DE3736562C2

DE3736562C2 - Legierungswerkzeug aus Hartmetall

Info

Publication number: DE3736562C2
Application number: DE3736562A
Authority: DE
Inventors: Masao Maruyama; Atsushi Seki; Yoshihiro Minato
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1986-11-12
Filing date: 1987-10-28
Publication date: 1997-02-27
Anticipated expiration: 2007-10-29
Also published as: DE3736562A1; US4868065A; KR880005985A; JPS63125602A; KR910003900B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Legierungswerkzeug aus Hart metall nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Werkzeuge wie Schneidwerkzeuge, Bohrer oder Werkzeuge einer Stanze werden aus Sintercarbid bzw. Sinterhartmetall hergestellt .

Sintercarbid (Sinterhartmetall) ist einem Schnelldrehstahl in bezug auf Härte, Abriebsbeständigkeit überlegen, gleich zeitig ist er ihm jedoch in bezug auf Zähigkeit unterle gen. Man war daher bestrebt, die Festigkeit von Sinter carbid zu verbessern.

Bei einem Hartmetall, wie es durch ein solches Sinter carbid repräsentiert wird, ist die Zugfestigkeit im allgemeinen geringer als die Druckfestigkeit. Deshalb entspricht die Festigkeit eines Werkzeuges sei ner Zugfestigkeit. Das Werkzeug selbst kann daher keine beträchtliche Festigkeit erreichen auch wenn es eine hohe Druckfestig keit aufweist.

Die DE 21 17 056 C3 beschreibt einen Schneideinsatz, der aus einem hochfesten Diamantteil mit einer Diamantkonzentration von wenigstens 90 Volumenprozent besteht sowie einer aus Car bidsinterpulver oder vorgeformtem Sintercarbid mit 87% bis 97% Carbid und 3% bis 13% Kobalt hergestellten Sinterhart metallunterlage, deren beide Teile unter Druck- und Tempera turbedingungen im diamantstabilen Bereich des Zustandsdia gramms von Kohlenstoff in situ zu einem monolithischen Ver bundkörper vereinigt sind. Ausgangspunkt dafür ist die Er kenntnis, daß mit Diamantkristallen bestückte Werkzeuge auf grund der Natur der Diamantkristalle und der zwischen Dia mantkristallen und Unterlage bestehenden Bindeverhältnisse regelmäßig nicht für Schneideinsätze in der spanabhebenden Bearbeitung von Werkstücken geeignet sind und herkömmlichen Werkzeugen aus Sinterhartmetall kaum überlegen sind.

Das aus diesem Stand der Technik bekannte Schneidwerkzeug wird durch ein spezielles Verfahren hergestellt, bei dem die Ausgangsmaterialien unter solchen Temperaturen und Drücken miteinander verbunden werden, daß es zur Umwandlung von Gra phit zu Diamant kommt. Dabei dient das in der Bindephase der Sinterhartmetallunterlage vorhandene Kobalt als Katalysator für die Diamantbildung.

In der Endphase dieses besonderen Herstellungsverfahrens wird das so erhaltene Werkstück unter Aufrechterhaltung hoher Drücke abgekühlt. Während dieses Abkühlungsvorgangs kommt es zur Einwirkung sehr starker Quetschkräfte auf den Diamantteil. Verantwortlich hierfür ist die relativ stärkere Schrumpfung der Sinterhart metallunterlage, die dazu führt, daß der von außen angelegte hohe Druck der in Fig. 1 gezeigten Presse zunehmend auf den Diamantteil einwirkt, der sich dieser Druckeinwirkung weniger durch Schrumpfung entziehen kann, als die Unterlage. Es han delt sich dabei um eine Druckeinwirkung von außen. Im Ergeb nis wird eine im Gegensatz zum Naturdiamantkristall rich tungsunabhängige Härte des Schneideinsatzes erzielt, die aber als Folge der angewandten Druck- und Temperaturbedingungen ab laufenden Umwandlungs- und Reorganisationsprozesse auf zufassen sind. Die DE 21 17 056 C3 gibt keinen Hinweis dar auf, daß die während des Abkühlungsvorgangs unter äußerer Druckeinwirkung auftretenden Spannungsverhältnisse innerhalb des hergestellten Werkstücks auch nach dessen Abkühlung auf Normaltemperatur fortbestehen.

Aus der US 4,398,952 ist ein Legierungswerkzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 bekannt. Die offenbarte Metallzusammensetzung weist zwar einen stetigen Übergang der mechanischen Eigenschaften auf, doch bleibt die Zugfestigkeit des Verschleißteils beschränkt.

Die DE 30 39 775 A1 offenbart ein Sinter-Hartmetall-Erzeugnis mit einer Unterlage aus gesintertem Metallcarbid und einer mehrschichtigen dünnen, verschleißfesten Oberflächenbeschichtung. Die DE 35 12 986 A1 offenbart eine viellagige, verschleißfeste Hartstoffschutzschicht für metallische, stark beanspruchte Oberflächen. Doch sowohl DE 30 39 775 A1 wie auch DE 35 12 986 A1 beschränken sich darauf, Materialien und Verfahrensbedingungen für die Herstellung bestimmter Hartmetallerzeugnisse zu nennen; eine Ausnutzung der im Inneren des Werkstücks auftretenden Spannung unter Normalbedingen ist den Druckschriften dagegen nicht zu entnehmen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Ungleichgewicht zwischen Druckfestigkeit und Zugfestigkeit bei Hartmetall zu verbessern und ein Legierungswerkzeug aus Hartmetall zur Verfügung zu stellen, das eine verbesserte Festigkeit aufweist.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen definiert.

Das erfindungsgemäße Legierungswerkzeug aus Hartmetall weist auf ein Verschleißteil (Arbeitsteil) aus Hart metall, das ein Carbid mindestens eines Metalls aus der Gruppe der Elemente, die zu den-Gruppen IVa, Va und VIa des Periodischen Systems der Ele mente gehören, als Grundmetall der harten Phase und ein Metall der Eisenfamilie als Grundmetall der Bindemittel phase enthält, wobei das Verschleißteil (Arbeitsteil) einen Bereich zur Bearbeitung eines Werkstückes umfaßt, und ein Nicht-Verschleißteil (Nicht-Arbeitsteil) aus Hart metall, das ein Carbid mindestens eines Metalls aus der Gruppe der Elemente, die zu den Gruppen IVa, Va und VIa des Periodischen Systems gehören, als Grundmetall der harten Phase und ein Metall der Eisenfamilie als Grund metall der Bindemittelphase enthält, wobei das Nicht- Verschleißteil (Nicht-Arbeitsteil) einen höheren Wärme ausdehnungskoeffizienten aufweist als das Verschleißteil (Arbeitsteil) und wobei das Nicht-Verschleißteil (Nicht- Arbeitsteil) mit dem Verschleißteil (Arbeitsteil) in Dif fusionsverbindung steht, um die restlichen Druckkräfte auf das Verschleißteil (Arbeitsteil) einwirken zu lassen.

Nach der Diffusionsverbindung wird die Temperatur sowohl des Verschleißteils (Arbeitsteils) als auch des Nicht- Verschleißteils (Nicht-Arbeitsteils) gesenkt, um beide Teile thermisch zu kontrahieren. Da das Nicht-Verschleißteil einen höheren Kontraktionskoeffizienten aufweist als das Verschleißteil, wirkt eine Druckspannung auf das Ver schleißteil ein, die in demselben zurückbleibt. Wenn somit eine Druckspannung in dem Verschleißteil zurückbleibt, wird seine Zugfestigkeit durch die zurückbleibende Druckspannung verbessert. Erfindungsgemäß kann somit das Ungleichgewicht zwischen Druckfestigkeit und Zugfestigkeit bei Hartmetall vermindert werden durch Verbesserung der Zähigkeit des Werkzeuges und Erhö hung seiner Gebrauchsdauer (Lebensdauer). Um die erforder liche Festigkeit zu erreichen, die im wesentlichen iden tisch mit derjenigen eines konventionellen Werkzeuges ist, können außerdem billigere Materialien mit einer geringeren Festigkeit verwendet werden. Durch Anwendung der vorlie genden Erfindung können daher die Kosten herabgesetzt wer den.

Erfindungsgemäß wird ein Carbid, das als Grundmetall für die harte Phase für ein Hartmetall sowohl zur Herstellung eines Verschleißteils (Arbeitsteils) als auch eines Nicht-Verschleißteils (Nicht-Arbeitsteils) verwendet wird, hergestellt aus mindestens einer Metallsorte, die ausge wählt wird aus einer Gruppe von Elementen, die zu den Gruppen IVa, Va und VIa des Periodischen Systems der Elemente gehören, wie z. B. Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo und W. Innerhalb dieser Gruppe werden W, Ti und Ta im allgemeinen bevorzugt als Materialien für ein Carbid ei nes Hartmetalls verwendet.

Das Grundmetall der Bindemittelphase ist ein Metall der Eisenfamilie, wie z. B. Co, Ni oder Fe.

Zusätzlich zu dem Carbid kann die harte Phase ein Nitrid und/oder Carbonitrid mindestens einer Metallsorte, ausge wählt aus der Gruppe von Elementen, die zu den Gruppen IVa, Va und VIa des Periodischen Systems der Elemente gehören, enthalten.

Das Hartmetall für ein Nicht-Verschleißteil (Nicht-Ar beitsteil) hat einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizien ten als das Verschleißteil (Arbeitsteil). Bei Betrachtung der Diffusionsverbindung zwischen dem Ver schleißteil und dem Nicht-Verschleißteil ist das Hart metall des Nicht-Verschleißteils jedoch vorzugsweise so ähnlich wie möglich dem Verschleißteil in bezug auf die stofflichen Komponenten.

Um dem Hartmetall des Nicht-Verschleißteils einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten zu verleihen als dem Ver schleißteil, kann beispielsweise die Menge der Bindemittel phase des Nicht-Verschleißteils größer sein als diejenige des Verschleißteils oder das Nicht-Verschleißteil kann ei ne größere Menge an Komponenten mit einem großen Wärmeaus dehnungskoeffizienten enthalten. Da TiC einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als WC, kann dem Nicht-Verschleißteil ein höherer Wärmeausdehnungskoeffi zient verliehen werden als dem Verschleißteil, indem man dafür sorgt, daß es TiC in einer größeren Menge enthält als das Verschleißteil, wenn WC und TiC in dem Carbid der harten Phase enthalten sind.

Die erfindungsgemäße Diffusionsverbindung ist vorzugswei se ausgebildet als Sinterdiffusionsverbindung oder als heiß-isostatische Preß-Diffusionsverbindung (nachstehend als HIP-Diffusionsverbindung bezeichnet) im Hinblick auf die Herstellungsstufen. Die Sinterdiffusionsverbindung und die HIP-Diffusionsverbindung können miteinander kom biniert werden zur Bildung einer HIP-Diffusionsverbindung, die anschließend in eine Sinterdiffusionsverbindung über führt wird, oder durch gleichzeitige Ausbildung einer Sinterdiffusionsverbindung und einer HIP-Diffusionsver bindung. So kann beispielsweise ein gesintertes Nicht-Ver schleißteil in engen Kontakt mit einem nicht-gesinterten Verschleißteil gebracht werden, um das Verschleißteil in diesem Zustand zu sintern, um anschließend ein HIP-Formen durch zuführen. Alternativ kann ein gesintertes Nicht-Verschleiß teil in engen Kontakt mit einem gesinterten Verschleißteil gebracht werden, um dieses erneut zu sintern, um anschlie ßend eine HIP-Formung durchzuführen.

Diese und weitere Ziele, Merkmale, Aspekte und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den beilie genden Zeichnungen hervor. Es zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht, die ein Hartmetallplättchen (Spitze) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung zeigt;

Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie II-II der Fig. 1;

Fig. 3 eine Draufsicht, die eine Stanzwerkzeug bzw. ein Schneideisen gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt; und

Fig. 4 eine Schnittansicht entlang der Linie IV-IV der Fig. 3.

Die Fig. 1 zeigt eine ebene Draufsicht auf das Hartmetall plättchen und die Fig. 2 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie II-II der Fig. 1. Bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Hartmetallplättchen ist die Diffusionsver bindung so ausgeführt, daß ein Verschleißteil 1 ein Nicht- Verschleißteil 2 umgibt und ein Diffusionsverbindungsteil 3 ist in einem Grenzbereich zwischen den beiden vorge sehen. Nach Herstellung der Diffusionsverbindung zieht sich das Nicht-Verschleißteil 2 mit einer größeren Rate zusam men als das Verschleißteil 1. Aufgrund dieser Kontraktion des Nicht-Verschleißteils 2 zieht sich das Verschleißteil 1 mit einer höheren Rate zusammen als seinem eigenen Kontrak tionskoeffizienten entspricht, wodurch die Druckspannung in seinem Inneren verbleibt.

Die Fig. 3 und 4 erläutern ein Stanzwerkzeug bzw. ein Schneid eisen, auf die die vorliegende Erfindung angewendet wird.

Die Fig. 3 zeigt eine ebene Draufsicht und die Fig. 4 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie IV-IV gemäß Fig. 3. Bei dieser Ausführungsform ist die Diffusionsverbindung so ausgebildet, daß ein Nicht-Verschleißteil 12 ein zylindrisches Verschleißteil 11 umgibt und ein Diffusions verbindungsteil 13 ist in dem Grenzbereich zwischen den beiden vorgesehen. Selbst wenn das Nicht-Verschleißteil 12 auf diese Weise außerhalb des Verschleißteils 11 vorgese hen ist, kontrahiert sich das Nicht-Verschleißteil 12 mit einem großen Kontraktionskoeffizienten nach der Diffu sionsverbindung, wodurch Druckspannungen in dem Ver schleißteil 11 zurückbleiben, was beispielsweise bei einem Zieheisen oder einem Werkzeug für eine Kunststoff bearbeitungsstanze zur Anwendung kommen kann.

Die Differenz in bezug auf den Wärmeausdehnungskoeffizien ten zwischen dem Hartmetall des Verschleißteils und dem jenigen des Nicht-Verschleißteils beträgt über 1 × 10^-7/°C bis zu 3 × 10^-6/°C und insbesondere über 0,4 × 10^-6/°C bis zu 1,0 × 10^-6/°C.

Eine ausreichende Druckspannung kann in dem Verschleißteil nicht zurückbleiben, wenn die Differenz in bezug auf den Wärmeausdehnungskoeffizienten weniger als 1 × 10^-7/°C beträgt. Es kann eine Riß bildung während der Sinterung auftreten, wenn die Differenz in bezug auf den Wärmeausdehnungskoeffizienten 3,0 × 10^-6/°C übersteigt, und wenn die durch die Verformungen hervorgerufenen Verzerrungen erhöht werden.

Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.

Es wurden Hartmetallplättchen bzw. Spitzen (Gestalt der Probe: SNG 432 gemäß Japanese Industrial Standard, nach stehend als JIS abgekürzt) mit der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Konfiguration hergestellt. Es wurden Ma terialien für Verschleißteile und Nicht-Verschleißteile hergestellt, wie sie in den folgenden Bei spielen 1 bis 4 und in den Bezugsbeispielen 1 bis 4 ange geben sind, die einer Diffusionsverbindung unterworfen wurden. Die Diffusionsverbindung wurde hergestellt durch erneutes Sintern der gesinterten Verschleiß- und Nicht- Verschleißteile, woran sich eine HIP-Formgebung anschloß.

Jedes der so erhaltenen Hartmetallplättchen bzw. Spitzen wurde einem Test zur Bestimmung der Restspannung und/oder einem Test zur Bestimmung der Bruchfestigkeit und/oder einem Frästest unterworfen.

Bezüglich der Restspannung wurde die auf die WC-Kristall gitter einwirkende Spannung durch Röntgenbeugung gemessen.

Die Bruchfestigkeit, wurde gemäß CIS-026-1983 gemessen.

Der Frästest ,wurde durchgeführt durch Schneiden SCM3 (JIS G 4105; Härte Hs 40) mit einem Umfangsgeschwindig keit von 150 m/min, mit einem Vorschub von 0,2 mm/r und einer Schnittiefe von 2 mm und Bestimmung der Zeit bis zum Beginn einer thermischen Rißbildung.

Die folgende Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse der Messung der Beispiele und Bezugsbeispiele.

Beispiel 1

Ein Metallplättchen (Spitze) wurde hergestellt unter Ver wendung von WC-Co-Sintercarbid (Co 10 Gew.-%) als Material für das Verschleißteil und von WC-Co-Sintercarbid (Co 15 Gew.-%) als Material für das Nicht-Verschleißteil.

Bezugsbeispiel 1

Ein Hartmetallplättchen (Spitze) wurde ähnlich wie in Bei spiel 1 hergestellt, wobei diesmal jedoch das Nicht-Ver schleißteil gebildet wurde aus WC-Co-Sintercarbid (Co 10 Gew.-%), das mit dem Verschleißteil identisch war.

Beispiel 2

Ein Hartmetallplättchen (Spitze) wurde hergestellt unter Ver wendung von Sintercarbid aus WC-10 Gew.-% TiC-10 Gew.-% TaC- 10 Gew.-% Co als Material für das Verschleißteil und von Sintercarbid aus WC-10 Gew.-% TiC-10 Gew.-% - TaC-13 Gew.-% Co als Material für das Nicht-Verschleißteil.

Bezugsbeispiel 2

Ein Hartmetallplättchen (Spitze) wurde ähnlich wie in Beispiel 2 hergestellt, wobei diesmal das Nicht-Verschleiß teil gebildet wurde aus Sintercarbid aus WC - 10 Gew. -% TiC - 10 Gew.-% TaC - 10 Gew.-% Co, das mit dem Verschleiß teil identisch war.

Beispiel 3

Ein Hartmetallplättchen (eine Spitze) wurde hergestellt unter Verwendung von Sintercarbid aus WC - 5 Gew. -% TiC - 5 Gew.-% TaC - 10 Gew.-% Co als Material für das Verschleiß teil und von Sintercarbid aus WC - 20 Gew.-% TiC - 5 Gew. -% TaC - 10 Gew.-% Co als Material für das Nicht-Verschleiß teil.

Bezugsbeispiel 3

Ein Hartmetallplättchen (eine Spitze) wurde ähnlich wie in Beispiel 3 hergestellt, wobei diesmal das Nicht-Verschleiß teil hergestellt wurde aus Sintercarbid aus WC - 5 Gew.-% TiC - 5 Gew.-% TaC - 10 Gew.-% Co, das identisch mit dem Verschleißteil war.

Beispiel 4

Ein Hartmetallplättchen (eine Spitze) wurde hergestellt unter Verwendung von Sintercarbid aus WC - 3 Gew. - % TiC - 2 Gew.-% TiN - 5 Gew.-% TaC - 8 Gew.-% Co - 2 Gew.-% Ni als Material für das Verschleißteil und von Sintercarbid aus WC - 15 Gew.-% TiC - 5 Gew.-% TiCN - 5 Gew.-% TaC - 8 Gew. -% Co - 2 Gew. -% Ni als Material für das Nicht- Verschleißteil.

Bezugsbeispiel 4

Ein Hartmetallplättchen (eine Spitze) wurde ähnlich wie in Beispiel 4 hergestellt, wobei diesmal das Nicht-Ver schleißteil gebildet wurde aus Sintercarbid aus WC - 3 Gew.-% TiC - 2 Gew.-% TiN - 5 Gew.-% TaC - 8 Gew.-% Co - 2 Gew.-% Ni, das identisch mit dem Verschleißteil war.

Wie aus der Tabelle I hervorgeht, waren alle erfindungs gemäßen Beispiele 1 bis 4 in bezug auf ihre Bruchfestig keit und ihre Schneideigenschaft den Bezugsbei spielen überlegen.

Claims

1. Legierungswerkzeug aus Hartmetall, insbesondere Schneidwerkzeug für die spanende Bearbeitung, umfassen
ein Verschleißteil aus Hartmetall, das ein Carbid minde stens eines Metalls aus der Gruppe der Elemente, die zu den Gruppen IVa, Va und VIa des Periodischen Systems der Elemente gehören, als Grundmetall der harten Phase und ein Metall der Eisenfamilie als Grundmetall der Bindemit telphase enthält, wobei das Verschleißteil einen Bereich zur Bearbeitung eines Werkstückes aufweist; und
ein Nicht-Verschleißteil aus Hartmetall, das ein Carbid mindestens eines Metalls aus der Gruppe der Elemente, die zu den Gruppen IVa, Va und VIa des Periodischen Systems der Elemente gehören, als Grundmetall der harten Phase und ein Metall der Eisenfamilie als Grundmetall der Bin demittelphase enthält, dadurch gekennzeichnet, daß
das Nicht-Verschleißteil einen höheren Wärmeausdehnungs koeffizienten aufweist als das Verschleißteil und mit dem Verschleißteil in Diffusionsverbindung steht, so daß restliche Kompressionsspannungen im Verschleißteil ver bleiben, wobei die Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizi enten zwischen dem Verschleißteil und dem Nicht-Ver schleißteil in einem Bereich liegt zwischen 1 × 10^-7/°C und 3 × 10^-6/°C, und daß
die Diffusionsverbindung so gestaltet ist, daß das Verschleißteil das Nicht-Verschleißteil umschließt oder daß Nicht-Verschleißteil das Verschleißteil umschließt.

2. Legierungswerkzeug aus Hartmetall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hartmetall des Nicht- Verschleißteils eine größere Menge Bindemittelphase als das Hartmetall des Verschleißteils enthält.

3. Legierungswerkzeug aus Hartmetall nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die harten Phasen des Hartmetalls des Verschleißteils und des Nicht-Verschleiß teils Wolframcarbid enthalten.

4. Legierungswerkzeug aus Hartmetall nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die harten Phasen außerdem Titancarbid enthalten.

5. Legierungswerkzeug aus Hartmetall nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die harten Phasen des Verschleißteils eine größere Menge Bindemittel enthält als die harte Phase des Verschleißteils.

6. Legierungswerkzeug aus Hartmetall nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die harten Phasen des Hartmetalls des Verschleißteils und des Nicht verschleißteils außerdem ein Nitrid und/oder Carbonitrid mindestens eines Metalls aus der Gruppe der Elemente, die zu den Gruppen IVa, Va und VIa des Periodischen Systems der Elemente gehören, enthält.

7. Legierungswerkzeug aus Hartmetall nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Nitrid und/ oder Carbonitrid um Titannitrid und/oder Titancarbonitrid handelt.