AT503050B1 - Metallcarbonitridschicht - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Werkzeuges oder Werkzeugteiles, insbesondere eines Schneidelementes wie eine Schneidplatte, bei dem ein Grundkörper bereitgestellt und auf diesem eine oder mehrere Schichten aufgebracht werden, wobei zumindest eine Schicht aus einem Metallcarbonitrid eines oder mehrerer der Metalle Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal und/oder Chrom gebildet und mittels eines Methan, Stickstoff und eine oder mehrere Metallverbindungen enthaltenden Gases abgeschieden wird.

Abrasiv hochbeanspruchte Werkzeuge, beispielsweise Schneid-, Stanz- oder Umformwerkzeuge, werden üblicherweise beschichtet, um einem Verschleiß der Werkzeuge beim Gebrauch entgegenzuwirken. Dabei werden häufig auch mehrlagige Beschichtungen mit einer äußersten, werkstückseitigen Arbeitsschicht und mehreren darunterliegenden Schichten bzw. Lagen eingesetzt. Mehrlagige Beschichtungen sind zwar aufwändiger herzustellen als einlagige, jedoch bei gleicher Dicke weniger spröde und mit größerer Flexibilität verbunden, wenn es darum geht, eine Beschichtung bestmöglich im Hinblick auf zu erwartende Beanspruchungen auszulegen.

Aus dem Stand der Technik sind bei Schneidplatten von Drehwerkzeugen mehrlagige Beschichtungen bekannt, welche als äußerste, im Gebrauch werkstückseitige Schicht eine Titannitridschicht oder Aluminiumoxidschicht aufweisen, die unmittelbar oder mittelbar auf einer Metallcarbonitridschicht wie einer Titancarbonitridschicht abgeschieden ist. Die Aluminiumoxidschicht beispielsweise ist chemisch inert und hitzebeständig und schützt somit die darunterliegenden Schichten. Die unterstützende Titancarbonitridschicht ist durch eine große Härte gekennzeichnet und soll zu einer Verschleißfestigkeit der Beschichtung bzw. des Werkzeuges beitragen. Zwischen der verbindenden Schicht aus Titancarbonitrid und dem Grundkörper der Schneidplatte aus Hartmetall können weitere Schichten vorgesehen sein, insbesondere Schichten, welche am Grundkörper gut haften und so eine haftfeste Anbindung der Beschichtung ermöglichen.

Bei mehrlagigen Beschichtungen ist zu beachten, dass eine große Härte einzelner Schichten alleine für eine lange Gebrauchsdauer bzw. Standzeit noch nicht ausreichend ist. Selbst eine äußerst harte Schicht kann nicht mehr nützlich sein, wenn sie sich vom Grundkörper bzw. einer darunterliegenden Schicht löst, was insbesondere bei Schneidplatten auftreten kann, welche nicht nur hohen mechanischen Beanspruchungen, sondern auch hohen Temperaturen und/oder Temperaturwechseln ausgesetzt sind.

An Verbindungs- bzw. Zwischenschichten aus Metallcarbonitrid (MeCxNy) werden in diesem Zusammenhang besonders hohe Anforderungen gestellt, da ihre Funktion gerade darin besteht, der Beschichtung Verschleißfestigkeit zu verleihen und eine schützende Arbeitsschicht lange zu tragen.

Insbesondere Schichten aus Titancarbonitrid sind besonders häufig verwendete Verbindungsschichten in mehrlagigen Beschichtungen bzw. Schichtsystemen. Der Grund hierfür liegt darin, dass bei bekannten Titancarbonitridschichten Kohlenstoff lückenlos durch Stickstoff (bzw. umgekehrt) substituiert werden kann, womit auch die Eigenschaften dieser Schichten über die Zusammensetzung variabel eingestellt werden können. Letztlich haben eine solche Schichten Eigenschaften, welche zwischen jenen von Titancarbid und Titannitrid liegen bzw. eingestellt werden können.

Eine Herstellung von Titancarbonitridschichten kann, wie dies viele Jahre Praxis war, mittels CVD-Verfahren (Chemical vapour deposition) erfolgen, wobei die Schichten aus einem Methan, Stickstoff, Titantetrachlorid und Wasserstoff als Trägergas enthaltenden Gasgemisch bei Substrattemperaturen von 950 bis 1100 °C abgeschieden werden. Die so erhaltenen Titancarbonitridschichten sind aus globularem Korn aufgebaut und bilden eine dichte Schicht.

Im Zusammenhang mit der Abscheidung von diesem so genannten Hochtemperatur-(HT)-Titancarbonitrid auf Hartmetallsubstraten wird oftmals eine unerwünschte Entkohlung des 3 AT 503 050 B1

Substrates beobachtet und zwar auch dann, wenn zwischen Hartmetall und Titancarbonitridschicht eine Anbindungsschicht, zum Beispiel eine 0.5 pm dicke Schicht aus Titannitrid, vorgesehen wird. Zur Rückbildung dieser Entkohlung bzw. der gebildeten ETA-Phasenschicht und zur Ausheilung der damit verbundenen Versprödung im Oberflächenbereich des Substrates wurde gemäß US 6,056,999 vorgeschlagen, nach einer HT-(TiCxNy) Beschichtung eine Aufkohlungsbehandlung, beispielsweise mit Wasserstoff und Methan, während einer ausreichenden Zeitspanne bei einer ausreichend hohen Temperatur vorzusehen, um eine vollkommene Rückumwandlung der bei der HAT-Beschichtung entstandenen ETA-Phase in elementares Kobalt und Wolframkarbid zu bewirken. Um der Entkohlung des Substrates Einhalt zu gebieten, ist man in jüngerer Zeit dazu übergegangen, für die Abscheidung von Titancarbonitrid Titantetrachlorid und Acetonitril enthaltende Gase zu verwenden, wodurch eine Abscheidungstemperatur auf niedrigere Temperaturen von 750 bis 900 °C gesenkt werden kann. So erzeugtes Titancarbonitrid ist als Mitteltemperatur-Titancarbonitrid bekannt und weist eine kolumnare Struktur aus stäbchenförmigen Kristalliten auf, deren Dicke mehr als 750 A bzw. 75 Nanometer beträgt.

Bekannte Hochtemperatur- oder Mitteltemperatur-Titancarbonitridschichten dienen vornehmlich, wie erwähnt, als Verbindungsschichten, auf welchen weitere Schichten abgeschieden sind bzw. werden. Allerdings hat sich gezeigt, dass eine Haftfestigkeit von Titannitridschichten oder anderen Arten von Arbeitsschichten auf herkömmlichen Titancarbonitridschichten wie auch anderen Metallcarbonitridschichten unzureichend sein kann, so dass eine Gebrauchsdauer des Werkzeugs durch ein Ablösen einer an sich verschleißfesten Arbeitsschicht limitiert sein kann.

Daneben werden bekannte Titancarbonitridschichten und Metallcarbonitridschichten allgemein auch als äußerste, werkstückseitig angeordnete Schicht, also als Arbeitsschicht, eingesetzt. Dabei sind sie praktisch allerdings nur sehr beschränkt ersetzbar: Bei solchen Schichten ist bei Einsatz als Arbeitsschicht mit einem Auftreten von Aufklebungen und somit trotz großer Härte mit einer vergleichsweise geringen Gebrauchsdauer zu rechnen.

Hier setzt die Erfindung an und stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem eine Metallcarbonitridschicht aufgebracht werden kann, auf der einerseits weitere Schichten mit hoher Haftfestigkeit abgeschieden werden können und die andererseits hoch verschleißfest ist, so dass das beschichtete Werkzeug oder Werkzeugteil gegebenenfalls sofort eingesetzt werden kann.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Günstige Varianten eines erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 7.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen insbesondere darin, dass eine Metallcarbonitridschicht, beispielsweise eine Titancarbonitridschicht, mit einem mikroskopischen Aufbau erzeugt wird, der sich exzellent zur Abscheidung weiterer Schichten mit fester Haftung eignet.

Weil die Kristallite weder gleich lang noch an der freien Oberfläche vollständig parallel gepackt sind, ist die freie Oberfläche der abgeschiedenen Metallcarbonitridschicht stark zerklüftet und bietet bei der Abscheidung einer weiteren Schicht strukturell gleichsam eine Vielzahl von individuellen Spießchen an, die für eine multiple Verankerung der abgeschiedenen Schicht sorgen. Die in der Folge aufgebrachten Schichten, beispielsweise aus Titannitrid, Aluminiumoxid oder Diamant haften daher stark verbessert und ein Ablösen ist auch unter härtesten Einsatzbedingungen nicht gegeben oder tritt lediglich in stark verringerter Intensität auf.

Unerwartet wurde auch festgestellt, dass eine erfindungsgemäß abgeschiedene Schicht im Vergleich mit herkömmlichen Metallcarbonitridschichten auch ein ausgezeichnetes Verschleißverhalten zeigt und daher mit Vorteil auch als Arbeitsschicht einsetzbar ist. Diese Beobachtung ist noch überraschender, wenn man bedenkt, dass im Speziellen eine erfindungsgemäß abgeschiedene Titancarbonitridschicht bei gleicher chemischer Zusammensetzung eine geringere Härte (bzw. Mikrohärte) als eine auf herkömmlichen Weg erstellte Titancarbonitridschicht mit 4 AT 503 050 B1 körnigem Aufbau ausweist.

Im Hinblick auf einen möglichen Reaktionsmechanismus bzw. eine Bildung erfindungsgemäß erzielter Kristallite wird zumindest für Titancarbonitridschichten folgendes vermutet: Zu Beginn des Abscheidens, bei relativ niedriger Temperatur, scheidet sich aus dem Reaktionsgas Titannitrid ab, welches am Substrat nadelartige Keime bildet. Titancarbid wird in dieser Phase des Abscheidungsprozesses nicht oder allenfalls in untergeordnetem Ausmaß abgeschieden. Wenn nach bzw. während der Bildung der Titannitridkeime die Temperatur des Substrates erhöht und in einen Bereich geführt wird, in welchem Hochtemperatur-Titancarbonitrid üblicherweise abgeschieden wird, erfolgt, da auf der Substratoberfläche bereits Keime aus Titannitrid präsent sind, keine neuerliche Keimbildung, sondern es setzt sich die Abscheidung bzw. das Wachstum der Schicht an den bereits vorhandenen Stäbchen bzw. Nadeln fort. Eine durchschnittliche chemische Zusammensetzung der Metallcarbonitridschicht (MeCxNy) ergibt sich dabei zu TiCxNy mit x gleich 0.1 bis 0.3 und mit y gleich 0.9 bis 0.7.

Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es von Vorteil, wenn die Temperatur des Grundkörpers unter fortschreitendem Abscheiden erhöht wird. Dadurch ist ein unterbrechungsfreies Wachsen der Metallcarbonitridschicht gegeben, was sich im Hinblick auf einen möglichst fehlerfreien Schichtaufbau als günstig erweist.

Um zu vermeiden, dass sich nach Bildung einer Vielzahl von Metallnitridkeimen bereichsweise eine Metallnitridschicht auszubilden beginnt, ist es zweckmäßig, dass die Temperatur des Grundkörpers innerhalb von 350 Minuten, insbesondere 120 Minuten, nach Beginn des Abscheidens auf erhöhte Temperatur gebracht wird. Für eine hohe Beanspruchbarkeit der abgeschiedenen Metallcarbonitridschicht ist es von Vorteil, wenn nach Erreichen erhöhter Temperatur das Abscheiden für zumindest 60 Minuten fortgeführt wird, damit eine Mindestschichtdicke von zumindest 0.5 pm eingestellt wird.

Bevorzugt beträgt eine erhöhte Temperatur 1010 bis 1040 °C. In diesem Temperaturbereich wachsen die einzelnen Kristallite schnell und mit wenigen Fehlern, so dass ein schnelles Wachstum einer hoch beanspruchbaren Schicht resultiert.

Besonders vorzügliche Beschichtungen im Hinblick auf die Gebrauchseigenschaften des Werkzeuges oder Werkzeugteiles können erhalten werden, wenn mittels eines Methan, Stickstoff und Titantetrachlorid enthaltenden Gases eine Titancarbonitridschicht gebildet und abgeschieden wird. Im Zusammenhang damit hat es sich bewährt, wenn das Gas Methan, Stickstoff und Wasserstoff im molaren Verhältnis 1:8 bis 11:15 bis 25 enthält und das Gas 1 bis 8 Volumenprozent Titantetrachlorid enthält. Dadurch können unerwünschte Anteile an körnigem Titancarbonitrid wesentlich verringert oder vermieden und die erfindungsgemäß erzielten Vorteile noch weiter gesteigert werden. Eine Zusammensetzung der Schicht beträgt in diesem Fall TiCxNy mit x gleich 0.15 bis 0.25 und y gleich 0.85 bis 0.75.

Ein Druck des reaktiven Gases ist an sich nicht kritisch und kann in weiten Grenzen variiert werden. Bevorzugt wird die Titancarbonitridschicht bei einem Druck von 100 bis 800 Millibar, vorzugsweise 200 bis 400 Millibar, abgeschieden.

Weitere Vorteile und günstige Wirkungen eines Verfahrens gemäß der Erfindung ergeben sich aus dem Zusammenhang der Beschreibung und den nachfolgenden Ausführungsbeispielen, anhand derer die Erfindung noch weitergehend beschrieben ist.

Es zeigen:

Figur 1: Eine schematische Darstellung des Temperaturverlaufes während des Beschichtens; Figur 2: Ein Schliffbild des Überganges einer Beschichtung (Schliffprobe im Winkel von 15° 5 AT 503 050 B1 angeschliffen);

Figur 3: Eine Darstellung einer experimentell ermittelten Verschleißmarkenbreite vb in Abhängigkeit einer Schnittanzahl für Wendeschneidplatten mit verschiedenen Beschichtungen.

In Figur 1 ist ein Vorgehen bei einem erfindungsgemäßen Beschichten anhand eines Tempera-tur-Zeit-Diagramms schematisch und exemplarisch gezeigt: Bei einer Temperatur Ti des Grundkörpers bzw. der Reaktionskammer von etwa 960 °C (Zeitpunkt „0“) wird Reaktionsgas, enthaltend Methan, Stickstoff, Wasserstoff im Verhältnis 1:10:20 und 4 Volumenprozent Titantetrachlorid zugesetzt, wodurch sich, wie angenommen wird, stäbchenförmige Titannitridkeime abscheiden. Anschließend wird die Temperatur bei ständigem Kontakt mit dem Reaktionsgas innerhalb von 150 Minuten stetig auf 1050 °C erhöht; die Temperaturerhöhung von 960 auf 1050 °C kann aber auch schrittweise erfolgen. Schließlich wird das Beschichten bei 1050 °C und gleicher Zusammensetzung des Reaktionsgases für weitere 250 Minuten fortgeführt und danach beendet.

Am Übergang zu einer nachträglich abgeschiedenen Arbeitsschicht ist freie Oberfläche einer erfindungsgemäßen Titancarbonitridschicht porös und stark zerklüftet (Figur 2). Diese Oberflächenstruktur begünstigt ein haftfestes Abscheiden nachfolgender Schichten, da es zu einer innigen Durchdringung der Schichten im Grenzbereich kommt. Dabei ist eine Abweichung einzelner Kristallite von einer exakten 90° Lage im Oberflächenbereich durchaus wünschenswert, da entsprechende Unregelmäßigkeiten zu einer besseren Verflechtung der Schichten miteinander führen.

Figur 3 zeigt Daten zu Verschleißtests mit Wendeschneidplatten, welche mehrlagige CVD-Beschichtungen mit einem Aufbau gemäß Tabelle 1 hatten. Das Hartmetallsubstrat und die Schneidplattengeometrie waren für alle Wendeschneidplatten ident.

Tabelle 1: Aufbau und Schichtdicke von mehrlagigen Beschickungen für Schneidplatten A bis C

Schicht Schichtdicke [pm] A B C TiN 0.5 0.5 0.5 MT-TiCN* 10.0 3.0 3.0 E-TiCN** 4.0 7.0 ai2o3 3.0 3.0 3.0 TiN 0.5 0.5 0.5 Summe 14.0 11.0 14.0 *... Mitteltemperatur-Titancarbonitrid “...Erfindungsgemäß abgeschiedenes Titancarbonitrid

Die Wendeschneidplatten wurden unter folgenden Versuchsbedingungen bei einer drehenden Bearbeitung des Werkstoffes getestet:

Bearbeiteter Stahl: 34 CrNiMo 6, 261 HB Schnittgeschwindigkeit vc: 280 m/min Schnitttiefe ap: 1.50 mm Vorschub f: 0.28 mm/U abgesetzter Schnitt mit Emulsion, jeder Schnitt 30 Sekunden

Wie aus Figur 3 ersichtlich, weisen unter gleichen Einsatzbedingungen Wendeschneidplatten B und C gegenüber Wendeschneidplatte A bei gleicher Anbindungsschicht an das Hartmetall (0.5 pm TiN) und gleicher äußerer Schicht (0.5 pm TiN) eine wesentlich geringere Verschleiß-

Claims (7)

1. 6 AT 503 050 B1 markenbreite auf. Nach 20 Schnitten beträgt eine Verschleißmarkenbreite für Wendeschneidplatte A 0.50 pm, wohingegen für Wendeschneidplatte B 0.32 pm und für Wendeschneidplatte C 0.14 pm festgestellt wurden. Im Vergleich der Schichtdicken der Wendeschneidplatten B und A lässt sich feststellen, dass eine erhöhte Verschleißfestigkeit trotz geringerer Schichtdicke erreicht wird. Dies bedeutet fertigungstechnische Vorteile, da bei einem Abscheiden mittels CVD-Verfahren ca. 1 Stunde pro pm Schichtdicke gerechnet werden muss. Nunmehr können also verschleißfestere Beschichtungen in kürzerer Zeit hergestellt werden. Weitere Versuche zeigten, dass eine erfindungsgemäße Titancarbonitridschicht vorteilhaft auch als äußerste Arbeitsschicht zum Einsatz kommen kann. Bei ansonsten gleichen Schichtaufbau und gleicher Schichtdicke sind Schneidplatten mit einer äußersten Schicht aus erfindungsgemäßem Titancarbonitrid hinsichtlich der Standzeit Schneidplatten mit Mitteltemperatur-Titan-carbonitrid als Arbeitsschicht um das 1.5-fache oder mehr überlegen, auch wenn die Mikrohärte geringer ist. Dieser Effekt wird auf die besondere Struktur von erfindungsgemäß hergestellten Titancarbidschichten zurückgeführt. Patentansprüche: 1. Verfahren zum Beschichten eines Werkzeuges oder Werkzeugteiles, insbesondere eines Schneidelementes wie eine Schneidplatte, bei dem ein Grundkörper bereitgestellt und auf diesem eine oder mehrere Schichten aufgebracht werden, wobei zumindest eine Schicht aus einem Metallcarbonitrid eines oder mehrerer der Metalle Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal und/oder Chrom gebildet und mittels eines Methan, Stickstoff und eine oder mehrere Metallverbindungen enthaltenden Gases abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiden der Schicht aus Metallcarbonitrid bei einer Temperatur des Grundkörpers von 850 bis 950 °C begonnen wird, wonach die Temperatur des Grundkörpers um zumindest 40 °C erhöht und das Abscheiden zumindest zeitweise bei erhöhter Temperatur fortgeführt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Grundkörpers unter fortschreitendem Abscheiden erhöht wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Grundkörpers innerhalb von 350 Minuten, insbesondere 120 Minuten, nach Beginn des Abscheidens auf erhöhte Temperatur gebracht wird.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach Erreichen erhöhter Temperatur das Abscheiden für zumindest 60 Minuten fortgeführt wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erhöhte Temperatur 1010 bis 1040 °C beträgt.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Methan, Stickstoff und Titantetrachlorid enthaltenden Gases eine Titancarbonitridschicht gebildet und abgeschieden wird.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas Methan, Stickstoff und Wasserstoff im molaren Verhältnis 1:8 bis 11:15 bis 25 enthält und das Gas 1 bis 8 Volumenprozent Titantetrachlorid enthält. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen