DE3301839A1 - Metallkeramik mit hoher zaehigkeit auf titannitridbasis - Google Patents

Metallkeramik mit hoher zaehigkeit auf titannitridbasis

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DE3301839A1 DE19833301839 DE3301839A DE3301839A1 DE 3301839 A1 DE3301839 A1 DE 3301839A1 DE 19833301839 DE19833301839 DE 19833301839 DE 3301839 A DE3301839 A DE 3301839A DE 3301839 A1 DE3301839 A1 DE 3301839A1
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Description

NGK Spark Plug Co.,Ltd. München, 20. Januar 1983
•Japan ' up-ks 14 237
05 Metallkeramik mit hoher Zähigkeit
auf Titannitridbasis
Die Erfindung betrifft ein Material für Schneidwerkzeuge mit hoher Zähigkeit und Festigkeit, das hervorragende Widerstandsfähigkeit gegen Abrieb und plastische Deformation aufweist.
Die japanische Kokai-Veröffentlichung Nr. 54-30209 beschreibt ein Schneidwerkzeugmaterial, das durch Hinzufügung von AlN zu einer Metallkeramik (Cermet) auf TiC-Basis, die TiN enthält, erhalten wird. Obwohl diese Metallkeramik hinsichtlich Schneideigenschaften und mechanischer Eigenschaften verbessert ist, weist sie noch immer keine genügende Festigkeit auf, da das Basismaterial an sich noch geringe Festigkeit hat, trotz der Tatsache, daß die Hinzufügung von AlN einen gewissen Beitrag zur Erhöhung der Festigkeit liefert. Es wird daher gegenwärtig kaum für schwere Schneidanwendungen, Fräsen mit hohem Vorschub oder intermittierendes Schneiden eingesetzt. Im Gegensatz dazu weisen Metallkeramiken auf der Basis von TiN überragende Bruchfestigkeit auf und vertragen thermische Schockbeanspruchungen; da das TiN an sich jedoch ungenügende Benetzbarkeit --hinsichtlich Verträglichkeit mit einem Bindemetal.l aus der Gruppe der Eisenmetalle aufweist, haben sie eine vergrößerte Anzahl von Poren, so daß ihre Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Abrieb und plastische Deformation ungenügend ist.
..'•••J .:.··..:·..: 330 Ί 839
Ol Die vorliegende Erfindung steht daher unter der Aufgabe, eine neuartige Metallkeramik auf Titannitridbasis bereitzustellen, die hohe Zähigkeit aufweist und die Beschränkungen der bisher bekannten Metallkeramiken überwindet.
Gemäß der Erfindung besteht die Metallkeramik auf Titannitridbasis mit hoher Zähigkeit im wesentlichen aus 42 bis 59 Gewichtsprozent TiN, 2 bis 20 Gewichtsprozent einer oder mehrerer der Substanzen Mo, W und ihrer Karbide, 2,85 bis 30 Gewichtsprozent eines Eisengruppenmetalles und 0,15 bis 8 Gewichtsprozent Al4C3, den verbleibenden Rest bilden unvermeidliche Verunreinigungen.
Weiterhin wird gemäß der Erfindung eine Abänderung der vorstehend beschriebenen Metallkeramik vorgeschlagen, in der die Hälfte oder weniger des TiN durch eines oder mehrere der Karbide und/oder Karbonitride von Metallen der Gruppen IVa und Va des periodischen Systems der Elemente unter der Voraussetzung ersetzt wird, daß der Anteil TiN nicht weniger als 30 Gewichtsprozent beträgt.
Die Metallkeramiken gemäß der vorliegenden Erfindung weisen deutlich verbesserte Schneideigenschaften gegenüber den bekannten Metallkeramiken auf.
Gemäß der Erfindung verbessert die Hinzufügung von Al4C, zu den Metallkeramiken auf TiN-Basis merklich die Verträglichkeit hinsichtlich Benetzbarkeit des TiN mit Bindemetallen aus der Gruppe der Eisenmetalle, so daß die entstehenden Sinterkörper eine verringerte oder begrenzte Anzahl von Poren aufweisen. Dies hat Verbesserungen in mechanischer Festigkeit und den Schneideigenschaften zur Folge, die einen Einsatz für Höchstleistungsschneiden, Fräsen mit hohem Vorschub, intermittierendes Schneiden
Ol oder Profilschneiden gestatten, wobei die Größe und Richtung der Belastung während des Schneidens wechselt; derartige Einsätze waren mit bisher bekannten Metallkeramikwerkzeugen schwierig durchzuführen.
Die verwendeten Eisengruppenmetalle umfassen Ni und Co, vorzugsweise eine Mischung dieser beiden.
Die Metalle der Gruppe IVa und Va des periodischen Systems der Elemente sind aufgeführt wie in "Elements of Physikal Chemistry,· 1960, D. Van Nostrand Co., Inc.
(Maruzen Asian Edition), Seiten 163 und umfassen Ti, Zr, Hf, V, Nb und Ta. Die Karbide und/oder Karbonitride dieser Metalle umfassen zumindest TiC, ZrC, HfC, VC, NbC, TaC, TiCN und ähnliche, wobei eine Mischung dieser Stoffe
ebenfalls verwendbar ist.
Die gemäß der vorliegenden Erfindung erhaltenen Metallkeramiken weisen verbesserte Werte der Rockwell-Härte (Α-Skala, HRA) von 91,3 bis 92,4 oder höher auf, wobei Schneidversuche hervorstechende Verbesserungen der Schneideigenschaften ergeben, das heißt, der Widerstandsfähigkeit gegen Abnützung und Schärfefehlern infolge von
Bruch. 25
Im folgenden sollen Prozentangaben Gewichtsprozente bedeuten, falls nicht anders angegeben.
W, Mo und deren Karbide sind wirksam zur Verbesserung der Benetzbarkeitsverträglichkeit oder der Benetzbarkeit der harten Phasen mit Bindemetall, sie sind in Anteilen unterhalb von 2 % weniger wirksam. Bei Anteilen von mehr als 20 % jedoch ist es wahrscheinlich, daß die Zwischenschichtphase, die aus um TiN-Körner gebildeten zusammengesetzten Karbonitriden besteht, so spröde wird, das die
Ol entstehende Legierung eine begrenzte Festigkeit aufweist; hinzu kommt, daß der relative Anteil an TiN abnimmt mit dem Ergebnis, daß die vorteilhaften Eigenschaften von TiN oder den Karbiden und/oder Karbonitriden von Metallen der Gruppen IVa und Va des Periodensystems nicht genügend ausgebildet werden können.
Die Eisengruppenmetalle verbinden sich in den harten Phasen miteinander und tragen so zur Festigkeitsverbesserung■der Metallkeramiken bei. Es gibt jedoch einen Abfall der Festigkeit der Metallkeramiken bei Anteilen unterhalb ' von 2,85 %, wogegen die Härte und der Abnutzungswiderstand der Legierungen bei Anteilen über 30 % abnehmen.
AIy1C0 bewirkt deutliche Verbesserungen der Benetzbarkeit der harten Phasen bezüglich dem Bindemetall, der gewünschte Effekt wird jedoch nicht bei Anteilen unterhalb von 0,15 % erreicht, wogegen Einbußen in der Festigkeit und den Schneideigenschaften bei Anteilen oberhalb von 8
20 % auftreten.
Das TiN, das den die harte Phase ausbildenden Teil der Metallkeramiken auf Titannitridbasis mit hoher Zähigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung bildet, erzeugt bei Anteilen von nicht mehr als 30 % nicht den gewünschten Effekt und reduziert den Anteil anderer metallbindender oder die Benetzbarkeit verbessernder Materialien mit einem daraus folgenden Abfall der Zähigkeit.
Es wird jedoch darauf, hingewiesen, daß ein Ersetzen der Hälfte oder weniger des TiN durch ein Karbid und/oder Karbonitrid eines Elementes oder von Elementen aus der Gruppe IVa und Va des Periodensystems die Benetzbarkeit der harten Phase relativ zum Bindemetall verbessert und ebenso die Verschleißfestigkeit und den Widerstand gegen
thermische Beanspruchungen vergrößert. Beträgt jedoch der Anteil verwendeter Substituenten mehr als 50 % des TiN, so sinkt relativ der Anteil von TiN mit der Folge, daß der Vorteil des TiN nicht ausgenutzt wird und so ein Abfall der Festigkeit entsteht. Aus dem gleichen Grund wird der gewünschte Effekt auch bei einem Anteil von Substituenten von der Hälfte oder mehr des TiN nicht erreicht, falls der TiN-Anteil in der Metallkeramik weniger als 30 % beträgt.
Metallkeramiken gemäß der vorliegenden Erfindung können zulässigerweise unvermeidbare Verunreinigungen gemäß folgender Aufstellung enthalten:
O2 < 1,0 %, Fe<l,5 %, Cr<0,5 % und Spuren von Na, Ca, Si, Cu, S, Mg, P, B und ähnlichen.
Diese Verunreinigungen können von Anfang an in den Ausgangsmaterialien enthalten sein, aber auch während des Verarbeitungsprozesses dazukommen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, aus denen weitere Merkmale und Vorteile hervorgehen. Diese Beispiele sind jedoch nicht in einschränkender Hinsicht zu verstehen. Es können Abänderungen vorgenommen werden, ohne vom Wesen und dem in den Patentansprüchen niedergelegten Umfang der Erfindung abzuweichen.
30 Beispiele
(Prozentangaben bedeuten Gewichtsprozent)
Im Handel erhältliche puderfeine Ausgangsmaterialien für Sinterkörper für Schneidwerkzeuge, wie sie in Tabelle 1 aufgeführt sind, wurden mit 1 % Paraffin als Bildemittel
a « * · ·4t β*
9 -
Ol gemischt und zu den in Tabelle 2 angegebenen Mischungen zusammengestellt, und daraufhin mit Azeton als organischem Lösungsmittel in einer Edelstahlkugelmühle mit extra harten Kugeln naß gemischt. Die erhaltene puderfeine Mischung wurde nachfolgend, getrocknet, bei einem Druck von 2 t/cm verdichtet und bei einer Temperatur von 1450 bis 1500°C während einer Stunde in einer Argon-Atmosphäre von 10 Torr gesintert, um so Schneidwerkzeug-Plättchen zu erhalten, deren Härte und Biegefestigkeit dann gemessen wurden. Die Plättchen wurden dann weiter in Stücke von einer Größe von SNGN 120408 geschnitten (ISO, 12,7 χ 12,7 χ -4,76 mm, Arbeitsende R 0,8 mm), poliert und Schneidversuchen unterworfen, unter Bedingungen, wie sie in Tabelle 3 angegeben sind. Um einen Vergleich zu ermögliehen, wurden Referenzversuche mit Zusammensetzungen, die von denen gemäß der vorliegenden Erfindung abwichen, unter sonst identischen Bedingungen unternommen.
Tabelle 1
Teilchengröße/ μηι C-Anteil usw.
Gewichtsprozent *		 Grad ' **
Gewichtsprozent		 Verunreinigungen * * *
TiN 1.5 Ν2Γ.2 99.31 0.32 O2, C
TiC
TiCN		 1.2
1.5		 19.7
TiC/TiN=5O/5O		 99.70
99.08		 0.29 O2, N2
0.76 O2, 0.16 Fe
WC
Mo2C		 2.0
3.0		 6.15
5.9		 99.31
99.91		 0.5 O2, 0.1 Mo, Fe, Cr
0.07 Fe
TaC
HfC
NbC
ZrC
VC
Mo
W		 1.0
1.5
2.0
1.2
2.0
0.7
0.8		 6.3
6.2
11.3
11.5
18.9		 98.85
98.62
98.26
98.11
98.35
99.36
99.21		 0.8 Nb, 0.22 Fe, 0.12 Ti
1.04 Hf, 0.5 O2, N2, Fe
r0.4 Fe, 0.25 Al, 0.2 Cr,
1O.16 Ti, 0.15 Ta
0.58 O2, Fe
Ni
Co
Al4C3 		1.5
1.2
3.0		 99.06
99.75
99.72		 0.75O2, 0.1 Co, Fe, S
0.5 O2/0.14,Ni, C, Fe, Na, Cu
1.45 O2, 0.65 N2, 0.1 Fe
Anmerkungen:
* N-Anteil bei TiN
** Reinheit
*** falls keine Angabe, Spurenanteil
CO CO CD
OO CO CD
Tabelle 2
Probe
Nr.		 Zusammensetzung (Gewichtsprozent] Tin 9.5 5 NbzC W
MO		 TiC TiCN TaC HfC
ZrC		 NbC
VC		 Ni Co AItCs Biegefestig
keit y
kg/mm2		 Härte
HRA		 Schneidver-
sucne		 1 2 f
1 70 Md3 11 5 1.5 180 91.3 1 14 t
2 69.8 20 10 W3.7 5 11 0.5 175 91.5 0.182 12
3 43 7.8 30 9 9 1.2 183 91.8 0.165 15
4 54 6 20 HfC 4 10 ' 0.5 170 91.9 0.175 13'
5 62 4,7 10 NbC
•7 ..ς		 5 10 0.8 185 91.7 0.163 17
6 45 5 8.5 19.7 10 6 10 0.8 180 92.0 0.159 12
7 55 Wd
λ.5		 19.7 8 8 0.8 173 92.2 0.160 15
8 64 7 9.5 ZrC
1		 11 6 1.5 190 91.7 0.149 18
9 40 7 10 20 VC3 5 9.5 0.5 185 92.0 0.170 13
10 35 10 W 2 35 8 9 1 175 92.1 0.193 10
11R 54 10 5 10 1 155 91.0 0.165 5
12R 60 1 21 8 9 1 140 90.2 0.251 2
13R 25 8 45 4 8 9 1 145 '91.6 0.305 3
14R 60 5 10 9 6 10 158 90.0 0.215 2
15R 45 8 30 9 8 152 90.5 0.329 1.5
0.311
(Fortsetzung Tabelle 2)
Probe
Nr.		 Zusammensetzung (Gewichtsprozent) TiN WC Md2C W
IVb		 TiC TiCN TaC §r¥ | «F ' Ni Co Al4C3 Biegefestigt-
keit j Härte		 VC 5 10 5 ' 7 0.8 240 HRA Schneidver- ·
suche		 178 92.2 0.156 13 12
I
I
16R 59.9 10 10 5 Kg/mm2 8 5 10 0.7 113 90.4 1 ! 2 170 91.9 0.151 12 ;
17 50 10 W5 5 10 j 5 ; 0.1 j 152 8 ! 0.8 0.8 166 88.0 0.291 ' 2.5 150 91.4 0.173! 4 !
18R 48 5 W5 7 10 1 18 10 89.2 0.302 : 43 ; 170 91.8 0.166
19 91 2 Wl.2 1 : 10 0.2 92.4 0.413 0.2 '
I
2OR 97 0.5 i
: 4		 5 ! 1.0 0.148 ! 8 j
21 66 3 15 j 2.3 4 nicht sinterb a-r ,
22 45.2 10 W7 20 5 8
23R 35 8 37.3 ZrC 3 4
24 38 4 i/ß.2 35
1) R : Vergleichsversuche
2) Biegefestigkeit gemessen nach JIS B 4104, Dreipunktbiegeversuch mit Stücken von 8 χ 4 χ 20 mm
3) Zusammensetzung in Gewichtsprozent
4) Härte angegeben auf Rockwell A-Skala
5) Bedingungen für Schneidversuche 1 und 2 sind in Tabelle 3 angegeben
• C
OO CD
OO CO CO
Tabelle 3
Bedingungen der Schneidversuche • 2
Schneidart 1 Trockenes Fräsen
Werkstück Stetiges Schneiden (trocken) von
Stangenmaterial		 JIS SCM440 (100x100)
Schneidgeschwindigkeit JIS S45C lOOm/min
Zuführrate 250m/min 0.3mm/Umdrehung
Schneidtiefe 0.3mm/Umdrehung 1.5mm
Schnittzeit 1 .Omm — ——.
Form des Werkzeugs 10min SNGN 432 (gehont 0.1x25°)
Auswertung SNGN432 (gehont 0.1x25°) Schnittzyklen bis zum Bruch
Verschleiß der Anstellvorderseite
nach zehnminütigem Schneiden
V (mm)
B
OO CO CD
Ol Auü Tabelle 2 wird deutlich, daß die gemäß der Beispiele innerhalb des beanspruchten Rahmens der vorliegenden Erfindung erhaltenen Plättchen 10 bis 18 oder mehr Schneidzyklen aushalten, bis die Kanten schließlich im Schneidversuch 2 brechen, wogegen die Vergleichsstücke nur 5 oder weniger Schneidzyklen aushalten.
Der Verschleiß der Anstellfläche der erfindungsgemäßen Plättchen während 10-minütigen Schneidens liegt im wesentliehen im Bereich zwischen 0,149 bis 0,185, wogegen das der Vergleichs-Plättchen nicht weniger als 0,215 beträgt. Die Probe Nr. 17 zeigt eine hervorstechend große Anzahl von Schneidzyklen, das heißt sehr hohe Festigkeit, obwohl die Verschleißfestigkeit beim Schneidversuch 1 etwas geringer als die der Proben 1 bis 10 ist. Jedoch ist ein derartiges Plättchen sehr nützlich, da häufig in der praktischen Ausführung unterschiedliche Arten von Werkstücken und unterschiedliche Schneidbedingungen vorliegen.
Daher übertreffen die Plättchen gemäß der vorliegenden Erfindung die bekannten Plättchen deutlich in verschiedenen Schneideigenschaften.
25 30 35

Claims (13)

  1. Patentansprüche
    l. Metallkeramik mit hoher Zähigkeit auf Titannitridbasis,
    g e k e.n η ζ eichnet durch
    (Gewichtsprozent) 42 bis 95 % TiN, 2 bis 20 % einer oder mehrerer der Substanzen Mo, W und ihrer Karbide, 2,85 bis 30 % Ni, Co oder deren Mischung, und 0,15 bis 8 % Al.C-3, der verbleibende Rest unvermeidbare Verunreinigungen.
  2. 2. Metallkeramik mit hoher Zähigkeit auf Titannitridbasis gemäß Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Hälfte oder weniger des Gewichtsanteils des TiN durch eines oder mehrere der Karbide und/oder Karbonitride von Metallen der Gruppen IVa und Va des periodischen Systems ersetzt ist, wobei der Anteil von TiN nicht weniger als 30 % in der Metallkeramik beträgt.
  3. 3. Metallkeramik gemäß Anspruch 1 oder 2,
    30 dadurch gekennzeichnet,
    daß die Verunreinigungen folgende Gewichtsanteile umfassen: Weniger als 1 % Op, weniger als 1,5 % Fe, weniger als 0,5 % Cr oowLe Spuren von Na, Ca, tJi, R, Cu, Mg, P und B.
    Ol
  4. 4. Metallkeramik gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Karbide und/oder Karbonitride der Metalle aus den Gruppen IVa und Va des Periodensystems eines oder
    05 mehrere aus der Gruppe von TiC, ZrC, HfC, VC, NbC, TaC und TiCN sind.
  5. 5. Metallkeramik gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,·
    10 daß der Anteil an TiN 35 bis 91 Gewichtsprozent beträgt.
  6. 6. Metallkeramik gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
    15 daß der Anteil an TiN 35 bis 70 Gewichtsprozent beträgt.
  7. 7. Metallkeramik gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
    20 daß der Anteil an Al4C3 0,5 bis 7 Gewichtsprozent beträgt.
  8. 8. Metallkeramik gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
    25 daß der Anteil an A1.C„ 0,5 bis 1,5 Gewichtsprozent beträgt.
  9. 9. Metallkeramik gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
    30 daß der Anteil an W, Mo und/oder ihren Karbiden 4,7 bis 17 Gewichtsprozent beträgt.
    30
    Ol
  10. 10. Metallkeramik gemäß Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Ni und/oder Co 4 bis 23 Gewichtsprozent beträgt.
    05
  11. 11. Metallkeramik gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
    daß der Anteil an Ni und/oder Co 4 bis 18 Gewichtsprozent beträgt.
    10
  12. 12. Metallkeramik gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Rockwell-Härte HRA 88,0 oder mehr beträgt.
    15
  13. 13. Metallkeramik gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Rockwell-Härte HRA 91,3 oder mehr beträgt.
    35
DE3301839A 1982-01-25 1983-01-20 Metallkeramik mit hoher Zähigkeit auf Titannitridbasis Expired DE3301839C2 (de)

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