplatten mit der verschleissfesten Be-schichtung wurde bei der Schlichtbearbeitung von Stahl folgender Zusammensetzung geprüft:

C 0,36 bis 0,44 Gew.%

Si 0,17 bis 0,37 Gew.%

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Mn 0,50 bis 0,80 Gew.%

Cr 0,80 bis 1,10 Gew.%

Fe Rest.

Mit einem mit den Schneidplatten bestückten Ausbohr-meissel wurden Bohrungen im Spindelstock einer Drehbank bei folgenden Schnittwerten fertiggebohrt: n — Spindeldrehzahl 1000 U/min,

s — Vorschub 0,3 mm/U,

t — Schnittiefe 0,5 mm.

Die Standzeit der Schneidplatten wurde nach der Anzahl der Werkstücke beurteilt, die mit jeder Platte bis zu ihrem technologischen Verschleiss bearbeitet worden waren.

Die durchschnittliche Anzahl der mit einer Schneidplatte fertiggebohrten Bohrungen betrug 140.

Beispiel 9

Ein Los von 10 Schneidplatten wurde aus einer Komposition auf der Basis der hochschmelzenden Verbindung TiB2 mit einer Härte von HRa 86—92 hergestellt und eine Schicht des verschleissfesten Überzuges wurde ähnlich wie im Beispiel 1 mit der Ausnahme aufgebracht, dass als Werkstoff der Kathode für die Bildung der Überzugsschicht eine molybdänhaltige Nioblegierung folgender Zusammensetzung (Gew.%) eingesetzt wurde:

Mo 4,0 Zr 1,0 C 0,12 Nb 94,82.

An die Grundkörper wurde eine Verlagerungsspannung von 1500 V unter Erwärmung auf 680 °C angelegt. Die Verlagerungsspannung wurde auf 350 V und die Erwärmungstemperatur der Grundkörper auf 650 °C reduziert.

Als Reagenzgas wurde Stickstoff verwendet, der auf den Grundkörpern bei der Zusammenwirkung mit dem verdampfenden Kathodenwerkstoff einen Überzug aus der Einlagerungsphase (Nb, Zr, Mo)2CN bildete. Der Gehalt an der nichtmetallischen Komponente CN lag in einem Bereich von 6,0 Gew.% bis 7,0 Gew.%, d.h. im Homogenitätsbereich der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung.

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Mo und Zr sind in dieser Einlagerungsphase Legierungskomponenten, wobei Mo als Katalysator für die Bildung der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung diente.

Das Los der Schneidplatten mit der verschleissfesten Be-schichtung wurde ähnlich wie im Beispiel 8 geprüft. Prüfergebnisse: die durchschnittliche Anzahl der mit einer Schneidplatte fertiggebohrten Bohrungen betrug 100.

Beispiel 10

Ein Los von 10 Schneidplatten wurde aus einer Komposition auf der Basis der hochschmelzenden Verbindung TiC, d.h. mit einer Härte HRa von 88 bis 94 hergestellt und eine Überzugsschicht wurde ähnlich wie im Beispiel 1 mit der Ausnahme aufgebracht, dass als Werkstoff der Kathode für die Bildung der Überzugsschicht eine molybdänhaltige Titanlegierung folgender Zusammensetzung (Gew.%) verwendet wurde:

AI 5,0 Mo 1,0 V 1,0 Zr 2,0 Ti 91.

An die Grundkörper wurde eine Verlagerungsspannung von 1500 V angelegt, wobei diese auf eine Temperatur von 680 °C erwärmt wurden. Die Verlagerungsspannung wurde auf 300 V reduziert und die Erwärmungstemperatur der Grundkörper auf 600 °C gesenkt. Als Reagenzgas wurde Boran B4H10 eingesetzt, das auf den Grundkörpern bei der Zusammenwirkung mit dem verdampfenden Kathodenwerkstoff einen Überzug aus der Einlagerungsphase (Ti, Al, Mo, V, Zr)B2 bildete; der Gehalt an der nichtmetallischen Komponente B2 lag in einem Bereich von 31,0 Gew.% bis 31,2 Gew.%, d.h. im Homogenitätsbereich der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung. Al, Mo, V, Zr waren Legierungskomponenten in der genannten Einlagerungsphase, wobei Mo als Katalysator für die Bildung der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung diente.

Die Schneidplatten mit der verschleissfesten Beschich-tung wurden ähnlich wie im Beispiel 8 geprüft. Prüfergebnisse: die durchschnittliche Anzahl der mit einer Schneidplatte bearbeiteten Bohrungen betrug 160.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Schneidwerkzeug mit einem verschleissfesten Überzug, der mindestens eine auf den Grundkörper des Schneidwerkzeuges aufgebrachte Schicht der Legierungskomponenten enthaltenden Einlagerungsphase mit unterschiedlichem Gehalt einer nichtmetallischen Komponente über die Schichtdicke aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt der .nichtmetallischen Komponente in der Einlagerungsphase im Homogenitätsbereich einer thermodynamisch hochstabilen Verbindung dieser Einlagerungsphase liegt.
2. Schneidwerkzeug mit einem verschleissfesten Überzug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Überzug zusätzliche Schichten entsprechend der Anzahl der Hauptschichten enthält, die sich mit den Hauptschichten abwechseln und jede von ihnen aus der Einlagerungsphase mit einem Gehalt der nichtmetallischen Komponente besteht, der im Homogenitätsbereich einer thermodynamisch hochstabilen Verbindung der Einlagerungsphase liegt.
3. Verfahren zum Aufbringen des verschleissfesten Überzuges auf ein Schneidwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2 mittels Kondensation eines Werkstoffes durch Ionenbeschuss, wobei ein Kathodenwerkstoff in einem Vakuum durch Bo-genentladung verdampft, eine Verlagerungsspannung an den Grundkörper des Schneidwerkzeuges angelegt, der Grundkörper durch Beschuss mit Ionen des verdampfenden Kathodenwerkstoffes erwärmt und gereinigt und die Verlagerungsspannung auf einen Wert abgesenkt wird, bei dem eine Überzugsschicht unter gleichzeitiger Absenkung der Temperatur des Grundkörpers gebildet wird und wobei ferner ein mit dem verdampfenden Kathodenwerkstoff unter Bildung der Einlagerungsphase der sich bildenden Überzugsschicht zusammenwirkendes Reagenzgas bis zur Erzeugung einer Schicht vorgegebener Dicke dem Vakuum zugeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Katalysator zur Bildung der thermodynamisch hochstabilen Verbindung der Einlagerungsphase der sich durch die Verdampfung des Kathodenwerkstoffes bildenden Überzugsschicht dem Vakuum zugeleitet und die Bildung der Überzugsschicht bei einer solchen Erwärmungstemperatur des Grundkörpers durchgeführt wird, die für den Verlauf einer katalytischen Reaktion zur Bildung der thermodynamisch hochstabilen Verbindung der Einlagerungsphase ausreicht, bei der durch die Diffusionszusammenwirkung des Reagenzgases mit dem Grundwerkstoff ein Gehalt der nichtmetallischen Komponente im Homogenitätsbereich der thermodynamisch hochstabilen Verbindung gewährleistet ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Überzugsschicht auf einem aus einem Schnellar-beits-Gussstahl bestehenden Grundkörper bei einer Erwärmungstemperatur des Grundkörpers von 350 bis 400 °C gebildet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Überzugsschicht auf einem aus einem Schnellar-beits-Pulverstahl bestehenden Grundkörper bei einer Erwärmungstemperatur des Grundkörpers von 300 bis 350 °C gebildet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Überzugsschicht auf einem aus einem nichtmetallischen, hochschmelzenden Werkstoff bestehenden Grundkörper bei einer Temperatur von 550 bis 650 °C gebildet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bildung der Überzugsschicht aus der Einlagerungsphase auf der Basis von Titannitrid, Titancarbid, Titanoxycarbid oder Titandiborid molybdän-haltige Titanlegierungen; aus der Einlagerungsphase auf der Basis von Chromnitrid molybdänhaltige Chromlegierungen; aus der Einlagerungsphase auf der Basis von Niobcarboni-

trid molybdänhaltige Nioblegierungen; aus der Einlagerungsphase auf der Basis von Aluminiumnitrid magnesium-haltige Aluminiumlegierungen; aus der Einlagerungsphase auf der Basis von Molybdäncarbid oder Molybdäncar-bonitrid niobhaltige Molybdänlegierungen als Kathodenwerkstoff eingesetzt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Katalysator für die Bildung der Hauptschichten mindestens eine der Legierungskomponenten der Einlagerungsphase der Hauptschichten verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bildung einer Übergangsschicht des Überzuges als Katalysator mindestens eine Legierungskomponente der Einlagerungsphase der vorherigen Hauptschicht verwendet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bildung der Überzugsschicht aus der Einlagerungsphase auf der Basis von Titannitrid, Titanoxycarbid, Titancarbid, Titandiborid, Chromnitrid oder Niobear-bonitrid Molybdän als Katalysator zur Bildung der thermodynamisch hochstabilen Verbindung verwendet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bildung der Überzugsschicht aus der Einlagerungsphase auf der Basis von Aluminiumnitrid Magnesium als Katalysator zur Bildung der thermodynamisch hochstabilen Verbindung verwendet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bildung der Überzugsschicht aus der Einlagerungsphase auf der Basis von Molybdäncarbid oder Molybdäncarbonitrid Niob als Katalysator zur Bildung der thermodynamisch hochstabilen Verbindung verwendet wird.