DE3781773T2 - Legierung aus verformungsbestaendigem, metallisch verbundenem karbonitrid. - Google Patents
Legierung aus verformungsbestaendigem, metallisch verbundenem karbonitrid.Info
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sintercarbonitridlegierung, die als die Hauptkomponente Titan enthält, mit verbesserter Beständigkeit gegen plastische Verformung und Verschleiß.
- Legierungen auf der Basis von Titancarbid wurden für die Nachbearbeitung von Stählen verwendet, fanden aber nur begrenzte Anwendbarkeit wegen Beschränkungen hinsichtlich mehrerer wichtiger Eigenschaften. Die Festigkeit und Zähigkeit von Schneidwerkzeugen auf TiC- Basis sind allgemein viel geringer als für Werkzeuge auf WC-Basis, was die Verwendung von Werkzeugen auf TiC-Basis auf Anwendungsgebieten mit höheren Vorschubgeschwindigkeiten und/oder mit unterbrochenem Schneiden begrenzt. Die Beständigkeit gegen plastische Verformung ist auch allgemein schlecht, was die Verwendung mit höheren Schneidgeschwindigkeiten und Vorschubgeschwindigkeiten ernsthaft einschränkt. Werkzeuge auf TiC-Basis haben auch eine sehr niedrige Wärmeleitfähigkeit, viel geringer als Werkzeuge auf WC-Basis, und folglich sind thermische Brüche ein ernsthaftes Problem.
- In einigem Umfang wurden diese Probleme mit TiN als ein Legierungszusatz überwunden. TiN reduziert die Korngröße, was die Festigkeit und Zähigkeit verbessert. TiN steigert auch die Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugs, und folglich wird die Beständigkeit gegen thermische Brüche verbessert. Die Beständigkeit gegen plastische Verformung wird aus einigen Gründen ebenfalls verbessert, von denen einer erhöhtes Legieren (Härtung in fester Lösung) der Bindemittelphase ist. Das Fehlen ausreichender Beständigkeit gegen plastische Verformung ist aber noch immer ein größeres Problem für viele Anwendungsbereiche.
- Die US 3 971 656 beschreibt eine gesinterte Carbonitridlegierung, in welcher das Carbonitrid ein zweiphasiges Gemisch ist, das aus einem titan- und stickstoffreichen Kern besteht, der von einer an Metallen der Gruppe VI reichen und stickstoffarmen Phase umgeben ist. Die US 4 120 719 beschreibt eine Sintercarbonitridlegierung, in welcher Tantal als ein Nitrid oder Carbonitrid zugegeben wird, was zu einer Struktur führt, in welcher Tantal in Berührung mit der Bindemittelphase steht. Die DE 3 418 403 lehrt eine Carbonitridlegierung mit einer Struktur, die aus einer harten Phase mit einem TiC-Kern besteht, der von einer Lösung wenigstens eines der Bestandteile TaC, NbC, ZrC, WC, TiC und/oder TiN, einer TiN-Phase und einer Bindemittelphase von Co und/oder Ni umgeben ist. Die JP 57-169 058 beschreibt eine gesinterte harte Legierung, die > 95 Vol.-% einer harten Phase, die aus TiC (und/oder TiN), TaC (und/oder NbC) und WC (und/oder Mo&sub2;C) besteht, und < 5 Vol.-% eines Eisengruppen-Bindemittelmetalles enthält.
- Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Sintercarbonitrid mit verbesserten Eigenschaften bezüglich der oben erwähnten Nachteile und insbesondere bezüglich einer Beständigkeit gegen plastische Verformung zu bekommen.
- Gemäß dieser Erfindung bekommt man ein Sintercarbonitrid mit 75 bis 97 Gew.-% einer harten Carbonitridkomponente und 3 bis 25, vorzugsweise 5 bis 20 Gew.-% eines Bindemittelmetalles, wobei die harte Komponente Titan als Hauptmetallkomponente, 10 bis 40, vorzugsweise 20 bis 30 Gew.-% eines oder beider der Metalle Wolfram und Molybdän und 3 bis 25, vorzugsweise 5 bis 15 Gew.-% Tantal sowie nichtmetallische Komponenten von Kohlenstoff und Stickstoff umfaßt, wobei der Stickstoffanteil 5 bis 40, vorzugsweise 15 bis 35 Gew.-% der nichtmetallischen Komponenten beträgt und wobei das Bindemittelmetall wenigstens ein Element aus der Gruppe Eisen, Kobalt und Nickel ist.
- Die Legierung kann weiterhin bis zu 20, vorzugsweise 4 bis 10 Gew.-% Vanadincarbid und bis zu 1, vorzugsweise 0,1 bis 0,4 Gew.-% Aluminium umfassen.
- Die Carbonitridkomponente der Legierung ist ein zweiphasiges Gemisch, das eine titan- und tantalreiche, stickstoffarme Phase sowie eine andere Phase, die reich an Metallkomponenten der Gruppe VI und reich an Stickstoff ist, umfaßt. Das zweiphasige Gemisch bildet eine Struktur, in welcher die titan- und tantalreiche Phase von der an Metallen der Grupp VI reichen Phase umgeben ist und die Hauptgrenzfläche mit der Bindemittellegierung bildet. Metalle der Gruppe VI enthalten Cr, Mo und W.
- In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird Ta vollständig oder teilweise durch Nb ersetzt. Das Sintercarbonitrid mit den Eigenschaften der obigen Beschreibung hat bessere Beständigkeit gegen Verschleiß und plastische Verformung als bisher bekannte Sintercarbonitride.
- Sintercarbide auf TiC-Basis mit Zusätzen anderer Carbide, wie WC und Mo&sub2;C, zur Verbesserung der Naßeigenschaften bilden allgemein eine zweiphasige Struktur, die aus nahezu unveränderten TiC-Kernen und einer WC- und Mo&sub2;C-reichen Randzone, die die Hauptgrenzfläche mit der Bindemittellegierung bildet, besteht.
- Die letztere Phase, die eine feste Lösung ist, ist jedoch anfällig für Kornwachstum während des Sinterns, und folglich bekommt man eine ziemlich große Korngröße. Dies ist nachteilig sowohl für die Festigkeit als auch für die Verschleißeigenschaften.
- Zusätze von TiN reduzieren drastisch die Korngröße von Carbiden auf TiC-Basis hauptsächlich deswegen, weil die zweite Phase in Berührung mit dem Bindemittel nun aus einem Carbonitrid besteht, welches weniger zu einer Auflösung in der Bindemittelphase neigt. TiN hat daher einen günstigen Einfluß auf die Festigkeit und Bruchzähigkeit der Legierung. TiN hat auch eine höhere Wärmeleitfähigkeit als TiC, und folglich wird die Wärmeleitfähigkeit der Legierung gesteigert, was zu geringeren Schneidkantentemperaturen und einer gleichmäßigeren Temperaturverteilung für eine bestimmte Kombination von Schneidwerten führt.
- TiN hat daher einen günstigen Einfluß auf die Beständigkeit gegen thermische Brüche, temperaturgesteuerte Verschleißmechanismen, wie Lösungs/Diffusionsverschleiß, und Beständigkeit gegen plastische Verformung.
- Mo&sub2;C und WC verbessern die Benetzungseigenschaften der harten Phase, was die Festigkeit der Legierung verbessert. Molybdän und Wolfram vermindern auch die Neigung zu plastisch er Verformung infolge einer Verstärkung der Bindemittellegierung in fester Lösung.
- VC und Al ergaben weiterhin, daß sie die Flankenverschleißbeständigkelt verbessern, wenn sie zu Zusammensetzungen der erfindungsgemäßen Legierung zugesetzt werden.
- Für weitere Steigerung der Beständigkeit gegen plastische Verformung ist es auch wesentlich, die Rolle der harten Komponente zu untersuchen. Sie besteht im wesentlichen aus mittigen Kernen, die aus dem TiC-Rohmaterial reich an Titan und Kohlenstoff sind und von einer zweiten Phase ungeben sind, die im wesentlichen ein bezüglich der anderen Legierungselemente reiches Carbonitrid ist. Die TiC-Kerne nehmen somit einen ziemlich großen Volumenanteil der harten Komponente ein.
- Plastische Verformung des Werkzeugs bei hohen Temperaturen findet sowohl in der Bindemittelphase als auch in der harten Phase statt. Die Härte von TIC ist ziemlich gering und viel schlechter im Vergleich mit WC bei hohen Temperaturen, obwohl bei Raumtemperatur das Gegenteil der Fall ist.
- Es ist das Ziel dieser Erfindung, die Beständigkeit gegen plastische Verformung durch Verbesserung der Härte der TiC-Kerne in der Hitze zu verbessern.
- Es wurde nun überraschenderwelse gefunden, daß, wenn Ta zusätzlich zu Ti in den Kernen der Körner gemäß der obigen Beschreibung vorhanden ist, eine wesentliche Steigerung der Beständigkeit gegen plastische Verformung erhalten wird. Ein Teil des Ta kann durch Nb ersetzt werden.
- Die Korngröße ist allgemein < 2 µm, wobei der Hauptanteil der Körner < 2 µm hat.
- Die Erfindung wird weiter durch die Fig. 1, 2 und 3 erläutert, die Photos von Legierungen unter Verwendung eines AEM (Abtastelektronenmikroskops) und unter Verwendung einer Arbeitsweise mit zurückgestreuten Elektronen in einer viertausendfachen Vergrößerung sind.
- Fig. 1 zeigt eine Legierung nach dem Stand der Technik. A bedeutet Kerne auf TiC-Basis.
- Fig. 2 und
- Fig. 3 sind Legierungen nach der Erfindung, wo B Kerne auf der Basis von (Ti, Ta, Nb) C bedeutet und C Kerne auf der Basis von (Ti, Ta) C bedeutet.
- Die Fig. 1, 2 und 3 zeigen, daß die Anzahl der Kerne auf TiC-Basis drastisch reduziert wird, wenn legiertes TiC-Pulver verwendet wird. Die Kerne auf TiC-Basis erscheinen schwarz und die Kerne auf der Basis von (Ti, Ta) C und (Ti, Ta, Nb) C erscheinen grau infolge der höheren mittleren Atomzahl der letzteren.
- Die Erfindung besteht auch aus einem Verfahren zur Herstellung der gesinterten Legierung für Schneidwerkzeuge mit Carbiden und Nitriden von Ti, Ta und/oder Nb, und dieses Verfahren besteht darin, daß man ein erstes Gemisch von Pulvern von TiC und (Ta, Nb) C und/oder TaC unter solchen Bedingungen erhitzt, daß das resultierende erste Produkt eine feste Lösung von (Ti, Ta) C oder (Ti, Ta, Nb) C enthält, daß man dieses Produkt zu einem Pulver zerkleinert, dieses Pulver weiter mit Carbiden und Nitriden oder Nitriden von Metallen aus den Gruppen IV, V und VI, vorzugsweise mit Ti, W, V, Mo und einem oder mehreren Elementen Co, Ni und Fe als Bindemittel in Pulverform vermischt, wonach man in bekannter Weise preßt und sintert.
- Pulver von festen Lösungen nach der Erfindung wurden unter Verwendung von NiC, (Ta, Nb)C 80/20- und TaC-Pulvern hergestellt, die zunächst mechanisch vermischt und dann bei 2450 ºC während 2,5 h in Wasserstoff hitzebehandelt wurden. Das resultierende Produkt wurde dann zu einer Korngröße < 5 µm zerkleinert. Röntgenstrahlenbeugungsanalyse der Pulver zeigte, daß die festen Lösungen eine einzige Phase mit einem Gitterpararneter von 4,33 Å für (Ti, Ta, Nb) C und 4,34 Å für (Ti, Ta) C waren.
- Wolframcarbid, Titancarbid, Molybdäncarbid, Tantal-Niobcarbid (80/20 Gew.-%), Titan-Tantal- Niobcarbid (80/16/4 Gew.-%) (Beispiel 1) und Titan-Tantalcarbid (80/20 Gew.-%) (Beispiel 1) sowie Eisengruppenmetalle, die als Bindemittel dienen, wurden in den in Tabelle 1 nachfolgend aufgeführten Mengenverhältnissen verwendet, um Proben mit der gleichen Gesamtzusammensetzung zu ergeben. Die Pulver wurden vermischt und mit einer Kugelmühle unter Verwendung von Sintercarbidkugeln während 30 h gemahlen. Das trockene Pulver wurde dann gepreßt und im Vakuum bei 1410 ºC während 90 min gesintert. Tabelle 1 Probe Nr. Stand der Technik Zusammensetzung Gew.-%
- Die Fig. 1 bis 3 zeigen die Mikrostruktur der Proben 1 bis 3.
- Im wesentlichen in der gleichen Weise wie in Beispiel 2 wurden Werkzeugspitzen mit Zusammensetzungen gemäß Tabelle 2 unter Verwendung einer Sintertemperatur von 1430 ºC hergestellt. Tabelle 2 Probe Nr. Stand der Technik Zusammensetzung Gew.-%
- Die Zusammensetzungen von Beispiel 2 wurden verwendet, um die Werkzeuglebensdauer bei der maschinellen Verarbeitung von Stahl SS 2541 mit 370 m/min bei einer Vorschubgeschwindigkeit von 0,20 mm rev&supmin;¹ und einer Schneidtiefe von 1,5 mm zu bewerten. Die Einsatztype war TNMG 160 408-QF. Das Kriterium für die Werkzeuglebensdauer war eine schlechte Oberflächennachbehandlung des Werkstückmaterials verursacht durch kleine Brüche an der sekundären Schneidkante infolge plastischer Verformung. Die mittlere Werkzeuglebensdauer wurde in neun Versuchen bewertet. Probe Werkzeuglebensdauer, min (Stand der Technik)
- Werkzeuge SNGN 120 404 wurden aus Zusammensetzungen 4, 5 und 6 hergestellt und verwendet, um SS 2541 mit einer Schneidgeschwindigkeit von 500 m/min und mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 0,15 mm rev&supmin;¹ und einer Schneidtiefe von 0,5 mm maschinell zu bearbeiten. Das Kriterium für die Werkzeuglebensdauer war ein Bruch verursacht durch vorausgehende plastische Verformung der Hauptschneidkante. Die mittlere Werkzeuglebensdauer wurde in sieben verschiedenen Versuchen bewertet. Probe Werkzeuglebensdauer, min (Stand der Technik)
- Wie aus den Beispielen 4 und 5 ersichtlich ist, haben Zusammensetzungen nach der Erfindung, die Proben 2, 3, 5 und 6, erhöhte Beständigkeit gegen plastische Verformung.
Claims (6)
1. Legierung für Schneidwerkzeuge mit 75 bis 97 Gew.-% einer harten
Carbonitridkomponente und 3 bis 25 Gew.-% eines Bindemittelmetalles, wobei die harte Komponente
Titan als die Hauptmetallkomponente, 10 bis 40, vorzugsweise 20 bis 30 Gew.-% eines
oder beider der Elemente Wolfram und Molybdän und 3 bis 25, vorzugsweise 5 bis 15
Gew.-% Tantal sowie nichtmetallische Komponenten von Kohlenstoff und Stickstoff
umfaßt, wobei der Stickstoffanteil 5 bis 40, vorzugsweise 15 bis 35 Gew.-% der
nichtmetallischen Komponenten beträgt, und das Bindemittelmetall wenigstens ein
Element aus der Gruppe Eisen, Kobalt und Nickel ist, dadurch gekennzeichnet, daß die
Carbonitridkomponente der Legierung ein zweiphasiges Gemisch ist, das eine an
Stickstoff arme, titan- und tantalreiche Phase und eine andere Phase, die reich an
Metallkomponenten der Gruppe VI und stickstoffreich ist, umfaßt, wobei das zweiphasige
Gemisch eine Struktur bildet, in welcher die titan- und tantalreiche Phase von der an
Metallen der Gruppe VI reichen Phase umgeben ist und die Hauptgrenzfläche mit der
Bindemillellegierung bildet.
2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie bis zu 20, vorzugsweise
4 bis 10 Gew.-% Vanadincarbid umfaßt.
3. Legierung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
sie bis zu 1, vorzugsweise 0,1 bis 0,4 Gew.-% Al umfaßt.
4. Legierung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
Ta teilweise oder ganz durch Nb ersetzt ist.
5. Legierung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die Legierung andere harte einphasige Komponenten, wie WC, enthält.
6. Verfahren zur Herstellung einer gesinterten Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis
5 mit Carbiden und Nitriden von Ti, Ta und/oder Nb, dadurch gekennzeichnet, daß ein
Gemisch von Pulvern von TiC und (Ta, Nb) C und/oder TaC unter solchen Bedingungen
erhitzt wird, daß das resultierende Produkt eine feste Lösung von (Ti, Ta) C oder (T, Ta,
Nb) C enthält, dieses Produkt zu einem Pulver zerkleinert wird, dieses Pulver mit Carbiden
und Nitriden oder Nitriden von Metallen aus den Gruppen IV, V und VI, vorzugsweise Ti,
W, V, Mo und einem oder mehreren der Elemente Co Ni und Fe als Bindemittel in
Pulverform vermischt wird, und danach ein Pressen und Sintern in bekannter Weise
durchgeführt wird.
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