CH667605A5

CH667605A5 - Spanendes werkzeug und verfahren zu dessen herstellung.

Info

Publication number: CH667605A5
Application number: CH1659/85A
Authority: CH
Inventors: Alexei Georgievich Gavrilov; Galina Konstantinov Galitskaya; Viktor Petrovich Zhed; Andrei Karlovich Sinelschikov; Albert Mikhailovich Boyarunas; Anatoly Mikhailovich Lein; Evgeny Mikhailovich Stepnov
Original assignee: Vni Instrument Inst
Priority date: 1983-08-25
Filing date: 1983-08-25
Publication date: 1988-10-31
Also published as: CA1219549A; FI851486L; FI851486A0; AU563891B2; AU2122383A; SE8501672L; BR8307747A; DE3390522T1; WO1985000999A1; NO851602L; JPS60502093A; SE453468B; FR2558087B1; FR2558087A1; GB8508271D0; DK179185A; NL8320321A; GB2156387B; DK179185D0; SE8501672D0

Description

BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein spanendes Werkzeug gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, sowie auf ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 3.

Eine der Entwicklungstendenzen der modernen Metallbearbeitung besteht in der Vervollkommnung der Betriebskennwerte von spanenden Werkzeugen durch Auftragen ver-schleissfester Beschichtungen auf ihre Oberfläche.

Bis in die Gegenwart wurde das Hauptaugenmerk bei der Vervollkommnung der Eigenschaften des Werkzeugs auf die chemische Beschaffenheit der Beschichtungen gerichtet, die unter konkreten Nutzungsbedingungen effektiv sind. Man kann jedoch die Eigenschaften der Werkzeuge auch durch Vervollkommnung der Struktur der Beschichtungen verbessern.

Bekannt ist ein spanendes Werkzeug (GB-Anmeldung Nr. 1 303 910, Klasse C23C 11/08 vom 24.01.73), das einen aus einer Hartlegierung bestehenden Grundkörper enthält, auf die eine verschleissfeste Beschichtung aufgetragen ist, die Mikrokristalle einer hochschmelzbaren Verbindung von Metallen mit Elementen aus der Gruppe C, N und/oder B enthält. Bei diesem Werkzeug sind als Metalle der verschleissfe-sten Beschichtung die Metalle aus der Gruppe Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta verwendet worden.

Aus derselben GB-Anmeldung ist auch ein Herstellungsverfahren des Werkzeuges bekannt, das im Erhitzen des Grundkörpers auf 1000 bis 1100 °C, in der Zugabe von Metalle und Elemente aus der Gruppe C, N und B enthaltenden Reaktanten und im Ablauf einer chemischen Reaktion zwischen ihnen unter Bildung einer Beschichtung, die Mikrokristalle ihrer hochschmelzbaren Verbindung enthält, besteht.

Das nach dem beschriebenen Verfahren hergestellte spanende Werkzeug ist jedoch durch eine hohe Oberflächenenergie gekennzeichnet, wodurch seine aktive Adhäsionsund Diffusionswechselwirkung mit dem zu bearbeitenden Stoff hervorgerufen wird.

Bekannt ist ein weiteres spanendes Werkzeug (US-Patentschrift Nr. 4 169 913, Klasse B23B 15/18 1979), das ei-s nen Grundkörper enthält, dessen Arbeitsfläche mit einer verschleissfesten Beschichtung versehen ist, die Mikrokristalle einer hochschmelzbaren Verbindung von Metallen mit Elementen aus der Gruppe C, N, B und O enthält.

Dieses spanende Werkzeug ist ebenfalls durch eine hohe io Oberflächenenergie gekennzeichnet, wodurch eine aktive Adhäsions- und Diffusionswechselwirkung mit dem zu bearbeitenden Stoff hervorgerufen wird.

Aus derselben US-PS ist auch ein Herstellungsverfahren für dieses Werkzeug bekannt. Dieses besteht im Verdampfen i5 und Ionisieren eines Metalls im Vakuum, in der anschliessenden Zuführung eines gasförmigen Reaktanten, der Elemente der Gruppe C, N, B und O enthält, in das Vakuum und in der Wechselwirkung des Metalles mit diesen Elementen bis zur Bildung der verschleissfesten Beschichtung. In 20 diesem Verfahren bewirkt ein Elektronenstrahl das Verdampfen der Metalle unter Verwendung einer Spazialelek-trode, die für das Ionisieren der Metalle vorgesehen ist, während die Wechselwirkung der Metalle mit den Elementen aus der Gruppe C, N, O und B auf dem nicht erhitzten Grund-25 körper erfolgt.

Bei diesem Herstellungsverfahren führen die Temperaturverhältnisse beim Auftragen der Beschichtung jedoch zur Vernichtung der Energie der Wechselwirkung der Metalle und der Elemente aus der Gruppe C, N, O und B durch den 30 nicht erhitzten Grundkörper, was zur Entstehung einer Beschichtung mit einem hohen Niveau an freier Oberflächenenergie führt, was wiederum die Standzeit des Werkzeuges verringert.

Ausserdem ermöglicht in diesem Herstellungsverfahren 35 der Verdampfungs- und Ionisierungsprozess der Metalle nicht die Erzielung eines hohen Ionisierungsgrads, was ebenfalls zur Entstehung einer Beschichtung mit einem hohen Niveau an freier Oberflächenenergie führt und was, wie schon oben erwähnt, die Standzeit des Werkzeugs verringert.

40 Bekannt ist noch ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines spanenden Werkzeugs (Dissertation von S.V. Kasja-nov «Untersuchung der Schneideigenschaften und Erarbeitung weiterer Wege der Entwicklung von Werkzeugen mit verschleissfesten Beschichtungen», Moskau, 1979, Moskauer Hochschule für Werkzeugmaschinenbau, S. 50, russ.), das im Verdampfen und Ionisieren wenigstens eines Metalls im Vakuum, im Erhitzen des Grundkörpers in der Säuberung der Arbeitsfläche des Grundkörpers durch Bombardierung mit Ionen wenigstens eines Metalls, in der folgenden Zuleitung eines gasförmigen Reaktanten in das Vakuum und in der Wechselwirkung wenigstens eines Metalls mit wenigstens einem Element des Reaktanten bis zur Bildung einer verschleissfesten Beschichtung besteht.

55 Aber auch dieses Herstellungsverfahren ermöglicht nicht die Erzielung eines minimalen Werts an freier Energie der Arbeitsfläche. Das bewirkt eine intensive Diffusions- und Adhäsionswechselwirkung der Arbeitsfläche mit dem zu bearbeitenden Material, was wiederum die Standzeit des spa-60 nenden Werkzeugs verringert.

Der Erfindung hegt die Aufgabe zugrunde, ein spanendes Werkzeug der eingangs genannten Art zu schaffen, das solch eine Struktur der Beschichtung hat, die deren Standzeit erhöht, und ein Herstellungsverfahren dieses Werkzeuges zu 65 schaffen, bei dem die Temperaturverhältnisse und der Druck, bei dem die verschleissfeste Beschichtung aufgetragen wird, eine Erhöhung der Standzeit des Werkzeugs ermöglichen.

3

667 605

Diese Aufgabe wird beim vorgeschlagenen Werkzeug dadurch erreicht, dass das Werkzeug die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 umschriebenen Merkmale aufweist.

Es ist zweckmässig, dass die kristallografische Ebene jene ist, die die minimale Oberflächenenergie aufweist.

Das vorgeschlagene Herstellungsverfahren der eingangs genannten Art weist die im Kennzeichen des Patentanspruches 3 umschriebenen Merkmale auf.

In der vorliegenden Erfindung ist die zwischenmolekulare Wechselwirkung zwischen dem spanenden Werkzeug und dem zu bearbeitenden Material auf ein Minimum gebracht worden, was zur Verringerung der Intensität der Prozesse der Adhäsions-, chemischen und Diffusionswechselwirkung zwischen dem spanenden Werkzeug und dem zu bearbeitenden Material führt, was wiederum die Standzeit des spanenden Werkzeugs erhöht.

Im folgenden wird die Erfindung durch die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert, und zwar zeigen:

Fig. 1 die Gesamtansicht eines nach dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellten spanenden Werkzeuges (teilweiser Ausschnitt); und

Fig. 2 die Gesamtansicht des spanenden Werkzeuges ähnlich wie Fig. 1, bei dem jedoch die kristallografische Ebene der Mikrokristalle jene ist, die eine minimale Oberflä-chenenergie aufweist.

Das spanende Werkzeug enthält einen Grundkörper 1 (Fig. 1), dessen Arbeitsfläche 2 eine Beschichtung 3 hat, die durch die Verbindung TiN gebildet ist.

In Fig. 1 sind schematisch (stark vergrössert) die Mikrokristalle der Verbindung TiN abgebildet, die mit ein und derselben kristallografischen Ebene 4 parallel zur Arbeitsfläche 2 des Grundkörpers 1 orientiert sind.

In Fig. 2 sind schematisch (stark vergrössert) die Mikrokristalle der Verbindung TiN abgebildet, die mit ihrer durch minimale Oberflächenenergie gekennzeichneten kristallografischen Ebene parallel zur Arbeitsfläche 2 des Grundkörpers 1 orientiert sind.

Das Verfahren zur Herstellung des Werkzeuges besteht darin, dass wenigstens ein Metall im Vakuum verdampft und ionisiert wird. Dann erwärmt man den Grundkörper und säubert seine Arbeitsfläche durch Bombardierung mit Metallionen. Das Erwärmen des Grundkörpers wird bis zu einer Temperatur, die weniger als 100 CC unter der Entfesti-gungstemperatur des Grundkörpers liegt, vorgenommen.

Die Erwärmungstemperatur wird während der Entstehung der Beschichtung in einem Bereich zwischen dieser Temperatur und der Temperatur + 50 °C gehalten. Dann wird ein gasförmiger Reaktant zugeführt, der wenigstens ein Element aus der Gruppe C, N, O, B und Si enthält, dessen Druck in einem Bereich von 13,33 bis 1,33 ■ 10-2 Pa reguliert wird, und man lässt das Metall mit wenigstens einem der Elemente der Gruppe C, N, O, B und Si reagieren, was zur Bildung der verschleissfesten Beschichtung führt, die Mikrokristalle einer Verbindung des wenigstens einen Metalles mit wenigstens einem der Elemente aus der Gruppe C, N, O, B und Si enthält, die mit ein und derselben kristallografischen Ebene parallel zur Arbeitsfläche des Grundkörpers orientiert sind.

Das spanende Werkzeug wirkt folgendermassen.

Während des Prozesses der Metallverarbeitung tritt die verschleissfeste Beschichtung 3 (Fig. 1,2) mit dem zu bearbeitenden Metall unter hoher Temperatur und hohem Druck in Wechselwirkung, die in der Schneidzone entstehen. Die Orientierung des grössten Teiles der Mikrokristalle mit ein und derselben kristallografischen Ebene 4 parallel zur Arbeitsfläche 2 des Grundkörpers 1 ermöglicht eine Verringerung der freien Energie der Arbeitsfläche 2 des Grundkörpers 1, was zu einer Verringerung der Intensität der zwischenmolekularen Wechselwirkung der Arbeitsfläche 2 mit dem zu bearbeitenden Material führt.

Wenn die kristallografische Ebene 5 (Fig. 2) der Mikrokristalle jene ist, die eine minimale Oberflächenenergie besitzt, sinkt die zwischenmolekulare Wechselwirkung bis auf einen minimalen Wert, wodurch die Standzeit des spanenden Werkzeugs noch mehr erhöht wird.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung sind im folgenden konkrete Durchführungsbeispiele der Erfindung gezeigt.

Beispiel 1.

Hergestellt wurden Bohrer 0 5 mm und Probekörper für eine Röntgen-Strukturuntersuchung der Beschichtung aus Stahl folgender Zusammensetzung:

C Cr W V Mo Fe

0,85 3,6 6,0 2,0 5,0 Rest

Anlasstemperatur des Stahls: 560 :C.

Die von Verunreinigungen gesäuberten Bohrer und der Probekörper für die Röntgen-Strukturuntersuchung wurden in Spezialkassetten gelegt und gleichzeitig in eine Vakuumkammer eingebracht, in der eine Titankatode aufgestellt worden war. In der Kammer wurde ein Vakuum von 6,65 • 10~3 Pa erzeugt, danach ein elektrischer Bogen gezündet und auf diese Weise das Titan verdampft und ionisiert.

An die Bohrer und den Probekörper für die Röntgen-Strukturuntersuchung wurde eine negative Spannung angelegt, die die positiv geladenen Titanionen beschleunigt, und durch Bombardierung der Arbeitsfläche der Bohrer und des Probekörpers mit Titanionen wurde die Säuberung ihrer Oberfläche und das Erwärmen des Grundkörpers vorgenommen. Dann wurde die an die Bohrer und den Probekörper angelegte Spannung verringert. Gleichzeitig strömte in die Kammer Stickstoff ein, der mit dem Titan reagierte bis zur Entstehung einer Beschichtung aus der hochschmelzbaren Verbindung TiN, die Mikrokristalle enthält. Das Auftragen der Beschichtung TiN auf die Arbeitsfläche der Bohrer und die Oberfläche des Probekörpers wurde bei verschiedenen Erwärmungsverläufen und bei verschiedenen Werten des Stickstoffdrucks vorgenommen.

Jedes Verfahren wurde an einer neuen Bohrerserie im Beisein eines neuen Probekörpers erprobt. Der Orientierungsgrad der Mikrokristalle der hochschmelzbaren Verbindung TiN wurde nach der Methode der Röntgen-Strukturuntersuchung der Beschichtung des Probekörpers nach der Höhe der Spitze der Beugung der Röntgenstrahlung von der kristallografischen Ebene 4 (5) des Mikrokristalls mit minimaler Oberflächenenergie bestimmt. Die höchste Spitze der Beugung der Röntgenstrahlung von der Ebene 4 (5) wird in der gegebenen Serie als 100% angenommen und im Vergleich dazu die Höhe der Spitzen der Beugung dieser Ebene der Mikrokristalle TiN in den übrigen Versuchen abgeschätzt.

Je 5 Bohrer aus jeder fertigen Bohrerserie mit einer Beschichtung aus TiN wurden beim Bohren von 15 mm tiefen Löchern in Stahl der Zusammensetzung

C Fe

0,42 bis 0,49 Rest auf einer Senkrechtbohrmaschine bei folgender Arbeitsweise erprobt:

— Geschwindigkeit V = 4,5 m/min

— Vorschubgrösse S = 0,03 mm/U

5

10

13

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

Tabelle 1

Lfd. Nr. Werkzeug Erwärmungstemperatur des Grundkörpers Druck des Stickstoffs

Pa bei der Bombardie- bei Entstehung der rung durch Metall- Beschichtung,

ionen,

2

C

3

C 4

5

Bohrer aus Stahl mit einer

500

400

1,33

10~2

Beschichtung aus TiN

2,66

10 2

500

400

6,65

10"2

500

400

3,99

10~2

500

400

1,19

500

400

2,66

550

40

3,99

10"1

550

50

3,99

10 1

550

400

3,99

10-'

550

500

3,99

10-'

Bohrer aus einer Hartlegie

650

600

1,33

10-2

rung mit einer Beschichtung

650

600

6,65

10*2

aus (Ti, HON

650

600

1,19

650

600

1,33

650

600

2,66

650

40

6,65

10-'

650

80

6,65

10-'

650

100

6,65

10-'

650

500

6,65

10-'

750

500

6,65

10-'

400

6,65

10-'

Intensität der Beugung der Vcrsuchsergebnisse Koeffizient der

Röntgenstrahlung von der (Anzahl der Löcher) Erhöhung der Orienticrungscbene der Standzeit Mikrokristalle

6

7

8

40

450

1,0

60

650

1,44

90

750

1,7

100

810

1,8

-

350

-

30

450

1,0

80

700

1,6

90

750

1,7

100

800

1,8

40

410

1,8

60

500

2,08

90

800

3,3

100

1070

4,4

-

240

-

30

260

1,1

60

500

2,1

80

750

3,1

100

1070

4,4

100

800

3,3

85

580

2,4

Die Tabelle 1 zeigt die Versuchsergebnisse der Serien der Bohrer und Probekörper für die Röntgen-Strukturuntersu-chungen, die in neun verschiedenen Betriebsbedingungen hergestellt wurden.

Die grösste Standzeit der Bohrer wird laut Versuchsergebnissen bei Einhaltung einer Erwärmungstemperatur der Grundkörper der Bohrer vor der Einführung des Stickstoffs von 500 bis 550 C, eines Drucks des Stickstoffs von 1,19 Pa und einer Erwärmungstemperatur der Bohrer während der Wechselwirkung des Titans mit dem Stickstoff in einem Bereich von 50 °C bis 500 °C erreicht. Dabei zeichneten sich die Bohrer mit einer Beschichtung aus TiN, die Mikrokristalle enthält, deren überwiegende Menge mit der Ebene 4 (5) parallel zur Arbeitsfläche des Grundkörpers orientiert ist, durch grösste Standzeit aus.

Beispiel 2.

Hergestellt wurden Bohrer 0 5 mm und Probekörper für Röntgen-Strukturuntersuchungen aus einer Hartlegierung der Zusammensetzung

WC Co 92% Rest mit einer Entfestigungstemperatur von 700 bis 720 CC.

Die von Verunreinigungen gesäuberten Bohrer und ein Probekörper für Röntgen-Strukturuntersuchungen wurden gleichzeitig in eine Vakuumkammer eingebracht, in der sich eine Katode aus einer aus 50% Ti und 50% Hf bestehenden Legierung befand. Das Auftragen der Beschichtung geschah analog wie im Beispiel 1, jedoch mit dem Unterschied, dass sich in der Vakuumkammer eine Katode aus einer aus 50% Ti und 50% Hf bestehenden Legierung befand. Die Beschichtung aus der hochschmelzbaren Verbindung (Ti, Hf)N wurde auf die Oberfläche der Bohrer und Probekörper nach verschiedenen Erwärmungsverläufen und bei verschiedenen

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Drücken des Stickstoffs aufgetragen. Der Orientierungsgrad der Mikrokristalle der hochschmelzbaren Verbindung wurde wie im Beispiel 1 gemessen.

Je 5 Bohrer aus jeder fertigen Bohrerserie mit einer Beschichtung aus der hochschmelzbaren Verbindung (Ti, Hf)N wurden beim Bohren von Löchern in Graphit auf einer Senkrechtbohrmaschine bei folgender Bohrweise erprobt:

— Geschwindigkeit V =68 m/min

— Vorschubgrösse S = 0,18 mm/U

— Tiefe des Loches 1 = 16 mm

Die Tabelle 1 zeigt die Versuchsergebnisse der Bohrer und der Probekörper für die Röntgen-Strukturuntersuchun-gen, die unter verschiedenen Betriebsbedingungen hergestellt wurden. Die grösste Standzeit der Bohrer wird laut Versuchsergebnissen bei Einhaltung einer Erwärmungstemperatur des Hartlegierungsgrundkörpers vor der Einführung des Stickstoffs von 600° bis 700 °C, eines Drucks des Stickstoffs von 6,65 • 10"1 Pa und einer Erwärmungstemperatur des Hartlegierungsgrundkörpers während des Auftragens der Beschichtung von 100 C bis 600 C erreicht.

Dabei zeichnen sich die Bohrer mit einer Beschichtung aus der hochschmelzbaren Verbindung (Ti, Hf)N, die Mikrokristalle enthält, deren überwiegende Menge mit der durch minimale Oberflächenenergie gekennzeichneten Ebene 4 (5) parallel zur Arbeitsfläche des Grundkörpers orientiert ist, durch grösste Standzeit aus.

Die vorliegende Erfindung kann für die Metallbearbeitung durch verschiedenende Zerspanungsarten angewendet werden.

Die Erfindung ermöglicht ausserdem eine Verbesserung der Qualität von Aussenflächen- und Korrosionsschutzüberzügen und eine Verbesserung der Betriebscharakteristiken der Bauteile von gleitenden Paarungen.

Die Erfindung kann für die Herstellung von spanenden Werkzeugen aus verschiedenartigen, für die Werkzeugherstellung verwendeten Werkstoffen eingesetzt werden.

5

10

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20

25

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45

50

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S

1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Spanendes Werkzeug mit einem Grundkörper (1), auf dessen Arbeitsfläche (2) eine verschleissfeste Beschichtung (3) aufgetragen ist, die Mikrokristalle einer hochschmelzbaren Verbindung wenigstens eines Metalles mit wenigstens einem der Elemente C, N, O, B und Si enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokristalle mit ein und derselben kristallographischen Ebene (4, 5) grösstenteils parallel zur Arbeitsfläche (2) des Grundkörpers orientiert sind.

2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kristallografische Ebene (4, 5) jene mit der minimalen Oberflächenenergie ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren zum Herstellen des Werkzeuges nach Anspruch 1, bei dem wenigstens ein Metall im Vakuum verdampft und ionisiert wird, der Grundkörper erhitzt und dessen Arbeitsfläche durch Bombardierung mit Ionen des Metalles gereinigt wird, wonach ein gasförmiger Reaktant, der wenigstens eines der Elemente C, N, O, B und Si enthält, dem Vakuum zugeleitet wird und das Metall mit wenigstens einem dieser Elemente bis zur Entstehung der Mikrokristalle in Wechselwirkung gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (1) bis zu einer Temperatur, die weniger als 100 C unter seiner Entfestigungstemperatur liegt, erhitzt wird und, dass während der Entstehung der Beschichtung (3) ein Temperaturbereich zwischen dieser Erwärmungstemperatur des Grundkörpers und 50 °C bei gleichzeitiger Regulierung des Drucks des gasförmigen Reaktanten in einem Bereich von 13,3 Pa bis 1,33 • 10-2 Pa eingehalten wird.