SE511211C2 - Ett multiskiktbelagt skärverktyg av polykristallin kubisk bornitrid - Google Patents

Description

511 211 2 10 15 20 25 30 35 600-840 OC, termisk belastning i maskinbearbetningsoperationer. Om vilken temperatur definierar en övre gräns för temperaturen vid fogen mellan cBN och hàrdmetallkroppen ökas nära eller över smältpunkten för lodet, kan inlägget glida och förorsaka dålig funktion hos verktyget.

En förbättring av PCBN konceptet visas i US patentansökan 08/446,49O vari beskrivs ett metallbearbetningsskär omfattande en hårdmetallkropp och åtminstone en kropp av superhårt abrasivt material, såsom (PCD) eller PcBN, bunden till en kantyta av kroppen och som sträcker sig från en sidoyta polykristallin diamant till den andra. Det kan vara en mängd superhårda kroppar placerade vid respektive hörn av kroppen. Det abrasiva materialet är anbringat på kroppen i en behållare och sedan sintrat och samtidigt bundet till kroppen i ett högt tryck- och temperatursteg. Skär kan till exempel tillverkas antingen i stångform, d v s i ett stycke, vilket därefter kan kapas till tunna skivor, eller skären kan tillverkas i separata stycken, med eller utan separatorer i behållaren.

Vid maskinbearbetning med PcBN-verktyg uppstår ofta problem med gropförslitning av PcBN-fasen. Skälet är en kombination av abrasiv förslitning och kemisk upplösning av verktygsmaterialet i spånan som gradvis försvagar skäreggen, en process som slutligen leder till eggbrott.

Den kemiska förslitningen orsakas av en kemisk reaktion mellan verktygsmaterialet och arbetsstycket vid de höga temperaturer som alstrats i skärzonen. I en typisk maskinbearbetningsoperation med användning av PcBN är verktygsförslitningen på flanken vanligen liten eller mycket liten. Detta gör använda eggar svåra att skilja från oanvända. Det lilla förslitningsmärket på skärets flank är svårt att observera med blotta ögat. Ändamålet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma ett slitstarkt skärverktyg, och ett sätt för dess_tillverkning. Verktyget är avsett för spånformande bearbetning av material som är svåra att bearbeta som till exempel härdade stål och gjutjärn. Uppfinningen minskar problem associerade med kemisk upplösning, gropförslitning, 10 15 20 25 30 3 511211 av verktygsmaterialet på spånsidan, varvid livslängden förlängs. Den löser även problemen med identifiering av använda eggar av ett vändskär.

Verktygskonceptet består av ett substrat av en hàrdmetallkropp innehållande pàsintrade PcBN inlägg vid åtminstone en skäregg, varvid nämnda inlägg har åtminstone 40 vikts-% cBN och sagda substrat är försett med en slitstark multiskiktbeläggning som är utfälld med användning av en högtemperatur-CVD i högvolym reaktorer.

I grund och botten utgörs multiskiktbeläggningen av ett första, ett andra och ett tredje skikt, med utomordentlig vidhäftning, slitstyrka och kemisk stabilitet, respektive. Ytterligare förbättring av vidhäftningen, och diffusionsbromsande mellanskikt är valfritt, liksom också ett yttre skikt av ickesvart beläggning för att lättare upptäcka använda skäreggar.

Tack vare frånvaron av lödfog kan verktyget enligt uppfinningen beläggas med användning av högtemperatur-CVD i ekonomisk produktion skala. Det så belagda verktyget visar utomordentlig beläggningsvidhäftning med en gynnsam grad av kemisk reaktion mellan det sintrade superhàrda inlägget och beläggningen. Ut-diffusion av bindefaselement från det superhàrda inlägget in i beläggningen kan kontrolleras genom bildningen av ett mellanskikt. Detta skikt har även den fördelaktiga effekten av att skapa förbättrad vidhäftning mellan två följande beläggningsskikt beroende pà dess höga specifika yta. Användning av högtemperatur-CVD möjliggör även beläggning av aluminiumoxid, vilket betydligt ökar oxidations¥ och gropförslitningsmotståndet för PcBN-verktyget enligt uppfinningen. En kombination av högtemperatur CVD beläggningar ger ett PcBN verktyg med attraktiva egenskaper som utvidgar det nuvarande tekniska användningsområdet för PcBN verktyg. Den praktiska användningen av verktyget kan ytterligare förbättras genom utfällning av ett ogenomskinligt, icke-svart ytskikt för lättare upptäckt av använda eggar. 511 10 l5 20 25 30 35 211 4 Fig. l visar en toppvy av ett belagt PcBN verktyg (l) omfattande en hàrdmetallkropp (2) med ett insintrat inlägg (3) som bildar en skäregg (4).

Fig. 2 illustrerar ett diagonalt tvärsnitt av det belagda PcBN verktyget där (5) är beläggningen och (6) är kantytan som sträcker sig från en sidoyta (7) till den andra(8).

Fig. 3 visar ett detaljerat tvärsnitt av ett multiskiktbelagt PCBN verktyg där (9) är det första skiktet, (10) det andra skiktet, (ll) det tredje skiktet (12) ett valfritt yttre, icke-svart, skikt.

Skärverktyget enligt uppfinningen kan vara av någon och form innehållande en hårdmetallkropp med insintrade inlägg av superhårt abrasivt material vid skäreggen eller skäreggarna, t ex borrar, pinnfräsar, vändskär, företrädesvis ett skär av multihörntyp tillverkat enligt US patentansökan 08/446,490. En schematisk toppvy av en föredragen utföringsform av det beskrivna verktyget visas i fig l.'Ett vändskär (l) omfattar en hårdmetallkropp (2), och åtminstone ett insintrat inlägg (3) av superhàrt abrasivt material, såsom PCD eller PCBN, bundet till en kantyta (6) av kroppen (2) och som företrädesvis sträcker sig från en sidoyta (7) till den andra sidoytan (8) därav, som visas i det schematiska tvärsnittet längs en diagonal av skäret (l) i Fig. 2. Det kan finnas en mängd superhàrda inlägg (3) placerade vid andra eggytor av kroppen (2), som ger åtminstone en skäregg (4). Inlägget av superhårt, abrasivt material (3) anbringas på kroppen (2) som ett pulver, i dess osintrade form, i en behållare och sintras sedan och binds samtidigt till kroppen (3) i ett högt tryck/hög temperatur steg. Verktyg kan, till exempel, tillverkas i stång form, d v s ett verktyg i ett stycke, vilka i den föredragna utföringsformen kan kapas på tvären till tunna skär, eller skären kan tillverkas i separat styck, med eller utan separatorer i behållaren.

Hàrdmetallkroppen (2) är av WC-Co med l5-l7 vikts-% Co. 10 15 20 25 30 35 5 511211 PcBN-inlägget (3) innehåller mer än 40 vikts-% cBN.

Resten består av metallbindefas, och av hårda och såsom Co, slitstarka keramiska beståndsdelar såsom karbider, nitrider, karbonitrider, oxider, borider av metaller av grupperna IVA till VIA i det periodiska systemet som känt i tekniken, företrädesvis titan.

Beläggningen (5) som visas i tvärsnitt i Pig. 2. Fig. 3 visar tvärsnittet i större detalj. Multiskiktbeläggningen omfattar: _ - ett första, innersta skikt (9) av TiCxNy med x+y=l, och y>0.8, med likaxliga korn med storlek total tjocklek - ett andra skikt (10) av TiCXNy med x+y=l, med x>O.5, med en tjocklek av 3-7 pm, med kolumnära korn med en (10) utfällas med användning av konventionell termisk CVD- eller medeldiameter av 0.1-2 pm. Det andra skiktet kan företrädesvis med MT-CVD-tekniker. - ett tredje skikt (ll) d- eller K-Al2O3-skikt eller av ett jämnt, finkornigt (kornstorlek omkring 1 pm) blandningar därav med en tjocklek av 3-6 pm. Företrädesvis (11) av Al2O3 det yttersta skiktet men det kan även följas av ytterligare skikt företrädesvis ett tunt (12) t ex TiN för lättare upptäckt av använda eggar. är det tredje skiktet (omkring 0,01-1 pm) skikt av en icke-svart beläggning, - ett mellanskikt av TiCXNyOZ med x+y+z=l och O.l nållika korn av storlek (10) och det tredje skiktet (ll).

Sådant mellanskikt har den fördelaktiga egenskapen att öka mellan det andra skiktet vidhäftningen mellan skikten i multiskiktstrukturen, och de begränsar även till en väsentlig grad ut-diffusionen av bindefas från underliggande hårdmetallkropp eller cBN- inlägg.

De så belagda skären kan behandlas mekaniskt för att ytterligare förbättra verktygsprestanda. Exempel på sådana efterbehandlingar är borstning eller blästring som gör skären inte bara mera jämna och skinande, men reducerar även affiniteten till arbetsstyckematerialet och ändrar 511211 6 10 15 20 25 30 35 spänningstillstàndet för beläggningen. Speciellt förbättras egglinjeprestanda vid den mekaniska behandlingen så att egglinjen blir mer jämn och mindre benägen till flagning.

Härvid kan det yttre TiN-skiktet (12) avlägsnas helt eller delvis och ett underliggande Al2O3-skikt (ll) helt eller delvis avlägsnat längs skäreggen.

Föreliggande uppfinning även avser ett sätt att fälla ut en multiskiktbeläggning med användning av termiskt aktiverat kemisk àngbeläggning (CVD) utfört i produktionsskale, cylindrisk, varmväggs-CVD-reaktor, företrädesvis utrustad med en central, roterande gasfördelare varvid processgasen strömmar radiellt. Metoden består av utfällning med användning av i sig kända CVD- metoder vid temperaturer högre än 850 OC av: - ett första, innersta, skikt (9) av TiCxNy med x+y=l, och y>O.8, med likaxliga korn med storlek <0.5 pm och en total tjocklek <0.5 um. - ett andra skikt (10) av TiCxNy med x+y=l, med x>0.5, med en tjocklek av 3-7 um, med kolumnära korn med en medeldiameter av 0.1-2 um med användning av MTCVD-teknik med acetonitril som kol- och kvävekälla för bildning av skiktet, OC; företrädesvis i ett temperaturintervall av 850-900 - ett tredje skikt av ett jämnt a- eller K-Al2O3-skikt med en tjocklek av 3-6 um; - ett valfritt yttre skikt av ogenomskinlig, icke svart beläggning av, t ex TiN med en tjocklek av 0.01-0.5 pm.

Ett mellanskikt av TiCxNyOZ med en tjocklek av 0.1-0.5 pm, och med nàllika korn med storlek <0.5 um, med användning av kända CVD-metoder varvid syret införes med hjälp av C02- eller CO-tillsatser till processgasen utfälls (10) och det tredje skiktet (ll).

I en ytterligare föredragen utföringsform avlägsnas mellan det andra det yttre och det tredje skiktet, helt eller delvis, från ett område längs skäreggen med mekanisk borstning eller sandblästring. 10 15 20 25 30 35 7 511211 Exempel 1 Multihörnskär bestående av en hårdmetallkropp med sammansättning 15 vikts-% Co och 85 % WC försågs med insintrade PcBN inlägg med ett cBN-innehåll av 60% vikts och 40% av Ti(C,N). Skäret var av formen CNGN 120408 SO1020, och inlägget var fastsintrat på hårdmetallkroppen, som beskrivits ovan och i mer detalj i US patentansökan 08/446,490. termisk CVD process, Skären belades därefter med användning av en beskriven i mer detalj nedan.

Beläggningproceduren utfördes, enligt beskrivningen ovan, i en produktionsskale cylindrisk varmväggs CVD reaktor utrustad med en central, roterande gasfördelare, med gas strömmande i radiell riktning. Verktyget belades med ett multiskikt enligt följande: Ett 0.5 pm likaxligt första TiCN-skikt följt av ett 4 pm tjockt andra TiCN-skikt med uttalat kolumnära korn med användning av MTCVD-tekniken (processtemperatur 850 °C och CH3CN som kol/kväve-källa). I följande processteg under samma beläggningscykel utfälldes ett l um tjockt mellanskikt av TiCxNyOZ (omkring x=O.6, y=O.2 och z=O.2) Ett tredje skikt utfälldes, som var ett 5.5 pm tjockt skikt av a-Al2O3 utfällt vid en temperatur av 1020 OC, med nällika korn. enligt betingelser angivna i svenska patentet 501 527. Slutligen belades ett 0.3 pm yttre skikt av TiN, som ett dekorativt skikt vilket även underlättar upptäckt av använda eggar.

Multiskiktbeläggningen uppvisade utomordentlig vidhäftning till PcBN inlägget såväl som till hàrdmetallkroppen. Ett nätverk av kylsprickor upptäcktes med användning av SEM. Även, synlig vid optisk mikroskopi i ett polerat tvärsnitt, var 0.5-1.0 um stora fläckar av metallisk Co, lokaliserade till gränsytan mellan det andra PCBN och diffunderade ut genom det första och det skiktet och mellanskiktet. Co hade sitt ursprung i inlägget, andra skiktet under beläggningsprocessen. Men mellanskiktet blockerade ytterligare utdiffusion, varvid Co samlades under det. På detta sätt det var möjligt att hindra 511211 8 10 15 20 30 35 degradering av det tredje aluminiumoxidskiktet och dess vidhäftning genom bildning av oönskade Co-haltiga faser.

Exempel 2 Ett verktyg, enligt exempel l, men vars tredje aluminiumoxidskikt bestod av K-aluminiumoxid, vars yta hade ett slätare framträdande än d-aluminiumoxid.

Exempel 3 Ett verktyg, enligt exempel l, men utsatt för en mekanisk behandling efter beläggningen med blästring med användning av 160 mesh aluminiumoxidsand och ett blästringstryck av 2.2 bar. Proceduren gav verktygets yta ett jämnt framträdande.

Exempel 4 Ett verktyg, enligt exempel 1, men med ytterligare ett mellanskikt av 0.5 pm tjock TiCXNyOZ (omkring x=0.6, y=0.2 och z=0.2) med nàllika korn mellan det första och det andra skiktet. Härigenom var det möjligt att ännu mera begränsa Co utdiffusionen från hårdmetallen eller cBN.

Exempel 5 Ett belagt skär enligt exempel l jämfördes i ett svarvprov med ett obelagt referensskär av samma typ.

Provparametrar var: Arbetsstyckematerial: Härdat kullagerstàl DIN l00Crmo6 med en hårdhet av 60 HRC.

Skärhastighet 100 m/min Matning 0,20 mm/varv Skärdjup 0,15 mm Typ av operation planing Skärvätska ja Livslängdkriterium eggbrott Det belagda skärverktyget varade 95 passager före brott, medan den obelagda referensen gick till brott efter endast 60 passager. Det belagda verktyget visade mindre 10 9 511211 fasförslitning än den obelagda referensen. Huvudskillnaden i eggprestanda är, emellertid, att det belagda verktyget uppvisade betydligt mindre gropförslitning än den obelagda referensen efter samma bearbetningstid. Verktygshaveri inträffade i båda fall beroende på gropförslitning, en process vari verktygsmaterialet gradvis upplöses i spànan, och på så sätt material avlägsnas från verktygets yta. När krätern når större storlek och djup försvagas skäreggen gradvis, tills katastrofalt haveri inträffar. Denna upplösning fortsatte till en betydligt mindre utsträckning för det belagda verktyget än för det obelagda.

Claims (2)

511 211 10 10 15 20 25 E

1. Ett multiskiktbelagt skärverktyg av polykristallin kubisk bornitrid (PCBN) omfattande en hårdmetallkropp bestående av WC-Co med 15-17 vikts-% Co, med åtminstone ett insintrat inlägg vid en kantyta av kroppen, varvid sagda inlägg innehåller mer än 40 vikts-% polykristallin kubisk bornitrid och rest av metallbindefas, såsom Co, och av hårda och slitstarka keramiska beståndsdelar såsom karbider, nitrider,'karbonitrider, oxider, borider av metaller av grupperna IVA till VIA i det periodiska systemet som känt i tekniken, företrädesvis titan, som bildar åtminstone en skäregg k ä n n e t e c k n a t av att multiskiktbelåggningen omfattar åtminstone ett forsta, ett andra och ett tredje skikt varvid; - det första skiktet är TiCxNy med x+y=l och y>O.8 med likaxliga korn med en storlek - det andra skiktet ar TiCxNy med x+y=l och x>O.5 med en tjocklek av 3-7 pm och med kolumnära korn med en medeldiameter av 0.1-2 pm; - det tredje skiktet ar ett jämnt, finkornigt (omkring l pm) skikt av a- eller K-Al2O3 eller blandningar därav med en tjocklek av 3-6 pm varvid multiskiktbelaggningen dessutom omfattar - ett 0.1-0.5 pm tjockt mellanskikt mellan det andra och det tredje skiktet av TiCXNyOZ med x+y+z=l och O.l

2. Ett verktyg enligt föregående krav, k a n n e t e c k n a t av att multiskiktbeläggningen är delvis avlägsnad från ett område längs skäreggen.