DE3501893A1

DE3501893A1 - Sinterwerkstoffe auf der basis von titankarbid, titannitrid oder titankarbonitrid

Info

Publication number: DE3501893A1
Application number: DE19853501893
Authority: DE
Inventors: Arnd Dr.-Ing. DDR 8027 Dresden Beger; Walter Dr.rer.nat. DDR 8122 Radebeul Förster; Gerhard Dr.rer.nat. Gille; Wilm Dr.-Ing. DDR 8036 Dresden Heinrich; Lothar Dr.-Ing. DDR 8010 Dresden Illgen; Ralf Dr.-Ing. DDR 8020 Dresden Krumphold; Heinz Dr.-Ing. DDR 8102 Langebrück Rebsch; Bernhard Dr.-Ing. DDR 5900 Eisenach Rieger; Klaus Dr.-Ing. DDR 6217 Immelborn Voigt
Original assignee: Veb Werkzeugkombinat Schmalkalden
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 1984-03-05
Filing date: 1985-01-22
Publication date: 1985-09-05
Also published as: SE8501031D0; AT390623B; SE8501031L; ATA53585A

Description

Sinterwerkstoffe auf der Basis von Titankarbid, Titan-
nitrid oder Titankarbonitrid Die Erfindung betrifft Sinterwerkstoffe auf der Basis von Titankarbid, Titannitrid oder Titankarbonitrid für Zerspanung oder tribologische Beanspruchung.
Es sind Werkstoffzusammensetzungen für die Zerspanung und den tribologischen Verschleiß bekannt, die sich nach den mechanischen Eigenschaften und Gebrauchswerten charakteristisch voneinander untersoheiden.
Die bekannten Hartmetalle auf Wolframkarbidbasis weisen zwar bei hohen Bindemetallanteilen hohe Biegefestigkeiten bis 3500 MPa auf, ihre Härte liegt aber im allgemeinen unter 1800 HV. Der Einsatzbereich dieser Hartmetalle ist auf Schnittgeschwindigkeiten#250 m/min begrenzt. Bindemetallfreie bzw. bindemetallarme keramische Zusammensetzungen weisen zwar höhere Härten auf, liegen aber in der Biegefestigkeit bei relativ niedrigen Werten, wie æ.B. A1203 mit 300 bis 500 MPa. Das Einsatzgebiet dieser Werkstoffe liegt vorzugsweise bei hohen Schnittgeschwindigkeiten, Jedoch relativ geringen Spantiefen und Vorschüben und bei nioht unterbrochenen Schnitten.
Außerdem sind wolframkarbid- und kobaltfreie bzw.
kobaltarme Hartmstalle auf Titankarbid-Basis mit Zusätzen von Mo2C und Nickel bekannt, æ.B. 55 bis 80 % TiC, 15 % Ni, Rest Mo2C, deren Einsatzgebiet auf die Bearbeitung von Stahl bei mittleren Schnittgeschwindigkeiten begrenzt ist. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß das TiC in weitgehend stöchiometrischer Zusammensetzung eingesetzt wird und der schädliche Einfluß von Sauerstoff ausgeschaltet werden muß.
Nach der DE-Patentanmeldung Nr. 557 033 ist es bekannt, aus Titankarbid und Titan als Hilfsmetall ein Hartmetall herzustellen, bei dem der wirksame Hartstoff im Endprodukt in seiner Menge nahezu unverändert bleibt.
Dabei wird unbedingt ein duktiles und damit sauerstoffarmes Titanhilfsmetall gefordert. Das Herstellungsverfahren geht deshalb davon aus, eine Sauerstofiaufnahme zu vermeiden. Die zur Einhaltung sehr niedriger Sauerstoffgehalte erforderlichen Verfahrenssohritte sind technologisch sehr aufwendig, so daß dieser Hartmetalltyp keine praktisohe Bedeutung erlangt hat.
Nach der DD-PS 14 97 50 sind hochverschleißfeste Werkstoffe bekannt, die im Titan 0,5 bis 15 At.-% gelöstem Sauerstoff und 0,03 bis 7,5 At.-% gelöstem Stickstoff enthalten.
Der Nachteil dieser Werkstoffe besteht darin, daß deren Verschleißwiderstände verhältnismäßig niedrig sind.
Durch Erhöhung des Sauerstoffgehaltes läßt sich zwar die Härte steigern, allerdings tritt dann eine starke Abnahme der Biegefestigkeit ein.
Es ist weiterhin durch die US-PS 38 13 227 bekannt, daß sioh aus 70-97 Massen TiN und einem Binder, bestehend aus 2,5-23 Massen Ti, Rest Al, Cr und Fe im Verhältnis 5:2:1, durch Sintern goldfarbene Teile herstellen lassen, die gut polierbar seien und eSne hohe Eratsfestigkeit aufweisen sollen.
Nachteilig hierbei ist, daß der Fertigungsaufwand zur Vermeidung einer Sauerstoffaufnahme, die sich auf die Biegefestigkeit ungünstig auswirkt, relativ hooh ist.
Außerdem sind Hartmetalle auf Titankarbonitrid-Basis mit Zusätzen von Molybdän und Nickel bekannt, bei denen ebenfalls der Einfluß des Sauerstoffs verhindert werden muß.
In Weiterentwicklung dieses Hartmetalltyps wurde gemäß DD-PS 123 078 und DE-OS 29 02 139 als Hartstoff ein Oxidkarbonitrid eingesetzt, wobei zur Stabilisierung des Sauerstoffs im Hartmetall die Sinterung in einer CO-Atmosphäre durchgeführt wird, um die auf die uebliche Desoxidation zurückzuführende Festigkeitsminderung zu vermeiden. Von Nachteil sind dabei die kompliziert aufgebauten bzw. rohstoffaufwendigen Bindemetallanteile, die aufwendige Herstellungstechnologie sowie die Beschrankung des Einsatzgebietes als Schneidstoff auf die Bearbeitung von Stahl und auf die bei Hartmetallen üblichen Schnittgeschwindigkeiten#250 m/min.
Ziel der Erfindung ist es, Sinterwerkstoffe auf der Basis von Titanverbindungen zu entwickeln, die geeignet sind in der Zerspanung die Scbneidelgenschaften von Sinterhartmetall und Sohneidkeramik zu kombinieren bzw. in speziellen Anwendungsbereichen zu berbieten und die auoh einen hohen Verschleißwiderstand bei tribologischer Beanspruchung aufweisen.
Der Erflndung liegt die Aufgabe zugrunde, die Eigenschaften der bekannten Sinterwerkstoffe auf der Basis von Titankarbid, Titannitrid und Titankarbonitrid zu verbessern und deren Anwendungsgebiete zu erweitern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelst, daß die Sinterwerkstoffe aus einer Grundzusammensetzung von einer der die Hartstoffbasis bildenden Titanverbindung (TiC; TiN oder TiCN), Sauerstoff(0) und einem oder mehreren Metallen(M), wie Kupfer, Mangan, Eisen, Nickel und/oder Kobalt, sowie aus restlichen Phasen der integralen Grundzusammensetzung(Ti, 0, M) bestehen.
FUr einen Sinterwerkstoff nach dem Hauptmerkmal der Erfindung auf der Basis von Titankarbid ist es zweckmäßig, daß er aus 35,0 bis 99,8 Vol.-% Hartstoff der Grundzusammensetzung(Ti, C, O, M) und aus 65,0 bis 0,2 Vol.-% restlichen Phasen der integralen Grundzusammensetzung(Ti, 0, M) besteht, wobei die Zusammensetzung des gesamten Sinterwerkstoffes in Molbruohen Tia Cb Oc Md innerhalb der Grenzen * a = 0,41 - 0,85 b = 0,10 - 0,51 c - 0,018 - 0,15 d = 0,00024 - 0,11 Fur einen Sinterwerkstoff nach dem Hauptmerkmal der Erfindung auf der Basis von Titannitrid ist es zweckmäßig, daß er aus einem Hartstoff der Grundzusammensetzung(Ti,N,O,M) und aus restlichen Phasen der integralen Grundzusammensetzung(Ti,O,M) besteht, wobei die Zusammensetzung des gesamten Sinterwerkstoffes in Molbrüchen Tia Nb Oc Md innerhalb der Grenzen a = 0,45 bis 0,87 b = 0,079 bis 0,48 c = 0,019 bis 0,15 d#0,12 liegt.
Pur einen Sinterwerkstoff nach dem Hauptmerkmal der Erfindung auf der Basis von Titankarbonitrid ist es zweckmäßig, daß er aus einem Hartstoff der Grundzusammensetzung (Ti,C,N,O,M) und aus restlichen Phasen der integralen Grundzusammensetzung(Ti,O,M) besteht, wobei die Zusammensetzung des gesamten Sinterwerkstoffes in Molbrüchen Tia Cb Nc Od Mc innerhalb der Grenzen a = 0,42 bis 0,84 b - 0,059 bis 0,46 o = 0,012 bis 0,24 d = 0,019 bis 0,14 e = 0,00023 bis 0,11 liegt.
Die Biegefestigkeit von Formkörpern aus einem Sinter werkstoff nach dem Hauptmerkmal der Erfindung kann daduroh erhöht werden, daß das Verhältnis von Titan zu Kohlenstoff bzw. zu Stickstoff vom Rand zur Mitte des Hartstoffkerns kleiner wird.
Eine Möglichkeit zur Variierung der Verschleißeigenschaften der Sinterwerkstoffe Ueber die angegebenen Bereiche der Zusammensetzung hinaus besteht darin, daß er zusätzlich 0,5 bis 10,0 Masse-% Carbide von Metallen der Nebengruppen IV a bis VI a des PSE enthält.
Die Erfindung wird nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert: Beispiel 1: Eine Wendesohneidplatte der Zusammensetzung Ti0,48 C0,45 00,057 Mn0,017 mit einem Hartstoffanteil von ca. 99 Vol.
und einem Anteil restlicher Phasen von Ca. 1 Vol.-% wird einer Zerspanungsprüfung unterzogen. Bei v = 240 m/min, S = 0,3 mm/U und a = 2,5 mm, wobei als Gegenwerkstoff Grauguß GGL 25 im glatten Schnitt verwendet wird, beträgt nach einer Schnittdauer von 20 Minuten die mittlere Verschleißmarkenbreite Bmittl.#0,3 mm und der Kolkverschleiß K# 0,1. Im Vergleich dazu wird bei sonst gleichen Bedingungen und der Verwendung einer Wendeschneidplatte aus TiC-Mo2C-Ni-Hartmetall bereits nach einer Sohnittdauer von 8 min das Ende der Standzeit, d.h. eine zulässige mittlere Verschleißmarkenbreite Bmitt. 0s6 mm erreicht.
Beispiel 2: Eine Wendeschneiplatte der im Beispiel 1 genannten Zusammensetzung wird einer weiteren ZerspanungsprUfung unterzogen. Bei V = 220 m/min, s 2 0,4 mm/U und a - 2 mm wird Stahl St 60 (normalgeglüht) im glatten Schnitt zerspant. Naoh einer Schnitt dauer von 50 min beträgt die mittlere Verschleißmarkenbreite Bmittl.# 0,28 mm und der Kolkverschleiß#0,1. Zum Vergleich zeigt eine DiC-Mo2C-Ni-Wendesohneidplatte bereits nach einer Schnittdauer von 16 6 min e eine mittlere Verschleißmarkenbreite Bmittl#0,6 mm, d.h. das Standzeitende.
Beispiel 3: Eine Wendeschneidplatte der im Beispiel 1 genannten Zusammensetzung zuzüglich 1t0 Masse-% Vanadiumkarbid wird einer Zerspanungsprüfung unterzogen.
Bei v = 320 m/min, 5 2 0,25 mm/U und a = 2 mm, wobei als Gegenwerkstoff Stahl C 45 im glatten Schnitt verwendet wird, beträgt nach einer Schnittdauer von 20 min die mittlere Versohleißmarkenbreite Bmittl.#0,35 und der Kolkverschleiß K#0,05. ESne Wendeschneidplatte aus TiC-Mo2C-Ni-Hartmetall, die bei gleichen Sohn ittbedingungen zum Vergleich eingesetzt wird, erreicht das Ende der Standzeit, h.h. eine zulässige mittlere Verschleißmarkenbreite Bmittl.# 0,6 mm, bereits nach 12 min.
Beispiel 4: Ein Titankarbid-Sinterwerkstoff der Zusammensetzung Ti0,48 C O Mn mit einem Hartstoffanteil von ca. 0,46 0,056 0,008 99 Vol.-%wird einer Verschleißuntersuchung nach dem Stift-Scheibe-System unterzogen. Das Verschleißverhalten bei Trockengleitreibung bei einer Geschwindigkeit von 1,3 m/s und Stahl C 60 als Gegenwerkstoff ist im zugehörigen Diagramm als Kurve 1 dargestellt. Als Vergleich dazu ist das Verschleißverhalten von Titan-Sauerstoff-Sinterwerkstoff mit 2 Masse-% Sauerstoff als Kurve 2 eingetragen.
Beispiel 5: Ein Titankarbid-Sinterwerkstoff für tribologisohe Beanspruohung der ZusammensetzungCTi0,56 C0,33 00,084 Cu0,023), mit einem Hartstoffanteil von ca. 92 Vol.-% und einem Anteil an restlichen Phasen von oa. 8 Vol.-% wird einer Verschleißuntersuchung nach dem Stift-Scheibe-System unterzogen. Das Verschleißverhalten bei Trockengleitreibung bei einer Geschwindigkeit von 1,3 m/s und Stahl C 60 als Gegenwerkstoff ist im zugehörigen Diagramm als Kurve 1 dargestellt. Im Vergleich dazu ist das Verschleißverhalten von Titan-Sauerstoff-Sinterwerkstoff mit 2 Massen Sauerstoff als Kurve 2 eingetragen.
Beispiel 6: Eine Wendeschnejdplatte der Zusammensetzung Ti0,47 C0,37 N0,088 O0,057 Mn0,015 mit einem Harststoffanteil von ca. 99 Vol.-* und dem Anteil restlicheer Phasen von ca. 1 Vol.-% wird einer Zerspanungsprüfung unterzogen.
Bei v - 200 m/min, s = 0,45 mm/U und a - 2 mm, wobei als Gegenwerkstoff GGL 25 im glatten Schnitt verwendet wird, beträgt nach einer Schnittdauer von 20 min die mittlere Verschleißmarkenbreite Bmittl.#0,25 mm und der Kolkverschleiß K# 0,1. Im Vergleich dazu wird bei sonst gleichen Bedingungen und der Verwendung einer Wendeschneidplatte aus Ti(CN)-Mo2C-Ni-Hartmetall bereits nach einer Schnittdauer von 12 min das Ende der Standzeit, d.h. eine zulässige mittlere Verschleißmarkenbreite Bmittl. 0,5 mm erreicht.

Claims

Patentanspruch 1. Sinterwerkstoffe auf der Basis von Titankarbid, Titannitrid oder Titankarbonitrid für Zerspanung oder tribologische Beanspruchung, daduroh gekennzeichnet, daß sie aus einer Grundzusammensetzung von einer die die Hartstoffbasis bildenden Titanverbindung(TiC, TIB oder TiCN), Sauerstoff(0) und einem oder mehreren Metallen(M), wie Kupfer, Mangan, Eisen, Nickel und/oder Kobalt, sowie aus restliohen Phasen der integralen Grundzusammensetzung (Ti,O,M) bestehen.
2. Sinterwerkstoff auf der Basis von Titankarbid nach Anspruoh 1, daduroh gekennzeichnet, da13 er aus 35,0 bis 99,8 Vol.-% Hartstoff der Grundzusammensetzung(Ti,C,O,M) und aus 65,0 bis 0,2 Vol.-% restlichen Phasen der integralen Grundzusammen= setzung(Ti,O,M) besteht, wobei die Zusammensetzung des gesamten Sinterwerkstoffes in Molbrüchen Tia Cb Oc Md innerhalb der Grenzen a - 0s41 bis 0,85 b - 0,10 bis 0,51 o - 0,018 bis 0,15 d = 0,00024 bis 0,11 liegt.
3. Sinterwerkstoff auf der Basis von Titannitrid nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Hartstoff der Grundzusammensetzung(Ti,N,O,M) und aus restlichen Phasen der integralen Grundzusammensetzung (Ti,O,M) besteht, wobei die Zusammensetung des gesamten Sinterwerkstoffes in Molbruohen Tia Nb Oc Md innerhalb der Grenzen a = 0n4g bis 0,87 b = 0,079 bis 0,48 c = 0,019 bis 0,15 d = 0,12 liegt
4.Sinterwerkstoff auf der Basis von Titankarbonitrid nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Hartstoff der Grundzusammensetzung(Ti,C,N,O,M) und aus restliohen Phasen der integralen Grundzusammensetzung(Ti,O,M) besteht, wobei die Zusammensetzung des gesamten Sinterwerkstoffes in Molbrüchen Tia Cb Nc Od Me innerhalb der Grenzen a = 0,42 bis 0,84 b = 0,059 bis 0,46 O = 0,012 bis 0,24 d = 0,019 bis 0,14 e = 0,00023 bis 0,11 liegt.
5.Sinterwerkstoff nach Anspruch 1 und einem der Ansprache 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Titan zu Kohlenstoff bzw. zu Stickstoff vom Rand zur Mitte des Werkstoffkerns kleiner wird.
6.Sinterwerkstoff nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er susätzlich 0,5 bis 10,0 Masse-% Karbide von Metallen der Nebengruppen IV a bis VI a des PSE enthält.