DE102011007139A1 - Verfahren zum Ausbilden einer Verschleißschutzschicht auf einem Schneidwerkzeugkörper und Schneidwerkzeug mit einer Verschleißschutzschicht - Google Patents
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Abstract
Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zum Ausbilden einer Verschleißschutzschicht auf einem Schneidwerkzeugkörper mit folgenden Schritten: Aufbringen eines ein- oder mehrlagigen Schichtsystems, dessen einzige oder oberste Lage aus einem elektrochemisch oxidierbaren Metall oder einer elektrochemisch ogkörper, und elektrochemisches Oxidieren der auf den Schneidwerkzeugkörper aufgebrachten Metall- oder Metalllegierungsschicht. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Schneidwerkzeug mit einem Schneidwerkzeugkörper, der zumindest abschnittsweise eine durch das erfindungsgemäße Verfahren ausgebildete Verschleißschutzschicht aufweist.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbilden einer Verschleißschutzschicht auf einem Schneidwerkzeugkörper sowie ein mit einer Verschleißschutzschicht versehenes Schneidwerkzeug.
- Das Beschichten von Schneidwerkzeugen, wie z. B. Bohr-, Fräs-, Senk-, Gewinde- oder Reibwerkzeugen, Schneidplatten, etc., deren Schneidkörper aus verschiedensten hochfesten Materialien, wie z. B. HSS-, Vollhartmetall- (VHM) oder Cermet-Werkstoffen, bestehen kann, ist mittlerweile zum Standard geworden, insbesondere wenn es darum geht, Werkstoffe zu zerspanen, deren Spanbildung bzw. -konsistenz das Werkzeug in besonderer Weise beansprucht, sei es durch eine besondere Zähigkeit oder Härte des Spans, sei es durch die besondere beim Zerspanen entstehende Spanform oder durch die speziell erforderlichen Schnittgeschwindigkeiten.
- Neben Weichstoffschichten, die häufig zur Verbesserung der Spanabfuhr eingesetzt werden, finden überwiegend Hartstoffschichten Anwendung, beispielsweise TiC-, TiN-, (Ti,Al)N-, CrN-, Ti(C,N)- oder (Ti,Al)(C,N)-Schichten und deren Kombinationen, die überwiegend im PVD- oder CVD-Verfahren abgeschieden werden (vgl. z. B. die
DE 10 2005 048 474 A1 oderDE 10347981 A1 ). Diese Schichten sollen dem Werkzeug eine höhere Standzeit verleihen. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ausbilden einer Verschleißschutzschicht auf einem Schneidwerkzeugkörper sowie ein mit einer Verschleißschutzschicht versehenes Schneidwerkzeug zu schaffen, das sich gegenüber den herkömmlich beschichteten Schneidwerkzeugen, durch verbesserte Eigenschaften, insbesondere eine erhöhte Standzeit, auszeichnet.
- Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 und hinsichtlich des Schneidwerkzeugs durch ein Schneidwerkzeug gemäß dem Patentanspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.
- Erfindungsgemäß erfolgt die Ausbildung der Verschleißschutzschicht in zwei Schritten. In einem ersten Schritt wird in herkömmlicher Weise durch beispielsweise ein CVD- oder PVD-Verfahren auf den Schneidwerkzeugkörper, der vorzugsweise aus einem HSS-, Vollhartmetall- oder Cermet-Werkstoff gebildet ist, ein ein- oder mehrlagiges Schichtsystem aufgebracht, dessen einzige (bei einem einlagigen Schichtsystem) bzw. dessen oberste Lage (bei einem mehrlagigen Schichtsystem) aus einem elektrochemisch oxidierbaren Metall oder einer elektrochemisch oxidierbaren Metall oder einer elektrochemisch oxidierbaren Metalllegierung, vorzugsweise aus Al, Cr, Si, Zr, Ti, Y, B, Ca, Mg oder deren Legierungen untereinander und/oder mit anderen Metallen besteht. In einem zweiten Schritt wird diese Schicht dann elektrochemisch oxidiert. Durch die elektrochemische Oxidation der auf den Schneidwerkzeugkörper aufgebrachten Metall- oder Metalllegierungsschicht wird eine Verschleißschutzschicht erzeugt, die im Vergleich zu den herkömmlich erzeugten Verschleißschutzschichten eine höhere Abriebsfestigkeit und geringere Spanreibung aufweist.
- Zur Verbesserung der Schichthaftung und zur Verbesserung des Diffusionswiderstandes kann in einem allerersten Schritt unterhalb der oxidierbaren Metall- oder Metalllegierungschicht auf den Schneidewerkzeugkörper zusätzlich eine ein- oder mehrlagige Grundschicht aus bekannten nitridischen, carbidischen, carbonitridischen oder carboxinitridischen PVD- oder CVD-Schichtsystemen wie TiN, TiAlN, TiCN, TiAlSiN o. ä aufgebracht werden.
- Die elektrochemische Oxidation der auf den Schneidwerkzeugkörper als ggf. einzige oder oberste Lage aufgebrachte Metall- oder Metalllegierungsschicht erfolgt vorzugsweise durch anodische Oxidation unter Funkenentladung und zwar vorzugsweise so, dass die Metall- oder Metalllegierungsschicht durch ihre gesamte Schichtdicke hindurch oxidiert wird.
- Durch die bei einem derartigen Verfahren auftretenden Funkenentladungen entstehen sehr hohe Temperaturen von 3000 K–15000 K, die dazu führen, dass das auf den Schneidwerkzeuggrundkörper aufgebrachte Metall oder die auf den Schneidwerkzeuggrundkörper aufgebrachte Metalllegierung oberflächlich anschmilzt und oxidiert, wodurch eine keramikartige Oberfläche gebildet wird.
- Zur anodischen Oxidation unter Funkenentladung kann beispielsweise das von der KKS Ultraschall AG(CH) entwickelte SAA(Spark-Assisted Anodizing)-Verfahren oder ein von der KKS neu entwickeltes TiODark®-Verfahren angewendet werden. Informationen zu diesen Verfahren finden sich auf der Webseite der KKS Ultraschall AG (www.kks-ultraschalich), so dass weitergehende Erläuterungen hier nicht erforderlich sind.
- Durch eine entsprechende Einstellung der Verfahrensparameter kann die Dicke der Verschleißschutzschicht gesteuert werden. Die Dicke der Verschleißschutzschicht liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 0,1 und 20 μm, bevorzugt zwischen 3 und 10 μm.
- Die Verschleißschutzschicht kann den Schneidwerkzeugkörper abschnittsweise, d. h. an ausgewählten Funktionsabschnitten, z. B. nur die Schneidkantenabschnitte des Schneidwerkzeugs, oder vollständig überziehen.
- Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geschaffenes Schneidwerkzeug zeichnet sich somit durch eine vergütete Verschleißschutzschicht aus. Beispiele für die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgebildete Verschleißschutzsicht sind Al2O3 Mullit (Al2O3-SiO2-Mischkristall), Spinell (Al2O3-MgO-Mischkristalle), Zirkonoxid mit verschiedenen Dotierungen sowie auch borhaltige Oxide.
- Der Schneidwerkzeugkörper bzw. das Schneidwerkzeug kann ein Bohrwerkzeug, eine Wendeschneidplatte, ein Gewindewerkzeug, ein Fräswerkzeug, ein Reibwerkzeug, ein Senkwerkzeug oder dergleichen sein. Gemeinsam ist diesen Schneidwerkzeugen zumindest eine geometrisch bestimmte Schneide, die als Schneidkante eines von einer Spanfläche und einer Freifläche begrenzten Schneidkeils definiert ist.
- Ein Beispiel für das erfindungsgemäße Verfahren sieht so aus, dass ein Schneidwerkzeug, z. B. Spiralbohrer, aus Vollhartmetall zunächst in einem ersten Schritt auf herkömmliche Weise in einem PVD-Verfahren vollständig mit einer Titan- oder Aluminiummetallschicht überzogen wird. In einem weiteren Schritt wird das so beschichtete Schneidwerkzeug dann einer anodischen Oxidation gemäß dem von der KKS Ultraschall AG(CH) entwickelten SAA(Spark-Assisted Anodizing)-Verfahren unterzogen. Dieses Verfahren ist ebenso wie das PVD-Verfahren grundsätzlich bekannt, so dass hierzu weitere Erläuterungen nicht erforderlich erscheinen. Durch eine Einstellung der Verfahrensparameter (Elektrolytzusammensetzung und Abscheidungsbedingungen (z. B. Spannung und elektrischer Strom)) kann die Tiefe des anodisch oxidierten Schichtbereichs eingestellt werden.
- In einem anderen Beispiel wurde ein Hartmetallbohrwerkzeug vom Typ Gühring RT100U ⌀ 6,8 mm wurde in einem Lichtbogenverdampfungs-PVD-Verfahren mit einer 3 μm dicken TiAlN-Schicht versehen, auf die ein 3 μm dicke Schicht, bestehend aus 70% Aluminium und 30% Si aufgebracht wurde. Dieses Werkzeug wurde im SAA-Verfahren oxidiert, so dass die Al-Si-Schicht zu 90% durchoxidiert wurde. Dabei wuchs die Schichtdicke der Deckschicht um 15% an. Folgend wurde der zwangsläufig auftretende, poröse Deckbereich der oxidierten Decklage durch eine Strahlbehandlung entfernt, so dass eine dichte oxidische Decklage entstand, die kristallographisch in Wesentlichen aus Mullit besteht. In einem Anwendungsversuch wurden die entstandenen Werkzeuge mit einer Schnittgeschwindigkeit von 110 m/min und einem Umdrehungsvorschub von 0,25 mm/U in 42CrMo4 getestet. Gegenüber nur mit der TiAlN-Schicht versehenen Werkzeugen war eine Standwegsteigerung um 30% zu beobachten.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102005048474 A1 [0003]
- DE 10347981 A1 [0003]
- Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- www.kks-ultraschalich [0010]
Claims (9)
- Verfahren zum Ausbilden einer Verschleißschutzschicht auf einem Schneidwerkzeugkörper, gekennzeichnet durch folgende Schrittabfolge: Aufbringen eines ein- oder mehrlagigen Schichtsystems, dessen ggf. einzige oder oberste Lage aus einem elektrochemisch oxidierbaren Metall oder einer elektrochemisch oxidierbaren Metalllegierung auf den Schneidwerkzeugkörper, und elektrochemisches Oxidieren der auf den Schneidwerkzeugkörper aufgebrachten Metall- oder Metalllegierungsschicht.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei ggf. vorhandene Grundschichten sowie die zu oxidierende Metall- oder Metalllegierungsschicht durch ein PVD- oder CVD-Verfahren auf den Schneidwerkzeugkörper aufgebracht wird.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die elektrochemische Oxidation der auf den Schneidwerkzeugkörper aufgebrachten Metall- oder Metalllegierungsschicht durch anodische Oxidation unter Funkenentladung erfolgt.
- Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Metall- oder Metalllegierungsschicht durch die gesamte Schichtdicke hindurch oxidiert wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Metall- oder Metalllegierungsschicht aus Al, Cr, Si, Zr, Ti, Y, Ca, B, Mg oder deren Legierungen untereinander und/oder mit anderen Metallen gebildet ist.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dicke der Verschleißschutzschicht zwischen 0,1 und 20 μm, bevorzugt zwischen 3 und 10 μm beträgt.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schneidwerkzeugkörper aus einem HSS-, Vollhartmetall- oder Cermet-Werkstoff gebildet ist.
- Schneidwerkzeug mit einem zumindest abschnittsweise mit einer Verschleißschutzschicht versehenen Schneidwerkzeugkörper, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht durch einen Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist.
- Schneidwerkzeug nach Anspruch 8, wobei die Verschleißschutzschicht den Schneidwerkzeugkörper vollständig überzieht.
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| R082 | Change of representative |
Representative=s name: WINTER, BRANDL, FUERNISS, HUEBNER, ROESS, KAIS, DE |
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| R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: GUEHRING KG, DE Free format text: FORMER OWNER: GUEHRING OHG, 72458 ALBSTADT, DE Effective date: 20140203 |
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| R082 | Change of representative |
Representative=s name: WINTER, BRANDL, FUERNISS, HUEBNER, ROESS, KAIS, DE Effective date: 20140203 |
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| R012 | Request for examination validly filed | ||
| R079 | Amendment of ipc main class |
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| R016 | Response to examination communication |