AT312952B

AT312952B - Verschleißteil aus Hartmetall, insbesondere für Werkzeuge

Info

Publication number: AT312952B
Application number: AT89672A
Authority: AT
Inventors: Techn Wilfried Schintlmeist Dr
Original assignee: Plansee Metallwerk
Priority date: 1972-02-04
Filing date: 1972-02-04
Publication date: 1974-01-25

Description

Hartmetall wird sehr vielseitig für Konstruktionsteile und Werkzeuge eingesetzt, die einem starken Verschleiss unterworfen sind oder an die andere hohe Anforderungen, wie z. B. hohe Druckfestigkeit, gestellt werden.
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Abrieb bedingt. Wenn beim Einsatz erhöhte Temperaturen auftreten, so kann durch Diffusionsvorgänge der Abrieb stark ansteigen. Auch die Korrosion kann am Verschleiss mitbeteiligt sein, z. B. beim Einsatz von Hartmetall in korrodierenden Medien oder dann, wenn bei erhöhten Temperaturen an Luft Oxydationsvorgänge ablaufen.

Gerade bei der spanenden und spanlosen Formgebung werden die Hartmetallteile nicht nur mechanisch stark beansprucht, sondern sehr häufig kommt es auch zu einer starken Erwärmung, die den Verschleiss sehr beschleunigt.

Beim Zerspanen von lang-und kurzspanenden Werkstoffen, wie z. B. Stahl bzw. Gusseisen, tritt je nach den zu bearbeitenden Materialien und den Zerspanungsbedingungen ein Verschleiss der Schneidkante durch Auskolken der Spanfläche (Kolkverschleiss) und Abrieb der Freifläche (Freiflächenverschleiss) auf. Weiters können die Späne an der Schneidkante kleben bleiben und zum Ausbrechen führen. Bei unterbrochenen Schnitten kommt es zusätzlich noch zur Ausbildung von Rissen infolge starker Temperaturwechsel und zu Ausbrüchen durch die starke Schlagwirkung.

In letzter Zeit sind nun speziell für die Zerspanung Schneidplatten entwickelt worden, die an der Oberfläche eine verschleissfeste Deckschicht aus einem Hartstoff aufweisen. Solche, z. B. mit Titankarbid überzogene Wendeplatten, zeigen bei geeigneten Zerspanungsbedingungen im allgemeinen eine zwei- bis dreifache Standzeit gegenüber den nichtbeschichteten Wendeplatten. Die Standzeit ist begrenzt durch den Kolkverschleiss, während der Freiflächenverschleiss relativ gering bleibt.

Ein früherer, nicht zum Stand der Technik gehörender Vorschlag geht dahin, Hartmetallschneidplatten zur Herabsetzung des Verschleisses mit Titannitrid oder Titankarbonitriden zu beschichten. In der Praxis hat sich gezeigt, dass die mit Titannitrid beschichteten Platten zwar eine etwas höhere Kolkfestigkeit gegenüber den mit Titankarbid beschichteten Platten aufweisen, dass jedoch der Freiflächenverschleiss zirka zwei- bis viermal grösser ist als der der mit Titankarbid beschichteten Platten. Werden an Stelle von mit Titannitrid beschichteten Platten solche eingesetzt, die in der Deckschicht auch Karbide enthalten, oder deren Deckschicht aus Karbonitriden besteht, so wird zwar der Freiflächenverschleiss etwas geringer aber gleichzeitig nimmt der Kolkverschleiss zu. Der
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Kolkfestigkeit nicht voll ausgenutzt werden kann.

Daraus ergibt sich, dass sich der Mechanismus für den Freiflächenverschleiss und für den Kolkverschleiss voneinander unterscheiden, u. zw. in der Form, dass das Titankarbid einen besseren Verschleissschutz an der Freifläche aufweist, während das Titannitrid die günstigeren Eigenschaften in bezug auf den Kolkenverschleiss besitzt.

Die Erfindung betrifft einen Verschleissteil aus Hartmetall, insbesondere für Werkzeuge, der mindestens an den auf Verschleiss beanspruchten Stellen einen aus Verbindungen des Titans mit Kohlenstoff und Stickstoff bestehenden Überzug aufweist. Die Erfindung besteht darin, dass der Überzug nicht einheitlich aufgebaut ist, derart, dass in der Nähe des Grundkörpers der Gehalt an Kohlenstoff und in der Nähe der freien Oberfläche der Gehalt an Stickstoff am grössten ist. Dabei kann der Überzug so ausgebildet sein, dass die reine Titankarbidschicht über Karbonitridschichten stetig in eine Titannitridschicht übergeht. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass es durch erfindungsgemäss aufgebaute Schneidplatten gelingt, gleichzeitig die gute Kolkbeständigkeit des Titannitrides und den geringen Freiflächenverschleiss des Titankarbides auszunutzen.

Dabei genügt es, wenn die einzelnen Schichten des Überzuges nur eine sehr geringe Dicke aufweisen. Für die
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bewährt. Für die aus Titankarbid bzw. Titankarbonitrid bestehende Übergangsschicht sind Schichtdicken von 0, 1 bis 10 oh ausreichend.

Der erfindungsgemässe Schichtaufbau ist nicht nur für Zerspanungswerkzeuge von Bedeutung, sondern in gleicher Weise auch für Werkzeuge für die spanlose Formgebung, z. B. für das Ziehen, Hämmern oder Schmieden.

Als Beispiel sei das Grobziehen von Stahl erwähnt. Beim Einsatz von Titankarbid beschichteten Hartmetallziehsteinen zeigte sich, dass das Titankarbid den hohen Oberflächenzugspannungen in der Ziehsteinbohrung sehr gut standhält. An nur mit Titankarbid beschichteten Hartmetallziehsteinen konnte relativ bald ein Scharfgehen des Ziehgutes festgestellt werden. Die dabei auftretende Riefenbildung im Draht konnte auf ein Abreissen der Beschichtung zurückgeführt werden. überraschenderweise wurde bei der Verwendung von Ziehsteinen die mit der kombinierten Titankarbid-Titannitridschicht versehen waren, eine Verringerung der Ziehkraft und damit zusammenhängend ein Ansteigen der Standzeit gegenüber den mit reinem Titankarbid beschichteten Ziehsteinen beobachtet.

Auf Grund der Verringerung der Ziehkraft ergibt sich die Möglichkeit, auch grössere Querschnittsreduktionen bei einem Zug vorzunehmen.

Es ist zu vermuten, dass durch das Titannitrid der Reibungskoeffizient zwischen dem zu verformenden
Werkstoff und den Arbeitsflächen des Werkzeuges stärker vermindert wird, als mit reinem Titankarbid.

Anderseits erweist sich das Titankarbid als widerstandsfähiger gegenüber den hohen Zugspannungen.

Die Herstellung der kombinierten Schichten kann sehr einfach durch Abscheidung aus der Gasphase erfolgen. Aber auch eine Aufbringung mit Hilfe anderer bereits bekannter Verfahren, z. B. mit Plasmaspritzen oder der Sputter-Technik, ist möglich.

Die Abscheidung aus der Gasphase bietet den Vorteil, dass die Zusammensetzung der Schicht sehr leicht über die Zusammensetzung der Gasphase gesteuert werden kann. Letztere kann durch Zumischen geeigneter gasförmiger Verbindungen eingestellt werden. Ausserdem kann das Mischungsverhältnis in der Gasphase auch während des Beschichtens auf einfache Art und Weise geändert werden, was zu einer entsprechenden
Zusammensetzungsänderung in der Schicht führt.

An Hand zweier Beispiele werden die Herstellung erfindungsgemässer Verschleissteile sowie deren Vorzüge näher erläutert : Beispiel l : Mit einem Überzug zu versehende Hartmetallplatten bzw. Ziehsteine werden zunächst gereinigt und können anschliessend karburiert werden, um etwas Kohlenstoff an ihrer Oberfläche anzureichern.

Die Hartmetallteile werden dann in einem Ofen bei zirka 8500 bis 12000C in einem Gasgemisch, bestehend aus
Wasserstoff, Titantetrachlorid, Methan und etwas Stickstoff, geglüht. Das Gasgemisch reagiert an der Oberfläche der Hartmetallteile und es scheidet sich ein stark kohlenstoffhaltiges Titankarbonitrid ab. Nach zirka 5 bis
20 min wird das Methan langsam abgestellt und der Stickstoffanteil langsam erhöht. Dann werden die Teile noch zirka 20 bis 60 min mit dem Gasgemisch, das nun aus Titantetrachlorid, Wasserstoff und Stickstoff besteht, weiter beschichtet, wobei sich jetzt reines Titannitrid abscheidet.

Die metallographische Untersuchung des Überzuges zeigte, dass er je nach den eingestellten Bedingungen (Temperatur, Zeit und Gaszusammensetzung) aus einer 0, 5 bis 3 jU dicken, hoch kohlenstoffhaltigen Titankarbonitridschicht besteht, die kontinuierlich in eine zirka 3 bis 20 jn dicke Titannitridschicht übergeht. Da Titankarbid und Titannitrid in jedem Verhältnis miteinander mischbar sind, sind innerhalb des Überzuges keine Schichtgrenzen feststellbar.

Beispiel 2 : Gereinigte Hartmetallplatten bzw. Ziehsteine werden in einem Ofen bei zirka 850 bis
12000C in einem Gasgemisch, bestehend aus Titantetrachlorid, Benzol, Argon und etwas Wasserstoff, geglüht.

Das Gasgemisch reagiert an der Oberfläche der Hartmetallteile und es scheidet sich Titankarbid ab. Nach zirka 5 bis 20 min werden die Benzol- und Argonzufuhr abgestellt, der Wasserstoff- und Stickstoffanteil erhöht. Mit dem Gasgemisch, das nun aus Titantetrachlorid, Wasserstoff und Stickstoff besteht, wird noch 20 bis 60 min weiter beschichtet, wobei sich jetzt reines Titannitrid abscheidet.

Die metallographische Untersuchung des Überzuges zeigte, dass er je nach den eingestellten Bedingungen (Temperatur, Zeit und Gaszusammensetzung) aus einer 0, 5 bis 2 ju dicken Titankarbidschicht besteht, die in eine zirka 3 bis 20 jU dicke Titannitridschicht übergeht.

Mit diesen kombinierten Schichten versehenen Wendeschneidplatten zeigten beim Zerspanen eine Kolkverschleissfestigkeit, wie sie den reinen Titannitridschichten entspricht und die bis zu 50% höher liegen kann als bei reinen Titankarbidschichten. Der Freiflächenverschleiss entsprach dem der reinen Titankarbidschichten bzw. dem von hoch kohlenstoffhaltigen Titankarbonitridschichten. Dies bedeutet, dass der Freiflächenverschleiss der kombiniert beschichteten Platten nur zirka 25 bis 50% des Verschleisses von Platten, die mit reinem Titannitrid beschichtet sind, beträgt.

Beim Grobziehen von Stahl, z. B. C60, ergab sich bei hohen Zuggeschwindigkeiten, dass die kombiniert mit Titankarbid und Titannitrid beschichteten Ziehsteine ungefähr die 2, 5 bis 3-fache Standzeit gegenüber den nichtbeschichteten aufweisen, während die nur mit Titankarbid beschichteten Ziehsteine ungefähr die doppelte Standzeit gegenüber den nichtbeschichteten ergaben.

PATENTANSPRÜCHE :
1. Verschleissteil aus Hartmetall, insbesondere für Werkzeuge, der mindestens an den auf Verschleiss beanspruchten Stellen einen aus Verbindungen des Titans mit Kohlenstoff und Stickstoff bestehenden Überzug
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der Nähe des Grundkörpers der Gehalt an Kohlenstoff und in der Nähe der freien Oberfläche der Gehalt an Stickstoff am grössten ist.
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Claims

<Desc/Clms Page number 3> EMI3.1 Titankarbid bzw. Titankarbonitrid bestehende Schicht des Überzuges 0, 1 bis 10 JH dick ist.

6. Verfahren zur Herstellung von Verschleissteilen nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekenn- zeichnet, dass auf dem Grundkörper aus Hartmetall, der gegebenenfalls vor der Abscheidung des Überzuges oberflächlich aufgekohlt wird, der überzug aus Gasgemischen abgeschieden wird, die Wasserstoff, Titanhalogenide, Kohlenwasserstoffe, Stickstoff bzw. gasförmige Stickstoffverbindungen und gegebenenfalls Edelgase enthalten, wobei die gewünschte Zusammensetzung der Schichten durch Änderung der Zusammensetzung, des Druckes und/oder der Temperatur des Gasgemisches erreicht wird. EMI3.2 bei 850 bis 1200 C erfolgt, wobei zuerst so viel Kohlenwasserstoff im Gasgemisch verwendet wird, dass sich das gewünschte Titankarbid bzw.

Titankarbonitrid bildet, dass dann der Gehalt an Kohlenwasserstoff plötzlich oder kontinuierlich soweit reduziert wird, bis keine merkliche Titankarbid-bzw. Titankarbonitridbildung mehr erfolgt, wobei der Gehalt an Stickstoff bzw. Stickstoffverbindungen gegebenenfalls erhöht wird. EMI3.3 Unterdruckbereich aus kohlenstoffreichen Gemischen Titankarbid bzw. Titankarbonitrid abgeschieden werden und anschliessend bei erhöhtem Druck aus kohlenstoffarmen bzw. kohlenstoffreichen Gemischen Titankarbonitride bzw. Titannitride abgeschieden werden.