DE69603765T2

DE69603765T2 - Beschichteter Schneideinsatz

Info

Publication number: DE69603765T2
Application number: DE69603765T
Authority: DE
Inventors: Bjoern Ljungberg; Bjoern Olsson
Original assignee: Sandvik AB
Current assignee: Sandvik Intellectual Property AB
Priority date: 1995-04-05
Filing date: 1996-03-19
Publication date: 1999-12-02
Anticipated expiration: 2016-03-20
Also published as: ATE183555T1; IL117494A; KR100404702B1; EP0736615B1; BR9601258A; DE69603765D1; CN1134470A; US6333098B1; JPH08276305A; SE514181C2; US5912051A; KR960037188A; EP0736615A2; SE9501286D0; EP0736615A3; IL117494A0; SE9501286L

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein beschichtetes Schneidwerkzeug (Sintercarbideinsatz), das besonders für Trockenmahlung von Grauguß brauchbar ist.
Grauguß ist ein Material, welches im allgemeinen annehmbar leicht mit Sintercarbidwerkzeugen zu bearbeiten ist. Oftmals kann man eine lange Lebensdauer erhalten. Die Bearbeitbarkeit von Gußeisen kann aber sehr unterschiedlich sein. Die Werkzeugstandzeit kann durch kleine Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung in dem Material wesentlich beeinflußt werden, was von den verwendeten Gießtechniken, wie den Kühlbedingungen, abhängen kann. Andere Gründe für Veränderungen sind die Gießhaut und Sandeinschlüsse, wenn vorhanden, oder sogar die Stabilität der Maschine, die zum Schneiden des Materials verwendet wird. Es ist bekannt, daß die maschinelle Bearbeitbarkeit von Gußeisen von Ansatz zu Ansatz variieren kann.
Es besteht immer ein Wunsch nach einer zuverlässigen und beständigen Werkzeugstandzeit bei Massenvolumenproduktion und insbesondere, wenn eine personalfreie Produktion angewendet wird.
Beim maschinellen Bearbeiten von Grauguß mit beschichteten Fräsern verschleißen diese hauptsächlich durch einen sogenannten Haftverschleißmechanismus. Das heißt, Bruchstücke oder einzelne Körner der Schichten und später auch Teile des Sintercarbids werden nacheinander von der Schneidkante weg durch den gebildeten Werkstückspan pulverisiert. Ein solcher Verschleißmechanismus wird weiter durch die Bildung von Rissen in einem Abstand von etwa 50 pm entlang und senkrecht zu der Schneidkante beschleunigt, was man allgemein als Wabenrisse bezeichnet. Sie sind das Ergebnis thermischer Ermüdung, die durch das intermittierende Schneiden verursacht wird, welches für alle Fräsoperationen typisch ist. Handelsübliche Sintercarbidfräseinsätze enthalten daher allgemein gamma-Phase, die eine feste Lösung von WC-TiC-TaC-NbC ist, um den durch Wärme beeinflußten Verschleißmechanismus zu vermindern.
Sobald die Beschichtung verschlissen ist, verschleißt das darunterliegende Sintercarbid schnell. Dies führt zu höheren Schneidkräften. Die gebildeten Wabenrisse verursachen nach einiger Zeit ernsthafte Spanbildung der Schneidkante, und das zerstörte Werkzeug wird eine schlechte Oberfläche oder Spanbildung des maschinell behandelten Werkstückes erzeugen.
Spanbildung vorherrschend vom Haftverschleißtyp stellt hohe Anforderungen sowohl an die Beschichtung als auch an das Sintercarbid. Ein Sintercarbid, das Wabenrißbildung so lange wie möglich widerstehen kann, und eine Beschichtung, die an dem Sintercarbid gut haftet, ist erwünscht. Weiterhin ist es erwünscht, daß es geringe Haftungskräfte zwischen dem Span und der Beschichtung gibt und die Beschichtung eine hohe innere Festigkeit (Kohäsivität) hat, eine Eigenschaft, die von signifikanter Bedeutung sein dürfte.
Es wurde überraschenderweise gefunden, daß ein gerader WC-Co-Sintercarbidkörper, der hier als das Substrat bezeichnet wird und im wesentlichen mit einer inneren säulenförmigen körnigen Beschichtungsstruktur hauptsächlich aus TiCxNyOz Schicht mit säulenartigen Körnern und einer säulenartig texturierten feinkörnigen α-Al&sub2;O&sub3;-Schicht darüber besteht, sehr gute Leistung erbringt, besonders beim Fräsen von Gußeisen. In der Tat fand man, daß ein solches Werkzeug eine weit bessere Schneidleistung als bekannte Werkzeuge erbringt.
Fig. 1 ist eine Mikrophotographie in 5000facher Vergrößerung eines beschichteten Einsatzes nach der vorliegenden Erfindung, worin
A - Substrat
B - TiCxNyOz-Schicht mit gleichachsigen Körnern
C - TiCxNyOz-Schicht mit säulenartigen Körnern
D - TiCxNyOz-Schicht mit gleichachsigen oder nadelartigen Körnern
E - (012)-texturierte α-Al&sub2;O&sub3;-Schicht mit säulenähnlichen Körnern sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung bekommt man einen Schneidwerkzeugeinsatz, der mit einem Sintercarbidsubstrat einer WC + Co-Zusammensetzung mit einem Gehalt von 3 bis 13, vorzugsweise 5 bis 12, am meisten bevorzugt 5 bis 8 Gew.-% Co und mit einer WC- Korngröße von 1 bis 2 um, vorzugsweise etwa 1,5 um, versehen ist. Außerdem kann das Substrat bis zu 2 Gew.-% kubische Carbide von Metallen der Gruppen IVA, VA oder VIA des Periodensystems enthalten, wie TiC, TaC und NbC. Die gerade WC + Ca-Zusammensetzung ist jedoch bevorzugt.
Die Beschichtung umfaßt die folgenden Schichten in Aufeinanderfolge:
- eine erste innerste Schicht von TiCxNyOz mit x + y + z = 1 und z < 0,5 mit einer Dicke von 0,1 bis 2 um und gleichachsigen Körnern einer Größe von < 0,5 um
- eine nächste Schicht von TiCxNyOz mit x + y + z = 1 und z = 0, x > 0,3 und y > 0,3 mit einer Dicke von 2 bis 10 um, vorzugsweise 4 bis 7 um mit säulenartigen Körnern und einem Durchmesser von < 5 um, vorzugsweise < 2 um,
- eine nächste Schicht von TiCxNyOz mit x + y + z = 1 und z ≤ 0,5, vorzugsweise z ≤ 0,1 mit einer Dicke von 0,1 bis 2 um und gleichachsigen oder nadelartigen Körnern mit einer Größe ≤ 0,5 um, wobei diese Schicht gleich oder verschieden gegenüber der innersten Schicht ist, und
- eine Außenschicht einer glatten, texturierten, feinkörnigen (Korngröße etwa 1 um) α-Al&sub2;O&sub3;-Schicht mit einer Dicke von 2 bis 10 um, vorzugsweise 3 bis 6 um und einer Oberflächenrauhheit (Ra) von weniger als 0,3 mm über eine gemessene Länge von 0,25 mm. Vorzugsweise ist diese Al&sub2;O&sub3;-Schicht die äußerste Schicht, doch können hier auch weitere Schichten folgen, wie eine dünne (0,1 bis 1 um) dekorative Schicht, z. B. von TiN, wie im Stand der Technik bekannt ist.
Außerdem hat die α-Al&sub2;O&sub3;-Schicht eine Kristallwachstumsausrichtung in einer der Richtungen (012), (104) oder (110), vorzugsweise in der (012)-Richtung, wie durch Röntgenstrahlenbeugungsmessungen (XRD) bestimmt wird. Ein Gefügekoeffizient, TC, wird wie folgt definiert:
worin
I (hkl) = gemessene Intensität der (hkl)-Reflexion
Io (hkl) = Standardintensität der Beugungsbilddaten von ASTM-Standardpulver
n = Anzahl der in der Berechnung verwendeten Reflexionen, verwendete (hkl)- Reflexionen sind (012), (104), (110), (113), (024) und (116).
Gemäß der Erfindung ist TC für den Kristallebenen-Satz (012), (104) oder (110) größer als 1,3, vorzugsweise größer als 1,5.
Nach dem Verfahren der Erfindung wird ein Substrat auf WC-Co-Basis, das aus WC, 3 bis 15 Gew.-% Co und 52 Gew.-% Carbiden von Metallen aus den Gruppen IVA, VA oder VIA des Periodensystems mit den folgenden Schichten in der Reihenfolge beschichtet:
- einer ersten innersten Schicht von TiCxNyOz mit x + y + z = 1 und z < 0,5 mit einer Dicke von 0,1 bis 2 um und mit gleichachsigen Körnern mit einer Größe < 0,5 um unter Verwendung bekannter CVD-Methoden,
- einer nächsten Schicht von TiCxNyOz mit x + y + z = 1 und z = 0, x > 0,3 und y > 0,3 mit einer Dicke von 2 bis 10 um, vorzugsweise 4 bis 7 um mit säulenartigen Körnern und mit einem Durchmesser von < 5 um, vorzugsweise < 2 um, die entweder durch MTCVD-Technik unter Verwendung von Acetonitril als Kohlenstoff- und Stickstoffquelle zur Bildung der Schicht im Temperaturbereich von 700 bis 900ºC oder durch Hochtemperatur-CVD-Technik im Temperaturbereich von 1000 bis 1100ºC abgeschieden wurde, wobei die Verfahrensbedingungen so ausgewählt sind, daß Schichten mit säulenartigen Körnern wachsen, d. h. allgemein bei hohem Verfahrensdruck (0,3 bis 1 bar). Die genauen Bedingungen hängen jedoch in bestimmtem Umfang von der Gestalt der verwendeten Anlage ab.
- einer nächsten Schicht von TiCxNyOz mit x + y + z = 1 und z ≤ 0,5, vorzugsweise z > 0,1 mit einer Dicke von 0,1 bis 2 um und mit gleichachsigen oder nadelartigen Körnern mit einer Größe 50,5 um unter Verwendung bekannter CVD-Methoden, wobei diese Schicht gleich oder verschieden gegenüber der innersten Schicht ist,
- einer Außenschicht mit einer glatten texturierten α-Al&sub2;O&sub3;-Schicht mit einer Dicke von 2 bis 10 um, vorzugsweise 3 bis 6 um und einer Oberflächenrauhheit (Ra) von weniger als 0,3 um über eine gemessene Länge von 0,25 mm nach der bekannten CVD- Technik, z. B. gemäß dem schwedischen Patent Nr. 501 527 (EP-A-0 603 144).
Wenn eine TiCxNyOz-Schicht mit z > 0 erwünscht ist, wird CO&sub2; und/oder CO dem Reaktionsgasgemisch zugesetzt.

Beispiel 1

A. Sintercarbid-Fräseinsätze vom Typ TNEF 1204 AN-65 und vom Typ SEKN 1204 AZ mit der Zusammensetzung 6% Co und Rest WC wurden mit einer 0,5 um dicken gleichachsigen TiCN-Schicht und danach mit einer 5 um dicken TiCN-Schicht mit säulenartigen Körnern unter Verwendung von MTCVD-Technik (Verfahrenstemperatur 850ºC) beschichtet. In anschließenden Verfahrensstufen während des gleichen Beschichtungszyklus wurde eine 1 um dicke Schicht mit gleichachsigen Körnern von TiCxNyOz (etwa x = 0,6, y = 0,2 und z = 0,2) abgeschieden, wonach eine 4 um dicke Schicht von (012)-texturiertem α-Al&sub2;O&sub3; erfolgte, die mit den in der schwedischen Patentschrift Nr. 501 527 angegebenen Bedingungen abgeschieden wurde. XRD-Messung zeigte einen Gefügekoeffizienten TC (012) von 1,5. Nach dem Beschichten wurden die Einsätze durch Naßsandstrahlen geglättet.
B. Sintercarbidfräseinsätze vom Typ TNEF 1204 AN-65 (wie in A) wurden mit einer 1 um dicken Schicht mit gleichachsigen Körnern von TiCN und anschließend mit einer 5 um dicken Schicht säulenförmiger Körner eines TiCN durch Hochtemperatur-CVD-Technik (1020ºC, Verfahrensdruck 400 mbar) beschichtet. In anschließenden Verfahrensstufen während desselben Beschichtungszyklus wurde eine 1 um dicke Schicht mit gleichachsigen Körnern von TiCxNyOz (etwa x = 0,6, y = 0,2 und z = 0,2) abgeschieden, worauf eine 4 um dicke Schicht von (012)-texturiertem α-Al&sub2;O&sub3; folgte, die nach den Bedingungen der schwedischen Patentschrift Nr. 501 527 abgeschieden wurde. XRD-Messung zeigte einen Gefügekoeffizienten TC (012) von 1,6. Nach dem Beschichten wurden die Einsätze durch Naßsandstrahlen geglättet.
C. Sintercarbidfräseinsätze vom Typ TNEF 1204 AN-65 mit der Zusammensetzung von 5,5% Co und 8,5% kubischen Carbiden und Rest WC wurden mit dem in A angegebenen Verfahren beschichtet. Nach dem Beschichten wurden die Einsätze durch Naßsandstrahlen geglättet.
D. Fräseinsätze aus dem gleichen Sintercarbidansatz wie in C wurden mit einem Überzug von gleichachsigem TiCN einer Dicke von 5 um sowie mit 4 um Al&sub2;O&sub3; gemäß dem Stand der Technik beschichtet, was zu einem Gemisch grober α- und feiner κ-Al&sub2;O&sub3;- Körner in der Schicht führte. Die Einsätze wurden durch Naßsandstrahlen geglättet.

Beispiel 2

Einsätze von A wurden wie nachfolgend getestet:
Verfahren: Stirnfräsen mit dem Fräser SANDVIK AUTO, Durchmesser 250 mm
Werkstück: speziell gestaltete Komponente
Material: SSO 125 (Grauguß HB = 205)
Schneidgeschwindigkeit: 129 m/min
Vorschubgeschwindigkeit: 0,24 mm/Zahn
Schneidtiefe: 2,0 mm
Einsatztype: TNEF 1204 AN-65
Bemerke: Das Verfahren lief ohne Kühlmittel (trocken).
Ergebnisse: Werkzeugstandzeit, min
Qualität A (nach der Erfindung) 40
Das Werkzeugstandzeitkriterium war Spanbildung auf der Ausgangsseite des Werkstückes.

Beispiel 3

Einsätze von A wurden in einem anderen Fräsbetrieb wie nachfolgend getestet:
Verfahren: Stirnfräsen mit dem Fräser SANDVIK 145, Durchmesser 63 mm
Werkstück: Hydraulikmotorbestandteil
Material: SSO 125 (Grauguß, HB = 220)
Schneidgeschwindigkeit: 178 m/min
Vorschubgeschwindigkeit: 0,17 mm/Zahn
Schneidtiefe: 2 bis 3 mm
Einsatztype: SEKN 1204 AZ
Bemerke: Das Verfahren lief ohne Kühlmittel (trocken).
Ergebnisse: Werkzeugstandzeit, h
Qualität A (nach der Erfindung) 24
Das Werkzeugstandzeitkriterium war Oberflächennachbearbeitung.

Beispiel 4

Einsätze von A, C und D wurden gegeneinander in einem Fräsbetrieb getestet.
Verfahren: Stirnfräsen mit dem Fräser SANDVIK AUTO, Durchmesser 250 mm
Werkstück: Motorblock
Material: SSO 125 (GG 26 Cr) Grauguß
Schneidgeschwindigkeit: 120 m/min
Vorschubgeschwindigkeit: 0,28 mm/Zahn
Schneidtiefe: 4 bis 5 mm
Einsatztype: TNEF 1204 AN-65
Bemerke: Das Verfahren lief ohne Kühlmittel (trocken).
Die Einsätze liefen alle 868 Durchgänge und wurden bezüglich der Kantenspanbildung verglichen.

Ergebnisse: Variante Kantenspanbildungsgrad

A (Erfindung) keiner
C (nur verbesserte Beschichtung) geringer
D (Stand der Technik) stark
Die Ergebnisse zeigen den Vorteil der Beschichtung nach der Erfindung sowie deren Kombination mit dem WC/Co-Carbidsubstrat, um maximale Leistung zu erzielen.

Beispiel 5

Einsätze von A, B und D wurden gegeneinander in einem Fräsbetrieb getestet.
Verfahren: Stirnfräsen mit dem Fräser SANDVIK AUTO,
Durchmesser 250 mm
Werkstück: speziell gestaltetes Testteil
Material: SSO 125 (Grauguß, HB = 205)
Schneidgeschwindigkeit: 129 m/min
Vorschubgeschwindigkeit: 0,30 mm/Zahn
Schneidtiefe: 2 mm
Einsatztype: TNEF 1204 AN-65
Bemerke: Das Verfahren lief ohne Kühlmittel (trocken).
Die Einsätze liefen alle 48 Durchgänge und wurden hinsichtlich der Kantenspanbildung verglichen.

Ergebnisse: Variante Relative Breite der abgespannten Fläche

A (Erfindung) 0,3
B (Erfindung) 0,4
D (Stand der Technik) 1,0
Die Ergebnisse zeigen in der Praxis gleiche Leistung von A und B. Der einzige Unterschied ist die Beschichtungstemperatur, die zum Abscheiden der TiCN-Schichten angewendet wurde. Die Einsätze nach dem Stand der Technik zeigten höchsten Verschleiß.

Claims

1. Schneideinsatz zum Fräsen von Grauguß mit einem Substrat und einer Beschichtung, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus WC, 3 bis 15 Gew.-% Co und ≤ 2 Gew.-% Carbiden von Metallen aus den Gruppen IVA, VA oder VIA des Periodensystems besteht und die Beschichtung die folgenden Schichten in der angegebenen Reihenfolge umfaßt:

- eine erste innerste Schicht von TiCxNyOz mit x + y + z = 1 und z < 0,5 mit einer Dicke von 0,1 bis 2 um und mit gleichachsigen Körnern in der Größe < 0,5 um,

- eine nächste Schicht von TiCxNyOz mit x + y + z = 1 und x > 0,3, y > 0,3 und z = 0 mit einer Dicke von 2 bis 10 um mit säulenartigen Körnern mit einem Durchmesser von < 5 um,

- eine nächste Schicht von TiCxNyOz mit x + y + z = 1 und z ≤ 0,5 mit einer Dicke von 0,1 bis 2 um und mit gleichachsigen oder nadelähnlichen Körnern mit einer Größe ≤ 0,5 um,

- eine Außenschicht einer glatten, texturierten, feinkörnigen α-Al&sub2;O&sub3;-Schicht mit einer Dicke von 2 bis 10 um und einer Textur in der (012)-Richtung oder (104)- Richtung oder (110)-Richtung mit einem Gefügekoeffizienten TC größer als 1,3, wobei TC folgendermaßen definiert ist:

worin

I (hkl) = gemessene Intensität der (hkl)-Reflexion,

Io (hkl) = Standardintensität der Beugungsbilddaten von ASTM-Standardpulver

n = Anzahl der in der Berechnung verwendeten Reflexionen, verwendete (hkl)-Reflexionen sind (012), (104), (110), (113), (024) und (116).

2. Schneideinsatz nach dem vorausgehenden Anspruch, gekennzeichnet durch eine dünne 0,1 bis 1 um dicke TiN-Schicht als äußerste Schicht.

3. Verfahren zur Herstellung eines Schneideinsatzes mit einem Substrat das aus WC, 3 bis 15 Gew.-% Co und S 2 Gew.-% Carbiden von Metallen der Gruppen IVA, VA oder VIA des Periodensystems besteht, und einer Beschichtung, worin das Substrat auf WC-Co-Basis mit den folgenden Schichten in der angegebenen Reihenfolge beschichtet ist:

- einer ersten innersten Schicht von TiCxNyOz mit x + y + z = 1 und z < 0,5 mit einer Dicke von 0,1 bis 2 um und gleichachsigen Körnern einer Größe von < 0,5 um unter Verwendung bekannter CVD-Methoden,

- einer nächsten Schicht von TiCxNyOz mit x + y + z = 1 und x > 0,3, y > 0,3 und z = 0 mit einer Dicke von 2 bis 10 um mit säulenartigen Körnern mit einem Durchmesser von < 5 um, abgeschieden entweder durch CVD-Technik mit moderater Temperatur unter Verwendung von Acetonitril als die Kohlenstoff- und Stickstoffquelle zur Bildung der Schicht in dem Temperaturbereich von 700 bis 900ºC oder durch Hochtemperatur-CVD-Technik im Temperaturbereich von 1000 bis 1100ºC,

- einer nächsten Schicht von TiCxNyOz mit x + y + z = 1 und z ≤ 0, 5, mit einer Dicke von 0,1 bis 2 um und mit gleichachsigen oder nadelähnlichen Körnern in der Größe 0,5 um unter Verwendung bekannter CVD-Methoden und

- einer Außenschicht einer glatten, texturierten α-Al&sub2;O&sub3;-Schicht mit einer Dicke von 2 bis 10 um gemäß bekannter CVD-Technik.