DD288630A5

DD288630A5 - WEAR-RESISTANT COVER AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF

Info

Publication number: DD288630A5
Application number: DD33379989A
Authority: DD
Inventors: Karl Bartsch; Albrecht Leonhardt; Erich Wolf; Manfred Schoenherr; Joachim Henke
Original assignee: Akademie Der Wissenschaften,De; Zi Fuer Festkoerperphysik Und Werkstofforschung Der Adw,De
Priority date: 1989-10-23
Filing date: 1989-10-23
Publication date: 1991-04-04

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 von 0,2 bis 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 Ti zu Zr und/oder Hf im Bereich von 0,1 bis 0,4 waehrend des gesamten Abscheideprozesses der Schichtkombination mit unveraenderter Zusammensetzung sowie unveraenderten Abscheideparameter kontinuierlich zugefuehrt wird.{verschleiszfester UEberzug; Verschleiszteile; Hartmetalle; Schneidwerkzeuge; alternierende Einzelschichten; Gesamtschichtdicke; unterschiedliche Zusammensetzung; Gasphasenabscheidung; Schichtkombination; Abscheideparameter}The invention relates to a wear-resistant coating and method for its production. Objects to which the invention relates are tools and wear parts made of metals, hard metals or ceramics. Especially zweckmaeszig is their application in cutting tools for cutting shaping. According to the invention, the coating consists of a series of alternating single layers with a single layer thickness of 0.2 to 1 mm and a total layer thickness of between 2 and 50 mm, with adjacent single layers having a different composition, and is produced by vapor deposition by treating the starting gas mixture with a ratio of Constant molar ratios of Ti to Zr and / or Hf in the range from 0.1 to 0.4 during the entire deposition process of the layer combination with unchanged composition and unchanged deposition parameters is continuously fed. {Verschleiszfester UEberzug; Verschleiszteile; Hard metals; Cutting tools; alternating single layers; Total layer thickness; different composition; Vapor deposition; Layer combination; deposition parameters}

Description

According to the invention the object is achieved in that the coating consisting of carbides and / or nitrides and / or

oder Ti, Zr und Hf, aus einer Folge von alternierenden Einzelschichten mit einer Einzelschichtdicke zwischen 0,2 und 1,0μηι besteht, die Gesamtschichtdicke zwischen 2 und 50um Hegt und benachbarte Einzelschichten eine unterschiedliche Zusammensetzung besitzen.or Ti, Zr and Hf, consists of a series of alternating single layers with a single layer thickness between 0.2 and 1.0μηι, the total layer thickness between 2 and 50um Hegt and adjacent individual layers have a different composition.

Dieser Überzug wird hergestellt durch Gasphasenabscheidung aus Gasgemischen der Halogenide des Ti und Zr oder Ti und Hf oder Ti, Zr und Hf, H₂ und einem oder mehreren Kohlenwasserstoffen oder CO₂ und/oder CO und einem oder mehreren Kohlenwasserstoffen und/oder N₂ bzw. stickstoffhaltigen Verbindungen bei Temperaturen zwischen 900⁰C und 1200°C. Erfindungsgemäß wird die Ausgangsgasmischung mit einem Verhältnis der Stoffmengenanteile von Ti zu Zr und/oder Hf im Bereichvon 0,1 bis 0,4 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 der Abscheidungsparameter alternierende Schichtfolgen mit unterschiedlicher Zusammensetzung benachbarter Schichten abgeschieden werden, was auf einen oszillierenden Abscheidemechanismus hinweist. Bei diesen Konzentrationen entsteht ein selbstregulierendes System der Schlchtabscheidung. Die erhaltenen Schichten, die eine hohe Regelmäßigkeit zeigen, zeichnen sich durch einer verbesserte Haftfestigkeit und ein verbessertes Verschleißverhalten gegenüber herkömmlichen Mehrlagenbeschichtungen aus, insbesondere bei schweren Schnitten bei der Zerspanung von unlegierten und legierten Stählen. Das Konstanthalten der Verfahrensparameter bei der Abscheidung garantiert eine gute Reproduzierbarkeit der Abscheidung, das 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 zusätzlich technologischen Aufwand realisiert v/erden kann und die Abscheidungsgeschwiri'digkeit hoch ist.This coating is produced by vapor deposition from gas mixtures of the halides of Ti and Zr or Ti and Hf or Ti, Zr and Hf, H ₂ and one or more hydrocarbons or CO ₂ and / or CO and one or more hydrocarbons and / or N ₂ or Nitrogen-containing compounds at temperatures between 900 ⁰ C and 1200 ° C. According to the invention, the starting gas mixture with a ratio of the molar proportions of Ti to Zr and / or Hf in the range from 0.1 to 0.4 is fed continuously during the entire deposition process to the layer combination with unchanged composition and unchanged precipitation parameters. It has surprisingly been found that in the specified concentration range, despite keeping the deposition parameters constant, alternating layer sequences with different composition of adjacent layers are deposited, which points to an oscillating deposition mechanism. At these concentrations, a self-regulating system of slag separation arises. The layers obtained, which show a high degree of regularity, are distinguished by improved adhesive strength and improved wear behavior in comparison with conventional multilayer coatings, especially in the case of heavy cuts in the cutting of unalloyed and alloyed steels. Keeping the process parameters constant during the deposition guarantees a good reproducibility of the deposition, which eliminates disturbances of the growth process which occur inter alia when the process parameters on the growth fronts change. It is also advantageous that the deposition process in each normal-pressure CVD plant can be realized without additional technological effort and the deposition efficiency is high.

embodiment

Hartmetallwendeschneidplatten der Zusammensetzung 76,9% WC, 7,2% TiC, 7,2% TaC und 8,7% Co werden in einem CVD-Reaktor unter Argon auf 1050⁰C erwärmt. Bei Normaldruck wird zunächst in bekannter Weise θΐηθ4μπι starke TiCN-Schicht abgeschieden. Anschließend wird eine Gasmischung der ZusammensetzungHard metal carbide inserts of composition 76.9% WC, 7.2% TiC, 7.2% TaC and 8.7% Co are heated in a CVD reactor under argon to 1050 ⁰ C. At normal pressure θΐηθ4μπι strong TiCN layer is first deposited in a known manner. Subsequently, a gas mixture of the composition

TiCl ₄ 2.5 mole fractions ZrCI ₄ 8.5 mole fractions C ₆ H ₆ 1.26 mole fractions N ₂ 4,8 mole fractions H ₂ remainder molar proportions

eingeleitet und nochmals 20min beschichtet. Die erfindungsgemäß abgeschiedene Schicht besteht aus 10 Einzelschichten mit einer Einzelschichtstärke von 0,8 pm. Die Einzelschichten können durch Ätzen in HF/HNO₃/H₂O-Lösung lichtmikroskopisch sichtbar gemacht werden und zeigen alternierend das für Ti- bzw. Zr-reiche Karbonitridschichten typische Ätzverhalten. Bei Zerspanungsversuchen mit Stahl C60N bei ν = 120m/min, s = 0,8mm und a = 2,5mm zeigte die erfindungsgemäß beschichtete Platte nach einer Schnittzeit von 20min eine Verschleißmarkenbreite V_B = 0,12mm (Freiflächenverschleiß). Analoge Substrate mit einer herkömmlichen TiCN-Mehrlagenschicht waren bereits nach !3min verschlissen.initiated and coated again for 20min. The deposited according to the invention layer consists of 10 individual layers with a single-layer thickness of 0.8 pm. The individual layers can be made visible by light microscopy by etching in HF / HNO ₃ / H ₂ O solution and show alternately the etching behavior typical for Ti or Zr-rich carbonitride layers. For cutting tests with steel C60N at ν = 120m / min, s = 0.8mm and a = 2.5mm, the coated plate according to the invention showed a wear mark width V _B = 0.12 mm (free surface wear) after a cutting time of 20 min. Analogous substrates with a conventional TiCN multilayer coating were already worn after! 3 min.

Claims

1. Wear-resistant Übsrzug on metallic, hard metallic or ceramic base, in particular on cutting tools and wear parts, of carbides or nitrides or carbonitrides or oxicarbides or oxynitrides or Oxikarbonitriden the metals Ti and Zr or Ti and Hf or Ti, Zr and Hf, characterized in that the coating consists of a sequence of alternating single layers with a single layer thickness of 0.2 to 1 μιη, the thickness of the total layer is between 2 and 50pm and adjacent Einzelschichxen have a different composition.

2. Process for producing a wear-resistant coating on metallic, hard-metallic or ceramic base, in particular on cutting tools and wearing parts, of carbides or nitrides or carbonitrides or oxicarbides or oxynitrides or oxycarbonitrides of the metals Ti and Zr or Ti and Hf or Ti, Zr and Hf, which consists of a sequence of alternating single layers with a single layer thickness of 0.2 μη to 1 μηι whose total layer thickness is between 2 pm and 50 pm and in which adjacent individual layers have a different composition, by gas phase deposition from gas mixtures of the halides of Ti and Zr or Ti and Hf or Ti, Zr and Hf, H ₂ and one or more hydrocarbons and / or N ₂ or nitrogen-containing compounds or CO ₂ and / or CO and one or more hydrocarbons and / or N ₂ or nitrogen-containing compounds at temperatures between 900 ⁰ C and 1200 ⁰ C, characterized that the starting gas mixture is continuously supplied with a ratio of the molar proportions of Ti to Zr and / or Hf in the range of 0.1 to 0.4 during the entire deposition process of the layer combination with unchanged composition and unchanged Abscheideparametern.

Field of application of the invention

The invention relates to wear protection. Their application is possible with tools and wear parts made of metals, hard metals or ceramics. Particularly useful is their use in cutting tools for cutting shaping.

Characteristic of the known state of the art

It is known to provide tools and wearing parts by vapor deposition with wear-resistant multilayer hard coatings of different composition (layer combination of carbides, oxides, nitrides, carbonitrides, oxicarbides, oxynitrides or Oxikarbonitriden of metals Al and Ti) (DE-OS 2253745, DE-OS 2525185) , The disadvantage of the parts coated in this way is that, due to the insufficient adhesion of the layers to the composite body, the wear resistance is reduced. This deficiency is reduced according to DE-AS 2917348 by applying a hard material layer of very many (30 to about 750) thin individual layers with a thickness of 0.02 to 0.1 pm. This is realized by a constantly changing A'jsgangsgasmischung according to the respective individual layer to be separated.

A disadvantage of this method is the high technological complexity and long coating times. The reason for this is the very small layer growth rates required for layer production, which can only be technically realized in the vacuum process because of the small amount of material per unit of time. A lack of these layers consists in the reduced mechanical strength due to epitaxial adhesions and stem crystals occurring. The cause leading to the appearance of epitaxial adhesions and stem crystals is to be found in the very small layer growth rates that are necessary to produce these layers.

Object of the invention

The object of the invention is to increase the wear resistance of the coated composites, increasing the mechanical. Strength of the layers and in the reduction of the technological effort in the film production.

Explanation of the essence of the invention

The invention has for its object to provide a wear-resistant coating, which has a high resistance to the composite body and in which no epitaxial adhesions and stem crystals occur and to propose a method for its production, which is carried out at high film growth rates and in the Normalü''uckverfahren.