TOOL AND METHOD FOR ITS PRODUCTION

Abstract: 1. A tool, in particular for machining of material by chip removal, the main body of which consists of steel and is provided with a multi-layer coating of hardened material, characterized in that the main body of steel has applied to it a base coating of at least one metal from the group Ti, Zr, Hf, V, Ta and Nb or - or additionally thereover - an at least one-layer base coating or intermediate coating of a nitride and/or carbide - which is hypo-stoichiometric with respect to the non-metallic elements forming hardened material - of at least one of the metals of the group Ti, Zr, Hf, V, Ta and Nb, over which is provided an at least one-layer covering coating of a stoichiometric nitride, carbonitride and/or carbide of at least one of the metals of the group Ti, Zr, Hf, V, Ta and Nb.

Description: Werkzeug und Verfahren zu dessen Herstellung Die Erfindung betrifft ein Werkzeug, dessen Grundkörper aus Stahl besteht und mit einem mehrschichtigen, vorzugsweise verschleissfesten, Überzug versehen ist. Solche Werkzeuge finden insbesondere in der spanabhebenden Metallbearbeitung Verwendung, es seien nur beispielsweise Dreh-, Schneid- und Fräs-Werkzeuge, Fräsköpfe, Bohrer, Sägen u.dgl. genannt. Die erfindungsgemässen Werkzeuge können aber auch für andere Zwecke als die spanabhebende Verformung Anwendung finden, z.B. als Pressstempel, Gesenke od.dgl. Es sind mehrere Verfahren bekannt, metallische Werkstoffe mit Hartstoffen zu überziehen, um eine erhöhte Verschleissfestigkeit zu erreichen. Diese Verfahren können z.B. bei Ziehdüsen, Lagerauskleidungen, Stempeln und ähnlichen Teilen eine Verlängerung der Nutzungsdauer bringen. Es ist ferner seit langem bekannt, Hartmetalle mit einer oder mehreren Hartstoffschichten zu überziehen und als Werkzeuge für die zerspanende Bearbeitung von Werkstoffen, insbesondere Metallen, einzusetzen. Die für diese Anwendung geeigneten Hartmetalle sind vornehmlich pulvermetallurgisch hergestellte Legierungen, die bei Temperaturen von etwa 1400 bis 1500 0C gesintert werden und z.B. aus einer mit 4 bis 12 Gew.-96 Kobalt gebundenen Hartstoffmatrix aus Wolframcarbid mit unterschiedlichen Gehalten an Titan- und/oder Tantalcarbid bestehen. Diese Hartmetalle haben die vorzügliche Eigenschaft, bis zu sehr hohen Temperaturen ohne Gefügeänderung in ihrer Form stabil zu bleiben. Die Hartstoff-Schutzschichten werden üblicherweise durch Abscheidung aus der Gasphase nach dem CVD-Verfahren (Cbemical Vapor Deposition) aufgetragen, bei welchem die zu beschichtenden Grundkörper in einem Ofen zunächst auf 900 bis 1200 C aufgeheizt und anschliessend mit einem Gasgemisch - beispielsweise bestehend aus H2, einem Metallhalogenid, z.B. TiCl4, N2 und/oder CH4 - behandelt werden. Nach einer Behandlungsdauer von einigen Stunden sind die so behandelten Oberflächen mit einer Deckschicht aus Metall-Nitriden, -Carbonitriden oder -Carbiden, z.B. TiN oder TiC, überzogen. Der Nachteil beschichteter Hartmetalle liegt aber in deren Sprödigkeit, wodurch ihre Anwendung für Schneidoperationen mit scharfen Schneiden und kleinen Keilwinkeln bei niederen und mittleren Schnittgeschwindigkeiten unmöglich l ri Auch die in der Literatur vielfach zitierten Schutzschichten und Schichtkombinationen und CVD-Beschichtungsverfah- ren im Normal- und Unterdruckbereich haben in dieser Hinsicht keinen Fortschritt gebracht. Wendet man diese Verfahren für die Beschichtung von Werkzeugen aus Stahl an, so ergeben sich durch die CV9-Be- schichtung fallweise äusserst weitfuhrende Schädigungen des Grundwerkstoffes. Zu diesen Schädigungen zählt, dass der Stahlgrundkörper nach der Beschichtung in einem weichgeglühten, oftmals sehr grobkörnflgen Gefüge zustand vorliegt und nach der Beschichtung noch gehärtet und angelassen werden muss. Durch die nachträglichen Temperaturbehandlungen erfolgt Jedoch eine beträchtliche Volumensänderung, welche die durchwegs spröden Hartstoffschichten unter starke Spannung setzt. Dadurch kommt es zum Verzug und zur Ausbildung von Mikrorissen in der Schicht und letztlich zu Schichtablösungen. Zusätzlich kann es zum Auftreten von mehr oder minder starken Entkohlungen in der Randzone zur Schicht kommen, wodurch ein irreversibler Härteverlust derartige Schneidwerkzeuge unbrauchbar werden lässt. Bei qualitativ hochwertigen Prä zisionswerkzeugen aus Schnellarbeitsstahl wie Wälzfrsern, Zahnformfräsern und ähnlichen Werkzeugen, wie sie für die Herstellung von Verzahnungen Verwendung finden, aber auch bei weniger anspruchsvollen, scharfkantigen Schneidwerkzeugen mit engen Toleranzen ist als besonders schwerwiegender Nachteil der durch die Beschichtung und nachfolgende Härtung hervorgerufene Verzug hervorzuheben. CVD-beschichtete Wälzstosswerkzeuge, Formfräser oder Spiralbohrer können wegen dieser Verzugserscheinungen und Massänderungen überhaupt nicht eingesetzt werden. Es hat deshalb nicht an Versuchen gefehlt, mit Hilfe anderer Verfahren die vorgenannten Nachteile zu beseitigen. So hat z.B. die Abscheidung und Bildung von Hartstoffpha- sen aus einem Schmelzbad mit B-, C-, N-hältigen Metallsalzen für formstabile Schneidwerkzeuge keinen Fortschritt gebracht. Auch aufgespritzte Schichten, wie sie teilweise beim Verschleissschutz für z.B. Kolbenringe, Führungsbüchsen, Gesenke, Rührarme od.dgl. Verwendung finden, haben sich bei Zerspanungswerkzeugen nicht bewährt. Die Ursache dafür waren in einer zu geringen Schichthaftung und einer zu hohen Oberflächenrauhigkeit kombiniert mit sehr stark wechselnden Schichtdicken zu suchen, wodurch es zu einem ungleichmässigen Verschleissbild und zu Frühausfällen des gesamten Werkzeuges gekommen ist. Auch das Glimmnitrieren der Oberflächen hat für Schneidwerkzeuge nur geringe und unbedeutende Anwendung gefunden. Wesentlich aussichtsreicher waren die sogenannten PVD-Beschichtungsverfahren, welche unter dem Begriff Physical Vapor Deposition alle Verfahren umfassen, welche für die Abscheidung von Hartstoffen bei relativ niedrigen Temperaturen verwendet werden können. Die DE-OS 28 24 393 beschreibt z.B. ein PVD-Verfahren für die Herstellung goldgelber Überzüge auf der Basis TiN oder ZrN für die Uhrenindustrie. Das Ziel dieses Verfahrens war die Herstellung reproduzierbarer, goldähnlicher Farbtöne für Schmuckzwekke. Durch systematische Entwicklungen auf dem PVD-Gebiet wurde es auch möglich, Schneidwerkzeuge verzugsfrei mit TiN zu beschichten. Viele dieser Arbeiten gehen auf R.F. Bunshah und Mitarbeiter zurück, die ein aktiviertes PVD-Verfahren für die Abscheidung von TiC auf Schnellarbeitsstahl vorschlagen (US-PS 3,791.852, 1974). Als Hauptproblem hat sich aber die Haftung der Schichten herausgestellt, die bei Abscheidetemperaturen unterhalb der Anlasstemperatur auf Stahlteilen nicht ausreichend war. Um diese Nachteile zu vermeiden, wurde z.B. in der DE-OS 30 27 526 vorgeschlagen, sauerstoffhältige Oxicarbonitride unter Verwendung geeigneter Atmosphären mit bekannten PVD-Verfahren aufzutragen. Es hat sich aber gezeigt, dass auch derartige Schichten eine mangelhafte Schichthaftung aufweisen können. Die Ursachen dafür dürften darin liegen, dass selbst nach einer gründlichen Ober flächenreinigung durch Ionenbeschuss relativ hohe Sauerstoffgehalte in der Oberfläche der zu beschichtenden Teile vorliegen. Dieser Restsauerstoffgehalt dürfte für verschiedene Haftungsprobleme verantwortlich sein. Messungen des Restsauerstoffgehaltes in der Oberfläche sind z.B. von Akira Kono in "Advanced Metal Finishing Technology" in Japan 1980 dargestellt. Es scheint somit naheliegend, durch Abscheidung sauerstoffhältiger Nitrid- bzw. Carbidschutzschichten eine bessere Affinität zur sauerstoffhältigen Metalloberfläche zu erreichen, um auf diese Weise die Haftung zu verbessern. Allerdings liegen die praktisch anwendbaren Sauerstoffwerte bei sehr niederen Gehalten, da die Verschleisseigenschaften,wie Härte und Abriebfestigkeit,durch höhere Sauerstoffgehalte sehr rasch reduziert werden. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass eine wesentliche Verbesserung der Schichthaftung dadurch zu erzielen ist, dass ein mehrlagiger Schichtaufbau mit einer hinsichtlich der Hartstoffbildner Stickstoff und/oder Kohlenstoff unterstöchiometrischen bzw. einer rein metallischen Haftschicht direkt auf das Stahlsubstrat aufgebracht wird. Gegenstand der Erfindung ist somit ein Werkzeug, insbesondere für die spanabhebende Werkstoffbearbeitung, dessen Grundkörper aus Stahl besteht und mit einem mehrschlchtigen Hartstoff-Uberzug versehen ist, das dadurch gekennzeichnet ist, dass auf dem Stahl-Grundkörper, eine Basis Beschichtung aus mindestens einem Metall aus der Gruppe Ti, Zr, Hf, V, Ta und Nb oder bzw. und darüber eine, gegebenenfalls mehrlagige, Beschichtung bzw. Zwischen-Beschichtung, aus einem hinsichtlich der nichtmetallischen hartstoffbildenden Elemente unterstöchiometrischen, gegebenenfalls etwa 0,2 bis etwa 0,3 Atome Sauerstoff pro Metallatom, enthaltenden, Nitrid und/oder Carbid mindestens eines der Metalle aus der Gruppe Ti, Zr, HX V, Ta und Nb, vorzugsweise der allgemeinen Formel Me XI?-x) (worin Me mindestens eines der genannten sechs Metalle und X Kohlenstoff, Stickstoff und/oder Sauerstoff bedeuten und 1 > x > 0) aufgetragen ist bzw. sind, worüber eine, gegebenenfalls mehrlagige, Deck-Beschichtung aus einem stöchio metrischen Nitrid, Carbonitrid und/oder Carbid mindestens eines der Metalle aus der Gruppe Ti, Zr, Hf, V, Ta und Nb, vorzugsweise eines solchen der allgemeinen Formel Me Y (worin Me eines der sechs genannten Metalle und Y Stickstoff und/oder Kohlenstoff bedeuten), angeordnet ist. Es kann also die auf den Stahl-Grundkörper aufgebrachte Beschichtung eine Basis-Beschichtung aus mindestens einem der genannten reinen Metalle sein oder eine Beschichtung aus einem nichtstöchiometrischen Nitrid und/oder Carbid mindestens eines der genannten Metalle. Weiters kann auf den Stahl-Grundkörper eine rein metallische Basis-Beschichtung aufgetragen sein, über welcher die unterstöchiometrische Nitrid- und/oder Carbid-Beschichtung die für diesen Fall im folgenden als zwischen Beschichtung" bezeichnet wird, angeordnet ist. Eine rein metallische bzw. metallreiche Basis-Beschichtung hat gegenüber einer normal stöchiometrischen Hartstoff schicht, z.B. aus TiN, den Vorteil, Verunreinigungen in der Stahloberfläche, wie Sauerstoff- und Kohlenstoffspuren, bei den üblicherweise angewendeten Abscheidungstemperaturen von 400 bis 600 OC, aufzunehmen und an das Metall bzw. das in stöchiometrischem ueberschuss vorhandene Metall in der sich direkt auf dem Stahl-Grundkörper befindlichen Beschichtung zu binden. Diese Vorgänge dürften die Verbesserung der Haftung der aufgebrachten Hartstoffschicht auf der Stahlmatrix erklären. An dieser Stelle sei erwähnt, dass der Grundkörper der erfindungsgemässen Werkzeuge aus auf üblichem Wege hergestellten Stählen bestehen kann, aber ohne weiteres auch aus auf pulvermetallurgischem Wege hergestellten Stählen. Um die schon vorher erörterten Nachteile des CVD-Verfahrens zu umgehen, ist mindestens eine der Beschichtungen, vorzugsweise sind Jedoch alle Beschichtungen, auf physikalischem Wege abgeschieden. Bei dieser Art der Abscheidung, insbesondere nach dem PVD-Verfahren, bei dem die abzuscheidenden Elemente in der Gasphase vorliegend beispielsweise einer Plasmaentladung unterworfen werden, kann der Einsatz von das Substrat verändernden Stoffen, wie z.B. von Metallchloriden, die zur Entkohlung führen, vermieden werden. Durch geeignete Wahl der Abscheideparameter innerhalb der hinsichtlich der nichtmetallischen Hartstoffbildner unterstöchiometrischen Schicht kann deren Härte und Zähigkeit vorteilhaft an jene des Stahl-Substrates angepasst werden. So sind z.B. besonders für Fräser unterstöchiometrische (Zwischen)-Beschichtungen mit einer Mikrohärte zwischen 1000 und 2000 HV günstig, wobei Schichtaufbau und -dicke der unterstöchiometrischen Schicht dem jeweiligen Zerspanungs- oder Verschleissproblem anpassbar sind. Ein gradueller bzw. kontinuierlicher Härteübergang oder auch ein viellagiger Ubergang mit extrem dünnen einheitlichen Einzel-Lagen hat sich auch hinsichtlich der Ausbildung von Restspannungen in der hochverschleissfesten Hartstoff-Deckschicht mit einer Mikrohärte von 2300 HV (50 g Belastung) als günstig erwiesen. Durch einen abgestuften oder quasi-kontinuierlichen Härte übergang in den aufeinanderfolgenden Lagen der (Zwischen)- Beschichtung und entsprechende Anpassung im Elastizitäts Modul wird erreicht, dass der Unterschied im Ausdehnungsverhalten zwischen Hartstoff-Deckschicht und der Stahlmatrix bei Temperaturänderung optimal abgebaut werden kann. Dieser Effekt ist insbesondere bei Fräswerkzeugen, bei deren Betrieb ständig Temperaturwechsel-Belastungen auftreten, besonders wichtig. Demgemäss ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die sich direkt auf demStahl-Grund- körper bzw. auf der Basis-Beschichtung befindliche Beschichtung bzw. Zwischen-Beschichtung und/oder die Deck-Beschichtung aus mehreren Lagen verschiedener, gegebenenfalls sich hinsichtlich der nichtmetallischen Hartstoffbildner kontinuierlich ändernder, Zusammensetzung aufgebaut ist bzw. sind. Die bei den erfindungsgemässen Werkzeugen erreichte Verbesserung des Haftvermögens der verschleissfesten Überzüge auf dem Stahl-Substrat bewirkt eine unmittelbare Verlängerung der Standzeit der Werkzeuge auf Basis von Stahl-Grundkörpern. Es ist aber ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäss vorgesehenen Schichtaufbaues, dass die Nachschleifbarkeit, insbesondere bei spanabhebenden Werkzeugen, gegenüber mit bisher üblichen Beschichtungen versehenen Werkzeugen verbessert wird. Es ist bekannt, dass HSS-Werkzeuge nach Erreichung eines gewissen Verschleisses nachgeschliffen werden müssen. Dieses Nachschleifen wird so durchgeführt, dass die im Einsatz befindlichen Schneiden jeweils an einer Seite nachgeschliffen bzw. nachgesetzt werden. Bei beschichteten Werkzeugen erzielt man damit Schneiden, die möglichst genau an der Schneidkante einen Übergang vom Grundmaterial zur Beschichtung aufweisen. Im Vergleich zu unbeschichteten Werkzeugen können derartige Schneidwerkzeuge immer noch eine bis zu 200 ziege Standzeiterhöhung bringen. Voraussetzung dafür ist aber, dass durch das Nachschleifen an der Schneidkante keine Ausbrüche in den Überzügen auftreten. Derartige Ausbrüche sind immer dann festzustellen, wenn die Sprödigkeit der Überzüge zu gross ist, die Haftung am Grundkörper nicht optimal ist oder innerhalb des Uberzu- ges Spannungen herrschen. Die vorliegende Erfindung bringt somit auch den Vorteil, neben einer Verbesserung der Schichthaftung und der Zerspanungsleistung auch die Nachschleifbarkeit der Werkzeuge zu verbessern. Erfindungsgemäss bevorzugt sind Werkzeuge bzw. Verschleissteile, bei denen die gegebenenfalls vorhandene Basis-Beschichtung, die unterstöchiometrische (Zwischen)-Beschichtung und die Deck-Beschichtung auf Basis desselben Metalles bzw. desselben Gemisches von Metallen aus der Gruppe Ti, Zr, Hf, V, Ta und Nb, vorzugsweise auf Basis von Ti und/oder Hf, aufgebaut sind. Dementsprechend kann vice versa vorgesehen sein, dass sowohl die "unterstöchiometrische" Beschichtung bzw. Zwischen-Beschichtung als auch Deck-Beschichtung jeweils auf Basis von Nitrid oder Carbonitrid, vorzugsweise von Nitrid, aufgebaut sind. Vorzugsweise stimmen die Basis-Beschichtung hinsichtlich des sie bildenden Metalls, die Beschichtung bzw. Zwischen-Beschichtung und die Deck-Beschichtung sowohl hinsichtlich des Metalls als auch des nichtmetallischen Hartstoffbildners miteinander überein. Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die gegebenenfalls vorhandene Basis-Beschichtung aus metallischem Titan oder Hafnium, und/oder die Beschichtung bzw. Zwischen-Beschichtung aus, gegebenenfalls mehreren, vorzugsweise ansteigende, Stickstoff-Gehalte aufweisenden, Lagen aus hinsichtlich N unterstöchiometrischem Titannitrid bzw. Hafniumnitrid, insbesondere aus TiN(1 x) bzw. HfN(lx) (1 > x > O), und die Deck-Beschichtung aus stöchiometrischem Titannitrid bzw. Hafniumnitrid gebildet sind. Ein günstiges Betriebsverhalten lässt sich mit werkzeugen erreichen, bei denen die gegebenenfalls vorhandene Basis Beschichtung eine Dicke bis zu etwa 1 pin, die, gegebenenfalls vorhandene und gegebenenfalls mehrlagige, unter stöchiometrische" Beschichtung bzw. Zwischen-Beschichtung eine solche von insgesamt etwa 1 bis etwa 3tun, insbesondere von etwa 2 /um, und die Deck-Beschichtung eine solche von etwa 1 bis etwa 8 /um, insbesondere von etwa 3 aufweisen. Die Herstellung der erfindungsgemässen Werkzeuge erfolgt vorteilhaft in der Weise, dass auf einen Stahl-Grundkörper auf physikalischem Wege, vorzugsweise nach der Methode der Physical Vapor Deposition (PVD-Methode), beispielsweise mittels Plasma-Entladung, aus den entsprechenden Metalldampf enthaltender Gasphase eine Basis-Beschichtung mindestens eines der Metalle aus der Gruppe, bestehend aus Ti, Zr, Hf, V, Ta und Nb, oder bzw. und danach aus einer den Dampf mindestens eines der genannten sechs Metalle und ein mindestens einen nichtmetallischen Hartstoffbildner aus der Gruppe Stickstoff, Kohlenstoff und gegebenenfalls Sauerstoff lieferndes Gas enthaltenden Gasphase, eine, gegebenenfalls mehrlagige, aus einem hinsichtlich des nichtmetallischen Hartstoffbildners unterstöchiometrischen, gegebenenfalls 0,2 - 0,3 Atome Sauerstoff pro Metallatom enthaltenden, Nitrid und/oder Carbid mindestens eines der sechs oben genannten Metalle, vorzugsweise aus einem Hartstoff der allgemeinen Formel Ne X(lx) (worin Me mindestens eines der sechs genannten Metalle, X Stickstoff und/oder Kohlenstoff und gegebenenfalls Sauerstoff bedeuten und 1 > x > O) gebildete Beschichtung bzw. Zwischen-Beschichtung, und schliesslich aus einer den Dampf mindestens eines der genannten sechs Metalle und ein mindestens einen der Hartstoffbildner Stick- und/oder Kohlenstoff lieferndes Gas enthaltenden Gasphase eine Deck-Beschichtung aus einem stöchiometrischen Nitrid und/oder Carbid mindestens eines der sechs oben genannten Metalle abgeschieden werden. Zur Erreichung besonders haltbarer, gegebenenfalls auftretende Spannungen zwischen Stahl-Grundkörper und Deck-Beschichtung ausgleichende Verschleiss-Überzüge aufweisender Werkzeuge ist vorgesehen, dass zur Bildung einer aus mehreren unterschiedliche, vorzugsweise, gegebenenfalls kontinuierlich, nach aussen ansteigende Gehalte an nichtmetallischen Hartstoffbildnern aufweisenden Lagen bestehenden, unterhalb der Deck-Beschichtung angeordneten Beschichtung bzw. Zwischen-Beschichtung im Laufe der Abscheidung dieser Beschichtung der Gehalt der Gasphase an die nichtmetallischen Hartstoffbildner Stickstoff und/oder Kohlenstoff und gegebenenfalls Sauerstoff liefernden Gasen geändert, vorzugsweise, gegebenenfalls kontinuierlich, gesteigert, wird. Diese Erfindung sei anhand der folgenden Beispiele näher erläutert: Beispiel 1: Ein Wälzfräser für die Herstellung eines evolventen Schrägstirnrades aus einem Schnellarbeitsstahl S 6-5-2-5 wird nach einer Ultraschallvorreinigung in eine Beschichtungsanlage eingebaut und bei einem Argon-Druck von 6 . 10 2 mbar, 15 min ionengeätzt. Dabei erwärmt sich der Wälzfräser auf 450 OC Für die Herstellung des mehrlagigen Uberzuges wird anschliessend an die Ionen-Ätzung Titanmetall aus einem Tiegel verdampft und eine reaktive Gasatmosphäre so eingestellt, dass ein Gemisch aus N2, Ar und 02 bis zu einem Gesamtdruck von 2 . in Dmbar in eine Plasmaentladung eingeleitet wird. Das Mischungsverhältnis wird dabei so eingestellt, dass der N2-Partialdruck während einer Beschichtungsdauer von 3 min 6 . 10 -4 mbar beträgt und während einer Beschichtungszeit von 6 min kontinuierlich oder in mehreren Stufen auf 1 . 10 3 mbar angehoben wird. Danach wird in einer reinen N2-Atmosphäre bei einem Druck von 2 . 10 -3 mbar während einer Dauer von 10 min eine TiN- Schicht aufgetragen. Nach dem Abkühlen weist der Wälzfräser eine direkt auf das Grundmaterial aufgetragene, hinsichtlich des N-Gehaltes stark unterstöchiometrische, etwa 0,5 /um dicke, und 0,2 Atome Sauerstoff pro Titanatom aufweisende Haftschicht auf, die über eine Zwischenschicht von 2 pn Dicke - nahezu kontinuierlich - in eine 2,5 o dicke TiN-Schicht übergeht. Durch die unterstöchiometrische Haftschicht und den graduellen Härteübergang konnte eine um 30 % bessere Standzeit gegenüber einlagig TiN-beschichteten Wälzfräsern erzielt werden. Nach dem Nachschleifen lag der Standzeitvorteil,aufgrund der verminderten Ausbruchempfindlichkeit, immer noch um 50 96 höher als beim vergleichbaren Wälzfräser mit einer einfachen TiN-Beschichtung, der durch das Nachschleifen deutliche Schichtabsplitterungen zeigte. Beispiel 2: Nach ISO-Norm wurden Wendeschneidplatten SPUN 120308 aus Schnellarbeitsstahl S 10-4-3-10 hergestellt. Nach einer Reinigung wurden die Platten in eine Beschichtungsanlage eingesetzt und bei einem Ar-Druck von 1 . 10 2 mbar ionengeätzt. Zum Zweck der Schichtaufbringung wurde zuerst Ti-Metall verdampft und mittels einer reaktiven Gasatmosphäre eine unterstöchiometrische Haftschicht der Zusammensetzung TiN0,7 abgeschieden. Der Gesamtdruck lag während dieser Abscheidung bei 8 . 10 -4 mbar. Nach 5 min war eine etwa 0,7 /um dicke unterstöchiometrische Schicht aufgebracht. Danach wurde in einer N2-Atmosphäre mit 10 96 Ar und ei nem Arbeitsdruck von 2 . 10 -3 mbar während einer Zeit von 10 min eine 1,5 /um dicke TiN-Schicht aufgebracht. Um eine höhere Verschleissfestigkeit an der Freifläche zu erhalten, wurde eine 1 /um dicke TiC-Schicht aufgebracht. Diese bildete sich in einer Kohlenwasserstoffatmosphäre aus Äthylen und Argon bei einem Druck von 3 . 10 -3 mbar und einem Mischungsverhältnis von 3 : 1. Um an der Spanfläche die guten diffusionshemmenden Eigenschaften einer TiN-Schicht zu nutzen, wurde nach den bereits beschriebenen Parametern eine 0,75 /um dicke TiN Schicht aufgetragen. Mit den erfindungsgemäss hergestellten Platten wurden Zerspanungsversuche am Werkstoff 34 CrNiMo 6 (Vergütungsstahl) bei v = 50 m/min, a = 2,0 mm und s = 0,224 mm/U durchgeführt. Bei einem unbeschichteten Vergleichswerkzeug lag die mittlere Verschleissmarkenbreite nach 11,2 min bei 0,18 mm und nach 15,5 min erfolgte aufgrund eines zu starken Verschleisses das Standzeitende. Die erfindungsgemässe Platte zeigte nach 11,2 min eine Verschleissmarkenbreite von nur 0,06 mm und nach 16 min erst einen Freiflächenverschleiss von 0,08 mm. Beispiel 3: Ein gehärtetes Sägeblatt aus einem Schnellarbeitsstahl wird nach einer Vorreinigung in einem organischen Entfettungsbad in die Beschichtungsanlage eingebaut und bei einem Ar-Druck von 4 . iOI2 mbar durch Ionenbeschuss während einer Dauer von 12 min gereinigt. Bei diesem Vorgang befindet sich das Sägeblatt auf einem negativen Potential und erwärmt sich durch den Ionenbeschuss mit positiven Ar-Ionen auf etwa 360 OC, Danach wird das Sägeblatt auf 500 C erwärmt und während einer Zeit -4 von30sbeieinem Ar-Druck von6.10 mbar reines Ti-Me- tall verdampft. Unmittelbar daran anschliessend wird ein N2-Partialdruck von 3 . 10 4 mbar eingestellt. Nach 40 s wird der N2-Partialdruck auf 1 . 10 mbar gesteigert und nach weiteren 4 min wird der Ar-Partialdruck auf 5 . 10 4 mbar und der N2-Partialdruck auf 2 . 10 -3 mbar 2 eingestellt. Während einer Dauer von 10 min wird mit diesen Einstellungen eine etwa 2 /um dicke TiN-Deckschicht aufgetragen. Beim Trennen von Wellen aus einem Stahl der Werkstoff Nr. 1.6582 konnte mit dem beschichteten Sägeblatt eine 400 folge Standzeitverbesserung erzielt werden. BeisDiel 4: Schaftfräser aus S 6-5-2-5, die für die Bearbeitungen von Flugzeugbauteilen aus X 5 NiCrCuNb 17 4 4 verwendet werden, wurden nach Vorreinigung mit organischen Lösungsmitteln, in die Beschichtungskammer eingebaut und bei einem Druck von 5 . 10 2 mbar 15 min lang durch Ionenbeschuss geätzt. An schlieBend wurde für die Dauer von 60 s bei 5 . 10 -3 mbar Druck mit reinem V-Metall beschichtet. Auf dieser Basisschichte wurde eine 1 /um dicke Zwischenschicht aus VC abgeschieden. Die Reaktionsatmosphäre bestand dabei aus einem Gemisch von Kohlenwasserstoff, z.B. Äthylen und Argon. Die abgeschiedene VC-Schicht wies unterstöchiometrischen C-Gehalt auf. Darauf wurde eine 2 /um dicke TiN-Schicht als Decklage aufgebracht, was eine wesentliche Verringerung der Neigung zu Verschweissungen von austenitischen Werkstoffen mit den Werkzeugen erbrachte. Mit derart beschichteten Werkzeugen wurden gegenüber herkömmlichen TiN-Beschichtungen Mehrleistungen von 40 - 50 % erreicht. Darüber hinaus konnten aufgrund des günstigen Reibungsverhaltens die Schnittkräfte reduziert und damit die Verformung dünner Stege durch zu hohe Schnittkräfte bei der Bearbeitung vermieden werden. Beispiel 5: Ein FliesspreBstempel, hergestellt aus X 41 CrMoV 5 1, zur Fertigung von Hülsen aus einem Stahlwerkstoff wurde nach entsprechender Vorreinigung in der Be schichtungsanlage ionengeätzt, wobei die Werkstücktemperatur deutlich unterhalb der Anlasstemperatur des Werkzeuges lag. Zur Aufbringung der Basisschicht wurde zuerst bei einem Druck von 5 . 10 4 mbar Zr verdampft und anschliessend auf die 0,5 /um dicke Grundschicht unter Steigerung des N2-Partialdruckes eine 1,5 /um dicke Zwischenschicht aus hinsichtlich N unterstöchiometrischem ZrN abgeschieden. Anschliessend wurde in einer N2-Ar-Atmosphäre mit einem Gasdruck von 2 . 10-3 mbar eine 2 /um dicke stöchiometrische TiN-Deckschicht aufgebracht. Die nach diesem Verfahren behandelten Werkzeuge erbrachten eine Erhöhung der Standmenge um 400 96 gegenüber herkömmlichen, unbeschichteten Werkzeugen. BeisPiel 6: Spiral-Bohrer nach DIN 1414, 8 mm , aus Schnellarbeitsstahl wurden in organischen Lösungsmitteln mit Ultraschall gereinigt und auf Vorrichtungen befestigt, welche in eine Beschichtungsanlage eingebaut wurden. Die Bohrer wurden analog zu Beispiel 5 durch Ionenbeschuss gereinigt. Als erste Schicht wird reines Hf in einer Dicke von etwa 0,5 /um aufgebracht. Dazu wurde Hf-Metall aus einem Tiegel mittels Elektronenstrahlkanone verdampft und Ar bei einem Druck von 6 . 10 -4 mbar eingeleitet, dass eine Plasmaentla- dung eintritt. Auf diese Schicht wird eine etwa 2 /um dicke lXunterstö- chiometrischen Hf(C, N)-Schicht bei einem Arbeitsdruck von 3 . 10 -3 mbar in einer Atmosphäre, die aus 10 % Ar, 30 % Äthylen und 60 % N2 bestand, abgeschieden. Um die Ver schleissfestigkeit noch weiter zu erhöhen, wurde noch eine 1,5 i dicke stöchiometrische HfC-Schicht abgeschieden. Dies geschah, indem Stickstoff durch Äthylen ersetzt wurde. Derart beschichtete Bohrer wurden in Gegenüberstellung zu unbeschichteten und nur mit TiN (nach dem Ion-Plating-Ver- fahren) beschichteten Bohrern getestet. Bei einer Schnittgeschwindigkeit von 25 m/min und einem Vorschub von 0,1 mm/U wurden am Werkstoff 41 CrMo 4 bei einem Verschleiss von 0,175 mm folgende Bohrtiefen erreicht: unbeschichtete Bohrer 2000 mm nur mit TiN beschichtete Bohrer 5000 mm gemäss diesem Beispiel beschichtete Bohrer 6000 mm Dies zeigt, dass durch die erfindungsgemässe Beschichtung eine Standzeitverlängerung um das 3fache erreicht wird. Beispiel 7: Ein Schmiedegesenk aus einem Stahl X 30 WCrV 5 3 zur Herstellung von Kurbelwellen für Rettensägenmotoren wurde sorgfältig gereinigt und in eine Beschichtungsanlage eingebaut. Nach dem Evakuieren wurde das Gesenk bei einem Druck von 5 . 10 Z mbar mit Ar 20 min ionengeätzt, wobei sich der Teil erwärmte. Anschliessend wird eine mehrlagige Schicht aufgebracht. Dazu wird Hf-Metall aus einem Tiegel verdampft und eine Gasatmosphäre derart eingestellt, dass aus einem N2-Ar-Ge misch bei einem Gesamtdruck von 1 . 10 -3 mbar eine Plas- maentladung stattfindet. Anschliessend wird in einer reinen N2-Atmosphäre während 15min beieinem Druck von 1 . 10 3 mbar HfN aufgebracht. Eine metallographische Untersuchung zeigte eine 1,5 dicke, hinsichtlich N unterstöchiometrische HfN-Schicht, an die eine reine HfN-Deck-Schicht von 3 /um Dicke anschliesst. Wurden bisher beim Schmieden Standzeiten von 2000 Stück erzielt, so wurde durch die erfindungsgemässe Beschichtung die Standzeit auf 3100 Stück erhöht.

Claims: Patentansprüche: 1. Werkzeug, insbesondere für die spanabhebende Werkstoff bearbeitung, dessen Grundkörper aus Stahl besteht und mit einem mehrschichtigen Hartstoff-Überzug versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Stahl-Grund körper, eine Basis-Beschichtung aus mindestens einem Me tall aus der Gruppe Ti, Zr, Hf, V, Ta und Nb oder bzw. und darüber eine, gegebenenfalls mehrlagige, Beschich tung bzw. Zwischen-Beschichtung aus einem hinsichtlich der nichtmetallischen hartstoffbildenden Elemente unter stöchiometrischen, gegebenenfalls etwa 0,2 bis etwa 0,3 Atome Sauerstoff pro Metallatom enthaltenden Nitrid und/ oder Carbid mindestens eines der Metalle aus der Gruppe Ti, Zr, Hf, V, Ta und Nb, vorzugsweise der allgemeinen Formel Ne 1 -x ) (worin Me mindestens eines der genannten sechs Metalle und X Kohlenstoff, Stickstoff und/oder Sauerstoff be deuten und 15 x > 0) aufgetragen ist bzw. sind, worüber eine, gegebenenfalls mehrlagige, Deck-Beschichtung aus einem stöchiometrischen Nitrid, Carbonitrid und/oder Carbid mindestens eines der Metalle aus der Gruppe Ti, Zr, Hf, V, Ta und Nb, vorzugsweise eines solchen der allgemeinen Formel Ne Y (worin Me eines der sechs ge nannten Metalle und Y Stickstoff und/oder Kohlenstoff bedeuten), angeordnet ist. 2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Beschichtungen, vorzugsweise alle Beschichtungen, auf physikalischem Wege abgeschieden sind. 3. Werkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, dass die sich direkt auf dem Stahl-Grundkörper bzw. auf der Basis-Beschichtung befindliche Beschichtung bzw. Zwischen-Beschichtung und/oder die Deck-Beschichtung aus mehreren Lagen verschiedener, gegebenenfalls sich hin sichtlich der nichtmetallischen Hartstoffbildner konti nuierlich ändernder, Zusammensetzung aufgebaut ist bzw. sind. 4. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, dass die gegebenenfalls vorhandene Basis Beschichtung, die unterstöchiometrische Beschichtung bzw. Zwischen-Beschichtung und Deck-Beschichtung auf Basis desselben Metalles bzw. desselben Gemisches von Metallen aus der Gruppe Ti, Zr, Hf, V, Ta und Nb, vor zugsweise auf Basis von Ti und/oder Hf, aufgebaut sind. 5. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, dass sowohl Deck-Beschichtung als auch die darunterliegende unterstöchiometrische Beschich tung bzw. Zwischen-Beschichtung Jeweils auf Basis von Nitrid oder Carbonitrid, vorzugsweise von Nitrid, auf gebaut sind. 6. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, dass die gegebenenfalls vorhandene Basis Beschichtung aus metallischem Titan oder Hafnium, die unterstöchiometrische Beschichtung bzw. Zwischen-Be schichtung aus, gegebenenfalls mehreren, vorzugsweise ansteigende, Stickstoff-Gehalte aufweisenden, Lagen aus hinsichtlich N unterstöchiometrischem Titannitrid bzw. Hafniumnitrid, insbesondere aus TINI bzw. HfN(l X)' (1 > x > O), und die Deck-Beschichtung aus stö chiometrischem Titannitrid bzw. Hafniumnitrid gebildet sind. 7. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, dass die gegebenenfalls vorhandene Basis Beschichtung eine Dicke bis zu etwa 1 /um, die, gegebe nenfalls vorhandene und gegebenenfalls mehrlagige, un terstöchiometrische Beschichtung bzw. Zwischen-Beschich tung eine solche von insgesamt etwa 1 bis etwa 3 /um, insbesondere von etwa 2 /um, und die Deck-Beschichtung eine solche von etwa 1 bis etwa 8 e , insbesondere von etwa 3 /um, aufweisen. 8. Verfahren zur Herstellung des Werkzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf ei nen Stahl-Grundkörper auf physikalischem Wege, vorzugs weise nach der Methode der Physical Vapor Deposition (PVD-Methode), beispielsweise mittels Plasma-Entladung, aus den entsprechenden Metalldampf enthaltender Gas phase eine Basis-Beschichtung mindestens eines der Me talle aus der Gruppe bestehend aus Ti, Zr, Hf, V, Ta und Nb, oder bzw. und danach aus einer den Dampf minde stens eines der genannten sechs Metalle und ein minde stens einen nichtmetallischen Hartstoffbildner aus der Gruppe Stickstoff, Kohlenstoff und gegebenenfalls Sau erstoff lieferndes Gas enthaltenden Gasphase, eine, ge gebenenfalls mehrlagige, aus einem hinsichtlich des nichtmetallischen Hartstoffbildners unterstöchiometri- schen, gegebenenfalls 0,2 - 0,3 Atome Sauerstoff pro Metallatom enthaltenden Nitrid und/oder Carbid minde stens eines der sechs oben genannten Metalle, vorzugs weise aus einem Hartstoff der allgemeinen Formel Me X(1 x) (worin Me mindestens eines der sechs genann ten Metalle, X Stick- und/oder Kohlenstoff und gegebe nenfalls Sauerstoff bedeuten und 12 x > 0) gebildete Be schichtung bzw. Zwischen-Beschichtung, und schliesslich aus einer den Dampf mindestens eines der genannten sechs Metalle und ein mindestens einen der nichtmetal lischen Hartstoffbildner Stick- und/oder Kohlenstoff lieferndes Gas enthaltenden Gasphase eine Deck-Be schichtung aus einem stöchiometrischen Nitrid und/oder Carbid mindestens eines der sechs oben genannten Me talle abgeschieden werden. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung einer aus mehreren unterschiedliche, vor zugsweise, gegebenenfalls kontinuierlich, ansteigende, Gehalte an nichtmetallischen Hartstoffbildnern aufwei senden Lagen bestehenden,unter der Deck-Beschichtung angeordneten unterstöchiometrischen Beschichtung bzw. Zwischen-Beschichtung, im Laufe der Abscheidung dieser Beschichtung, bzw. Zwischen-Beschichtung, der Gehalt der Gasphase an die nichtmetallischen Hartstoffbildner Stickstoff und/oder Kohlenstoff und gegebenenfalls Sau erstoff liefernden Gasen geändert, vorzugsweise, gege benenfalls kontinuierlich, gesteigert wird.

Inventors: KIEFER, JOHANN, KRAINER, EKKEHART, DR., PACHER, OSKAR, DR., ZEMAN, FRIEDRICH, DIPL.-ING.
Applicants: VEREINIGTE EDELSTAHLWERKE AKTIENGESELLSCHAFT (VEW)
Application year: 1983
Main classification: C23C28
IPC codes: C23C14, C23C28