DE102010006267B4

DE102010006267B4 - Haftfestes mehrlagiges Schichtsystem und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102010006267B4
Application number: DE201010006267
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Frank Heiko; Dr.-Ing. Reich Steffen
Original assignee: Gfe - Gesellschaft fur Fertigungstechnik und Entwicklung Schmalkalden Ev; Gfe Ges fur Fertigungstechnik und Entwicklung Schmalkalden E V
Current assignee: Gfe - Gesellschaft fur Fertigungstechnik und Entwicklung Schmalkalden Ev; Gfe Ges fur Fertigungstechnik und Entwicklung Schmalkalden E V
Priority date: 2010-01-30
Filing date: 2010-01-30
Publication date: 2014-03-06
Anticipated expiration: 2030-01-31
Also published as: DE102010006267A1

Abstract

Haftfestes mehrlagiges Schichtsystem auf einem Substrat aus PKD-Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass das mehrlagige Schichtsystem besteht aus:
• einer ersten reaktiven, metallischen Schicht aus Ti, Cr, V, Zr oder W mit einer Schichtdicke von 0,1 bis 0,6 Mikrometer, die eine Reaktionsschicht aus Karbiden der Elemente Ti, Cr, V, Zr oder W zwischen dem PKD-Substrat und der metallischen Schicht aufweist,
• einer zweiten duktilen Haftvermittlerschicht aus Ti, Cr, V, Zr, W, Si, Al oder einem zweiten duktilen Haftvermittlersystem aus einer duktilen metallischen Schicht aus Ti, Cr, V, Zr, W, Si, Al und einer gradierten Übergangsschicht aus Ti-TiN und einer nitridischen Deckschicht aus Ti und N mit einer Schichtdicke von insgesamt 0,1 bis 0,8 Mikrometer, und
• einer Hartstoffdeckschicht aus TiAlN mit einer Schichtdicke von 0,1 bis 1,5 Mikrometer.

Description

Die Erfindung betrifft ein haftfestes mehrlagiges Schichtsystem auf einem Substrat aus PKD-Werkstoff. Im Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Schichtsystems.
Die DE 10 2007 054 601 A1 zeigt ein Sägeblatt mit einem bandförmigen Grundkörper und ungeschränkten Zähnen mit geometrisch bestimmten Schneiden. Die Zähne weisen mit dem Grundkörper verbundene Formkörper aus Hartmetall auf. Die Formkörper besitzen einen Träger aus Hartmetall und eine die Schneide bildende Schicht aus PKD oder CBN. Die Spanfläche dieser Schicht weist bevorzugt eine Hartstoffbeschichtung aus Aluminiumtitannitrid auf.
Die DE 10 2005 056 937 A1 zeigt eine harte Beschichtung für das Aufbringen auf einer Oberfläche eines Körpers, die eine mit Bor dotierte Diamantschicht mit mehreren Diamantkörnern umfasst. Die Beschichtung umfasst weiterhin eine äußere Schicht, die eine intermetallische Verbindung enthält und auf der Diamantschicht durch Abscheidung aus der Dampfphase aufgebracht ist. Die intermetallische Verbindung ist bevorzugt TiAlN. Bevorzugt besteht die äußere Schicht aus mehreren Schichten, wobei jede dieser Schichten eine Art der intermetallischen Verbindung enthält. Der Bor-dotierte Diamant dient bei der Abscheidung als p-Typ-Halbleiter, wobei ein Dotierungsanteil zwischen 0,05 Atom% und 10 Atom% zur notwendigen elektrischen Leitfähigkeit führt.
Aus der DE 692 17 123 T2 ist ein Verfahren zum Überziehen von Bündelpresslingen von polykristallinen Teilchen aus Diamant bekannt, bei welchem eine Schicht aus einem reaktionsfähigen Überzugsmaterial auf dem Bündelpressling abgeschieden wird. Der Überzug ist bevorzugt aus einem Metall wie Al und Ti oder einem Nitrid davon zusammengesetzt. Die Schicht aus dem Überzugsmaterial wird durch Laserbestrahlung erhitzt, um eine chemische Bindung zwischen dem Bündelpressling und der Schicht auszubilden.
Die EP 0 166 708 B2 zeigt einen Verbundkörper mit einem Kern aus einer metallgebundenen Hartmetallverbindung, der mit einer Beschichtung bedeckt ist, die mehrere mittels CVD aufgebrachte Schichten aus polykristallinem Diamant aufweist. Die Beschichtung ist über eine Titanschicht an das Substrat gebunden. Die Beschichtung weist bevorzugt eine Zwischenschicht aus einem Metall auf, welches stabile Karbide zwischen den Diamantschichten bildet. Bei diesem Metall handelt es sich bevorzugt um Titan.
Die DE 10 2009 018 813 A1 zeigt eine Werkstoffkomponente mit einer Funktionsoberfläche, die mit einer Hartstoffbeschichtung versehen ist. Die Hartstoffbeschichtung weist bevorzugt eine Schicht aus AlTiN auf und wird mit einem PVD-Verfahren abgeschieden.
Die DE 10 2004 054 193 A1 zeigt eine Hartstoffbeschichtung auf nachgiebigen Substanzen, welche beispielsweise mithilfe eines PVD-Verfahrens abgeschieden werden kann. Die zu beschichtende Substanz ist einer Oberflächenreinigung zu unterziehen, u. a. einer physikalischen Reinigung durch auf die Oberfläche auftreffende Ionen, die elektrisch beschleunigt sind.
Bei PKD-Werkstoffen handelt es sich bekanntlich um eine synthetisch hergestellte, extrem fest zusammengefügte Masse von Diamantkristallen, die durch einen Sinterprozess, üblicherweise mit einem zusätzlichen metallischen Kindermaterial hergestellt werden. Die sprichwörtliche Härte von PKD-Werkstoffen entspricht nahezu der vom monokristallinen Diamant, wird jedoch durch Korngrenzen und eventuelle metallische Einschlüsse verringert und kann dadurch eine höhere Zähflüssigkeit erreichen.
In Bezug auf die Eigenschaften von Härte und Zähigkeit zeigt PKD hervorragende mechanische Verschleißeigenschaften sowie eine hohe Wärmeleitfähigkeit wie sie in zerspannenden Bearbeitungsprozessen, insbesondere auch bei NE-Werkstoffen wie Al, Cu, Holz, Kunststoffe und anderer vielfältiger Werkstoffkombinationen gefordert werden.
Bei der Schicht- und auch der Schruppbearbeitung und insbesondere bei der Bearbeitung von AlSi-Legierungen kann zur Verringerung von Verschleißerscheinungen, wie ein Herauslösen von Diamantkörnern aus der Matrix, eine metallische Beschichtung z. B. aus Ti, Zr oder aber auch W als Karbidbildner von Vorteil sein.
Zur Erhöhung der chemischen Beständigkeit von Diamant können zudem Cr- und Ti-Schichten aufgebracht werden, da diese metallischen Elemente chemischen und oxidischen Angriffen besser widerstehen können.
Die Bindung von Diamant und Beschichtung ist allerdings bei verschiedenen metallischen oder keramischen Komponenten nicht immer gewährleistet. Ursache hierfür ist offensichtlich die für Diamanten bekannte ungenügende Benetzbarkeit mit der Folge eines relativ schnellen Verschleißes. Beispielsweise wird bei der Bearbeitung von AlSi-Legierungen und MMC mit CVD-Diamantschichten der Verschleiß sehr stark durch die Schichthaftung beeinflusst. Das hängt auch von örtlichen Verunreinigungen, Unterschieden in der Zusammensetzung und hohem Eigenspannungsniveau in der Schicht ab.
Daher sind reaktive Elemente, z. B. Cr oder Ti erforderlich, um Grenzflächenreaktionen förderlich zu beeinflussen.
Bei einer Beschichtung von PKD ist für eine hohe Haftfestigkeit, wie auch allgemein beim Beschichtungsvorgang, eine starke Bindung an der Grenzfläche notwendig. Werden hierfür karbidbildende Metalle, wie Ti, Zr, V oder Cr eingesetzt, können gut haftende Schichten und Grenzflächen ausgebildet werden. Um eine haftfeste Verbindung herzustellen, die zu einer Verbesserung von Härte und Wärmebeständigkeit durch wirksamere Wärmeleitfähigkeit führen, wird auch durch eine bessere Vorbehandlung der Substratoberfläche eine wirkungsvollere Verklammerung zwischen Schicht und Substrat zu erreichen versucht.
Beim Einsatz von PKD kommt es erfahrungsgemäß aufgrund unzureichender Haftung der Diamantkörner in ihrem Verbund zu einem Ausbrechen derselben und zu starken Verschleißerscheinungen hinsichtlich Abrasion und Adhäsion.
Darüber hinaus weisen PKD-Körner aufgrund des Kohlenstoffes bei höheren Temperaturen eine Neigung zur Grafitisierung und eine geringe chemische Beständigkeit und Oxidationsfestigkeit auf.
Um diesen Nachteilen zu begegnen kann PKD mit entsprechend zu wählenden Schutzschichten versehen werden.
Aber nicht immer kann hierbei eine stabile Schichthaftung gewährleistet werden, so dass mit anderen Mitteln bzw. mit aufwendigen Verfahren gearbeitet werden muss, Dabei kommt z. B. ein mechanisches Legieren plus Heizen in Betracht, das die Ausbildung von oberflächennahen Karbiden für chemisch stabile Verbindungen unterstützt.
Mit einem Schichtsystem, das neben einer guten Haftfestigkeit auch ein verbessertes Verschleißverhalten und zudem eine hohe Oxidationsbeständigkeit sowie chemische Beständigkeit aufweist, könnten die oben erwähnten Nachteile ausgeglichen werden.
Aus diesen vorstehend beschriebenen Situationen resultiert die Aufgabe der vorliegenden Erfindung. Sie besteht darin, ein Verfahren und ein Schichtsystem bereitzustellen, mit dem es möglich ist, auf Diamantkristallen bzw. PKD-Werkstoffen eine oder mehrere Dünnschichten, vorzugsweise einen Schichtverbund mit Hilfe eines Beschichtungsverfahrens (PVD) aufzubringen, mit dem eine widerstandsfähige Schichtstruktur erzeugt wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Kombination von Schichtvorbehandlungen und optimaler Schichtstruktur gelöst, wobei die Vorbehandlung

• aus einem Aktivieren der PKD-Oberfläche mittels hochenergetischer und gepulster Metallionenstrahlen, sowie
• aus einem Herauslösen nur schwach gebundener PKD-Körner mit Hilfe hochenergetischer Ionen, als auch
• aus einem Aufrauen der Oberfläche des PKD-Körpers durch mechanisches und energetisches Aktivieren der Oberfläche mittels Metall- und Intergasionenstrahlen (Oberflächenfinishing) und
• aus einem Metallionenätzen

Neben diesen Verfahrensvorbereitungen zur Herstellung des Schichtsystems auf PKD-Substrate besteht die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe dieser Erfindung noch in folgenden Merkmalen:

• Verwendung einer reaktiv wirkenden, karbidbildenden metallischen Grundlage zwecks der Gewährleistung der chemischen Beständigkeit (z. B. Cr, Ti)
• Aufbringen einer duktilen Haftvermittlerlage zwecks eines Ausgleiches von Eigenspannungsunterschieden und einer verbesserten Haftung
• Aufbringen einer Hartstoff-Decklage, z. B. TiAlN, zur Gewährleistung der Verschleißbeständigkeit
• Anordnen jeweils einer Übergangsschicht zwischen den einzelnen Schichtlagen

Das so geschaffene Schichtsystem auf bzw. für PKD-Werkstoffe bildet wesentlich verbesserte Eigenschaften dieser Zerspanungswerkstoffe indem

• ein Ausbrechen der PKD-Körner aus der Matrix verhindert bzw. verringert wird,
• eine vergleichsweise verbesserte Verschleißbeständigkeit geschaffen und auch
• ein wirksamer Schutz der PKD-Werkstoffe vor chemischen Angriffen gegeben ist.

Um das haftfeste Schichtsystem prozesssicher und haftfest abzuscheiden findet bevorzugt das PVD-Verfahren Anwendung, wobei die Prozesstemperaturen zwischen 300°C und 600°C liegen können.
Der Aufbau des erfindungsgemäß erzeugten Schichtsystems veranschaulicht die nachfolgende grafische Darstellung:

Claims

Haftfestes mehrlagiges Schichtsystem auf einem Substrat aus PKD-Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass das mehrlagige Schichtsystem besteht aus: • einer ersten reaktiven, metallischen Schicht aus Ti, Cr, V, Zr oder W mit einer Schichtdicke von 0,1 bis 0,6 Mikrometer, die eine Reaktionsschicht aus Karbiden der Elemente Ti, Cr, V, Zr oder W zwischen dem PKD-Substrat und der metallischen Schicht aufweist, • einer zweiten duktilen Haftvermittlerschicht aus Ti, Cr, V, Zr, W, Si, Al oder einem zweiten duktilen Haftvermittlersystem aus einer duktilen metallischen Schicht aus Ti, Cr, V, Zr, W, Si, Al und einer gradierten Übergangsschicht aus Ti-TiN und einer nitridischen Deckschicht aus Ti und N mit einer Schichtdicke von insgesamt 0,1 bis 0,8 Mikrometer, und • einer Hartstoffdeckschicht aus TiAlN mit einer Schichtdicke von 0,1 bis 1,5 Mikrometer.
Verfahren zur haftfesten Herstellung eines Schichtsystems nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: Vorbehandlung der PKD-Substrate durch • Aktivieren der Oberfläche mittels hoch energetischer und gepulster Metallionenstrahlen, • Herauslösen nur schwach gebundener Körner mittels hoch energetischer Ionen, • Aufrauen der Oberfläche des PKD-Substrats durch mechanisches und energetisches Aktivieren der Oberfläche mittels Metall- und Intergasionenstrahlen und • Metallionenätzen und Aufbringen des Schichtsystems nach Anspruch 1 unter Verwendung eines PVD-Verfahrens bei Temperaturen zwischen 300 und 600°C.