DE4435265A1 - Schneideinsatz mit verbesserter Zähigkeit aus einem Cermet auf Titancarbonitrid-Basis - Google Patents

Schneideinsatz mit verbesserter Zähigkeit aus einem Cermet auf Titancarbonitrid-Basis

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Description

Die Erfindung betrifft einen Schneideinsatz (Schneid­ werkzeug) aus einem Cermet (Keramik-Metall-Verbund­ werkstoff) auf Basis eines Titancarbonitrids (nachstehend abgekürzt als "TiCN" bezeichnet), der sowohl eine hervorragende Zähigkeit als auch eine hervorragende Verschleißbeständigkeit (Abriebsbeständigkeit) aufweist, so daß er verbesserte Schneideigenschaften aufweist, ohne daß eine Beschädigung, beispielsweise ein Bruch oder ein Zersplittern bei seiner Verwendung über einen langen Zeit­ raum hinweg auftritt, unabhängig davon, ob der Schneidvor­ gang kontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführt wird.
Wie in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 50-86512 sowie in verschiedenen technischen Berichten be­ schrieben, ist bereits ein Cermet (Keramik-Metall-Verbund­ werkstoff) auf TiCN-Basis bekannt, das eine Struktur auf­ weist, die umfaßt (die nachstehenden Prozentangaben bezie­ hen sich stets auf Vol.-%): 5 bis 30 Vol.-% einer Metall- Bindungsphase, bestehend hauptsächlich aus Co und/oder Ni, und als Rest eine harte Dispersionsphase mit einer Einpha­ sen-Struktur, bestehend aus TiCN, und/oder eine harte Di­ spersionsphase, die ebenfalls eine Einphasenstruktur hat und besteht aus einer zusammengesetzten festen Carboni­ trid-Lösung (nachstehend als (Ti,M)CN bezeichnet), die be­ steht aus Ti und mindestens einem Element aus der Gruppe Ta, Nb, V, Zr, W, Mo und Cr. Es ist auch bekannt, daß die­ ser Schneideinsatz zum kontinuierlichen Schneiden bei­ spielsweise von Stählen verwendet wird.
Es besteht ein steigender Bedarf für Schneideinsätze (Schneidwerkzeuge), die in der Praxis sowohl zum kontinu­ ierlichen als auch zum diskontinuierlichen Schneiden ver­ wendbar sind, um den derzeitigen Trends zur Arbeitseinspa­ rung in Schneidprozessen und Betriebsautomatisierung ge­ recht zu werden. Die obengenannten bekannten Schneidein­ sätze aus Cermets auf TiCN-Basis neigen jedoch aufgrund ihrer unzureichenden Zähigkeit beim diskontinuierlichen Schneiden zum Zerbrechen oder Zersplittern, obgleich sie beim kontinuierlichen Schneiden eine verbesserte Verschleißbeständigkeit aufweisen.
Im Hinblick auf das obengenannte Problem und in Kenntnis des konventionellen Cermet-Schneideinsatzes auf TiCN-Basis haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung umfangreiche Untersuchungen durchgeführt, um einen Schneideinsatz (ein Schneidwerkzeug) zu entwickeln, der eine verbesserte Zä­ higkeit aufweist, ohne daß die dem Schneideinsatz eigene Verschleißbeständigkeit dadurch beeinträchtigt wird. Als Ergebnis wurde gefunden, daß ein Cermet-Schneideinsatz bzw. -Schneidwerkzeug auf TiCN-Basis eine verbesserte Zä­ higkeit aufweist, wenn er eine Struktur und Zusammenset­ zung hat, der 5 bis 40% einer Duplex- und/oder Triplex- Phasenstruktur mit einem Kern aus TiCN oder (Ti,M)CN einer bekannten Zusammensetzung aus Cermet auf TiCN-Basis zuge­ setzt wird, so daß eine ausgezeichnete Verschleißbestän­ digkeit bei diesem Typ von Schneideinsatz bzw. Schneid­ werkzeug erzielt werden kann, selbst wenn der Schneidvor­ gang diskontinuierlich oder intermittierend durchgeführt wird, was selbstverständlich auch für einen kontinuierli­ chen Schneidvorgang gilt. Darauf beruht die vorliegende Erfindung.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Cermet- Schneideinsatz (-Schneidwerkzeug) auf TiCN-Basis mit einer ausgezeichneten Zähigkeit und Verschleißbeständigkeit, wo­ bei das Cermet (der Keramik-Metall-Verbundwerkstoff) auf TiCN-Basis eine Struktur hat, die, bezogen auf das Volu­ men, umfaßt:
5 bis 30 Vol.-% einer Metall-Bindungsphase, bestehend hauptsächlich aus Co und/oder Ni;
5 bis 40 Vol.-% einer harten Dispersionsphase, die eine Duplex- und/oder Triplex-Phasenstruktur aufweist mit einem Kern aus TiCN oder (Ti,M)CN, und
eine harte Dispersionsphase mit einer Einphasen-Struktur aus (Ti,M)CN oder aus (Ti,M)CN und TiCN als Rest.
In dem erfindungsgemäßen Schneideinsatz (Schneidwerkzeug) ist der Gehalt oder Mengenanteil an der Metall-Bindungs­ phase in dem Cermet auf TiCN-Basis beschränkt auf den Be­ reich von 5 bis 30 Vol.-%, weil der gewünschte Festig­ keitswert nicht erzielt werden kann, wenn der Gehalt an der Bindungsphase unter 5 Vol.-% liegt, und weil dann, wenn der Gehalt an der Bindungsphase 30 Vol.-% übersteigt, eine drastische Abnahme der Verschleißbeständigkeit auf­ tritt. Außerdem ist der Gehalt oder Mengenanteil an harter Dispersionsphase mit Duplex- und/oder Triplex-Phasenstruk­ tur mit einem Kern beschränkt auf den Bereich von 5 bis 40 Vol.-%, weil die gewünschte Zähigkeit, die hoch genug sein muß, um ein Zerbrechen oder Zersplittern beim diskontinu­ ierlichen Schneiden zu eliminieren, nicht erzielt werden kann, wenn ihr Gehalt weniger als 5 Vol.-% beträgt, wäh­ rend dann, wenn ihr Gehalt 40 Vol.-% übersteigt, eine dra­ stische Abnahme der Verschleißbeständigkeit auftritt.
Die Erfindung wird in den folgenden Beispielen anhand be­ vorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Schneideinsatzes (Schneidwerkzeuges) näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.
Beispiele
Es wurden verschiedene Materialpulver jeweils mit einer mittleren Teilchengröße in dem Bereich zwischen 0,5 und 2 µm als Materialpulver hergestellt. Die Materialpulver um­ fassen insbesondere:
(Ti,W)CN [TiCN/WC = 70/30 (Gewichtsverhältnis, wie auch in den folgenden Pulvern)],
(Ti,Ta)CN [TiCN/TaC = 70/30],
(Ti,Nb)CN [TiCN/NbC = 70/30],
(Ti,Zr)CN [TiCN/ZrC = 80/20],
(Ti,W,Mo)CN [TiCN/WC/Mo₂C = 60/30/10],
(Ti,W,Ta)CN [TiCN/WC/TaC = 60/20/20],
(Ti,Ta,Nb)CN [TiCN/TaC/NbC = 60/20/20],
(Ti,Ta,Mo)CN [TiCN/TaC/Mo₂C = 60/20/20],
(W,Mo)C [WC/Mo₂C = 50/50] und
(W,Mo,Ta,Nb,Zr)CN [WC/Mo₂C/TaCN/NbCN/ZrCN = 20/20/20/20/20] sowie
TiCN-Pulver, Co-Pulver und Ni-Pulver.
Es wurden verschiedene Zusammensetzungen hergestellt, wie in der Tabelle 1 angegeben. Jede Zusammensetzung wurde 72 h lang in einer Kugelmühle naß gemischt und nach dem Trocknen formgepreßt unter einem Druck von 1,5 t/cm² (1,5 ton/cm²) zur Bildung eines verdichteten Grünkörpers. Die so erhaltenen verdichteten Grünkörper wurden einer Sin­ terung unterworfen, die entweder unter den folgenden Sin­ terbedingungen (1) oder unter den folgenden Sinterbedin­ gungen (2) durchgeführt wurde:
  • (1) es wurde eine Stickstoffatmosphäre von 6,7 bis 13,3 Pa (0,05-0,1 torr) aufrechterhalten, bis die Temperatur des verdichteten Grünkörpers von Raumtemperatur auf 1100°C er­ hitzt war, und innerhalb des Zeitraums, in dem der ver­ dichtete Grünkörper von 1100°C auf eine vorgegebene Sin­ tertemperatur in dem Bereich zwischen 1420 und 1600°C er­ hitzt wurde, wurde eine Stickstoffatmosphäre unter einem Druck von 5,3 bis 40,0 kPa (40-300 torr) aufrechterhalten, die Sintertemperatur wurde 1 h lang aufrechterhalten und dann wurde auf Raumtemperatur abgekühlt (diese Bedingungen werden nachstehend als "Sinterbedingungen in einer Stick­ stoffatmosphäre" bezeichnet);
  • (2) der verdichtete Grünkörper wurde 1 h lang bei einer vorgegebenen Temperatur in dem Bereich zwischen 1420 und 1500°C unter einem Vakuum von 6,7 bis 13,3 Pa (0,05-0,1 torr) gehalten, danach wurde abgekühlt (diese Sinterbedin­ gungen werden nachstehend als "Vakuum-Sinterbedingungen" bezeichnet).
Durch Anwendung eines solchen Sinterverfahrens wurden Pro­ ben Nr. 1 bis 13 des erfindungsgemäßen Cermet-Schneidein­ satzes auf TiCN-Basis, die in Form von Wegwerf-Spitzen vorlagen, die den Standard SNMG 120 408 erfüllten, sowie Proben Nr. 1 bis 6 eines bekannten Cermet-Schneideinsatzes auf TiCN-Basis (nachstehend als "konventionelle Schneideinsätze" bezeichnet), erhalten.
Die so erhaltenen Schneideinsatz-Proben wurden in willkür­ lichen Abschnitten derselben unter einem Transmissi­ onselektronenmikroskop und einem angeschlossenen Energie­ verteilungs-Röntgenspektroskop (EDX) betrachtet, um eine Messung der Metallzusammensetzung in den Kernen der jewei­ ligen harten Dispersionsphasen, die in den Bildern auftra­ ten, zu ermöglichen. Gleichzeitig wurde eine Analyse durchgeführt unter Verwendung eines Bildanalysators, um das Verhältnis zwischen der Bindungsphase und der harten Dispersionsphase sowie den Mengenanteil jeder der die harte Dispersionsphase aufbauenden Phasen zu bestimmen. Die Meßergebnisse sind in den nachfolgenden Tabellen 2 bis 7 angegeben, ausgedrückt als Mengenanteile des Gesamt-Cer­ mets.
Gleichzeitig wurden diese Proben einem kontinuierlichen Schneidtest und einem diskontinuierlichen Schneidtest un­ terzogen, die jeweils unter den folgenden Bedingungen durchgeführt wurden:
Bedingungen des kontinuierlichen Schneidtests
geschnittenes Material: Rundstab aus Stahl SNCM 439
(Härte: HB 270)
Schneidgeschwindigkeit: 200 m/min
Eindringtiefe: 2,5 mm
Zuführungsgeschwindigkeit: 0, 3 mm/Umdrehung
Schneidzeit: 5 min
Bedingungen des diskontinuierlichen Schneidtests
geschnittenes Material: Rundstab aus Stahl SNCM 439
(Härte: HB 270) mit drei Längsrillen
Schneidgeschwindigkeit: 180 m/min
Eindringtiefe: 2 mm
Zuführungsgeschwindigkeit: 0, 3 mm/Umdrehung
Schneidzeit: 20 min.
Bei jedem Test wurde die Verschleißbreite(-tiefe) der Relief-Oberfläche der Schneidkante(-klinge) gemessen. Die Meßergebnisse sind in der Tabelle 2 angegeben.
Aus den Tabellen 3 bis 7 geht hervor, daß die Proben Nr. 1 bis 13 des erfindungsgemäßen Schneideinsatzes eine verbes­ serte Zähigkeit ohne Herabsetzung der Verschleißbeständig­ keit und somit verbesserte Schneideigenschaften sowohl beim kontinuierlichen als auch beim diskontinuierlichen Schneiden aufweisen aufgrund der Tatsache, daß die Cermets von TiCN-Typ, aus denen diese Proben hergestellt wurden, harte Dispersionsphasen mit einer Duplex- und/oder Tri­ plex-Phasenstruktur mit einem Kern aus TiCN oder (Ti,M)CN aufweisen. Im Gegensatz dazu werden die Proben Nr. 1 bis 6 der konventionellen Schneideinsätze, die nur Einphasen- TiCN und/oder -(Ti,M)CN enthalten, innerhalb eines ver­ gleichsweise kurzen Zeitraums unbrauchbar, wenn sie beim diskontinuierlichen Schneiden verwendet werden, weil die Schneidkante(-klinge) bricht oder zersplittert wegen der unzureichenden Zähigkeit, obgleich sie eine bemerkenswerte Verschleißbeständigkeit bei der Verwendung beim kontinuierlichen Schneiden aufweisen.
Der erfindungsgemäße Cermet-Schneideinsatz (-Schneidwerk­ zeug) auf TiCN-Basis gewährleistet somit, daß verbesserte Schneideigenschaften über einen langen Zeitraum hinweg aufrechterhalten werden nicht nur beim kontinuierlichen Schneiden, sondern auch beim diskontinuierlichen Schnei­ den, bei dem ein hoher Grad von Zähigkeit erforderlich ist, wodurch sie der Nachfrage nach einer Automation des Schneidprozesses und Einsparung von menschlicher Arbeit gerecht werden.

Claims (4)

1. Verschleißbeständiger Schneideinsatz (Schneid­ werkzeug) mit einer ausgezeichneten Zähigkeit, hergestellt aus einem Cermet (Keramik-Metall-Verbundwerkstoff) auf Titancarbonitrid-Basis, das eine Struktur aufweist, die umfaßt:
5 bis 30 Vol.-% Metall-Bindungsphase, die hauptsächlich besteht aus Co und/oder Ni;
5 bis 40 Vol.-% einer harten Dispersionsphase mit einer Duplex- und/oder Triplex-Phasenstruktur mit einem Kern aus Titancarbonitrid; und
als Rest eine harte Dispersionsphase mit einer Einphasenstruktur und gebildet aus Titancarbonitrid, und/oder
eine harte Dispersionsphase mit einer Einphasenstruktur und gebildet aus einer zusammengesetzten festen Carbonitrid- Lösung von Ti und mindestens einem Element aus der Gruppe Ta, Nb, V, Zr, W, Mo und Cr.
2. Verschleißbeständiger Schneideinsatz mit einer ausge­ zeichneten Zähigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß er her­ gestellt ist aus einem Cermet auf Titancarbonitrid-Basis, das eine Struktur hat, die umfaßt:
5 bis 30 Vol.-% Metall-Bindungsphase, die hauptsächlich bestehend aus Co und/oder Ni;
5 bis 40 Vol.-% einer harten Dispersionsphase, mit einer Duplex- und/oder Triplex-Phasenstruktur mit einem Kern, der gebildet ist aus einer zusammengesetzten festen Carbo­ nitridlösung von Ti und mindestens einem Element aus der Gruppe Ta, Nb, V, Zr, W, Mo und Cr; und
eine harte Dispersionsphase mit einer Einphasenstruktur, gebildet aus einer zusammengesetzten festen Carbonitrid­ lösung von Ti und mindestens einem Element aus der Gruppe Ta, Nb, V, Zr, W, Mo und Cr, als Rest.
3. Verschleißbeständiger Schneideinsatz mit einer ausge­ zeichneten Zähigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß er her­ gestellt ist aus einem Cermet auf Titancarbonitrid-Basis, das eine Struktur aufweist, die umfaßt:
5 bis 30 Vol.-% Metall-Bindungsphase, die hauptsächlich besteht aus Co und/oder Ni;
5 bis 40 Vol.-% einer harten Dispersionsphase mit einer Duplex- und/oder Triplex-Phasenstruktur mit einem Kern aus Titancarbonitrid; und
eine harte Dispersionsphase mit einer Einphasenstruktur, gebildet aus einer zusammengesetzten festen Carbonitridlö­ sung von Ti und mindestens einem Element aus der Gruppe Ta, Nb, V, Zr, W, Mo und Cr, und eine harte Dispersions­ phase, die ebenfalls eine Einphasen-Struktur aufweist und aus Titancarbonitrid gebildet ist, als Rest.
4. Verschleißbeständiger Schneideinsatz mit einer ausge­ zeichneten Zähigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß er her­ gestellt ist aus einem Cermet auf Titancarbonitrid-Basis, das eine Struktur aufweist, die umfaßt:
5 bis 30 Vol.-% Metall-Bindungsphase, die hauptsächlich besteht aus Co und/oder Ni;
5 bis 40 Vol.-% einer harten Dispersionsphase, mit einer Duplex- und/oder Triplex-Phasenstruktur mit einem Kern, der gebildet ist aus einer zusammengesetzten festen Carbo­ nitrid-Lösung von Ti und mindestens einem Element aus der Gruppe Ta, Nb, V, Zr, W, Mo und Cr; und
eine harte Dispersionsphase mit einer Einphasenstruktur, gebildet aus einer zusammengesetzten festen Carbonitridlö­ sung von Ti und mindestens einem Element aus der Gruppe Ta, Nb, V, Zr, W, Mo und Cr; und eine harte Dispersions­ phase, die ebenfalls eine Einphasenstruktur aufweist und aus Titancarbonitrid gebildet ist, als Rest.
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