DE2356088B2

DE2356088B2 - Verfahren zur erhoehung der lebensdauer von pulvermetallurgischen hartmetallerzeugnissen

Info

Publication number: DE2356088B2
Application number: DE19732356088
Authority: DE
Inventors: Tibro Prof. Dr. Budapest; Major György; Nagy Zoltanne; Nemeth Otto; Preizner Oszkar; Györ; Konkoly (Ungarn)
Original assignee: Magyar Vagon - es Gepgyar, Györ (Ungarn)
Priority date: 1972-11-14
Filing date: 1973-11-09
Publication date: 1976-10-28
Also published as: SE410623B; DD107491A5; HU165088B; AT331049B; GB1433940A; ATA806673A; DE2356088A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, mit dessen Hilfe die Lebensdauer verschiedener pulvermetallurgischer Halbhartmetallerzeugnisse, insbesondere spanabhebender Wechselschneidplättchen, Ziehsteine, Hartmelalleinsätze durch eine thermochemische Behandlung der Fertigteile bedeutend erhöht werden kann.

Seit einiger Zeit wurden im Interesse der wirtschaftlicheren Gestaltung der spanlosen und spanabhebenden Bearbeitung eine ganze Reihe von auf pulvennetallurgischem Wege hergestellte Hartmetallerzeugnisse entwickelt. Ihr charakteristisches Merkmal besteht darin, daß beim Verschleiß der Schneiden, d. h. Abnützung des Werkzeuges, dieses weggeworfen und nicht mehr nachgeschliffen wird. Zieht man die durch das Scharfschleifen ausgefallene Zeit in Betracht, so erscheint trotz des verhältnismäßig geringen Materialverbrauchs das Wegwerfen der Hartmetallwerkzeuge als zweckmäßiger.

Die Hartmetallerzeugnisse bestehen hinsichtlich ihrer Zusammensetzung aus zwei Hauptkomponenten: den (ό die Härte und Verschleißfestigkeit gewährleistenden Karbiden (W-, Ti-, Ta-, Nb- usw. Karbide) und dem die Zähigkeit sichernden Bindemittel, das in der überwiegenden Mehrzahl der Fälle aus Kobalt besteht. Der Anteil der Karbide schwankt in Abhängigkeit vom <>s Anwendungsgebiet zwischen 70 und 90%, der des Bindemittels zwischen 10 und 30%. Zur leichteren Auswahl der entsprechenden Schneidplättchcn-Qualität wurde das Anwendungsgebiet durch die ISO (Internationale Standardisierungs-Organisation) in ein System zusammengefaßt

Unter Änderung der Zusammensetzung und der Verteilung sowie der Größe der Karbide wurden in letzter Zeit, z. B. mit dem Ziel der Erhöhung der Lebensdauer der Schneidplättchen neue Verfahren entwickelt. Ein gutes Ergebnis brachte die Auftragung verschiedener Karbide, Boride und Nitride in Form von Suspensionen in dünnen Schichten in der Größenordnung von einigen Mikron und die darauf folgende Erhitzung bzw. die Bedampfung unter Vakuum. Diese Arbeitsgänge werden entweder zusammen mit der Sinterung oder nachträglich auf dem bereits auf Fertigmaß geschliffenen Plättchen vorgenommen. Beide Verfahren können nur außerordentlich umständlich mit besonderen Einrichtungen und bei hoher Temperatur durchgeführt werden.

Außerdem gibt es noch zahlreiche Einsatzgebiete für Schneidplättchen, auf denen der Verbrauch, Verschleiß oder sogar ein Ausbröckeln der so behandelten Schneidplättchen ziemlich schnell eintritt und deshalb eine Erhöhung der Lebensdauer wünschenswert ist.

Die Erhöhung der Härte bzw. die Verschleißfestigkeit von Eisenlegierungen durch Nitrieren ist bekannt. Die Wechselwirkung der Fe und N, sowie die Ausbildung der Fe-N-Legierungen und Phasen sind in zahlreichen Literaturstellen beschrieben.

Beim Nitrieren von Eisensinterkörpern sind sowohl die Reaktionen, als auch die sich bildenden Verbindungen und Phasen die gleichen, wie bei den Eisenlegierungen, nur die Makrostruktur wird geringfügig, infolge der Porosität des Materials, abweichen.

Somit ist das Nitrieren von Eisensinterteilchen im wesentlichen das gleiche, wie bei den Eisenlegierungen. Die Struktur der Hartmetalle hai demgegenüber kein gemeinsames Kennzeichen mit den Eisensinterteilchen.

Es ist bekannt, daß die Hartmetalle aus in Bindemetall (meistens Co) eingebetteten gesättigten Karbiden (70 — 90%) verschiedener Metalle bestehen. Es ist für einen Fachmann naheliegend, daß die Nitrierung der gesättigten Karbide ohne zusätzlicne Behandlung nicht durchgeführt werden kann, da der Stickstoff voraussichtlich keine Möglichkeit hat, sich in die gesättigten Karbide einzubauen. Der Stickstoff könnte theoretisch erst nach einer Dekarbonisation, also nach Entfernung einer großen Anzahl von C-Atomen in das Hartmetall, eingeführt werden. Auch die Auflegierung mit Nitridbildnern sollte die Stickstoffeinführung bewirken.

Andererseits ist die Härtung des Bindematerials selbst in keinen Literaturstellen zu finden. Das Bindematerial wird im allgemeinen für eine Matrix gehalten, die die Härte und die Verschleißfestigkeit des Hartmetallgegenstandes nicht beeinflußt.

Die Basis des erfindungsgemäßen Verfahrens ist demgegenüber eine neue, dem Stand der Technik widersprechende Erkenntnis. Das Wesen dieser Erkenntnis ist folgendes:

a) Die Nitrierung von Hartmetallformkörpern kann ohne zusätzliche Entkohlung oder Auflegierung mit Nitridbildern durchgeführt werden, wobei naszierender Stickstoff in die Karbide des Hartmetalls eingebaut werden kann.

b) Der Stickstoff baut sich nicht nur in die Karbide, sondern auch in das Bindematerial um die Karbide ein, wodurch das Gitter des Bindematerials stärker wird und die Ausbröckelung der Karbidkörnchen sowie der Verschleiß sich verringern.

Erfindungsgemäß werden in der Oberflächenschicht des fertigen oder fertiggeschliffenen, eventuell durch Schleifen erneuerten Werkzeuges Nitride gebildet, und zwar mit Hilfe von in die Plättchenoberfläche in Schichten von einigen Mikron auf dem Diffusionswege zugeführten naszinierendem Stickstoff.

Ein wesentliches Merkmal des Verfahrens besteht darin, daß die pulvermetallurgischen Erzeugnisse, insbesondere Hartmetalle bei einer Temperatur von 550 bis 600⁰C in einem Stickstoff abgebenden Medium, und zwar in Abhängigkeit von diesem 10 bis 30 bzw. 20 bis 80 Minuten erhitzt und nach Abkühlung an Luft in eine Temperatur von 90° aufweisendem Wasser zur Wäsche und Entspannung behandelt werden. Das den Stickstoff in atomarem Zustand abgebende Medium kann fest (d. h. pulverartig bzw. kristallin), flüssig (z. B. geschmolzenes Salzbad, insbesondere Kalium- und Natrium-Zyanide bzw. Zyanate) oder gasförmig sein (Gase und Gasgemische, zweckmäßigerweise Endogase wie H, CO, C_nH_2n, C_nH_2n+2, NH₃).

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Erkenntnis, daß die betriebliche Lebensdauer eines pulvermetallurgischen Erzeugnisses, im Falle eines Werkzeuges dessen Verschleißfestigkeit und Widerstand gegen Kantenabbröckelung und Aufblätterung, einerseits durch Verfestigung des Bindemittels mit Stickstoff auf dem Diffusionswege weiter erhöht werden kann und andererseits, daß die zugeführten Stickstoffatome infolge ihrer größeren Bindungsenergie in den Karbiden an Stelle eines Teiles der C-Atome treten bzw. gemischte Verbindungen bilden und diese weiter verfestigen. Die so fester gewordene Bindemittelschicht bindet die Körnchen des Erzeugnisses fester, die in das Bindemittel eindiffundierten Stickstoffatome blockieren die Dislokationsbewegungen, verzögern das Entstehen von Rissen und erhöhen deu Widerstand gegen wiederholte Beanspruchungen.

Die Hauptvorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind folgende:

Die Lebensdauer der nach diesem Verfahren behandelten pulvernietallurgischen Erzeugnisse, insbesondere der spanabhebenden Hartmetall-Wechselplättchen, erhöht sich in ganz besonderem Maße, nämlich um 50 bis 300%. Der Widerstand der Werkzeuge gegen Verschleiß und Schneidenausbröckelung steigt ebenfalls weitgehend. Die ca. 200- bis 300%ige Erhöhung der Lebensdauer wurde bei Hartmetall-Wechselplättehen unter gleichen Einsatzbedingungen im Rahmen des ISO-Systems unmittelbar gemessen.

Ein bedeutender Vorteil besteht darin, daß die Behandlung bei einer Temperatur durchgeführt werden kann, bei der in dem Erzeugnis noch keine allotropen Umwandlungen eintreten, die Dilatationen gering sind und im Ergebnis die Maßünderungen und Verzerrungen bzw. Verformungen minimal bzw. innerhalb der Bearbeitungs-Maßgenauigkeit bleiben.

Die kurzzeitige Behandlung gewährleistet eine hohe Produktivität.

Zur Zuführung von Stickstoff auf thermochemischem Wege geeignete Medien sind im Handel erhältlich, die in der Industrie für andere Zwecke benutzten Salzbäder und Gasgemische können verwendet werden und stehen in den Wärmebehandlungswerkstäticn der Industriebetriebe zur Verfugung.

Die Gesamikosten des Verfahrens erreichen etwa 1 — 2% des Erzeugnispreises (des Wechselplättchens).

Die weiteren Einzelheiten des Verfahrens und die damit erzielten Ergebnisse sind für Hartmetallwcchselplättchen aus folgenden drei Beispielen ersichtlich:

Thermochemische Behandlung (in allen drei Fällen gleich)

a) Vorwärmen bei 400° C

b) Salzbad-Nitrieren im KCN-KCNO-Bad mit Belüftung bei 570° C 15 Minuten lang

c) Abkühlen an der Luft

d) Wäsche, Entspannen in Wasser von 90⁼C 30 Minuten lang

e Abkühlen an der Luft

Bearbeitungsbeispiele und Ergebnisse
is I. Beispiel

Bearbeitung,·Schlichten des Wellenstumpfes
Material: C 45

Maschine: Fuji (Sondermaschine)
Wechselplättchen:CoromantTNMM 220412GC 125

Technologische Daten:

Schnittgeschwindigkeit: v= 123 m/min—228 m/min

Drehz?hl:/7 = 355U/min
Vorschub: e = 0,4 mm/U

Schnittiefe:/"=1,5mm

Zahl der bearbeiteten Werkstücke ohne Nitrieren:

Stück

Zahl der bearbeiteten Werkstücke mit Nitrieren: ■to 45 Stück

Index =

_45_
20

= 2,25.

2. Beispiel

2a) Bearbeitung: Planetenrad, Schruppen in Bohrung
Material: BCNoI
Maschine: Fuji (Sondermaschine)
Wechselplättchen:CoromantSMUM 120408 S 2

Technologische Daten:

Schnittgeschwindigkeit: v=82 m/min
Drehzahl: /7 = 600 U/min
Vorschub: e=0,3 mm/U
Schnittiefe: f— 3,5 mm

Zahl der bearbeiteten Werkstücke ohne Nitrieren: 50 Stück

Zahl der bearbeiteten Werkstücke mit Nitrieren: 104 Stück

Index = ~ = 2,08.

2b) Die technologischen Daten stimmen mit denen unter Punkt 2a) überein, wobei die zur Verwendung gelangenden Schneidplättchen ein österreichisches Erzeugnis der Markenbezeichnung TlZIT sind.

Zahl der bearbeiteten Werkstücke
ohne Nitrieren

Zahl der bearbeiteten Werkstücke
mit Nitrieren

Index = ¹^³- = 1,98.

52 Stück 103 Stück

3. Beispiel

Bearbeitung: Bremstrommel, Schruppen

Material: Öv 25

Maschine: MORANDO (Sondermaschine)

Wechselplättchen: SNLJM 120412 DR 10, ungarisches Erzeugnis

Technologische Daten:

Schnittgeschwindigkeit: v— 78 m/min
Drehzahl: η = 59 U/min
Vorschub: e=0,5 mm/U

Schnittiefe: /=6—8 mm

Zahl der bearbeiteten Werkstücke mit Nitrieren:

40 Stück

Zahl der bearbeiteten Werkstücke ohne Nitrieren:

7 Stück

40
Index = -— = 5.7.

Die Zusammensetzungen der in den Beispielen erwähnten bearbeiteten Werkstücke sind in der folgenden Tabelle angeführt:

C,

Si.

Mn. % Cr. %

Mo.

S. P

C 45	0,42-0,50	0,17-0.37	0,50-0,80
BCNoI	0.12-0.18	0,17-0,37	0,80- UO
Öv 25	3.1-3,5	1,20-1,70	0.70-1,10

Die Zusammensetzungen der angewandten Wechselplättchen können nicht dargestellt werden, da in den Prospekten nur die Verhältnisse der Bindemetalle und der Metallkarbide bekanntgemacht sind. Die genauen Zusammensetzungen sind Betriebsgeheimnisse.. Ein exaktes Kennzeichen der Wechselplättchen besteht in der ISO-Klassifikation dieser Produkte. Die Klassifika-.0-1.30

0.20-0,30

max. 0.035 max. 0,035 max. 0.4; 0,12

tion der angeführten Wechselplättchen ist wie folgt:

Beispiel 1: Coromant GC 125 ISO P 10-P 30

Beispiel 2: Coromant S 2 ISO P 20

Beispiel 3: DR10 ISOKlO

Alle die in den Beispielen angeführten Maschinen sind Drehmaschinen.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer von pulvermetallurgischen Hartmetallerzeugnissen und sonstigen Hartmetallwerkzeugen, ζ. Β. Ziehringen, Hartmetalleinsätzen oder sonstigen einem Verschleiß oder wiederholten Beanspruchungen ausgesetzten, auf pulvermetallurgischem Wege hergestellten Gegenstände, insbesondere spanabhebenden ι ο Wechsel-Schneidplättchen durch thermochemische Behandlung, dadurch gekennzeichnet, daß in die Oberflächenschicht des fertigen Erzeugnisses naszinierender Stickstoff aus einem festen, flüssigen oder gasförmigen Medium eindiffundiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung in einem geschmolzenen Natriumzyanid- und Natriumzyanat- oder Kaliumzyanid- und Kaliumzyanat-Salzbad bei einer Temperatur von 550 bis 600° C während einer Zeit von 10-30 Minuten erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung in einem Ammoniak-Gasstrom bei einer Temperatur von 550 bis 600°C während einer Zeitdauer von 30 bis 80 Minuten erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung in einem Gasgemisch von 50% Endogas und 50% Ammoniakgas bei einer Temperatur von 550 bis 600°C während einer Zeitdauer von 20 bis 60 Minuten erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke nach der Behandlung an ruhiger Luft abgekühlt werden.