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DE102006002371A1 - Verfahren zur Beschichtung eines Hartmetall- oder Cermetsubstratkörpers und beschichteter Hartmetall- oder Cermetkörper - Google Patents

Verfahren zur Beschichtung eines Hartmetall- oder Cermetsubstratkörpers und beschichteter Hartmetall- oder Cermetkörper Download PDF

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DE102006002371A1
DE102006002371A1 DE200610002371 DE102006002371A DE102006002371A1 DE 102006002371 A1 DE102006002371 A1 DE 102006002371A1 DE 200610002371 DE200610002371 DE 200610002371 DE 102006002371 A DE102006002371 A DE 102006002371A DE 102006002371 A1 DE102006002371 A1 DE 102006002371A1
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Hendrikus Van Den Berg
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Hartmetall- oder Cermetsubstratkörpers mittels PVD, bei dem der fertig gesinterte Substratkörper ohne weitere Zwischenbehandlung vor der PVD-Beschichtung einer Strahlbehandlung unter Verwendung eines körnigen Strahlmittels so lange unterzogen wird, bis die oberflächennahe Zone des Substratkörpers eine Eigenspannung aufweist, die zumindest im wesentlichen gleich groß der Eigenspannung ist, die in der einzigen oder ersten aufgetragenen PVD-Schicht vorliegt. Die Erfindung betrifft ferner einen derartigen beschichteten Hartmetll- oder Cermetkörper, insbesondere in Form eines Zerspanungswerkzeuges.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Hartmetall- oder Cermetsubstratkörpers mittels einer physikalischen Dampfabscheidung (PVD).
  • Der Erfindung betrifft ferner einen beschichteten Hartmetall- oder Cermetkörper.
  • Hartmetall- oder Cermetkörper in unterschiedlichen Zusammensetzungen sind für vielerlei Anwendungszwecke vorgeschlagen worden. Hierbei wird die Substratkörperzusammensetzung dem Anwendungszweck angepasst, wobei beispielsweise eine hohe Härte, Temperaturwechselbeständigkeit oder Verschleißfestigkeit, letztere insbesondere bei Werkzeugen für Zerspanungsoperationen im Vordergrund stehen. In bestimmten Fällen haben sich auch beschichtete Substratkörper bewährt, deren Beschichtung aus einer oder mehreren Lagen bestand. Beschichtungsmaterialien sind Carbide, Nitride, Carbonitride, Oxicarbonitride, Oxinitride oder Oxide der Metalle der IVa- bis VIa-Gruppe des Periodensystems oder Aluminiumverbindungen wie Al2O3 und TiAlN. Zur Beschichtung von Substratkörpern verwendet man insbesondere physikalische oder chemische Dampfabscheideverfahren. Im Regelfall haben physikalische Abscheideverfahren (PVD-Verfahren) den Vorteil, dass die Beschichtung bei niedrigeren Temperaturen aufgetragen werden kann. Nach dem Stand der Technik werden die Substratkörper vor der PVD-Beschichtung geschliffen. Ungeschliffene Substratoberflächen (d.h. im Sinterzustand) belassene Substrate haben praktisch keine Druck- oder Zugeigenspannungen. Durch den Schleifprozess werden in der Oberfläche des Substratkörpers Druckeigenspannungen erzeugt, die für Hartmetall bei –200 bis –1200 Mpa liegen können. PVD-Schichten haben wegen der Verfahrensweise nach der die schichtbildenden Bestandteile (Ionen) mit hoher Energie in die Schicht eingebaut werden, immer Druckeigenspannungen, die ca. –1800 bis –4000 Mpa betragen.
  • Danach ist die Differenz der Druckeigenspannungen zwischen Beschichtung und Substrat für geschliffene Substrate kleiner als für im Sinterzustand belassene Substrate. Die Differenz der Eigenspannungen zwischen Substratkörper und Beschichtung verursacht Scherspannungen, die die Schichthaftung negativ beeinträchtigen. Aus diesem Grunde zeigen PVD-beschichtete Substrate die nicht geschliffen sind, schlechtere Zerspanungsleistungen.
    •
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Standzeit von PVD-beschichteten Substratkörpern zu verbessern.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren nach Anspruch 1 bzw. der Substratkörper nach Anspruch 9 vorgeschlagen.
  • Weiterentwicklungen der Erfindungen werden in den Unteransprüchen 2 bis 8 und 10 beschrieben.
  • Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der fertig gesinterte Substratkörper aus einem Hartmetall oder einem Cermet ohne weitere Zwischenbehandlung vor der PVD-Beschichtung einer Strahlbehandlung unter Verwendung eines körnigen Strahlmittels so lange unterzogen wird, bis die oberflächennahe Zone des Substratkörpers eine Eigenspannung aufweist, die zumindest im wesentlichen gleich groß der Eigenspannung ist, die in der einzigen oder ersten aufgetragenen PVD-Schicht vorliegt.
  • Überraschender Weise ist festgestellt worden, dass eine Angleichung der Eigenspannung des Substratkörpers in den substratkörperoberflächennahen Zonen an die bekannte Druckeigenspannung einer PVD-Schicht eine erhebliche Verbesserung der Standzeit bewirkt. Mit dem im Prinzip bekannten Strahlverfahren werden die oberflächennahen Zonen verdichtet, was mit einer Druckeigenspannungserhöhung einhergeht. Durch Angleichung dieser Druckeigenspannung an die bekannte Druckeigenspannung der ersten aufgetragenen oder einzigen aufgetragenen PVD-Schicht konnten die Zerspanungsleistungen verbessert werden.
  • Vorzugsweise wird ein Strahlmittel mit Partikeln verwendet, das Partikel mit einem maximalen Durchmesser von 600 μm aufweist, vorzugsweise maximal 150 μm und insbesondere zwischen 15 und 100 μm. Der Substratkörper, der nach einer Weiterbildung der Erfindung im Trockenstrahlverfahren behandelt wird, wird vorzugsweise mit zumindest im Wesentlichen kugelförmigen Strahlmitteln bzw. solchen Strahlmitteln, die eine rundliche Korngestalt aufweisen, bestrahlt. Als Strahlmittel kommen insbesondere druckverdüster Strahl, Gusseisengranulat, Schwermetallpulver oder hieraus hergestellte Legierungen, Glas, Korund, Hartmetallgranulate und/oder bruchfeste Keramik in Betracht.
  • Weiterhin vorzugsweise werden das oder die Stahlmittel mittels Pressluft unter einem Druck von mindestens 1,0 × 105–10 × 105 Pa, vorzugsweise 1,5 × 105–3,5 × 105 Pa auf den Substratkörper gerichtet.
  • Insbesondere vorteilhaft ist die Bestrahlung des Substratkörpers mit senkrecht auf dessen Oberfläche gerichteten Strahlmittelpartikeln.
  • Die Strahlbehandlung der vorbeschriebenen Art hat sich insbesondere in Verbindung mit einer nachträglichen PVD-Beschichtung bewährt, die aus Carbiden, Nitriden, Carbonitriden, Oxiden oder Oxicarbonitriden der Elemente der IVa- bis VIa-Gruppe des Periodensystems oder aus Al2O3, AlTiN oder AlN bestand. Die Dicke der einzelnen Schichten lag vorzugsweise zwischen 0,1 μm und 10 μm bei einer Gesamtdicke (bei mehrlagigen Beschichtungen) von maximal 20 μm.
  • In entsprechender Weise wird die Aufgabe durch den beschichteten Hartmetall- oder Cermetkörper nach Anspruch 9 gelöst, für den entsprechende Vorteile wie vorbeschrieben gelten.
  • Ein solcher beschichteter Hartmetall- oder Cermetkörper wird insbesondere als Zerspanungswerkzeug zum Bohren, Fräsen oder Drehen ausgebildet.
    •
  • In einem konkreten Ausführungsbeispiel sind Wendeschneidplatten mit einer AlTiN-Beschichtung überzogen worden, die mittels PVD bei 350° bis 600° (Beschichtungstemperatur) aufgetragen wurden. Während die Werkzeuge, die nach dem Sintern ohne weitere Behandlung oder nur nach einer Schleifbehandlung beschichtet worden sind, bereits nach relativ kurzer Zeit verschleißbedingt ausgetauscht werden mussten, konnte die Standzeit von entsprechenden Werkzeugen gleicher Ausgestaltung, die nach dem Sintern einem erfindungsgemäßen Verfahren, nämlich einer Strahlbehandlung zwischen 10 und 60 sec unterzogen worden sind, erheblich verbessert werden. Dies liegt daran, dass die PVD-Schichten, die Druckeigenspannungen, die nach dem SIN2-ψ-Verfahren gemessen worden sind, in der Größenordnung von –1,5 bis –3,5GPa aufwiesen, denen Zugeigenspannungen oder sehr kleine Druckeigenspannung in den oberflächennahen Randzonen des Substratkörpers von absolut maximal 100 MPa gegenüberstanden. Wird dem gegenüber durch die Strahlbehandlung, insbesondere im Trockenstrahlverfahren mit runden Körnern von 50 μm und 100 μm die Druckeigenspannung der oberflächennahen Zone des Substratkörpers auf die vom Beschichtungsmaterial sowie den PVD-Parametern abhängigen Druckeigenspannung angehoben (bis auf +/– 10%) führt diese Anhebung der Druckeigenspannung zu weitaus besserer Verschleißbeständigkeit der Werkzeuge.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Beschichtung eines Hartmetall- oder Cermetsubstratkörpers mittels einer physikalischen Dampfabscheidung (PVD), dadurch gekennzeichnet, dass der fertig gesinterte Substratkörper ohne weitere Zwischenbehandlung vor der PVD-Beschichtung einer Strahlbehandlung unter Verwendung eines körnigen Strahlmittels so lange unterzogen wird, bis die oberflächennahe Zone des Substratkörpers eine Eigenspannung aufweist, die zumindest im wesentlichen gleich groß der Eigenspannung ist, die in der einzigen oder ersten aufgetragenen PVD-Schicht vorliegt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlmittel einen maximalen Durchmesser von 600 μm, vorzugsweise maximal 150 μm und weiterhin vorzugsweise maximal 100 μm aufweist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Substratkörper im Trockenstrahlverfahren behandelt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlmittel zumindest im Wesentlichen eine rundliche Korngestalt aufweist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Strahlmittel druckverdüster Stahl, Gusseisengranulat, Schwermetallpulver oder hieraus hergestellte Legierungen, Glas, Korund, Hartmetallgranulate und/oder bruchfeste Keramiken verwendet werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Strahlmittel mittels Pressluft unter einem Druck von mindestens 1,0 × 105–10 × 105 Pa, vorzugsweise 1,5 × 105–3,5 × 105 Pa auf den Substratkörper gerichtet werden.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlmittel senkrecht auf die Substratkörperoberfläche gerichtet wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Substratkörper nach der Strahlbehandlung mit einer oder mehreren Lagen aus einem Carbid, Nitrid, Carbonitrid, Oxid oder Oxicarbonitrid der Elemente der IVa- bis VIa-Gruppe des Periodensystems oder mit Al2O3, AlTiN oder AlN beschichtet wird, wobei die Dicke jeder einzelnen Lage zwischen 0,1 μm und 10 μm und die Gesamtdicke bei maximal 20 μm liegt.
  9. Mit einer Beschichtung versehener Hartmetall- oder Cermetkörper, dadurch gekennzeichnet, dass die oberflächennahen Zonen des Substratkörpers eine Eigenspannung aufweisen, die zumindest im Wesentlichen gleich groß der Eigenspannung der einzigen oder bei mehreren Schichten der ersten aufgetragenen PVD-Schicht ist.
  10. Mit einer Beschichtung versehener Hartmetall- oder Cermetkörper nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper als Zerspanungswerkzeug ausgebildet ist.
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