DE19924422C2 - Verfahren zur Herstellung eines hartstoffbeschichteten Bauteils und beschichtetes, nachbehandeltes Bauteil - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Hartstoff-beschichteten Bauteils mit den Schritten:

• - Aufbringen einer Hartstoffschicht auf dem Bauteil in einer PVD-Beschichtungsanlage; und
• - strukturelles Nachbearbeiten der äußeren Oberfläche der Hartstoffschicht.

Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf ein mit dem Verfah­ ren hergestelltes Bauteil, insbesondere Werkzeug, das mit einer Hartstoff-Beschichtung versehen und dessen Oberfläche nachbehandelt ist.

Im Stand der Technik sind zum Aufbringen einer Hartstoff­ schicht auf ein Bauteil eine Vielzahl von PVD-Beschichtungs­ verfahren bekannt. Dazu zählen sowohl Kathodenzerstäubungs­ verfahren als auch Bogenentladungsverfahren. Bei den im Wege eines PVD-Beschichtungsverfahrens aufgebrachten Hartstoff- Schichten handelt es sich um Kondensate auf Oberflächen von Bauteilen oder Werkzeugen aller Art. Die PVD-Schichten die­ nen u. a. als funktionaler, aber auch als dekorativer Über­ zug. In den meisten Anwendungsfällen bewirken sie verbesser­ te Verschleißeigenschaften der beschichteten Werkzeuge, bei denen es sich beispielsweise um Spiralbohrer oder Wende­ schneidplatten handeln kann. Beispiele für solche PVD- Schichten sind nitridische, oxidische, karbidische, karboni­ tridische und boridische Verbindungen unterschiedlichster Metalle. Als Einzelbeispiele können Titan-Nitrid (TiN), Titan-Aluminiumnitrid (TiAlN), Titan-Carbonitrid (TiCN), Titan-Diborid (TiB₂) und Aluminiumoxid (Al₂O₃) genannt werden.

Die für eine Beschichtung vorgesehenen Bauteile und Werkzeu­ ge können aus Hartmetall und bei Werkzeugen aus Werkzeug­ stahl bestehen.

Abhängig von dem jeweils eingesetzten PVD-Beschichtungs­ verfahren weisen PVD-Schichten eine dicht-kompakte bis ko­ lumnare Schichtstruktur auf. Außerdem reichen die techni­ schen Oberflächen der zu beschichtenden Bauteile in ihren Zustand/ihrer Rauhigkeit von poliert bis zu geschliffen, erodiert, gesintert oder mikrogestrahlt.

Die PVD-Schichten, die auf solchen technischen Oberflächen abgeschieden sind, weisen neben Rauhigkeiten, die von der Oberfläche des beschichteten Bauteils herrühren, auch eine Mikrotopographie/Mikrorauhigkeit auf. Diese Oberflächenmerk­ male werden bestimmt durch verfahrensbedingte Schichtwachs­ tumscharakteristiken (z. B. Droplets), Schichtwachstumsfehler (Pinholes/Kannibalen), Schichtverunreinigungen (Flitter, Staub) und Schichtstruktur (Kolumnarität). Diese unerwünsch­ ten Schichtoberflächenerscheinungen bei den PVD-Schichten sind umsomehr ausgeprägt, je größer die Schichtdicken dieser Schichten werden. Dies gilt insbesondere für die kolumnare Schichtstruktur, die eine Mikrorauhigkeit und Wachstums­ fehler hervorrufen kann. Eine Erhöhung der Schichtdicke von PVD-Schichten ist folglich i. a. mit einer Verschlechterung der Oberflächenqualität verbunden.

Es ist jedoch wünschenswert, möglichst dicke PVD-Schichten auf die Bauteile aufzubringen, da sie insbesondere beim Einsatz beschichteter Werkzeuge und Bauteile bei einer Zer­ spanung ein erhöhtes Verschleißvolumen zur Verfügung stellen und damit die Standzeit beispielsweise eines Werkzeuges erheblich erhöhen.

Zur Verbesserung der Oberflächenqualität kolumnar aufge­ wachsener PVD-Schichten oder dicht-kompakter PVD-Schichten ist es bereits versucht worden, die beschichteten Bauteile nachzubearbeiten. Diese Nachbearbeitung erfolgte in Form von Polieren der Oberfläche der PVD-Schicht, das häufig per Hand durchgeführt wird. Ein solches Polieren ist jedoch zeitauf­ wendig und gewährleistet nicht in ausreichendem Maße, daß die Oberflächeneigenschaften der PVD-Schicht gleichmäßig sind.

Aus der JP 02254144 A ist ein Strahlverfahren zum Nachbehan­ deln von PVD-beschichteten Schneidwerkzeugen bekannt, bei dem bei der Nachbehandlung ein Kugelstrahlen der Oberfläche der äußeren Schicht mit Eisenpulver, Gußstahlpulver, WC- Pulver oder Keramikpulver mit einer Korngröße im Bereich von 10 bis 2000 µm durchgeführt wird. Die jeweiligen Strahl­ mittel haben eine kugelige Kornform.

Aus der DIN 8200, Oktober 1982, mit dem Titel "Strahlverfah­ renstechnik" geht hervor, daß zur Verminderung der Rauheit einer Oberfläche im Rahmen eines Glättstrahlens üblicher­ weise Strahlmittel mit kugeliger Kornform eingesetzt werden, wie es auch bei der zuvor diskutierten Druckschrift der Fall ist. Demgegenüber wird zum Aufrauhen einer Oberfläche in der DIN 8200 empfohlen, ein Strahlmittel mit kantiger Kornform einzusetzen.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren für mit einer PVD-Schicht versehe­ ne Bauteile, insbesondere Werkzeuge, zu schaffen, mit dem PVD-beschichtete Bauteile mit kolumnarer Struktur und/oder relativ großer Dicke bereitgestellt werden, die insbesondere für Zerspanungszwecke eine zufriedenstellende Oberflächen­ struktur der PVD-Schicht bereitstellen. Außerdem soll ein PVD-beschichtetes nachbehandeltes Bauteil angegeben werden, das gegenüber bekannten Bauteilen, insbesondere Werkzeugen, über erheblich verbesserte Rauhigkeitswerte der freiliegen­ den Oberfläche der PVD-Schicht verfügt.

Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Hartstoff-beschichteten Bauteils mit den Schritten:

• - Aufbringen einer Hartstoffschicht auf dem Bauteil in einer PVD-Beschichtungsanlage; und
• - strukturelles Nachbearbeiten der äußeren Oberfläche der Hartstoffschicht,

wobei

• - zur strukturellen Nachbearbeitung in einer Strahl­ vorrichtung ein Strahlen der Oberfläche der Schicht zu deren Veredelung durchgeführt wird, wobei ein mineralisches Strahlmittel mit einer Korngröße im Bereich von 1 µm bis 100 µm verwendet wird,
• - wobei das Strahlmittel eine kantige Kornform hat.

Erfindungsgemäß wird das fertig beschichtete Bauteil ge­ strahlt, wobei ein mineralisches Strahlmittel mit im Ver­ gleich zu herkömmlichen Strahlverfahren sehr kleiner Korn­ größe verwendet wird. Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, daß die Oberflächenstruktur kolumnar gewachsener PVD-Schichten homogenisiert und geglättet wird. Die gleichen Vorteile ergeben sich für dicht-kompakte PVD-Schichten, insbesondere auch wenn diese eine Dicke von mehr als 4 µm aufweisen. Als Beispiel für ein Material für eine kolumnar aufgewachsene PVD-Schicht kann TiB₂ angegeben werden, während der Hartstoff TiAlN bei entsprechendem PVD-Beschichtungs­ verfahren eine dicht-kompakte Struktur haben kann. Grund­ sätzlich ist das Verfahren jedoch für sämtliche Hartstoff- PVD-Schichten anwendbar, um deren Oberflächenqualität zu verbessern, insbesondere deren Oberflächenrauhigkeit zu vermindern, so daß sie insbesondere für Zerspanungsprozesse einsetzbar werden.

Das Strahlmittel hat eine kantige Kornform, wie sie bei­ spielsweise bei den Strahlmitteln Al₂O₃ (Edelkorund) und SiC vorliegt.

Grundsätzlich kommen sämtliche natürlich mineralischen oder synthetisch mineralischen, üblicherweise festen, Strahl­ mittel in Betracht, bei denen die oben angegebene Korngröße und Kornform für das Strahlmittel eingehalten wird. Als weitere Beispiele sind zu nennen gebrochenes Gestein, Schlacke, Glasbruch sowie Quarzsand. Die Korngröße des Strahlmittels liegt be­ vorzugt in einem Bereich von 1-50 µm, besonders bevorzugt in einem Bereich von 10-15 µm.

Das Strahlen der PVD-beschichteten Bauteile kann grundsätz­ lich auf beliebige Weise durchgeführt werden. Sowohl Schleu­ derstrahlen als auch Druckstrahlen ist möglich, wobei das Druckstrahlen zu sehr guten Ergebnissen für die Oberflächen­ veredelung der PVD-Schichten führt. Als Beispiele für das Druckstrahlen können Druckluftstrahlen, Naßdruckluftstrah­ len, Schlemmstrahlen, Druckflüssigkeitsstrahlen und Dampf­ strahlen eingesetzt werden, wie sie in der deutschen DIN- Norm Nr. 8200 aufgezählt und erläutert sind, auf die aus­ drücklich Bezug genommen wird.

Wenn ein Druckluftstrahlen durchgeführt wird, um die Ober­ fläche einer PVD-Schicht, abgeschieden auf einem Bauteil, zu verbessern, kann der Strahldruck hinter der bei diesem Strahlverfahren üblicherweise eingesetzten Düse im Bereich von 1-10, bevorzugt bei 2 × 10⁵ Pa liegen.

Bei einem Düsenöffnungsquerschnitt im Bereich vom 4-15 mm liegt der Abstand zwischen der/den Düse(n) und dem/den be­ schichteten Bauteil(en) bevorzugt im Bereich unter 200 mm.

Es hat sich als besonders günstig erwiesen, wenn der Düsen­ querschnitt 11 mm beträgt und der Abstand zwischen der/den Düse(n) und dem/den Bauteil(en) im Bereich von 30-100 mm liegt.

Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein PVD-beschichtetes, nachbehandeltes Bauteil, insbesondere Werkzeug, mit einem Substrat und einer auf dem Substrat im Wege eines PVD-Ver­ fahrens aufgebrachten Hartstoffschicht vorbestimmter Dicke, wobei

• - die Dicke der Hartstoffschicht mindestens 4 µm be­ trägt und
• - der Quotient aus der Rauhigkeit der freiliegende Oberfläche der Hartstoffschicht vor und nach der Nachbehandlung größer als 1,5 ist.

Ein solches PVD-beschichtetes, nachbehandeltes Bauteil ver­ fügt über eine gegenüber bekannten Bauteilen verbesserte Oberflächenqualität. Im Falle des Einsatzes eines Werkzeuges bei einer Zerspanung ergeben sich durch die bessere Ober­ flächenqualität vergleichsweise günstigere Einlaufeigen­ schaften. Durch die gegenüber bekannten Werkzeugen glattere Oberfläche der PVD-Schicht wird auch die Adhäsionsneigung des beschichteten Werkzeuges vermindert, die zu einem An­ haften von Material aus der PVD-Schicht an einem zu bearbei­ tenden Werkstück führt.

Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein PVD-beschichtetes, nachbehandeltes Bauteil, insbesondere Werkzeug, mit einem Substrat und einer auf dem Substrat im Wege einer PVD-Ver­ fahrens aufgebrachten Hartstoffschicht, die eine kolumnare Schichtstruktur aufweist, wobei
der Quotient aus der Rauhigkeit der freiliegende Ober­ fläche der Hartstoffschicht vor und nach der Nachbe­ handlung größer als 4 ist.

Unabhängig von der Dicke der kolumnar aufgewachsenen Struk­ tur der PVD-Hartstoffschicht wird eine bessere Oberflächen­ qualität gegenüber bekannten, PVD-beschichteten Bauteilen, insbesondere Werkzeugen, bereitgestellt.

Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nach­ folgend anhand der Zeichnungen noch näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Strahlvor­ richtung zur Durchführung eines Nachbehandlungs- Strahlverfahrens, mit einer Mehrzahl Strahldüsen und einem Substrathalter; und

Fig. 2 eine schematische Ansicht von oben auf die Strahlvorrichtung von Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine Strahlvorrichtung mit einem Substrattisch 1, auf dem beschichtete Spiralbohrer S mittels Haltern 2 befestigt sind. Die Halter 2 sind parallel zueinander an­ geordnet und verlaufen senkrecht zur Oberfläche des Sub­ strattisches 1. Der Substrattisch 1 ist drehbar gelagert, während die Halter 2 an dem Substrattisch 1 ebenfalls dreh­ bar gelagert sind. Die Drehachsen der Halter 2 und des Sub­ strattisches 1 verlaufen parallel zueinander. Im Betrieb der Strahlvorrichtung rotieren somit die Halter 2 um die Dreh­ achse des Substrattisches 1 und gleichzeitig um ihre eigene Drehachse.

In einem Abstand zu dem Substrattisch 1 sind insgesamt vier Düsen 3, 4, 5, 6 angeordnet. Jede der Düsen 3, 4, 5, 6 ist über jeweils einen Arm an einer Welle 7 angebracht, die parallel zur Drehachse des Substrattischs 1 verläuft. Die Düsen 3, 4, 5, 6 lassen sich mittels eines Antriebs (nicht dargestellt) längs der Welle 7 und somit parallel zur Dreh­ achse des Substrattischs verschieben, und zwar mit einer vorgegebenen Hubfrequenz. Die Welle 7 ist so lang ausge­ bildet, daß die Düsen 3, 4, 5, 6 über die gesamte Höhe der Spiralbohrer S verschoben werden können. Die Düsen 3, 4, 5, 6 bewegen sich somit im Betrieb der Strahlvorrichtung ent­ lang der Spiralbohrer S von der Substrattischoberfläche aus zum oberen Ende der Halter 2 und zurück, bis ein Strahl­ prozeß beendet ist.

Die Düsen 3, 4, 5, 6 sind in zwei Paare aufgeteilt, und zwar in ein oberes Paar Düsen 3, 4 und ein unteres Paar Düsen 5, 6, die, wie Fig. 1 in Zusammensicht mit Fig. 2 zu entnehmen ist, sämtlich auf einen gemeinsamen Punkt auf der Drehachse des Substrattisches 1 ausgerichtet sind.

Außerdem sind die Düsen 3, 4, 5, 6 bezüglich einer Symme­ trieachse A der Strahlvorrichtung, die sowohl die Drehachse des Substrattisches als auch die Welle 7, auf der die Düsen 3, 4, 5, 6 angebracht sind, senkrecht schneidet, in zwei verschiedenen Winkeln angeordnet. Dabei bilden die Düsenaus­ trittsachsen der Düsen 3, 4 mit der Symmetrieachse A einen kleineren Horizontal-Winkel, als die Düsenaustrittsachsen der Düsen 5, 6. Die Düsen 3 und 5 sind somit in Bezug auf die Symmetrieachse A symmetrisch zu den Düsen 4 bzw. 6 an­ geordnet.

Die Winkeleinstellung einer der Düsen 3, 4, 5, 6 in Bezug auf den Substrattisch 1 kann wie folgt vorgenommen werden. Mittels eines Winkelmessers wird die horizontale Ausrich­ tungskomponente der betreffenden Düse festgelegt. Die Düse ist an ihrem Arm winkeleinstellbar angebracht. Diese Ein­ stellung wird wie gewünscht vorgenommen. Der vertikale Win­ kel der Düse kann 45° gegenüber dem Winkelmesser betragen, und zwar in einer den Winkelmesser schneidenden Vertikal­ ebene.

Durch örtliche Einstellung der Düse an ihrem Arm kann auch der Abstand des Düsenaustrittsendes zur Kante des Substrat­ tisches 1 festgelegt werden.

Der Winkel der Düsen 3, 4, 5, 6 zur Oberfläche des Substrat­ tisches 1 kann zwischen 0 und 90° liegen, bevorzugt zwischen 0 und 45°. Die Hubgeschwindigkeit der Strahldüsen 3, 4, 5, 6 kann in einem Bereich von 0 bis 500 mm/min liegen, bevorzugt zwischen 50 bis 100 mm/min. Die Rotationsgeschwindigkeit der Halter 2 um die Drehachse des Substrattisches 1 kann in einem Bereich von 0 bis 100 U/min liegen, bevorzugt jedoch bei 70 U/min.

Nachfolgend werden noch zwei Beispiele für Parametersätze zur Durchführung eines Strahlverfahrens angegeben:

• a) PVD-Schicht: TiAlN (dicht-kompakte Struktur)
  Strahlmittel: Al₂O₃ (Edelkorund)
  Korngröße des Strahlmittels: 12,3 +- 1,0 µm/F500
  Strahl druck: 2 × 10⁵ Pa
  Verhältnis Hubgeschwindigkeit der Düsen zu Dreh­ geschwindigkeit des Substrattisches: 0,02
  Strahldauer: 900-1800 Sekunden
  Nach Beendigung des Strahlverfahrens wurde für die TiAlN-Schicht eine Oberflächenrauhigkeit von 1,84 R_z festgestellt, während die Oberflächenrauhigkeit R_z die­ ser Schicht vor der Strahlbehandlung 2,67 betrug.
• b) PVD-Schicht: TiB₂ (kolumnare Struktur)
  Strahlmittel: Al₂O₃
  Korngröße des Strahlmittels: 12,3 +- 1,0 µm/F500
  Strahldruck: 2 × 10⁵ Pa
  Verhältnis Hubgeschwindigkeit der Düsen zu Dreh­ geschwindigkeit des Substrattisches: 0,02
  Strahldauer: 300-600 Sekunden.

Bei der TiB₂-Schicht wurde vor Strahlbehandlung ein Rauhigkeitswert R_z von 0,74 festgestellt, während nach der Strahlbehandlung ein Rauhigkeitswert R_z von 0,14 gemessen wurde.

Bei anderen PVD-Schichten, aufgebracht auf Bauteile oder Werkzeuge, können die o. a. Verfahrensparameter­ meter abweichen. Insbesondere werden die Werte auch durch die jeweils beabsichtigten Anwendungen der be­ schichteten Bauteile oder Werkzeuge bestimmt, d. h. der jeweilige Anwendungsfall bestimmt die erforderliche Strahl-Nachbehandlung.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung eines hartstoff-beschichteten Bauteils, inbesondere Werkzeugs, mit den Schritten:

• - Aufbringen einer Hartstoffschicht auf dem Bauteil in einer PVD-Beschichtungsanlage; und
• - strukturelles Nachbearbeiten der äußeren Oberfläche der Hartstoffschicht,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - zur strukturellen Nachbearbeitung in einer Strahl­ vorrichtung ein Strahlen der Oberfläche der Schicht zu deren Veredelung durchgeführt wird, wobei ein mineralisches Strahlmittel mit einer Korngröße im Bereich von 1 µm bis 100 µm verwendet wird,
• - wobei das Strahlmittel eine kantige Kornform hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlmittel Al₂O₃ oder SiC eingesetzt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße des Strahlmittels im Bereich von 1 bis 50 µm liegt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlen in Form von Druckluft­ strahlen durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlen bei einem Strahldruck im Bereich von 1 bis 10 × 10⁵ Pa durchgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahldruck bei 2 × 10⁵ Pa liegt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Düsenöffnungsquerschnitt im Bereich von 4 bis 15 mm der Abstand zwischen der/den Düse(n) und dem/den Bauteil(en) im Bereich unter 200 mm liegt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Düsenquerschnitt von 11 mm der Abstand zwi­ schen der/den Düse(n) und dem/den Bauteil(en) im Be­ reich von 30 bis 100 mm liegt.

9. PVD-beschichtetes, nachbehandeltes Bauteil, insbesonde­ re Werkzeug, mit einem Substrat und einer auf dem Sub­ strat im Wege eines PVD-Verfahrens aufgebrachten Hart­ stoffschicht vorbestimmter Dicke, dadurch gekennzeich­ net, daß

• - die Dicke der Hartstoffschicht mindestens 4 µm be­ trägt und
• - der Quotient aus der Rauheit, gemessen in R_Z, der freiliegende Oberfläche der Hartstoffschicht vor und nach der Nachbehandlung größer als 1,45 ist.

10. PVD-beschichtetes, nachbehandeltes Bauteil, insbesonde­ re Werkzeug, mit einem Substrat und einer auf dem Sub­ strat im Wege einer PVD-Verfahrens aufgebrachten Hart­ stoffschicht, die eine kolumnare Schichtstruktur auf­ weist, dadurch gekennzeichnet, daß der Quotient aus der Rauheit, gemessen in R_Z, der frei­ liegende Oberfläche der Hartstoffschicht vor und nach der Nachbehandlung größer als 4 ist.