DE4131307A1

DE4131307A1 - Verfahren zur herstellung festhaftender aluminiumoxidschichten

Info

Publication number: DE4131307A1
Application number: DE19914131307
Authority: DE
Inventors: Hartmut Dr Westphal; Wolfgang Weitz
Original assignee: IMMELBORN HARTMETALLWERK
Current assignee: HARTMETALL BETEILIGUNGSGESELLSCHAFT MBH, 36433 IMM
Priority date: 1991-09-20
Filing date: 1991-09-20
Publication date: 1993-03-25

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung festhaftender Aluminiumoxidschichten bis 20 µm Dicke auf Sinterhartmetallkörpern, insbesondere auf Schneidplatten für die spanende Formgebung, die als Härteträger Carbide, Carbonitride oder Nitride von Metallen der IV. bis VI. Nebengruppe des PSE und Bindemetalle der Eisengruppe des PSE sowie gegebenenfalls weitere Zusatzmetalle enthalten, wobei die Sinterhartmetallkörper nach Spülung des Reaktorgefäßes mit Wasserstoff auf die erforderliche Beschichtungstemperatur aufgeheizt und durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase unter Umsetzung bzw. Reaktion der Schichtkomponenten beschichtet werden.

Nach der DE-PS 22 30 700 ist ein Verfahren zur Erhöhung der Abriebfestigkeit der Oberfläche von Schneidwerkzeugen aus Sinterhartmetall bekannt, bei dem wenigstens ein Teil der Oberfläche mit einem bis zu 20 µm dicken Überzug aus wenigstens einem hitzebeständigen Oxid, wie Al₂O₃ oder stabilisiertem ZrO₂, versehen wird. Die Herstellung erfolgt durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase. Solche unmittelbar auf den Sinterhartmetallkörper aufgebrachten keramischen Schichten unter den aufgeführten Verfahrensbedingungen führen zu Oxidationen der Sinterunterlage und damit zu schlechter Haftfestigkeit der keramischen Schichten.

In der DE-AS 22 53 745 wird zu dieser Problematik vorgeschlagen, zuerst den Sinterhartmetallkörper mit einer Zwischenschicht aus einem oder mehreren Carbiden und/ oder Nitriden der Elemente Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Co, Mo, W, Si und/oder B zu versehen, auf der dann eine äußere Schicht aus Al₂O₃ und/oder ZrO₂ abgeschieden wird. Hier soll durch Einfügen einer Zwischenschicht die Haftfestigkeit der keramischen Schicht verbessert werden. Die Haftfestigkeit bleibt jedoch durch die Oxidation der karbidischen oder nitridischen Zwischenschicht sehr begrenzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von dicken festhaftenden Aluminiumoxidschichten zu entwickeln, welches bei niedrigen Kosten eine wirtschaftliche Beschichtung von Sinterhartmetallkörpern, insbesondere von Schneidplatten für die spanende Formgebung, an allen Außenflächen gleichzeitig in einem Beschichtungsvorgang ermöglicht, wobei das Verfahren zur chemischen Abscheidung von oxidischen Oberflächenschichten aus der Dampf- bzw. Gasphase haftfest und ohne störende homogene Gasphasenreaktionen ablaufen soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Aluminiumoxidbeschichtung in zwei Stufen mit folgenden Zusammensetzungen der Dampfphase durchgeführt wird:

Erste Stufe:
3-5 Vol.-% AlCl₃
	3-5 Vol.-% CO₂
	Rest H₂,
	wobei die AlCl₃-Komponente einen Überschuß von 0,5 bis 1 Mol zur Stöchiometrie zur Bildung von Al₂O₃ aus AlCl₃+CO₂+H₂ aufweist.

Zweite Stufe:
1,8-3 Vol.-% AlCl₃
	3-5 Vol.-% CO₂
	Rest H₂,
	wobei die CO₂-Komponente einen Überschuß von 0,1 bis 0,5 Mol zur Stöchiometrie zur Bildung von Al₂O₃ aus AlCl₃+CO₂+H₂ hat

Bei der Durchführung des Beschichtungsvorganges ist es zweckmäßig, daß die Beschichtungszeit der ersten Stufe der Aluminiumoxidbeschichtung 1 bis 10 Minuten, vorzugsweise 5 bis 10 Minuten, und die zweite Stufe der Aluminiumoxidbeschichtung 60 bis 70 Minuten, vorzugsweise 100 bis 120 Minuten, andauert.

Auf das Beschichtungsergebnis wirkt es sich günstig aus, daß die Aluminiumoxidbeschichtung bei Temperaturen zwischen 900 K und 1350 K durchgeführt wird. Die beiden Verfahrensstufen sollen bei einem Druck zwischen 90 und 120 kPa durchgeführt werden.

Bei der erfindungsgemäßen Herstellung von Aluminiumoxidschichten können auch zusätzliche carbidische oder oxidische Härteträger dadurch eingebunden werden, daß der Dampfphase der ersten und/oder der zweiten Verfahrensstufe je 0,02 bis 0,2 Vol.-% WCl₆, TiCl₄ oder SiCl₄ zugesetzt wird.

Das Besondere an der erfindungsgemäßen Verfahrensführung besteht darin, daß in der ersten Verfahrensstufe bei einem Druck zwischen 90 und 120 kPa und einer Temperatur zwischen 1100 und 1350 K eine Aluminiumoxidschicht mit einer Überstöchiometrie an AlCl₃ abgeschieden wird, die eine Oxidation der Substratoberfläche oder der gegebenenfalls darauf befindlichen Zwischenschicht vermeidet und für weitere Beschichtungen eine Oxidationsschutzschicht darstellt. Diese wird mit der entsprechend der zweiten Verfahrensstufe zusammengesetzten Gas- bzw. Dampfatmosphäre nachbehandelt, die ein Anwachsen der Aluminiumoxidschicht ohne störende homogene Gasphasenreaktion ermöglicht.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden:

Wendeschneidplatten, bestehend aus 88% WC, 4% TaC, 2% TiC und 6% Co, werden in einem Reaktor nach Auspumpen des Luftsauerstoffes und Spülung mit Inertgas unter H₂ auf 1320 K aufgeheizt. Danach werden diese 40 Minuten in einer H₂-TiCl₄-C₆H₆-Atmosphäre herkömmlich behandelt, wodurch eine TiC-Zwischenschicht gebildet wird. Anschließend wurde der Reaktorraum mit H₂ gespült und ein Gasgemisch mit folgender Zusammensetzung eingestellt:

3,5 Vol.-% AlCl₃
0,05 Vol.-% WCl₆
3,5 Vol.-% CO₂
92,95 Vol.-% H₂

Die Wendeschneidplatten wurden bei einem Druck von 105 kPa über eine Zeit von 10 Minuten unter einer Temperatur von 1320 K mit diesem Gasgemisch behandelt.

Danach erfolgte eine Reduzierung der AlCl₃-Komponente von 3,5 auf 1,8 Vol.-%, so daß ein Gasgemisch mit folgender Zusammensetzung vorhanden war:

1,8 Vol.-% AlCl₃
0,05 Vol.-% WCl₆
3,5 Vol.-% CO₂
94,65 Vol.-% H₂

Mit diesem Gasgemisch wurden die Wendeschneidplatten unter demselben Druck und derselben Temperatur über eine Zeit von 150 Minuten weiterbehandelt. Anschließend wurden die Wendeschneidplatten im Reaktor mit Stickstoff abgekühlt.

Die Wendeschneidplatten hatten nach der Behandlung unter den angegebenen Verfahrensbedingungen eine geschlossene Doppelschicht, bestehend aus einer 7 µm dicken TiC- Schicht und einer 7 µm dicken Aluminiumoxid-Deckschicht. Die Aluminiumoxid-Deckschicht war fest mit der Titancarbidzwischenschicht verbunden und hatte als Struktur durchgehend eine α-Phase.

Der Gebrauchswert der erfindungsgemäß beschichteten Wendeschneidplatten wurde durch einen Drehtest ermittelt, der hohe Anforderungen an die Abriebfestigkeit stellt. Es waren folgende Versuchsbedingungen vorhanden:

Werkstoff
Gußeisen GGL 25
Schnittgeschwindigkeit	v=150 m · min^-1
Vorschub	s=0,5 mm · U^-1
Spantiefe	a=3,5 mm
Form der Wendeschneidplatte	SNMM 120 412-325
Kriterium Freiflächenverschleiß	B=0,5 mm

Versuchsergebnis
Konventionell mit TiC-Al₂O₃ beschichtete Wendeschneidplatte
112 Drehteile
Erfindungsgemäß mit TiC-Al₂O₃ beschichtete Wendeschneidplatte	167 Drehteile

Claims

1. Verfahren zur Herstellung festhaftender Aluminiumoxidschichten bis 20 µm Dicke auf Sinterhartmetallkörpern, insbesondere auf Schneidplatten für die spanende Formgebung, die als Härteträger Carbide, Carbonitride oder Nitride von Metallen der IV. bis VI. Nebengruppe des PSE und Bindemetalle der Eisengruppe des PSE sowie gegebenenfalls weitere Zusatzmetalle enthalten, wobei die Sinterhartmetallkörper nach Spülung des Reaktorgefäßes mit Wasserstoff auf die erforderliche Beschichtungstemperatur aufgeheizt und durch chemische Abschneidung aus der Dampfphase unter Umsetzung bzw. Reaktion der Schichtkomponenten beschichtet werden,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Aluminiumoxidbeschichtung in zwei Stufen mit folgenden Zusammensetzungen der Dampfphase durchgeführt wird: Erste Stufe 3 bis 5 Vol.-% AlCl₃ 3 bis 5 Vol.-% CO₂ Rest H₂, wobei die AlCl₃-Komponente einen Überschuß von 0,5 bis 1 Mol zur Stöchiometrie zur Bildung von Al₂O₃ aus AlCl₃+CO₂+H₂ aufweist

Zweite Stufe 1,8 bis 3 Vol.-% AlCl₃ 3 bis 5 Vol.-% CO₂ Rest H₂, wobei die CO₂-Komponente einen Überschuß von 0,1 bis 0,5 Mol zur Stöchiometrie zur Bildung von Al₂O₃ aus AlCl₃+CO₂+H₂ hat

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtungszeit der ersten Stufe der Al₂O₃- Beschichtung 1 bis 10 Minuten, vorzugsweise 5 bis 10 Minuten und die zweite Stufe der Al₂O₃-Beschichtung 60 bis 170 Minuten, vorzugsweise 100 bis 120 Minuten andauert.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Al₂O₃-Beschichtung bei Temperaturen zwischen 900 K und 1350 K durchgeführt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Al₂O₃-Beschichtung bei einem Druck zwischen 90 und 120 kPa erfolgt.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfphase der ersten und/oder der zweiten Verfahrensstufe je 0,02 bis 0,2 Vol.-% WCl₆, TiCl₄ oder SiCl₄ zugesetzt wird.