AT7925U1

AT7925U1 - focusing nozzle

Info

Publication number: AT7925U1
Application number: AT0059104U
Authority: AT
Original assignee: Ceratizit Austria Gmbh
Priority date: 2004-08-16
Filing date: 2004-08-16
Publication date: 2005-11-15
Also published as: EP1796875A1; PL1796875T3; WO2006017873A1; CA2577151C; CA2577151A1; ATE401992T1; ES2307199T3; MX2007001816A; US20070161341A1; DE502005004834D1; DK1796875T3; EP1796875B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fokussierdüse für das Abrasivwasserstrahlschneiden, die aus einem von einer Bohrung durchsetzten Düsenkörper aus Hartmetall besteht, der zumindest an der Bohrungswandung mit einer ein- oder mehrlagigen Hartstoffbeschichtung versehen ist.The invention relates to a Fokussierdüse for Abrasivwasserstrahlschneiden, which consists of a penetrated by a bore nozzle body made of hard metal, which is provided at least on the bore wall with a single or multi-layer hard material coating.

Description

2 AT 007 925 U12 AT 007 925 U1

Die Erfindung betrifft eine Fokussierdüse für das Abrasivwasserstrahlschneiden bestehend aus einem Düsenkörper aus Hartmetall der von einer Bohrung zur Fokussierung des Schneidstrahles durchsetzt ist und wobei zumindest die Bohrungswandung mit einer ein- oder mehrlagigen Hartstoffbeschichtung versehen ist. 5The invention relates to a Fokussierdüse for Abrasivwasserstrahlschneiden consisting of a nozzle body made of hard metal which is penetrated by a bore for focusing the cutting beam and wherein at least the bore wall is provided with a single or multi-layer hard material coating. 5

Derartige Fokussierdüsen sind Bestandteil von Schneidköpfen zum Abrasivwasserstrahlschneiden in denen der Schneidwasserstrahl und die zum Schneiden verwendeten Abrasivmittel wie Korund oder Sand in einer Mischkammer gemischt werden um die Schneidwirkung des Schneidwasserstrahls zu vergrößern. Die Fokussierdüsen dienen zur Beschleunigung und io Zentrierung des Wasserstrahls und des gleichzeitig zugeführten Abrasivmittels. Zur besseren Einmischung des Abrasivmittels in den Wasserstrahl sind die Fokussierdüsen an der Einlassseite in der Regel trichterförmig erweitert, die daran anschließende, die Fokussierdüse durchsetzende Bohrung weist einen Durchmesser im Bereich von etwa 0,2 - 1,5 mm auf. Trotz der Umhüllung des Abrasivmittels mit dem Wasserstrahl sind die Fokussierdüsen einem sehr star-15 ken Verschleiß unterworfen. Bei zu starkem Verschleiß der Bohrungswandung ist die Zentrierwirkung nicht mehr ausreichend und die Düse muss gewechselt werden. Da jeder Düsenwechsel mit einer längeren und damit teuren Unterbrechung des Arbeitsablaufes verbunden ist wurden in der Vergangenheit erhebliche Anstrengungen unternommen die Standzeit derartiger Fokussierdüsen möglichst weitgehend zu vergrößern. 20Such focussing nozzles are part of cutting heads for Abrasivwasserstrahlschneiden in which the cutting water jet and used for cutting abrasive such as corundum or sand are mixed in a mixing chamber to increase the cutting action of the cutting water jet. The focusing nozzles serve to accelerate and io center the water jet and the simultaneously supplied abrasive. For better mixing of the abrasive in the water jet, the focusing nozzles on the inlet side are usually funnel-shaped widened, the adjoining, the focusing nozzle passing through hole has a diameter in the range of about 0.2 to 1.5 mm. Despite the covering of the abrasive with the water jet, the focussing nozzles are subjected to a very high degree of wear. If the bore wall is worn too much, the centering effect is no longer sufficient and the nozzle must be replaced. Since each nozzle change is associated with a longer and therefore expensive interruption of the workflow, considerable efforts have been made in the past to increase the service life of such focusing as much as possible. 20

So wurden für derartige Fokussierdüsen vielfach hochverschleißfeste Hartmetalllegierungen auf Wolframcarbidbasis mit sehr geringen Bindemetallanteilen oder auch keramische Werkstoffe eingesetzt. Aber auch bei Verwendung dieser hochwertigen Werkstoffe waren die erreichbaren Standzeiten nicht ausreichend zufrieden stellend. 25For example, highly wear-resistant tungsten carbide-based hard metal alloys with very low binder metal contents or even ceramic materials have been used for such focusing nozzles. But even with the use of these high-quality materials, the achievable service life was not sufficiently satisfactory. 25

Zur weiteren Steigerung der Standzeit hat man daher versucht die Innenwandung der durchbohrten Zentrierdüse durch Hartstoffschichten vor übermäßigem Verschleiß zu schützen. Das Problem dabei ist, dass es schwierig ist die Innenwandungen dieser verhältnismäßig langen Bohrungen mit kleinem Durchmesser gleichmäßig mit einer schützenden Hartstoffschicht zu 30 versehen.To further increase the service life has therefore been trying to protect the inner wall of the pierced centering through hard material layers from excessive wear. The problem with this is that it is difficult to uniformly provide the inner walls of these relatively long, small diameter bores with a protective layer of hard material.

So beschreibt beispielsweise die WO 98/15386 eine Fokussierdüse die auf der Innenwandung mit einer verschleißfesten diamantartigen Schicht aus amorphem Kohlenstoff (DLC) versehen ist. Das Aufbringen der Schicht erfolgt mittels eines Laser-ARC-Beschichtungsverfahrens wobei 35 im Vakuum ein hochaktiviertes Plasma mittels einer gepulsten, Lichtbogenentladung zwischen einer Quelle aus dem Beschichtungsmaterial und der zu beschichtenden Düse hergestellt werden muss. Die zu beschichtende Oberfläche muss dazu frei zugänglich sein, so dass man die Fokussierdüse zur Beschichtung der Bohrungswandung in mehrere Segmente unterteilen und diese Segmente nach erfolgter Beschichtung wieder dicht zusammensetzen muss was mit 40 erheblichem Aufwand verbunden ist.For example, WO 98/15386 describes a focusing nozzle which is provided on the inner wall with a wear-resistant diamond-like layer of amorphous carbon (DLC). The coating is applied by means of a laser ARC coating method, wherein a highly activated plasma has to be produced in vacuum by means of a pulsed, arc discharge between a source of the coating material and the nozzle to be coated. The surface to be coated must be freely accessible, so that one has to divide the focusing nozzle for coating the bore wall into several segments and these segments must again put together tightly after coating, which is associated with considerable effort.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher die Innenwandung einer Fokussierdüse aus Hartmetall mit einer Beschichtung zu versehen die ausreichend verschleißfest ist und gleichzeitig leicht ohne aufwendige Segmentierung der Düse aufgebracht werden kann. 45The object of the present invention is therefore to provide the inner wall of a focusing nozzle made of hard metal with a coating which is sufficiently resistant to wear and at the same time can be easily applied without complicated segmentation of the nozzle. 45

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Hartstoffbeschichtung zumindest an der freien Oberfläche eine Schicht mit Titannitridanteil aufweist. Dass durch die Verwendung einer derartigen Beschichtung als Hartstoffschicht eine wesentliche Verbesserung der Verschleißbeständigkeit bei Fokussierdüsen erreicht wird war nicht zu erwarten, da die Härten der an der so Oberfläche liegenden Schicht mit Titannitridanteil kaum höher sind als die Härte des verwendeten Hartmetallgrundmaterials und deutlich geringer sind als die Härte einer diamantartigen Schicht (DLC) die bereits zur Beschichtung derartiger Fokussierdüsen entsprechend dem eingangs beschriebenen Stand der Technik eingesetzt wird. Die erfindungsgemäße Beschichtung kann ein- oder mehrlagig auch unter Aufbringung anderer Hartstoffschichten hergestellt werden, 55 wichtig ist nur, dass die an der Oberfläche liegende Schicht einen Titannitridanteil aufweist. 3 AT 007 925 U1According to the invention, this is achieved in that the hard material coating has a layer with titanium nitride content at least on the free surface. That the use of such a coating as a hard material layer substantially improves the wear resistance of focusing nozzles was not to be expected since the hardness of the titanium nitride layer lying on the surface is hardly higher than the hardness of the carbide base material used and is significantly lower than that Hardness of a diamond-like layer (DLC) which is already used for coating such focusing nozzles according to the prior art described above. The coating according to the invention can be produced in one or more layers with the application of other hard material layers, 55 it is only important that the layer lying on the surface has a titanium nitride fraction. 3 AT 007 925 U1

Neben reinem Titannitrid für diese Oberflächenschicht sind beispielsweise auch Titankarbonitrid oder Titanoxikarbonitrid denkbar.In addition to pure titanium nitride for this surface layer, for example titanium carbonitride or titanium oxycarbonitride are also conceivable.

Mit der erfindungsgemäßen Beschichtung wird zwar die Härte bekannter DLC-Schichten nicht ganz erreicht, dafür ist die Aufbringung der erfindungsgemäßen Beschichtung problemlos durch CVD-Verfahren möglich. Bei diesem Beschichtungsverfahren können die Reaktionsgase gezielt durch die Bohrung der Fokussierdüse geleitet werden, so dass die aufwendige mehrfache Segmentierung des Düsenkörpers entsprechend dem Stand der Technik vermieden werden kann. Die Standzeiterhöhung von Fokussierdüsen mit der erfindungsgemäßen Beschichtung gegenüber Fokussierdüsen aus unbeschichtetem Hartmetall ist überragend und reicht bis zu einer Verdoppelung der Standzeit.Although the hardness of known DLC layers is not quite reached with the coating according to the invention, the application of the coating according to the invention is easily possible by CVD methods. In this coating method, the reaction gases can be selectively directed through the bore of the focusing nozzle, so that the complex multiple segmentation of the nozzle body according to the prior art can be avoided. The increase in service life of focusing nozzles with the coating according to the invention over focusing nozzles made of uncoated carbide is outstanding and extends up to a doubling of the service life.

Der wegen der geringen Härteunterschiede zwischen Grundmaterial und Beschichtung überraschende standzeiterhöhende Effekt ist vermutlich darauf zurückzuführen, dass es bei Fokussierdüsen aus unbeschichtetem Hartmetall durch die nassen Betriebsbedingungen verstärkt durch z.T. vorliegende niedrige pH-Werte, zu einer Oberflächenkorrosion kommt, welche eine Auslösung des Bindemetalls aus der Hartmetalllegierung bewirkt. Das verbleibende oberflächliche Hartstoffskelett weist gegenüber einer vollständig mit Bindemetall gebundenen Hartmetalllegierung eine deutlich geringere Abrasionsbeständigkeit auf. Durch die erfindungsgemäße Beschichtung wird eine Oberflächenkorrosion und damit eine Bindemittelauslösung weitgehend verhindert.The surprising increase in life due to the low hardness differences between the base material and coating is presumably due to the fact that it is reinforced by z.T. present low pH values, comes to a surface corrosion, which causes a release of the binding metal from the hard metal alloy. The remaining superficial hard material skeleton has a significantly lower abrasion resistance than a hard metal alloy completely bonded with binder metal. The coating according to the invention largely prevents surface corrosion and thus triggering of a binder.

Selbst wenn mit Strahlmitteln gearbeitet wird, bei denen es auf Grund eines hohen pH-Wertes zu keiner wesentlichen Bindemetallauslösung kommt kann durch die erfindungsgemäße Beschichtung eine deutliche Verbesserung der Standzeit festgestellt werden, was auf den zusätzlichen Glättungseffekt der Beschichtung vor allem im Bereich unmittelbar hinter dem Eintrittskonus der Fokussierdüse zurückzuführen ist. Durch die glattere Oberfläche in diesem Bereich beruhigt sich die inkohärente Strahlzone deutlich schneller, wodurch der Verschleiß stark verringert wird.Even when working with blasting agents, where there is no significant binding metal release due to a high pH value, a marked improvement in the service life can be determined by the coating according to the invention, which is due to the additional smoothing effect of the coating, especially in the region immediately behind the inlet cone the Fokussierdüse is due. Due to the smoother surface in this area, the incoherent jet zone settles much faster, which greatly reduces wear.

Als besonders günstig hat es sich erwiesen die Hartstoffbeschichtung als eine einlagige Titannitrid- oder Titankarbonitridschicht auszuführen.It has proved to be particularly favorable to carry out the hard material coating as a single-layer titanium nitride or titanium carbonitride layer.

Die zweckmäßigsten Schichtstärken für die Hartstoffbeschichtung liegen im Bereich von 1-15 pm.The most suitable layer thicknesses for the hard coating are in the range of 1-15 pm.

Die Aufbringung von Schichten mit Titannitridanteil lässt sich besonders gut über CVD (Chemical vapour deposition) Verfahren realisieren. Diese Verfahren bieten den großen Vorteil, dass die Reaktionsgase leicht geführt werden können, so dass sich die damit hergestellten Hartstoffschichten auch an schwer zugänglichen Stellen abscheiden lassen und daher auch die Innenwandungen der engen Bohrungen der Fokussierdüsen problemlos beschichtet werden können.The application of layers with titanium nitride fraction can be realized particularly well by CVD (Chemical vapor deposition) method. These methods offer the great advantage that the reaction gases can be easily guided, so that the hard coatings produced therewith can be deposited even in hard-to-reach places and therefore the inner walls of the narrow holes of the focusing nozzles can be easily coated.

Als Grundmaterial für die Fokussierdüse hat sich ein Hartmetall mit bis zu 1,5 Gew % Kobalt als Bindemetall, bis zu 3 Gew % Mischkarbiden, und Wolframkarbid mit einer Korngröße von weniger als 0,4 pm als Rest, bewährt.The basic material for the focusing nozzle is a hard metal with up to 1.5 wt% cobalt as binding metal, up to 3 wt% of mixed carbides, and tungsten carbide with a grain size of less than 0.4 pm as the remainder, proven.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Beispielen näher erläutert.In the following the invention will be explained in more detail with reference to examples.

Beispiel 1example 1

Aus einer Hartmetalllegierung mit 1 Gew % Kobalt als Bindemetall und Wolframkarbid mit 0,2 pm mittlerer Korngröße als Rest, wurden Fokussierdüsen mit 76 mm Länge, 9 mm Außendurchmesser und 0,7 mm Bohrungsdurchmesser durch Strangpressen und Sintern hergestellt. Die Fokussierdüsen wiesen eine Härte von 2550 HV10 auf. Anschließend wurde ein Teil der Fokussierdüsen an der Oberfläche einschließlich der Bohrungswandung mit einem Mitteltempe-From a cemented carbide alloy containing 1 wt% cobalt as the binder metal and tungsten carbide having 0.2 pm average grain size as balance, focusing nozzles of 76 mm in length, 9 mm in outer diameter and 0.7 mm in bore diameter were produced by extrusion molding and sintering. The focusing nozzles had a hardness of 2550 HV10. Subsequently, a part of the focusing nozzles on the surface, including the bore wall with a center

Claims

4 AT 007 925 U1 rature CVD process coated with a 6.5 μηι TiN thick layer. The layer hardness was about 2450 HV0i. The focussing nozzles had a golden yellow color. In a comparative test, a portion of the inventively coated focusing nozzles with uncoated reference nozzles was used under practical conditions for water jet cutting. 5 The water pressure was 2250 bar, with a pH of the water of 6.1. The abrasive used was sand with a mean particle size of 260 μm and a feed rate of 9 g / s. As a result, lifetime increases of the coated focussing nozzles relative to the uncoated focussing nozzles were found to be in the range of factor 1.8 to 2.1. Example 2 Focusing nozzles were prepared according to Example 1. A portion of these focusing nozzles were provided on the surface including the bore wall with a medium temperature CVD process with a two-ply hard coating of an 8 pm TiCN layer 15 and a 4 pm thick TiN layer, the top layer of the coating covering the TiN layer was. The hardness of the coating was about 2450 HV0i. In the comparative test of the invention coated focusing nozzles and the uncoated reference nozzles in water jet cutting, the water pressure was 2250 bar, the pH of the water was 7.3. The abrasive used was again sand with a grain size of 260 μm and a feed rate of 9 g / s. As a result, service life increases of the inventively coated focusing nozzles compared to the uncoated reference nozzles in the range of factor 1.3 to 1.6 were found. Claims: 1. Fokussierdüse for Abrasivwasserstrahlschneiden consisting of a nozzle body made of hard metal, which is penetrated by a bore for focusing the cutting beam 30 and wherein at least the bore wall is provided with a single or multi-layer hard material coating, characterized in that the hard material coating at least the free surface has a layer with titanium nitride. 35

2. Fokussierdüse for Abrasivwasserstrahlschneiden according to claim 1, characterized in that the hard material coating is designed as a single-layer titanium nitride or titanium carbonitride layer.

3. focussing nozzle for Abrasivwasserstrahlschneiden according to claim 1 or 2, characterized in that the layer thickness of the hard coating is in the range of 1 to 15 pm.

4. Fokussierdüse for Abrasivwasserstrahlschneiden according to one of claims 1 to 3, 45, characterized in that the layer is applied by means of CVD method.

5. Fokussierdüse for Abrasivwasserstrahlschneiden according to one of claims 1 to 4, characterized in that the hard metal for the main body of up to 1.5 wt% cobalt as binder metal, up to 3 wt% mixed carbides, and tungsten carbide with a grain 50 large less than 0.4 pm as the remainder. No drawing 55