EP1735481A1 - Werkzeug mit verschleissfester beschichtung - Google Patents

Werkzeug mit verschleissfester beschichtung

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Publication number
EP1735481A1
EP1735481A1 EP05731921A EP05731921A EP1735481A1 EP 1735481 A1 EP1735481 A1 EP 1735481A1 EP 05731921 A EP05731921 A EP 05731921A EP 05731921 A EP05731921 A EP 05731921A EP 1735481 A1 EP1735481 A1 EP 1735481A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
tool
part according
aluminum borate
wearing part
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05731921A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Monika Stoiber
Wolfgang Wallgram
Martin Kathrein
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ceratizit Austria GmbH
Original Assignee
Ceratizit Austria GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ceratizit Austria GmbH filed Critical Ceratizit Austria GmbH
Publication of EP1735481A1 publication Critical patent/EP1735481A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/04—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material
    • C23C28/044—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material coatings specially adapted for cutting tools or wear applications
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C29/00—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides
    • C22C29/02—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides
    • C22C29/06—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds
    • C22C29/08—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds based on tungsten carbide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/30—Deposition of compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides
    • C23C16/32—Carbides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C30/00—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process
    • C23C30/005—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process on hard metal substrates

Definitions

  • the invention relates to a tool or wearing part that consists of a base body made of hard metal, cermet, hard material or another wear-resistant material with a hardness> 700 HV and a single or multi-layer layer.
  • Hardness> 700 HV are used for tools and wearing parts that are exposed to high wear and tear.
  • Hard metal is a composite material that is made up of a hard material phase and a metallic binder.
  • the material group of cermets includes all materials that are made up of one or more ceramic phases and one or more metallic phases.
  • the material group of hard materials specifically includes connections of the elements of IVa to Via groups of the periodic table with the elements carbon, nitrogen, boron or silicon; furthermore diamond, cubic boron nitride, silicon carbide, aluminum nitride, sialone, aluminum oxide, aluminum nitride and silicon nitride, to name the most important.
  • the tribological system includes, in addition to this wear body (tool or wear part), the wear and friction causing counter body, possibly intermediate materials, the forces acting, the movement sequence and the environmental influences. Especially when the acting forces and the relative speed between wear body and counter body are high, there is a significant increase in temperature in the wear body / counter body border area. Temperatures of 1000 ° C and above are measured on the surface of a cutting tool. The causes for this are the deformation and Cutting work in the shear zone, friction of the chip on the rake face and friction of the workpiece on the open face.
  • the thermal load on the entire tool can be significantly reduced by layers with a smooth surface, low coefficients of friction and low thermal conductivity.
  • Wear parts have been used commercially for many years.
  • hard materials from the group of carbides and carbonitrides or nitrides on the one hand, and those from the group of oxides on the other hand have proven particularly useful and are nowadays often used as complementary protective layers, mostly in layers.
  • layers in the form of several individual layers made of different hard materials in order to meet the different requirements with regard to adhesion, toughness and low wear.
  • the demand for coatings with tribological properties that are improved compared to pure hard material layers has been met in various ways in the past.
  • EP 1 231 295 A2 describes a fine-crystalline mixed oxide layer, primarily made of Al 2 O 3 , in which certain proportions of Ti and boron oxide are dissolved or homogeneously finely distributed, with additions of 0.1 to ⁇ 3% by weight of TiO 2 and 0.01 to 0.5% by weight of B 2 0 3 can be contained.
  • the formation of borates is not mentioned in this document.
  • Oxides as solid lubricants have also been investigated. Vanadium and tungsten oxides with a sub-stoichiometric composition with regard to the oxygen content have been proposed. These oxides form so-called magneli phases and are stable up to high temperatures in an oxidizing environment. However, the friction-reducing effect is not sufficient in the case of high load spectra and high relative speeds between the wear body and the counter body.
  • the tool or wear part is provided with a single or multi-layer layer, at least one layer of the layer consisting of aluminum borate or containing aluminum borate phase components.
  • coatings which contain aluminum borate preferably with the structural formula AI 4 B 2 0 9 or AI9B4O33, have a significantly improved service life behavior, as is also documented in the examples.
  • aluminum borate has not been used for tools or wearing parts.
  • Aluminum borate is used, for example, as a fiber material, as described in EP 0 856 497 A1, JP 07041316 A, JP 05086424 A, JP 05085721 or
  • the layer containing aluminum borate can be made in one or more layers, a multilayer layer having a significantly improved toughness behavior.
  • a multi-layer layer it is advantageous if the layer layer containing aluminum borate forms the top layer (top layer), which comes into contact with the counter body during operation.
  • one or more further layer layers for example made of TiN, TiCN or layer layers in the multi-material system Ti, C, N, O, are present over the layer containing aluminum borate , B are applied.
  • multilayers made of aluminum borate or layer layers with aluminum borate phase components are applied, the individual layers being separated by layer layers of different composition, for example TiN, TiCN or layer layers in the multi-material system Ti, C, N, O, B.
  • layer layers for example TiN, TiCN or layer layers in the multi-material system Ti, C, N, O, B.
  • the advantageous effect is effective in a wide composition range of the layer or layer (s), namely for 10 to 99.99% by volume aluminum borate, 0.01 to 90% by volume aluminum oxide, 0 to 20 %
  • titanium oxide 0 to 40% by volume of boron oxide and 0 to 10% by volume of a phase containing Cl, S, C, N or H.
  • aluminum borate reduces the coefficient of friction and has good oxidation resistance.
  • the reduction in the coefficient of friction is achieved to a sufficient extent if at least 10% by volume of aluminum borate is contained in the layer or in the layer layer.
  • Optimum tool life can be achieved if the layer or layer layer contains more than 70 vol.% Aluminum borate.
  • other oxidic components can also be used
  • Hard material phases preferably Al 2 0 3 , and here again preferably the modification Kappa-Al 2 0 3 , or Ti0 2 may be contained in the layer or the layer layer.
  • other stable oxides such as Hf0 2 or Zr0 2 are also possible.
  • Boron oxide can also be present in the layer or layer layer up to a maximum of 40% by volume. Higher proportions lead to an inadmissible lowering of the layer hardness and to a deterioration in the thermal resistance.
  • Cl, S, C, N and / or H in chemically bound, elementary or dissolved form in a concentration range up to max. 10 preferably 5% by volume can further improve the layer properties.
  • the preferred thicknesses of the aluminum borate layer or the layer containing aluminum borate are 0.1 to 30 ⁇ m, the optimum value depending on the area of use. A range of 0.5 to 5 ⁇ m has proven itself for many applications, such as turning or drilling.
  • layer sequences can be used in an analogous manner which have already proven themselves in layer systems containing Al 2 O 3 .
  • Aluminum borate is also suitable as an adhesion promoter for the base body made of hard metal or cermet layers from the multi-material system Ti, Al, C, N, B, O.
  • it can be advantageous to apply many thin layers containing aluminum borate or aluminum borate the individual layers are separated by layers from the multi-material system Ti, C, N, B, O.
  • Example 1 A multi-function tool for turning, drilling and facing made of hard metal (WC - 9.5% by weight Co - 8.5% by weight mixed carbide) was coated by means of CVD under normal pressure.
  • the layer sequence was selected based on the hard metal base body, TiN / TiCN / Al 2 0 3 / TiCNO / aluminum borate.
  • the layer thicknesses of the individual layers were 1 ⁇ m, 2 ⁇ m, 1.2 ⁇ m, 0.15 ⁇ m, 1.2 ⁇ m in the same order.
  • the aluminum borate layer showed traces of the other elements of the process gas.
  • the reaction gases for the production of the coating corresponded to commercially available gases and were metered into the gas mixing chamber Initiated reaction space, which was heated by means of a tube furnace.
  • the deposition temperature was 750-850 ° C, preferably 790-830 ° C.
  • the gases used were essentially used in the following mixing ratio: 45% by volume Ar, 45% by volume N 2 , 1, 6% by volume CO 2 , 1, 2% by volume AICI 3 , 0.1% by volume TiCI 4 , 0.1% by volume BCI 3 , 0.05% by volume H 2 S, balance H 2 .
  • Figure 1 shows the structural appearance of the very fine crystalline and smooth aluminum borate top layer according to the invention.
  • the individual crystallites of the aluminum borate layer show average grain sizes in the range around 0.1 ⁇ m.
  • the wear mark width was measured after the number of parts produced shown in Figure 3.
  • the tools with the aluminum borate layer according to the invention showed a 40% increase in tool life compared to the prior art.
  • a parting tool made of hard metal (WC - 11% by weight Co - 12% by weight mixed carbide) was coated by means of CVD under normal pressure.
  • the layer sequence was selected based on the hard metal base TiN, TiCN / Al 2 0 3 / TiCNO / (50% by volume aluminum borate - 50% by volume aluminum oxide).
  • the layer thicknesses of the individual layers were 1 ⁇ m, 2 ⁇ m, 1.2 ⁇ m, 0.15 ⁇ m, 1.2 ⁇ m in the same order.
  • the aluminum borate / aluminum oxide layer showed traces of the other elements of the process gas.
  • the reaction gases for the production of the coating corresponded to commercially available gases and were metered into the reaction chamber via a gas mixing chamber, which was heated by means of a tube furnace.
  • the deposition temperature was 850-920 ° C, preferably 865-890 ° C.
  • the gases used were essentially as follows
  • the wear mark width was measured after the number of parts produced shown in Figure 4.
  • the tools according to the invention showed on average a 20% increase in tool life compared to the prior art.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug oder Verschleißteil aus einem Grundkörper und einer ein- oder mehrlagigen Schicht, wobei zumindest eine Lage der Schicht aus Aluminiumborat besteht oder Aluminiumboratphasenanteile enthält. Erfindungsgemäß beschichtete Werkzeuge oder Verschleißteile weisen eine deutlich verbesserte Abrasionsbeständigkeit, eine hohe Zähigkeit und Oxidationsbeständigkeit sowie einen, im Kontakt mit dem Verschleißkörper niedrigen Reibwert auf, was zu einem deutlich verbesserten Standzeitverhalten führt.

Description

WERKZEUG MIT VERSCHLEISSFESTER BESCHICHTUNG
Die Erfindung betrifft ein Werkzeug oder Verschleißteil, das aus einem Grundkörper aus Hartmetall, Cermet, Hartstoff oder einem sonstigen verschleißbeständigen Werkstoff mit einer Härte > 700 HV und einer ein- oder mehrlagigen Schicht besteht.
Hartmetalle, Cermets, Hartstoffe und sonstige Werkstoffe mit einer
Härte > 700 HV werden für Werkzeuge und Verschleißteile eingesetzt, die einer hohen verschleißenden Beanspruchung ausgesetzt sind. Unter Hartmetall versteht man einen Verbundwerkstoff, der aus einer Hartstoffphase und einem metallischen Binder aufgebaut ist. Die Werkstoffgruppe der Cermets umfasst alle Werkstoffe, die aus einer oder mehreren keramischen Phasen und aus einer oder mehreren metallischen Phasen aufgebaut sind. Unter die Werkstoffgruppe der Hartstoffe fallen im speziellen Verbindungen der Elemente der IVa bis Via Gruppen des Periodensystems mit den Elementen Kohlenstoff, Stickstoff, Bor oder Silizium; weiters Diamant, kubisches Bornitrid, Siliziumkarbid, Aluminiumnitrid, Sialone, Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid und Siliziumnitrid, um die wichtigsten zu nennen.
Um die Verschleißfestigkeit zu erhöhen, werden speziell auf Hartmetallen, Cermets, Hartstoffen und sonstigen Werkstoffen mit einer Härte HV > 700 hochverschleißfeste Hartstoffschichten auf der Basis von Karbiden, Nitriden, Boriden, Suiziden und Oxiden aufgebracht. Diese Schichten weisen Härten auf, die üblicherweise im Bereich 1500 HV bis 4000 HV liegen. Im Beanspruchungsfall umfasst das tribologische System neben diesem Verschleißkörper (Werkzeug bzw. Verschleißteil) noch den Verschleiß und Reibung verursachenden Gegenkörper, gegebenenfalls Zwischenstoffe, die einwirkenden Kräfte, den Bewegungsablauf und die Umgebungseinflüsse. Speziell wenn die einwirkenden Kräfte und die Relativgeschwindigkeit zwischen Verschleißkörper und Gegenkörper hoch sind, kommt es im Grenzbereich Verschleißkörper/ Gegenkörper zu einer deutlichen Temperaturerhöhung. So werden an der Oberfläche eines Zerspanungswerkzeuges Temperaturen von 1000°C und darüber gemessen. Die Ursachen dafür sind die Verformungs- und Trennarbeit in der Scherzone, Reibung des Spanes an der Spanfläche und Reibung des Werkstückes an der Freifläche.
Die thermische Belastung des gesamten Werkzeuges kann durch Schichten mit glatter Oberfläche, niedrigen Reibwerten und geringer thermischer Leitfähigkeit deutlich verringert werden. Die verschleißfestigkeitssteigemde Wirkung von Hartstoffschichten auf
Verschleißteilen wird seit vielen Jahren kommerziell genutzt. Unter den vielen zwischenzeitlich zum Verschleißschutz verwendeten Hartstoffphasen haben sich einerseits Hartstoffe aus der Gruppe der Karbide und Karbonitride oder Nitride, andererseits solche aus der Gruppe der Oxide besonders bewährt und werden heute vielfach als sich ergänzende Schutzschichten meist in lagenweiser Schichtabfolge genutzt. Dabei ist es üblich, Schichten in Form mehrerer Einzellagen aus unterschiedlichen Hartstoffen auszuführen, um den verschiedenartigen Anforderungen hinsichtlich Haftung, Zähigkeit und niedrigem Verschleiß gerecht zu werden. Beispielhaft sei auf Ein- oder Mehrlagenschichten bestehend aus Titankarbid, Titannitrid, Titankarbonitrid oder Aluminiumoxid verwiesen. Der Forderung nach Beschichtungen mit gegenüber reinen Hartstoffschichten verbesserten tribologischen Eigenschaften ist man in der Vergangenheit auf verschiedene Weise nachgekommen. Es gibt dabei auch Ansätze, die Eigenschaften einer AI2O3 Schicht durch Zudotieren von B zu verbessern. So beschreibt die EP 1 231 295 A2 eine feinkristalline Mischoxidschicht, vornehmlich aus AI2O3, in der bestimmte Anteile an Ti- und Boroxid gelöst oder homogen feinst verteilt sind, wobei Zusätze von 0.1 bis < 3 Gew.% Ti02 und 0.01 bis 0.5 Gew.% B203 enthalten sein können. Die Bildung von Boraten ist in diesem Dokument nicht erwähnt.
Weiters gibt es auch viele Bestrebungen, den Reibwert zu reduzieren. Neben Schmier- bzw. Kühlschmiermitteln, die im Beanspruchungsfall zugeführt werden, sind Lösungen bekannt, sogenannte Feststofftrockenschmierfilme auf dem Verschleißkörper abzuscheiden. Diese Festschmierstoffe weisen zumeist einen Kristallaufbau mit stark richtungsabhängigen Bindungskräften auf. Beispiele dafür sind Graphit, hexagonales Bornitrid und Molybdändisulfid. Eine wirkungsvolle Verminderung des Reibwertes wird nur bei relativ tiefen Temperaturen beobachtet. Zudem sind diese Schichten sehr weich und werden rasch abgerieben.
Auch Oxide als Feststoffschmiermittel wurden untersucht. So wurden Vanadium- und Wolframoxide mit im Bezug auf den Sauerstoffgehalt unterstöchiometrischer Zusammensetzung vorgeschlagen. Diese Oxide bilden sogenannte Magneliphasen und sind unter oxidierendem Milieu bis zu hohen Temperaturen stabil. Die reibungsvermindemde Wirkung ist im Falle hoher Lastkollektive und hoher Relativgeschwindigkeiten zwischen Verschleißkörper und Gegenkörper jedoch nicht ausreichend.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Werkzeuges oder Verschleißteiles mit hoher Verschleißbeständigkeit, insbesondere brasionsbeständigkeit, hoher Zähigkeit und Oxidationsbestandigkeit sowie einem, im Kontakt mit dem Verschleißkörper niedrigen Reibwert.
Diese Aufgabe wird durch ein Werkzeug oder Verschleißteil gemäß Anspruch 1 gelöst.
Das Werkzeug oder Verschleißteil ist dabei mit einer ein- oder mehrlagigen Schicht versehen, wobei zumindest eine Lage der Schicht aus Aluminiumborat besteht oder Aluminiumboratphasenanteile enthält.
Es hat sich nun in überraschenderweise gezeigt, dass Beschichtungen, die Aluminiumborat, bevorzugt mit der Strukturformel AI4B209 oder AI9B4O33, enthalten, ein deutlich verbessertes Standzeitverhalten aufweisen, wie dies auch in den Beispielen dokumentiert ist. Aluminiumborat kam bis dato für Werkzeug oder Verschleißteile nicht zur Verwendung. Aluminiumborat findet beispielsweise Anwendung als Faserwerkstoff, wie dies in der EP 0 856 497 A1 , JP 07041316 A, JP 05086424 A, JP 05085721 oder
JP 5330997 A dokumentiert ist. Auch dessen fluoreszierende Eigenschaft wird genutzt (KR 9312014, KR 9312013). Die Aluminiumborat enthaltende Schicht kann dabei ein- oder mehrlagig ausgeführt sein, wobei eine mehrlagige Schicht ein deutlich verbessertes Zähigkeitsverhalten aufweist. Im Fall einer mehrlagigen Schicht ist es vorteilhaft, wenn die Aluminiumborat enthaltende Schichtlage die Decklage (oberste Lage) bildet, die im Betriebsfall in Kontakt mit dem Gegenkörper tritt. Es ist jedoch auch möglich, wie dies im übrigen auch bei Al203 enthaltenden Multischichtsystemen der Fall ist, dass über der Aluminiumborat enthaltenden Schichtlage eine oder mehrere weitere Schichtlagen, beispielsweise aus TiN, TiCN oder Schichtlagen im Vielstoffsystem Ti, C, N, O, B aufgebracht werden. Es ist weiters auch möglich, dass Multilagen aus Aluminiumborat oder Schichtlagen mit Aluminiumboratphasenanteilen aufgebracht werden, wobei die Einzellagen durch Schichtlagen anderer Zusammensetzung, beispielsweise TiN, TiCN oder Schichtlagen im Vielstoffsystem Ti, C, N, O, B separiert sind. Es hat sich weiters gezeigt, dass der vorteilhafte Effekt in einem weiten Zusammensetzungsbereich der Schicht bzw. Schichtlage(n) wirksam ist, nämlich für 10 bis 99,99 Vol.% Aluminiumborat, 0,01 bis 90 Vol.% Aluminiumoxid, 0 bis 20 Vol.% Titanoxid, 0 bis 40 Vol.% Boroxid und 0 bis 10 Vol.% einer Cl, S, C, N oder H haltigen Phase. Es ist davon auszugehen, dass Aluminiumborat den Reibwert reduziert, sowie eine gute Oxidationsbestandigkeit aufweist. Die Reduzierung des Reibwerts wird in einem ausreichenden Maß erreicht, wenn zumindest 10 Vol.% Aluminiumborat in der Schicht bzw. in der Schichtlage enthalten sind. Optimale Standmengen können erreicht werden, wenn mehr als 70 Vol.% Aluminiumborat in der Schicht bzw. Schichtlage enthalten sind. Neben dem harten und Reibwert reduzierenden Gefügebestandteil Aluminiumborat können noch weitere, oxidische
Hartstoff phasen, bevorzugt Al203, und hier wiederum bevorzugt die Modifikation Kappa- Al203, oder Ti02 in der Schicht bzw. der Schichtlage enthalten sein. Es sind jedoch auch weitere stabile Oxide, wie beispielsweise Hf02 oder Zr02 möglich. Auch Boroxid kann in der Schicht bzw. der Schichtlage bis maximal 40 Vol.% vorliegen. Höhere Anteile führen zu einer unzulässigen Erniedrigung der Schichthärte und zu einer Verschlechterung der thermischen Beständigkeit. Durch Einlagerungen von Cl, S, C, N und / oder H in chemisch gebundener, elementarer oder gelöster Form in einem Konzentrationsbereich bis max. 10 bevorzugt 5 Vol.% kann eine weitere Verbesserung der Schichteigenschaften erzielt werden. Weiters führen diese Elemente, im Falle einer Schichtabscheidung mittels CVD, zu einer Erhöhung der Abscheidegeschwindigkeit. Die bevorzugten Dicken der Aluminiumborat-Schicht bzw. der Aluminiumborat enthaltenden Schichtlage liegen bei 0,1 bis 30 μm, wobei der optimale Wert vom Einsatzgebiet abhängt. Dabei bewährt sich für viele Anwendungen, beispielsweise Drehen oder Bohren, ein Bereich von 0,5 bis 5 μm. Bei Multischichtsystemen kann in analoger Weise auf Schichtabfolgen zurückgegriffen werden, die sich bereits bei AI2O3 haltigen Schichtsystemen bewährt haben. So eignen sich auch bei Aluminiumborat als Haftvermittler zum Grundkörper aus Hartmetall oder Cermet Schichten aus dem Vielstoffsystem Ti, AI, C, N, B, O. Weiters kann es vorteilhaft sein, viele dünne Aluminiumborat bzw. Aluminiumborat enthaltende Schichten aufzubringen, wobei die einzelnen Schichten durch Schichten aus dem Vielstoffsystem Ti, C, N, B, O separiert sind.
Für die Aufbringung der erfindungsgemäßen Hartstoffschichten eignen sich bekannte Beschichtungsverfahren, wie PVD, CVD unter Normaldruck- und Unterdruckbedingungen und PA-CVD Verfahren. Im Nachfolgenden wird die Erfindung durch Beispiele näher erläutert, wobei hier die Herstellung mittels CVD erfolgte.
Beispiel 1 Ein Multifunktionswerkzeug für Drehen, Bohren und Plandrehen aus Hartmetall (WC - 9,5 Gew.% Co - 8,5 Gew.% Mischkarbid) wurde mittels CVD unter Normaldruck beschichtet. Dabei wurde die Schichtfolge, ausgehend vom Hartmetallgrundkörper, TiN / TiCN / Al203 / TiCNO / Aluminiumborat gewählt. Die Schichtdicken der einzelnen Lagen betrugen in gleicher Reihenfolge 1 μm, 2 μm, 1.2 μm, 0.15 μm, 1.2 μm. Die Aluminiumboratschicht wies in Spuren die weiteren Elemente des Prozessgases auf.
Die Reaktionsgase für die Herstellung der Beschichtung entsprachen im Handel erhältlichen Gasen und wurden dosiert über einen Gasmischraum in den Reaktionsraum eingeleitet, der mittels eines Rohrofens beheizt wurde. Die Abscheidetemperatur lag bei 750-850°C, vorzugsweise bei 790-830°C. Die verwendeten Gase wurden im Wesentlichen in folgendem Mischungsverhältnis angewandt: 45 Vol.% Ar, 45 Vol.% N2, 1 ,6 Vol.% C02, 1 ,2 Vol.% AICI3, 0,1 Vol.% TiCI4, 0,1 Vol.% BCI3, 0,05 Vol.% H2S, Rest H2. Abbildung 1 zeigt das strukturelle Erscheinungsbild der erfindungsgemäßen, sehr feinkristallinen und glatten Aluminiumborat Deckschicht. Die Einzelkristallite der Aluminiumboratschicht zeigen mittlere Korngrößen im Bereich um 0,1 μm.
Vergleichsweise wurde auch ein Schichtsystem abgeschieden, das dem Stand der Technik entspricht. Dabei wurde die Aluminiumboratdeckschicht durch eine Al203 Schicht ersetzt.
Diese weist eine signifikant rauere Oberflächenstruktur auf, wie dies in Abbildung 2 wiedergegeben ist.
Mit diesen Proben wurden Zerspanungsversuche durchgeführt. Ck 60 (1.1221) Teile wurden dabei jeweils unter Kühlschmiermittelzugabe einer Bohr-, Dreh- und Plandrehoperation unterzogen, wobei folgende Zerspanungsparameter zur Anwendung gelangten: Bohren: vc = 150 m/min f = 0,10 mm/U ap = (25 mm) Drehen: vc = 200 m/min f = 0,15 mm/U ap = 3,0 mm
Plandrehen: vc = 200 m/min f = 0,15 mm/U ap = 2,5 mm
Nach der in Abbildung 3 wiedergegeben Anzahl von gefertigten Teilen wurde die Verschleißmarkenbreite gemessen. Die Werkzeuge mit der erfindungsgemäßen Aluminiumboratschicht zeigten eine im Vergleich zum Stand der Technik um 40 % erhöhte Standmenge.
Beispiel 2
Ein Abstechwerkzeug aus Hartmetall (WC - 11 Gew.% Co - 12 Gew.% Mischkarbid) wurde mittels CVD unter Normaldruck beschichtet. Dabei wurde die Schichtfolge, ausgehend vom Hartmetallgrundkörper TiN, TiCN / Al203 / TiCNO / (50 Vol.% Aluminiumborat - 50 Vol.% Aluminiumoxid) gewählt. Die Schichtdicken der einzelnen Lagen betrugen in gleicher Reihenfolge 1 μm, 2 μm, 1.2 μm, 0.15 μm, 1.2 μm. Die Aluminiumborat / Aluminiumoxid - Schicht wies in Spuren die weiteren Elemente des Prozessgases auf.
Die Reaktionsgase für die Herstellung der Beschichtung entsprachen im Handel erhältlichen Gasen und wurden dosiert über einen Gasmischraum in den Reaktionsraum eingeleitet, der mittels eines Rohrofens beheizt wurde. Die Abscheidetemperatur lag bei 850-920°C, vorzugsweise bei 865-890°C. Die verwendeten Gase wurden im Wesentlichen in folgendem
Mischungsverhältnis angewandt: 35 Vol.% Ar, 55 Vol.% N2, 1 ,6 Vol.% C02, 1 ,2 Vol.% AICI3, 0,1 Vol.% TiCU, 0,1 Vol.% BCI3, 0,05 Vol.% H2S, Rest H2. Vergleichsweise wurde auch ein Schichtsystem abgeschieden, das dem Stand der Technik entspricht. Dabei wurde die Aluminiumborat / Aluminiumoxid - Schicht durch eine Aluminiumoxidschicht ersetzt.
Mit diesen Proben wurden Zerspanungsversuche durchgeführt. Ck 60 (1.1221) Teile wurden dabei jeweils unter Kühlschmiermittelzugabe einer Einstechoperation unterzogen, wobei folgende Zerspanungsparameter zur Anwendung gelangten: vc = 160 m/min f = 0,15 mm/U (ap = 3,1 mm)
Nach der in Abbildung 4 wiedergegeben Anzahl von gefertigten Teilen wurde die Verschleißmarkenbreite gemessen. Die erfindungsgemäßen Werkzeuge zeigten im Durchschnitt eine im Vergleich zum Stand der Technik um 20 % erhöhte Standmenge.

Claims

Patentansprüche
1. Werkzeug oder Verschleißteil, bestehend aus einem Grundkörper aus Hartmetall, Cermet, Hartstoff oder einem sonstigen verschleißbeständigen Werkstoff mit einer Härte > 700 HV und einer ein- oder mehrlagigen Schicht, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass zumindest eine Lage der Schicht aus Aluminiumborat besteht oder Aluminiumboratphasenanteile enthält.
2. Werkzeug oder Verschleißteil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Lage der Schicht Aluminiumborat und einen oder mehrere Phasenbestandteil(e) aus der Gruppe Aluminiumoxid, Boroxid und Titanoxid, sowie optional Cl, S, C, N und / oder H elementar, in gelöster Form oder als Verbindung enthält.
3. Werkzeug oder Verschleißteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Lage der Schicht aus 10 bis 99,99 Vol.% Aluminiumborat, 0,01 bis 90 Vol.% Aluminiumoxid, 0 bis 20 Vol.% Titanoxid, 0 bis 40 Vol.% Boroxid und 0 bis 10 Vol.% einer Cl, S, C, N und / oder H haltigen Phase besteht.
4. Werkzeug oder Verschleißteil nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Lage der Schicht aus 70 bis 99,9 Vol.% Aluminiumborat, 0,1 bis 30 Vol.% Aluminiumoxid, 0 bis 10 Vol.% Titanoxid, 0 bis 20 Vol.% Boroxid, 0 bis 5 Vol.% einer Cl, S, C, N und / oder H haltigen Phase besteht.
5. Werkzeug oder Verschleißteil nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumoxid die Struktur von Kappa-Al203 aufweist.
6. Werkzeug oder Verschleißteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Lage der Schicht aus 50 bis 99,99 Vol.% Aluminiumborat und 0,01 bis 50 Vol.% Boroxid besteht.
7. Werkzeug oder Verschleißteil nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumborat die Strukturformel AI4B209 oder AI9B 033 aufweist.
8. Werkzeug oder Verschleißteil nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Lage der Schicht Cl, S, C, N und / oder H in gelöster Form enthält.
9. Werkzeug oder Verschleißteil nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Lage der Schicht Cl, S, C, N und / oder H in elementarer und feinst verteilter Form enthält.
10. Werkzeug oder Verschleißteil nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aus Aluminiumborat bestehende oder Aluminiumboratphasenanteile enthaltende Lage der Schicht eine Dicke von 0,1 bis 30 μm aufweist.
11. Werkzeug oder Verschleißteil nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aus Aluminiumborat bestehende oder Aluminiumboratphasenanteile enthaltende Lage der Schicht eine Dicke von 0,5 bis 5 μm aufweist.
12. Werkzeug oder Verschleißteil nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht mehrlagig ist.
13. Werkzeug oder Verschleißteil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Lagen der Schicht überwiegend Aluminiumborat und / oder Aluminiumoxid enthält / enthalten.
14. Werkzeug oder Verschleißteil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Lage(n) der Schicht aus Titannitrid, Titankarbid oder Titankarbonitrid, wahlweise mit Zusätzen von O und / oder B besteht / bestehen.
15. Werkzeug oder Verschleißteil nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Grundkörper und der Aluminiumborat und / oder Aluminiumoxid enthaltenden Schicht eine Schicht aus Titannitrid, Titankarbid oder Titankarbonitrid, wahlweise mit Zusätzen von O und / oder B, eingebracht ist.
16. Werkzeug oder Verschleißteil nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Aluminiumborat und / oder Aluminiumoxid enthaltenden Schichten eine Schicht aus Titannitrid, Titankarbid oder Titankarbonitrid, wahlweise mit Zusätzen von O und /oder B, eingebracht ist.
17. Werkzeug oder Verschleißteil nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die aus Aluminiumborat bestehende oder Aluminiumboratphasenanteile enthaltende Lage der Schicht die oberste Lage bildet.
18. Werkzeug oder Verschleißteil nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ein- oder mehrlagige Schicht mittels CVD hergestellt ist.
19. Werkzeug oder Verschleißteil nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die ein- oder mehrlagige Schicht mittels PA-CVD hergestellt ist.
20. Werkzeug oder Verschleißteil nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die ein- oder mehrlagige Schicht mittels PVD hergestellt ist.
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