DE60011644T2

DE60011644T2 - Beschichteter nut- oder abstecheinsatz

Info

Publication number: DE60011644T2
Application number: DE60011644T
Authority: DE
Inventors: Anders Jonsson; Anders Piirhonen; Torbjörn SELINDER; Gregor Kullander
Original assignee: Sandvik AB
Current assignee: Sandvik Intellectual Property AB
Priority date: 1999-09-01
Filing date: 2000-08-31
Publication date: 2004-09-30
Anticipated expiration: 2020-09-01
Also published as: ATE269425T1; EP1218557B1; USRE40025E1; DE60011644D1; US6627049B2; JP2003508242A; IL147779A; IL147779A0; EP1218557A1; WO2001016388A1; US20020051887A1; US6342291B1; SE9903089D0; USRE40873E1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein beschichtetes Schneidwerkzeug (Hartmetalleinsatz), das nützlich für das Nuten oder insbesondere das Abtrennen von Stahlbestandteilen, wie etwa Stangen oder Röhren aus nicht rostendem Stahl unterschiedlicher Zusammensetzung und Mikrostruktur, aber auch für nicht rostfreie Stähle, wie etwa weiche Stähle und niedrig- und mittellegierte Stähle ist.
Bei der Bearbeitung niedrig- oder mittellegierter Stähle und nicht rostender Stähle mit Hartmetallwerkzeugen wird die Schneidkante aufgrund unterschiedlicher Verschleißmechanismen, wie etwa des chemischen Verschleißes, des Abriebverschleißes, des Anhaftverschleißes und durch das Kantenabspanen verschlissen. Bei schlechten Bedingungen treten für gewöhnlich Probleme mit voluminösen und Kantenlinienbrüchen auf. Darüber hinaus erfordern unterschiedliche Schneidbedingungen, wie etwa die Schneidgeschwindigkeit, der Schneidvorschub und auch äußere Bedingungen, wie etwa die Trocken- oder Naßbearbeitung, starke Vibrationen des Werkstücks etc. eine Reihe verschiedener Eigenschaften der Schneidkante.
Bislang ist es sehr schwierig gewesen, alle Werkzeugeigenschaften gleichzeitig zu verbessern. Am Markt verfügbare Hartmetallklassen sind daher im Hinblick auf eine oder einige wenige dieser Verschleißarten und somit nur in speziellen Anwendungsbereichen optimiert worden.
Die WO97/20083 beschreibt einen beschichteten Schneideinsatz, der besonders nützlich bei der Trocken- und Naßbearbeitung in niedrig- oder mittellegierten Stählen, nicht rostenden Stählen, mit oder ohne rauhe Oberflächenzonen unter erschwerten Bedingungen, wie etwa Vibrationen, langem Überhang und dem Wiederschneiden von Spänen ist. Der Einsatz ist gekennzeichnet durch WC-Co-Hartmetall mit einem niedrigen Gehalt von kubischen Carbiden und einer eher niedrig W-legierten Bindephase und eine Beschichtung, die eine innerste Schicht aus TiC_xN_yO_z mit säulenartigen Körnern und einer Oberschicht aus TiN und einer inneren Schicht aus κ-Al₂O₃ einschließt.
Die Schwedische Patentanmeldung SE 9901149-6 (EP-A-1038989) beschreibt einen beschichteten Schneideinsatz, der besonders nützlich bei hohen Schneidgeschwindigkeiten von nicht rostenden Stählen unterschiedlicher Zusammensetzung und Mikrostruktur ist, aber auch für das Fräsen nicht rostfreier Stähle, wie etwa weicher Stähle und niedrig- und mittellegierter Stähle. Der beschichtete Hartmetalleinsatz auf WC-Co-Basis ist durch einen bestimmten Zusammensetzungsbereich aus WC/Co ohne jede Beimengung kubischer Carbide, durch einen niedrig W-legierten Co-Binder und durch eine in einem engen Bereich definierte mittlere Korngröße, und eine harte und verschleißbeständige Beschichtung einschließlich einer mehrschichtigen Struktur aus Unterschichten aus der Zusammensetzung (Ti_xAl_1-x)N mit wiederholter Variation des Ti/Al-Verhältnisses. Mehrschichtige Oberflächenbeschichtungen für Schneidwerkzeuge mit Schichten aus verschiedenen Ti_xAl_1-xN-Zusammensetzungen und Strukturen sind allgemein aus der EP-A-701982 bekannt.
Es hat sich nun überraschenderweise gezeigt, daß eine Kombination aus einem geringfügig veränderten Hartmetallsubstrat des in der oben erwähnten WO 97/20083 und der Beschichtung aus der oben erwähnten SE 9901149-6 zu einer hervorragenden Schneidleistung beim Nuten, oder insbesondere beim Abteilen von Stahl oder nicht rostendem Stahl führt.
In 1 wird eine Mikrodarstellung in 1200facher Vergrößerung eines polierten Querschnitts eines beschichteten Einsatzes gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, mit den Bezeichnungen

A – Hartmetallkörper
B – Innerste TiN-Schicht
C – Schicht aus mehreren TiAlN-Unterschichten
D – Schicht aus TiAlN
E – Äußerste TiN-Schicht

Entsprechend der wie in Anspruch 1 definierten vorliegenden Erfindung wird ein beschichteter Schneidwerkzeugeinsatz für zähigkeitsforderndes Nuten und Abteilen von nicht rostenden Stählen mit einem Hartmetallkörper auf WC-Co-Basis mit einer Zusammensetzung aus 12,0–13,0 Gew.-% Co, bevorzugt 12,3–12,9 Gew.-% Co, 0,4–1,8 Gew.-% kubischer Carbide, bevorzugt 0,5 –1,7 Gew.-% kubischer Carbide der Metalle Ta, Nb und Rest WC bereitgestellt. Der Gehalt an Ti liegt bevorzugt auf einem Niveau, das einer technischen Unreinheit entspricht. Die mittlere Korngröße des WC liegt bei etwa 1,4 μm.
Die Kobalt-Bindephase ist eher niedrig W-legiert: Der Gehalt an W in der Bindephase kann als das CW-Verhältnis CW-Verhältnis = MS/(Gew.-%·0,0161)ausgedrückt werden, worin M_S die Sättigungsmagnetisierung des Hartmetallkörpers in kA/m ist und Gew.-% Co der Gewichtsprozentsatz ist, der erreicht wird, wenn der Hartmetallkörper ein CW-Verhältnis von 0,82–0,91 hat, und am meisten bevorzugt von 0,85–0,90 hat. Das Hartmetall kann kleine Mengen, < 1 Vol.-%, von η-Phase (M₆C) haben, ohne irgendeinen schädlichen Effekt. Aus dem CW-Wert folgt, daß kein freies Graphit in dem der vorliegenden Erfindung entsprechenden Hartmetallsubstrat erlaubt ist.
Die harte und verschleißbeständige, hitzebeständige Beschichtung auf dem oben beschriebenen Hartmetallsubstrat umfaßt gemäß der vorliegenden Erfindung
eine erste (innerste) dünne 0,1–0,5 μm dicke Bindungsschicht aus TiN,
eine zweite Schicht mit einer mehrschichtigen Struktur aus Unterschichten mit der Zusammensetzung (Ti_xAl_1-x)N, worin x wiederholt zwischen den beiden Bereichen 0,45 < x < 0,55 und 0,70 < x < 0,80 variiert. Die erste Unterschicht aus (Ti_xAl_1-x)N in der Nachbarschaft zu der TiN-Bindungsschicht hat einen x-Wert im Bereich von 0,45 < x < 0,55, die zweite Unterschicht aus (Ti_xAl_1-x)N hat einen x-Wert im Bereich von 0,70 < x < 0,80 und die dritte Unterschicht hat x im Bereich von 0,45 < x < 0,55 usw., was wiederholt wird, bis 12–25 Unterschichten, bevorzugt 22–24 Unterschichten, aufgebaut sind. Die Dicke dieser zweiten Schicht mit einer mehrschichtigen Struktur macht 75–95% der gesamten Beschichtungsdicke aus. Die einzelnen Unterschichten aus (Ti_xAl_1-x)N haben im wesentlichen die gleiche Dicke, ihre Dicke kann aber in regulärer oder irregulärer Weise variieren und die Unterschichtdicke liegt in dem Bereich von jeweils 0,05–0,2 μm,
eine dritte 0,1–0,5 μm dicke Schicht aus (Ti_xAl_1-x)N mit einem x-Wert in dem Bereich von 0,45 < x < 0,55,
eine vierte (äußerste) dünne 0,1–0,2 dicke Schicht aus TiN.
Die Gesamtdicke der Beschichtung beträgt 1–8 μm, bevorzugt 2–5 μm. Die oben erwähnte Schichtdicke, die Unterschichtdicke und die Beschichtungsdicke bezieht sich auf Messungen, die nahe der Schneidkante gemacht wurden, d. h. dem funktionellen Teil des Schneidwerkzeugs.
Die vorliegende Endung betrifft auch ein in Anspruch 4 definiertes Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Schneidwerkzeugeinsatzes, der aus einem Hartmetallkörper mit einer Zusammensetzung aus 12,0–13,0 Gew.-% Co, am meisten bevorzugt 12,3–12,9 Gew.-% Co, 0,4– 1,8 Gew.-% kubischer Carbide, bevorzugt 0,5–1,7 Gew.-% kubischer Carbide der Metalle Ta, Nb und Rest WC besteht. Der Ti-Gehalt liegt bevorzugt auf einem Niveau, das einer technischen Unreinheit entspricht. Die mittlere Korngröße des WC beträgt etwa 1,4 μm.
Die harte und verschleißbeständige, hitzebeständige Beschichtung wird auf dem Hartmetallsubstrat durch Anwendung herkömmlicher PVD-(Physikalische Abscheidung aus der Dampfphase) oder CVD-(Chemische Abscheidung aus der Dampfphase) Verfahren abgeschieden, und entsprechend der vorliegenden Erfindung umfaßt die Beschichtung
eine erste (innerste) dünne 0,1–0,5 μm dicke Bindungsschicht aus TiN,
eine zweite Schicht mit einer mehrschichtigen Struktur aus Unterschichten mit der Zusammensetzung (Ti_xAl_1-x)N, worin x wiederholt zwischen den beiden Bereichen 0,45 < x < 0,55 und 0,70 < x < 0,80 variiert. Die erste Unterschicht aus (Ti_xAl_1-x)N in der Nachbarschaft zu der TiN-Bindungsschicht hat einen x-Wert im Bereich von 0,45 < x < 0,55, die zweite Unterschicht aus (Ti_xAl_1-x)N hat einen x-Wert im Bereich von 0,70 < x < 0,80 und die dritte Unterschicht hat x im Bereich von 0,45 < x < 0,55 usw., was wiederholt wird, bis 12–25 Unterschichten, bevorzugt 22–24 Unterschichten, aufgebaut sind. Die Dicke dieser zweiten Schicht mit einer mehrschichtigen Struktur macht 75–95% der gesamten Beschichtungsdicke aus. Die einzelnen Unterschichten aus (Ti_xAl_1-x)N haben im wesentlichen die gleiche Dicke, ihre Dicke kann aber in regulärer oder irregulärer Weise variieren und die Unterschichtdicke liegt in dem Bereich von jeweils 0,05–0,2 μm,
eine dritte 0,1–0,5 μm dicke Schicht aus (Ti_xAl_1-x)N mit einem x-Wert in dem Bereich von 0,45 < x < 0,55,
eine vierte (äußerste) Schicht aus einer 0,1–0,2 dicken Schicht aus TiN.
Beispiel 1:

A. Ein erfindungsgemäßer Abteilwerkzeugeinsatz aus Hartmetall mit der Zusammensetzung 12,6 Gew.-% Co, 1,25 Gew.-% TaC, 0,3 Gew.-% NbC und einem durch WC gebildeten Rest und einer mittleren Korngröße von 1,4 μm, mit einer W-legierten Bindephase entsprechend einem CW-Verhältnis von 0,91, wurde mit einer 4 μm dicken Beschichtung durch Anwendung eines herkömmlichen PVC-Kathodenbogen-Verfahrens beschichtet. Die Beschichtung bestand aus einer ersten (innersten) 0,2 μm dicken Schicht aus TiN, gefolgt von einer 3,2 μm dicken zweiten Schicht mit 23 abwechselnden Unterschichten aus (Ti_xAl_1-x)N, worin x al ternativ zwischen 0,55 und 0,75 variiert wird, und einer dritten 0,2 μm dicken Schicht aus (Ti_xAl_1-x)N, worin x = 0,55 und schließlich einer äußersten 0,4 μm dicken Schicht aus TiN.
B. Ein Trennwerkzeugeinsatz aus Hartmetall mit der Zusammensetzung aus 8,0 Gew.-% Co, keinen kubischen Carbiden, Rest WC und einem CW-Verhältnis von 0,94. Der Einsatz wurde mit einer innersten 0,5 μm dicken gleichgerichteten TiCN-Schicht beschichtet. Eine 1,5 μm dicke TiN-Schicht wurde während des gleichen Kreislaufs auf die Oberseite der TiCN-Schicht abgeschieden. Eine Nachbehandlung erfolgte nicht.
C. Ein konkurrierender Trennwerkzeugeinsatz aus Hartmetall ähnlichen Stils wie die zuvor erwähnten Einsätze eines von außerhalb kommenden führenden Herstellers von Hartmetall wurde zum Vergleich ausgewählt. Das Hartmetall hatte eine Zusammensetzung aus 12,5 Gew.-% Co, 0,1 Gew.-% TiC, 1,8 Gew.-% TaC, 0,2 Gew.-% NbC, Rest WC und ein CW-Verhältnis von 0,87. Der Einsatz hatte eine Beschichtung, die aus 1,4 μm dickem TiN, und ganz außen aus 1,4 μm dickem TiCN besteht. Die Untersuchung unter dem Lichtmikroskop ließ keine Kantenbeeinträchtigung nach dem Beschichten erkennen.

Einsätze A, B und C von oben wurden beim Abtrennen zur Mitte hin in dem nicht rostenden Stahl SS2321 mit OD 26 mm getestet. Die Schneidgeschwindigkeit wurde von 86 bis 0 m/min mit dem Vorschub 0,05 mm/rev variiert. Der Verschleißmechanismus war ein ungleichmäßiger Flanken-Verschleiß und Abspanen an der Freifläche.

Einsatz Anzahl der Bestandteile

A (Erfindung) 50

B (außerhalb der Erfindung) 13

C (von außen kommende Klasse) 41
Beispiel 2
Einsatz A und B wurden in einer Maschinenfabrik von Endanwendern beim Abtrennen einer nicht rostenden Stahlkomponente (AlSI 316 Außendurchmesser 42 mm) mit einer Schneidgeschwindigkeit, die von 110 bis 0 m/min und mit einem Vorschub getestet, der von 0,08–0,03 mm/rev (geringe Vorschubgeschwindigkeit nahe der Stangenmitte) variiert. Der Verschleißmechanismus war das Brechen in der Schneidzone.

Einsatz Anzahl der Bestandteile

A (Erfindung) 201

B (außerhalb der Erfindung) 224
Beispiel 3
Einsatz A und B wurden in einer Maschinenfabrik von Endanwendern beim Abtrennen einer nicht rostenden Stahlkomponente (S2172 Außendurchmesser 47 mm) mit einer Drehgeschwindigkeit von 1800 rpm und mit einem Vorschub von 0,1 mm/rev getestet. Der Verschleißmechanismus war Flanken-Verschleiß und Abplatzungen.

Einsatz Anzahl der Bestandteile

A (Erfindung) 163

B (außerhalb der Erfindung) 50
Beispiel 4
Einsatz A und C wurden in einer Maschinenfabrik von Endanwendern beim Abtrennen einer nicht rostenden Stahlkomponente (AlSI 316 Außendurchmesser 31 mm) mit einer Schneidgeschwindigkeit, die von 60 bis 0 m/min variiert und mit einem Vorschub getestet, der von 0,06–0,03 mm/rev (geringe Vorschubgeschwindigkeit nahe der Stangenmitte) variiert. Der Verschleißmechanismus war Flanken-Verschleiß und Abspanen.

Einsatz Anzahl der Bestandteile

A (Erfindung) 182

C (von außen kommende Klasse) 43

Claims

Schneidwerkzeugeinsatz, insbesondere zum Teilen von Stahl und rostfreiem Stahl mit einem Hartmetallkörper und einer Beschichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der Hartmetallkörper aus WC mit einer mittleren Korngröße von etwa 1,4 μm, 12–13 Gew.-% Co, mit W legiert, als Bindemittel, 0,4–1,8 Gew.-% TaC + NbC besteht und die mit W niedriglegierte Bindephase ein CW-Verhältnis von 0,82–0,91 hat, wobei das CW-Verhältnis = M_S/(Gew.-% Co x 0,0161), worin M_S die Sättigungsmagnetisierung des Hartmetallkörpers in kA/μ ist, und daß jene Beschichtung – eine erste (innerste) 0,1–0,5μm dicke TiN-Schicht, – eine zweite Schicht, die eine vielschichtige Struktur von jeweils 0,05–0,2μm dicken Unterschichten der Zusammensetzung (Ti_xAl_1-x)N umfaßt, worin x wiederholt zwischen den beiden Bereichen 0,45 < x < 0,55 und 0,70 < x < 0,80 variiert, die erste Unterschicht von (Ti_xAl_1-x)N in Nachbarschaft zu der TiN-Bindungsschicht mit einem x-Wert von 0,45 < x < 0,55, die zweite Unterschicht von (Ti_xAl_1-x)N einen x-Wert von 0,70 < x < 0,80 hat und die dritte Unterschicht ein x von 0,45 < x < 0,55 ist, usw. wiederholt, bis 12–25 Unterschichten aufgebaut sind, – eine dritte 0,1–0,5μm dicke Schicht von (Ti_xAl_1-x)N, worin x 0,45 < x < 0,55 ist, und – eine vierte (äußerste) Schicht von 0,1–0,2μm TiN umfaßt, wobei die gesamte Beschichtungsdicke 1–8μm ist und die Dicke der zweiten Schicht 75–95% der gesamten Beschichtungsdicke beträgt.
Schneideinsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hartmetall die Zusammensetzung 12,3–12,9 Gew.-% Co und 0,5–1,7 Gew.-% TaC + NbC hat.
Schneideinsatz nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hartmetallkörper frei von Graphit ist.
Verfahren auf der Basis bekannter PVD- oder CVD-Techniken zur Herstellung eines beschichteten Hartmetallschneidwerkzeugeinsatzes, der einen Hartmetallkörper auf WC-Co-Basis und eine harte und verschleißbeständige Beschichtung umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß man auf einem Hartmetallkörper, der WC mit einer mittleren Korngröße von etwa 1,4 μm, 12–13 Gew.-% mit W legiertes Co als Bindemittel umfaßt und die mit W niedriglegierte Bindephase ein CW-Verhältnis von 0,82–0,91 hat, wobei das CW-Verhältnis = M_S/(Gew.-% Co x 0,0161), wobei M_S/(Gew.-% Co x 0,0161) und M_S die Sättigungsmagnetisierung des Hartmetallkörpers in kA/μ ist, eine Beschichtung abscheidet, die – eine erste (innerste) 0,1–0,5 μm Dicke TiN-Schicht, – eine zweite Schicht, die eine vielschichtige Struktur von jeweils 0,5–0,2 μm dicken Unterschichten der Zusammensetzung (Ti_xAl_1-x)N umfaßt, worin x wiederholt zwischen den beiden Bereichen 0,45 < x < 0,55 und 0,70 < x < 0,80 variiert, die erste Unterschicht von (Ti_xAl_1-x)N in Nachbarschaft zu der TiN-Bindungsschicht mit einem x-Wert von 0,45 < x < 0,55, die zweite Unterschicht von (Ti_xAl_1-x)N einen x-Wert von 0,70 < x < 0,80 hat und die dritte Unterschicht ein x von 0,45 < x < 0,55 ist, usw. wiederholt, bis 12–25 Unterschichten aufgebaut sind, – eine dritte 0,1–0,5 μm dicke Schicht von (Ti_xAl_1-x)N, worin x 0,45 < x < 0,55 ist, und – eine vierte (äußerste) 0,1–0,2 μm dicke Schicht von TiN umfaßt, die Gesamtbeschichtungsdicke nahe der Schneidkante im Bereich von 1–8 μm variieren läßt, wobei die Dicke der zweiten Schicht 75–95% der gesamten Beschichtungsdicke beträgt.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hartmetallkörper eine WC-Co-Zusammensetzung von WC mit einer mittleren Korngröße von etwa 1,4 μm, 12–13 Gew.-% Co und 0,4–1,8 Gew.-% TaC + NbC umfaßt und die mit W niedriglegierte Bindephase ein CW-Verhältnis von 0,82–0,91 hat.