DE3390523C2 - Verfahren zum Auftragen einer Beschichtung auf dieOberfl{che eines spanenden Werkzeugs - Google Patents

Verfahren zum Auftragen einer Beschichtung auf dieOberfl{che eines spanenden Werkzeugs

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DE3390523C2 DE19833390523 DE3390523T DE3390523C2 DE 3390523 C2 DE3390523 C2 DE 3390523C2 DE 19833390523 DE19833390523 DE 19833390523 DE 3390523 T DE3390523 T DE 3390523T DE 3390523 C2 DE3390523 C2 DE 3390523C2
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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Metallbearbeitungsindustrie, und zwar betrifft sie Verfahren zum Auftragen von Beschichtungen auf die Oberfläche eines spanenden Werzeugs, die aus einem kohlenstoffhaltigen Material besteht, durch Verdampfen wenigstens eines carbidbildenden Stoffes im Vakuum durch Bogenentladung, Anlegen einer Spannung an das Werkzeug, Erwärmung der Oberfläche des Werkzeugs durch Kathodenbeschuß mit Ionen des verdampften carbidbildenden Materials.
Die weitere Vervollkommnung der Zusammensetzung der für die Werkzeugherstellung verwendeten Werkstoffe ermöglicht jedoch keine wesentliche Verbesserung ihrer physikalisch-mechanischen Eigenschaften. Eine weitere Verbesserung der Verfahren zum Auftragen hochschmelzbarer, verschleißfester Beschichtungen ermöglichte jedoch die Lösung dieses Problems.
Bekannt ist ein Verfahren zum Auftragen einer Beschichtung auf eine Grundlage aus einem kohlenstoffhaltigen Stoff (s. V. I. Kostikov, J. A. Sesternev, "Plasmabeschichtung", 1978, Verlag "Metallurgÿa", Moskau, S. 94) durch Verdampfen eines carbidbildenden Stoffs auf der Arbeitsfläche bis zur Bildung einer Beschichtung. In diesem Verfahren erfolgt die Verdampfung des carbidbildenden Stoffs und die Erwärmung der Arbeitsfläche der Grundlage auf thermische Weise.
Die Carbidbildung des verdampften Stoffs durch den Kohlenstoff der Grundlage läuft jedoch in diesem Verfahren bei 1000 bis 1600°C ab, was den technologischen Prozeß der Bildung einer Beschichtung erschwert.
Außerdem tritt bei diesem Verfahren das verdampfte Metall nicht restlos in die Carbidbildungsreaktion mit dem Kohlenstoff der Grundlage, was die Qualität der entstehenden Beschichtung verschlechtert.
Bekannt ist auch ein Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtung vorzugsweise auf spanende Werkzeuge, deren Grundlage ein kohlenstoffhaltiger Stoff bildet (siehe Zeitschrift "Fizika i chimÿa obrabotki materialov", A. A. Andreev u. a. "Beschichtungen aus Molybdäncarbid, die durch das Niederschlagen von Plasmaströmen im Vakuum entstehen", 1979, Verlag "Nauka", Moskau, Nr. 2, S. 169, russ.), durch Verdampfen wenigstens eines carbidbildenden Stoffs im Vakuum durch Bogenentladung, Anlegen einer Spannung an das spanende Werkzeug, Reinigung und Erwärmung der Arbeitsfläche der Grundlage des spanenden Werkzeugs durch Ionenbeschuß des verdampften carbidbildenden Stoffs mit anschließender Kondensation der Ionen auf der Arbeitsfläche der Grundlage bis zur Bildung einer Beschichtung. Vor der Kondensation der Ionen des verdampften carbidbildenden Stoffs wird nach diesem Verfahren ein Gasgemisch in das Vakuum geleitet, das in die Reaktion mit dem verdampften carbidbildenden Stoff bis zur Bildung einer Beschichtung auf der Arbeitsfläche der Grundlage des spanenden Werkzeugs tritt.
Die in diesem Verfahren vorgesehene Zuleitung eines Gasgemisches führt jedoch zu einer Verkomplizierung des technologischen Prozesses und verzögert die Entstehung einer Beschichtung.
Außerdem verläuft in diesem Verfahren das Verdampfen des Gasgemisches durch Bogenentladung unbeständig, was zu dauernder Veränderung der Zusammensetzung der Beschichtung führt und die Reproduzierung der vorgegebenen Zusammensetzung der Beschichtung erschwert, was wiederum den technologischen Herstellungsprozeß der Beschichtung komplizierter macht.
Die in diesem Verfahren vorgesehene Verwendung explosiver Gase als Gasgemisch macht es explosionsgefährlich.
In der US-PS 39 16 052 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Titancarbidüberzugs auf einem kohlenstoffhaltigen Substrat beschrieben, wobei Titan im Elektronenstrahl in einer mit Vakuum beaufschlagten Kammer verdampft wird, um so einen Strom zu bilden. Dieser Strom wird zumindestens teilweise als Titan auf dem kohlenstoffhaltigen Substrat abgelagert. Dieses wird anschließend zwecks Diffusion des Kohlenstoffs erhitzt, so daß sich in dem Überzug Titancarbid bildet. Das Aufbringen des carbidbildenden Metalls erfolgt bei 600°C und die Erwärmung des beschichteten Werkstückes auf 1300°C.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, solch ein Verfahren zu entwickeln, bei dem die Reinigung und Erwärmung der Arbeitsfläche der Grundlage des spanenden Werkzeugs so vorgenommen wird, daß das Verfahren vereinfacht wird durch Vermeidung der Anwendung von Reaktionsgasen insbesondere explosionsfähigen.
Diese Aufgabe wird wie aus den nachstehenden Patentansprüchen ersichtlich gelöst.
Der erfindungsgemäße Vorschlag sieht also im Vergleich zu der US-PS 39 16 052 das Gegenteil vor, und zwar wird zuerst ein Strahl des carbidbildenden Stoffes im Vakuum bei höherer Spannung auf die Grundlage gerichtet und durch Ionenbeschuß die Oberfläche gereinigt. Es folgt unter diesen Bedingungen so gut wie keine Ablagerung auf der Substratoberfläche. Dann wird die Spannung erniedrigt und bei der entsprechenden Arbeitstemperatur beschichtet. Ein Erhitzen auf höhere Temperaturen ist nicht notwendig. Die Carbidbildungstemperatur wird also durch Erhitzen auf die Temperatur der Reinigung durch Ionenbeschuß erreicht. Damit ist eine enorme Vereinfachung des Verfahrens verbunden.
Ein weiterer Unterschied liegt auch in der Aufbringungsart der Beschichtung. Beim bekannten Verfahren wird das Titan im Elektronenstrahl verdampft und aufgebracht; nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Beschichtung durch Kondensation des aufzubringenden Stoffes unter Ionenbeschuß aufgebracht, wobei man sich der Verdampfung des carbidbildenden Materials vermittels Bogenentladung bedient, wodurch ein maximaler Ionisierungs- und Aktivierungsgrad des Plasmastromes erzielt wird. Das Substrat ist allerdings - und das ist auch wichtig - vorher gereinigt und aufgeheizt worden, ebenfalls im Plasmastrom, der auf das Werkstück gerichtet ist, wobei vor der Beschichtung die Oberfläche des Werkstückes man kann sagen durch den Ionenbeschuß in den oberflächennahen Schichten aktiviert wurde. Diese Vorbehandlung der Basisfläche ermöglicht erstens die Carbidbildung des Titans während seiner Abscheidung bei 520 bis 680°C und zweitens die Entkohlung des Basismaterials, da die an der Oberfläche enthaltenen Titanionen ebenfalls Carbidbasen bilden, wobei die Kohlenstoff­ grenzkonzentration ansteigt.
Es wird also ein Überzug erhalten, ohne daß der Kammer ein kohlenstoffhaltiges Reaktionsgas zugeführt werden muß.
Die Kondensations- und Carbidbildungsgeschwindigkeit während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind gleich.
Ist die Geschwindigkeit der Kondensation der Ionen des von der Kathode verdampfenden Metalls höher als die Geschwindigkeit ihrer Carbidbildung auf dem Substrat, bildet sich ein Überzug, der neben Metallcarbiden (TiC) auch ein Metall (Ti) enthält. Ist das Geschwindigkeitsverhältnis umgekehrt, kommt es in der Außenschicht zur Bildung eines Kohlenstoffüberschusses, der mit dem aufgedampften Material nicht reagiert hat. Wie die Geschwindigkeit der Kondensation des aufgedampften Metalls zu steuern ist, ist jedem Fachmann auf dem vorliegenden Gebiet der Technik (Spannungsänderung und Vakuumbeaufschlagung in der Kammer) bekannt und bedarf keiner Erläuterung.
Es ist zweckmäßig, daß die Temperatur, bei der die Reaktion der Carbidbildung abläuft, zwischen 500 bis 540°C beträgt, wenn als Material für die Grundlage des spanenden Werkzeugs Stahl verwendet wird, oder 620 bis 680°C beträgt, wenn als Material für die Grundlage des spanenden Werkzeugs eine Hartlegierung verwendet wird.
Es ist sinnvoll, entweder Titan oder Titannitrid oder eine Titanlegierung als carbidbildenden Stoff zu verwenden.
Es ist ferner bevorzugt, daß, falls zwei carbidbildende Stoffe verwendet werden, als zweiter Molybdän verwendet wird.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, die Zusammensetzung der entstehenden Beschichtung über ihre Dicke zu stabilisieren, was das Auftragen vereinfacht.
Das Verfahren besteht darin, daß man den carbidbildenden Stoff im Vakuum durch Bogenentladung verdampft und eine Spannung an das spanende Werkzeug anlegt. Dann reinigt und erwärmt man die Arbeitsfläche der Grundlage des spanenden Werkzeugs durch Kathodenbeschuß mit Ionen des zu verdampfenden carbidbildenden Stoffs, bis zu einer Temperatur, bei der die Reaktion der Carbidbildung des verdampften carbidbildenden Stoffs mit dem Kohlenstoff des Materials der Grundlage des spanenden Werkzeugs abläuft. Anschließend kondensieren sich die Ionen des verdampften carbidbildenden Stoffs auf der Arbeitsfläche der Grundlage des spanenden Werkzeugs bis zur Bildung einer Beschichtung.
Wenn die Carbidbildung bei Stahl als Grundlage bei einer Temperatur unter 500°C abläuft, wird die entstehende Beschichtung praktisch nicht mit Kohlenstoff des Stahls gesättigt, während bei einer Temperatur über 540°C eine teilweise Erweichung des Stahls eintritt, was in beiden Fällen die Standzeit des spanenden Werkzeugs verringert.
Wenn die Carbidbildung bei einer Temperatur unter 620°C oder über 680°C abläuft, vollziehen sich auf der Hartlegierung ähnliche Prozesse, wie oben beschrieben.
Beispiel 1
Die Beschichtung wurde auf Spiralbohrer ⌀ 5 mm aufgetragen.
Als carbidbildenden Stoff verwendet man Titan, und als Material für die Grundlage der Bohrer einen Stahl folgender Zusammensetzung:
Die von Verunreinigungen gesäuberten Bohrer wurden in Spezialkassetten gelegt und in eine Vakuumkammer gebracht, in der eine aus Titan bestehende Kathode aufgestellt worden war. Sobald das Vakuum einen Wert von 667 · 10-5 Pa erreicht hatte, wurde in der Kammer ein Lichtbogen gezündet und an die Bohrer eine Spannung von 1500 V gelegt. Dabei wurde die Arbeitsfläche der Bohrer durch Kathodenbeschuß Titanionen gereinigt bei gleichzeitiger Erwärmung der Bohrer bis auf eine Temperatur von 520°C, die mit Hilfe eines Infrarot-Pyrometers mit einer Genauigkeit von ± 10°C gemessen wurde. Danach verringerte man die Spannung bis auf 250 V, und im Verlauf von drei Minuten vollzog sich die Kondensation der Titanionen auf der Arbeitsfläche der Bohrer, verbunden mit der Karbidbildung des Titans durch den Kohlenstoff des Stahls. Sobald die Titankarbid-Beschichtung eine Dicke von 2 µm erreicht hatte, wurde die Spannung von den Bohrern abgenommen und der Lichtbogen abgeschaltet. Anschließend kühlten die Bohrer in der Kammer bis auf Zimmertemperatur ab.
Die Prüfung auf Verschleißfestigkeit wurde bei Bearbeitung von Stahl folgender Zusammensetzung
C
Fe
0,42 bis 0,49
Rest
an fünf Kontrollbohrern von jeder Serie bei folgender Betriebsart vorgenommen:
Schnittgeschwindigkeit: V = 32 m/min
Vorschub: S = 0,12 mm/U
Bohrtiefe: l = 3d = 15 mm
Die Prüfungsergebnisse sind in der Tabelle 1 angeführt.
Beispiel 2
Die Beschichtung wurde auf Schneidplättchen aufgetragen.
Als Material für die Grundlage der Plättchen wurde eine Hartlegierung folgender Zusammensetzung
und als verdampfter Stoff Titan verwendet.
Das Auftragen der Beschichtung erfolgte analog wie im Beispiel 1, jedoch mit dem Unterschied, daß die Reinigung der Arbeitsfläche der Plättchen durch Kathodenbeschuß mit Titanionen durch Erwärmen der Arbeitsfläche auf eine Temperatur von bis zu 620°C vorgenommen wurde.
Die Erprobung wurde an fünf Kontrollplättchen von jeder Serie bei folgender Betriebsart vorgenommen:
Schnittgeschwindigkeit: V = 160 m/min
Vorschub: S = 0,3 mm/U
Schnittiefe: l = 1d = 1 mm
Die Tabelle 2 zeigt die Prüfungsergebnisse.
Beispiel 3
Beschichtet wurden Spiralbohrer ⌀ 5 mm.
Als karbidbildender Stoff wurde Titannitrid verwendet und als Material für die Grundlage- Stahl, dessen Zusammensetzung im Beispiel 1 gegeben ist.
Die Reinigung der Arbeitsfläche der Bohrer wurde durch Kathodenbeschuß mit Titannitridionen bei gleichzeitiger Erwärmung der Bohrer bis auf 510°C vorgenommen. Danach wurde die Spannung bis auf 300 V gesenkt, worauf im Verlauf von drei Minuten die Kondensation der Titannitridionen auf der Arbeitsfläche der Bohrer, verbunden mit der Karbidbildung des Titannitrids durch den Kohlenstoff des Stahls erfolgte. Die Beschichtung aus Titankarbonitrid Ti(NC) erreichte eine Dicke von 2 µm. Danach nahm man die Spannung von den Bohrern und schaltete den Lichtbogen ab. Die Bohrer kühlten in der Kammer bis auf Zimmertemperatur ab. Die Bohrer wurden analog wie im Beispiel 1 erprobt. Die Tabelle 3 zeigt die Prüfungsergebnisse.
Beispiel 4
Beschichtet wurden Schneidplättchen.
Als zu verdampfender Stoff wurde Titannitrid verwendet und als Material für die Grundlage der Plättchen eine Hartlegierung, deren Zusammensetzung im Beispiel 2 gegeben ist.
Das Auftragen der Beschichtung erfolgte analog wie im Beispiel 3, jedoch mit dem Unterschied, daß die Reinigung der Arbeitsfläche der Grundlage der Plättchen durch Kathodenbeschuß mit Titannitridionen bei gleichzeitiger Erwärmung der Plättchen bis auf 635°C erfolgte.
Die Plättchen wurden analog wie im Beispiel 2 erprobt. Die Tabelle 4 zeigt die Ergebnisse der Erprobung.
Beispiel 5
Beschichtet wurden Spiralbohrer ⌀ 5 mm.
Als karbidbildender Stoff wurde eine Titanlegierung folgender Zusammensetzung
und als Material für die Grundlage Stahl verwendet, dessen Zusammensetzung im Beispiel 1 gegeben ist.
Das Auftragen der Beschichtung erfolgte analog wie im Beispiel 1, jedoch mit dem Unterschied, daß die Reinigung der Arbeitsfläche der Bohrer durch Kathodenbeschuß mit Titan-, Aluminium- und Molybdänionen bei gleichzeitigem Erwärmen der Arbeitsfläche bis auf 525°C vorgenommen wurde, wobei die entstehende Beschichtung ein komplexlegiertes Mischkristall auf der Grundlage von Titankarbid (Ti, Mo, Al) C darstellt.
Die Bohrer wurden analog wie im Beispiel 1 erprobt. Die Tabelle 5 zeigt die Ergebnisse der Erprobung.
Beispiel 6
Beschichtet wurden Schneidplättchen.
Als karbidbildender Stoff wurde eine Titanlegierung verwendet, deren Zusammensetzung im Beispiel 5 gegeben ist, und als Material für die Grundlage eine Hartlegierung, deren Zusammensetzung aus Beispiel 2 entnommen werden kann.
Die Beschichtung wurde analog wie im Beispiel 2 aufgetragen, jedoch mit dem Unterschied, daß die Reinigung der Arbeitsfläche der Bohrer durch Kathodenbeschuß mit Titan-, Aluminium- und Molybdänionen bei gleichzeitigem Erwärmen bis auf 650°C vorgenommen wurde.
Die Plättchen wurden analog wie im Beispiel 2 erprobt. Die Tabelle 6 zeigt die Prüfungsergebnisse.
Beispiel 7
Beschichtet wurden Spiralbohrer ⌀ 5 mm.
Als karbidbildende Stoffe wurden Titan und Molybdän und als Material für die Grundlage Stahl verwendet, dessen Zusammensetzung im Beispiel 1 angegeben ist.
Die von Verunreinigungen gesäuberten Bohrer wurden in Spezialkassetten gelegt und in eine Vakuumkammer gebracht, in der zwei Kathoden aus Titan bzw. Molybdän installiert worden waren.
Sobald ein Vakuum von 667 · 10-5 Pa erreicht war, wurde an die Bohrer eine Spannung von 1500 V gelegt und in der Kammer ein Lichtbogen gezündet. Dabei wurde die Arbeitsfläche der Bohrer gereinigt durch Kathodenbeschuß mit Titanionen bei gleichzeitiger Erwärmung bis zu einer Temperatur von 680°C, die durch ein Infrarot- Pyrometer mit einer Genauigkeit von ±10°C kontrolliert wurde. Danach verringerte man die Spannung bis auf 250 V. Anschließend erfolgte durch abwechselndes Anschließen der Titankathode und der Molybdänkathode im Verlauf von drei Minuten die Kondensation der Titan- bzw. Molybdänionen. Dabei entstand eine mehrlagige Beschichtung aus einander abwechselnden Titankarbidschichten (TiC) und Molybdänkarbidschichten (Mo₂C). Danach wurde die Spannung von den Bohrern genommen und der Lichtbogen abgeschaltet. Die Bohrer kühlten in der Kammer bis auf Zimmertemperatur ab.
Die Erprobung erfolgte analog wie im Beispiel 1. Die Tabelle 7 zeigt die Ergebnisse der Erprobung.
Beispiel 8
Beschichtet wurden Schneidplättchen.
Als karbidbildende Stoffe wurden Titan und Molybdän verwendet und als Material für die Grundlage - eine Hartlegierung, deren Zusammensetzung aus Beispiel 2 entnommen werden kann.
Das Auftragen einer Mehrlagenbeschichtung erfolgte analog wie im Beispiel 7, jedoch mit dem Unterschied, daß die Reinigung der Oberfläche der Plättchen durch Kathodenbeschuß mit Titan- und Molybdänionen bei gleichzeitiger Erwärmung bis auf 680°C vorgenommen wurde.
Die Plättchen wurden wie im Beispiel 2 erprobt. Die Tabelle 8 zeigt die Ergebnisse der Erprobung.
Wie die in den Beispielen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 angeführten Prüfungsergebnisse zeigen, ermöglichte die Vereinfachung des Auftragens der Beschichtung eine Verbesserung der Standzeitkennwerte von Bohrern.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Kondensation der Beschichtung mit einer Geschwindigkeit von 0,1 bis 0,7 µm/min, wodurch die Dauer eines technologischen Zyklus verringert wird.
Die vorliegende Erfindung kann erfolgreich bei der Herstellung hochschmelzbarer, verschleißfester Beschichtungen auf spanendem und Stanzwerkzeug eingesetzt werden, das aus einem beliebigen, kohlenstoffhaltigen Werkstoff angefertigt ist, wie z. B. Stahl, Hartlegierungen, keramische Legierungen.

Claims (7)

1. Verfahren zum Auftragen einer Beschichtung auf die Oberfläche eines spanenden Werkzeugs, die aus einem kohlenstoffhaltigen Material besteht, durch Verdampfen wenigstens eines carbidbildenden Stoffes im Vakuum durch Bogenentladung, Anlegen einer Spannung an das Werkzeug, Erwärmung der Oberfläche des Werkzeugs durch Kathodenbeschuß mit Ionen des verdampften carbidbildenden Materials, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung der Oberfläche des spanenden Werkzeugs bis zu einer Temperatur vorgenommen wird, bei der die Reaktion der Carbidbildung des verdampften carbidbildenden Stoffes durch den Kohlenstoff des Materials der Grundlage abläuft, dann die Spannung erniedrigt und die Kondensation in an sich bekannter Weise vorgenommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur, bei der die Reaktion der Carbidbildung abläuft, von 500 bis 540°C beträgt, wenn für die Grundlage des spanenden Werkzeugs Stahl verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur, bei der die Reaktion der Carbidbildung abläuft, von 620 bis 680°C beträgt, wenn für die Grundlage des spanenden Werkzeugs eine Hartlegierung verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Titan als carbidbildender Stoff verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Titannitrid als carbidbildender Stoff verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Titanlegierung als carbidbildender Stoff verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei zwei zu verdampfenden, carbidbildenden Stoffen als zweiter Stoff Molybdän verwendet wird.
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