DE2511241A1

DE2511241A1 - Beschichteter und teilweise laminierter einsatz fuer schneidwerkzeuge

Info

Publication number: DE2511241A1
Application number: DE19752511241
Authority: DE
Inventors: Gerald R Abrahamson; Charles E Mereness
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1974-03-13
Filing date: 1975-03-12
Publication date: 1975-09-25
Also published as: US3882581A; GB1494545A; FR2263991B1; FR2263991A1; JPS6114229B2; JPS50127276A; SE7502335L; CA1019939A; IT1032290B

Description

IBERLIN 33 8MUNCHEN

Auguste-Viktoria-Straßo 65 p. Dl lOPUl/C S DADXMCD Pienzenauerstraße 2

Pat.-Amv. Dr. Ing. Ruschke Ul*. KUOOrilVfc Ot r AKIlNtK Pat.-An». Dipl.-Ing.

SÜftdSf-¹* PATENTANWÄLTE ^{Hans E}- ^Ruschk _g; _{03 34}

reiefon_:o30/⁸ ₃|⁶ _sf₄^ BERLIN - MÜNCHEN ^Telefon: °^89/98?258

Telegramm-Adresse: Telegramm-Adresse:

Quadratur Berlin Qudadratur München TELEX: 183786 TELEX: 522767

Minnesota Mining and Manufacturing Gompany, Saint Paul, Minnesota 55 101 (V»StoV_oA_o)

Beschichteter und teilweise laminierter Einsatz für Schneidwerkzeuge

Die Erfindung betrifft laminierte Karbideinsätze, beschichtete Karbideinsätze sowie laminierte Katbideinsätze für Schneidwerkzeuge, bei denen nur ein Teil der Schneidbrustfläche laminiert ist.

Eine laminierte Karbidwerkzeugspitze weist beispielsweise einen zusammengekitteten Karbidkern mit einer dünnen Schicht eines kraterbildungsfesten zusammengekitteten Karbids an der Schneidbrustseite eines Kerns auf. Die dünne Schicht enthält als einen wesentlichen Anteil mindestens ein Karbid aus einem Metall der Gruppen IVb oder Vb des Periodensystems. Dieser Auf-

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bau stelB» bisher einen Portschritt der Technik dar; jedoch fallen solche Strukturen rasch aus bei den hohen Geschwindigkeiten der Werkstückbearbeitung, die gegenwärtig in der Industrie üblich sind. Dieser Ausfall ist in erster Linie eine Folge der bei hohen Temperaturen erfolgenden plastischen Verformung der Schneidkante, deren Materialzusammensetzung einen Kompromiß in bezug auf Verformungsfestigkeit, Verschleißfestigkeit und Zähigkeit darstellt«

Diese an sich bekannten Schwierigkeiten werden nach der Erfindnng mittels eines beschichteten und teilweise laminierten Einsatzes für Schneidwerkzeuge beseitigt, der bei mit hohen Geschwindigkeiten durchgeführten Werkstückbearbeitungen weitgehend ausfallfrei ist. Die in der vorliegenden Beschreibung gebrauchten Ausdrücke "Teillaminat¹¹ und "teilweise laminiert" bezeieh sich auf beschichtete Einsatzsubtrate, die derart laminiert sind, dass unterschiedliche Zusammensetzungen in denjenigen Bezirken vorliegen, die (1) die Schneidkante und (2) die Kraterbildungsabnutzungszone umfassen^ Der Werkzeugeinsatz weist einen zusammengekitteten Metallkarbidkörper mit einer Kantenwandung auf, der größtenteils Wolframkarbid und möglicherweise weitere Metallkarbide enthält, die mit einem Metall der Eisengruppe gebunden sind, beispielsweise mit Kobalt, Nickel oder Eisen, wobei ein zähes und formbeständiges Material geschaffen wird, das für die Beanspruchung bei der Werkstückbearbeitung widerstandsfest ist. Der Körper ist mit einer Ausnehmung versehen, die mit einem Laminat ausgefüllt ist, das aus einem kraterbildungsfesten und zusammengekitteten Karbid besteht und die Schneidbrustseite bildet.

Das kraterbildungsfeste Karbid enthält größtenteils Wolfram-

karbid

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und wesentliche Anteile zusätzlicher Karbide von Metallen aus aus den Gruppen IVb und Vb des Periodensystems, wobei der Prozentsatz der Karbide von Metallen aus den Gruppen IVb und Vb in der kraterbildungsfesten Schicht größer ist als im Kernmaterialο Die Schneidbrustseite und die Flanken des Substrates sind mit einem harten Oberflächenbelag versehen, dessen Dicke nicht mehr als ungefähr 0^025 am beträgt_e

Die Erfindung wird nunmehr ausführlich beschrieben. In den Figuren der beiliegenden Zeichnung sind die einander gleichen oder entsprechenden Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen« Es zeigt die
Figoi eine schaubildliche Darstellung eines Schneidwerkzeuges mit einem beschichteten und teilweise laminierten Einsatz

nach der Erfindung,
Fig«2 einen Querschnitt durch den Einsatz nach der Linie 2-2

in der Fig.1 und die
Fig ο 3 einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsiorm der Erfindung.

An einem Werkzeughalter 12 (der in eine Maschine, ζ·Β· eine Drehbank eingespannt wird) ist ein Karbideinsatz 12 für ein Werkzeug mittels einer Schraube 1$ befestigt, die in eine am Werkzeughalter vorgesehene Gewindebohrung eingeschraubt ist· !fach dem Einspannen in einer Werkzeugmaschine ist am Einsatz 10 eine

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Schneidkante an der Schnittlinie zwischen einer Flanke 16 und

einer Schneidbrustfläche 18 dem zu bearbeitenden Werkstück zuge-

en wandt. Während der Bearbeitung eines Werkstückes such die vom Werkstück abgehoben und sich über die Schneidbrustfläche 18 bewegenden Späne in dem hinter der Schneidkante gelegenen Bezirk

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eine Vertiefung oder einen Krater zu erzeugen, während die Schleif wirkung des Werkstückes allein zu einer Abnutzung der Flanke führte Beide Abnutzungsarten tragen zu einem Ausfall des Einsatzes und zu einer wesentlichen Verkürzung der Lebensdauer bei.

Wie aus den Figuren 2 und 3 z\i ersehen ist, können beide Seiten 18 des Einsatzes 10 benutzbare Schneidbrustflächen bilden, wenn der Einsatz nach Abnutzung der Schneidkante 14 an der ersten Seite umgekehrt wird. Solche umkehrbaren Einsätze sind an sich bekannt und können verschiedene geometrische Formen aufweisen, beispielsweise dreieckig, quadratisch usw. ausgestaltet sein« Wie in der Fi &2 dargestellt, weist ein zusammengekitteter Metallkarbidkörper 20 einen allgemein rechteckigen Kernteil und eine sich um den Kern herum erstreckende Kantenwandung 21 auf. Die Kantenwandungen weisen Vorsprünge auf, die die Flanken und die Schneidkanten 14 am Körper bilden, der mit einem Belag 24 versehen ist, der die Flankenseite, die Schneidbrustseite und die zugehöri-

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ge Schneidkante bedeckt· In der von der vorstehenden Kantenwandung umgrenzten Vertiefung ist ein Laminat 22 aus einem kraterbildungsfesten zusammengekitteten Karbid angeordnet, das mit den Flächen 23 des Körpers 20 verbunden ist und eine teilweise laminierte verkittete Karbidzusammensetzung bildet· Der Körper 20, die Kantenwandungen und das Laminat 22 sind ferner mit einem harten Oberflächenbelag 24 versehen, beispielsweise aus Titankarbid, das nach der Darstellung das gesamte laminierte Substrat, in allen Fällen Jedoch mindestens die Schneidbrustseite 18 und die Flanke 16 des Substrates an einer Schneidkante bedeckte

Die Fig*3 zeigt einen Einsatz, bei den sowohl die Kantenwandung des Körpers als auch das Laminat an der Schneidbrustseite

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aus zusammengeketteten Karbiden einer Zusammensetzung bestehen, die von der des Kerns verschieden ist» Der Körper 20 besteht aus einem Kern 19» wobei die Schneidkante 14 von der Kantenwandung 26 gebildet wird, die den Kern 19 umgibt und aus einer Zusammensetzung besteht, die besonders widerstandsfähig gegen eine Flankenabnutzung, einer Verformung und einer Zerspanung der Kante ist» Das kraterbildungsfeste Laminat 22 in der vom Körper 20 und der Kantenwandung 26 gebildeten Vertiefung schützt die Schneidbrustseite 18 gegen eine rasche Kraterbildung im Gebrauch. Das vom Körper 20, der Kantenwandung 26 und dem Laminat 22 gebildete Substrat ist mit dem Metallkarbid 24 nach der Fig.2 beschichtet.

Der Körper 20 wird von einem Material gebildet, das größtenteils aus Wolframkarbid und aus einem kleineren Anteil aus einem Bindemetall der Eisengruppe besteht, die Eisen, Nickel, Kobalt und deren Gemische umfasst· Im allgemeinen ist Kobalt vorzuziehen wegen dessen überlegenen chemischen Kompatibilität und wird von Sachkundigen überwiegend verwendete Ferner können in kleinen Mengen zusätzlich Karbide von Metallen aus den Gruppen IVb und Vb des Periodensystems vorgesehen werden, z.B. Titan, niobium, Tantal usw.im zusammengekitteten Karbidkern· Die Eigenschaften des Kernmaterials können bestimmt werden durch eine geeignete Wahl der relativen Proportionen des Wolframkarbids, der Bindemittel und der zusätzlichen Karbide, um ein Gleichgewicht zwischen der Zähigkeit (Widerstandsfestigkeit gegen Stöße bei rohen Bearbeitungen) und der Verformungsfestigkeit zu erzeugen«.

Der Kern kann 85-98 Gew.% Wolframkarbid, 2-15 Gew% Bindemittel und bis zu 13 Gew_o% Karbide von Metallen aus den Gruppen IVb und Vb des Periodensystems enthalten. Der Kern weist im allgemeinen die größte Zähigkeit auf, wenn er nur aus Wolfram-

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karbid und Kobalt bestellt, welche Zusammensetzung zu bevorzugen ist ο

Das Körpermaterial kann mit der Kantenwandung 21 und der Schneidkante 14 ausgestaltet werden· Das Kernmaterial ist dem kraterbildungsfesten Material an Festigkeit und Formbeständigkeit überlegen· Bei dem Einsatz nach der Erfindung wird ein zähes Material an der Schneidkante vorgesehen, an welcher Stelle die größte Tendenz einer Zerspanung besteht, während das kraterbildungsfeste Material etwas hinter der Schneidkante angeordnet wird, an welcher Stelle die Kraterbildung am stärksten auftritt· Die kraterbildungsfeste Schicht braucht nicht an der gesamten Schneidbrustfläche vorgesehen zu werden» sondern nur derjenige Teil der Schneidbrustfläche, an der die Kraterbildung auftritt, wenn die vom Werkstück abgehobenen Späne sich über die Schneidbrustfläche bewegen.

Das am Körpermaterial angeordnete kraterbildungsfeste Laminat ist ein zusammengekittetes Karbid, das aus Wolframkarbid, einem Bindemittel (aus der Eisengruppe) und aus einem oder meheren Karbiden der Metalle aus den Gruppen IVb und Vb des Periodensystems besteht. Die zusätzlichen Metallkarbide bilden ein Material, das widerstandsfähig gegen die Bildung von Kratern als Folge der Bewegung der sich über die Schneidbrustfläche bewegenden abgehobenen Späne ist, welche Karbide in einer Menge von ungefähr 2-34 Gew»% und vorzugsweise von 10 - 25 G-ew% vorliegen. Als zusätzliche Metallkarbide sind am meisten zu bevorzugen TiC (am widerstandsfähigsten gegen Kraterbildung) und TaO (das hohe Temperaturfestigkeit und gute Arbeitseigenschaften bei hohen Temperaturen aufweist), obwohl auch andere Karbide je nach den

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gewünschten besonderen Eigenschaften vorgesehen werden können·

Der Körper mit der kraterbildungsfesten Schicht an der oder den Schneidbrustseiten kann auf verschiedne Weise hergestellt werden. Nach einem Verfahren wird ein Gemisch aus Pulvern mit der gewünschten Zusammensetzung des fertigen Kerns in einer Form zu einem Bohkern verdichtet, wonach eine Schicht eines zweiten Gemisches von Pulvern in den gewünschten Anteilen für die kraterbildungsfeste Schicht auf den geformten Rohkern aufgetragen wird. Hiernach wird das resultierende und verdichtete Eohlaminat ge~ sintert unter Anwendung herkömmlicher Verfahren. Andererseits können auch die zuvor geformten ungesinterten Schichten der Karbidein den gewünschten Anteilen und Formen laminiert und zusammen verdichtet werden und danach gesintert, um eine teilweise laminierte zusammengekittete Metallkarbidzusammensetzung zu erzeugen. Abwandlungen und andere Verfahren zum Formen von Karbideinsätzen sind an sich bekannte

Mindestens die Schneidbrustseite und die Flanken des laminierten Karbidsubstrates nach der Erfindung werden mit einem harten Oberflächenbelag versehen, der eine Dicke von nicht mehr als ungefähr 0,025 Bim und vorzugsweise ungefähr 0,0025 bis 0,025 Bim aufweist» Trotz der geringen Dicke erhöht dieser Belag sowohl die Kraterbildungsfestigkeit als auch die Flankenverschleißfestigkeit des erfindungsgemäßen Einsatzes wesentlich im Vergleich zu bekannten unbeschichteten laminierten Einsätzen. Brauchbare Hartbeläge bestehen aus Karbiden, Nitriden, Boriden und Suiziden von mindestens einem der Metalle aus den Gruppen IVb und Vb des Periodensystems und aus deren Gemischen. Als Beispiele für Hartbelagmaterialien werden angeführt Titankarbid, Titannitrid,

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Titancarbonnitrid, Titanborid, Tantalkarbid und Tantalnitrid· Zu bevorzugen sind Karbide und Hitride von Metallen aus den Gruppen IVb und Vb wegen gewerblicher Vorzüge. Von den Karbiden und ifitriden wird Titankarbid am meisten bevorzugt verwendet. Reines Titankarbid weist eine ausgezeichnete Widerstandsfestigkeit geben Kraterbildung auf, jedoch nur eine begrenzte Festigkeit. Das laminierte Substrat unter dem Titankarbidbelag unterstützt und ergänzt den Titankarbidbelag und verlängert die Lebensdauer des Einsatzes auch nach dem Abschleifen des Titankarbidbelags · Es ist auch an sich bekannt, dass ein Titankarbidbelag aufgrund des kleinen Reibungskoeffizienten die Bearbeitungstemperaturen herabsetzt, obwohl der Belag sehr dünn ist, und ferner bietet der Belag einen Schutz gegen eine starke Erhitzung im Einsatz des Schneidwerkzeuges während der Bearbeitung von Werkstücken. Ein weiteres Material für einen Hartbelag ist Aluminiumoxid, mit dem nach dem Beschichten des teilweise laminierten Karbidsubstrates nach der Erfindung ein Werkzeug erzeugt werdwn kann, das die Zähigkeit des Karbids mit der Verschleißfestigkeit und der geringen Reaktivität des Aluminiumoxids vereinigt.

Nachstehend wird ein Beispiel für die Erfindung beschrieben, wobei alle Zahlenangaben sich auf Gewichtsprozente beziehen, sofern nicht anderes angegeben wird·

Beispiel

Es wurden vier verschiedenartige Karbideinsätze für Schneidwerkzeuge hergestellt und zwar:

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(1) ein Kernmaterial aus gesintertem Wolframkarbid ohne zusätzliche Metallkarbide,

(2) eine teilweise laminierte Struktur, deren Kernmaterial an der Schneidbrustseite mit einem kraterMldungsfesten Belag versehen war,

(3) eine teilweise laminierte Struktur nach Beispiel 2 mit einem aufgedampften Belag aus (Titankarbid und

(4) ein Kernmaterial nach Beispiel 1 mit einem aufgedampften Titankarbidbelag.

Jäin Gemisch aus Metallkarbidpulver und Kobaltpulver bei einem Partikeldurchmesser von 0,5 bis 3 Mikron wurde in einer Kugelmühle gründlich durchmischt bei einer Temperatur von 70O⁰O in Hp, wobei ungefähr 2 Gew.% Paraffin als Schmiermittel zugesetzt wurde, wonach das resultierende Gemisch in eine Stahlform eingetragen

und unter einem Druck von 5*6 kg/mm (4 t.s.i.) zu einem Körper mit einer Dicke von ungefähr 4,32 mm schwach verdichtet wurde, dessen erhöhte Kantenwandungen ausgestaltet waren, wie in der Fig.2 bei dem Kern 20 dargestellt ist. Die Höhe der Kantenwandungen über der großen ebenen Fläche 23» die am Körper eine Vertiefung bildet, betrug ungefähr 0,76 mm.

Bin Gemisch aus Wolframkarbid und zusätzlichen Karbid- und Kobaltpulvern wurde in einer Kugelmühle gründlich durchmischt, wonach auf den zuvor geformten Kern zwei Lagen des Karbidgemisches in einer zum vollständigen Bedecken der Flächen ausreichenden Menge aufgetragen und schwach verdichtet wurden und der resultierende Kern und das schwach verdichtete Pulver unter einem Druck

von 21 kg/mm (15 t,s_oi.) zu einem Laminat zusammengepresst wurden·

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Die verdichteten Laminate wurden in H₂ ungefähr eine Stunde lang auf 35O⁰O erhitzt, um das in der Masse enthaltene Paraffin zu entfernen, wobei ein poröses verdichtetes Material mit einer theoretischen Dichte von ungefähr 60% erzeugt wurde.Dieses Material wurde dann im Vakuum bei einer Temperatur von 1200⁰C gesintert, und nach einer Erhöhung der Temperatur auf wurde das System auf 500 Mikron zusammengepresst unter Anwensenheit von Argon, um die Verdampfung des Kobalts aus der verdichteten Masse gering zu halten, wonach die verdichtete Masse 45 Minuten lang bei einer Temperatur von 155O⁰O gesintert und ein Produkt erzeugt wurde, das im wesentlichen eine vollständige Dichte aufwies.

Der Körper aus den gesinterten und verdichteten Materialien wurde quadratisch zur echt ge schliffen mit einer Länge von 12,7 *&& an einer Seite und mit einer Dicke von ungefähr 3,2 mm, wobei das kraterbildungsfeste Material an der Sehneidbrustseite des Werkzeuges eine Dicke von 0,3 nua aufwies. Die Breite des eine Schneidkante an der Schneidbrust bildenden freiliegenden Kernmaterials betrug ungefähr 0,1 - 0,17 am, während der Radius der Schneidkanten am fertigen Laminat 0,025 bis 0,05 mm betrug.

Für die beschichteten Werkzeugeinsätze wurde auf das Material ein dünner Belag aus im wesentlichen reinem TiO bis zu einer Dicke von ungefähr 0,005 bis 0,008 mm aufgedampft.

Die Musterstücke wurden auf Kraterbildung und Flenkenabnutzung untersucht, zu welchem Zweck die Einsätze an einem Werkzeughalter befestigt wurden, der in eine Metalldrehban. eingespannt wurde. Die Einsätze wurden zum Bearbeiten eines AISI 4-142 Stahllegierungsrohres mit einer Härte 35 nach Rockwell 0 benutzt.

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Die Bearbeitung wurde mit einer Qberflächengeschwindigkeit von 195 m/min durchgeführt, wobei ein 1,6 mm tiefer Schnitt bei 0,254 »ο pro Umdrehung ausgeführt wurde_o Es wurde die Zeit bis zu einer Flankenabnutzung von 0,25 bis 0,38 mm gemessen. Die ermittelten Säten sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengestellt.

Tabelle 1

Schneid-Muster Körper Laminat kante Belag

Flankenabnutzungszeit in Minuten

bis zu 0,25 0,38 mm

1	A	kein	A	kein	<;1	_
2	B	kein	B	kein	2,5	4,6
3	A	B	A	kein	0,6	0,8
4	A	kein	A	TiO	8,0	9,4
5	B	kein	B	TiG	—	4,8
6	A	B	A	TiG	10,5	15,0

A * 94% WO und 6% Go

B - 72% WG, 8% TiG, 12% TaG und 8% Go.

Die oben angeführten Ergebnisse zeigen, dass der beschichtete und teilweise laminierte Einsatz nach der Erfindung (Muster 6) wesentlich überlegen ist .den teilweise laminierten Materialien (Muster 3) oder den beschichteten Materialien (Muster 4 und 5)· Wie ferner aus der Tabelle zu ersehen ist, weist der Einsatz nach der Erfindung eine außerordentlich längere Lebensdauer auf als mit gesonderten Komponenten erreichbar ist_o

Patentansprüche

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Claims

- 12 Patentansprüche

Aus einem gesinterten Metallkarbid "bestehender laminierter und zusammengesetzter Einsatz für Schneidwerkzeuge, der aufweist einen Körper mit einem Kern und einer Kantenwandung, der sowohl eine Flankenseite als auch eine Sohneidkante bildet, welcher Körper mit einer Ausnehmung versehen ist, die mit einem die Schneidbrustfläche bildenden Laminat ausgefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Kantenwandung aus einem flankenabnutzungsfesten Karbid besteht, dass das genannte Laminat aus einem kraterbildungsfesten Material besteht, das größtenteils Wolframkarbid, ein Bindemittel aus der Eisengruppe und mindestens ein Karbid eines Metalls aus den Gruppen IVb und Vb des Periodensystems enthält, und dass mindestens die Schneidbrustseite und die Planken des genannten Körpers mit einem harten Oberflächenbelag versehen sind, dessen Dicke nicht mehr als ungefähr 0,025 mm beträgt.

2« Schneidwerkzeugeinsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der die Schneidkante zusammen mit der Kantenwandung bildende Kern aus derselben Materialzusammensetzung bestehen, und dass die Kantenwandung mit einem verstehenden !Teil ausgestaltet ist, der die genannte Ausnehmung an der Schneidkante und gegenüber der Flankenseite umgrenzt.

Schneidwerkzeugeinsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der die Schneidkante zusammen mit der Kantenwandung bildende Kern aus verschiedenen Zusammensetzungen bestehen.

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4· Schneidwertczeugeinsatz nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der harte Oberflächenbelag aus einem Karbid mindestens einer der Metalle aus den Gruppen IVb und Vb des Periodensystems besteht_o

5e Schneidwerkzeugeinsatz nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Belag aus Titankarbid besteht.

6e Schneidwerkzeugeinsatz nach Anspruch 1,2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, dass der harte Oberflächenbelag aus einem Nit£id mindestens einer der Metalle aus den Gruppen IVb und Vb des Periodensystems besteht©

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