DD237764A3

DD237764A3 - Diffusionsverfahren zur herstellung tantalcarbidlegierter schneideinsaetze aus sinterhartmetall

Info

Publication number: DD237764A3
Application number: DD25690882A
Authority: DD
Inventors: Joerg Heinrich; Wolfgang Weitz; Hartmut Westphal; Klaus Voigt
Original assignee: Joerg Heinrich; Wolfgang Weitz; Hartmut Westphal; Klaus Voigt
Priority date: 1982-03-11
Filing date: 1982-03-11
Publication date: 1986-07-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Diffusionsverfahren zur Herstellung tantalcarbidlegierter Schneideinsaetze aus Sinterhartmetall auf der Basis von Wolframcarbid und/oder Titancarbid mit mindestens einem Bindemetall der Eisengruppe fuer die spangebende Metallbearbeitung. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein geeignetes Diffusionsverfahren zur Herstellung einer mit Tantalcarbid legierten Randzone an Schneideinsaetzen zu entwickeln. Diese Aufgabe wird erfindungsgemaess dadurch geloest, dass auf einen pulvermetallurgisch hergestellten Schneideinsatz aus einer bekannten Sinterhartmetallegierung auf der Basis von Wolframcarbid und/oder Titancarbid mit mindestens einem Bindemetall der Eisengruppe durch ein chemisches, physikalisches oder elektrophoretisches Beschichtungsverfahren eine Oberflaechenschicht aus Tantalcarbid aufgebracht und der beschichtete Sinterhartmetallkoerper einer Temperaturbehandlung oberhalb der fuer die Legierungsanteile der Sinterhartmetall-Diffusionslegierung zutreffenden eutektischen Temperatur zwischen 1 250C und 1 400C ueber eine Haltezeit von 1 bis 2 Stunden in inerter oder reduzierender Atmosphaere unterzogen wird.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Diffusionsverfahren zur Herstellung tantalcarbidlegierter Schneideinsätze aus Sinterhartmetall auf der Basis von Wolframcarbid und/oder Titancarbid mit mindestens einem Bindemetall der Eisengruppe für die spangebende Metallbearbeitung.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist für die Herstellung von Sinterhartmetallegierungen auf der Basis von Wolframcarbid und/oder Titancarbid mit einem Bindemetall der Eisengruppe des PSE bekannt, daß durch Zulegieren von Tantalcarbid die Temperaturwechselbeständigkeit der fertiggesinterten Hartmetallformkörper wesentlich verbessert wird. Dabei strebt man.in diesen Legierungen eine kubischflächenzentrierte Mischkristallphase aus WC/TiC/TaC an, in der 10-28Mol.-% Tantalcarbid enthalten ist.

Die hiermit erreichbare hohe Temperaturwechselbeständigkeit hat große Bedeutung für Schneideinsätze zur spangebenden Metallbearbeitung, weil bei einer ungenügenden Temperaturwechselbeständigkeit infolge der hohen thermischen Beanspruchung der Werkzeugschneide an der Schneidkante Kammrisse auftreten, die zu einem vorzeitigen Standzeitende der Werkzeugschneide führen. Da bei unterbrochenem Schneideneingriff, z. B. beim Fräsen, die Schneidentemperaturen stark wechseln, haben Schneideinsätze für solche Bearbeitungsvorgänge verhältnismäßig hohe Legierungszusätze an Tantalcarbid.

Dieser Legierungszusatz erhöht die Temperaturwechselbeständigkeit sowohl bei WC/TiC-Hartmetallen mit Cobaldbinder als auch bei TiC-Hartmetallen mit Molybdäncarbid und Nickelbinder.

Die Herstellung von Tantalcarbid enthaltendem Sinterhartmetall erfolgt nach der bekannten pulvermetallurgischen Technologie der Hartmetalle, wonach von Pulvermischungen der betreffenden Carbide und des Bindemetalles ausgegangen wird, die zu Form körpern gepreßt und im Vakuum oder unter einem Schutzgas der Sintertemperatur ausgesetzt werden. Der fertig gesinterte Formkörper in der Form eines Schneideinsatzes, der nach dieser bekannten Technologie hergestellt wurde, enthält nun über den gesamten Querschnitt gleichmäßig verteilt alle Legierungsbestandteile, wobei die Carbide als freie Carbide und in Mischkristallphasen vorliegen.

Die vorteilhafte Wirkung des Tantalcarbides zur Erhöhung der Temperaturwechselbeständigkeit tritt ein, wenn Tantalcarbid mit den anderen Carbiden Mischkristalle gebildet hat.

Dem Vorteil der höheren Temperaturwechselbeständigkeit der mit Tantalcarbid legierten Sinterhartmetalle steht gegenüber, daß es sich bei Tantal um ein selten vorkommendes Schwermetall handelt, bei dem die Gewinnungs- bzw. die Beschaffungskosten stark angestiegen sind, was sich entsprechend erhöhend auf die Werkzeugkosten auswirkt. Es wird deshalb weltweit daran gearbeitet, in diesen Sinterhartmetallen den Tantalcarbidanteil zu senken oder durch kostengünstige Legierungselemente zu ersetzen, wobei gleiche Eigenschaften hinsichtlich der Temperaturwechselbeständigkeit und Schneidhaltigkeit angestrebt werden.

Die einfachste Möglichkeit ist die Substitution von Tantalcarbid durch Niobcarbid, was bis zu 30% des Tantalcarbidgehaltes praktikabel ist. Eine prozentual höhere Substitution führt zur Versprödung der Hartmetallegierung. Durch diese Maßnahme wird eine deutliche Senkung der Rohstoffkosten indessen nicht erreicht, weil auch Niobcarbid verhältnismäßig teuer ist.

Es wurde aus diesem Grunde in der AT-PS 276792 vorgeschlagen, Tantalcarbid in Sinterhartmetallegierungen durch Mischkristalle aus Niobcarbid und Hafniumcarbid zu ersetzen, wobei das Niobcarbid bis zu 30% Tantalcarbid enthalten soll. Für diese Substitution des Tantalcarbides treffen ebenfalls die Nachteile der hohen Rohstoffkosten zu.

Durch die DE-AS 1261368 ist ein Diffusionsverfahren zum Härten der Oberfläche von Gegenständen aus Metallen insbesondere aus Eisen oder Stahl bekannt geworden, bei dem die Gegenstände in einer Packung aus einer pulverigen Mischung von mindestens zwei Carbiden, mindestens einem Metall und mindestens einem Ammoniumsalz in inerter Atmosphäre bis zu 100 Stunden auf 650 bis 1100⁰C erhitzt und anschließend abgekühlt werden. Unter den als Einsatzpulver in Betracht kommenden Carbiden ist auch Tantalcarbid genannt. Abgesehen von dem als notwendig angesehenen Anteil eines zweiten Carbides, eines Metallpulvers und eines Ammoniumpulvers, ist diese Verfahrensvorschrift für die Diffusio.nsbehandlung von Sinterhartmetall nicht geeignet, weil sich unter diesen Bedingungen allenfalls die Ablagerung einer Oberflächenschicht ergibt, die außerdem auch schlecht haftet.

In der DE-AS 2127162 wird die Ablagerung von Doppelschichten auf Hartmetall-Schneidplatten beschrieben, wobei als Zwischenschicht u.a. Tantalcarbid vorgeschlagen wird, das in dieser Form des Einzelcarbideseine Übergangszone zwischen dem Substrat und der Deckschicht bildet, wodurch keine Veränderung der Legierungsstruktur und folglich auch keine Verbesserung der Temperaturwechselbeständigkeit der Basis-Hartmetall-Legierung bewirkt werden kann.

Nach der GB-PS 1457181 wurde auch schon vorgeschlagen, ein Wolframcarbid-Schneidwerkzeug einer Diffusionsbehandlung mit einem Metall der Gruppe IVB oder VB des PSE, wozu auch Tantal gehört, zu unterziehen, wobei das Wolframcarbid des Basishartmetalles im unmittelbaren Oberflächenbereich zu metallischem Wolfram reduziert wird, das in die Bindemetallphase eintritt und ein hochschmelzendes Wolframbindemittel bildet. Diese durch die Diffusionsbehandlung bewirkte Reduktion der WC-Phase führt zu einem Verlust der Duktilität der Bindemetallphase und damit zu einer Versprödung der behandelten Oberflächenzone. Die Schneidkanten solcher Schneidwerkzeuge haben dadurch eine sehr hohe Bruchempfindlichkeit, so daß sie für die Metallzerspanung unbrauchbar sind.

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, bei Tantalcarbid enthaltenden Schneideinsätzen aus Sinterhartmetall den Aufwand an Tantalcarbid zu senken, ohne im einsetzbaren Schneidenbereich die bei tantalcarbidlegierten Hartmetallen vorhandene vorteilhafte Eigenschaft der hohen Temperaturwechselbeständigkeit zu beeinträchtigen.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein geeignetes Diffusionsverfahren zur Herstellung einer mit Tantalcarbid legierten Randzone an Schneideinsätzen aus Sinterhartmetall zu entwickeln.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf einen pulvermetallurgisch hergestellten Schneideinsatz aus einer bekannten Sinterhartmetallegierung auf der Basis von Wolframcarbid und/oder Titancarbid mit mindestens einem Bindemetall der Eisengruppe durch ein chemisches, physikalisches oder elektrophoretisches Beschichtungsverfahren eine Oberflächenschicht aus Tantalcarbid aufgebracht und der beschichtete Sinterhartmetallkörper einer Temperaturbehandlung oberhalb der für die Legierungsanteile der Sinterhartmetall-Diffusionslegierung zutreffenden eutektischen Temperatur zwischen 1 25O⁰C und 1400⁰C über eine Haltezeit von 1 bis 2 Stunden in inerter oder reduzierender Atmosphäre unterzogen wird. Wie sich aus dieser erfindungsgemäßen Lösung der zugrundeliegenden Aufgabenstellung ergibt, ist der Schneideinsatz aus einer Basis-Sinterhartmetallegierung aus. Wolframcarbid und/oder Titancarbid mit mindestens einem Bindemetall der Eisengruppe gebildet, deren grundsätzliche Struktur im gesamten Querschnitt vorhanden ist und die nur in einer begrenzten Randzone mit Tantalcarbid angereichert ist. Diese Anreicherung mit Tantalcarbid ist durch eine Diffusionslegierung, d.h. durch Lösung des Tantalcarbides in dem sogenannten Wirtsgitter der Basislegierung vorhanden. Als solche Wirtsgitter für Tantalcarbids sind Hartstoffkristalle und/oder Mischkristalle geeignet, in denen sich Tantalcarbid lösen kann, wie z. B. Titancarbid, Wolframcarbid/Titancarbid-Mischkristalle oder Titancarbid/Molybdäncarbid-Mischkristalle. Dabei kommt es besonders darauf an, daß Tantalcarbid als Zusatzcarbid mit den Carbiden der Basislegierung Wolframcarbid und/oder Titancarbid gesättigte Mischkristalle bildet.

Fertigungstechnisch wird bei der.Herstellung der erfindungsgemäßen Schneideinsätze so verfahren, daß zunächst nach der üblichen Hartmetalltechnologie Sinterhartmetallkörper in der Form der betreffenden Schneideinsätze hergestellt werden. Im ersten Verfahrensschritt wird auf diese Sinterhartmetallkörper eine etwa 5-10/xm dicke Tantalcarbid-Oberflächenschicht nach einem der genannten Beschichtungsverfahren aufgebracht. Im zweiten Verfahrensschritt werden die mit Tantalcarbid beschichteten Sinterhartmetallkörper einer Temperaturbehandlung in inerter oder reduzierender Atmosphäre oberhalb der legierungsspezifischen eutektischen Temperatur unterzogen.

Diese Behandlungstemperatur muß also oberhalb der Temperatur liegen, bei der Tantalcarbid mit den Carbiden der Basislegierung Mischkristalle bildet.

Bei dieser Temperaturbehandlung kommt es darauf an, daß die aufgebrachte Oberflächenschicht aus Tantalcarbid vollständig in die Randzone des Sinterhartmetallkörpers eindiffundiert. Dementsprechend ist auch die Behandlungszeit festzulegen. Es ist folglich festzustellen, daß sich in Abhängigkeit von der Basislegierung, der Dicke der aufgebrachten Tantalcarbid-Oberflächenschicht und dem angewendeten Temperatur-Zeit-Regime bei der Temperaturbehandlung in der Randzone des Schneideinsatzesein Phasengleichgewicht einstellt, das für den Bereich der Werkzeugschneiden maßgebend ist. Die erfindungsgemäßen Schneideinsätze mit tantalcarbidlegierter Randzone sind in ihren physikalischen Prüfwerten mit Schneideinsätzen aus durchgehend tantalcarbidlegierten Sinterhartmetallen gleichwertig. Sie haben aber demgegenüber den Vorteil, daß die Rohstoffkosten durch die geringere Einsatzmenge an teurem Tantalcarbid wesentlich niedriger liegen. Bei Spannungsversuchen wurde festgestellt, daß die erfindungsgemäßen Schneideinsätze besonders beim Fräsen von Stählen und beim Drehen mit unterbrochenem Schnitt oder stark schwankender Schneidenbelastung eine wesentlich geringere Neigung zur Ausbildung von Kammrissen zeigen als vergleichbare Schneideinsätze aus durchgehend tantalcarbidlegierten Hartmetallegierungen.

Ausführungsbeispiele

Im folgenden werden Herstellung, Struktur und Eigenschaften von Schneideinsätzen nach der Erfindung an drei Ausführungsbeispielen näher erläutert:

Beispiel 1:

Als Wendeschneidplatten gestaltete Sinterhartmetallkörper, die aus einer Sinterhartmetallegierung zu 82% Wolframcarbid, 9% Titancarbid und 9% Cobalt bestanden, wurden mittels eines Beschichtungsverfahrens aus der Gasphase (CVD) mit einer 8^m dicken Tantalcarbidschicht versehen. Anschließend wurden die beschichteten Sinterhartmetallkörper bei 1320°C unter Vakuum temperaturbehandelt. Die Untersuchung der so hergestellten Wendeschneidplatten mit der Elektronenstrahlmikrosonde zeigte,

Die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Wendeschneidplatten wurden in einem Drehversuch festgestellt und mit den Eigenschaften von Wendeschneidplatten aus einer durchgehend mit Tantalcarbid legierten Sinterhartmetallegierung, bestehend aus 74,5% WC, 5% TiC, 12% TaC und 8,5% Co verglichen. Prüfbedingung: Es wurden 4 Stehbolzen aus Stahl C 60 mit einem Durchmesser von 80 mm von innen nach außen plangedreht.

j Schnittgeschwindigkeit: v = 60m-min~¹

: Vorschub: . s = 0,5 mm/U

' Schnittiefe: a = 1 mm

Leistungsergebnis: Die Messung der Verschleißmarkenbreite nach der Bearbeitung von je 30 Werkstücken zeigte bei den bekannten wie bei den erfindungsgemäßen Wendeschneidplatten die gleiche Größe.

Beispiel 2:

Auf eine Anzahl der erfindungsgemäßen Wendeschneidplatten vom Beispiel 1 wurde nach der Temperaturbehandlung unter Anwendung eines CVD-Verfahrens eine 6/Lirn dicke Titancarbidschicht aufgebracht. Diese Wendeschneidplatten wurden mit den im gleichen Durchgang beschichteten Vergleichs-Wendeschneidplatten vom Beispiel 1 in einem Fräsversuch verglichen. Prüfbedingungen: EswurdenBlöckeausStahlC60inder Abmessung 1 000 x 300 mm mit einem Fräskopf von 315 mm Durchmesser plangefräst. Schnittgeschwindigkeit: v=140m-min~¹

Vorschub pro Zahn: s = 0,15mm/U

Schnittiefe: a = 2mm

Leistungsergebnis: Standweg der bekannten Wendeschneidplatten 25 m

Standweg dererfindungsgemäßen Wendeschneidplatten 40 m Die bekannten Wendeschneidplatten wiesen am Standwegende verstärkte Kammrißbildung auf.

Beispiel 3:

Wendeschneidplatten aus einer wolframcarbidfreien Sinterhartmetallegierung, bestehend aus 68%Titancarbid und 12% Molybdän-Molybdäncarbid und 20% Nickel wurden im CVD-Verfahren bei 850⁰C mir mit einer 5μιτι dicken Tantalcarbidschicht versehen und dann bei 1300 ⁰C eine Stunde unter Wasserstoffatmosphäre temperaturbehandelt. Anschließend wurden sie noch mit einer 6/xm dicken Titancarbidschicht versehen. Die Untersuchungen mit der Elektronenstrahlmikrosonde zeigten, daß die Wendeschneidplatten unterhalb der TiC-Oberflächenschicht eine etwa 40μιη dicke Randzone aufwiesen, in der 10% Tantalcarbid durch Diffusion zulegiert.worden waren.

Diese erfindungsgemäßen Wendeschneidplatten wurden im Orehversuch bei ununterbrochenem Schnitt mit den bekannten Wendeschneidplatten aus einer Sinterhartmetallegierung von 68%Titancarbid, 12% Molybdän-Molybdäncarbid und 20% Nickel, die ebenfalls mit TiC beschichtet waren, verglichen. Prüfbedingungen: EswurdeeineStahlrolleausStahlC60 am Umfang überdreht.

Schnittgschwindigkeit: v = 150m-min~¹

Vorschub: s = 0,3 mm/U

Schnittiefe: 3 mm

Leistungsergebnis: Die Messung der Verschleißmarkenbreite nach einer Drehzeit von 60 min ergab.

fürdie

bekannte Wendeschneidplatte: B = 0,61 mm erfindungsgemäße Wendeschneidplatte B = 0,40 mm

Claims

Erfindungsanspruch:

1. Diffusionsverfahren zur Herstellung tantalcarbidlegierter Schneideinsätze aus Sinterhartmetall auf der Basis von Wolframcarbid und/oder Titancarbid mit mindestens einem Bindemetall der Eisengruppe, die nur in einer Randzone entsprechend der einsetzbaren Schneidenbereiche eine Carbid-Mischkristallphase mit Tantalcarbid aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst in bekannter Weise durch ein chemisches, physikalisches oder elektrophoretisches Beschichtungsverfahren eine Oberflächenschicht aus Tantalcarbid aufgebracht wird und der mit Tantalcarbid beschichtete Sinterhartmetallkörper einer Temperaturbehandlung oberhalb der für die Legierungsbestandteile der Sinterhartmetall-Diffusionslegierung zutreffenden eutektischen Temperatur zwischen 1250⁰C und 1400⁰C über eine Haltezeit von 1 bis 2 Stunden in inerter oder reduzierender Atmosphäre unterzogen wird, bis eine vollkommene WC-TiC-TaC-Mischkristallbildung in der Oberflächenzone eingetreten ist.