SE516017C2 - Hårdmetallskär belagt med slitstark beläggning - Google Patents

Description

25 30 35 40 5162017 Figur l är en schematisk teckning av ett tvärsnitt av en egg av ett skär gradientsintrat enligt föreliggande uppfinning där A = bindefasanrikad ytzon B = zon nära skäreggen C en linje väsentligen tudelande eggen Det har nu överraskande visat sig att avsevärda förbättringar med avseende på motstånd mot plastisk deformation och seghetsbete- ende kan erhållas samtidigt för ett hårdmetallskär om ett antal egenskaper kombineras. Förbättringen i skärprestanda för hårdme- tallskären kan erhållas om koboltbindefasen är högt legerad med W, om den bindefasanrikade ytzonen A väsentligen fri från kubisk kar- bid har en viss tjocklek och sammansättning, om den kubiska kar- bidsammansättningen nära skäreggen B är optimerad och om skäret är belagt med ett 3-12 um kolumnärt TiCN-skikt följt av ett 2-12 um tjockt Al2O3-skikt t.ex. framställt enligt något av patenten US 5,766,782, US 5,654,035, US 5,674,564 eller US 5,702,808. Al2O3- skiktet kommer att fungera som en effektiv termisk barriär under bearbetningen och därvid förbättra inte bara motståndet mot plas- tisk deformation som är en värmepåverkad egenskap men även öka gropslitstyrkan hos hårdmetallskäret. Om dessutom beläggningen längs skäreggen är tilljämnad genom en lämplig teknik såsom genom borstning med en SiC-baserad nylonborste eller genom en lätt blästring med Al2O3-sand kan skärprestanda förbättras ytterligare, särskilt med avseende på flagningsmotståndet hos beläggningen (se svensk patentansökan 9402543-4).

Sagda skär har utomordentliga prestanda vid bearbetning av stål vid höga skärhastigheter, särskilt làglegerade stål, kolstål och seghärdade stål. Som resultat erhålls ett bredare användnings- område för det belagda skäret därför att hårdmetallskäret enligt uppfinningen fungerar mycket bra vid både låga och mycket höga skärhastigheter under både kontinuerliga och intermittenta skärbe- tingelser.

Enligt föreliggande uppfinning föreligger nu ett belagt hård- metallskär med en <2O um, företrädesvis 5-15 um, tjock bindefasan- rikad ytzon A väsentligen fri från kubisk karbid (Fig.l). För att erhålla högt motstånd mot plastisk deformation men samtidigt und- vika en spröd skäregg är den kemiska sammansättningen optimerad i zon B (Fig.l). Längs linjen C (fig. 1) i riktning från egg till centrum av skäret ökar bindefashalten väsentligen monotont tills det når sammansättning i bulken. Vid eggen är bindefashalten 0,65- 0,75, företrädesvis omkring 0,7 gånger bindefashalten i bulken. På liknande sätt minskar den kubiska karbidfashalten längs linjen C.

Djupet för bindefasutarmningen och anrikningen i kubisk karbid längs linjen C är 100-300 um, företrädesvis 150-250 um. 10 15 20 25 30 35 40 45 5168 017 Bindefasen är högt W-legerad. W-halten i bindefasen kan ut- tryckas som ett CW-förhållande = MS /(vikt% Co 0,0161) Ms är uppmätt mättnadsmagnetisering för hårdmetallkroppen i kA/m och vikt% Co är viktprocenten av Co i hàrdmetallen. CW-för- hållandet har ett värde íl och ju lägre CW-förhållandet är desto högre är W-halten i bindefasen. Det har nu befunnits enligt upp- finningen att bättre skärprestanda erhålles om CW-förhållandet är 0,75-0,90.

Skär enligt uppfinningen är vidare försedda med en beläggning huvudsakligen bestående av 3-12 um kolumnärt TiCN-skikt följt av ett 2-12 um tjockt Al2O3-skikt belagt enligt t.ex. något av paten- ten US 5,766,782, US 5,654,035, US 5,674,564, US 5,702,808 före- trädesvis med ett d-Al2O3-skikt. där Föreliggande uppfinning kan tillämpas på hårdmetall med en sammansättning av 2-10, företrädesvis 4-7, viktprocent av bindefas bestående av Co, och 4-12, företrädesvis 7-10, viktprocent kubiska karbider av metallerna från grupperna IVA, VA eller VIA i det pe- riodiska systemet, företrädesvis >1 vikt% av vardera Ti, Ta och Nb och rest WC. N har tillsatts i en mängd av mellan 0,9 och l,7%, företrädesvis omkring 1,3-1,4%, av vikten av elementen från grup- perna IVA och VA. WC har en medelkornstorlek av företrädesvis 2,0 till 3,0 um. Hårdmetallkroppen kan innehålla liten mängd, <1 vo- lym%, n-fas (M6C).

Genom att använda skikt med olika tjocklekar på hårdmetall- kroppen enligt uppfinningen kan egenskaperna hos det belagda skä- ret optimeras till att passa specifika skärbetingelser. I en utfö- ringsform är ett hårdmetallskär framställt enligt uppfinningen försett med en beläggning bestående av: 6 um TiCN, 8 um Al2O3 och 1 um TiN. Detta belagda skär är speciellt lämpligt för skäropera- tion med höga krav beträffande gropförslitning. I en annan utfö- ringsform är ett hårdmetallskär framställt enligt uppfinningen försett med en beläggning bestående av: 8 um TiCN, 4 um Al2O3 och 1 um TiN. Denna beläggning är speciellt lämplig för skäroperatio- ner med höga krav på fasslitstyrka.

Skär enligt uppfinningen tillverkas av ett hårdmetallsubstrat bestående av en bindefas av Co, WC och en kubisk karbonitridfas med en bindefasanrikad ytzon väsentligen fri från kubisk fas och en beläggning. En pulverblandning innehållande 2-10, företrädesvis 4-7, viktprocent bindefas bestående av Co, och 4-12, företrädesvis 7-10, viktprocent kubiska karbider av metallerna från grupperna IVA, VA eller VIA i det periodiska systemet, företrädesvis >1 vikt% av vardera Ti, Ta och Nb och rest WC med en medelkornstorlek av företrädesvis 2,0-3,0 um. Väl kontrollerad mängd kväve till- sätts antingen genom pulvret som karbonitrider eller/och under 10 15 20 25 30 35 40 45 5164 017 sintringsprocessen via sintringsatmosfären. Mängden av tillsatt kväve kommer att bestämma hastigheten av upplösningen av den ku- biska fasen under sintringsprocessen och därför bestämma den all- männa fördelningen av elementen i hårdmetallen efter stelningen.

Optimal mängd kväve som skall tillsättas beror på sammansättningen av hårdmetallen och särskilt på mängden av kubisk fas och varierar mellan 0,9 och l,7%, företrädesvis omkring 1,3-1,4%, av vikten av elementen från grupperna IVA och VA i det periodiska systemet. De exakta betingelserna beror i viss utsträckning på utformningen av sintringsutrustningen som används. Fackmannen inom området kan av- göra om de önskade ytzonerna A och B hos hårdmetallen har erhål- lits och kan modifiera kvävetillsatsen och sintringprocessen i en- lighet med föreliggande beskrivning för att erhålla önskat resul- tat.

Råmaterialet blandas med pressmedel och eventuellt W så att det önskade CW-förhållandet uppnås och blandningen mals och spray- torkas för att erhålla ett pulvermaterial med önskade egenskaper.

Sedan pressas och sintras pulvermaterialet. Sintring utförs vid en temperatur av 1300-1500°C i en kontrollerad atmosfär av omkring 50 mbar följt vid kylning. Efter konventionella behandlingar efter sintring omfattande eggavrundning utfälls en hård, slitstark be- läggning enligt ovan med CVD- eller MT-CVD-teknik.

Exempel 1 A.) Hårdmetallsvarvskär av typen CNMG 120408-PM, DNMG150612- PM och CNMG160616-PR med sammansättningen 5,5 vikt% Co, 3,5 vikt% TaC, 2,3 vikt% NbC, 2,1 vikt% TiC och 0,4 vikt% TiN och rest WC med en medelkornstorlek av 2,5 um framställdes enligt uppfin- ningen. Kvävet tillsattes till karbidpulvret som TiCN. Sintring genomfördes vid 1450 OC i en kontrollerad atmosfär bestående av Ar, CO och något N2 vid ett totaltryck av omkring 50 mbar.

Metallografisk undersökning visade att de framställda hårdme- tallskären hade en zon A med en tjocklek av 10 pm fri från kubisk karbid. Bildanalysteknik användes för att fastställa fassamman- sättningen vid zonen B och ytan längs linjen C (Fig. 1). Mätning- arna gjordes på polerade tvärsnitt av skären över en yta av om- kring 40 x 40 um längs linjen C. Fassammansättningen bestämdes som volymsandelar. Analysen visade att kobolthalten i zon B var 0,7 gånger kobolthalten i bulken och gammafashalten 1,3 gånger gamma- fashalten i bulken. Mätningar av innehållet i bulken gjordes också med bildanalysteknik. Co-halten ökade gradvis och gammafashalten minskade gradvis längs linjen C i riktning från eggen mot centrum av skäret.

Mättnadsmagnetiseringsvärdet mättes och användes för beräk- ning av CW-värdet. Ett genomsnittligt CW-värde av 0,84 uppmättes. 10 15 20 25 30 35 40 516» 017 B.) Skär från A belades först med ett tunt skikt <1 um av TiN följt av ett 6 um tjockt skikt av TiCN med kolumnära korn med an- vändning av MTCVD-teknik (processtemperatur 850 OC och CH3CN som kol/kväve-källa). I ett efterföljande processteg under samma be- läggningscykel utfälldes ett 8 um tjockt a-Al2O3-skikt enligt pa- tent US 5,654,035. Ovanpå d-A12O3-skiktet utfälldes ett 1,5 um TiN-skikt.

C.) Skär från A belades först med ett tunt skikt <1 um av TiN följt av ett 9 pm tjockt TiCN-skikt och ett 5 um tjockt d-Al2O3- skikt och ett 2 um tjockt TiN skikt på toppen. Samma beläggnings- procedurer som angivits i A.) användes.

D.) Kommersiellt tillgängliga skär av typ CNMG 120408-PM, DNMG1506l2-PM och CNMGl60616-PR, med sammansättning enligt nedan användes som referenser i skärprovet: Sammansättning: Co = 5,5 vikt%, TaC = 3,5 vikt%, NbC = 2,3 vikt%, TiC = 2,6 vikt% och rest WC med en kornstorlek 2,6 pm.

Koboltanrikad gradientzon: ingen CW-förhållande: >O,95 Beläggning: 8 um TiCN, 6 um Al2O3, 0,5 um TiN på topp E.) Skär med samma hårdmetallsammansättning som i D belades med 4 um TiCN och 6 um Al2O3. Skären var av typ CNMGl20408-QM och CNMG120412-MR.

F.) Skär av typ CNMGl20408-QM och CNMGl204l2-MR med samman- sättningen: 4,7 vikt% Co, 3,1 vikt% TaC, 2,0 vikt% NbC, 3,4 vikt%, TiC, 0,2 vikt% N och rest WC med en kornstorlek av 2,5 um fram- ställdes. Skären sintrades enligt metoden beskriven i patent US 5,484,468 d.v.s. en metod som ger koboltanrikning i zon B. De sintrade hàrdmetallskären hade en 25 um tjock gradientzon väsent- ligen fri från gammafas. Skären belades med samma beläggning som i E.

Exempel 2 Skär från B och C provades och jämfördes med skär från D med avseende på seghet i en intermittent längdsvarvningsoperation.

Material: Kolstål SS1312.

Skärdata: Skärhastighet = 140 m/min Skärdjup = 2,0 mm Matning = Från början 0,12 mm och gradvis ökad med 0,08 mm/min till eggbrott 15 eggar av vardera varianten provades Skärtyp: CNMGl20408-PM 51é 017 Resultat: Medelmatning vid brott Skär B 0,23 mm/varv Skär C 0,23 mm/varv 5 Skär D 0,18 mm/varv Exempel 3 Skär från B, C och D provades med avseende på motstånd mot plastisk deformation i längdsvarvning av legerat stål (AISI 4340). 10 Skärdata: Skärhastighet= 160 m/min Matning= 0,7 mm/varv Skärdjup= 2 mm 15 Tid i ingrepp= 0,50 min Den plastiska deformationen mättes som eggsänkning i nosen av skären. 20 Resultat: Eggsänkning, um Skär B 43 Skär C 44 Skär D 75 25 Exempel 1 och 2 visar att skären B och C enligt uppfinningen uppvisar mycket bättre plastiskt deformationsmotstånd i kombina- tion med något bättre seghetsbeteende i jämförelse med skären D enligt känd teknik. 30 Exempel 4 Skär från E och F provades med avseende på fasslitstyrka i längdsvarvning av kullagerstål SKF25B. 35 Skärdata: Skärhastighet: 320 m/min Mätning: 0,3 mm/varv Skärdjup: 2 mm 40 Livslängdskriterier: Fasförslitning 20,3 mm Resultat: Livslängd Skär E 8 min 45 Skär F 6 min 10 15 20 25 30 35 40 5167 017 Variant F uppvisade mikroplastisk deformation resulterande i snabbare utveckling av fasförslitningen.

Exempel 5 Skär från E och F av skär typen CNMGl20412-MR provades hos en slutanvändare i bearbetning av en stålgjutkomponent.

Skärdata: Skärhastighet: 170-180 m/min Matning: 0,18 mm/varv Skärdjup: 3 mm Komponenten hade formen av en ring. Skären bearbetade två komponenter vardera och den totala tiden i ingrepp var 13,2 min.

Efter provet mättes fasförslitningen hos skären.

Resultat: Fasförslitning Skär E 0,32 mm Skär F 0,60 mm Exempel 4 och 5 illustrerar den skadliga effekten av kobolt- anrikning i eggytan B typisk för skär framställda med tidigare känd gradientsintringsteknik som beskrivit i t.ex. US 5,484,468.

Exempel 6 Skär från B och D provades under samma betingelse som i Exem- pel 3. skärtyp cNMG12o4o8-PM Skärdata: Skärhastighet: 320 m/min Matning: 0,3 mm/varv Skärdjup 2 mm Livslängdskriterier: Fasförslitning 20,3 mm Resultat: Livslängd Skär B 8 min Skär D 8 min Exempel 7 Skär från B och D provades hos en slutanvändare vid bearbet- ning av kardanaxlar i seghärdat stål. Skärtyp DNMGl506l2-PM. 10 15 20 25 30 35 40 5168017 Skärbetingelse: Skärhastighet: 150 m/min Mätning: 0,3 mm/varv Skärdjup: 3 mm Skären bearbetade 50 komponenter vardera. Sedan mättes fas- förslitningen hos skären.

Resultat: Fasförslitning Skär B 0,15 mm Skär D 0,30 mm Exempel 6 och 7 illustrerar att skär med en optimerad samman- sättning av eggzonen B enligt uppfinningen inte lider av mikro- plastisk deformation och får därför ingen snabb fasförslitning som för tidigare kända gradientsintrade skär F (se exempel 4 och 5).

Exempel 8 I ett prov utfört hos en slutanvändare provades skär från B, C och D av typ CNMGl606l6-PR i en längdsvarvoperation vid bearbet- ning av vevaxlar i làglegerat stål.

Skären tilläts bearbeta 90 vevaxlar och fasförslitningen mät- tes och jämfördes.

Skärdata: Skärhastighet: 220 m/min Mätning: 0,6 mm/varv Skärdjup 3-5 mm Total tid i ingrepp 27 min.

Den dominerande förslitningsmekanismen var plastisk deforma- tion av typen intryckt egg vilket förorsakade en fasförslitning.

Resultat: Fasförslitning Skär B 0,2 mm Skär C 0,2 mm Skär D 0,6 mm Exemplet illustrerar det överlägsna motståndet mot plastisk defor- mation hos skären B och C framställda enligt uppfinningen jämfört med tidigare kända skär D.

Claims (7)

10 15 20 25 30 35 5169 017 Krav

1. Ett skär för bearbetning av stål omfattande en hårdmetall- kropp och en beläggning k ä n n e t e c k n a t av att - hårdmetallkroppen består av WC, 2-10 vikt% Co och 4-12 vikt% kubiska karbider av metaller från grupperna IVA, VA eller VIA i det periodiska systemet, företrädesvis >1% av vardera Ti, Ta och Nb, varvid N tillsätts i en mängd av mellan 0,9 och 1,7%, fö- reträdesvis omkring 1,3-l,4%, av vikten av elementen från grup- perna IVA och VA - Co-bindefasen är högt legerad med W med ett CW-förhållande av 0,75-0,90 - hårdmetallkroppen har en bindefasanrikad ytzon A väsentli- gen fri från kubisk karbid med en tjocklek av <20 pm - hårdmetallkroppen har längs en linje väsentligen tudelande eggen C, i riktningen från egg mot centrum av skäret, en bindefas- halt som ökar väsentligen monotont till den når bulksammansätt- ningen från en bindefashalt vid eggen av 0,65-0,75, företrädesvis av omkring 0,7, gånger bindefashalten i bulken varvid djupet av bindefasutarmningen är 100-300 um, företrädesvis 150-250 pm - beläggningen omfattar en beläggning bestående av 3-12 um kolumnärt TiCN-skikt följt av ett 2-12 um tjockt Al2O3-skikt.

2. Ett skär enligt krav 1 k ä n n e t e c k n a t av att tjockleken av zon A är 5-15 pm.

3. Ett skär enligt krav 1 eller 2 k ä n n e t e c k n a t av att den kemiska sammansättningen av sagda hårdmetallkropp är 4-7 vikt% Co och 7-10 vikt% kubiska karbider.

4. Ett skär enligt föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att sagda Al2O3-skikt är a-A12O3.

5. Ett skär enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a t av ett yttersta skikt av TiN.

6. Ett skär enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att skäreggen är jämnad genom borstning eller blästring.

7. Ett skär enligt någon av föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att WC-medelkornstorleken är 2,0-3,0 pm.