DE2158727A1

DE2158727A1 - Machine tool use

Info

Publication number: DE2158727A1
Application number: DE19712158727
Authority: DE
Inventors: Ralph H. Albany Oreg. Nielson (V.StA.). P
Original assignee: Teledyne Inc
Current assignee: Teledyne Inc
Priority date: 1971-01-25
Filing date: 1971-11-26
Publication date: 1972-08-03
Also published as: FR2123363A1; FR2123363B1

Description

welche geringere Äbnutzungseigenschaften gsgenüber ά®Ά which lower wear properties compared to ά®Ά

einsätzen der bek&nnten Maschinenuse of the well-known machines

Es ist bei Werkzeugmaschinen übliche als Schneidwerkzeug ©inen zur Verfügung stehenden Einsatz zu benutzen* welcher aus s@hr hartem Material wie beispielsweise Wolframcarbid hergestellt ist, Früher waren, solche Kartoidselmeidwerkseuge au® feinem Wolfram-= karbidpartilceln ^usaroraengesetgt, wslelie durch <ain Bindemittel wie beispielsweise Kobalt susaramengekittet waren. Die Hirt© des Schneidwerkzeuges erhöhte sich mit höheren Anteilen von Wolframkarbidpartikeln, aber die Schlagfestigkeit des Schneidwerkzeuges nahm mit höheren Anteilen von Wolframkarbidpartikeln ab« EeIt is in machine tools usual as a cutting tool © inen to use the available application * which hard from s @hr material such as tungsten carbide is produced Formerly, such Kartoidselmeidwerkseuge au® fine tungsten = karbidpartilceln ^ usaroraengesetgt, wslelie by <ain binders such as for example cobalt were cemented to susara. The shepherd © of the cutting tool increased with higher proportions of tungsten carbide particles, but the impact resistance of the cutting tool decreased with higher proportions of tungsten carbide particles

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bekannt, daß der Zusatz von kleinen Mengen Titankarbid und Tantalkarbid die Festigkeit gegenüber Verschleiß und Kraterbildung und die Hitzehärte und den Widerstand gegenüber einer thermischen Deformation von derart gesinterten Karbidschneidwerkzeugen erhöht. It is known that the addition of small amounts of titanium carbide and tantalum carbide increases the resistance to wear and crater formation and increases the heat hardness and resistance to thermal deformation of carbide cutting tools so sintered.

Eine jüngste Entwicklung auf dem Gebiet der Karbidschneidwerkzeuge besteht darin, eine dünne Schicht von Titankarbid auf der Außenfläche des Werkzeugeinsatzes vorzusehen. Titankarbideinsätze sind an sich seit einiger Zeit bei Werkzeugmaschinen bekannt, fc da aber dieses Material äußerst brüchig ist, hat sich ihre Verwendung auf Schlichtwerkzeuge beschränkt, welche nur für leichte Schnitte verwendet werden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß, wenn eine Titankarbidschicht fest mit einem weniger festen Wolframkarbidgjfundkörper verbunden ist, das brüchige Titankarbid normale Bearbeitungsschläge ohne Brüche aufnehmen kann. Ss hat sich herausgestellt, daß derartige Titankarbid beschichtete Einsätze bei Maschinengeschwindigkeiten bis zu 20% höher als die mit regulären, gesinterten Wolframkarbidexnsätzen betrieben werden können, und gleichzeitig haben solche Einsätze die doppelte lebensdauer gegenüber den nicht beschichteten KarbidwerkaeügeiriSätzen,A recent development in the field of carbide cutting tools is to provide a thin layer of titanium carbide on the outer surface of the tool insert. Titanium carbide inserts have been known per se for some time in machine tools, but since this material is extremely brittle, their use has become limited to finishing tools that are only used for light cuts. However, it has been shown that when a titanium carbide layer is solid with a less solid tungsten carbide found body is connected, the brittle titanium carbide can absorb normal machining impacts without breaks. It turned out that that such titanium carbide coated inserts at machine speeds up to 20% higher than those with regular, sintered tungsten carbide tips can be operated, and at the same time such inserts have twice the life compared to the non-coated carbide tool kits,

Gemäß der Erfindung hat sich herausgestellt, daß Karbidwerk-™ zeugeinsätze, welche mit einer dünnen Sefeicht oder einem dünnen Überzug aus Metallnitrid wie beispielsv/eise Titannitrid beschichtet sind, eine gleiche oder bessere Leistung als Werkzeugeinsätze ergibt, welche mit Titankarbid beschichtet sind. Diese erhöhte Leistung ist vollkommen unerwartet, da Titannitrid viel weicher als Titankarbid ist. Beispielsweise beträgt derAccording to the invention it has been found that Karbidwerk- ™ tool inserts, which are covered with a thin seefeicht or a thin Coating made of metal nitride such as, for example, titanium nitride coated results in the same or better performance than tool inserts coated with titanium carbide. This increased performance is completely unexpected because titanium nitride is much softer than titanium carbide. For example, the

2 Mikrohärtenwert von Titankarbid 2800 kg/nua. , während der Mikro-2 Micro hardness value of titanium carbide 2800 kg / nua. , while the micro

2 härtenwert von Titannitrid nur 1700 kg/ram beträgt.2 hardness value of titanium nitride is only 1700 kg / ram.

Der Grund für die erhöhte WerkzeugleistaHg durch die nitridbeschichteten Einsätze ist noch nicht vollkommen geklärt. Man istThe reason for the increased tool performance due to the nitride-coated Operations has not yet been fully clarified. One is

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jedoch der Ansicht, daß sich die überlegene Leistung aus der Tatsache ergibt, daß Titannitrid weniger leicht durch Eisengruppenmetallegierungen befeuchtet wird als es bei Titankarbid der Fall ist. Somit sind die Titannitridpartikel in der Schicht oder dem Überzug wahrscheinlich weniger zu überziehen oder zu befeuchten durch Material aus dem Stück, welches bearbeitet wird. Dieses Befeuchten hat, wenn es tatsächlich eintritt, eine erhöhte Reibung zwischen dem Schneidwerkzeug und dem zu bearbeitendem Stück zur Folge, welches seinerseits die Werkzeugspitzentemperatur erhöht. Man glaubt somit, daß der nitridbeschichtete Werkzeugeinsatz eine niedrigere Werkzeugspitzentemperatur aufrechterhält, als es ein fcitankarbidbeschichteter Einsatz macht, und hat somit eine längere Lebensdauer wegen der herabgesetzten thermischen Abnutzung, selbst obgleich der Überzug tatsächlich weicher als der Titankarbidüberzug ist.however, believes that the superior performance stems from the fact that titanium nitride is less easily absorbed by iron group metal alloys is moistened than is the case with titanium carbide. Thus the titanium nitride particles are in the layer or the coating is less likely to be coated or wetted by material from the piece being processed. This wetting, when it actually occurs, has increased friction between the cutting tool and that to be machined Piece, which in turn increases the tool tip temperature. It is thus believed that the nitride coated The tool insert maintains a lower tool tip temperature than an insert coated with titanium carbide, and thus has a longer life because of reduced thermal wear, even though the coating actually does is softer than the titanium carbide coating.

Die Erfindung kann ferner durch folgende besondere Beispiele illustriert werdenιThe invention can also be illustrated by the following specific examples

Example I.

Eine Gruppe von sonst identischen C-5 Wolframkarbidwerkzeugeinsätzen wurde für Vergleichsversuche präpariert. Einige der Einsätze wurden mit Titankarbid beschichtet. Andere wurden mit Titannitrid bis zu einer Dicke von 0.0066 mm (6.6 Mikrons) beschichtet. Eine dritte Gruppe wurde unbeschichtet gelassen. Die gesinterten Werkzeugeinsätze hatten alle vor dem Beschichten eine nominelle Zusammensetzung von 74.50% Wolframkarbid, 0.50% Kobalt, 6.00% Titankarbid und 10.00% Tantalkarbid. Die Einsätze waren alle präzisionsgeschliffene Vierkanteinsätze mit Kantenab-A group of otherwise identical C-5 tungsten carbide tool inserts was prepared for comparative experiments. Some of the inserts have been coated with titanium carbide. Others were with Titanium nitride coated to a thickness of 0.0066 mm (6.6 microns). A third group was left uncoated. The sintered tool inserts all had a nominal composition of 74.50% tungsten carbide, 0.50% before coating Cobalt, 6.00% titanium carbide and 10.00% tantalum carbide. The inserts were all precision ground square inserts with bevelled edges

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messungen von 1,25cm, einer Dicke von 4.76 mm und einem Eckenradius von 4 mm (3/64 von einem inch). Solche Einsätze stehen auf dem Markt zur Verfugung,beispielsweise von der Firma Firth Sterling. Die vergleichenden Bearbeitungsversuche wurden an SAE-4340 Stahl mit einer Härte von R = 30 durchgeführt. Die Bearbeitungsverhältnisse für den Versuch waren eine befreite Geschwindigkeit von 0,41 mm pro Umdrehung, einer Schnitttiefe von 2.54 mm und einer Oberflächengeschwindigkeit von 120 Oberflächenmeter pro Minute.measurements of 1.25 cm, a thickness of 4.76 mm and a corner radius of 4 mm (3/64 of an inch). Such inserts are available on the market, for example from Firth Sterling. The comparative machining tests were carried out on SAE-4340 steel with a hardness of R = 30. the Processing conditions for the attempt were an exempt one Speed of 0.41 mm per revolution, a depth of cut of 2.54 mm and a surface speed of 120 Surface meters per minute.

P Bei den Vergleichsversuchen betrug die Bearbeitungszeit zum Entwickeln einer Kratertiefe von 0.09 mm drei Minuten für den unbeschichteten Werkzeugeinsatz, 18.5 Minuten für den titankarbidbeschichteten Werkzeugeinsatz und 22.5 Minuten für den titannitridbeschichteten Werkzeugeinsatz. Die Bearbeitungszeit für eine Flankenabnutzung von 0,05 mm betrug 8,5 Minuten für den nicht beschichteten Einsatz, 15 Minuten für den mit titankarbidbeschichteten Werkzeugeinsatz und 19.5 Minuten für den titannitridbeschichteten Werkzeugeinsatz.P In the comparative experiments, the processing time for developing was a crater depth of 0.09 mm, three minutes for the uncoated tool insert, 18.5 minutes for the titanium carbide-coated one Tool insert and 22.5 minutes for the titanium nitride-coated tool insert. The processing time for a Flank wear of 0.05 mm was 8.5 minutes for the uncoated insert and 15 minutes for the one coated with titanium carbide Tool insert and 19.5 minutes for the titanium nitride-coated tool insert.

Example II

Eine Gruppe von sonst identischen C-7 Wolframkarbidwerkzeugeinsätzen wurde für einen Vergleichsversuch vorbereitet. Diese gesinterten Werkzeugeinsätze hatten eine nominale Zusammensetzung von 70.00% Wolframkarbid, 4,80% Kobalt, 11.80 Titankarbid und 13,20% Tantalkarbid. Die Abmessungen des Einsatzes waren die gleichen wie die im Beispiel I. Solche Karbidwerkzeugeinsätze stehen handelsüblich von der Firma Firth Sterling zur Verfügung. Einige dieser Einsätze wurden mit Titankarbid entsprechend den bekannten Einsätzen beschichtet. Andere wurden entsprechend derA group of otherwise identical C-7 tungsten carbide tool inserts was prepared for a comparison test. These sintered tool inserts had a nominal composition of 70.00% tungsten carbide, 4.80% cobalt, 11.80% titanium carbide and 13.20% tantalum carbide. The dimensions of the insert were the same as those in Example I. Such carbide tool inserts are commercially available from Firth Sterling. Some of these inserts have been coated with titanium carbide in accordance with the known inserts. Others were according to the

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vorliegenden Erfindung mit einem Überzug aus Titannitrid bis zu einer Dicke von O.OOl mm (10.4 Mikrons) beschichtet und ein dritter Teil der Einsätze wurde unbeschichtet für vergleichende Bearbeitungszwecke gelassen. Diese vergleichenden Bearbeitungsversuche wurden wiederum an SAE-434Q Stahl mit einer Härte von R gleich 30 durchgeführt. Bei diesem Versuch lagen die Bearbeitungsverhältnisse bei einer Vorschubgeschwindigkeit von 0.41 mm (0.0166 inch) pro Umdrehung, die Schnittiefe betrug 2.54 mm und die Umfangsgeschwindigkeit betrug 200 Flächenmeter pro Minute.present invention coated with a coating of titanium nitride to a thickness of O.OOlmm (10.4 microns) and a third part of the inserts were left uncoated for comparative machining purposes. These comparative machining tests were again carried out on SAE-434Q steel with a hardness of R equal to 30 carried out. In this experiment, the machining conditions were at a feed rate of 0.41 mm (0.0166 inch) per revolution, the depth of cut was 2.54 mm and the peripheral speed was 200 square meters per minute.

Bei diesen Versuchen betrug die Bearbeitungszeit, welche zur Entwicklung einer Kratertiefe von 0.09 mm an den Werkzeugeinsätzen erforderlich war, 1,5 Minuten bei dem unbeschichteten Werkzeugeinsatz, 6 Minuten bei dem dtitankarbid-beschichteten Werkzeugeinsatz und 7.5 Minuten bei dem titannitridbeschxchteten Werkzeugeinsatz. Die zur Entwicklung einer Flankenabnutzung von 0.0254·mm erforderliche Arbeitszeit betrug 4,5 Minuten für den unbeschichteten Werkzeugeinsatz, 3.3 Minuten für den titankarbidbeschichteten Werkzeugeinsatz und 4 Minuten für den titannidridbeschichteten Werkzeugeinsatz.In these attempts, the processing time, which was Development of a crater depth of 0.09 mm on the tool inserts was required, 1.5 minutes for the uncoated one Tool use, 6 minutes for the titanium carbide-coated one Tool insert and 7.5 minutes for the titanium nitride coated tool insert. The one to develop flank wear of 0.0254 mm required working time was 4.5 minutes for the uncoated tool insert, 3.3 minutes for the titanium carbide-coated one Tool insert and 4 minutes for the titanium-nitride-coated tool insert.

Aus den oben angegebenen Beispielen ist somit au ersehen, daß im übrigen identische Werkzeugeinsätze wesentlich länger durchhielten, wenn sie mit Titannitrid beschichtet waren als die gleichen Einsätze, wenn sie mit Titankarbid beschichtet waren. Zusätzlich zu dieser Länge and Lebensdauer waren jedoch noch mehrere andere Vorteile der vorliegenden Erfindung vorbanden.From the examples given above it can be seen that otherwise identical tool inserts lasted much longer, when coated with titanium nitride as the same inserts when coated with titanium carbide. In addition to this length and life, however, several other advantages were also possessed by the present invention.

Das Verfahren zum Beschichten von Titankarbid auf Werkzeugeinsätze ist verhältnismäßig schwierig. Der Titankarbidüberzug wirdThe process of coating titanium carbide on tool inserts is relatively difficult. The titanium carbide coating is

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üblicherweise durch eine Reaktion von Methan- und Titantetrachloridgasen in einer Vakuumkammer bei einer Temperatur von ungefähr 1OOO°C erzeugt. Der Kohlenstoff von dem Methan verbindet sich mit dem Titan, indem er das Chlor ersetzt, und der Titankarbiddampf kondensiert auf der Werkzeugoberfläche und diffundiert darein.usually by a reaction of methane and titanium tetrachloride gases generated in a vacuum chamber at a temperature of about 1000 ° C. The carbon from the methane binds together itself with the titanium by replacing the chlorine, and the titanium carbide vapor condenses on the tool surface and diffuses into it.

Es ergeben sich zwei größere Nachteile zu diesem Verfahren. Erstens muß es in einem Unterdruck oder Vakuum durchgeführt ^ werden und erhöht dadurch das damit verbundene praktische Problem. Auch hat das Verfahren ein unerwünschtes Nebenprodukt. Das verlagerte Chlor verbindet sich mit den Wasserstoffatomen von dem Methangas und bildet einen Hydrochloridsäuredampf und erzeugt dadurch ein ernstes Korrosionsproblem.There are two major disadvantages to this method. First, it must be done in a negative pressure or vacuum ^ and thereby increases the practical problem associated with it. The process also has an undesirable by-product. The displaced chlorine combines with the hydrogen atoms from the methane gas and forms a hydrochloric acid vapor and thereby creates a serious corrosion problem.

Im Gegensatz zu dem oben angegebenen relativen Komplex und schwierigen Problem ist es viel leichter, die Werkzeugeinsätze mit Titannitrid zu beschichten. Beispielsweise können die Werkzeugeinsätze dadurch beschichtet werden, daß man sie in einen Ofen stellt, die Luft in dem Ofen durch einen Stickstofffluß ersetzt und dann eine Wasserstoffgasatmosphäre zuschaltet und auf eine Temperatur von ungefähr lOOO C erhitzt. Wenn die ψ Werkzeugeinsätze auf dieser Temperatur sind, wird das Titanteiiachlorid in den eintretenden Wasserstoffstrom verdampft und Stickstoff ebenfalls dem Wasserstoffstrom zugegeben. Der Stickstoff wird in ausreichenden Mengen hinzugefügt, so daß er in einem stoichiometrischen Überschuß von dem ist, welcher notwendig ist, um das Titantetrachlorid in Titannitrid umzuwandeln, welcher Dampf dann auf der Werkzeugeinsatzoberfläche kondensiert und hineindiffundiert. In Abänderung dazu kann das in dem US-Patent Nr. 2.865.791 beschriebene Verfahren einer Metallnitridbeschichtung verwendet werden.In contrast to the relative complex and difficult problem noted above, it is much easier to coat the tool inserts with titanium nitride. For example, the tool inserts can be coated by placing them in an oven, replacing the air in the oven with a flow of nitrogen, and then adding a hydrogen gas atmosphere and heating it to a temperature of about 1000C. When the ψ tool inserts are at this temperature, the titanium chloride is evaporated into the incoming hydrogen stream and nitrogen is also added to the hydrogen stream. The nitrogen is added in sufficient amounts so that it is in a stoichiometric excess of that necessary to convert the titanium tetrachloride to titanium nitride, which vapor then condenses on the tool insert surface and diffuses into it. Alternatively, the method of metal nitride coating described in US Pat. No. 2,865,791 can be used.

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Somit besitzen diese Verfahren gegenüber dem für eine Titankarbidbeschichtung verwendeten insofern Vorteile, daß kein Vakuumofen erforderlich ist und keine korrodierenden Nebenprodukte erzeugt werden.Thus, these methods have advantages over that for a titanium carbide coating used advantages in that no vacuum furnace is required and no corrosive by-products be generated.

Ein weiterer Vorteil des titannitridbeschichteten Werkzeugeinsatzes gegenüber dem titankarbidbeschichteten Werkzeugeinsatz besteht darin, daß die Nitridbeschichtung eine bestimmte Goldfärbung hat. Dieser eigentümliche Farbunterschied unterscheidet den beschichteten von dem unbeschichteten Werkstoffeinsatz. Das kann von einer erheblichen Hilfe in einer Werkstatt für Bearbeitungsmaschinen sein, wodurch ein Arbeiter schnell die beschichteten von den unbeschichteten Werkzeugeinsätzen unterscheiden kann.Another advantage of the titanium nitride-coated tool insert compared to the titanium carbide-coated tool insert is that the nitride coating has a certain Has gold coloring. This peculiar color difference distinguishes the coated from the uncoated material insert. This can be of considerable help in a machine tool workshop, creating a worker can quickly distinguish the coated from the uncoated tool inserts.

Zusätzlich zu dem Titannitrid könnten Werkzeugeinsätze gemäß der vorliegenden Erfindung mit anderen Gruppen IV und Gruppen V-Metallnitriden wie beispielsweise Zirkoniumnitrid, Hafniumnitrid, Niobiumnitrid, Tantalnitrid und Vanadiumnitrid beschichtet werden. Zur Zeit wird jedoch bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Überzug aus Titannitrid wegen der Leichtigkeit und niedrigen Kosten bevorzugt, mit welchen er aufgebracht werden kann. Augenscheinlich ergibt sich keine besondere kritische Beschränkung hinsichtlich der Dicke des Nitridüberzuges auf den Werkzeugeinsatz, solange als eine genügend dicke Schicht vorhanden ist, um sicherzustellen, daß die Oberfläche vollständig überzogen bezw. bedeckt ist. Ein Werkzeugeinsatz mit einer dickeren Schicht hat eine längere Lebensdauer, da sie längere Zeit zum Abnutzen •des Überzuges erfordert. Die obere Dickenbegrenzung wird offensichtlich dadurch bestimmt, wenn der Überzug beginnt, sichIn addition to the titanium nitride, tool inserts according to the present invention could have other groups IV and groups V-metal nitrides such as zirconium nitride, hafnium nitride, Niobium nitride, tantalum nitride and vanadium nitride can be coated. Currently, however, one is preferred Embodiment of the invention a coating made of titanium nitride preferred because of the ease and low cost with which it can be applied. Apparently results there is no particular critical limitation with regard to the thickness of the nitride coating on the tool insert, as long as is present as a sufficiently thick layer to ensure that the surface is completely coated, respectively. covered is. A tool insert with a thicker layer has a longer life because it takes longer to wear out • of the coating required. The upper limit of thickness is apparently determined by when the coating begins to grow

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abzublättern. Vorläufig glaubt man, daß der optimale Bereich für die Dicke der Nitridschicht zwischen O.OO5 und 0.Ol mm liegt.peel off. For the time being, it is believed that the optimal range for the thickness of the nitride layer is between 0.005 and 0.Ol mm.

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Claims

Τ / ρ 7254 -9- 24Jl. 71 B / We

Claims

( 1ΛMachine tool insert, characterized by a thin, adhesive layer of metal nitride with which the insert body is coated.

2. Machine tool insert according to claim 1, characterized in that since / 3 the metal nitride is selected from the group consisting of Group IV metal nitride and Group V-metal nitride.

3. Machine tool insert according to claim 2, characterized in that that the metal nitride is selected from the group consisting of titanium nitride, zirconium nitride, Hafnium nitride, niobium nitride, tantalum nitride and vanadium nitride.

4. Werkzeugmaschineneineatz according to claim 1, characterized in that that the metal nitride consists of titanium nitride.

5. Machine tool insert according to one of the preceding claims 1-4, characterized in that the thickness of the coating consists of titanium nitride between 0.005 and 0.012 mm.

6. Machine tool insert according to one of claims 1-5, characterized in that the basic insert or insert body consists of a sintered carbide base.

7. Machine tool insert according to claim 6, characterized in that that the basic insert or insert body consists of a sintered tungsten carbide insert.

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