DD223470A1 - TITANKARBONITRIDE SINTERED MATERIAL FOR CUTTING AND TRIBOLOGICAL TREATMENT - Google Patents

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DD223470A1 DD26056084A DD26056084A DD223470A1 DD 223470 A1 DD223470 A1 DD 223470A1 DD 26056084 A DD26056084 A DD 26056084A DD 26056084 A DD26056084 A DD 26056084A DD 223470 A1 DD223470 A1 DD 223470A1
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Wilm Heinrich
Ralf Krumphold
Lothar Illgen
Walter Foerster
Klaus Voigt
Bernhard Rieger
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Pulvermetallurgie. Ziel der Erfindung ist es, die guten Zerspanungseigenschaften der Grundtypen Hartmetall und Schneidkeramik weitgehend in einem Werkstoff zu kombinieren. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Zusammensetzung eines Sinterwerkstoffes anzugeben, der in einem grossen Schnittgeschwindigkeitsbereich, sowohl fuer Stahl als auch fuer Guss, einsetzbar ist. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe durch einen Sinterwerkstoff geloest, der aus einem Hartstoff und aus restlichen Phasen besteht. Die Zusammensetzung des gesamten Hartmetalls in Molbruechen Tia Cb Nc Od Me liegt innerhalb der Grenzen a 0,44 bis 0,57, b 0,19 bis 0,46, c 0,035 bis 0,24, d 0,019 bis 0,10 und e 0,00023 bis 0,056. Fuer M stehen die Metalle Cu, Mn, Fe, Ni und/oder Co. Anwendungsgebiet sind gesinterte Formkoerper sowohl fuer tribologische Beanspruchung als auch fuer die Zerspanung, wie z. B. Mahlkoerper und Dichtungsringe bzw. Wendeschneidplatten.The invention relates to the field of powder metallurgy. The aim of the invention is to combine the good machining properties of the basic types carbide and cutting ceramic largely in one material. The invention has for its object to provide the composition of a sintered material, which is in a large cutting speed range, both for steel and cast, can be used. According to the invention, the object is achieved by a sintered material consisting of a hard material and remaining phases. The composition of the total hard metal in Tia Cb Nc Od Me mol fractions is within the limits a 0.44 to 0.57, b 0.19 to 0.46, c 0.035 to 0.24, d 0.019 to 0.10 and e 0 , 00023 to 0.056. For M are the metals Cu, Mn, Fe, Ni and / or Co. Field of application are sintered moldings both for tribological stress as well as for the machining, such. As Mahlkoerper and sealing rings or indexable inserts.

Description

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Pulvermetallurgie. Objekte, für die ihre Anwendung möglich ist, sind gesinterte Formkörper für tribologische Beanspruchung, beispielsweise Mahlkörper und Dichtungsringe. Besonders zweckmäßig ist die Anwendung für gesinterte Formkörper für die Zerspanung, z.B. Wendeschneidplatten.The invention relates to the field of powder metallurgy. Objects for which their application is possible are sintered moldings for tribological stress, for example grinding media and sealing rings. Particularly useful is the application for sintered shaped bodies for machining, e.g. Indexable inserts.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Es sind zahlreiche Werkstoffzusammensetzungen für die Zerspanung und den tribologischen Verschleiß bekannt, die sich nach den mechanischen Eigenschaften und Gebrauchswerten charakteristisch voneinander unterscheiden. Die bekannten Hartmetalle auf Wolframkarbid-Basis 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 <250m/min begrenzt. Bindemetallfreie bzw. -arme keramische Zusammensetzungen weisen zwar höhere Härte auf, liegen aber in der Biegefestigkeit bei relativ niedrigen Werten, wie z. B. Al203 mit 300 bis 500 MPa. Das Einsatzgebiet dieser Werkstoffe liegt vorzugsweise bei hohen Schnittgeschwindigkeiten, jedoch relativ geringen Spantiefen und Vorschüben und ausschließlich glattem Schnitt.Numerous material compositions for machining and tribological wear are known, which differ characteristically according to the mechanical properties and use values. Although the known cemented tungsten carbide-based carbides have high flexural strengths of up to 3500 MPa at high binder metal contents, their hardness is generally below 1800 HV. The area of application of these carbides is limited to cutting speeds <250m / min. Although binder-metal-free or low-ceramic compositions have higher hardness, but lie in the bending strength at relatively low values, such as. B. Al 2 O 3 at 300 to 500 MPa. The field of application of these materials is preferably at high cutting speeds, but relatively low cutting depths and feeds and exclusively smooth cut.

Außerdem sind Hartmetalle auf Titankarbonitrid-Basis mit Zusätzen von Molybdän und Nickel bekannt (Kieffer, R., Ettmayer, P.: Entwicklungen auf dem Gebiet der Nitridchemie und nitridhaltigen Hartmetalle, Radex-Rundschau (1982) 4, S.998-1009). Nachteilig ist dabei, daß der schädliche Einfluß des Sauerstoffs ausgeschaltet werden muß. In Weiterentwicklung dieses Hartmetalltyps wurde als Hartstoff ein Oxikarbonitrid eingesetzt (DD-PS 123078, OS 2902139), wobei u.a. zur Stabilisierung des Sauerstoffs im Hartmetall die Sinterung in einer speziellen CO'-Atmosphäre durchgeführt wird, um die auf die übliche Desoxidation zurückzuführende Festigkeitsminderung zu vermeiden. Von Nachteil sind die kompliziert aufgebauten bzw. rohstoffaufwendigen Bindemetallanteile, die aufwendige Herstellungstechnologie sowie die Beschränkung des Einsatzgebietes als Schneidstoff auf Stahl und auf die bei Hartmetallen üblichen Schnittgeschwindigkeiten <250m/min.In addition, titanium carbide-based hard metals with additions of molybdenum and nickel are known (Kieffer, R., Ettmayer, P .: Developments in the field of nitride chemistry and nitride-containing hard metals, Radex-Rundschau (1982) 4, S.998-1009). The disadvantage here is that the harmful influence of oxygen must be turned off. In further development of this type of cemented carbide an oxycarbonitride was used as hard material (DD-PS 123078, OS 2902139), whereby u.a. to stabilize the oxygen in the cemented carbide sintering is carried out in a special CO 'atmosphere, in order to avoid the due to the usual deoxidation strength reduction. Of disadvantage are the complicated structure or raw material consuming binder metal shares, the complex production technology and the limitation of the field of application as a cutting material on steel and on the usual hard metals cutting speeds <250m / min.

Ferner sind bindemetallfreie bzw. -arme, heißgepreßte Titankarbonitrid-Werkstoffe für die Zerspanung sowie die tribologische Beanspruchung bekannt. Deren Nachteil besteht im hohen technischen Aufwand, den die Heißpreßtechnik erfordert.Furthermore, binder metal-free or low-carbon, hot-pressed titanium carbonitride materials for machining and tribological stress are known. Their disadvantage is the high technical complexity required by the Heißpreßtechnik.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist es, die jeweils guten Zerspanungseigenschaften der Grundtypen Hartmetall und Schneidkeramik weitgehend in einem Werkstoff zu kombinieren bzw. in speziellen Bereichen zu überbieten, verfügbare und preisgünstige Rohstoffe einzusetzen und seine Herstellung nach der herkömmlichen Hartmetalltechnologie zu ermöglichen.The aim of the invention is to combine the respective good cutting properties of the basic types carbide and cutting ceramic largely in one material or to outbid in specific areas to use available and inexpensive raw materials and to enable its production according to the conventional carbide technology.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Zusammensetzung eines Sinterwerkstoffes anzugeben, der in einem großen Schnittgeschwindigkeitsbereich, sowohl für Stahl als auch für Guß, bei international üblichen bzw. höheren Standzeiten und werkstoffbezogenen Schnittbedingungen einsetzbar, arm an Molybdän, Wolfram oder Kobalt ist und zur Herstellung von Werkzeugen bzw. Formteilen weder den Einsatz isostatischer noch der Heißpreßtechnik zwingend erfordert. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Titankarbonitrid-Sinterwerkstoff aus einem Hartstoff der Grundzusammensetzung (Ti, C, N, Ο, M) mit zusätzlichen Metallkarbiden und aus restlichen Phasen der integralen Grundzusammensetzung (Ti, 0, M) besteht. Die Zusammensetzung des gesamten Hartmetalls in Molbrüchen Ti, Cb N0 0d M, liegt innerhalb der Grenzen a = 0,44 bis 0,57 b = 0,19 bis 0,46 c = 0,035 bis 0,24 d = 0,019 bis 0,10 e = 0,00023 bis 0,056. Für M steht mindestens eines der Metalle Kupfer, Mangan, Eisen, Nickel und/oder Kobalt. Charakteristisch für die Zusammensetzung des Hartstoffs ist dabei, daß das Verhältnis von Titan zu Kohlenstoff bzw. Stickstoff vom Rand zur Mitte des Hartstoffkornes kleiner wird. Eine Variante der Erfindung sieht vor, daß der Titankarbid-Sinterwerkstoff 0,5 bis 10,0 Ma.-% zusätzliche Karbide von Metallen der Nebengruppen IVa bis Via des PSE enthält.The invention has for its object to provide the composition of a sintered material, which can be used in a large cutting speed range, both steel and cast iron, with international standard or higher service life and material-related cutting conditions, poor in molybdenum, tungsten or cobalt and for the production of tools or moldings neither the use of isostatic nor hot pressing technology mandatory. According to the invention the object is achieved in that the titanium carbonitride sintered material consists of a hard material of the base composition (Ti, C, N, Ο, M) with additional metal carbides and remaining phases of the integral base composition (Ti, 0, M). The composition of the total hard metal in molar fractions Ti, Cb N0 0d M is within the limits a = 0.44 to 0.57 b = 0.19 to 0.46 c = 0.035 to 0.24 d = 0.019 to 0.10 e = 0.00023 to 0.056. For M is at least one of the metals copper, manganese, iron, nickel and / or cobalt. Characteristic of the composition of the hard material is that the ratio of titanium to carbon or nitrogen from the edge to the center of the hard material grain is smaller. A variant of the invention provides that the titanium carbide sintered material contains 0.5 to 10.0 wt .-% additional carbides of metals of the subgroups IVa to Via of the PSE.

Ausführungsbeispielembodiment

Eine Wendeschneidplatte der Zusammensetzung Ti0,47 C037 N0>088 O0,0s7 Mn0,0i5 mit einem Hartstoffanteil von ca. 99 Vol.-% und dem Anteil restlicher Phasen von ca. 1 Vol.-% wird einer Zerspanungsprüfung unterzogen. Bei v = 200m/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 9Dmin Hie mittlere Y/erer-hleiRmarlrerihreite R .... < Π mm nnH Her lOi/ln/ercr-hleiR K < Π 1 Im VernleiVh Hayn wirH hei «r>netAn indexable insert of composition Ti0.47 C037 N0> 088 O0.0s7 Mn0.0i5 with a hard material content of about 99% by volume and the proportion of remaining phases of about 1% by volume is subjected to a cutting test. At v = 200 m / min, s = 0.45 mm / rev and a = 2 mm, using GGL 25 in the smooth cut as the counter material, after a cutting time of 9 mm, the mean friction ratio is R .... <Π mm nnH Her lOi / ln / ercr-HleiR K <Π 1 In the VernleiVh Hayn wirH ho> net

Claims (4)

1. Titankarbonitrid-Sinterwerkstoff für Zerspanung und tribologische Beanspruchung, gekennzeichnet dadurch, daß er aus einem Hartstoff der Grundzusammensetzung (Ti, C, N, O, M) mit zusätzlichen Metallkarbiden und aus restlichen Phasen der integralen Grundzusammensetzung (Ti, 0, M) besteht, wobei die Zusammensetzung des gesamten Hartmetalls in MolbrüchenTitanium carbonitride sintered material for machining and tribological stress, characterized in that it consists of a hard material of the basic composition (Ti, C, N, O, M) with additional metal carbides and remaining phases of the integral base composition (Ti, 0, M) , wherein the composition of the total carbide in mol fractions TiaCbNcOdM.Ti a C b N c O d M. innerhalb der Grenzeninside the borders a =0,44 bis 0,57a = 0.44 to 0.57 b = 0,19 bis 0,46b = 0.19 to 0.46 с = 0,035 bis 0,24с = 0.035 to 0.24 d = 0,019 bis0,10d = 0.019 to 0.10 e = 0,00023 bis 0,056e = 0.00023 to 0.056 liegt, und für M die Metalle Kupfer, Mangan, Eisen, Nickel und/oder Kobalt stehen.and M is the metals copper, manganese, iron, nickel and / or cobalt. -1- 260 560 7-1- 260 560 7 Erfindungsansprüche:Invention claims: 2. Titankarbonitrid-Sinterwerkstoff nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Verhältnis von Titan zu Kohlenstoff bzw. Stickstoff vom Rand zur Mitte des Hartstoffkorns kleiner wird.2. titanium carbonitride sintered material according to item 1, characterized in that the ratio of titanium to carbon or nitrogen from the edge to the center of the hard material grain is smaller. 3. Titankarbonitrid-Sinterwerkstoff nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß er 0,5 bis 10,0 Ma.-% zusätzliche Karbide von Metallen der Nebengruppen IVa bis Via des PSE enthält.3. titanium carbonitride sintered material according to item 1, characterized in that it contains 0.5 to 10.0 wt .-% additional carbides of metals of subgroups IVa to Via of the PSE. Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Pulvermetallurgie. Objekte, für die ihre Anwendung möglich ist, sind gesinterte Formkörper für tribologische Beanspruchung; beispielsweise Mahlkörper und Dichtungsringe. Besonders zweckmäßig ist die Anwendung für gesinterte Formkörper für die Zerspanung, z. B. Wendeschneidplatten.The invention relates to the field of powder metallurgy. Objects for which their application is possible are sintered shaped bodies for tribological stress; For example, grinding media and sealing rings. Particularly useful is the application for sintered moldings for machining, z. B. indexable inserts. Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions Es sind zahlreiche Werkstoffzusammensetzungen für die Zerspanung und den tribologischen Verschleiß bekannt, die sich nach den mechanischen Eigenschaften und Gebrauchswerten charakteristisch voneinander unterscheiden. Die bekannten Hartmetalle auf Wolframkarbid-Basis weisen zwar bei hohen Bindemetallanteilen hohe Biegefestigkeiten bis 3500MPa auf, ihre Härte liegt aber im allgemeinen unter 1800HV. Der Einsatzbereich dieser Hartmetalle ist auf Schnittgeschwindigkeiten < 250 m/min begrenzt. Bindemetallfreie bzw. -arme keramische Zusammensetzungen weisen zwar höhere Härte auf, liegen aber in der Biegefestigkeit bei relativ niedrigen Werten, wie z. B. AI2O3 mit 300 bis 500 MPa. Das Einsatzgebiet dieser Werkstoffe liegt vorzugsweise bei hohen Schnittgeschwindigkeiten, jedoch relativ geringen Spantiefen und Vorschüben und ausschließlich glattem Schnitt.Numerous material compositions for machining and tribological wear are known, which differ characteristically according to the mechanical properties and use values. Although the known cemented tungsten carbide-based carbides have high flexural strengths of up to 3500 MPa at high binder metal contents, their hardness is generally below 1800 Hz. The area of application of these hard metals is limited to cutting speeds <250 m / min. Although binder-metal-free or low-ceramic compositions have higher hardness, but lie in the bending strength at relatively low values, such as. B. Al 2 O 3 with 300 to 500 MPa. The field of application of these materials is preferably at high cutting speeds, but relatively low cutting depths and feeds and exclusively smooth cut. Außerdem sind Hartmetalle auf Titankarbonitrid-Basis mit Zusätzen von Molybdän und Nickel bekannt (Kieffer, R., Ettmayer, P.: Entwicklungen auf dem Gebiet der Nitridchemie und nitridhaltigen Hartmetalle, Radex-Rundschau (1982)In addition, titanium carbide-based carbides with additions of molybdenum and nickel are known (Kieffer, R., Ettmayer, P .: Developments in the field of nitride chemistry and nitride-containing carbides, Radex-Rundschau (1982) 4, S.998-1009). Nachteilig ist dabei, daß der schädliche Einfluß des Sauerstoffs ausgeschaltet werden muß. In Weiterentwicklung dieses Hartmetalltyps wurde als Hartstoff ein Oxikarbonitrid eingesetzt (DD-PS 123078, OS 2902139), wobei u.a. zur Stabilisierung des Sauerstoffs im Hartmetall die Sinterung in einer speziellen СО-Atmosphäre durchgeführt wird, um die auf die übliche Desoxidation zurückzuführende Festigkeitsminderung zu vermeiden. Von Nachteil sind die kompliziert aufgebauten bzw. rohstoffaufwendigen Bindemetallanteile, die aufwendige Herstellungstechnologie sowie die Beschränkung des Einsatzgebietes als Schneidstoff auf Stahl und auf die bei Hartmetallen üblichen Schnittgeschwindigkeiten < 250 m/min. Femer sind bindemetallfreie bzw. -arme, heißgepreßte Titankarbonitrid-Werkstoffe für die Zerspanung sowie die tribologische Beanspruchung bekannt. Deren Nachteil besteht im hohen technischen Aufwand, den die Heißpreßtechnik erfordert.4, pp. 998-1009). The disadvantage here is that the harmful influence of oxygen must be turned off. In further development of this type of cemented carbide an oxycarbonitride was used as hard material (DD-PS 123078, OS 2902139), whereby u.a. to stabilize the oxygen in the cemented carbide sintering is carried out in a special СО atmosphere to avoid the due to the usual deoxidation strength reduction. Of disadvantage are the complicated structure or raw material consuming binder metal shares, the complex production technology and the limitation of the field of application as cutting material on steel and on the usual hard metals cutting speeds <250 m / min. Furthermore, binder metal-free or low-carbon, hot-pressed titanium carbonitride materials for machining and tribological stress are known. Their disadvantage is the high technical complexity required by the Heißpreßtechnik. Ziel der ErfindungObject of the invention Ziel der Erfindung ist es, die jeweils guten Zerspanungseigenschaften der Grundtypen Hartmetall und Schneidkeramik weitgehend in einem Werkstoff zu kombinieren bzw. in speziellen Bereichen zu überbieten, verfügbare und preisgünstige Rohstoffe einzusetzen und seine Herstellung nach der herkömmlichen Hartmetalltechnologie zu ermöglichen.The aim of the invention is to combine the respective good cutting properties of the basic types carbide and cutting ceramic largely in one material or to outbid in specific areas to use available and inexpensive raw materials and to enable its production according to the conventional carbide technology. Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Zusammensetzung eines Sinterwerkstoffes anzugeben, der in einem großen Schnittgeschwindigkeitsbereich, sowohl für Stahl als auch für Guß, bei international üblichen bzw. höheren Standzeiten und werkstoffbezogenen Schnittbedingungen einsetzbar, arm an Molybdän, Wolfram oder Kobalt ist und zur Hersteilung von Werkzeugen bzw. Formteilen weder den Einsatz isostatischer noch der Heißpreßtechnik zwingend erfordert. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Titankarbonitrid-Sinterwerkstoff aus einem Hartstoff der Grundzusammensetzung (Ti, C, N, O, M) mit zusätzlichen Metallkarbiden und aus restlichen Phasen der integralen Grundzusammensetzung (Ti, O, M) besteht. Die Zusammensetzung des gesamten Hartmetalls in Molbrüchen Ti, Cb Nc Od M, liegt innerhalb der Grenzen a =0,44 bis 0,57The invention has for its object to provide the composition of a sintered material, which is used in a large cutting speed range, both steel and cast iron, with international standard or higher service life and material-related cutting conditions, poor in molybdenum, tungsten or cobalt and for Hersteilung of tools or moldings neither the use of isostatic nor hot pressing technology mandatory. According to the invention, the object is achieved in that the titanium carbonitride sintered material consists of a hard material of the basic composition (Ti, C, N, O, M) with additional metal carbides and remaining phases of the integral basic composition (Ti, O, M). The composition of the entire cemented carbide in Molbrüchen Ti, C b N c O d M, is within the limits a = .44 to .57 b = 0,19 bis 0,46b = 0.19 to 0.46 с = 0,035 bis 0,24с = 0.035 to 0.24 d = 0,019 bis0,10d = 0.019 to 0.10 e = 0,00023 bis 0,056.e = 0.00023 to 0.056. Für M steht mindestens eines der Metalle Kupfer, Mangan, Eisen, Nickel und/oder Kobalt. Charakteristisch für die Zusammensetzung des Hartstoffs ist dabei, daß das Verhältnis von Titan zu Kohlenstoff bzw. Stickstoff vom Rand zur Mitte des Hartstoffkornes kleiner wird. Eine Variante der Erfindung sieht vor, daß der Titankarbid-Sinterwerkstoff 0,5 bis 10,0 Ma.-% zusätzliche Karbide von Metallen der Nebengruppen IVa bis Via des PSE enthält.For M is at least one of the metals copper, manganese, iron, nickel and / or cobalt. Characteristic of the composition of the hard material is that the ratio of titanium to carbon or nitrogen from the edge to the center of the hard material grain is smaller. A variant of the invention provides that the titanium carbide sintered material contains 0.5 to 10.0 wt .-% additional carbides of metals of the subgroups IVa to Via of the PSE. Ausführungsbeispielembodiment Eine Wendeschneidplatte der Zusammensetzung Tio_47 C0i37 N0i088 O0r057 Mn0015 mit einem Hartstoffanteil von ca. 99 Vol.-% und dem Anteil restlicher Phasen von ca. 1 Vol.-% wird einer Zerspanungsprüfung unterzogen. Bei ν = 200m/min, s = 0,45mm/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 Bmittl. < 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 Bmita, > 0,5mm erreicht.An indexable insert of the composition Ti o _4 7 C 0i37 N 0i088 0R0 O 57 Mn 0015 with a hard material content of approximately 99 vol .-% and the proportion of residual phases of about 1 vol .-% is subjected to a machining test. At ν = 200 m / min, wherein s = is used as a mating material 25 GGL smooth cut in 0.45 mm / rev and a = 2 mm, is cut after a period of 20 minutes, the mean width of wear B avg. <0.25 mm and the crater wear K <0.1. By comparison, all other things being equal and the use of an indexable insert made of Ti (CN) -Mo 2 C-Ni carbide, the end of life, ie a permissible mean wear mark width B mita , is> 0.5 mm after a cutting time of 12 min reached.
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