AT390623B - Sinterwerkstoffe auf der basis von titankarbid, titannitrid oder titankarbonitrid fuer zerspannung oder tribologische beanspruchung - Google Patents

Sinterwerkstoffe auf der basis von titankarbid, titannitrid oder titankarbonitrid fuer zerspannung oder tribologische beanspruchung Download PDF

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Description

Nr. 390 623
Die Erfindung betrifft Sinterwerkstoffe auf der Basis von Titankarbid, Titannitrid oder Titankarbonitrid für Zerspanung oder tribologische Beanspruchung.
Es sind Welkstoffzusammensetzungen für die Zerspanung und den tribologischen Verschleiß bekannt, die sich nach den mechanischen Eigenschaften und Gebrauchswerten charakteristisch voneinander unterscheiden. Die bekannten Hartmetalle auf Wolframkarbidbasis weisen zwar bei hohen Bindemetallanteilen hohe Biegefestigkeiten bis 3500 MPa auf, ihre Härte liegt aber im allgemeinen unter 1800 HV. Der Einsatzbereich dieser Hartmetalle ist auf Schnittgeschwindigkeiten < 250 m/min begrenzt. Bindemetallfreie bzw. bindemetallarme keramische Zusammensetzungen weisen zwar höhere Härten auf, liegen aber in der Biegefestigkeit bei relativ niedrigen Werten, wie z. B. mit 300 bis 500 MPa. Das Einsatzgebiet dieser Werkstoffe liegt vorzugsweise bei hohen Schnittgeschwindigkeiten, jedoch relativ geringen Spantiefen und Vorschüben und bei nicht unterbrochenen Schnitten. Außerdem sind wolframkarbid- und kobaltfreie bzw. kobaltarme Hartmetalle auf Titankarbid-Basis mit Zusätzen von M02C und Nickel bekannt, z. B. 55 bis 80 % TiC, 15 % Ni, Rest M02C, deren Einsatzgebiet auf die Bearbeitung von Stahl bei mittleren Schnittgeschwindigkeiten begrenzt ist. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß das TiC in weitgehend stöchiometrischer Zusammensetzung eingesetzt wird und der schädliche Einfluß von Sauerstoff ausgeschaltet werden muß.
Nach einer DE-Patentanmeldung Nr. 557 033 von 1940 ist es bekannt, aus Titankarbid und Titan als Hilfsmetall ein Hartmetall herzustellen, bei dem der wirksame Hartstoff im Endprodukt in seiner Menge nahezu unverändert bleibt. Dabei wird unbedingt ein duktiles und damit sauerstoffarmes Titanhilfsmetall gefordert Das Herstellungsverfahren geht deshalb davon aus, eine Sauerstoffaufnahme zu vermeiden. Die zur Einhaltung sehr niedriger Sauerstoffgehalte erforderlichen Verfahrensschritte sind technologisch sehr aufwendig, so daß dieser Hartmetalltyp keine praktische Bedeutung erlangt hat. Nach der DD-PS 149 750 sind hochverschleißfeste Werkstoffe bekannt, die in Titan 0,5 bis 15 At.-% gelösten Sauerstoff und 0,03 bis 7,5 At-% gelösten Stickstoff enthalten.
Der Nachteil dieser Werkstoffe besteht darin, daß deren Verschleißwiderstände verhältnismäßig niedrig sind. Durch Erhöhung des Sauerstoffgehaltes läßt sich zwar die Härte steigern, allerdings tritt dann eine starke Abnahme der Biegefestigkeit ein.
Es ist weiterhin durch US-PS 38 13 227 bekannt, daß sich aus 70 - 97 Masse-% TiN und einem Binder, bestehend aus 2,5 - 23 Masse-% Ti, Rest Al, Cr und Fe im Verhältnis 5:2:1, durch Sintern goldfarbene Teile hersteilen lassen, die gut polierbar sein und eine hohe Kratzfestigkeit aufweisen sollen.
Nachteilig hierbei ist, daß der Fertigungsaufwand zur Vermeidung einer Sauerstoffaufnahme, die sich auf die Biegefestigkeit ungünstig auswirkt, relativ hoch ist. Außerdem sind Hartmetalle auf Titankarbonitrid-Basis mit Zusätzen von Molybdän und Nickel bekannt, bei denen ebenfalls der Einfluß des Sauexstoffs verhindert werden muß. In Weiterentwicklung dieses Hartmetalltyps wurde gemäß DD-PS 123 078 und DE-OS 29 02 139 als Hartstoff ein Oxikarbonitrid eingesetzt, wobei zur Stabilisierung des Sauerstoffs im Hartmetall die Sinterung in einer CO-Atmosphäre durchgeführt wird, um die auf die übliche Desoxidation zurückzuführende Festigkeitsminderung zu vermeiden. Von Nachteil sind dabei die kompliziert aufgebauten bzw. rohstoffaufwendigen Bindemetallanteile, die aufwendige Herstellungstechnologie sowie die Beschränkung des Einsatzgebietes als Schneidstoff auf die Bearbeitung von Stahl und auf die bei Hartmetallen üblichen Schnittgeschwindigkeiten < 250 m/min.
Ziel der Erfindung ist es, Sinterwerkstoffe auf der Basis von Titanverbindungen zu entwickeln, die geeignet sind, in der Zerspanung die Schneideigenschaften von Sinterhartmetall und Schneidkeramik zu kombinieren bzw. in speziellen Anwendungsbereichen zu überbieten und die auch einen hohen Verschleiß wider stand bei tribologischer Beanspruchung aufweisen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Eigenschaften der bekannten Sinterwerkstoffe auf der Basis von Titankarbid, Titannitrid oder Titankarbonitrid zu verbessern und deren Anwendungsgebiete zu erweitern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Sinterwerkstoffe aus einer Grundzusammensetzung von einer der die Hartstoffbasis bildenden Titanverbindung (TiC; TiN oder TiCN), Sauerstoff (O) und einem oder mehreren Metallen (M), wie Kupfer, Mangan, Eisen, Nickel, Kobalt, sowie aus restlichen Phasen der Elemente der summarischen Grundzusammensetzungen (Ti, Ο, M) bestehen.
Ein Sinterwerkstoff auf der Basis von Titankarbid besteht demzufolge aus einem Hartstoff der Grundzusammensetzung (Ti, C, Ο, M) und aus restlichen Phasen der Grundzusammensetzung (Ti, Ο, M), wobei die Zusammensetzung des gesamten Sinterwerkstoffes in Molbrüchen
Tiacb°cMd innerhalb der Grenzen a = 0,41 -0,85 b = 0,10 - 0,51 c = 0,018 - 0,15 d< 0,00024 - 0,11 liegt. -2-
Nr. 390 623
Ein Sinterwerkstoff auf der Basis von Titannitrid besteht aus einem Hartstoff der Grundzusammensetzung (Ti, N, Ο, M) und aus restlichen Phasen der Grundzusammensetzung (Ti, Ο, M), wobei die Zusammensetzung des gesamten Sinterwerkstoffes in Molbrüchen ^b °c Hi innerhalb der Grenzen a = 0,45 bis 0,87 b = 0,079 bis 0,48 c = 0,019 bis 0,15 d < 0,12 liegt.
Ein Sinterwerkstoff auf der Basis von Titankarbonitrid besteht aus einem Hartstoff der Grundzusammensetzung (Ti, C, N, Ο, M) und aus restlichen Phasen der Grundzusammensetzung (Ti, Ο, M), wobei die Zusammensetzung des gesamten Sinterwerkstoffes in Molbrüchen
TiaCbNcOdMe innerhalb der Grenzen a = 0,42 bis 0,84 b = 0,059 bis 0,46 c = 0,012 bis 0,24 d = 0,019 bis 0,14 e = 0,00023 bis 0,11 liegt.
Die Biegefestigkeit von Formkörpem aus einem Sinterwerkstoff nach den Merkmalen der Erfindung kann dadurch erhöht werden, daß das Verhältnis von Titan zu Kohlenstoff bzw. zu Stickstoff vom Rand zur Mitte des Hartstoffkems kleiner wird.
Eine Möglichkeit zur Variierung der Verschleißeigenschaften der Sinterwerkstoffe über die angegebenen Bereiche der Zusammsetzung hinaus besteht darin, daß er zusätzlich 0,5 bis 10,0 Masse-% Karbide von Metallen der Nebengruppen IVa bis Via des PSE enthält.
Die Erfindung wird nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert:
Beispiel 1
Eine Wendeschneidplatte der Zusammensetzung Tig 4g Cg 45 Og g^ Mng gjy mit einem Hartstoffanteil von ca. 99 Vol.-% und einem Anteil restlicher Phasen von ca. 1 Vol.-% wird einer Zerspanungsprüfung unterzogen. Bei v = 240 m/min, s = 0,3 mm/U und a = 2,5 mm, wobei als Gegenwerkstoff Grauguß GGL 25 im glatten Schnitt verwendet wird, beträgt nach einer Schnittdauer von 20 Minuten die mittlere Verschleißmarkenbreite Bmjtd < 0,3 mm und der Kolkverschleiß K < 0,1. Im Vergleich dazu wird bei sonst gleichen Bedingungen und der Verwendung einer Wendeschneidplatte aus TiC-Mo2C-Ni-Hartmetall bereits nach einer Schnittdauer von 8 min das Ende der Standzeit, d. h. eine zulässige mittlere Verschleißmarkenbreite Bmitti ^ 0,6 mm erreicht.
Beispiel 2
Eine Wendeschneidplatte der im Beispiel 1 genannten Zusammensetzung wird einer weiteren Zerspanungsprüfung unterzogen. Bei v = 220 m/min, s = 0,4 mm/U und a = 2 mm wird Stahl St 60 (normalgeglfiht) im glatten Schnitt zerspant Nach einer Schnittdauer von 30 min beträgt die mittlere Verschleißmarkenbreite Bmitg < 0,28 mm und der Kolkverschleiß K < 0,1. Zum Vergleich zeigt eine TiC-M02C-Ni-Wendeschneidplatte bereits nach einer Schnittdauer von 16 min eine mittlere Verschleißmaikenbreite Bm-Üj > 0,6 mm, d. h. das Standzeitende.
Beispiel 3
Eine Wendeschneidplatte der im Beispiel 1 genannten Zusammensetzung zuzüglich 1,0 Masse-% Vanadiumkarbid wird einer Zerspanungsprüfung unterzogen. Bei v = 320 m/min, s = 0,25 mm/U und a = 2 mm, wobei als Gegenwerkstoff Stahl C 45 im glatten Schnitt verwendet wird, beträgt nach einer Schnittdauer von -3-

Claims (5)

  1. Nr. 390 623 20 min die mittlere Verschleißmarkenbreite < 0,35 und der Kolkverschleiß K < 0,05. Eine Wendeschneidplatte aus TiC-Mo2C-Ni-Hartmetall, die bei gleichen Schnittbedingungen zum Vergleich eingesetzt wird, erreicht das Ende der Standzeit, d. h. eine zulässige mittlere Verschleißmarkenbreite Bmjttj > 0,6 mm, bereits nach 12 min. Beispiel 4 Ein Titankarbid-Sinterwerkstoff der Zusammensetzung Tiq 4g Cq Og ggg Mng ggg mit einem Hartstoffanteil von ca. 99 Vol.-% wird einer Verschleißuntersuchung nach dem Stift-Scheiben-System unterzogen. Das Verschleißverhalten bei Trockengleitreibung bei einer Geschwindigkeit von 1,3 m/s und Stahl C 60 als Gegenwerkstoff ist im zugehörigen Diagramm als Kurve (1) dargestellt. Als Vergleich dazu ist das Verschleißverhalten von Titan-Sauerstoff-Sinterwerkstoff mit 2 Masse-% Sauerstoff als Kurve (2) eingetragen. (Fig. 1) Beispiel 5 Ein Titankarbid-Sinterwerkstoff für tribologische Beanspruchung der Zusammensetzung (Tio 5g Cq 33 Oq 084 Cuq Q23), mit einem Hartstoffanteil von ca. 92 Vol.-% und einem Anteil an restlichen Phasen von ca. 8 Vol.-% wird einer Verschleißuntersuchung nach dem Stift-Scheiben-System unterzogen. Das Verschleißverhalten bei Trockengleitreibung bei einer Geschwindigkeit von 1,3 m/s und Stahl C 60 als Gegenwerkstoff ist im zugehörigen Diagramm als Kurve (1) dargestellt. Im Vergleich dazu ist das Verschleißverhalten von Titan-Sauerstoff-Sinterwerkstoff mit 2 Masse-% Sauerstoff als Kurve (2) eingetragen. (Fig. 2) Beispiel 6 Ein Titannitrid-Sinterwerkstoff der Zusammensetzung Tig 4g Nq 44 Oq ggg Mng Q21 wird einer Verschleißuntersuchung nach dem Stift-Scheiben-System unterzogen. Das Verschleißverhalten bei Trockengleitreibung bei einer Geschwindigkeit von 1,3 m/s und Stahl C 60 als Gegenwerkstoff ist im dazugehörigen Diagramm als Kurve (1) dargestellt. Im Vergleich dazu ist das Verschleißverhalten von Titan-Sauerstoff-Sinterwerkstoff mit 2 Masse-% Sauerstoff als Kurve (2) eingetragen. (Fig. 3) Beispiel 7 Eine Wendeschneidplatte der Zusammensetzung Tig 47 Cg 37 Ng ggg Oq Q57 Mng g^ mit einem Hartstoffanteil von ca. 99 Vol.-% und dem Anteil restlicher Phasen von ca. 1 Vol.-% wird einer Zerspanungsprüfung unterzogen. Bei v = 200 m/min, s = 0,45 mm/U und a = 2 mm, wobei als Gegenwerkstoff GGL 25 im glatten Schnitt verwendet wird, beträgt nach einer Schnittdauer von 20 min die mittlere Verschleißmarkenbreite Bm-tg < 0,25 mm und der Kolkverschleiß K < 0,1. Im Vergleich dazu wird bei sonst gleichen Bedingungen und der Verwendung einer Wendeschneidplatte aus Ti(CN)-Mo2C-Ni-Hartmetall bereits nach einer Schnittdauer von 12 min das Ende der Standzeit, d. h. eine zulässige mittlere Verschleißmarkenbreite Bmittl - 0,5 mm erreicht. PATENTANSPRÜCHE 1. Sinterwerkstoff auf der Basis von Titankarbid, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Hartstoff der Grundzusammensetzung (Ti, C, Ο, M) und aus restlichen Phasen der Grundzusammensetzung (Ti, Ο, M) besteht (M ist eines oder mehrere der Metalle Kupfer, Mangan, Eisen, Nickel, Kobalt), wobei die Zusammensetzung des gesamten Sinterwerkstoffes in Molbrüchen TiaCb°cMd -4- Nr. 390 623 innerhalb der Grenzen a = 0,41 bis 0,85 b = 0,10 bis 0,51 c = 0,018 bis 0,15 d = 0,00024 bis 0,11 liegt.
  2. 2. Sinterwerkstoff auf der Basis von Titannitrid, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Hartstoff der Grundzusammensetzung (Ti, N, Ο, M) und restlichen Phasen der Grundzusammensetzung (Ti, Ο, M) besteht (M ist eines oder mehrere der Metalle Kupfer, Mangan, Eisen, Nickel, Kobalt), wobei die Zusammensetzung des gesamten Sinterwerkstoffes in Molbrüchen TiaNb°cMd innerhalb der Grenzen a = 0,45 bis 0,87 b = 0,079 bis 0,48 c = 0,019 bis 0,15 d < 0,12 liegt.
  3. 3. Sinterwerkstoff auf der Basis von Titancarbonitrid, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Hartstoff der Grundzusammensetzung (Ti, C, N, Ο, M) und aus restlichen Phasen der Grundzusammensetzung (Ti, Ο, M) besteht (M ist eines oder mehrere der Metalle Kupfer, Mangan, Eisen, Nickel, Kobalt), wobei die Zusammensetzung des gesamten Sinterwerkstoffes in Molbrüchen TiaCbNc°dMe innerhalb der Grenzen a = 0,42 bis 0,84 b = 0,059 bis 0,46 c = 0,012 bis 0,24 d = 0,019 bis 0,14 e = 0,00023 bis 0,11 liegt.
  4. 4. Sinterwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis Titan zu Kohlenstoff bzw. zu Stickstoff vom Rand bis zur Mitte des Werkstoffkems kleiner wird.
  5. 5. Sinterwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er zusätzlich 0,5 bis 10 Masse-% Karbide von Metallen der Nebengruppen IVa bis Via des PSE entiiälL Hiezu 3 Blatt Zeichnungen -5-
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