DE19510439C1

DE19510439C1 - Cermet- Hartstoffschicht- Verbund und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE19510439C1
Application number: DE1995110439
Authority: DE
Inventors: Ingolf Dr Endler; Erich Prof Dr Wolf; Albrecht Dr Leonhardt; Volkmar Dr Richter
Original assignee: Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: LEIBNIZ-INSTITUT fur FESTKOERPER- und WERKSTOFFFORS; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1995-03-22
Filing date: 1995-03-22
Publication date: 1996-08-08
Anticipated expiration: 2015-03-23

Description

Die Erfindung bezieht sich auf den Verschleißschutz von Werkzeu gen und Verschleißteilen aus Cermet-Materialien und betrifft einen Cermet-Hartstoffschicht-Verbund und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar bei Cermet-Materialien, die im wesentlichen aus Titancarbonitrid als Härteträger und einem Nickel/Kobalt-Binder bestehen. Besonders zweckmäßig ist ihre Anwendung bei Schneidwerkzeugen für die spanende Formgebung.

Es ist bereits bekannt, Cermets zum Zwecke eines Verschleiß schutzes durch Gasphasenabscheidung mit einer Hartstoffbeschich tung zu versehen. Diese kann als Einfach-, Komposit- oder Viel lagenschicht ausgeführt sein. Bekannt sind Beschichtungen aus TiN_x, TiC_x, TiC_xN_y, TiC_xN_yO_z (z. B. JP 05-092304, EP 0 149 024, EP 0 269 525, DD 2 40 914, EP 0 440 157), auch unter Einschluß von metallischem Titan (z. B. EP 0 149 024). Außerdem sind auch zirkonhaltige Schichtsysteme bekannt (JP 01 228704). Die Schichtsysteme können auch mit einer Al₂O₃-Schicht versehen sein (z. B. JP 63-060283).

Bekannt ist es auch, Cermets mittels Plasmanitrieren zu behan deln (WO 89/06288). Verschleißuntersuchungen haben jedoch ge zeigt, daß eine solche Behandlung nicht zu einer nennenswerten Erhöhung der Verschleißfestigkeit führt.

Zur Beschichtung der Cermets sind nach dem Stand der Technik Verfahren der physikalischen und der chemischen Gasphasen abscheidung (PVD, CVD) vorgesehen.

Das konventionelle thermische CVD-Verfahren benötigt Tempera turen um 1000°C und das organische Stickstoffverbindungen ver wendende Mitteltemperatur-CVD-Verfahren arbeitet im Temperatur bereich von 700-900°C. Nachteilig ist, daß infolge der hohen Temperaturen die Biegebruchfestigkeit der Cermets gesenkt wird und daß Reaktionen zwischen den Bindermaterialien des Cermetsubstrates und den Gasphasenspezies stattfinden, die zur Bildung spröder intermetallischer Phasen am Substrat-Schicht- Übergang bzw. in der Schicht führen. Das PVD-Verfahren hat wegen der bei der Abscheidung herrschenden geringen Drücke den Nachteil, daß eine gleichmäßige Beschichtung schwierig und des halb eine Substratbewegung erforderlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Cermet-Hart stoffschicht-Verbund und ein Verfahren zu dessen Herstellung so zu gestalten, daß ein Verbund mit sehr guten Verschleißeigen schaften sowie einer sehr hohen Haftfestigkeit der Beschichtung erreicht wird und daß bei der Beschichtung des Cermets die Ent stehung von spröden intermetallischen Phasen und eine Verminde rung der Festigkeit vermieden werden.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung mit dem in den Patent ansprüchen beschriebenen Verbund und dem dazu angegebenen Herstellungsverfahren gelöst.

Der erfindungsgemäße Cermet-Hartstoffschicht-Verbund ist dadurch gekennzeichnet, daß die Hartstoffbeschichtung auf einem Cermet- Grundkörper aufgebracht ist, dessen Oberflächenrandzone bis zu einer maximalen Tiefe von 10 µm nitriert oder carbonitriert ist. Die Hartstoffbeschichtung besteht aus einer oder mehreren Hartstoffschichten, wobei die unmittelbar mit dem Cermet- Grundkörper verbundene Hartstoffschicht 0,1 bis 20 µm dick ist. Sie besteht aus einer stickstoffhaltigen Hartstoffverbindung oder einem stickstoffhaltigen Hartstoffgemisch von einem oder mehreren Elementen der IV. bis VI. Nebengruppe des PSE und/oder Bor und/oder Aluminium und/oder Silizium und/oder Kohlenstoff.

Auf der stickstoffhaltigen Hartstoffbeschichtung kann nach der Erfindung zusätzlich eine Deckschicht angeordnet sein. Diese kann vorzugsweise aus Aluminiumoxid bestehen und ist 1 bis 5 µm dick.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Hartstoffbeschichtung einen Stickstoffgradienten auf, der von der Grundkörperoberfläche zur Schichtoberfläche hin abnimmt.

Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ist dadurch gekenn zeichnet, daß ein Cermet-Grundkörper zunächst einer Nitrier- oder Carbonitrierbehandlung bei einer Behandlungstemperatur bis 700°C während einer Behandlungsdauer von 5 bis 120 Minuten unterworfen wird. Nach Abschluß der Nitrierung oder Carbo nitrierung wird zu einem Niedertemperaturbeschichtungsprozeß zur Abscheidung einer oder mehrerer Hartstoffschichten übergegangen. Dabei werden Abscheidungstemperaturen bis 700°C angewandt.

Die Nitrier- oder Carbonitrierbehandlung des Cermet-Grundkörpers kann nach der Erfindung vorteilhaft als Plasmaprozeß und bei einem Druck im Bereich von 10 bis 1000 Pa ausgeführt werden.

Entsprechend einer zweckmäßigen Ausgestaltung des Verfahrens wird der Niedertemperaturbeschichtungsprozeß als Plasmaprozeß bei einem Druck im Bereich von 10 bis 1000 Pa und in einer Gasmischung ausgeführt, die aus einem oder mehreren Halogeniden und/oder metallorganischen Verbindungen der Elemente der IV. bis VI. Nebengruppe des PSE und/oder von Bor, Aluminium, Silizium, aus Stickstoff und/oder Stickstoffverbindungen und/oder Wasserstoff und/oder einem oder mehreren Inertgasen besteht.

Beim Niedertemperaturbeschichtungsprozeß können zusätzlich ein oder mehrere Kohlenstoffverbindungen und/oder eine oder mehrere Sauerstoffverbindungen zugegeben werden.

Der erfindungsgemäße Cermet-Hartstoffschicht-Verbund zeichnet sich in überraschender Weise durch eine sehr hohe Haftfestigkeit der Hartstoffbeschichtung und wesentlich verbesserte Verschleiß eigenschaften aus. Der Verbund weist am Übergang zwischen Cermet und Hartstoffschicht einen günstigen Härteverlauf auf. Der Cermet-Grundkörper ist frei von spröden intermetallischen Ver bindungen und zeigt keine verminderte Festigkeit gegenüber dem unbeschichteten Cermet, was in den zur Anwendung gelangenden niedrigen Verfahrenstemperaturen begründet ist. Das erfindungs gemäße Verfahren weist darüber hinaus den Vorteil auf, daß es sehr effektiv ist, da durch den möglichen direkten Übergang von der Nitrierung oder Carbonitrierung zu einem Niedertemperatur beschichtungsprozeß die Chargenverweilzeit in der Anlage nur unwesentlich beeinflußt wird. Dabei wird in vorteilhafter Weise auch eine Verunreinigung der Cermetoberfläche verhindert. Außerdem ist vorteilhaft, daß das Verfahren bei Anwendung der Niedertemperatur-CVD-Verfahren, wie beispielsweise bei der plasmagestützten chemischen Gasphasenabscheidung (PACVD) eine allseitige Behandlung bzw. -beschichtung ohne zusätzliche Substratbewegung und mit einer hohen Abscheidungsrate ermög licht.

Nachstehend ist die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen naher erläutert.

Beispiel 1

Kommerzielle Cermets für den P10-Bereich mit einem Nickel/Kobalt-Binder von 15,7 Ma.-% werden in einem PVCVD-Heiß wandreaktor eingebracht. Der Reaktor wird evakuiert und es wird mit dem Aufheizvorgang begonnen. Bei einer Substrattemperatur von 200°C und einem Druck von 60 Pa werden die auf Kathoden potential liegenden Substrate einer gepulsten Gleichstrom glimmentladung in einer Gasmischung von 38 Vol.-% Wasserstoff/ 12 Vol.-% Stickstoff/50 Vol.-% Argon ausgesetzt. Nach 15 Minuten wird der Druck auf 300 Pa erhöht und die Nitrierung durchgeführt. Dabei steigt die Substrattemperatur auf 500°C, die dann durch Regelung der Gleichspannung konstant gehalten wird. Die Nitrierdauer beträgt 20 Minuten. Danach wird eine Gas mischung für eine Titannitridbeschichtung zudosiert. Die Gas mischung besteht aus 0,25 Vol.-% TiCl₄, 65 Vol.-% H₂, 5,2 Vol.- % N₂ und Argon. Nach einer Abscheidungszeit von 60 Minuten bei einer Plasmaleistungsdichte von 0,65 W/cm² wird eine 4 µm dicke und sehr haftfeste Titannitridschicht erhalten, die im Scratch- Test eine kritische Last von 80 N aufweist. Das auf diese Art nitrierte und beschichtete Cermet zeigt bei der Zerspanung von Stahl C60N im glatten Schnitt eine Standzeiterhöhung auf 180% gegenüber dem unbeschichteten Cermet.

Beispiel 2

Kommerzielle Cermets für den P10-Bereich mit einem Nickel/Kobalt-Bindergehalt von 15,7 Ma.-% werden in gleicher Weise wie bei Ausführungsbeispiel 1 nitriert, allerdings bei einer Substrattemperatur von 700°C. Danach erfolgt die Zudo sierung einer Gasmischung für eine Titancarbonitridabscheidung. Die Gasmischung besteht aus 0,37 Vol.-% TiCl₄, 66 Vol.-% H₂, 4 Vol.-% N₂ und 0,26 Vol.-% CH₄ und Argon. Nach einer Beschich tungszeit von 35 Minuten bei einer Plasmaleistungsdichte der Gleichstromglimmentladung von 0,6 W/cm²wird ein 3 µm dicke Titancarbonitridschicht mit extrem hoher Haftfestigkeit erhal ten. Mittels Scratch-Test wurde eine kritische Last von 100 N ermittelt. Das auf diese Weise nitrierte und beschichtete Cermet zeigte bei der Zerspanung von Grauguß GGL25 mit einer Schnittgeschwindigkeit von 200 m/min, einer Schnittiefe von 2 mm und einem Vorschub von 0,3 mm eine Standzeiterhöhung auf 350% gegenüber dem unbeschichteten Cermet.

Claims

1. Cermet-Hartstoffschicht-Verbund, bei dem auf einem Cermet- Grundkörper eine Hartstoffbeschichtung vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Hartstoffbeschichtung auf einem Cermet-Grundkörper aufgebracht ist, dessen Oberflächenrandzone bis zu einer maximalen Tiefe von 10 µm nitriert oder carbonitriert ist, und daß
b) die Hartstoffbeschichtung aus einer oder mehreren Hartstoffschichten besteht, wobei
c) die unmittelbar mit dem Cermet-Grundkörper verbundene Hart stoffschicht 0,1 bis 20 µm dick ist und aus einer stickstoffhaltigen Hartstoffverbindung oder einem stickstoffhaltigen Hartstoffgemisch von einem oder mehreren Elementen der IV. bis VI. Nebengruppe des PSE und/oder Bor und/oder Aluminium und/oder Silizium und/oder Kohlenstoff besteht.

2. Cermet-Hartstoffschicht-Verbund nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß auf der stickstoffhaltigen Hartstoffbeschich tung eine Deckschicht angeordnet ist.

3. Cermet-Hartstoffschicht-Verbund nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Deckschicht aus Aluminiumoxid besteht und 1 bis 5 µm dick ist.

4. Cermet-Hartstoffschicht-Verbund nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Hartstoffbeschichtung einen Stickstoff gradienten aufweist, der von der Grundkörperoberfläche zur Schichtoberfläche hin abnimmt.

5. Verfahren zur Herstellung eines Cermet-Hartstoffschicht-Ver bundes gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Cermet- Grundkörper zunächst einer Nitrier- oder Carbonitrierbehandlung bei einer Behandlungstemperatur bis 700°C während einer Be handlungsdauer von 5 bis 120 Minuten unterworfen wird, und daß nach Abschluß der Nitrierung oder Carbonitrierung zu einem Niedertemperaturbeschichtungsprozeß zur Abscheidung einer oder mehrerer Hartstoffschichten übergegangen wird, wobei Abschei dungstemperaturen bis 700°C angewandt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Nitrier- oder Carbonitrierbehandlung des Cermet-Grundkörpers als Plasmaprozeß bei einem Druck im Bereich von 10 bis 1000 Pa ausgeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Niedertemperaturbeschichtungsprozeß als Plasmaprozeß bei einem Druck im Bereich von 10 bis 1000 Pa und in einer Gasmischung ausgeführt wird, die aus einem oder mehreren Halogeniden und/oder metallorganischen Verbindungen der Elemente der IV. bis VI. Nebengruppe des PSE und/oder von Bor, Aluminium, Silizium, aus Stickstoff und/oder Stickstoffverbindungen und/oder Wasserstoff und/oder einem oder mehreren Inertgasen besteht.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß beim Niedertemperaturbeschichtungsprozeß zusätzlich ein oder mehrere Kohlenstoffverbindungen und/oder eine oder mehrere Sauerstoff verbindungen zugegeben werden.