DE60017489T2

DE60017489T2 - Sinterkarbideinsatz

Info

Publication number: DE60017489T2
Application number: DE60017489T
Authority: DE
Inventors: Anders Lenander; Mikael Lindholm
Original assignee: Sandvik AB
Current assignee: Sandvik Intellectual Property AB
Priority date: 1999-04-08
Filing date: 2000-03-29
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2020-03-30
Also published as: EP1043415B1; US6344264B1; USRE40962E1; EP1043415A2; JP2000326109A; US20020050102A1; DE60017489D1; SE9901244D0; US6616970B2; ATE287458T1; EP1043415A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen beschichteten Hartmetallschneidwerkzeugeinsatz, der besonders brauchbar für das Drehen in Stählen oder nichtrostenden Stählen ist und besonders geeignet für Bearbeitungen mit hohem Bedarf sowohl bezüglich der Zähigkeits- als auch der Verschleißbeständigkeitseigenschaften des Einsatzes ist. Der Hartmetalleinsatz hat Oberflächenzonen mit Elementenzusammensetzungen, die von der Zusammensetzung der Hauptmasse sich unterscheiden, was gleichzeitig eine ausgezeichnete Zähigkeit und gute Beständigkeit gegen plastische Verformung ergibt.
Hochleistungsschneidwerkzeuge müssen heute hohe Verschleißbeständigkeit, hohe Zähigkeitseigenschaften und gute Beständigkeit gegen plastische Verformung besitzen. Verbessertes Zähigkeitsverhalten eines Schneideinsatzes kann durch Steigerung der WC-Korngröße und/oder durch Steigerung des Gesamtbindephasengehaltes erzielt werden, doch führen solche Änderungen gleichzeitig zu einem signifikanten Verlust der Beständigkeit gegen plastische Verformung.
Verfahren zur Verbesserung des Zähigkeitsverhaltens durch Einführung einer im wesentlichen γ-Phase-freien und Bindephasen-angereicherten Oberflächenzone mit einer Dicke von etwa 20–30 μm auf den Einsätzen durch sogenannte Gefällesintertechniken sind seit einiger Zeit bekannt, wie beispielsweise aus den US 4,277,283 , US 4,497,874 , US 4,548,786 , US 4,640,931 , US 5,484,468 , US 5,549,980 , US 5,649,279 und US 5,729,823 . Die Charakteristika dieser Patente sind jene, daß die Oberflächenzone an γ-Phase verarmt und an Bindephase angereichert wird.
Die WO-A-97-09463 beschreibt einen beschichteten Dreheinsatz mit einem aus WC, CO und kubischen Carbiden von Ti, Ta und/oder Nb bestehenden Körper und einer stark allegierten Bindephase. Die Beschichtung enthält eine innerste Schicht von TiC_xN_yO_z mit säulenartigen Körnern und eine Deckschicht aus feinkörnigem κ-Al₂O₃.
Die EP-A-1 043 416 beschreibt einen Schneidwerkzeugeinsatz mit einem Hartmetallkörper, der aus WC, 5–12 Gew.-% Co und 3–11 Gew.-% kubischen Carbiden von Ti, Ta und W besteht. Die Menge an Nb liegt unter 0,1 Gew.-%, das Verhältnis Ta/Ti ist 2,0–3,0, und die Bindephase ist stark mit W legiert. Der Hartmetallkörper hat außerdem eine 10–30 μm dicke, im wesentlichen γ-freie Oberflächenzone.
Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß durch Verwendung einer optimierten Zusammensetzung der γ-Phase, d. h. einer γ-Phase, die im wesentlichen nur aus TaC und TiC zusätzlich zu WC besteht, indem man das Verhältnis zwischen den Elementen Ta und Ti in speziellen Grenzen hält, und eine W-legierte Bindephase die Zähigkeitseigenschaften der gefällegesinterten Schneideinsätze signifikant ohne Verlust an Beständigkeit gegen plastische Verformung verbessert werden können.
1 ist eine grafische Darstellung des Wertes der Co-Anreicherung nahe der Oberfläche eines Einsatzes nach der Erfindung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung bekommt man nun einen beschichteten Hartmetalleinsatz mit einer 10–40 μm dicken, im wesentlichen γ-Phase-freien und Bindephaseangereicherten Oberflächenzone mit einem durchschnittlichen Bindephasengehalt (volumenmäßig) im Bereich vom 1,2–2,0fachen der Masse des Bindephasengehaltes. Die γ-Phase besteht im wesentlichen aus TaC und TiC und in einigem Umfang aus WC, gelöst in der γ-Phase während des Sinterns. Das Verhältnis Ta/Ti liegt zwischen 1,0 und 4,0.
Die Bindephase ist stark W-legiert. Der Gehalt an W in der Bindephase kann als ein CW-Verhältnis = M_S/(Gew.-% Co · 0,0161) ausgedrückt werden, worin M_S die gemessene Sättigungsmagnetisierung des Hartmetallkörpers in kA/m ist und Gew.-% Co der Gewichtsprozentsatz von Co in dem Hartmetall ist. Das CW-Verhältnis besitzt einen Wert ≤ 1, und je niedriger das CW-Verhältnis ist, desto höher ist der W-Gehalt in der Bindephase. Es wurde nun gemäß der Erfindung gefunden, daß eine verbesserte Schneidleistung erreicht wird, wenn das CW-Verhältnis im Bereich 0,75–0,95 liegt.
Die vorliegende Erfindung ist anwendbar auf Hartmetalle mit einer Zusammensetzung von 6–8,9 Gew.-% Bindephase bestehend aus Co und 3–11, vorzugsweise 4–6,9 Gew.-% TaC + TiC und Rest WC. Der Nb-Gehalt sollte 0,1 Gew.-% nicht überschreiten. Das Gewichtsverhältnis Ta/Ti sollte 1,0–4,0 betragen. Das WC hat eine mittlere Korngröße von 1,0–4,0 μm, vorzugsweise von 1,5–3,0 μm. Der Hartmetallkörper kann kleine Mengen, <1 Vol.-%, an η-Phase (MsC) enthalten.
Einsätze nach der Erfindung werden außerdem mit einer Beschichtung versehen, die im wesentlichen aus einer Basis von 3–12 μm säulenförmiger TiCN-Schicht und anschließend einer 1–8 μm dicken Al₂O₃-Schicht, abgeschieden z. B. gemäß einem der Patente US 5,766,782 , US 5,654,035 , US 5,674,564 , US 5,702,808 , vorzugsweise mit einer κ-Al₂O₃-Schicht und bevorzugt mit einer äußersten dünnen Schicht von TiN, die vorzugsweise in der Kantenlinie durch Bürsten oder Sandstrahlen entfernt wird, besteht.
Durch Aufbringung von Beschichtungen mit unterschiedlicher Dicke auf dem Hartmetallkörper gemäß der Erfindung kann die Eigenschaft des beschichteten Einsatzes optimiert werden, um spezielle Schneidbedingungen zu erzielen. Bei einer Ausführungsform wird ein Hartmetalleinsatz, der nach der Erfindung erzeugt wurde, mit einer Beschichtung versehen, die aus 6 μm TiCN, 5 μm Al₂O₃ und 1 μm TiN besteht. Dieser beschichtete Einsatz ist besonders geeignet für das Arbeiten in Stahl. Bei einer anderen Ausführungsform wird der nach der Erfindung erzeugte Hartmetalleinsatz mit einer Beschichtung versehen, die aus 8 μm TiCN, 2 μm Al₂O₃ und 1 μm TiN besteht. Diese Beschichtung ist besonders geeignet für Schneidoperationen in nichtrostenden Stählen.
Schneideinsätze nach der Erfindung, die ein Hartmetallsubstrat umfassen, das aus einer Bindephase von Co, WC und einer γ-Phase aus den Elementen Ta und Ti mit einer Bindephase-angereicherten Oberflächenzone im wesentlichen frei von γ-Phase und einer Beschichtung besteht, werden auf folgende Weise hergestellt. Ein Pulvergemisch, das 6–8,9 Gew.-% Bindephase, die aus Co und 3–11, vorzugsweise 4–6,9 Gew.-% TaC + TiC und Rest WC mit einer mittleren Korngröße von 1,0–4,0 μm, vorzugsweise 1,5–3,0 μm besteht, wird hergestellt. Der Nb-Gehalt sollte 0,1 Gew.-% nicht übersteigen. Das Gewichtsverhältnis Ta/Ti sollte 1,0–4,0 sein. Gut kontrollierte Mengen an Stickstoff sind entweder über das Pulver als Carbonitride zuzusetzen und/oder während des Sinterverfahrens über die Sintergasatmosphäre zuzugeben. Die Menge an zugesetztem Stickstoff bestimmt die Auflösungsgeschwindigkeit der kubischen Phasen während des Sinterverfahrens und bestimmen damit die Gesamtverteilung der Elemente in dem Hartmetall nach der Verfestigung. Die optimale Menge an Stickstoff, die zuzusetzen ist, hängt von der Zusammensetzung des Hartmetalls und insbesondere der Menge an kubischen Phasen ab und variiert zwischen 0,6 und 2,0 Gew.-% der Elemente Ti und Ta. Die genauen Bedingungen hängen in bestimmtem Umfang von der Gestaltung der Sintereinrichtung ab, die verwendet wird. Es liegt innerhalb der Erfahrungen des Fachmanns, zu bestimmen, ob die erforderliche Oberflächenzone des Hartmetalls erhalten wurde, und die Stickstoffzugabe und das Sinterverfahren gemäß der vorliegenden Spezifikation so abzuwandeln, daß er das erwünschte Ergebnis bekommt.
Die Rohmaterialien werden mit Preßmittel und gegebenenfalls W derart vermischt, daß das erwünschte CW-Verhältnis erhalten wird, und das Gemisch wird vermahlen und sprühgetrocknet, um ein Pulvermaterial mit den erwünschten Eigenschaften zu erhalten. Danach wird das Pulvermaterial verdichtet und gesintert. Sintern erfolgt bei einer Temperatur von 1300-1500°C in einer kontrollierten Atmosphäre von etwa 50 mbar und anschließendes Kühlen. Nach herkömmlichen Nachsinterungsbehandlungen einschließlich Kantenabrundung, wird ein harter, verschleißbeständiger Überzug gemäß den obigen Angaben durch CVD- oder MT-CVD-Technik abgeschieden.
Beispiel 1
A) Hartmetalldreheinsätze der Type CNMG120408-PM mit der Zusammensetzung 7,5 Gew.-% Co, 3,8 Gew.% TaC, 1,9 Gew.-% TiC und 0,40 Gew.-% TiN und Rest WC mit einer durchschnittlichen Korngröße von 2,0 μm wurden gemäß der Erfindung hergestellt. Der Stickstoff wurde dem Hartmetallpulver als TiCN zugesetzt. Das Sintern erfolgte bei 1450°C in einer Atmosphäre, die aus Ar bestand, bei einem Gesamtdruck von etwa 50 mbar.
Metallographische Untersuchung zeigte, daß die erzeugten Einsätze eine von kubischem Carbid freie Zone von 25 μm hatten. 1 zeigt eine grafische Darstellung der Co-Anreicherung nahe der Oberfläche, gemessen durch Bildanalysentechnik. Co wurde bis zu einem Peak-Wert des 1,3fachen des Gehaltes der Hauptmasse angereichert. Magnetische Sättigungswerte wurden aufgezeichnet und verwendet für die Berechnung der CW-Werte. Ein mittlerer CW-Wert von 0,89 wurde erhalten.
Nach üblicher Vorbeschichtungsbehandlung, wie Kantenhonen, Reinigen usw., wurden die Einsätze in einem CVD-Verfahren beschichtet, das eine erste Beschichtung mit einer dünnen Schicht von <1 μm TiN und anschließend eine 6 μm dicke Schicht von TiCN mit säulenartigen Körnern unter Verwendung von MTCVD-Techniken umfaßte (Verfahrenstemperatur 850°C und CH₃CN als Kohlenstoff/Stickstoffquelle). In einer anschließenden Verfahrensstufe während des gleichen Beschichtungszyklus wurde eine 5 μm dicke κ-Al₂O₃-Schicht nach der US-Patentschrift 5,644,564 abgeschieden. Oben auf die κ-Al₂O₃-Schicht wurde eine 1,0 μm dicke TiN-Schicht abgeschieden. Die beschichteten Einsätze wurden gebürstet, um den TiN-Überzug von der Kantenlinie glatt zu entfernen.
B) Hartmetalldreheinsätze vom Typ CNMG120408-PM mit der Zusammensetzung 7,5 Gew.-% Co, 2,9 Gew.-% TaC, 1,9 Gew.-% TiC, 0,5 Gew.-% NbC und 0,40 Gew.-% TiN und Rest WC mit einer mittleren Korngröße von 2,0 μm wurden hergestellt. Die Einsätze wurden in dem gleichen Verfahren wie in A gesintert. Metallographische Untersuchung zeigte, daß die erzeugten Einsätze eine von kubischen Carbiden freie Zone von 25 μm hatten. Magnetische Sättigungswerte wurden aufgezeichnet und für die Berechnung der CW-Werte verwendet. Ein mittlerer CW-Wert von 0,89 wurde erhalten. Die Einsätze waren Gegenstand der gleichen Vorbeschichtungsbehandlung wie A, wurden in dem gleichen Beschichtungsverfahren beschichtet und auch auf gleiche Weise wie A gebürstet.
Beispiel 2
Einsätze aus A wurden getestet und mit Einsätzen aus B in Bezug auf die Zähigkeit in einer Längsdrehoperation mit unterbrochenen Schnitten verglichen.
Material: Kohlenstoffstahl SS1312.
Schneiddaten:

Schneidgeschwindigkeit = 120 m/min

Schneidtiefe = 1,5 mm

Vorschub = Beginn mit 0,15 mm und allmähliche Steigerung auf 0,10 mm/min bis zum Bruch der Kante. 10 Kanten einer jeden Variante wurden gestetet. Einsatztype: CNMG120408-PM
Ergebnisse:

Mittlerer Vorschub beim Bruch

Einsatz A 0,51 mm/Umdrehung

Einsatz B 0,25 mm/Umdrehung
Beispiel 3
Einsätze aus A und B wurden in Bezug auf die Beständigkeit gegen plastische Verformung im Längsdrehen von legiertem Stahl (AlSl 4340) getestet.
Schneiddaten:

Schneidgeschwindigkeit = 160 m/min

Vorschub = 0,7 mm/Umdrehung

Schneidtiefe = 2 mm

Zeit im Schnitt = 0,50 min
Die plastische Verformung wurde als die Kantensenkung an der Nase der Einsätze gemessen.
Ergebnisse:

Kantenabsenkung, μm

Einsatz A 61

Einsatz B 61
Beispiel 2 und 3 zeigen, daß Einsätze A nach der Erfindung viel bessere Zähigkeit in der Kombination mit der gleichen Widerstandsfähigkeit gegen plastische Verformung im Vergleich mit Einsätzen nach dem Stand der Technik zeigen.

Claims

Schneidwerkzeugeinsatz für die Stahlbearbeitung mit einem Hartmetallkörper und einer Beschichtung, wobei der Körper 6 bis 8,9 Gew.-% Co, 3 bis 11 Gew.-% kubische Carbide der Metalle Ta, Ti und W, Rest WC, mit einer mittleren WC-Korngröße im Bereich von 1,0 bis 4,0 μm und mit einer Nb-Menge von weniger als oder gleich 0,1 Gew.-% und mit einem Stickstoffgehalt zwischen 0,6 und 2% des Gewichts der Elemente Ti und Ta, wobei das Verhältnis Ta/Ti 1 bis 4 ist, die Co-Bindephase mit W entsprechend einem CW-Verhältnis von 0,75 bis 0,95 hoch legiert ist, wobei das CW-Verhältnis als CW-Verhältnis = Ms/Gew.-% Co . 0,0161)definiert ist, worin M_s die gemessene Sättigungsmagnetisierung des Hartmetallkörpers in kA/m ist und Gew.-% Co der Gewichtsprozentsatz von Co in dem Hartmetall ist, und der Hartmetallkörper eine mit Bindephase angereicherte, von κ-Phase freie Oberflächenzone einer Dicke von 10 bis 40 μm mit einem Bindephasenvolumengehalt vom 1,2- bis 2-fachen des Gehalts der Bindephasenmasse hat.
Schneidwerkzeugeinsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an TiC und TaC innerhalb von 4 bis 6,9 Gew.-% liegt.
Schneidwerkzeugeinsatz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung eine 3 bis 12 μm dicke säulenartige TiCN-Schicht, gefolgt von einer 1 bis 8 μm dicken Al₂O₃-Schicht umfaßt.
Schneidwerkzeugeinsatz nach dem vorausgehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Al₂O₃-Schicht κ-Al₂O₃ ist.
Schneidwerkzeugeinsatz nach einem der Ansprüche 3 und 4, gekennzeichnet durch eine äußerste TiN-Schicht.
Schneidwerkzeugeinsatz nach dem vorausgehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die TiN-Schicht in der Kantenlinie durch Bürsten oder Sandstrahlen entfernt wird.