DE2265603C2

DE2265603C2 - Schneideinsatz mit einer nicht metallischen Zwischenschicht zwischen Grundkörper und Deckbeschichtung und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE2265603C2
Application number: DE19722265603
Authority: DE
Inventors: Thomas Eugene Warren Mich. Hale
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: Carboloy Inc
Priority date: 1971-05-26
Filing date: 1972-05-24
Publication date: 1983-02-03
Also published as: IT955838B; SE453891B; DE2225135C3; JPS5328872B1; FR2139192B1; SE8504311D0; FR2139192A1; DE2225135A1; SE8003731L; SE445931B; DE2225135B2

Description

a) eine durch ein Dampfabscheidungsverfahren aus Aluminiumhalogeniddampf, Wasserstoff und Kohlendioxid erhaltene vollständig dichte is Beschichtung aus alpha-AIuminiumoxid mit einer Dicke von 1 bis 20 μτη und

b) eine sehr dünne Zwischenschicht aus einer anderen nicht-metallischen Verbindung, die aus dem Titankarbid und/oder Tantalkarbid des M Sinterkarbidgrundkörper gebildet ist und die alpha-Aliiminiumoxidschicht fesi mit dem .Sinterkarbidgrundkörper verbindet.

2. Schneideinsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung weniger als 15 μιη Dicke hat.

3. Schneideinsatz nach Anspruch 1 und 2. dadurch gekennzeichnet, daß die nicht-metallische Zwischenschicht eine Oxidphase von Titan oder Tantal enthält.

4. Vertahren zur Herstellung des Schneideinsatzes nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß man über einen Sinterkarbid-Schneideinsatz, bestehend aus Wolframkarbid und Titankarbid und/oder Tantaikarbid und einer Eisen-. Nickel- ocer Kobalt-Matrix, bei einer Temperatur von 900 bis 1250° C Aluminiumhalogeniddampf. Wasserstoff und Kohlendioxid leitet, wobei ein Verhältnis der Gleichgewichtspartialdrucke von Wasserdampf zu Wasserstoff nach der Wassergasreaktion zwischen 0.025 und 2.0 eingehalten wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminiumhalogenid Aluminiumchlorid ist.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schneideinsatz hoher Festigkeit und Abnutzungsbestandigkeit aus einem Sinierkarbid-Giundkörper nut einer Aluminiumoxid enthaltenden Beschichtung und einer anderen nicht-metallischen Zwischenschicht.

Sinterkarbide sind wegen ihrer einzigartigen Kombination von Härte. Festigkell und Abnutzungsbeständigkeil gut bekannt und sie werden demzufolge in hohem Maße für solche industriellen Anwendungen wie Schneidwerkzeuge, /lehwcrkzeugc und Abnutz.ungstei-Ie verwendet. Die Abnutzungsbeständigkeit von Schneideinsätzen läßt sich durch das Aufbringen einer dünnen Schicht der Garbide verbessern, die zugleich Bestandteil des Hartmetalls sind- Die erhöhte Abntitzurigsbesländigkeil solcher mil Tiiänkarbid beschichte^ (er Schneideinsatze gehl jedoch auf Kosten der Festigkeit des Grtindköfpers, weil die Schicht bricht und sich die Risse dann in das Sinterkarbid des Schneidprodukts fortsetzen,

Wegen seiner großen Härte, Abnutzungsbeständigkeit und geringen Reaktionsfähigkeit mit den zu bearbeitenden metallischen Werkstücken ist auch schon versucht worden, Aluminiumoxid für Schneidwerkzeuge zu verwenden. Der Hauptnachteil für eine verbreitete Anwendung von Aluminiumoxid-Werkzeugen ist ihre geringe Festigkeit, die selten 689,47 · 10⁶Pa (7000 kg/ cm³) übersteigt, wenn man den Standardbruch- oder Biegetest anwendet, verglichen mit einer Festigkeit von 1378,93-2O08.4 10"Pa (14 000-21 000 kg'cm-') oder mehr für Schneidwerkzeuge aus Sinterkarbid. Die geringe Festigkeit der Aluminiumoxid-Werkzeuge begrenzt ihre Anwendung auf Schneidoperationen, bei denen das Werkzeug nicht hoch belastet ist, schließt die Verwendung bei Einsatzstücken aus, die in einem Werkzeughalter verriegelt sind Deshalb ist es auch nicht möglich, wegwerfbare Schneideinsätze, die mit Stiften in Haltern verriegelt werden, aus Aluminiumoxid als Schneidmaterial herzustellen.

Ausgehend von der Annahme, daß die bei der Zerspanung von Stählen beobachteten nicht-metallischen Ablagerungen auf den Werk zerschneiden als Verschleißschutzschichten wirken und daß Schneidenwerkstoffe aus Hartstofflegierungen mit Gehalten an Karbiden oder Boriden vcn Titan, Zirkon, Vanadium. Tantal und Niob die Belagbildung begünstigen, sollen nach der AT-PS 2 68 003 und der US-PS 35 64 683 für diesen Zweck Zerspanungswerkzeuge verwendet werden, welche auf den auf Verschleiß beanspruchten Oberflächenzonen mit 0,01 bis I mm, vorzugsweise 0.05 bis OJ mm starken Auflagen aus Haitstofflegierungen ausgestattet sind, die mindestens 15% der erwähnten Karbide oder Boride oder mindestens 50% Aluminiumoxid enthalten. Wie Schneidplättchen aus Sinterkarbiden mit einer aluminiumoxidhaltigen Auflage herge stellt werden können, ist in beiden Patentschriften nicht beschrieben. Die einzige nach dem damaligen Stand der Technik durchführbare Herstellungsweise war das gemeinsame Verpressen übereinandergeschichteter verschieden zusammengesetzter Pulvermischungen, was aber zwangsläufig zu verhältnismäßig dicken Auflagen von 500 bis 1000 um führt. Wenn mit den genannten Auflagen ausgestattete Zerspanungswerkzeuge zur Bearbeitung von Stählen eingesetzt wurden. die keine Neigung zur Belagbildung aufweisen, werden die warmverschleißfesten Oberflächen->chichten bald abgetragen.

Allgemeine Bedingungen lüid Vorrichtungen zum Aufbringen von hitzebeständigen Metallen. Karbiden. Nitriden. Bonden. Sili/iJcn und Oxiden durch Abschei dung aus der Ciasphase sind in einer Abhandlung von I. F.. C ampbell et al. »Deposition of refractory materials« Eiectrochem. Soc Transactions Vo. % (1949). Nr. 5. S. 318 bis 3J3 beschrieben. Diese Beschichtungen werden .ils unbearbcitbar und von glasartiger Zerbrechlichkeit bezeichnet und sie w.ircn zu porös, um eine Oxydation der metallischen Unterlage zu verhindern. Nach der auf dieser Veröffentlichung aufbauenden USCS Jl 78 308 reichen die Schichtdicken von einigen 25.4 μιη bis 12.7 mm oder mehr Die mit der Beschichtung eines bestimmten Gnindkörpers mit einem bestimmten Oxid Verbundenen Probleme und ihre Lösung irrt Einzclfallwifd in diesen Veröffentlichungen nicht diskutiert,

Das gleiche gilt für die allgemeine Abhandlung von Hintermann und Gass »Die chemische Abscheidung aus der Gasphase: das Verfahren eine Anwendung«. In einer tabellarischen Zusammenstellung der wichtigsten

nach dem CVD-Verfahren abscheidbaren Elemente und Verbindungen werden hier in den Verbindungskasten: Metalle, Graphit und Carbide, Nitride, Bor und Boride, Silicium und Silicide sowie Oxide, 87 Verbindungen, darunter AbO] als eines der fünf aufgeführten Oxide erwähnt. Die abgeschiedenen Schichten von Bor, Silicium, Carbiden, Nitriden, Boriden, Oxiden und Siliciden werden hier ebenso wie bei Campbell als außerordentlich hart und spröde beschrieben. Von Schneideinsätzen aus Sintercarbid-Hartmetall ist in dieser Abhandlung nicht die Rede.

Aus der DE-OS 20 18 662 ist es bekannt, daß die Kombination eines zähen Substrats mit einer sehr harten, nur wenige μίτι starken Hartstoffschicht aufgrund der stark voneinander abweichenden Eigenschäften von Schicht- und Substratmaterial nur zu einem Werkstoff führt, der den hohen Anforderungen, die an einen Schneidwerkstoff gestellt werden, nicht genügt. Deshalb wird dort zwischen dem zähen Substrat und der harten Deckschicht mindestens eine Zwischenschicht mit ganz bestimmten Eigenschaften vorgesehen. Soweit es sich hier jedoch um Hartmetall-Schneidplättchen aus Wolfram-, Titan-, Niob- oder Vanadincarbid mit einem Kobaltbinder handelt, wird eine Zwischenschicht aus Chrom oder Chromcarbid und eine Deckschicht aus Titancarbid vorgesehen, das auch noch Chromcarbid enthalten kann. Die Zwischenschichten werden gezielt durch spezielle Verfahrensschritte nach dem CVD-Prozeß aufgebracht. Eine Deckschicht aus AbOj wird hier nur für einen Chrom-Nickel-Stahl, aber nicht für Grundkörper aus einem Sintercarbidhartmetall beschrieben, und c.otz der Zwischenschicht ist die Haftung schlecht. Diese Offrnlegur. ^schrift bestätigt, wie sehr es jeweils auf die Abstimmung von Substrat und Beschichtung ankommt.

Wenn in der erwähnten Abhandlung von Campbell et al. nur die Beschichtung von Metallen mit Nichtmetallen und umgekehrt, aber insbesondere nicht die Beschichtung von Sintercarbiden mit einem Metalloxid, wie AbO). beschrieben ist. so geschah das offenbar wegen der zu befürchtenden Reaktionen der für das Abscheiden üblichen Gasgemische mit dem Grundkörper. Es ist bekannt, daß Aluminiumoxid aus der Dampfphase bei 800 bis 1000" C aufgrund der Reaktion

50

AlCl 1 + CO₂+ H₂ ^ AbOi + CO + HCl

abgeschieden werden kann. Aus Wasserstoff und Kohlendioxid wird dann durch die Wassergasreaktion

H₂ + CO₂ =*= CC) ₊ H₂O

Wasserdampf gebildet, der das dampfförmige Aluminiumchlorid /11 Aluminiumoxid und Chlorwasserstoff zersetzt. Dieses Gasgemisch wirkt aber zugleich stark entkohlend auf das Wolframkarbid des Grundkörpers und es war infolgedessen zu befürchten, daß es an der « Oberfläche mit dem Sinterkarbid reagiert und hier das Wolframkarbid zu metallischem Wolfram oder der sogenannten eta Phase W|CoiC abbaut.

Aufgrund dieses Sachverhalts und nachdem es bekannt war. daß aus der Dampfphase abgeschiedene Schichten aus Aluminiumoxid purös und spröde, bzw. 7xrbrcchlich wie Glas sind, hat es für den Fachmann nicht nahegelegen, siti zur Verbesserung der Abnutzlingsbeständigkeit Von Sinterkarbiden zu Versuchen, wo es auf festhaftende, nicht poröse, dichte Schichten ankommt, die beim Gebrauch nicht reißen oder absplittern dürfen.

Die Änmeldefin hat zudem festgestellt, daß sich bei der Aufbringung verschleißfester Oberflächenschichten aus Aluminiumoxid auf Sintercarbiden besondere Probleme ergeben, weil das Aluminiumoxid leicht in Form von Fadenkristallen oder ungleichmäßig großen Körnern abgeschieden wird. Eine verbesserte Verschleißfestigkeit und gute Haftung solcher Oberflächenschichten aus Aluminiumoxid setzt jedoch voraus, daß sie gleichmäßig dicht und dementsprechend feinkörnig sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Abnutzungsbeständigkeit von Schneideinsätzen aus Sinterkarbiden zu verbessern ohne ihre Festigkeit wesentlich zu verringern. Es soll ein hartes abnutzungsbeständiges Material geschiffen werden, das die hohe Abnutzungsbeständigkeit des Aluminiumoxids mit der relativ hohen Festigkeit und Härte von Sinterkarbid verbindet. Die Beschichtung muß festhaftend mit dem Sinterkarbidgrundkörper verbunden sein, um ein Absplittern oder Trennen beim Gebrauch zu verhindern und die Beschichtung muß hinsichtlich Dichte und Glätte gleichmäßig sein. Porosität oder Uneinheitlichkeit sind unerwünscht. Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein Verfahren zur Herstellung solcher festhaftenden nicht porösen dichten Schichten aus Aluminiumoxid auf dem Sinterkarbidgrundkörper von Schneideinsätzen zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch Schneideinsäue gelöst, die sich beim Grundkörper aus Sinterkarbid-Hartmetall aus Wolframkarbid und Titankarbid und/oder Tantalkarbid und einer Eisen-. Nickel- oder Kobalt-Matrix durch die folgende Beschichtung auszeichnen:

a) Eine durch ein Dampfabscheidungsverfahren aus Aluminiumhalogeniddampf. Wasserstoff und Kohlendioxid erhaltene vollständig dichte Beschichtung aus alpha-Aluminiumoxid mit einer Dicke von I bis 20 μΐη und

b) eine sehr dünne Zwischenschicht aus einer anderen nichtmetallischen Verbindung, die aus dem Titankarbid und/oder Tantalkarbid des Sinterkarbidgrundkörper gebildet ist und die aloha-Alurr.iniumoxidschicht fest mit dem Sinterkarbidgrundkörper verbindet.

Angesichts der geringen Festigkeit und Sprödigkeit von Schneidwerkzeugen aus Aluminiumoxid und der schlechten Eigenschaften von aus der Dampfphase abgeschiedenen Schichten aus Aluminiumoxid ist es völlig überraschend, daß beim Überziehen der Oberfläche von Schneideinsätzen aus Sinterkarbid eine ausreichende Haftfestigkeit des Überzugs erzielt werden konnte, die eine dauerhafte Verbesserung der Abri«.bfestigkeit gewährleistet.

Die fest anhängend mit dem Grundkörper verbundene alpha-Alumtniumoxidschicht ist vollkommen dicht. Üblicherweise zu mehr als 99% Die beschichteten Schneideinsätze haben eine Abnutzungsbeständigkeit, die im wesentlichen der von Schneidmaterialien auf Aluminiumoxid-Basis entspricht und eine Bruchfestigkeit von mindestens 1034.2 ■ IO^h Pa(IO 500 kg/cm²) und in den meisten fallen von mehr als 1J78,9J ■ 10"Pii .(14 000 kg/cm²). Bei sehr hohen Schneidgeschwindigkeiiferi von mehr* als etwa 500 Öberflächenrnetef pro Minute bei einigen Anwendungen und möglicherweise noch größeren bei anderen kann die höhere Hitzebe^ ständigkeit des festen Aluminiumoxids zu höherer Abnutzungsbeständigkeit führen. Bei allen Schneidtests, ausgenommen denen oberhalb dieser Bereiche, ist die

Abnutzungsbes,^· digkeit der bf'chichieten Produkte gemäß der vorliegenden Erfindung als im wesentlichen gleich hoch wie die von Aluminiumoxid-Schneidmaterialien gefunden worden. Innerhalb der beanspruchten Grenzen für die Dicke der Beschichtung erfordern einige Anwendungen noch engere Bereiche. Zum Beispiel haben sich 1 bis 3 μπι als Optimum für die Bearbeitung von Hochtemperaturlegierungen und für das Fräsen erwiesen.

Die Bezeichnung »Sinterkarbid«, wie sie in dieser Anmeldung verwendet wird, umfaßt ein oder mehrere Karbide der Übergangsmetalle der Gruppe IVa, Va und VIa des periodischen Systems der Elemente, die gesintert und durch ein oder mehrere Matrixmetalle, ausgewählt aus der Gruppe Eisen, Nickel und Kobalt is verbunden sind. Ein typisches Sinterkarbid enthält WC in einer Kobaltmatrix oder TiC in einer Nickelmatrix.

Das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen i".chneideinsätze besteht darin, daß man über einen aus Wolframkarbid und Titankarbid und/oder Tantalkarbid und einer Eisen-, Nickel- oder Kobaltmatrix bestehenden Sinterkarbid-Schneideinsatz bei einer Temperatur von 900 bis 1250° C Aluminrimhalogeniddampf. Kohlendioxid und Wasserstoff leitet, wobei das Verhältnis von Wasserdampf zu Wasserstoff zwischen 0,025 und 2,0 und vorzugsweise zwischen 0,05 und ZO liegt.

Wenn die Giundkörper, wie gefordert, WC und zusätzlich TiC und/oder TaC enthalten, wird eine nicht-metallische Zwischenschicht gebildet, die die Bindung zwischen dem Grundkörper und der Beschichtung erhöht. Diese Zwischenschicht dürfte eine Oxidphase von Titan oder Tantal enthalten. Rei Grundkörpern, die TiC und/oder TaC enthalten, können die Schichtdicken größer sein als bei Grundkörpern lediglich mit Wolframkarbid.

Wegen der üblicherweise an ein Sinterkarbid-Schneidmaterial gestellten Forderungen sind die Eigenschaften irgendeiner Beschichtung, die Art in der die Beschichtung mit dem Grundkörper verbunden ist und seine Wirkung auf dessen Festigkeit von außerordentlicher Bedeutung. Die Beschichtung muß eine hohe Dichte und Glätte haben. Porosität oder Uneinheitlichkeit sind unerwünscht. Die Beschichtung muß auch fest anhaftend mit dem Sinterkarbid-Grundkörper verbunden sein, um ein Absplittern oder Trennen beim Gebraurh /u ve^rhindern Weiter darf die Beschichtung die Festigkeit des S'· terkarbid-Grundkörpers nicht bedeutend verringern Die Produkte der vorliegenden F.rfindung sind außerordentlich gut untersucht worden und es wurde festgestellt, daß sie alle vorgenannten Bedingungen erfüllen. Die Beschichtungen sind gleich maßig und vollständig dicht, sie sind fest mit dem Grundkörper verbunden und der beschichtete Verbundstoff behält einen hohen Anteil seiner Festigkeit, ν üblicherweise mehr als 85"/n der ßruchzähigkcit des unbeschichteten Grundkörpers. Das F.rreichen tiieser Eigenschaften durch das beschichtete Produkt ist völlig unerwartet, insbesondere im Hinblick auf die betrat h«Ii chcn Festigkeitsverringerungen, die durch die Aiifbnn giing abnut/ungsbeständiger Beschichtungen auf Sm terkarbid-Urundkörpern üblicherweise eintreten. Die beschichteten Materialien der vorliegenden Erfindung »teilen bei ßcarbcitürigsvörgängen auch einen Öberflächenzusland her, der hinsichtlich der Qualität Vollkömmen äquivalent zu solchen von festen Aluminiumoxid-Schneiclmaterialicn zu sein scheint, die dafür bekannt sind, daß sie die besten Oberflächenzustände hervorbringen.

Die außerordentlichen Eigenschaften des Aluminiumoxid-beschichteten Produktes der vorliegenden Erfindung hängen von einer sorgfältigen Steuerung der Parameter des Verfahrens zum Herstellen dieser Produkte ab. Das Verfahren umfaßt die Verwendung einer gasförmigen Mischung aus Wasserstoff, Kohlendioxid und einem Aluminiumhalogenid, wie Aluminiu-ntrichlorid.

Der Aluminiumchloriddampf kann während der Abhgerungsreaktion in verschiedener Weise hergestellt werden, z. B. durch Erhitzen von festem Aluminiumtrichloridpulver oder durch Leiten von Chlorgas über Aluminiummetall. Der Wasserdampf wird durch Umsetzen von Wasserstoff mit Kohlendioxid in der Ablagerungskammer hergestellt, wobei Kohlenmonoxid und Wasserdampf durch die Wassergas-Reaktion gemäß der folgenden Gleichung entsteht:

^= CO +H₂O

Die auf diese Weise gebildete Menge Wasserdampf hängt von der Temperatur und Jen Ausgangskonzentrationen von Wasserstoff, Kohlenoxid und Kohlenmonoxid im Eingangsgasstrom ab. Um eine gute Qualität der Beschichtung von gewünschter Dicke im Temperaturbereich von 900 bis 1250° C zu erzeugen, sol.':e das Verhältnis von Wasser zu Wasserstoff nach der Wassergas-Reaktion zwischen etwa 0.025 und 2.0 liegen.

Die Hauptablagerungsreaktion verläuft nach folgender Gleichung:

3 H₂O + 2 AlCI₃ - AI₂O₃ + 6 HCI

(H)

Die bedeutendsten Bestandteile der gasförmigen Reaktionsmischung sind daher Wasserdampf und Aluminiumchloriddampf.

Wasserstoff wurde bei dem Dampfabscheidungsverfahren als notwendig befunden, um eine dichte, haftende Schicht zu erhalten. Wasserstoff scheint das Aluminium an der Karbidoberfiäche gegen die Oxydation zu schützen. Oxydation in der Reaktionszone oberhalb des Karbidgrundkörpers führt /u Bedingungen, die als Verstäuben bekannt sind, und die vermieden werden müssen. Die Abwesenheit von Wasserstoff führt zu einer porösen Schicht, die nicht vollkommen dicht ist. Es sind daher Aluminiumhalogeniddainpf. Wasserstoff und Kohlendioxid die drei notwendigen Bestandteile des Verfahrens, wobei letzteres mit Wasserstoff unter Bildung von Wasserdampf reagiert.

Die Menge des anwesenden Wjsserdampfes nach der Reaktion der bekannten F.ingjngskonzentrationen von Wasserstoff und CO₂ und CC) und H₂O. wenn diese verwendet werden, kann mittels der folgenden Gleichung errechnet wercien:

la

worin o = l — Ä" ist und K die Gleichgewichtskonstante für die WassTgas-Reaktioii ist. b = (CO), - (E₂O), + K (H₂), + (CO₂), + 2 (H₂O₂),); und c= Kf(H₂), (CO₂), -F (H₂O), + (H₂OJ, (CO₂J,- + (H₂OJ,).

Die Klammern bedeuten die Konzentration. der jeweils darinnen stehenden Gasarteri als Partialdruck und die kleinen Buchstaben /und /bedeuten die Endoder Gleichgewichtskonzentrationen und die Eingangsoder Einlaßkonzentrationen. Die Menee des anweSen-

den Wasserstoffs und auf diese Weise das Verhältnis von H₂O zu H2 kann mit der folgenden Beziehung ermittelt werden:

(H₂),= (H₂), + (H₂O),-(H₂O)_A

Eine Reihe beschichteter Produkte wurde gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt, indem man Aluminiumchloriddampf. Wasserstoff und Kohlendioxid über Sinterkarbid-Einsätze leitete. Die Beispiele wurden bei verschiedenen Eingangsgaszusammensetzungen und bei verschiedenen Endkonzentrationen von H₂O zu H₂ hergestellt. In allen Fallen wurde die Abscheidung jeweils 45 Minuten bei 1050⁰C ausgeführt, unter Verwendung von 2 bis 3 g Aluminiumchlorid und einer Aluminiumchlorid-Generatorlemperatur von etwa 200⁰C. Die Verwendung von mehr AICU verschiebt das gewünschte H₂O zu H₂ Verhältnis zu einem höheren Wert und umgekehrt. Beschichtungen wurden auf einem Sinterkarbid-Grundkörper niedergeschlagen, welches

10

15 die folgende Zusammensetzung in Gew.-% hatte. WC 72, Co 8,5, TiC 8, TaC 11,5. Die nachfolgende Tabelle 1 zeigt den Einfluß der Gaszusammensetzung auf die Schichtdicke. Wenn die Beschichtung mit größeren oder kleineren Verhältnissen von H₂O zu H₂ (d. h. außerhalb des Bereiches von 0,025 — 2,0) ausgeführt wurde, war es nicht möglichi eine Schicht ausreichender Dicke zu erhalten, z. B, Von mehr als 1 μηι. Die Schichfqualität war für alle Beispiele mit einer Schichtdicke von mehr als I μίτΐ gut. Die SchichfqUälität wurde als gut bezeichnet, wenn die Beschichtung einem Abreißvefsuch standhielt, der darin bestand, daß man den beschichteten Einsatz unter einem Diamant-Eindruckgerät derselben Art, wie es für die Bestimmung der Rockwell-Härte verwendet wird, verschob, wobei eine Last von 2 kg auf den Diamant gelegt wurde. Wenn die Beschichtung während dieses Tests nicht absplitterte oder abbröckelte, wurde sie als gut angesehen. Wenn dies doch der Fall war, wurde sie als schlecht bezeichnet.

Tabelle	I	Partialdruck	in der Eingangsgasmischung	(CO)	(H₂O)	Gleichgewichtspartialdrucke der	(H₂OH	(H₂O)+	Schicht	I
Bei					Wassergas-Reaktion		(H₂)+	dicke	I
spiel	(H₂)	(CO₂)	0,000	0,000	(H₂)+	0,0217	0,023	(μηι)
			0,000	0,000		0,0391	0,043		i
	0,978	0.022	0,000	0,000	0,956	0,137	0,192	<1	I
1	0,960	0,040	0,150	0,000	0,921	0,085	0,127	2,5
2	0,850	0,150	0,100	0,000	0,713	0,0085	0,205	6	i
3	0,750	0,100	0,000	0,000	0,665	0,277	0,857	6
4	0,050	0,850	0,300	0,000	0,042	0,143	0,466	3	I
5	0,600	0,400	0,000	0,000	0,323	0,277	2,2*	3
6	0,450	0,250	0,200	0,000	0,307	0,081	4,26	9	\
7	0,400	0,600			0,123			<1	I
8	0,100	0,700		0,019	<1	i
9				ι

Die Art der erhaltenen Beschichtung wurde unter Verwendung der Röntgenstrahl-Beugungsanalyse und der Lichtmikroskopie bestimmt. Die Röntgenstrahlanalyse zeigte, daß die Beschichtung aIpha-AI₂O3 war. Die Lichtmikroskopie zeigte eine graue, durchscheinende Schicht aus Aluminiumoxid, die vollständig dicht war und bei den Beispielen gut mit dem Grundkörper verbunden war. bei denen die Qualität der Beschichtung als gut festgestellt wurde. Eine sehr dünne Schicht (weniger als I μΐη) einer anderen nicht-metallischen Verbindung war zwischen der AbOs-Schicht und dem Sinterkarbidgrundkörper vorhanden, wenn der Grundkörper TiC und/oder TaC enthielt Die Anwesenheit dieser dünnen Schicht erhöht die Bindungsfestigkeit zwischen der Beschichtung und dem Grundkörper.

Der bevorzugte Temperaturbereich für das Abscheiden der Beschichtung liegt zwischen 900 und 1150⁰C. Bei geringeren Temperaturen wird die Abscheidungsgeschwindigkeit sehr gering und die Beschichtung ist nur schlecht mit dem Grundkörper verbunden.

Die Festigkeit des AI₂O3-beschichteten Sinterkarbid-Verbundkörpers wurde (wie alle anderen hierin beschriebener· t-"estigkeitsmessungen) unter Verwendung eines ieicht modifizierten Standard-Bruchtestes (ASTM Nr. B4066-63T) gemessen, der eine Dreiwalzenladung einschloß, sowie eine Spannweite zu Dicke-Verhältnis von 33 :1. Unter Verwendung einer Abscheidungstemperatur von 1050⁰C und eines Stnterkarbid-Grundkörpers der in den ersten 9 Beispielen der Tabelle I genannten Art wurde eine durchschnittliche Festigkeit der Stangen mit Beschichtungsdicken von 5 bis 7 μΐη (der bevorzugten Dicke für diesen Grundkörper bezüglich der Abnutzungsbeständigkeit) von etwa 1661,6-10⁶Pa erhalten. Dies ist nur eine leichte Verringerung (11%) gegenüber dem Festigkeitsweri von 1861,5-10⁶Pa, der bei dem unbeschichteten Sinterkarbid-Grundkörper gemessen wurde.

In der folgenden Tabelle II wurde die Leistungsfähigkeit beschichteter Einsätze gemäß der vorliegenden Erfindung zum Meiallschneiden zusammengefaßt und mit der entsprechenden Leistungsfähigkeit unbeschichteter Einsätze verglichen. Die Beispiele 10 bis 16 waren wegwerfbare Schneideinsätze von 12,7 χ 12,7x4,7 mm Größe, die bei 1050° C mit AI₂O₃ gemäß dem Dampfbeschichtungsverfahren der Beispiele 1 bis 9 beschichtet worden waren. Es wurde em Bereich von Schichtdicken von 1 bis 10 μπι verwendet Diese Einsätze wurden dann dazu benutzt SAE 1045-StahI von der Härte 190 BHN zu bearbeiten, und zwar bei Oberflächengeschwindigkeiten von etwa 210, 300 und 450 m/min, einem Vorschub von 0,25 mm pro Umdrehung und einer Schneidtiefe von Zß mm. Die Schneidzeiten für eine Flankenabnutzung von etwa 0,25 mm sind in der Tabelle II gezeigt, ebenso wie die

Kraterabnutzungstiefe bei der Ö,25MTim-Flankenabnulzungszeil. Die Bruchfestigkeiten sind ebenfalls angegeben. Für Vergleichszwecke wurden die Schneidleistungsfähigkeil und die Festigkeiten uhbeschichleter Grundkörper in den Beispielen 17 und 18 angegeben, ferner für einen Einsatz aus einem käuflich erhältlichen

10

festen Aluminiumoxid (89% Al₂O₃, 11% TiO) in den Beispielen 19 bis 21 und für elften" mil TiC beschichteten Sinlerkarbid-Einsalz (Beispiele 22 und 23), wobei alle Einsalze unter den gleichen Bedingungen geprüft wurden.

Tabelle	II	Be-	Schneid-	Zeit (min) bis z.	Kratertiefe; bei	Bruch
Bei		schich-	geschw.	Flankenabnutzung	der 0,25 mm-	festigkeit • IO⁶ Pa
spiel		lungs-		v. 0,25 mm	Flankenab-
		dicke			nutzung
		(μπι)	(m/s)			1792,6
		1	210	9	0,075 mm
10	A^Oj-Beschichtung auf					1723,7
	Sinterkafbid¹)	4	210	32	0,050 mm	1620,2
ii	desgl.	7	210	51	0,025 mm	1447,9
12	desgl.	10	210	51	0,2 mm	1620,2
13	desgl.	7	450	4,2-0,1 mm	0,0075 mm
14	desgl.			Abnutzung	bei 0,1 mm
					Flanken
					abnutzung	1206,5
		7	300	17	0,175 mm
15	AI₂O₃-Beschichtung auf					1103,1
	Sinterkarbid²)	12	300	26	0,075 mm	1861,5
16	desgl.	-	210	4	0,1 mm	1585,8
17	unbeschichtetes Karbid¹)	-	300	5	0,25 mm	620,5
&	unbeschichtetes Karbid²)	-	210	51	0,025 mm	620,5
19	Kompaktes AI₂O₃	-	300	30	0,050 mm	620,5
20	desgl.	-	450	4,5 min-0,1 mm	0,0050 mm
21	desgl.			Abnutzung	bei 0,1 mm
					Flanken
					abnutzung	1206,5
		5	210	18	0,275 mm
22	TiC-Beschichtung auf					1206,5
	Sinterkarbid¹)	5	300	4	0,275 mm
23	desgl.

¹) 72% WC, 8% TiC, 11,5% TaC, 8,5% Co;

²) 71% WC, 12,5% TiC, 12% TaC, 4,5% Co.

:, Wie aus dieser Tabelle entnommen werden kann, wird die Leistungsfähigkeit des Sihterkarbidwerkzeugmateriais zum Schneiden sehr wesentlich durch die v^l₂Ö3-Beschichtung verbessert und diese. Verbesserung _:;? ist wesentlich größer als die einer TiG-Beschichtung auf ,

^rdem gleichen Grundkörper. Es ist auch zu ersehen, daß ' \ bis zu einem Wert von etwa 7 μιτι die Verbesserung von ider Schichtdicke abhängt und daß die Leistungsfähigkeit bei 10 .um abzufallen beginnt Bei der optimalen Dicke von 7 μπι für diesen Grundkörper war die Leistungsfähigkeit des Al₂Orbeschichteten Werkzeuges äquivalent der des festen AI2O3 bei allen drei untersuchten Geschwindigkeiten. Die Festigkeit der AbOs-beschichteten Einsätze war jedoch beträchtlich höher, als die des festen AI2O3 und höher als die Festigkeit des gleichen Grundkörpers mit einer TiC-Beschichtung.

Es wird darauf hingewiesen, daß es wegen der Beschränkungen hinsichtlich der Festigkeit nicht möglich war, feste Aluminiumoxid Schneidmaterialien in wegwerfbaren Schneideinsätzen derart zu verwenden.

die mit Stiften in Haltern verriegelt werden.

Dese Einsätze weisen eine zentral angeordnete Öffnung für die Aufnahme eines Stiftes auf, welcher den Einsatz an Ort und Stelle verriegelt Die Festigkeit solcher Einsätze muß ausreichen, um der Verriegelungs- ;belastung standzuhalten. Die Festigkeit der beschichteten Materialien der vorliegenden Erfindung reicht aus, deren Verwendung in solchen Einsätzen zu ermöglichen. Die vorliegende Erfindung macht es daher möglich, bei solchen Anwendungen einen Einsatz zu benutzen, der eine höhere Abnutzungsbeständigkeit als die vergleichbaren, derzeit erhältlichen Einsätze aufweist

Die folgende Tabelle III zeigt die Leistungsfähigkeit der beschichteten Einsätze der Erfindung beim Schneiden einer Hochtemperatur-Nickellegierung, speziell des Inconel 718, in vergüteter Form (Härte BNH 390). Die Ergebnisse des entsprechenden Beispiels 24 sind verglichen mit der Leistungsfähigkeit eines unbeschichteten Sinterkarbids der gleichen Zusammensetzung (Beispiel 25) und zusätzlich mit einem handelsüblichen

festen Aluminiumoxid-Werkzeug (Beispiel 26). Die Einsätze waren von der auswechselbaren Art mit negativer Neigung (einstellbar und umstellbar) und hatten Abmessungen von 12,7 χ 12,7x4,7 mm. Die Sinterkarbid-Hartmetall-Grundkörper der Beispiele 26 Und 25 bestanden aus 94% WG und 6% Go. Der Grundkörper wurde bei 105O⁰C nach dem Dampfabscheidungsverfahren, das im Zusammenhang mit den Beispielen 1 bis IO beschrieben wurde, mil AI2O3 beschichtet.

Die Leistungsfähigkeit des mit 2,5 μπι AI2O3 beschichteten Einsatzes war eindeutig besser, als die des unbeschichteten Sinterkafbid-Einsatzes der gleichen

Tabelle 111

Grundkörperzusammensetzung. Aus Untersuchungen mit anderen Schiehtdicken wurde festgestellt, daß die optimale Dicke für diese Art der Bearbeitung (z. B. von Hochtemperaturlegierungen) im Bereich von I-3 um liegt. Dicken größör als 3 μηι führen bei diesen Tests zu verringerter Lebensdauer des Werkzeuges. Die hervorragende Festigkeit des AbCh-beschichteten Werkzeuges ist gut durch die rasche Zerstörung des aus kompaktem AI2O3 bestehenden Werkzeuges nach Beispiel 26 demonstriert, während weder ein Bruch noch ein Zerspanen bei den AbOj-beschichteten Werkzeugen des Beispiels 24 beobachtet wurde.

Beispiel

Einsatzart

Schichtdicke	Zeit bis zu einer	Bemerkungen
	Flanken-^
	abnutzung von
	0,5 mm
(μπι)'	(min)
2,5	8,5
-	5,4
-	1,0	Rasche
		Zerstörung
		der Kanten

A^Oj-Beschichtung auf Sinterkarbid
Unbeschichtetes Sinterkarbid
Kompaktes Al₂O₃

Claims

Patentansprüche:

1. Schneideinsatz hoher Festigkeit und Abnutzungsbeständigkeit aus einem Grundkörper aus Sinterkarbid-Hartmetall, bestehend aus Wolframkarbid und Titankarbid und/oder Tantalkarbid und einer Eisen-, Nickel oder Kobalt-Matrix und einer mindestens 50% Aluminiumoxid enthaltenden aus ' der Gasphase abgeschiedenen Beschichtung, gekennzeichnet durch