DD288623A5 - HARDMETAL BASED ON TITANKARBONITRIDE - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft hilfsmetallgebundene Karbonitridhartmetalle, die als Sinterformteile insbesondere für die spanende Bearbeitung von Stahl Anwendung finden. Ebenso ist der Einsatz aus Werkzeugen dieser Legierung in der Umformtechnik möglich.The invention relates to cemented carbide carbide carbides which are used as sintered moldings, in particular for the machining of steel. Similarly, the use of tools of this alloy in the forming technology is possible.
Hilfsmetallgebundene Karbonitridlegierungen auf der Basis von (Ti1Mo) (C,N) als Härteträger und einer Nickel-Kobalt-Legierung als Binder sind als vorteilhafter Schneidwerkstoff für die Stahlbearbeitung bekannt (AT-PS 341794). Nach der US-PS 4120719 führt sine teilweise Ersetzung des Titans durch Tantal zu einer Verbesserung der Eigenschaften. Auch Zusätze von Vanadiumkarbid und Aluminium, das eine Verfestigung des Binders durch Mischkristallbildung und Ausscheidungshärtung bewirkt, werden beschrieben (DE 2652392).Auxiliary metal bonded carbonitride based on (Ti 1 Mo) (C, N) as a hard carrier and a nickel-cobalt alloy as a binder are known as an advantageous cutting material for steel working (AT-PS 341794). According to US Pat. No. 4,120,719, partial replacement of titanium with tantalum leads to an improvement in the properties. Also additives of vanadium carbide and aluminum, which causes solidification of the binder by solid solution formation and precipitation hardening are described (DE 2652392).
Die bekannten Hartmetalle auf der Basis von Titankarbonitrid bewähren sich vor allem auf dem Gebiet der Feinbearbeitung. Auch für leichte Schrupparbeiten mit Vorschüben bis 0,5mm/U finden sie Anwendung. Ein Nachteil dieser Karbonitridlegierungen besteht darin, daß sie für schwere Schnitte und Einsatzfälle mit starken Schnittunterbrechungen nicht geeignet sind. Die entscheidende Ursache für den bislang eingeengten Anwendungsbereich der oft als ,Cermets" bezeichneten Hartmetalle auf Karbonitridbasis ist in einer ungünstigen Kombination der Eigenschaften Warmhärte und Bruchzähigkeit zu sehen, d. h„ daß nicht gleichzeitig eine hinreichend hohe Bruchzähigkeit und Warmhärte aufweisen.The well-known hard metals based on titanium carbonitride prove themselves especially in the field of fine machining. They are also used for light roughing operations with feed rates up to 0.5mm / rev. A disadvantage of these carbonitride alloys is that they are not suitable for heavy cuts and applications with severe cutting interruptions. The decisive reason for the hitherto narrowed field of application of carbonitride-based cemented carbides, which are often referred to as "cermets", is to be seen in an unfavorable combination of the properties of hot hardness and fracture toughness, that is to say that they do not simultaneously have sufficiently high fracture toughness and hot hardness.
Das Ziel der Erfindung ist es, Hartmetalle auf der Basis hilfsmetallgebundener Karbonitridhartstoffe so zu modifizieren, daß sie sich auch für Schrupparbeiten und den schweren unterbrochenen Schnitt eignen.The object of the invention is to modify cemented carbide hard metal based carbides so that they are also suitable for roughing and heavy interrupted cutting.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Bruchzähigkeit der Karbonitridhartmetalle ohne Einbuße von Warmhärte zu verbessern. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe für Hartmetalle auf der Basis von Titankarbonitrid der allgemeinen Zusammensetzung ΤίυΜβ,Μβ^ΰ,,Ν,,), mit υ + v + w=1,x + y= 1,0,80 Sz s 1,03, u a 0,6; 0,2 Sy s 0,6, wobei Me für die Metalle Zr, Hf, Nb, Ta, V und Me für die Metalle W, Mo, Cr bzw. Mischungen dieser Metalle stehen, und einem Sindemetall aus der Eisengruppe mit 3 bis 25 Masseanteilen, wobei das Bindemetall neben den aus der Hartstoffphase in Lösung gegangenen Metallen weitere Elemente, wie z. B. W, Mo, Cr, Al, Si, Mn oder Cu in fester Lösung oder als intermetallische Verbindung in Form submikroskopischer Ausscheidungen, enthalten kann, dadurch gelöst, daß diese Hartmetalle ein Gefüge mit einer engen Verteilung der Hartstoffkorngröße !aufweisen, bei der die Sehnenlängenverteilung die Bedingung Wm ^ 2,5, vorzugsweise !95/I60S 2,0 erfüllt und für den Medianwert I6O 0,2 pm s I60S 5 μπι, vorzugsweise 0,5Mm Sl60S 1,5 pm gilt. Dabei bedeuten I95 und I60 die Quantile der mit der bekannten Methode der Linearanalyse ermittelten anzahlbezogenen Summenhäufigkeitsverteilung der Hartstoffphase in der gesinterten Legierung, d. h. 95% aller gemessenen Sehnenlängen sind kleiner oder gleich dem Wert I95 bzw. 50% kleiner oder gleich I60-The invention has for its object to improve the fracture toughness of carbonitride hard metals without loss of hot hardness. According to the invention, this object is achieved for titanium carbide based hardmetals of the general composition ΤίυΜβ, Μβ ^ ΰ ,, Ν ,,), with υ + v + w = 1, x + y = 1,0,80 Sz s 1,03, inter alia 0.6; 0.2 Sy s 0.6, where Me stands for the metals Zr, Hf, Nb, Ta, V and Me for the metals W, Mo, Cr or mixtures of these metals, and a Sindemetall from the iron group with 3 to 25 Mass proportions, wherein the binder metal in addition to the gone out of the hard material phase in solution metals other elements such. B. W, Mo, Cr, Al, Si, Mn or Cu in solid solution or as an intermetallic compound in the form of submicroscopic precipitates may contain, achieved in that these hard metals have a microstructure with a narrow distribution of the hard material grain size, in which the Chord length distribution satisfies the condition Wm ^ 2.5, preferably! 95 / I 60 S 2.0 and for the median I 6 O 0.2 pm s I 60 S 5 μπι, preferably 0.5Mm Sl 60 S 1.5 pm applies , In this case, I 95 and I 60 denote the quantiles of the number-related cumulative frequency distribution of the hard material phase in the sintered alloy determined by the known method of linear analysis, ie 95% of all measured chord lengths are less than or equal to I 95 or 50% less than or equal to I 60 .
Bei der Linearanalyse sind elektronenmikroskopische Abbildungsverfahren zur Sicherung einer hinreichenden Vergrößerung zu verwenden.For linear analysis, electron microscopic imaging techniques should be used to ensure adequate magnification.
Die Hartstoffphase von Titankarbonitridhartmetallen besteht im allgemeinen aus zwei Phasen, einer titan· und stickstofffreien a'-Phase und einer cT-Phase, in der sich die Metalle der 6. Nebengruppe des PSE anreichern. Erfindungsgemäß soll der Anteil der titanreichen a'-Phase am Gesamtvolumen der Hartstoffphase wenigstens 15 Volumenanteile, vorzugsweise wenigstens 30 Volumenanteile betragen. Für das Schneidverhalten der Hartmetalle ist es dabei vorteilhaft, diesen Anteil der a'-Phase so hoch als möglich zu halten.The hard material phase of titanium carbonitride hard metals generally consists of two phases, a titanium- and nitrogen-free a 'phase and a cT phase, in which the metals of the sixth subgroup of the PSE accumulate. According to the invention, the proportion of the titanium-rich a'-phase in the total volume of the hard material phase should be at least 15 parts by volume, preferably at least 30 parts by volume. For the cutting behavior of the hard metals, it is advantageous to keep this proportion of the a'-phase as high as possible.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Hartmetalle kann auf verschiedene Weise nach prinzipiell bekannten Verfahren erfolgen, wobei die Prozesse so zu steuern sind, daß die beschriebene enge Korngrößenverteilung der Hartstoffphase erhalten wird. Als vorteilhaft hat es sich dabei erwiesen, von einem Hartstoff mit einer engen Kristallitgrößenverteilung auszugehen. Überraschenderweise zeigt sich, daß Hartmetalle auf der Basis von Karbonitriden bei erfindungsgemäßer Einengung der Korngrößenverteilung der Hartstoffphase eine um bis zu 3 MPa Vm höhere Bruchzähigkeit aufweisen und die Eigenschaftskombination Warmhärte-Bruchzähigkeit von WC-TiC-TaC-Co-Hartmetallen erreichen. Bei Karbonitridhartmetallen nach dem Stand der Technik ist eine vergleichbare Steigerung der Warmh&'rte nur durch eine Erhöhung des Binderanteils möglich, die zu einem Abfall der Warmhärte um bis zu 100 Einheiten führt.The preparation of the hard metals according to the invention can be carried out in various ways by methods known in principle, wherein the processes are to be controlled so that the described narrow particle size distribution of the hard material phase is obtained. It has proven to be advantageous to start from a hard material having a narrow crystallite size distribution. Surprisingly, it has been found that hard metals based on carbonitrides have a fracture toughness up to 3 MPa Vm when the particle size distribution of the hard material phase is narrower and that the combination of properties achieve the hot hardness fracture toughness of WC-TiC-TaC-Co hard metals. In the case of carbonitride hard metals according to the prior art, a comparable increase in the heat hardness is possible only by an increase in the binder content, which leads to a decrease in the hot hardness of up to 100 units.
Die durch die erfindungsgemäße Korngrößenverteilung der Hartstoffphase erzielten Eigenschaftsverbesserungen führen bei Hartmetallen, die eine Verfestigung der Bindephase aufweisen, zu besonders günstigen Eigenschaften. Vorteilhaft erwiesen sich beispielsweise Hartmetalle mit einem Ni-Co-Binder und mit einer Gitterkonstante des Binders zwischen 0,359nm und 0,362nm, die einen hohen Gehalt an gelösten Metallen aus der Hartstoffphase (Ti, Mo, W usw.) anzeigt. Diesen hohen Lösungszustand erhält man besonders bei Hartstoffen mit reduziertem Nichtmetäjlanteil (0,85 s?< 0,92) und erhöhtem Stickstoffanteil (0,35 Sys 0,5). Die Erfindung wird in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen näher erläutert.The property improvements achieved by the particle size distribution of the hard material phase according to the invention lead to particularly favorable properties with hard metals which have a solidification of the binder phase. For example, hard metals with a Ni-Co binder and with a lattice constant of the binder between 0.359 nm and 0.362 nm, which indicates a high content of dissolved metals from the hard material phase (Ti, Mo, W, etc.), have proven advantageous. This high solution state is obtained especially in the case of hard materials with a reduced nonmetal fraction (0.85 s ≦ 0.92) and an increased nitrogen content (0.35 sys 0.5). The invention will be explained in more detail in the following embodiments.
AusfOhrungsbelspieleAusfOhrungsbelspiele
1. Als Härteträger wird ein Titankarbonitrid der Zusammensetzung TiC0.75N0.2s eingesetzt, dessen Kristallite eine Sehnenlängenverteilung mit den folgenden Merkmalen liefern: Medianwert Is0 = 0,8pm, I06 = 2,0pm, ho = 0,3μ. Die Messung der Sehnenlängenverteilung erfolgte nach Einbettung des Pulvers in Kupfer an einer Schlifffläche. Dieses Karbonitrid wird mit Molybdän nach TGL13791, Nickel nach TGL12175//1, Kobalt, Sorte 1 nach TGL 243260/0 in den inTab.1 angegebenen Anteilen gemischt und unter Zusatz von 5% Hartparaffin in VR nach TGL 21766 als Preßhilfsmittel in einer Schwingmühle in Leichtbentin 48h gemahlen. Die Mischung wird im Vakuum getrocknet und anschließend homogenisiert. Die mit einem Preßdruck von 300MPa hergestellten Biegebruchstäbe und Wendeschneidplatten werden entwachst und im Vakuum bei 145O0C und 30 min dichtgesintert. Die an diesen Legierungen der Bezeichnung 1-4 ermittelten Gefügekennwerte und mechanischen Eigenschaften gibt Tab. 2 wieder.1. The hardness carrier used is a titanium carbonitride of the composition TiC0.75N0.2s, whose crystallites give a chord-length distribution with the following characteristics: median value Is 0 = 0.8 pm, I 06 = 2.0 pm, ho = 0.3 μ. The chord length distribution was measured after embedding the powder in copper on a ground surface. This carbonitride is mixed with molybdenum according to TGL13791, nickel according to TGL12175 // 1, cobalt, grade 1 according to TGL 243260/0 in the proportions indicated inTab.1 and with the addition of 5% hard paraffin in VR according to TGL 21766 as pressing aid in a vibrating mill in Leichtbentin 48h ground. The mixture is dried in vacuo and then homogenized. The bending rods and inserts produced with a molding pressure of 300MPa are dewaxed under vacuum at 145 ° 0 C and 30 min densely sintered. The structural parameters and mechanical properties determined on these alloys of designation 1-4 are reproduced in Table 2.
Dabei erfolgt die Messung der Warmhärte bei einer Temperaturvon 8000C im Vakuum nach Vickers mit einer Last von 108 N und einer Belastungsdauer von 20s. Die Messung der Bruchzähigkeit wird bei Raumtemperatur nach der ASTM-Norm E 399-74 durchgeführt. Der Vergleich mit den Legierungen 5 und 6, die nach dem in der AT-PS 341794 angegebenen Verfahren mit der Zusammensetzung von Legierung 3 hergestellt wurden, illustriert die durch die erfindungsgemäße Einengung der Korngröße des gesinterten Hartmetalls erzielbaren Eigenschaftsverbesserungen. In der Kombination Warmhärte-Bruchzähigkeit erreichen bzw. übertreffen die erfindungsgemäßen Legierungen die kommerzieller Hartmetalle auf der Basis WC-TiC-TaC-Co für die Anwendungsbereiche P10/P 20 bzw. P30/P40.The measurement of the hot hardness at a temperature of 800 0 C in vacuum according to Vickers with a load of 108 N and a load duration of 20s. The fracture toughness measurement is carried out at room temperature according to ASTM standard E 399-74. The comparison with the alloys 5 and 6, which were prepared according to the method described in the AT-PS 341794 with the composition of Alloy 3, illustrates the achievable by the inventive narrowing of the grain size of the sintered cemented carbide property improvements. In the combination of hot hardness fracture toughness, the alloys according to the invention achieve or exceed the commercial hard metals based on WC-TiC-TaC-Co for the application areas P10 / P 20 or P30 / P40.
Tab. 1: Zusammensetzung der Legierungen 1 bis 4 auf der Basis von Tio,;sNo,3s Tab. 1: Composition of alloys 1 to 4 on the basis of Tio,; sNo, 3s
Tab.2: Gefilgekennwerte, Bruchzähigkeit Κι, und Warmhärte HV)t-2o (8000C) der erfindungsgemäßen Legierung 1-4 im Vergleich zu W-freien Hartmetallen nach den*. Stand der Technik und zwei kommerziellen WC-TIC-TaC-Co-Sorten .. ,. ·_ V0. Veo I« I10 " uw K10 Tab.2: Gefilgekennwerte, fracture toughness Κι, and hot hardness HV ) t -2o (800 0 C) of the inventive alloy 1-4 compared to W-free carbides according to the *. State of the art and two commercial WC-TIC TaC co-types ..,. · V 0 . Veo I "I 10 " and K 10
1) Diese Angabe trägt nur orientierenden Charakter.1) This information is indicative only.
Entsprechend der Zielstellung erfolgte die Prüfung der Schneidleistung unter den folgenden Bedingungen des schweren Schnitts an Stahl C60N:According to the objective, the cutting performance was tested under the following conditions of heavy cutting on steel C60N:
Schnittiefe:2,5mm Prüfbedingung 2: Glatter, trockner SchnittDepth of cut: 2.5mm Test condition 2: Smooth, dry cut
Schnittiefe:10mm Prüfbedingung3: Bolzendrehversuch (Unterbrochener Schnitt)Depth of cut: 10mm Test condition3: Stud rotation test (interrupted cut)
Die Prüfung erfolgte an Wendeschneidplatten der Form SNUM150416-340 mit einer Phase (0,15 mm Breite, 15°) und gerundeten Schneidkanten.The test was carried out on inserts of the form SNUM150416-340 with a phase (0.15 mm width, 15 °) and rounded cutting edges.
Beim Bolzendrehversuch wurde der Verschleiß nach jedem Durchgang, der jeweils einer vollen Überarbeitung der Stirnflächen der 4 rotierenden Bolzen entspricht, ermittelt.In the bolt rotation test, the wear was determined after each pass, each corresponding to a full revision of the end faces of the 4 rotating bolts.
Die Standzeit der erfindungsgemäßen Hartmetalle bis zum Erreichen einer mittleren Verschleißmarkenbreite von 0,4 mm unter Prüfbedingung 1 im Vergleich zu einer kommerziellen Sorte auf der Basis von TiCo.jsNo.» mit vergleichbarem Bindervolumenanteil (Sorte A) sowie einer kommerziellen P30/P40-Sorte auf WC-Basis zeigt Tnb.3.The lifetime of the hard metals according to the invention until a mean wear mark width of 0.4 mm under test condition 1 in comparison to a commercial grade based on TiCo.jsNo. »With a comparable binder volume fraction (grade A) and a commercial grade P30 / P40 on Toilet base shows Tnb.3.
Legierungalloy
Bemerkungcomment
Plast. Deform. KolkverschleißPlast. Deform. crater wear
In Tab.4 ist die Schneidleistung der Legierungen unter der Prüfbedingung 2 dargestellt. Tab.4: Schneidleistung verschiedener Hartmetalle (Prüfbedingung 2)Table 4 shows the cutting performance of the alloys under test condition 2. Tab.4: Cutting performance of different hard metals (test condition 2)
SchneideckenbruchCutting corner break
2020
Die Schneidleistungen im schweren unterbrochenen Schnitt (Prüfbedingung 3) zeigt Tab. 5. Tab. 5: Schneidleistung verschiedener Hartmetalle (Prüfbedingung 3)The cutting performance in the heavy interrupted section (test condition 3) is shown in Tab. 5. Tab. 5: Cutting performance of various hard metals (test condition 3)
nach 20 Durchgängen in mmafter 20 passes in mm
3 0,163 0.16
5 Durchgängen P30/P40 0,55 passes P30 / P40 0.5
Die Versuche belegen, daß durch die erfindungsgemäße Modifizierung des Gefüges eine Verbesserung der Schneidleistung bewirkt wird.The experiments show that an improvement of the cutting performance is effected by the modification of the structure according to the invention.
2. Ein Titankabonitriil der Zusammensetzung TiC0,eN0,4, dessen Kristallitgrößenverteilung bei linearanalytischer Bewertung durch die folgenden Kenngrößen beschrieben wird: I50 -~ 0,74Mm, I8S =1,1 pm, I10 = 0,4pm, wird mit Masseanteilen Molybdän, Nickel und Kobalt, wie in Tab. 6 angegeben, auf den im Beispiel 1 angegebenen Weg vermischt und zu Preßlingen verarbeitet, die nach dem Entwachsen im Vakuum bei 14750C und 30min Sinterzeit dichtgesintert werden.2. A titanium nitrile of the composition TiC 0 , eN 0 , 4, the crystallite size distribution of which is described by linearanalytical evaluation by the following parameters: I 50 - ~ 0.74 μm, I 8 S = 1.1 μm, I 10 = 0.4 μm, is mixed with parts by weight of molybdenum, nickel and cobalt, as indicated in Tab. 6, in the way indicated in Example 1 and processed into compacts which are densely sintered after dewaxing in vacuo at 1475 0 C and 30min sintering time.
Mo Ni CoMo Ni Co
Die Gefüge der so erhaltenen Legierungen 7 bis 10 und ihre mechanischen Kennwerte sind in Tab. 7 beschrieben. Tab. 7: Gefügekennwerte, Bruchzähigkeit und Warmhärte erfindungsgemäßer LegierungenThe microstructures of the alloys 7 to 10 thus obtained and their mechanical characteristics are described in Tab. Tab. 7: Structural parameters, fracture toughness and hot hardness of alloys according to the invention
I I V KI I V K
Legierung -^- -^- -r,——— HVn-jo(800°C) .—Alloy - ^ -- ^ - -r,--- HVn-jo (800 ° C) .-
7 1,25 2,30 1 460 12,87 1.25 2.30 1 460 12.8
8 0,58 1,80 >0,3 520 12,78 0.58 1.80> 0.3 520 12.7
9 0,56 1,90 >0,3 550 12,7 10 0,55 1,93 >0,3 580 12,59 0.56 1.90> 0.3 550 12.7 10 0.55 1.93> 0.3 580 12.5
den Binder zu erklären ist.to explain the binder.
und Bruchzähigkeit auszeichnen, wird durch die Gitterkonstanten des Binders von 0,362 nm angezeigt.and fracture toughness are indicated by the grating lattice constants of 0.362 nm.
Tab. 8: Schneidleistung erfindungsgemäßer Hartmetalle (Prüfbedingung 1) im Vergleich zu einer P30/P40-SorteTab. 8: Cutting performance of hard metals according to the invention (test condition 1) in comparison to a P30 / P40 grade
Plast. Deform. Abbruch der Versuchenach 90 min KolkverschleißPlast. Deform. Termination of the experiment 90 min
verbesserte Standzeit auf.improved service life.
3. Das Titankarbonitridhartstoffpulver aus Beispiel 1 wird mit 10 Masseanteilen Molybdän, 5 Masseanteilen Ni und5 Masseanteilen Co nach dem in Beispiel 1 angegebenen Weg zu Hartmetall verarbeitet. Das Gefüge des dichtgesinterten3. The titanium carbonitride hard material powder of Example 1 is processed with 10 parts by weight of molybdenum, 5 parts by weight of Ni and 5 parts by weight of Co by the way indicated in Example 1 to carbide. The structure of densely sintered
angegebenen Verfahren hergestallt wird, weist dagegen die folgenden Kennwerte auf: I95/Iw = 2,67, In = 0,8 pm,On the other hand, the following characteristic values are obtained: I 95 / I w = 2.67, I n = 0.8 μm,
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Legal Events
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