DD288629A5 - Verschleissfester ueberzug und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen verschleiszfesten UEberzug und Verfahren zu seiner Herstellung. Objekte, auf die sich die Erfindung bezieht, sind Werkzeuge und Verschleiszteile aus Metallen, Hartmetallen oder Keramik. Besonders zweckmaeszig ist ihre Anwendung bei Schneidwerkzeugen fuer die spanende Formgebung. Erfindungsgemaesz besteht der UEberzug aus einer Folge von alternierenden Einzelschichten mit einer Einzelschichtdicke zwischen 0,2 und 1 mm und einer Gesamtschichtdicke zwischen 2 und 50 mm, wobei benachbarte Einzelschichten eine unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen, und wird hergestellt durch Gasphasenabscheidung, indem die Ausgangsgasmischung mit einem Verhaeltnis der Stoffmengenanteile von VCl4 oder VOCl3 zu Zr und/oder Hf im Bereich von 0,0025 bis 0,0125 waehrend des gesamten Abscheideprozesses der Schichtkombination mit unveraenderter Zusammensetzung sowie unveraenderten Abscheideparametern kontinuierlich zugefuehrt wird.{verschleiszfester UEberzug; Verschleiszteile; Hartmetalle; Schneidwerkzeuge; alternierende Einzelschichten; Gesamtschichtdicke; unterschiedliche Zusammensetzung; Gasphasenabscheidung; Schichtkombination; Abscheideparameter}
Description
Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf den Verschleißschutz. Ihre Anwendung ist bei Werkzeugen und Verschleißteilen aus Metallen, Hartmetallen oder Keramik möglich. Besonders zweckmäßig ist ihre Anwendung bei Schneidwerkzeugen für die spanende Formgebung.
Es ist bekannt, Werkzeuge und Verschleißteile durch Gasphasenabscheidung mit verschleißhemmenden mehrlagigen Hartstoffschichten unterschiedlicher Zusammensetzung (Schichtkombination aus Karbiden, Oxiden, Nitriden, Karbonitriden, Oxikarbiden, Oxinitriden oder Oxikarbonitriden der Metalle Al und Ti) zu versehen (DE-OS 2253745, DE-OS 2525185). Der Nachteil der so beschichteten Teile besteht darin, daß es aufgrund der zu geringen Haftfestigkeit der Schichten zum Verbundkörper zu einer Verringerung der Verschleißfestigkeit kommt. Dieser Mangel wird nach der DE-AS 2917348 durch Aufbringen einer Hartstoffschicht aus sehr vielen (30 bis ca. 750) dünnen Einzelschichten mit einer Dicke von jeweils 0,02 bis 0,1 pm vermindert. Das wird realisiert durch eine entsprechend der jeweilig abzuscheidenden Einzelschicht ständig wechselnde Ausgangsgasmischung.
Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht im hohen technologischen Aufwand und langen Beschichtungszeiten. Ursache dafür sind die zur Schichtherstellung notwendigen sehr kleinen Schichtwachstumsgeschwindigkeiten, die nur im Unterdruckverfahren aufgrund des geringen Stoffangebotes pro Zeiteinheit technisch realisiert werden können. Ein Mangel dieser Schichten besteht in der verminderten mechanischen Festigkeit durch auftretende epitaktische Verwachsungen und Stengelkristalle. Die Ursache, die zum Auftreten von epitaktischen Verwachsungen und Stengelkristallen führt, ist in den sehr kleinen Schichtwachstumsraten zu suchen, die jedoch zur Herstellung dieser Schichten notwendig sind.
Ziel der Erfindung
Das Ziel der Erfindung besteht in der Erhöhung der Verschleißfestigkeit der beschichteten Verbundkörper, Erhöhung der mechanischen Festigkeit der Schichten und in der Absenkung des technologischen Aufwandes bei der Schichtherstellung.
Darlegung des Wesens der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verschleißfesten Überzug anzugeben, der eine hohe Haftfestigkeit zum Verbundkörper aufweist und bei dem keine epitaktischen Verwachsungen und Stengelkristalle auftreten sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung vorzuschlagen, das mit hohen Schichtwachstumsgeschwindigkeiten und im Normaldruckverfahren durchführbar ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Überzug, bestehend aus Zr-V- oder Hf-V- oder Zr-Hf-V-Carbiden, -oxicarbiden, -carbonitriden, -oxicarbonitriden, -nitriden oder -oxinitriden, aus einer Folge von alternierenden Einzelschichten mit einer Einzelschichtdicke zwischen 0,2 und 1,0pm besteht, die Gesamtschichtdicke zwischen 2 und 50 pm liegt und benachbarte Einzelschichten eine unterschiedliche Zusammensetzung besitzen.
Dieser Überzug wird hergestellt mittels Halogeniden von Zr oder Hf, H2, einem oder mehreren Kohlenwasserstoffen, N2 oder NH3 und VCI4 oder VOCI3 im Temperaturbereich von 800-1200°C durch Abscheidung aus der Gasphase.
Erfindungsgemäß wird die Ausgangsmischung mit einem Verhältnis der Stoffmengenanteile von VCI4 oder VOCt3 zu Zr und/oder Hf im Bereich von 0,0025 bis 0,0125 während des gesamten Abscheideprozesses der Schichtkombination mit unveränderter Zusammensetzung sowie unveränderten Abscheideparametern kontinuierlich zugeführt. Es wurde überraschend gefunden, daß in dem angegebenen Konzentrationsbereich trotz Konstanthalten dieser Ausgangsgasmischung und der Abscheidungstemperatur ein Überzug entsteht, der aus einer Folge alternierender Einzelschichten mit unterschiedlicher Zusammensetzung entsteht, was auf einen oszillierenden Abscheidungsmechanismus schließen läßt. Das Konstanthalten der Verfahrensparameter hat den Vorteil, daß eine hohe Reproduzierbarkeit der Abscheidung garantiert ist, da Störungen des Wachstumsprozesses, die u. a. bei Änderung der Verfahrensparameter an den Wachstumsfronten auftreten, entfallen. Vorteilhaft ist auch, daß das Abscheidungsverfahren in jeder Normaldruck-CVD-Anlage ohne zusätzlichen technologischen Aufwand realisiert werden kann.
Transmissionselektronenmikroskopische Untersuchungen dieser Überzüge haben gezeigt, daß die Phasengrenzen zwischen den Einzelschichten überwiegend kohärent sind, was nach HOLLEK (H. HOLLEK, Z. Werkstofftechn. 17(1986] 334) sich günstig auf das Härte/Zähigkeits-Verhältnis V auswirkt. Vergleichende Biegebruchuntersuchungen mit akustischer Emissionsanalyse zwischen Zr- bzw. Hf-Karbidmonoschichten und den erfindungsgemäßen Überzügen ergaben, daß Einsatzdehnung (Beginn der ersten Rißentwicklungen) und Biegebruchfestigkeit letztgenannter höhere Werte erreichen. Dadurch wird es möglich, Hartmetallwerkzeuge, die mit diesen erfindungsgemäßen Überzügen beschichtet wurden, erfolgreich einzusetzen bei schweren und unterbrochenen Schnitten in der Dreh- und Fräsbearbeitung von Eisenwerkstoffen.
Ausführungsbeispiele
Ein Hartmetallgrundkörper wird in einem CVD-Reaktor eingebracht und unter Argon auf 1050cC erwärmt. Dann wird bei Normaldruck in den Reaktor eine Gasmischung der Zusammensetzung
ZrCI4 8 Stoffmengenanteile in %
VOCI3 0,04 Stoffmengenanteile in %
C6H6 1,1 Stoffmengenanteile in %
H2 Rest
eingeleitet. Nach einer Beschichtungszeit von 40min hat sich eine 10μιη dicke, festhaftende Hartstoffschicht gebildet, die aus etwa 20 Einzelschichten etwa gleicher Schichtdicke aufgebaut ist. Eine röntgenografische Phasenanalyse ergab, daß das Schichtsystem aus kubischem ZrCxOy und kubischem VCx(Oy) besteht (y < x). Ergänzende Untersuchungen mittels TEM zeigten, daß das Mengenverhältnis ZrCxOZVCxOy benachbarter Einzelschichten unterschiedlich ist. Es konnte eine alternierende Folge von ZrCxOy-reichen und ZrCxOy-armen Einzelschichten festgestellt werden.
Auf eine Wendeschneidplatte der Zusammensetzung 88 Massenanteile CrC, 2,0 Massenanteile TiC, 4 Massenanteile TaC/NbC und 6 Massenanteile Co wird nach dem CVD-Verfahren bei Normaldruck eine 10 цт dicke Hf-V-Oxicarbonitridschicht mit einer Gasmischung der Zusammensetzung
HfCI4 7,5 Stoffmengenanteile
C6H6 1,1 Stoffmengenanteile
C7H16 0,1 Stoffmengenanteile
VOCI3 0,05 Stoffmengenanteile
N2 10 Stoff mengenanteile
H2 Rest
aufgebracht. Der Schichtaufbau dieser Hartstoffschicht ist analog dem 1. Ausführungsbeispiel. Schneidversuche mit dieser beschichteten Wendeschneidplatte mit C60 als Gegenwerkstoff zeigen bei ν — 140 m/min, s = 0,8mm/U und а = 2,5mm (P25/P30-Bereich) eine Verschleißmarkenbreite von 0,25mm nach 25min Schnittzeit. Eine vergleichbare ZrCxNv-Schicht ohne ѴОСІз-Zusatz zeigt diese Verschleißmarkenbreite bereits nach 15min.
Auf eine Wendeschneidplatte mit 68,3 Massenanteile WC, 16,8 Massenanteile TiC, 7,9 Massenanteile TaC/NbC und 7 Massenanteile Co wird auf bekannte Art und Weise eine 8μηη dicke TiCxNy-Hartstoffschicht abgeschieden. Anschließend wird ein Gasgemisch folgender Zusammensetzung 10 min lang bei 10700C über die beschichtete Wendeplatte geleitet.
ZrCI4 8,5 Stoffmengenanteile
VOCI3 0,03 Stoffmengenanteile
C7H16 0,1 Stoffmengenanteile
C6H6 1,1 Stoffmengenanteile
N2 6 Stoffmengenanteile
H2 Rest
Es hat sich eine 2 μηι dicke ZrCxOyN1ZVCxOyN1 mit 6 Einzelschichten gleicher Schichtstärke gebildet. Schneidversuche mit diesem Schichtsystem mit X8CrNiTi 1810 als Gegenwerkstoff zeigen bei у = ЮОтт/тіп, s = 0,6mm/U und а = 2mm (M 20) gegenüber einer Wendeschneidplatte gleicher Zusammensetzung und einer TiCxNy-Monoschicht eine >30% höhere Verschleißfestigkeit.
Claims (2)
1. Verschleißfester Überzug auf metallischer, hartmetallischer oder keramischer Unterlage, insbesondere für Schneidwerkzeuge und Verschleißteile, aus Zr-V- oder Hf-V- oder Zr-Hf-V-Carbiden, -oxicarbiden, -carbonitriden, -oxicarbonitriden, -nitriden oder -oxinitriden, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug aus einer Folge alternierender Einzelschichten mit einer Einzelschichtdicke von 0,2μιη-1 pm besteht, die Dicke der Gesamtschicht zwischen 2 und 50 pm liegt und benachbarte Einzelschichten eine unterschiedliche Zusammensetzung besitzen.
2. Verfahren zur Herstellung eines verschleißfesten Überzuges auf metallischer, hartmetallischer oder keramischer Unterlage, insbesondere für Schneidwerkzeuge und Verschleißteile, aus Zr-V- oder HF-V- oder Zr-Hf-V-Carbiden, -oxicarbiden, -carbonitriden, -oxicarbonitriden, -nitriden oder -oxinitriden, der aus einer Folge alternierender Einzelschichten mit einer Einzelschichtdicke von 0,2μιη-1 μητι besteht, dessen Gesamtschichtdicke zwischen 2 pm und 50pm liegt und bei dem benachbarte Einzelschichten eine unterschiedliche Zusammensetzung besitzen, mittels Halogeniden von Zr oder Hf, H2, einem oder mehreren Kohlenwasserstoffen, N2 oder NH3 und ѴСЦ oder VOCI3 im Temperaturbereich von 800-12000C durch Abscheidung aus der Gasphase, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsgasmischung mit einem Verhältnis der Stoffmengenanteile von VCI4 oder VOCI3 zu Zr und/oder Hf im Bereich von 0,0025 bis 0,0125 während des gesamten Abscheideprozesses der Schichtkombination mit unveränderter Zusammensetzung sowie unveränderten Abscheidparametern kontinuierlich zugeführt wird.
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1998031846A1 (de) * | 1997-01-21 | 1998-07-23 | Widia Gmbh | Verbundkörper und verfahren zu seiner herstellung |
-
1989
- 1989-10-23 DD DD33380589A patent/DD288629A5/de not_active IP Right Cessation
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