DE3234943A1

DE3234943A1 - Ueberzogenes hartmetall und seine verwendung als material fuer schneidwerkzeuge

Info

Publication number: DE3234943A1
Application number: DE19823234943
Authority: DE
Inventors: Akira Doi; Naoji Fujimori; Yasuhiro Itami Hyogo Shimizu
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1981-10-01
Filing date: 1982-09-21
Publication date: 1983-04-21
Also published as: JPS5858273A; FR2516551B1; JPS6142789B2; GB2109415A; DE3234943C2; GB2109415B; FR2516551A1; US4474849A

Description

Überzogenes Hartmetall und seine Verwendung als Material für Schneidwerkzeuge

Hie Erfindung betrifft ein überzogenes Hartmetall mit einem Substrat aus einem Hartmetall und einer oder mehreren Überzugsschichten, von denen mindestens eine aus Aluminiumoxid besteht, sowie die Verwendung des überzogenen Hartmetalis als Material /,ur Herstellung von Schneidwerkzeugen.

Anwendungsgebiet der Erfindung ist das der mit Überzügen versehenen Hartmetalle oder -legierungen oder Sinterhartmetalle, aus denen insbesondere Schneidwerkzeuge hergestellt werden.

Es sind bereits mehrere überzogene Hartmetalle als Material zur Herstellung von Schneidwerkzeugen hoher Verschleiß- und Bruchfestigkeit, die zur Verwendung bei mechanischer Bearbeitung und Verarbeitung vorgesehen sind, eingesetzt worden. Diese überzogenen Hartmetalle werden durch Überziehen von Hartmetallen, die aus durch einem Eisenmetali gebundene Carbide, Nitride, Carbonitride und/oder Carboxynitride bestehen, mit harten Schichten aus Carbiden oder Nitriden hergestellt. . ·

Es ist bekannt, daß mit Aluminiumoxid beschichtete Werkzeuge, bei denen Al ο als Teil der Beschichtung der

2 3

vorstehend erwähnten Hartmetalle eingesetzt worden ist, aufgrund der Verschleiß- oder Abnutzungsfestigkeit des Al ο

2 3

als keramisches Material bessere Schneideigenschaften aufweisen, als Werkzeuge mit einer Beschichtung der vorstellend
beschriebenen Art.

Zur Bildung der Aluminiumoxidschicht sind bisher kristallines Aluminiumoxid vom α-Typ oder κ -Typ vorgeschlagen worden und es lassen sich die Schichten aus kristallinem Aluminiumoxid durch chemisches Aufdampfen auftragen. Bekanntlich

ο
weist das Al ο vom α -Typ oberhalb von 1000 C eine

2 3
gegenüber hoher Temperatur stabile Phase auf und es bildet

sich Al ο vom κ-Typ unterhalb dieser Temperatur. Aus

2 3
den Reaktionsgieichgewichten wird gefolgert, daß die stabile

Zone des η-AI ο innerhalb des Bereiches von 800 bis

ο 2 3
1000 C 1iegt.

Da die Festigkeit keramischer Materialien im allgemeinen der Korngröße der Kristailkörner umgekehrt proportional ist, wird es für wichtig erachtet, die Kristalikorngröße klein zu halten. Zur Verringerung der Größe der Kristal1 körner ist nicht nur deren Bildung bei niedriger Temperatur, sondern auch die

OberfJächenglatte des verwendeten Substrats von wesentlicher Bedeutung.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein für Schneidwerkzeuge geeignetes, mit Aluminiumoxid überzogenes Hartmetall vorzusehen, das eine bessere Bruchfestigkeit und Abnutzungsfestigkeit als die bekannten, mit Aluminiumoxid überzogenen Hartmetalle aufweist.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein überzogenes Hartmetall mit einem Substrat aus einem Hartmetall und einer oder mehreren Überzugsschichten, bei dem erfindungsgemäß mindestens eine der Überzugsschichten aus amorphem Al umi η iurnox id besteht.

Bei verschiedenen Untersuchungen des Mechanismus der Bildung von dünnen Schichten aus Al ο -Kristallen und deren

2 3
Eigenschaften wurde gefunden, daß amorphes Aluminiumoxid, welches keine Korngrenze aufweist, unabhängig vom Zustand des Substrats eine höhere mechanische Festigkeit und Bruchfestigkeit aufzuweisen vermag, und daß ein mit amorphem Aluminiumoxid überzogenes Hartmetall bei Verwendung in einem Werkzeug eine hervorragende Abnutzungsfestigkeit aufweist, weil keine Abt rennor seheinungen an den Kristal1 körneinheiten auftreten. Durch die Erfindung wird somit unter Verwendung von amorphem Al umi η i urnox i d e in überzogenes Hartmetall vorgesehen, das eine

bessere Bruchfestigkeit und Abnutzungsfestigkeit aufweist, als ein Hartmetall, welches mit einem Alurniniumox i düberzug gemäß dem Stand der Technik überzogen ist.

Zur Verwendung des erfindungsgemäßen, überzogenen Hartmetalls in einem Schneidwerkzeug liegt die Überzugsdicke des amorphen Aluminiumoxids vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 10 μπι, weil bei einer geringeren Dicke als 0 , 5 μ m die Abnutzungsfestigkeit des Aluminiumoxids nicht ausreicht und bei einer größeren Dicke als 10 μ m die Bruchfestigkeit oder mechanische Festigkeit bei der Verwendung in einem Werkzeug nicht zufriedenstellend ist. Das amorphe Aluminiumoxid ergibt eine erhebliche \Virkung, wenn es direkt auf ein Hartmetall aufgetragen ist, jedoch lassen sich die Schneideigenschaften weiter verbessern, wenn das Hartmetali zuerst mit einer harten Verbindung wie TiC, TiN, TiCN', TiCNO usw. in bekannter vVeise überzogen und dann mit amorphem Aluminiumoxid überzogen wird. In diesem Falle sollte jedoch im Hinblick auf die Festigkeit des Werkzeugs die Üesamtdicke der Überzugsschichten vorzugsweise hochtens 20μΐτη betragen.

Die Bildung der Schicht aus amorphem Aluminiumoxid wird im allgemeinen durch ein physikalisches Auf dampf verfahren wie Ionenzerstäuben oder 1onenplattieren , ein einfaches chemi -

sches Aufdampfverfahr en oder ein chemisches Plasmaaufdampfverfahren unter Erzielung der gleichen Wirkungen durchgeführt.

Das bei der Erfindung als Substrat eingesetzte Hartmetall bestellt im allgemeinen aus mindestens einem der Carbide, Nitride, Carbonitride und Carboxynitride der Elemente der Gruppen 4a, 5a und 6a des Periodischen Systems, wobei dieser Bestandteil oder diese ßestandteile durch mindestens eines der Ei sengruppenrneta 1 ie (Co, Ni, Fe) gebunden wird bzw. werden. Insbesondere werden Sinterhartmetalle wie WC-Co-Legierungen bevorzugt.

Die beim erfindungsgemäßen überzogenen Hartmetall wahlweise vorgesehene Zwischenschicht besteht im allgemeinen aus mindestens einer Hartverbindung, d.h. einer Verbindung, die ausgewählt ist aus Carbiden, Nitriden, Car bon i t r iden , liori-den und Oxiden der Elemente der Gruppen ^a, 5a und 6a des Periodischen Systems und festen Lösungen daraus. Si M

3 k

.SiC-, AiN, SiO , B C usw. sind auch verwendbar. 2 k

Anhand der rtachs tonenden Beispiele soll die Erfindung, ohne Einschränkung durch diese näher erläutert werden.

s_p_±2

Eine Har tmetal 1 probe aus ISO MIO (WC-TiC-Co, Form SNC. 432) wurde mit α-Al ο in einer Dicke von 2 μιη durch ein

2 3
chemisches Auf darnpi ver fahren in bekannter Weise: beschichtet,

um eine Vergleichsprobe zu ergeben, und eine gleiche Probe des Hartmetalls wurde mit amorphem Al ο in einer Dicke

2 3 von 2μπι durch Ionenplatt ieren beschichtet, um eine eriindungsgemäße Probe zu ergeben- Die beiden erhaltenen Proben wurden unter den nachstehenden Bedingungen einer Schneidprüfung unterzogen:

Werkstück FCD-GQ

Schneidgeschwindigkeit 200 m/min

Sehne i dt ief e 2 rrm

Vorschub 0,2,5 inn/Umdrehung

lie i dieser Prüfung ergab die Vergleichsprobe nach acht Minuten Schneidzeit einen V -Abrieb von 0,3 mm und wurde als

B
abgenutzt beurteilt, während die er f i ndungsgemaße Probe auch

nach einer Schneidzeit von 30 Minuten einen V -Abrieo vom

B nur 0,25 rrm ergab.

Hartmetdllproben aus 1 SO P 30 (WC-TiC-TaC-Co, Form SNG 432) wurden mit TiC durch ein chemisches Aufdampf verfahren in bekannter Weise beschichtet und danach zusätzlich mit amorphem Al O durch ein chemisches Plasmaauf dampfverfahren be-

3

schichtet, wobei verschiedene Schichtdicken hergestellt wurden, wie sie in der Tabelle 1 angegeben sind. Die erhaltenen Proben wurden den nachstehenden beiden Schneidprüfungen unter zogen und ergaben die in der Tabelle 1 gezeigten Ergebnisse.

Pr.üf.ung_2.

Werkstück

Sehne i dgeschwi nd igkei t
Sehne idt i eie
Vor schub
lieur teil ung

S45C-Stahl 250 m/min

2 mn

0,35 mn IU Anzahl der Μ i η u ten bis

SQV1-3-S tahl , zy 1 i nder f örrnig mit Nuten
150 rn/min

I , 5 mm

0,15 bis 0,25 mm/U Bruchverhältnis (%) an der Schneidkante

zürn Erreichen . nach 10 Minuten des abgenutzten
Zu st ands bei

V =0,3 rrrn Ii

Tabeile 1

Probe Al O -Dicke TiC-Dicke Gesamt- Prüfung 2 Prüfung 3 ( μΐη) ( μτη) dicke (min) (%)

1	0,1
2	0,5
3	1
4	5
5	10
6	20
7	30
S	1
9	1
10	1
11	1
12	1
13	1

2	2,1	5	5
2	2,5	24	15
2	3	43	22
2	7	52	24
2	12	55	33
2	22	56	75
2	32	20	98
5	6	51	30
10	11	58	38
15	16	70	40
20	21	74	4 4
23	24	80	/ >
30	31	20	99

Wie aus der Tabelle 1 hervorgeht, erhöht sich die Verschleißfestigkeit und die ürauchbarkeitsdauer des überzogenen Hartmetalls, wenn die Dicke des amorphen Al O 0,5 um oder

2 3 ^μ

mehr beträgt, wobei jedoch beim Überschreiten einer Gesamtdicke von 20 μΐη der Überzugsschichten das Bruchverhältnis rasch ansteigt und die Festigkeit des Werkzeugs vermindert wird, obwohl die ßrauchbarkeitsdauer beim Schneiden lange erhalten bleibt.

i">ie vorstehend angegebenen Beispiele erläutern Fälle, bei denen eine Schicht aus amorphem-Al ο auf das Substrat und

2 3 auch auf eine TiC-Schicht aufgetragen wurde, wobei jedoch die Vorteile oder Wirkungen der Erfindung, wie sie im Beispiel 2 dargestellt wurden, auch im Falle des aufeinanderfolgenden Auftragens einer TiC-Schicht, einer Schicht aus amorphem Al ο und einer TiN-Schicht auf ein Hartmetal1

2 3
υ η ν e r ä η d e r t b 1 i e b e η .

Claims

Patentanwäftc
Steinsdorfstr. 21-22 : D-8000 München 22 · Tel. 089/229441 · Telex: 05/22208

J/i

Überzogenes Hartmetall und seine' Verwendung als Material für Sehne i dwerkzeu;jc

SUMITOMO ELECTRIC INIXJSTRIES, LTD.

Pa t e η t a η s ρ r ü c Ii e :

(I·) Überzogenes Hartmetall mit einem Substrat aus einem Hartmetall und einer oder mehreren Überzugsschichten, von denen mindestens eine aus Aluminiumoxid besteht, d a ο υ r c h gekennzeichnet , daß mindestens eine Uberzu^sschicht aus amorphem Aiumi η i uinox i d besteht.

l.~~ Überzogenes Hartmetall riacM Anspruch 1, d a d u r r h gekennzeichnet . daß das Hartmetall aus mindestens einer Substanz besteht, d i ·» ausgewählt i .s t aus der Gruppe bestehend aus Carbiden, Nitriden, Carbon ι tr ι den und

Carboxynitriden der Elemente der Gruppen ka, 5a und 6a des Periodischen Systems und festen Lösungen daraus, und die mit mindestens einem Metall der Eisengruppe gebunden ist.

3. Überzogenes Hartmetall nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die äußerste Schicht aus amorphem Aluminiumoxid besteht,

k. Überzogenes Hartmetall nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Überzugsschicht aus amorphem Aluminiumoxid 0,5 bis 10 μητι beträgt.

5. Überzogenes Hartmetall nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet , daß die Gesamtdicke der Überzugsschichten 0,5 bis 20 μm beträgt.

6. Überzogenes Hartmetall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das amorphe Aluminiumoxid durch mindestens eines der Verfahren Ionenzerstäuben, Ionenplatt ieren, chemisches Aufdampfen oder chemisches Plasmaaufdampfcn als Überzug aufgetragen worden ist.

7. Überzogenes Hartmetall nach Anspruch !,dadurch g c k e η η ζ e i c Ii η e t , daß das amorphe Aluminiumoxid

auf eine Zwischenschicht auf dem Substrat aufgetragen worden ist.

8. Überzogenes Hartmetall nach Anspruch 7, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht aus mindestens einer Hart verbindung besteht, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Carbiden, Carbonitriden, Nitriden, Boriden und Oxiden der Elemente der Gruppen 'fa, 5a und 6a des Periodischen Systems und festen Lösungen daraus,

9. Überzogenes Hartmetall nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht aus mindestens einer Hartverbindung besteht, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Si ,\j , Sit;, AIN, SiO und

3 k 2

10. Verwendung der überzogenen Hartmetalle einer der Ansprüche 1 bis 9 als Material zur Herstellung von Schneidwerkzeugen.