[0001] Die Erfindung betrifft ein beschichtetes Metallsubstrat mit einer Verschleißschutzschicht,
welche Druckeigenspannungen aufweist und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
[0002] Hartstoffschichten werden zur Verminderung des Verschleißes, insbesondere bei Werkzeugen
zur Erhöhung der Standzeiten aufgebracht.
[0003] Bei beschichteten Hartmetallsubstraten stehen durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten
von Verschleißschutzschicht- und Substratwerkstoff die Funktionsschichten häufig unter
Zugeigenspannungen. Mit Zunahme der Zugspannungen vermindert sich die beabsichtigte
Erhöhung der Verschleißbeständigkeit. Häufig führen zu hohe Zugeigenspannungen sogar
zum Ablösen der Schichten vom Substrat. Dies trifft auch auf die Werkstoffpaarung
Hartmetallsubstrat/oxidkeramische Schicht, insbesondere Al
2O
3-Schicht zu.
[0004] Die Hartstoffschichten werden mit klassischen Verfahren des PVD (physical vapour
deposition) bzw. des CVD (chemical vapour deposition) auf das Substrat aufgebracht.
Dabei ist nachteilig, dass insbesondere bei der Kombination Hartmetallsubstrat/Al
2O
3-Schicht Zugeigenspannungen auftreten.
[0005] Mit verschiedenen im Stand der Technik bekannten Verfahren wurde versucht, den Auswirkungen
dieser Spannungen entgegenzuwirken.
[0006] Nach DE 101 15 390 A1 ist ein beschichtetes Schneidwerkzeug mit hoher Abriebfestigkeit
für das hochtourige Schneiden von Stahl bekannt, das ein hartes gesintertes Substrat
und eine harte Beschichtung aufweist, die auf der Oberfläche des Substrates aufgetragen
wird. Dabei weist die harte Beschichtung eine Schicht aus hartem Material als innere
Schicht mit einer mittleren Dicke zwischen 0,1 µm und 10 µm und eine durch physikalische
Verdampfung aufgetragene remanente Druckspannung auf, sowie eine Aluminiumoxidschicht
als äußere Schicht mit einer Dicke zwischen 0,1 µm und 5 µm enthält, welche durch
chemische Verdampfung bei mittleren Temperaturen aufgetragen wird.
[0007] Ferner ist in DE 34 43 329 A1 ein Verfahren zur Herstellung korrosionsbeständiger
Verschleißschutzschichten mit Chrom-Endschicht angegeben, die aus einer 5 bis 30 µm
dicken Nickelzwischenschicht und einer 10 bis 40 µm dicken Chrom-Endschicht bestehen,
wobei auf den Trägerwerkstoff die Nickelzwischenschicht so aufgebracht wird, dass
sie unter einer Druckeigenspannung von 20 bis 60 MPa steht und anschließend die Chrom-Endschicht
in bekannter Weise aufgebracht wird.
[0008] Die Druckspannungen werden bei diesen beiden Verfahren allerdings in einer Zwischenschicht
und nicht in der eigentlichen Funktionsschicht, nämlich der Verschleißschutzschicht
erzeugt.
[0009] In DE 101 23 554 A1 ist die Erzeugung der Druckspannungen durch nachträgliche Strahlbehandlung
beschrieben. Dieses Verfahren dient zur Erhöhung der Druckeigenspannung oder zur Erniedrigung
der Zugeigenspannung einer äußeren oder einer äußersten, mittels CVD, PCVD oder PVD
auf einem Hartmetall-, Cermet-, oder Keramiksubstratkörper aufgetragenen Hartstoffschicht,
bei dem der beschichtete Substratkörper nach der Beschichtung einer Trockenstrahlbehandlung
unter Verwendung eines körnigen Strahlmittels unterzogen wird. Das Strahlmittel weist
hierbei einen maximalen Durchmesser von 150 µm, vorzugsweise von maximal 100 µm, auf.
[0010] Die Hartstoffschichten zur Verminderung des Verschleißes, damit zur Erhöhung der
Standzeiten insbesondere von Werkzeugen, werden mit klassischen Verfahren des PVD
(physical vapour deposition) bzw. des CVD (chemical vapour deposition) auf das Substrat
aufgebracht.
[0011] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein beschichtetes Metallsubstrat und ein
Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, bei dem die Druckspannungen und eine hohe
Haftfestigkeit aufweist.
[0012] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Substrat, welches die in Anspruch 1 angegebenen
Merkmale und mit einem Verfahren, welches die in Anspruch 14 angegebenen Merkmale
aufweist, gelöst.
[0013] Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
[0014] Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet zur Herstellung von oxidkeramischen Hartstoffschichten
nasschemische Verfahrensschritte, beispielsweise die Sol-Gel-Technologie. Vorzugsweise
werden Hartstoffschichten aus Al
2O
3 erzeugt. Durch Tauchen, Sprühen oder andere geeignete Methoden wird eine Vorstufe
des Oxides in Form von Sol oder Gel auf das Substrat aufgebracht. Anschließend wird
das Sol oder das Gel durch einen zweistufigen Brennprozess in die gewünschte Hartstoffmodifikation
umgewandelt.
Es hat sich herausgestellt, dass die Schicht dann über eine gute Haftfestigkeit verfügt,
wenn entweder das Substrat oder eine zusätzlich aufgebrachte Zwischenschicht über
geeignete Elemente verfügt, die in die Verschleißschicht eindiffundieren. Gleichzeitig
bewirken diese Elemente die Erzeugung von Druckeigenspannungen in der Funktionsschicht.
Über die Zeitdauer des Brennprozesses ist die absolute Höhe der Spannungen bis in
einen bestimmten Bereich wählbar. Eine nachträgliche Behandlung der Schicht ist nicht
notwendig. Auch ist nicht das Aufbringen einer Zwischenschicht mit Druckeigenspannungen
notwendig.
[0015] Die Erfindung zeichnet sich durch eine Reihe von Vorteilen aus. Hierzu zählen insbesondere:
1. Wegen der Reinheit der Ausgangssubstanzen, die für das Verfahren eingesetzt werden,
ist die Schicht chemisch an allen Stellen des Substrates hochrein an Al2O3, so dass eine hochqualitative Oxidkeramik entsteht.
2. Die Zusammensetzung der Schicht ist in Bereichen über den thermischen Prozess steuerbar
(Verhältnis von α/γ-Al2O3), während dies beim CVD-Verfahren nur über chemische Beimengungen möglich ist.
3. Verfahren ist einfach und bedarf außer einem Schutzgas- bzw. Vakuumofen keiner
teuren Anlagen. Es kann daher auch von kleineren Unternehmen zur Beschichtung verwendet
werden.
4. Im Gegensatz zu CVD- und PVD-Verfahren können auch große Oberflächen beschichtet
werden.
5. Während die Beschichtung von inneren Oberflächen für die klassischen Verfahren
an das Verhältnis von Durchmesser zu Tiefe gebunden ist, sind infolge des nasschemischen
Verfahrens auch kleinste Bohrungen mit großer Länge beschichtbar.
6. Die Schicht ist nicht texturiert und besitzt keine säulenartige Kristallstruktur
7. Mit dem Beschichtungszyklus können gleichzeitig Werkzeugstähle gehärtet werden.
Ist das Sol auf bereits gehärteten und/oder angelassenen Stählen aufgebracht, wird
eine partielle Wärmebehandlung der Schicht beispielsweise mit einem Laserstrahl notwendig.
[0016] Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
[0017] In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
- Figur 1
- einen Schnitt durch eine beschichtete Anordnung mit einer zusätzlichen Zwischenschicht
und
- Figur 2
- einen Schnitt durch eine beschichtete Anordnung ohne Zwischenschicht,
[0018] Das Beispiel beschreibt ein Metallsubstrat 1 aus Hartmetall, das mit einem Schichtwerkstoff
aus Al
2O
3 versehen wird. Diese Schichtsubstanz zeichnet sich durch hohe Härte und durch eine
gegenüber Schichtwerkstoffen mit hohem metallischen Bindungsanteil relativ geringe
Wärmeleitfähigkeit aus. Diese Eigenschaften sind sehr vorteilhaft für Beschichtungen,
welche für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung bestimmt sind.
Die Abscheidung derartiger Substanzen mit konventionellen Beschichtungsverfahren,
beispielsweise durch CVD- oder PVD-Verfahren, gestaltet sich kompliziert.
Im Beispiel wird als Metallsubstrat 1 wird ein Vollhartmetallwerkzeug verwendet. Die
Schichtdicke soll beispielsweise im Bereich von 0,5 bis 2,0 µm liegen.
[0019] Über den direkten Sol-Gel-Prozess sind diese Dicken nur über eine Mehrfachbeschichtung
erreichbar. Dabei wird aus Precursorlösungen das flüssige Sol, die Ausgangssubstanz,
hergestellt. Über den Prozess der Hydrolyse entsteht ein Gel, das durch eine anschließende
mehrstufige Wärmebehandlung in eine Oxidkeramik umgewandelt wird.
[0020] Der Ausgangsstoff zur Schichtherstellung kann aber auch durch ein über den Sol-Gel-Prozess
hergestelltes Produkt redispergiert werden.
Als vorteilhaft hat sich das Ausgangsprodukt Disperal P2 zur Beschichtung erwiesen.
Als Ansatz sowohl für die spray- als auch für die dip-coating-Technik werden für eine
Einzelschichtdicke im Bereich zwischen 0,5 und 2,0 µm 1,75 g Disperal in 10ml Wasser
redispergiert.
Zur Herstellung einer oxidkeramischen Schicht ist es notwendig, das Metallsubstrat
1 mit dem flüssigen Sol zu benetzen. Dieser Vorgang kann mit allen bekannten Verfahren
zum Beschichten aus dem flüssigen Zustand erfolgen. Zum Besprühen komplexer Formen
ist das spray-coating-Verfahren vorteilhaft.
[0021] Da das Hartmetallsubstrat 1 nicht über Elemente verfügt, mit denen sich Druckspannungen
einstellen lassen, werden die Hartmetalloberflächen vor der Beschichtung mit dem Sol
mit einer zusätzlichen Zwischenschicht aus Titan überzogen. Im beschriebenen Beispiel
wurde eine PVD-Beschichtung durchgeführt. Um die Stützwirkung des Metallsubstrates
1 möglichst wenig zu schwächen, sollte die Dicke der Zwischenschicht nicht mehr als
0,1 µm betragen.
Das Titan verteilt sich gradientenartig von der Grenzfläche, an der sich Zwischenschicht
4 und Verschleißschutzschicht 2 berühren, in die Verschleißschutzschicht 2 hinein
und bildet einen Elementegradient 3.
[0022] Nach dem Aufbringen der Ausgangssubstanz schließt sich eine thermische Behandlung
an. Hierzu erfolgt ein Trocknen bei 100°C, ein Kalzinieren bei 500°C sowie das Brennen
der Schichtsubstanz bei 1000°C zur Einstellung einer Schicht aus einer γ-Phase , welche
Anteile der Korundphase enthält. Gleichzeitig bewirkt der Brennprozess die Anbindung
an das Metallsubstrat 1.
[0023] Über die Randbedingungen des Gesamtprozesses kann Einfluss auf die Eigenschaften
der Verschleißschutzschicht 2 und des aus Verschleißschutzschicht 2 und Metallsubstrat
1 gebildeten Verbundes genommen werden.
Bei der Beschichtung von Hartmetallen wird über die Wahl der Elemente der Zwischenschicht
4 und über die thermische Behandlung bereits während der Schichtherstellung der Druckspannungszustand
in der Verschleißschutzschicht 2 über einen athermischen Spannungsanteil eingestellt.
Eine nachträgliche Behandlung, beispielsweise das Strahlen der Oberfläche, ist nicht
erforderlich.
[0024] Die Korundschicht (α-Al
2O
3) ist die Modifikation des Al
2O
3 mit der höchsten Härte. Jedoch besitzt Korund auch eine enorme Sprödigkeit. Durch
Absenkung der eigentlichen Brenntemperatur kann vorteilhaft ein Gradient von α-/γ-
Al
2O
3 in der Verschleißschutzschicht 2 eingestellt werden. Die Standzeit dieser Schichten
erhöht sich wesentlich gegenüber Schichten mit einer reinen Korundphase. Dieser Phasengradient
ist auch beeinflussbar durch die Schichtdicke bzw. über die Anzahl von Einzelbeschichtungen
bei Mehrfachschichten.
[0025] Die keramischen Schichten sind meist nanokristallin und weisen keine Fasertexturen
auf.
Die Haftfestigkeit dieser Schichten ist hoch. Die Schichten sind reproduzierbar sicher
herstellbar. Wegen der hohen Reinheit der Ausgangssubstanzen besitzen die Schichten
gleiche Eigenschaften in allen Schichtbereichen.
BEZUGSZEICHENLISTE
[0026]
- 1
- Metallsubstrat
- 2
- Verschleißschutzschicht
- 3
- Elementegradient
- 4
- Zwischenschicht
1. Beschichtetes Metallsubstrat (1) mit einer Verschleißschutzschicht (2), welche Druckeigenspannungen
aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht (2) gradientenartig Elemente (3) aus dem Substrat (1)
oder aus einer Zwischenschicht (4) enthält, mit denen die Druckeigenspannungen während
der Schichtherstellung mit einem nasschemischen Verfahren und einem Brennprozess direkt
in der Verschleißschutzschicht erzeugt wurden.
2. Beschichtetes Metallsubstrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallsubstrat (1) aus gehärtetem Stahl, vorzugsweise aus Werkzeugstahl besteht.
3. Beschichtetes Metallsubstrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallsubstrat (1) aus Hartmetall besteht.
4. Beschichtetes Metallsubstrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht (2) aus einem oxidkeramischen Material besteht.
5. Beschichtetes Metallsubstrat nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht (2) aus hochreinem nanokristallinen Al2O3 besteht.
6. Beschichtetes Metallsubstrat nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht (2) aus α-Al2O3 oder aus γ-Al2O3 besteht.
7. Beschichtetes Metallsubstrat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht (2) aus einem Gradient von α-γ-Al2O3 besteht.
8. Beschichtetes Metallsubstrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht (2) auf einer dünnen Zwischenschicht (4) aufgebracht
ist.
9. Beschichtetes Metallsubstrat nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (4) eine Metallschicht, vorzugsweise eine Titanschicht ist.
10. Beschichtetes Metallsubstrat nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (4) eine Sol-Gel-Schicht ist.
11. Beschichtetes Metallsubstrat nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (4) eine Sol-Gel-Schicht ist, welche Metallteilchen enthält.
12. Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Metallsubstrates nach einem der Ansprüche
1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Metallsubstrat (1) eine Verschleißschutzschicht (2) mit gradientenartig angeordneten
Elementen (3) mit einem nasschemischen Verfahren und einem Brennprozess einstellbar
eingebracht wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung einer Verschleißschutzschicht (2) aus oxidkeramischen Hartstoffschichten
ein Sol oder Gel auf das Metallsubstrat (1) aufgebracht und anschließend durch einen
zweistufigen Brennprozess in eine Hartstoffmodifikation umgewandelt wird, wobei ein
Eindiffundieren von Elementen des Metallsubstrates (1) oder einer Zwischenschicht
(4) in die Verschleißschicht (2) erfolgt.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Brennprozess in der Verschleißschicht (2) Druckspannungen erzeugt werden,
deren Höhe durch die Zeitdauer des Brennprozesses und die Brenntemperatur bestimmt
wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine sich im Inneren des Metallsubstrates (1) befindende Oberfläche mit der Verschleißschicht
(2) beschichtet wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche die Fläche einer Bohrung ist, deren Durchmesser zwischen 0,1 und 6
mm, vorzugsweise zwischen 0,25 und 2 mm, beträgt.