DE1959690A1

DE1959690A1 - UEberzugsschicht auf Hartmetallteilen fuer die spanende und spanlose Formgebung und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE1959690A1
Application number: DE19691959690
Authority: DE
Inventors: Richard Prof Dr Kieffer; Hans Dr Mariacher; Hansotto Dipl-Ing Schoff
Original assignee: Deutsche Edelstahlwerke AG
Current assignee: Deutsche Edelstahlwerke AG
Priority date: 1969-11-28
Filing date: 1969-11-28
Publication date: 1971-06-03
Also published as: DE1959690C3; NL175534B; CH542937A; AT318934B; US3717496A; LU62111A1; DE1959690B2; SE367444B; BE759088A; JPS5124982B1; GB1285260A; NL175534C; FR2069744A5; NL7017392A

Description

415 Krefeld/ Qberschlesienstraße 16

Überzugsschicht auf Hartinetallteilen für die spanende und spanlose Formgebung und Verfahren zu ihrer Herstellung _________^_

Die Erfindung bezieht sich auf eine neuartige Überzugsschicht auf Hartmetallteilen für die spanende und spanlose Formgebung als Schutz gegen Kolkung bzw. Verschleiß und Verfahren zur Herstellung derselben.

Bei der Zerspanung lang- und kurzspanender -Werkstoffe mit Hilfe von Hartmetallwerkzeugen tritt stets eine mehr oder minder starke Kolkung der Spanfläche auf, die die Lebensdauer der Werkzeuge stark herabsetzt. Um dies zu vermeiden ist es schon bekannt, auf Wolframkarbid-kobalt-Hartmetall-Schneidplatten Überzugsschichten aus Titankarbid-Kobalt-Hartmetall aufzusintern. Dadurch soll einerseits die Zähigkeit des Grundwerkstoffs beibehalten und andererseits die hohe Kolkfestigkeit von Titankarbid-haltigen Hartmetallen ausgenützt werden. Die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten und Sinterspannungen dieser Überzugsschicht und des Grundwerkstoffe haben zu Rissen geführt, weswegen sich diese bekannten Verbundhartmetalle nicht bewährt haben.

In neuester Zeit sind Hartmetall-Schneidplatteη bekannt geworden, die eine harte Titankärbid-Deckschicht von weniger als Io /um aufweisen, die aus der Gasphase niedergeschlagen wird. Dadurch konnte eine gewisse Verbesserung im Hinblick auf Kolkverschleiß erreicht werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist nun die Schaffung einer Überzugsschicht, die einen noch besseren Widerstand

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gegen Kolkung und Verschleiß besitzt als die bisher bekannten.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, auf Hartmetaliteilen eine Überzugs schicht aus einem Nitrid oder Karbonitrid der Metalle der Gruppen IVa bis VIa des periodischen Systems der Elemente zu bilden. Unerwarteterweise hat sich gezeigt, daß Überzugsschichten aus Metallnitriden oder -karbonitriden ein besseres Kolkverhalten aufweisen als die bekannten Titankarbid-Überzugsschichten auf Hartmetallteilen. φ Obwohl Metallnitride und -karbonitride weniger hart sind als Metallkarbide, besitzen sie einen besseren Widerstand gegen Kolkverschleiß. Dies mag unter anderem damit zusammenhängen, daß die Schweiß- und Klebeneigung nitridierter Hartmetalle gegen Metallspäne und ihre Oxidhäute erheblich geringer ist als diejenige von Metallkarbiden.

Überzügsschichten aus Metallkarbiden, -nitriden, -boriden und -siliziden auf Teilen aus Metall oder Metallegierungen sind an sich bekannt. So beinhaltet z. B. die deutsche Auslegeschrift 1 o56 449 ein Verfahren zur Herstellung von Überzügen aus Metallkarbid, insbesondere Titankarbid, auf ~ der Oberfläche von metallischen und nichtmetallischen Gegen- ™ ständen, z. B. Schneid- und Ziehwerkzeugen aus Stahl, durch Aufdampfen und Abscheiden des Karbids aus der Gasphase. Das Ergebnis ist eine harte und verschleißfeste Oberfläche der Werkzeuge.

ims der deutschen Auslege schrift 1 o56 45o sind weitere Überzüge aus Metallkarbiden, -nitriden, -boriden und -siliziden auf Gegenständen, z. B. aus Werkzeugstahl oder Gußeisen, bekannt.

Aus der deutschen Ausiegeschrift 1 o65 442 ist es bekannt, Wt rkstücke und Werkzeuge aus Stahl mit Überzügen aus Titankarbid und Titannitrid zu versehen.

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Aus den vorgenannten Veröffentlichungen ist jedoch nicht entnehmbar, daß überzüge aus Metallnitriden oder -karbonitriden auf werkzeugen aus Hartmetall einen besonders günstigen Einfluß auf dos Kolkverhalten haben. Bisher hat man vielmehr o.llgemein die hnsicht vertreten, daß Überzugsschichten aus ketallksrbiden im Hinblick auf Verschleiß und Kolkung die besten Eigenschaften hätten. Dies trifft jedoch, wie festgestellt vmrde, nicht zu.

Gemäß einer vorteilhaften .Ausgestaltung der Erfindung kann die Überzugsschicht aus Titannitrid oder Titankarbonitrid bestehen. Bei einer Überzugsschicht aus Titankarbonitrid sollten vorzugsweise lo% bis 2o% Titankarbid im Karbonitrid-Ii.ischkristall vorhanden sein. Die Stärke der zu erzeugenden überzugsschicht auf den Hartmetallteilen kann 1 - 5o ,um betragen.

Nach einem bevorzugten Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Überzugsschicht kann die Abscheidung des Nitrids oder Karbonitrids auf den Oberflächen der Hartmetallteile durch thermische Zersetzung eines Halogenides der Metalle der Gruppen IVa bis VIa des periodischen Systems der Elemente bei gleichzeitiger Einwirkung eines vorgereinigten Gasgemisches aus Stickstoff, Wasserstoff und gegebenenfalls gasförmigen Kohlenviasser stoff en, ζ. B. Methan, in einem Ofen erfolgen, in dem die zu beschichtenden Hartmetallteile auf 3oo° - 115o°C erhitzt sind.

Dieses Verfahren ist für das Abscheiden von Titannitrid aus der Gasphase (Stickstoff-Wasserstoff-Mischung, beladen mit Titantetrachloriddämpfen) auf Gegenständen aus Metall oder einer Metallegierung aus der deutschen Patentschrift 97o an sich bekannt. Neu ist demgegenüber aber das Abscheiden

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eines Metallnitrids oder -karbonitrids aus der Gasphase auf die Oberflächen von Hartmetallteilen.

Das erfindungsgemäß vorgesehene Verfahren zur Herstellung einer Überzugsschicht aus Metallnitrid oder -karbonitrid auf Hartmetallteilen kann gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung derart ausgeführt werden, daß die Hartmetallteile während der Beschichtung im Ofen in ein Pulvergemisch aus Metallnitrid oder -karbonitrid eingebettet sind. Dadurch ■wird sichergestellt, daß die zu bildende Überzugsschicht gleichmäßig auf allen Oberflächen der Teile erzeugt werden kann. Außerdem ergibt sich dadurch die Möglichkeit, gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Hartmetallteile zu Beginn der Beschichtung in dem Einbettpulvergemisch zu bewegen, z. B. zu drehen. Dadurch erreicht man die Wirkung eines scheuerndes Abriebes der Sinterhaut auf den Hartmetallteilen, die bei einer Beschichtung hindernd sein könnte.

Im folgenden sind zwei Beispiele zur Herstellung eines Titannitrid- und eines Titankarboriitrid-Überzugs auf Hartmetallteilen angegeben:

Beispiel 1

Ein Gasstrom aus scharf getrocknetem Viasserstoff und Stickstoff wird mit Titantetrachioriddampf durch Überleiten der Gase durch ein mit flüssigem Titantetrachlorid beschicktes Gefäß (Waschflasche) beladen und das vorgereinigte Gasgemisch vereinigt über die Hartmetallplatten in einen Ofen geführt, in dem die Hartmetallplatten auf 8oo bis 115o°C erhitzt sind. Die Gasgemenge reagieren auf der Oberfläche der glühenden Hartmetallplatten unter Bildung einer goldgelben Titannitrid-Schicht. Es hat sich hierbei überraschenderweise gezeigt, daß

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die Haftung der Titannitrid-Schicht besonders gut ist, wenn die Sinterhaut vorher allseitig abgeschliffen oder abgescheuert Wird und wenn die Nitridierungsdauer etwa 3o bis 60 JSin. beträgt. Dies führt zu einer Schicht starke von Io - 5o /um. ■

Beispiel 2

Zur Herstellung einer Titankarbonitrid-Überzugsschicht wurde trockenes Methan in aliquoter Menge dem Gasgemisch aus Wasserstoff/ Stickstoff und Titantetrachlorxd zugeführt. Angestrebt wird eine Deckschicht, die lo% bis 2o% Titarikarbid im Karbonitrid-Mischkristall enthält. Mit steigendem Titankarbid-Gehalt ändert sich die Farbe der Schicht von goldgelb nach rotgold, eine Farbe, die etwa bei einer Zusammensetzung 4TiN/lTiC erreicht wird.

Die in der erfindungsgemäßen Weise mit goldgelben Titannitrid- oder rotgoldenen Titankarbonitrid-Überzugsschichten versehenen Hartmetallplatten ergaben eine vielfache Standzeit, verglichen mit unbeschichteten Platten und eine noch um 5o% bis loo% höhere Lebensdauer und Kolkfestigkeit als in bekannter Weise mit Titankarbid beschichtete Hartmetallplatten. Technologisch ergibt sich bei der Erfindung auch der Vorteil, daß bei um Io6° - 300⁰C niedrigeren Beschichtung stemper aturen gearbeitet werden kann als beim Aufbringen von Metällkarbid-Überzugsschichten, so daß die Hartmetallplatten keine unerwünschte Strukturänderung und allzu starken Entkohlungen der Oberfläche (Bildung einer ^-Phasen-Zwischenschicht) erleiden.

Die Aufbringung von anderen Nitriden der übergangsmetälle der IVa bis Va - Metalle und ferner von Gr₃N ist apparativ etwas schwieriger, weil Chloride der genannten Metalle

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ausnahmslos bei Raumtemperatur fest sind und sie daher vor dem Durchleiten von Stickstoff geschmolzen und überhitzt werden müssen, um dampfförmig mitgeführt zu werden. Es ist jedoch auch möglich, gewisse Mengen der festen Chloride in dem flüssigen Txtantetrachlorid zu lösen und so Gasgemische beim Durchleiten von Stickstoff oder Wasserstoff 2ü erzielen, die Nitrid-Mischkristall als Deckschichten bilden. Bei gleichzeitiger Anwesenheit von Methan bilden sich Mehrstoff-Karbonitrxdschichten.

Als Öfen für die Durchführung des Nitridierens haben sich horizontale, stationäre, keramische Röhrenöfen oder auch keramische Drehrohröfen bewährt. Bei letzteren ist es besonders wichtig, das Gut in der oben erwähnten Weise in ein Pulvergemisch einzubetten, das eine Schonung der Plattenkanten und -ecken neben einer leicht scheuernden Wirkung (Abschleifen der Sinterhaut) gewährleistet. Als weitere Ofenart haben sich auch Ofentypen bewährt, wie sie beim Chromieren von Stahl verwendet werden und die im wesentlichen aus einer Retorte bestehen.

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Claims

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P ate ηtans prüche

(l. I Überzugsschicht auf Hartmetallteilen für die spanende und spanlose Formgebung als Schutz gegen Kolkung bzw. Verschleiß,

dadurch gekennzeichnet,

daß sie aus einem Nitrid oder Karbonitrid der Metalle der Gruppe IVa bis VIa des periodischen Systems der Elemente besteht.

2. Überzugsschicht nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß sie aus Titannitrid oder Titankarbonitrid besteht.

3. Überzugsschicht nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß lo% bis 2o% Titankarbid im Karbonitrid-Mischkristall vorhanden sind.

4. Überzugsschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

daß sie eine Stärke von 1 - 5o /Um besitzt.

5. Verfahren zur Herstellung einer Überzugsschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Abscheidung des Nitrids oder Karbonitrids auf der Oberfläche der Hartmetallteile in an sich bekannter Weise durch thermische Zersetzung eines Halogenides der Metalle der Gruppe IVa bis VIa des periodischen Systems der Elemente bei gleichzeitiger Einwirkung eines vorgereinigten Gasgemisches aus Stickstoff, Wasserstoff und gegebenenfalls gasförmigem Kohlenwasserstoff, z. B. Methan, in einem Ofen erfolgt, in dem die zu beschichtenden Hartmetallteile auf 8oo° - 115o°C erhitzt sind.

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6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,

daß die zu überziehenden Oberflächen der Hartmetallteile vor der Beschichtung durch Schleifen, Bürsten oder Scheuern von der Sinterhaut befreit werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet,

daß die Hartmetallteile während der Beschichtung im Ofen in ein Pulvergemisch aus Metallnitrid oder -karbonitrid eingebettet sind.

8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Hartmetallteile zu Beginn der Beschichtung in dem Einbettpülvergemisch bewegt, z. B. gedreht werden.

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