DE2317447C2

DE2317447C2 - Schneideinsätze

Info

Publication number: DE2317447C2
Application number: DE19732317447
Authority: DE
Inventors: Bo Folke Huddinge Jonsson; Jan Nils Hägersten Lindström; Fall Johan Olof William Enskede Ohlsson
Original assignee: Sandvik AB
Current assignee: Sandvik AB
Priority date: 1973-04-06
Filing date: 1973-04-06
Publication date: 1984-11-22
Also published as: DE2317447A1

Description

Das Hauptpatent 22 53 745 betrifft Schneideinsätze, die aus einem Kern oder einer Unterlage aus gesintertem Hartmetall, das zumindest ein Karbid zusammen mit einem Bindermetall enthält, einer bindermetailfreien Zwischenschicht aus einem oder mehreren Karbiden und/oder Nitriden von Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Si und/oder B und einer bindermetallfreien, extrem verschleißfesten Oberflächenschicht aus Aluminiumoxid und/ oder Zirkoniumoxid, die aus der Gasphase abgelagert wurden, mit einer Dicke von mindestens 0,2 bis 20 μπι bestehen.

Aus der DE-OS 20 18 662 war es bekannt, auf einer Unterlage aus Ni-Cr-Legierung Zwischenschichten aus N13AI und NiAl und darüber eine Oberflächenschicht aus AI2O3 aufzubringen. Die Unterlage ist dabei kein Hartmetallkörper, und Nickellegierungen verhalten sich wie Bindermetalle, so daß aus der Gasphase über solchen Zwischenschichten aufgebrachte keramische Oxide keine gute Bindung an die Unterlage bekommen.

Wie beim Hauptpatent bestand somit die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe darin, Schneideinsätze mit einer Hartmetallunterlage und einer möglichst stark verschleißfest machenden Oberflächenschicht mit guter Bindung an die Unterlage und mit geringer Porosität zu bekommen.

Die erfindungsgemäßen Schneideinsätze sind eine Abwandlung de-jenigen des Hauptpatents mit den eingangs geschilderten Merkmalen insofern, als die Oberflächenschicht aus wenigstens einer Schicht aus wenigstens einem keramischen Oxid, ausgenommen nur aus Aluminiumoxid und/oder Zirkoniumoxid, besteht.

Aufgrund dieser technischen Lehre ist es für den Fachmann möglich, aus den keramischen Oxiden solche bzw. Kombinationen solcher auszuwählen, die die geforderte extreme Verschleißfestigkeit ergeben, wobei nicht notwendigerweise jedes in Betracht kommende keramische Oxid für sich alleine zu diesem Ergebnis führen muß. Eine der Erklärungen für die erreichbaren verbesserten Eigenschaften der Schneideinsätze gemäß der Erfindung scheint die zu sein, daß die Zwischenschicht die Diffusion von Bindermetall, d. h. insbesondere von Co, von der Hartmetallunterlage in die Oberflächenschicht verhindert. Es wird so auch eine beträchtliche Unterbindung der Diffusion von Kohlenstoff aus der Unterlage erreicht. Da Co und/oder C aus der Hartmetallunterlage eine schädliche katalysierende Wirkung bei der Bildung und dem Wachstum der Oxidschicht haben, ist die Wirkung der Zwischenschicht als Diffusionssperre in dieser Hinsicht ein sehr wichtiger Faktor.

Den schädlichen Einfluß von Kohlenstoff und/oder Bindermetall (üblicherweise Kobalt), die aus der Unterlage stammen, auf die Bildung der Oberflächenschicht kann man. weiter dadurch vermeiden, daß man die Oberflächenzone der Unterlage an Kohlenstoff und Kobalt verarmt, bevor diese mit einer Oxidschicht beschichtet wird, beispielsweise durch Entfernung von überflüssig angelagertem C und Co. Dies kann vor der Beschichtung oder während einer sehr frühen Stufe der Beschichtung erfolgen. Die gleiche Wirkung wird erreicht, wenn eine Oberflächenzone erzeugt wird, in welcher Co und C fest verbunden sind. Gemäß der Erfindung kann sowohl die Beseitigung als auch die Bindung der genannten Elemente in verhältnismäßig einfacher Weise erreicht werden.

Dies kann erreicht werden, indem die Hartmetallunterlage vor oder während des Beginns des Verfahrens entkohlt wird, so daß eine Schutzzone mit niedrigem Gehalt an WC, freiem Kohlenstoff und/oder Kobalt in dem Oberflächenteil des Hartmetallkörpers erzeugt wird. Die Behandlung kann beispielsweise eine Entkohlung mit CO2 sein, wodurch Kobalt und Kohlenstoff beispielsweise als η-Phasenkarbid, C03W3C, oder als Oxid gebunden werden. Diese Behandlung kann als spezieller Anfangs-Verfahrensschritt oder während des gesamten Beschichtungsverfahrens durchgeführt werden.

Für die Oberflächenschicht besonders geeignet sind Oxide von Si, B, Ca, Mg, Ti und/oder Hf. Diese keramischen Oxide können auch in Kombinationen miteinander oder als Schichten übereinander aufgebracht werden.

Sehr dünne keramische Oxidschichten, die auf der Zwischenschicht aufgebracht worden sind, ergeben eine p

große Verbesserung der Verschleißfestigkeit bei Aufrechterhaltung der Zähigkeit. Eine günstige Wirkung ist ύ

bereits bei einer Schichtdicke von 0.2 μΐη erhalten worden. Die optimale Dicke der Schicht liegt zwischen 0,5 und ij-

4 μΐη. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, das Verhältnis zwischen der Dicke der Zwischenschicht und der i^:l

Oberflächenschicht innerhalb gewisser Grenzen zu halten. Die Dicke der Zwischenschicht sollte somit 2- bis ps

16mal und vorzugsweise 4- bis 8mal so groß sein wie die Dicke der Oberflächenschicht. Die Gesamtschichtdicke, fji

d. h. die Dicke der Zwischenschicht und die Dicke der Oberflächenschicht, sollte zwischen 3 und 11 um. vorzues- U

weise zwischen 4 und 8 μπι, betragen.

Die keramische Oxidschicht soll somit verhältnismäßig dünn sein, da das Material selbsi sehr brüchig ist Jedoch hat die dünne Oxidschicht einen ausgezeichneten Widerstand gegen chemische Angriffe verschiedener Art. Die Zwischenschicht aus Karbid oder Nitrid bewirkt andererseits die erforderliche Zähigkeit bei Anwendungen, wie z. B. bei vielen Schneidvorgängen, und sie kann eine Rißbildung und andere ungünstige Wirkungen verhindern.

Beispiel 1

Die Beschichtung erfolgte in einem Reaktor, dessen wesentliche Teile aus einer Legierung auf Nickelbasis bestanden. Die zu beschichtenden Hartmetailschneideinsätze bestanden aus 40 VoIumen-% WC, 15 Volumen-% Co und 45 Volumen-% kubischer Karbide in Form von TiC, TaC und NbC (und möglicherweise WC). Zuerst wurde eine Zwischenschicht aus TiC durch gemeinsame Zuführung eines Gasgemisches aus 10% TiCI₄,8% CH₄ und 82% H2 in einer einzigen Leitung aufgebracht. Der Druck in dem Reaktor konnte durch Absaugen des Gases aus dem Reaktorkessel mit Hilfe einer Vakuumpumpe auf 15 mbar gehalten werden, wobei die Vakuumpumpe vor korrodierenden Reaktionsprodukten (z. B. HCI) mit Hilfe einer Kühlfalle .mit flüssigem Stickstoff vor der Pumpe geschützt wurde. Auf diese Weise wurde eine lineare Gasströmungsgeschwindigkeit von einem m/sec in der Charge erreicht. Die Behandlung bei 1000⁰C dauerte 2 Stunden. Das Ergebnis waren feinkörnige, nicht poröse Schichten aus TiC mit einer Dicke von 2 μπι.

In einem getrennten zweiten Schritt wurden die Hartmetallplatten in einer entsprechenden Anlage behandelt, in welcher die Gaszuführung abgewandelt wurde, jedoch so, daß ein Gas mit der Zusammensetzung von 70% H₂,5% CO₂,20% CO und 5% SiCl₄ dosiert werden konnte. Die Temperatur der Unterlage betrug 1100⁰C, und es betrug der Druck 15 mbar. Es wurde eine lineare Gasströmungjgeschwindigkeit von 3,5 m/sec angewendet. Nach einer Beschichtungszeit von 3 Stunden wurden Schichten aus SiO₂ mit einer Dicke von 2 μΐη erzeugt. Die Bindung oder Anhaftung der SiOrSchicht an der Zwischen-TiC-Schicht war sehr gut.

Beispiel 2

In folgendem Beispiel sind Ergebnisse von Schneiduntersuchungen enthalten, bei denen Schneideinsätze gemäß der Erfindung mit früheren Einsätzen verglichen worden sind.

Die Schnittuntersuchungen wurden durchgeführt in Form von Drehen eines Kohlenstoffstahles mit einem Kohlenstoffgehalt von 1 % und einer Härte von etwa HB 300 unter folgenden Schnittbedingungen:

Schnittgeschwindigkeit 160 m/Min.

Vorschub 0,30 mm/Umdrehung

Die Werkzeuglebensdauer, gemessen nach den gültigen Normen, wurde für die folgenden Hartmetallgütegrade angegeben:

40

Gütegrad entsprechend Lebensdauer des Einsatzes

(Min.)

1. ISO P 30 (Standard) 4

2. ISO P 30 mit TiC-Schicht, 4 μπι 16

3. ISO P 30 mit Al₂O₃-Schicht,4 μηι 19

4. ISO P 30 mit Al₂O₃-SChJcIn, 30 μιη 6

5. ISO P 30 mit TiC-Schicht, 2 μΐη und 27 SiOrSchicht, 2 μπι

Der Hartmetallgütegrad entsprechend ISO P 30 hatte die Zusammensetzung (in Gewichtsprozent): 9,5% Co, 12% TiC, 6% TaC, 4% NbC und Rest WC.

Die Ergebnisse zeigen, daß die Beschichtung mit einer dünnen TiC-Schicht (Nummer 2), wie erwartet, eine beträchtliche Verbesserung der Lebensdauer des Schneideinsatzes in bezug auf den Schneideinsatz (Nummer 1) ergab. Eine dünne Schicht aus AI2O3 (Nummer 3) bewirkte auch eine wesentliche Verbesserung in bezug auf den Standardeinsatz. Eine dicke Schicht aus Al₂O₃ (Nummer 4), die bisher im allgemeinen erhalten wurde, ergab andererseits nur eine geringere Verbesserung. Eine doppelte Schicht gemäß der Erfindung mit dünnen Schichten aus TiC und SiO₂ (Nummer 5) ergab jedoch einen Anstieg der Lebensdauer des Einsatzes.

B e i s ρ i e I 3

In diesem Beispiel sind Ergebnisse von Schneiduntersuchungen enthalten, bei denen Schneideinsätze gemäß der Erfindung (doch mit einer Zwischenschicht von Al₂Oj) mit früheren Einsätzen verglichen worden sind.

Die Schnittuntersuchungen wurden durchgeführt in Form von Drehen eines Kohlenstoffstahles mit einem Kohlenstoffgehalt von 1% und einer Härte von etwa HB 300 unter folgenden Schnittbedingungen:

Schnittgeschwindigkeit 160 m/Min.
Vorschub 0,30 mm/Umdrehung

Gütegrad entsprechend	ISO P 30 (Standard)	Lebensdauer des Einsatzes (Min.)
1.	ISO P 30 mit TiC-Schicht, 4 μίτι	3
2.	ISO P 30 mit Al₂O₃-Schicht,4 μπι	15
3.	ISO P 30 mit Al₂O₃ Schicht, 30 μηι	17
4.	ISO P 30 mit TiC-Schicht, 2 μπι und	4
5.	Al₂O₃-SChIChI, 2 μπι	42
	ISO P 30 mit TiC-Schicht, 2 μηι.
6.	Al₂O₃-Schicht, 2 μΐη und SiO₂-Schicht, 1 μπι	46

Der Hartmetallgütegrad entsprechend ISO P 30 hatte die Zusammensetzung (in Gewichtsprozent): 9.5% Co, 12% TiC, 6% TaC, 4<>/o NbC und Rest WC.

Die Ergebnisse zeigen, daß die Beschichtung mit einer dünnen TiC-Schicht (Nummer 2), wie erwartet, eine

20 beträchtliche Verbesserung der Lebensdauer des Schneideinsatzes in bezug auf den Schneideinsatz (Nummer 1) ergab. Eine dünne Schicht aus Al₂O₃ (Nummer 3) bewirkte auch eine wesentliche Verbesserung in bezug auf den Standardeinsatz. Eine dicke Schicht aus Al₂O₃ (Nummer 4), die bisher im allgemeinen erhalten wurde, ergab andererseits nur eine geringe Verbesserung. Eine doppelte Schicht mit dünnen Schichten aus TiC und Al₂O₃ (Nummer 5) ergab jedoch einen großen Anstieg der Lebensdauer des Einsatzes. 1 μπι SiO₂ (Nummer 6) ergab

25 einen noch größeren Anstieg der Lebensdauer.

Claims

Patentansprüche:

1. Schneideinsätze bestehend aus einem Kern oder einer Unterlage aus gesintertem Hartmetall, das zumindest ein KarMd zusammen mit einem Bindermetall enthält, einer bindermetailfreien Zwischenschicht aus einem oder mehreren Karbiden und/oder Nitriden von Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo. W, Si und/oder B und einer bindermetailfreien, extrem verschleißfesten Oberflächenschicht aus einem oder mehreren aus der Gasphase abgelagerten Oxiden mit einer Dicke von mindestens 0.2 bis 20μπι nach Patent 22 53 745, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht aus wenigstens einer Schicht aus wenigstens einem keramischen Oxid, ausgenommen nur aus Aluminiumoxid und/oder Zirkoniumoxid, besteht.

ίο

2. Schneideinsätze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht aus Oxiden von

Si, B, Ca, Mg, Ti und/oder Hf besteht.

3. Schneideinsätze nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Oberflächenschicht zwischen 0,5 und 4 μπι liegt.

4. Schneideinsätze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Zwischenschicht das 2- bis 16fache, vorzugsweise das 4- bis 8fache der Oberflächenschicht beträgt.

5. Schneideinsätze nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtdicke von Zwischenschicht und Oberflächenschicht 3 bis 11, vorzugsweise 4 bis 8 μηι beträgt.