DE3620325A1

DE3620325A1 - Verschleissfester ueberzug fuer ein schneidwerkzeug und verfahren zu dessen aufbringen

Info

Publication number: DE3620325A1
Application number: DE19863620325
Authority: DE
Inventors: Aleksej Georgievic Gavrilov; Viktor Petrovic Zed; Geb Urjadova Kurbatova; Andrej Karlovic Sinelscikov; Geb Gerascenkova Sokolovskaja; Vladimir Borisovic Bozukov; Albert Michailovic Bojarunas
Original assignee: VNI INSTRUMENT INST
Current assignee: VNI INSTRUMENT INST
Priority date: 1986-05-28
Filing date: 1986-06-18
Publication date: 1987-12-23
Also published as: AU5826486A; GB2190925A; GB2190925B; SE453369B; AU583124B2; SE8602357D0; FR2599285A1; CH669347A5; NL8601424A; GB8612921D0; FR2599285B1; JPS62287062A; SE453369C; BR8602568A; SE8602357L; US4753854A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Metallbearbeitung, und zwar auf ein Schneidwerkzeug, und betrifft einen verschleißfesten Überzug für ein Schneidwerkzeug sowie ein Verfahren zu dessen Aufbringen.

Die vorliegende Erfindung wird für Schneidwerkzeuge wie Schneidstähle, Bohrer, Fräser zum Drehen, Bohren und Fräsen sowie für andere Arten der Metallbearbeitung verwendet. Sie kann beim Aufbringen eines verschleißfesten Überzuges auf das unter erhöhtem Verschleiß stehende Schneidwerkzeug Anwendung finden.

Einer der Wege zur Erhöhung der Standzeit des Schneidwerkzeugs mit einem verschleißfesten Überzug ist zur Zeit die Verbesserung der Betriebseigenschaften des eigentlichen verschleißfesten Überzuges der Schneidwerkzeuge. Besonders aussichtsreich ist die Verwendung von Überzügen für Schneidwerkzeuge, die auf der Basis von Einlagerungsphasen hergestellt werden, weil sie eine große Härte aufweisen. Bekannt ist ein verschleißfester Überzug für Schneidwerkzeuge und ein Verfahren zu dessen Aufbringen (DE-PS 19 59 690), der aus Einlagerungsphasen, und zwar aus Carbonitriden der Metalle der Gruppen IVa-VIa des Periodensystems der Elemente besteht. Als Grundwerkstoff eines Schneidwerkzeugs werden dabei vorwiegend Hartmetallegierungen beispielsweise auf der Basis von Wolframcarbid (WC) verwendet. Dieser Überzug wird in einem Verfahren über die Gasphase aufgebracht, bei dem die Grundlage des Schneidwerkzeugs auf eine Temperatur von ca. 1000°C erhitzt wurde. Bei diesen Temperaturen tritt eine teilweise Entfestigung der Hartmetallegierung ein. Bei diesem Verfahren ist es unmöglich, einen verschleißfesten Überzug auf das Schneidwerkzeug aufzubringen, bei dem die Grundlage aus leichtschmelzenden Werkstoffen, z. B. aus einem Stahl, besteht. Der genannte Überzug ist auf der Basis von Carbonitriden hergestellt und enthält in seiner Zusammensetzung eines der Metalle der Gruppen IVa-VIa des Periodensystems der Elemente. Um die Betriebseigenschaften des verschleißfesten Überzuges, insbesondere die Verschleißfestigkeit und die Härte zu verbessern, werden in die Zusammensetzung zweckmäßigerweise die Legierungskomponenten eingeführt.

Bekannt ist ein verschleißfester Überzug für ein Schneidwerkzeug, der mindestens eine auf die Grundlage aufgebrachte Schicht der Legierungskomponenten enthaltenden Einlagerungsphase mit unterschiedlichem Gehalt an der nichtmetallischen Komponente über die Schichtdicke enthält (s. "Fizika i khimia obrabotki materialov", Verlag "Nauka", Nr. 2, 1979, S. 169-170).

Der Überzug besteht aus der Einlagerungsphase auf der Basis von Molybdäncarbiden und enthält Titan, Zirkonium und Wolfram als Legierungskomponenten. Die Hauptkomponenten der Einlagerungsphase, und zwar Molybdän und Kohlenstoff, bilden dabei in der Überzugsschicht zwei Verbindungen: Molybdäncarbid (Mo₂C) und Molybdänmonocarbid (MoC). Somit sind in der Überzugsschicht neben der thermodynamisch besonders stabilen Phase Mo₂C auch andere, thermodynamisch instabile Phasen, wie MoC, vorhanden.

Die Heterogenität der Phasenzusammensetzung des Überzuges hat zur Folge, daß beim Betrieb des Schneidwerkzeugs unter hohen Temperaturen, die in der Schnittzone 600 bis 1000°C erreichen können, die thermodynamisch instabilen Verbindungen sich in ihre Bestandteile (Molybdän und Kohlenstoff) spalten, wobei Mo₂C gebildet wird. Derartige Umwandlungen, die in dem Überzug während des Betriebes des Schneidwerkzeugs geschehen, hängen damit zusammen, daß in der Überzugsschicht wesentliche Spannungen entstehen, durch die eine erhöhte Sprödigkeit der Schicht, ihr spontanes Absplittern und Abspalten hervorgerufen und folglich die Beständigkeit des Überzuges verringert und somit die Standzeit des Schneidwerkzeugs verkürzt werden.

Bekannt ist auch ein Verfahren zum Aufbringen eines verschleißfesten Überzuges auf ein Schneidwerkzeug mittels Kondensation eines Werkstoffs durch den Ionenbeschuß (s. "Fizika i khimia obrabotki materialov", Verlag "Nauka", Nr. 2, 1979, S. 169-170), welches darin besteht, daß eine Bogenentladung zum Verdampfen des Kathodenwerkstoffs im Vakuum erregt, eine Verlagerungsspannung an die Grundlage des Schneidwerkzeugs angelegt, die Grundlage durch den Ionenbeschuß des verdampfenden Kathodenwerkstoffs erwärmt und gereinigt, die Verlagerungsspannung auf eine Spannung, bei der die Überzugsschicht gebildet wird unter gleichzeitiger Erniedrigung der Temperatur der Grundlage reduziert, ein Reagenzgas, das mit dem verdampfenden Kathodenwerkstoff unter Bildung einer Einlagerungsphase der sich bildenden Überzugsschicht zusammenwirkt, bis zur Herstellung der vorgegebenen Schichtdicke ins Vakuum zugeleitet wird.

Die Stufe der Ausbildung einer 5 bis 8 µm dicken Schicht dauert im technologischen Beschichtungszyklus normalerweise 45 bis 60 min. Während dieser Zeit nimmt die Aktivität der Zusammenwirkung der Hauptkomponenten der Einlagerungsphase der sich bildenden Überzugsschicht ab, und als Folge werden neben den thermodynamisch stabilen Verbindungen thermodynamisch instabile Verbindungen gebildet. Außerdem erfolgt die Ausbildung der Überzugsschicht bei einer Temperatur von 420°C, bei der die Diffusion des Reagenzgases in den Grundwerkstoff ausreichend stark ist, wodurch der Gehalt an der nichtmetallischen Komponente in der eine Überzugsschicht bildenden Einlagerungsphase verringert wird und thermodynamisch instabile Verbindungen während der Zusammenwirkung mit dem verdampfenden Kathodenwerkstoff gebildet werden, durch die die Beständigkeit des Überzuges verringert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verschleißfesten Überzug für ein Schneidwerkzeug und ein Verfahren zu dessen Aufbringen zu schaffen, bei denen durch eine erhöhte Homogenität der einen Überzug bildenden Einlagerungsphase die Lebensdauer des verschleißfesten Überzuges und damit die Standzeit des Schneidwerkzeugs verlängert werden.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in einem verschleißfesten Überzug für ein Schneidwerkzeug, der mindestens eine auf die Grundlage aufgebrachte Schicht der Legierungskomponenten enthaltenden Einlagerungsphase mit unterschiedlichem Gehalt an der nichtmetallischen Komponente über die Schichtdicke enthält, erfindungsgemäß der Gehalt an der nichtmetallischen Komponente in der Einlagerungsphase im Homogenitätsbereich der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung dieser Einlagerungsphase liegt, wobei mindestens eine der Legierungskomponenten bei der Bildung dieser thermodynamisch stabilen Verbindung als Katalysator wirkt.

Zweckmäßiger enthält der verschleißfeste Überzug zusätzliche Schichten entsprechend der Anzahl der Hauptschichten, die sich mit den Hauptschichten abwechseln und von denen jede aus der Einlagerungsphase mit einem Gehalt an der nichtmetallischen Komponente, der im Homogenitätsbereich der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung dieser Einlagerungsphase liegt, besteht, wobei mindestens eine Legierungskomponente der Einlagerungsphase der vorherigen Hauptschicht bei der Bildung der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung der Einlagerungsphase der nachfolgenden zusätzlichen Schicht als Katalysator wirkt.

Bei der Herstellung einer Überzugsschicht aus der Einlagerungsphase auf der Basis von Titannitrid, Titanoxycarbid, Titancarbid, Titandiborid, Chromnitrid oder Niobcarbonitrid wird für die Bildung der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung dieser Einlagerungsphase Molybdän als Katalysator verwendet.

Bei der Herstellung einer Überzugsschicht aus der Einlagerungsphase auf der Basis von Aluminiumnitrid wird für die Bildung der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung dieser Einlagerungsphase Magnesium als Katalysator verwendet.

Bei der Herstellung einer Überzugsschicht aus der Einlagerungsphase auf der Basis von Molybdäncarbid oder Molybdäncarbonitrid wird für die Bildung der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung dieser Einlagerungsphase Niob als Katalysator verwendet.

Die gestellte Aufgabe wurde ebenfalls dadurch gelöst, daß bei einem Verfahren zum Aufbringen eines verschleißfesten Überzuges auf das Schneidwerkzeug mittels Kondensation eines Werkstoffs durch den Ionenbeschuß, welches darin besteht, daß im Vakuum eine Bogenentladung zum Verdampfen des Kathodenwerkstoffs erregt, eine Verlagerungsspannung an die Grundlage des Schneidwerkzeugs angelegt, die Grundlage durch den Beschuß mit den Ionen des verdampfenden Kathodenwerkstoffs erwärmt und gereinigt, die Verlagerungsspannung auf eine Spannung, bei der eine Überzugsschicht gebildet wird, unter gleichzeitiger Erniedrigung der Temperatur der Grundlage reduziert, ein Reagenzgas, das mit dem verdampfenden Kathodenwerkstoff unter Bildung einer Einlagerungsphase der sich bildenden Überzugsschicht zusammenwirkt, bis zur Herstellung einer Schicht mit vorgegebener Dicke ins Vakuum zugeleitet wird, erfindungsgemäß ein Katalysator für die Bildung der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung der Einlagerungsphase der sich bildenden Schicht durch das Verdampfen des Kathodenwerkstoffs ins Vakuum eingeführt und die Ausbildung der Überzugsschicht bei einer Erwärmungstemperatur der Grundlage durchgeführt wird, die für den Verlauf einer katalytischen Reaktion zur Bildung der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung der Einlagerungsphase der Überzugsschicht ausreichend ist, bei der der Gehalt an der nichtmetallischen Komponente im Homogenitätsbereich der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung durch die Diffusionszusammenwirkung des Reagenzgases mit dem Grundwerkstoff sichergestellt wird.

Vorteilhaft wird die Ausbildung der Überzugsschicht auf einer Grundlage aus Schnellarbeits-Gußstahl bei einer Erwärmungstemperatur der Grundlage von 350° bis 400°C, auf einer Grundlage aus Schnellarbeits-Pulverstahl bei einer Temperatur von 300° bis 350°C oder auf einer Grundlage aus nichtmetallischen hochschmelzenden Werkstoffen bei einer Temperatur von 550° bis 650°C durchgeführt.

Vorzugsweise werden als Kathodenwerkstoff bei der Ausbildung der Überzugsschicht aus einer Einlagerungsphase auf der Basis von Titannitrid oder Titancarbid oder Titanoxycarbid oder Titandiborid molybdänhaltige Titanlegierungen, aus einer Einlagerungsphase auf der Basis von Chromnitrid molybdänhaltige Chromlegierungen, aus einer Einlagerungsphase auf der Basis von Niobcarbonitrid molybdänhaltige Nioblegierungen, aus einer Einlagerungsphase auf der Basis von Aluminiumnitrid magnesiumhaltige Aluminiumlegierungen oder aus einer Einlagerungsphase auf der Basis von Molybdäncarbid oder Molybdäncarbonitrid niobhaltige Molybdänlegierungen verwendet.

Die Herstellung sowohl eines einschichtigen als auch eines mehrschichtigen verschleißfesten Überzuges am Schneidwerkzeug aus thermodynamisch besonders stabilen Verbindungen der Einlagerungsphasen mit dem maximalen Enthalpiewert (-ΔH°) gestattet es, optimale physikalisch-mechanische Eigenschaften dieses Überzuges zu erzielen, die während des Betriebes des Schneidwerkzeugs beibehalten bleiben, sowie seine Beständigkeit im Durchschnitt um ein 2- bis 4faches zu erhöhen und damit die Standzeit des Schneidwerkzeugs zu verlängern.

Das Verfahren zum Aufbringen eines verschleißfesten Überzuges auf das Schneidwerkzeug gestattet es, solch einen Überzug zu erhalten, bei dem jede Schicht aus der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung besteht, ohne daß dabei die Ausgaben zusätzlich vergrößert, die technologische Zyklusdauer verlängert und der Verbrauch an Mangelwerkstoffen erhöht werden.

Der verschleißfeste Überzug für das Schneidwerkzeug enthält mindestens eine Schicht der Einlagerungsphase. Bekanntlich stellt die Einlagerungsphase eine hochschmelzende Verbindung eines Übergangsmetalls mit einem oder mit mehreren Nichtmetallen, beispielsweise C, N, O, B, dar.

Die Anzahl der Schichten, deren Dicke, Welchselfolge, die Zusammensetzung jeder Schicht können sehr unterschiedlich sein, sie sind auf diesem Gebiet der Technik gut bekannt und hängen von den Anforderungen ab, die an das Werkzeug beim Betrieb gestellt werden.

Bekanntlich gestattet es die mehrschichtige Struktur eines Überzuges, im Überzug verschiedene Eigenschaften der Einlagerungsphasen zu kombinieren, aus denen die Einzelschichten gebildet werden.

Um die physikalisch-mechanischen Eigenschaften der Einlagerungsphasen zu verbessern, werden diesen Legierungskomponenten zugesetzt. Als Legierungszusätze werden in der Regel derartige Metalle, wie Magnesium, Molybdän, Wolfram, Niob, Chrom, Vanadium, verwendet. Dabei soll mindestens eine der Legierungskomponenten der Einlagerungsphase als Katalysator bei der Bildung der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung wirken. Das bedeutet, daß jede Schicht aus einer Einlagerungsphase besteht, bei der der Gehalt an der nichtmetallischen Komponente im Homogenitätsbereich der thermodynamsich besonders stabilen Verbindung liegt.

Das Verfahren zum Aufbringen eines verschleißfesten Überzuges auf das Schneidwerkzeug mittels Kondensation eines Werkstoffs durch den Ionenbeschuß besteht im folgenden. Zunächst wird das Werkstück, d. h. die Grundlage des Schneidwerkzeugs, von Verschmutzungen und Oxidfilmen auf die bekannte Weise gereinigt und in eine Vakuumkammer mit darin angeordneten Kathoden eingebracht, deren Anzahl mit der der Überzugsschichten bildenden Einlagerungsphasen übereinstimmt. Jede Kathode enthält ein Übergangsmetall und Legierungskomponenten der Überzugsschichten bildenden Einlagerungsphase. In der Kammer kann eine zusätzliche Kathode angeordnet werden, die nur für die Erwärmung und Reinigung der Grundlage eingesetzt wird. Außerdem kann in der Kammer noch eine zusätzliche Kathode aus einem Werkstoff vorgesehen werden, der einen Katalysator für die Bildung der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung, d. h. der Einlagerungsphase des aufzubringenden Überzuges, enthält.

Nach der Beschickung mit Werkstücken wird die Kammer evakuiert, und in dieser wird eine Bogenentladung für die Verdampfung des Kathodenwerkstoffs gezündet. Zuerst wird die Oberfläche der Grundlage gereinigt und erwärmt. Dafür wird an die Grundlage eine Verlagerungsspannung angelegt. Es wird die Kathode verdampft, die nur für die Reinigung und Erwärmung eingesetzt wird, und falls diese nicht vorhanden ist, wird die Kathode verdampft, die zum Auftragen der ersten Schicht dient.

Auf diese Weise wird die Grundlage gereinigt und ihre Oberfläche durch den Beschuß mit den Ionen des verdampfenden Kathodenwerkstoffs auf eine Temperatur erwärmt, bei der keine Entfestigung eintritt.

Danach wird die an die Grundlage angelegte Verlagerungsspannung auf einen Wert reduziert, bei dem eine Kondensation des verdampfenden Kathodenwerkstoffs auf der Grundlage sichergestellt wird. Im Ergebnis sinkt die Temperatur der Grundlage. Dabei wird die Verlagerungsspannung um einen Betrag verringert, damit die Temperatur der Grundlage auf eine Temperatur sinkt, bei der eine Überzugsschicht gebildet wird. Dann wird in die Kammer ein Reagenzgas eingeleitet, das mit dem verdampfenden Kathodenwerkstoff unter Bildung der Einlagerungsphase der sich bildenden Überzugsschicht zusammenwirkt. In die Kammer wird ebenfalls ein Katalysator für die Bildung der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung der Einlagerungsphase eingeführt.

Die Verwendung des Katalysators gestattet es, in Verhältnissen des Ungleichgewichtes bei der Ausbildung der Überzugsschicht die Konzentration ihrer nichtmetallischen Komponente über die Schichtdicke im Homogenitätsbereich der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung aufrechtzuerhalten.

Der Katalysator wird in die Zusammensetzung des Werkstoffes der für das Aufbringen des Überzuges eingesetzten Kathode eingeführt oder es wird die zusätzliche Kathode verdampft, deren Werkstoff einen Katalysator enthält. Auf diese Weise wird ebenfalls eine Überzugsschicht gebildet, indem auf der Grundlage eine Temperatur aufrechterhalten wird, die für den Verlauf einer katalytischen Reaktion zur Bildung der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung der Einlagerungsphase der sich bildenden Überzugsschicht ausreichend ist und bei der durch die Diffusionszusammenwirkung des Reagenzgases mit dem Grundwerkstoff ein Gehalt an der nichtmetallischen Komponente im Homogenitätsbereich der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung sichergestellt wird. Diese Temperatur soll ausreichend hoch sein, um die Bildung dieser Verbindung auf der Oberfläche der Grundlage zu ermöglichen und andererseits soll sie unter der Temperatur liegen, bei der das Reagenzgas durch den Grundwerkstoff intensiv aufgenommen wird, wodurch seine Menge nicht mehr ausreicht, um die thermodynamisch besonders stabile Verbindung zu bilden. Für jeden konkreten Grundwerkstoff wird diese Temperatur experimentell ermittelt.

Als Reagenzgas werden normalerweise Stickstoff, Methan, Sauerstoff oder Boran eingesetzt. Die Schichtdicke wird durch die Dauer der Reagenzgaszufuhr in die Kammer bestimmt. Bei der Bildung einer Schicht von vorgegebener Dicke wird die Zufuhr des Reagenzgases in die Kammer abgestellt, die Verlagerungsspannung abgenommen und die Bogenentladung ausgeschaltet, wonach das Schneidwerkzeug in der Kammer auf Raumtemperatur abgekühlt wird.

Zum besseren Verständnis wird die vorliegende Erfindung an Hand von folgenden Ausführungsbeispielen erläutert.

Beispiel 1

Es wurden Spiralbohrer mit 5 mm Durchmesser aus Schnellarbeits-Gußstahl folgender Zusammensetzung (in Gew.-%): C-0,85, Cr-3,6, W-6,0, V-2,0, Mo-5,0, Fe-Rest hergestellt. Das von Verschmutzungen vorgereinigte Los von 10 Bohrern wurde in Spezialkassetten untergebracht, die in der Vakuumkammer einer weit bekannten Anlage zum Aufbringen eines verschleißfesten Überzuges mittels Kondensation eines Werkstoffs durch den Ionenbeschuß drehbar angeordnet wurden.

In der Kammer wurde eine Titankathode für die Reinigung des Schneidwerkzeugs sowie eine Kathode für die Ausbildung eines Überzuges angeordnet, die aus einer molybdänhaltigen Titanlegierung folgender Zusammensetzung (in Gew.-%): Ti-93, Al-5,0, Mo-1,0, V-1,0 hergestellt worden war. Somit müssen die genannten Komponenten in der Zusammensetzung des verschleißfesten Überzuges enthalten sein.

Bei Erreichen eines Vakuums von 6,65 · 10^-3 Pa in der Vakuumkammer wurde in dieser eine Bogenentladung zum Verdampfen des Werkstoffs der Kathode für die Reinigung der Grundlage des Schneidwerkzeugs erregt. An die Bohrer wurde eine negative Verlagerungsspannung von 1100 V für die Beschleunigung von positiv geladenen Titanionen angelegt, mit denen die Reinigung und die Erwärmung der Grundlage der Bohrer auf eine Temperatur von 520°C durch den Beschuß erfolgt, und gleichzeitig wurde die Kassette in Drehung relativ zu den Kathoden mit einer Geschwindigkeit von 6 U/min gebracht. Dann wurde die Verlagerungsspannung auf 200 V reduziert, wobei die Erwärmungstemperatur der Grundlage auf 400°C gesenkt wurde. Danach wurde die Kathode für die Ausbildung der Überzugsschicht mit der Bogenentladung verdampft. Gleichzeitig wurde ein Reagenzgas in die Kammer zugeleitet und ein Druck von 4 · 10^-1 Pa in der Kammer erzeugt. Als Reagenzgas wurde N₂ eingesetzt, der auf der Grundlage bei der Zusammenwirkung mit dem verdampfenden Kathodenwerkstoff eine Überzugsschicht aus der Einlagerungsphase (Ti, Al, Mo, V) N bildete, in der der Gerhalt an der nichtmetallischen Komponente N in einem Bereich von 15,0 Gew.-% bis 22,0 Gew.-%, d. h. im Homogenitätsbereich der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung, liegt.

Al, Mo und V sind Legierungskomponenten in dieser Phase, wobei Mo als Katalysator bei der Bildung der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung wirkt. Sie sind im Werkstoff der Kathode für die Ausbildung der Überzugsschicht enthalten.

Das Reagenzgas wurde während 60 min bis zur Bildung einer 6 µm dicken Schicht des verschleißfesten Überzuges in die Kammer zugeleitet.

Dann wurde die Verlagerungsspannung von der Grundlage abgenommen, die Zufuhr des Reagenzgases abgestellt, die Bogenentladung ausgeschaltet und die Kammer mit den darin angeordneten Bohrern auf Raumtemperatur abgekühlt.

Das Los von 10 Bohrern mit der verschleißfesten Beschichtung wurde beim Bohren von Löchern im Stahl folgender Zusammensetzung: C-0,42 bis 0,49 Gew.-%, Fe-Rest auf einer Senkrechtbohrmaschine bei folgenden Bohrverhältnissen: Geschwindigkeit V=45 m/min, Vorschub s=0,18 mm/U, Bohrtiefe l=3d, worin d der Bohrerdurchmesser ist, geprüft. Das Kriterium der Abstumpfung war das Quietschen des Bohrers. Die durchschnittliche Anzahl der mit einem Bohrer gebohrten Löcher betrug 335.

Beispiel 2

Die Bohrer wurden wie im Beispiel 1 hergestellt, und auf die Grundlage des Schneidwerkzeugs wurde ein einschichtiger verschleißfester Überzug, ähnlich wie in Beispiel 1 beschrieben, aufgebracht, nur daß für die Ausbildung des Überzuges zwei Kathoden, die eine aus einer Legierung auf der Basis von Titan folgender Zusammensetzung (Gew.-%): Ti-91,0, Al-5,0, V-4,0 und die andere Kathode aus Mo, eingesetzt wurden. Als Reagenzgas wurde CO₂ verwendet, das bei der Zusammenwirkung mit dem Kathodenwerkstoff eine Einlagerungsphase (Ti, Al, V, Mo) CO bildete. Der Gehalt an der nichtmetallischen Komponente, d. h. der Gesamtgehalt an C und O, liegt in dieser Einlagerungsphase in einem Bereich von 14,0 Gew.-% bis 19,0 Gew.-%, d. h. im Homogenitätsbereich der thermodynamsich besonders stabilen Verbindung. Dabei wirkt Molybdän als Katalysator bei der Bildung der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung. Molybdän wurde durch die Verdampfung der zusätzlichen Kathode ins Vakuum eingeführt. Außerdem wurde die an die Grundlage bei der Ausbildung des Überzuges angelegte Verlagerungsspannung nach der Erwärmung der Grundlage auf einen Wert von 190 V und die Erwärmungstemperatur der Grundlage auf 350°C reduziert.

Das Los von Bohrern mit dem verschleißfesten Überzug wurde ähnlich wie in Beispiel 1 geprüft. Prüfergebnis: die durchschnittliche Anzahl der mit einem Bohrer gebohrten Löcher betrug 350.

Beispiel 3

Es wurde ein Los ähnlicher Bohrer, wie in Beispiel 1 beschrieben, hergestellt und ein 6 µm dicker mehrschichtiger Überzug in Form von 500 miteinander abwechselnden Schichten aus zwei Legierungskomponenten enthaltenden Einlagerungsphasen aufgebracht. Dafür wurden in der Vakuumkammer zwei Kathoden für die Ausbildung der Überzugsschichten angeordnet. Die eine Kathode bestand aus einer molybdänhaltigen Titanlegierung folgender Zusammensetzung (Gew.-%): Ti-93, Al-5,0, Mo-1,0, V-1,0. Die andere Kathode war aus einer magnesiumhaltigen Aluminiumlegierung folgender Zusammensetzung (Gew.-%): Al- 98,5, Si-0,5, Mg-0,5, Cu-0,5 hergestellt worden.

Die Verhältnisse für die Überzugsausbildung sind ähnlich wie in Beispiel 1 mit der Ausnahme, daß die Verlagerungsspannung nach der Erwärmung der Grundlage auf 195 V und die Erwärmungstemperatur der Grundlage auf 380°C reduziert wurde.

Die Ausbildung des Überzuges aus sich abwechselnden Schichten der zwei Einlagerungsphasen erfolgte durch die Verlagerung der Bohrer relativ zu den Kathoden. In der Stellung, wenn sich der Bohrer in der Verdampfungszone der Kathode aus der molybdänhaltigen Titanlegierung befindet, werden auf diesen Überzugsschichten gebildet, die aus der Einlagerungsphase (Ti, Al, Mo, V) N bestehen, in welcher der Gehalt an der nichtmetallischen Komponente N in einem Bereich von 15,0 Gew.-% bis 22,0 Gew.-%, d. h. im Homogenitätsbereich der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung, liegt. Dabei dient Mo als Katalysator für die Bildung der genannten Verbindung. In der Stellung, wenn sich der Bohrer in der Verdampfungszone der Kathode aus der magnesiumhaltigen Aluminiumlegierung befindet, werden auf diesen Überzugsschichten aus der Einlagerungsphase (Al, Mg, Cu, Si) N mit einem Gehalt an der nichtmetallischen Komponente in einem Bereich von 21,2 Gew.-% bis 21,3 Gew.-%, d. h. im Homogenitätsbereich der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung, gebildet. Dabei dient Mg als Katalysator für die Bildung der genannten Verbindung.

Das Los der Bohrer mit der verschleißfesten Beschichtung wurde ähnlich wie in Beispiel 1 getestet. Prüfergebnis: die durchschnittliche Anzahl der mit einem Bohrer gebohrten Löcher betrug 460.

Beispiel 4

Es wurde ein Los von ähnlichen Bohrern wie in Beispiel 1 hergestellt und ein 6 µm dicker mehrschichtiger Überzug in Form von 450 miteinander abwechselnden Schichten aus zwei Einlagerungsphasen aufgebracht, von denen die eine Legierungskomponenten enthielt.

Dafür wurden in der Vakuumkammer zwei Kathoden für die Ausbildung der Überzugsschichten angeordnet. Die eine Kathode bestand aus einer molybdänhaltigen Titanlegierung mit der gleichen Zusammensetzung wie in Beispiel 1. Die andere Kathode war aus Chrom hergestellt worden.

Die Bedingungen für die Ausbildung des Überzuges sind ähnlich wie in Beispiel 1.

Der Überzug aus 450 sich abwechselnden Schichten der zwei Einlagerungsphasen wurde durch die Verlagerung der Bohrer relativ zu den Kathoden ähnlich wie in Beispiel 3 hergetellt, wobei die Drehgeschwindigkeit der Kassette 5,5 U/min betrug.

Bei der Verdampfung der Kathode aus der molybdänhaltigen Titanlegierung wurden Überzugsschichten gebildet, die aus der Einlagerungsphase wie in Beispiel 1 bestanden.

Beim Verdampfen der Chromkathode wurden Überzugsschichten aus der Einlagerungsphase CrN gebildet, in der der Gehalt an der nichtmetallischen Komponente N in einem Bereich von 21,2 Gew.-% bis 21,5 Gew.-%, d. h. im Homogenitätsbereich der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung, liegt. Dabei dient Mo, das in der Zusammensetzung der vorherigen Schicht enthalten ist, als Katalysator für die Bildung der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung der Einlagerungsphase CrN der nachfolgenden Schicht.

Das Los der Bohrer mit der verschleißfesten Beschichtung wurde ähnlich wie in Beispiel 1 geprüft. Prüfergebnisse: die durchschnittliche Anzahl der mit einem Bohrer gebohrten Löcher betrug 465.

Beispiel 5

Ein Los von Bohrern wurde aus einem Schnellarbeits- Pulverstahl als Grundlage hergestellt, dessen Zusammensetzung in Beispiel 1 angegeben ist. Auf die Bohrer wurde ein 6 µm dicker mehrschichtiger Überzug in Form von 500 miteinander wechselnden Schichten aus zwei Legierungskomponenten enthaltenden Einlagerungsphasen aufgebracht.

Dafür wurden in der Vakuumkammer zwei Kathoden für die Ausbildung der Überzugsschichten angeordnet; die Zusammensetzung der einen Kathode war ähnlich der in Beispiel 1. Die andere Kathode bestand aus einer niobhaltigen Molybdänlegierung folgender Zusammensetzung (Gew.-%): Ti-1,0, Z-0,5, Nb-1,5, C-0,5, Mo-96,5.

An die Bohrer wurde eine negative Verlagerungsspannung von 1000 V zur Beschleunigung von positiv geladenen Ti- Ionen angelegt, durch die die Grundlage der Bohrer gereinigt und durch den Beschluß auf eine Temperatur von 500°C erwärmt und die Kassette gleichzeitig mit einer Geschwindigkeit von 6 U/min in Drehung relativ zu den Kathoden gebracht wurde.

Danach wurde die Verlagerungsspannung auf 180 V reduziert. Dabei wurde die Erwärmungstemperatur der Grundlage auf 300°C gesenkt.

Dann wurde der Werkstoff der Kathoden für die Ausbildung der Überzugsschichten mittels einer Bogenentladung verdampft. Gleichzeitig wurde Methan CH₄ in die Vakuumkammer zugeleitet und ein Druck von 4 · 10^-1 Pa darin erzeugt. Das Methan bildet bei der Zusammenwirkung mit dem verdampfenden Kathodenwerkstoff einen Überzug aus sich abwechselnden Einlagerungsphasen (Ti, Al, Mo, V) C und (Mo, Ti, Zr, Nb)₂C auf der Grundlage.

In der Einlagerungsphase (Ti, Al, Mo, V)C dienen Al, Mo und V als Legierungskomponenten, wobei Mo als Katalysator bei der Bildung der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung mit einem Gehalt an der nichtmetallischen Komponente C in einem Bereich von 12,5 Gew.-% bis 19,0 Gew.-%, d. h. im Homogenitätsbereich der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung, wirkt.

In der Einlagerungsphase (Mo, Ti, Zr, Nb)₂C dienen Ti, Zr, Nb als Legierungskomponenten, wobei Nb als Katalysator bei der Bildung der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung mit einem Gehalt an der nichtmetallischen Komponente C von 5,5 Gew.-% bis 5,8 Gew.-% wirkt, der im Homogenitätsbereich der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung liegt. Das Reagenzgas wurde 60 Minuten lang bis zur Bildung eines 6 µm dicken Überzuges zugeführt. Danach wurde die Verlagerungsspannung von der Grundlage abgenommen, die Methanzufuhr abgestellt, die Bogenentladung ausgeschaltet und die Kammer mit den darin angeordneten Bohrern auf die Raumtemperatur abgekühlt.

Das Los der Bohrer wurde ähnlich wie in Beispiel 1 geprüft. Prüfergebnisse: die durchschnittliche Anzahl der mit einem Bohrer gebohrten Löcher betrug 290.

Beispiel 6

Ein Los von Bohrern wurde aus einem Schnellarbeits- Pulverstahl als Grundlage hergestellt, dessen Zusammensetzung in Beispiel 1 angegeben ist.

Für das Aufbringen des Überzugs aus 500 miteinander wechselnden Schichten aus zwei Einlagerungsphasen wurden Kathoden eingesetzt, deren Zusammensetzung mit der in Beispiel 5 identisch ist, und als Reagenzgas Stickstoff N₂ verwendet. An die Bohrer wurde eine negative Verlagerungsspannung von 1000 V angelegt und die Grundlage des Schneidwerkzeugs auf eine Temperatur von 500°C erwärmt. Danach wurde die Verlagerungsspannung auf 190 V reduziert, wobei die Erwärmungstemperatur der Grundlage auf 350°C gesenkt wurde.

Der auf die Grundlage des Schneidwerkzeugs aufgebrachte verschleißfeste Überzug enthielt die miteinander wechselnden Schichten der Einlagerungsphase (Ti, Al, Mo, V)N, die mit den in Beispiel 1 beschriebenen identisch waren, sowie Schichten der Einlagerungsphase (Mo, Ti, Zr, Nb)₂CN mit einem Gehalt an der nichtmetallischen Komponente CN von 6,5 Gew.-% bis 6,6 Gew.-%, der im Homogenitätsbereich der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung liegt. In dieser Phase sind Ti, Zr, Nb Legierungskomponenten, wobei Nb als Katalysator für die Bildung der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung dient.

Das Los der Bohrer wurde ähnlich wie in Beispiel 1 geprüft. Prüfergebnisse; die durchschnittliche Anzahl der mit einem Bohrer gebohrten Löcher betrug 410.

Beispiel 7

Der Überzug mit der gleichen Zusammensetzung wie in Beispiel 6 wurde auf das gleiche Schneidwerkzeug wie in Beispiel 6 mit der Ausnmahme aufgebracht, daß die Verlagerungsspannung bei der Ausbildung des Überzuges auf 185 V und die Erwärmungstemperatur der Grundlage auf 320°C reduziert wurden.

Das Los der Bohrer wurde ähnlich wie Beispiel 1 geprüft. Prüfergebnisse: die durchschnittliche Anzahl der mit einem Bohrer gebohrten Löcher betrug 380.

Beispiel 8

Ein Los von 10 Schneidplatten wurde aus einer Komposition auf der Basis einer hochschmelzenden Verbindung BN mit einer Härte von HV 5500 bis 9500 hergestellt, und eine Schicht des verschleißfesten Überzuges wurde ähnlich wie in Beispiel 1 mit der Ausnahme aufgebracht, daß für die Reinigung und Erwärmung der Grundlage des Schneidwerkzeugs sowie für die Ausbildung des Überzuges die gleiche Kathode eingesetzt wurde, die aus einer molybdänhaltigen Titanlegierung folgender Zusammensetzung (Gew.-%): Mo- 1,0, Al-5,00, V-1,0, Zr-2,0, Ti-91 hergestellt worden war. An die Grundlage des Schneidwerkzeugs wurde eine Verlagerungsspannung von 1500 V angelegt, wobei sie auf 680°C erwärmt wurde. Die Verlagerungsspannung wurde auf 280 V und die Erwärmungstemperatur der Grundlage auf 550°C reduziert. Als Reagenzgas wurde Stickstoff N₂ eingesetzt, der auf der Grundlage bei der Zusammenwirkung mit dem verdampfenden Kathodenwerkstoff eine Einlagerungsphase (Ti, Mo, Al, V, Zr)N mit einem Gehalt an der nichtmetallischen Komponente N von 15,5 Gew.-% bis 22,0 Gew.-% bildete, der im Homogenitätsbereich der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung liegt.

Mo, Al, V, Zr dienen in dieser Einlagerungsphase als Legierungskomponenten, wobei Mo als Katalysator bei der Bildung der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung wirkt.

Das Los der Schneidplatten mit der verschleißfesten Beschichtung wurde bei der Schlichtbearbeitung von Stahl folgender Zusammensetzung: C-0,36 bis 0,44 Gew.-%, Si- 0,17 bis 0,37 Gew.-%, Mn-0,50 bis 0,80 Gew.-%, Cr- 0,80 bis 1,10 Gew.-%, Fe-Rest geprüft. Mit einem mit den Schneidplatten bestückten Ausbohrmeißel wurden Bohrungen im Spindelstock einer Drehbank bei folgenden Schnittwerten fertiggebohrt:

n - Spindeldrehzahl - 1000 U/min, s - Vorschub - 0,3 mm/U, t - Schnittiefe - 0,5 mm.

Die Standzeit der Schneidplatten wurde nach der Anzahl der Werkstücke beurteilt, die mit jeder Platte bis zu ihrem technologischen Verschleiß bearbeitet worden waren.

Die durchschnittliche Anzahl der mit einer Platte fertiggebohrten Bohrungen betrug 140.

Beispiel 9

Ein Los von 10 Schneidplatten wurde aus einer Komposition auf der Basis der hochschmelzenden Verbindung TiB₂ mit einer Härte von HRa 86-92 hergestellt, und eine Schicht des verschleißfesten Überzuges wurde ähnlich wie in Beispiel 1 mit der Ausnahmne aufgebracht, daß als Werkstoff der Kathode für die Ausbildung der Überzugsschicht eine molybdänhaltige Nioblegierung folgender Zusammensetzung (Gew.-%): Mo-4,0, Zr-1,0, C-0,12, Nb-94,88 eingesetzt wurde. An die Grundlage des Schneidwerkzeugs wurde eine Verlagerungsspannung von 1500 V unter Erwärmung auf 680°C angelegt. Die Verlagerungsspannung wurde auf 350 V und die Erwärmungstemperatur der Grundlage auf 650°C reduziert.

Als Reagenzgas wurde Stickstoff verwendet, der auf der Grundlage bei der Zusammenwirkung mit dem verdampfenden Kathodenwerkstoff einen Überzug aus der Einlagerungsphase (Nb, Z,r Mo)₂CN bildete. Der Gehalt an der nichtmetallischen Komponente CN liegt in einem Bereich von 6,0 Gew.-% bis 7,0 Gew.-%, d. h. im Homogenitätsbereich der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung.

Mo und Zr sind in dieser Einlagerungsphase Legierungskomponenten, wobei Mo als Katalysator für die Bildung der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung dient.

Das Los der Schneidplatten mit der verschleißfesten Beschichtung wurde ähnlich wie in Beispiel 8 geprüft. Prüfergebnisse: die durchschnittliche Anzahl der mit einer Schneidplatte fertiggebohrten Bohrungen betrug 100.

Beispiel 10

Ein Los von 10 Schneidplatten wurde aus einer Komposition auf der Basis der hochschmelzenden Verbindung TiC, d. h. mit einer Härte HRa von 88 bis 94, hergestellt, und eine Überzugsschicht wurde ähnlich wie im Beispiel 1 mit der Ausnahme aufgebracht, daß als Werkstoff der Kathode für die Ausbildung der Überzugsschicht eine molybdänhaltige Titanlegierung folgender Zusammensetzung (Gew.-%): Al- 5,0, Mo-1,0, V-1,0, Zr-2,0, Ti-91 verwendet wurde.

An die Grundlage des Schneidwerkzeugs wurde eine Verlagerungsspannung von 1500 V angelegt, wobei diese auf eine Temperatur von 680°C erwärmt wurde. Die Verlagerungsspannung wurde auf 300 V reduziert und die Erwärmungstemperatur der Grundlage auf 600°C gesenkt. Als Reagenzgas wurde Boran B₄H₁₀ eingesetzt, das auf der Grundlage bei der Zusammenwirkung mit dem verdampfenden Kathodenwerkstoff einen Überzug aus der Einlagerungsphase (Ti, Al, Mo, V, Zr)B₂ bildete; der Gehalt an der nichtmetallischen Komponente B₂ liegt in einem Beriech von 31,0 Gew.-% bis 31,3 Gew.-%, d. h. im Homogenitätsbereich der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung. Al, Mo, V, Zr sind Legierungskomponenten in der genannten Einlagerungsphase, wobei Mo als Katalysator für die Bildung der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung dient.

Die Schneidplatten mit der verschleißfesten Beschichtung wurden ähnlich wie in Beispiel 8 geprüft. Prüfergebnisse: die durchschnittliche Anzahl der mit einer Schneidplatte bearbeiteten Bohrungen betrug 160.

Claims

1. Verschleißfester Überzug für ein Schneidwerkzeug, der mindestens eine auf die Grundlage aufgebrachte Schicht der Legierungskomponenten enthaltenden Einlagerungsphase mit unterschiedlichem Gehalt an nichtmetallischer Komponente über die Schichtdicke enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an der nichtmetallischen Komponente in der Einlagerungsphase im Homogenitätsbereich der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung dieser Einlagerungsphase liegt, wobei mindestens eine der Legierungskomponenten als Katalysator bei der Bildung dieser thermodynamisch besonders stabilen Verbindung wirkt.

2. Verschleißfester Überzug für ein Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er zusätzliche Schichten entprechend der Anzahl der Hauptschichten enthält, die sich mit den Hauptschichten abwechseln und von denen jede aus der Einlagerungsphase mit einem Gehalt an nichtmetallischer Komponente besteht, der im Homogenitätsbereich der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung dieser Einlagerungsphase liegt, wobei mindestens eine Legierungskomponente der Einlagerungsphase der vorherigen Hauptschicht als Katalysator bei der Bildung der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung der Einlagerungsphase der nachfolgenden zusätzlichen Schicht wirkt.

3. Verschleißfester Überzug für ein Schneidwerkzeug nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Herstellung der Überzugsschicht aus der Einlagerungsphase auf der Basis von Titannitrid oder Titanoxycarbid oder Titancarbid oder Titandiborid oder Chromnitrid oder Niobcarbonitrid Molybdän als Katalysator für die Bildung der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung verwendet wird.

4. Verschleißfester Überzug für ein Schneidwerkzeug nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Herstellung der Überzugsschicht aus der Einlagerungsphase auf der Basis von Aluminiumnitrid Magnesium als Katalysator für die Bildung der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung dieser Einlagerungsphase verwendet wird.

5. Verschleißfester Überzug nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Herstellung der Überzugsschicht aus der Einlagerungsphase auf der Basis von Molybdäncarbid oder Molybdäncarbonitrid Niob als Katalysator für die Bildung der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung dieser Einlagerungsphase verwendet wird.

6. Verfahren zum Aufbringen des verschleißfesten Überzugs auf ein Schneidwerkzeug nach Anspruch 1 mittels Kondensation eines Werkstoffes durch Ionenbeschuß, welches darin besteht, daß im Vakuum eine Bogenentladung zum Verdampfen des Katodenwerkstoffes erregt, eine Verlagerungsspannung an die Grundlage des Schneidwerkzeugs angelegt, die Grundlage durch den Beschuß mit den Ionen des verdampfenden Kathodenwerkstoffes erwärmt und gereinigt, die Verlagerungsspannung auf eine Spannung, bei der eine Überzugsschicht gebildet wird, unter gleichzeitiger Erniedrigung der Temperatur der Grundlage reduziert, ein Reagenzgas, das mit dem verdampfenden Kathodenwerkstoff unter Bildung der Einlagerungsphase der sich bildenden Überzugsschicht zusammenwirkt, bis zur Bildung einer Schicht mit vorgegebener Dicke ins Vakuum zugeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Katalysator für die Bildung der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung der Einlagerungsphase der sich bildenden Überzugsschicht durch die Verdampfung des Kathodenwerkstoffes ins Vakuum eingeführt und die Ausbildung der Überzugsschicht bei einer Erwärmungstemperatur der Grundlage durchgeführt wird, die für den Verlauf einer katalytischen Reaktion zur Bildung der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung der Einlagerungsphase der sich bildenden Überzugsschicht ausreichend ist, bei der durch die Diffusionszusammenwirkung des Reagenzgases mit dem Grundwerkstoff ein Gehalt an der nichtmetallischen Komponente im Homogenitätsbereich der thermodynamisch besonders stabilen Verbindung sichergestellt ist.

7. Verfahren zum Aufbringen des verschleißfesten Überzuges auf ein Schneidwerkzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbildung der Überzugsschicht auf einer Grundlage aus einem Schnellarbeits-Gußstahl bei einer Erwärmungstemperatur der Grundlage von 350 bis 400°C, auf einer Grundlage aus einem Schnellarbeits- Pulverstahl bei einer Temperatur von 300 bis 350°C oder auf einer Grundlage aus nichtmetallischen hochschmelzenden Werkstoffen bei einer Temperatur von 550 bis 650°C durchgeführt wird.

8. Verfahren zum Aufbringen des verschleißfesten Überzuges auf ein Schneidwerkzeug nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Ausbildung der Überzugsschicht aus der Einlagerungsphase auf der Basis von Titannitrid oder Titancarbid oder Titanoxycarbid oder Titandiborid molybdänhaltige Titanlegierungen, aus der Einlagerungsphase auf der Basis von Chromnitrid molybdänhaltige Chromlegierungen, aus der Einlagerungsphase auf der Basis von Niobcarbonitrid molybdänhaltige Nioblegierungen, aus der Einlagerungsphase auf der Basis von Aluminiumnitrid magnesiumhaltige Aluminiumlegierungen, aus der Einlagerungsphase auf der Basis von Molybdäncarbid oder Molybdäncarbonitrid niobhaltige Molybdänlegierungen als Kathodenwerkstoff eingesetzt werden.