DE60013675T2

DE60013675T2 - Sinterkarbideinsatz

Info

Publication number: DE60013675T2
Application number: DE60013675T
Authority: DE
Inventors: Anders Lenander; Mikael Lindholm
Original assignee: Sandvik AB
Current assignee: Sandvik Intellectual Property AB
Priority date: 1999-04-08
Filing date: 2000-03-29
Publication date: 2005-02-10
Anticipated expiration: 2020-03-30
Also published as: SE9901243D0; USRE39893E1; EP1043416A2; EP1043416B1; DE60013675D1; ATE276379T1; SE519828C2; JP2000334608A; EP1043416A3; SE9901243L

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen beschichteten Hartmetallschneidwerkzeugeinsatz, der besonders brauchbar für das Drehen von Stählen oder nicht-rostenden Stählen und besonders geeignet für Tätigkeiten mit starkem Bedarf an Zähigkeitseigenschaften des Einsatzes ist. Der Hartmetalleinsatz hat Oberflächenzonen mit Zusammensetzungen bezüglich der Elemente, die von der Massenzusammensetzung abweichen, welche gleichzeitig eine ausgezeichnete Zähigkeitsleistung als auch gute Beständigkeit gegen plastische Verformung ergibt.
Heutzutage müssen Hochleistungs-Schneidwerkzeuge hohe Verschleißbeständigkeit, hohe Zähigkeitseigenschaften und gute Beständigkeit gegen plastische Verformung besitzen. Verbessertes Zähigkeitsverhalten des Schneideinsatzes kann durch Erhöhung der WC-Korngröße und/oder Erhöhung des Gehaltes an Bindephase erreicht werden, doch resultieren diese Veränderungen in einem gleichzeitigen signifikanten Verlust der Beständigkeit gegen plastische Verformung.
Verfahren zur Verbesserung des Zähigkeitsverhaltens durch Einführung einer im wesentlichen gammaphasenfreien und mit Bindephase angereicherten Oberflächenzone mit einer Dicke von etwa 20 bis 40 μm auf den Einsätzen durch sogenannte Gradientensintertechnik seit einiger Zeit bekannt, wie aus den US-Patenten 4,277,283 , 4,497,874 , 4,548,786 , 4,640,931 , 5,484,468 , 5,549,980 , 5,649,279 und 5,729,823 . Die charakteristischen Merkmale dieser Patente sind die, durch welche die Oberflächenzone an Gamma-Phase verarmt und an Bindephase angereichert wird.
Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß durch Verwendung einer optimierten Zusammensetzung der Gamma-Phase, d.h. durch eine Gamma-Phase, die im wesentlichen nur aus TaC und TiC zusätzlich zu WC besteht, indem man das Verhältnis zwischen den Elementen Ta und Ti in speziellen Grenzen hält, und durch Verwendung einer stark W-legierten Bindephase die Zähigkeitseigenschaften der durch Gradientensinterung erhaltenen Schneideinsätze signifikant ohne Verlust an Beständigkeit gegen plastische Verformung verbessert werden können.
1 ist eine graphische Darstellung, die die Höhe der Co-Anreicherung nahe der Oberfläche eines Einsatzes nach der Erfindung zeigt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung bekommt man nunmehr einen beschichteten Hartmetalleinsatz mit einer 10 bis 30 μm dicken, im wesentlichen gamma-phasenfreien und mit Bindephase angereicherten Oberflächenzone mit einem mittleren Bindephasengehalt (volumenmäßig) im Bereich des 1,2- bis 2,0-fachen des Bindephasengehalts in Masse. Die Gamma-Phase besteht im wesentlichen aus TaC und TiC und in einigem Umfang aus WC, gelöst in der Gamma-Phase während des Sinterns. Das Verhältnis Ta/Ti ist 2,0 bis 3,0.
Die Bindephase ist stark W-legiert. Der Gehalt an W in der Bindephase kann wie folgt ausgedrückt werden: CW-Verhältnis = MS/(Gew.-% Co·0,0161),worin M_S die gemessene Sättigungsmagnetisierung des Hartmetallkörpers in kA/m ist und Gew.-% Co der Gewichtsprozentsatz von Co in dem Hartmetall ist. Das CW-Verhältnis bekommt einen Wert ≤ 1, und je niedriger das CW-Verhältnis ist, desto höher ist der W-Gehalt in der Bindephase. Es wurde nun nach der Erfindung gefunden, daß eine verbesserte Schneidleistung erzielt werden kann, wenn das CW-Verhältnis im Bereich 0,80 bis 0,85 liegt.
Die vorliegende Erfindung ist anwendbar auf Hartmetalle mit einer Zusammensetzung von 5 bis 12, vorzugsweise 9 bis 11 Gewichtsprozent Co-Bindephase und 3 bis 11, vorzugsweise 7 bis 10 Gewichtsprozent TaC + TiC, Rest WC. Der Nb-Gehalt sollte 0,1 Gew.-% nicht übersteigen. Das Gewichtsverhältnis von Ta/Ti sollte 2,0 bis 3,0 sein. Das WC hat eine mittlere Korngröße von 1,0 bis 4,0 μm. Der Hartmetallkörper kann kleine Mengen, > 1 Vol.-% η-Phase (M₆C) enthalten.
Einsätze nach der Erfindung werden weiterhin mit einer Beschichtung versehen, die grundsätzlich aus einer 3 bis 12 μm dicken säulenartigen TiCN-Schicht und danach einer 1 bis 8 μm dicken Al₂O₃-Schicht, die beispielsweise nach einem der folgenden US-Patente abgeschieden wurde, vorzugsweise mit einer κ-Al₂O₃-Schicht und stärker bevorzugt mit einer dünnen Außenschicht von TiN, welche vorzugsweise in der Kantenlinie durch Bürsten oder durch Sandstrahlen entfernt wird: US-5,766,782 , US-5,654,035 , US-5,674,564 und US-5,702,808 .
Durch Aufbringung von Beschichtungen mit unterschiedlicher Dicke auf dem Hartmetallkörper nach der Erfindung kann die Eigenschaft des beschichteten Einsatzes so optimiert werden, daß man spezifische Schneidbedingungen erhält. Nach einer Ausführungsform wird ein Hartmetalleinsatz, der gemäß der Erfindung hergestellt wird, mit einer Beschichtung versehen, die aus 6 μm TiCN, 5 μm Al₂O₃ und 1 μm TiN besteht. Dieser beschichtete Einsatz ist besonders geeignet für Schneidoperationen in Stahl. Bei einer anderen Ausführungsform wird ein Hartmetalleinsatz, der nach der Erfindung erzeugt worden war, ausgestattet mit einer Beschichtung erzeugt, die mit einem Überzug versehen wird, der aus 4 μm TiCN, 2 μm Al₂O₃ und 1 μm TiN besteht. Diese Beschichtung ist besonders geeignet für Schneidoperationen in nicht-rostenden Stählen.
Schneideinsätze nach der Erfindung, die ein Hartmetallsubstrat umfassen, das aus einer Co-Bindephase, WC und einer Gamma-Phase aus den Elementen Ta und Ti besteht, wobei eine mit Bindephase angereicherte Oberflächenzone im wesentlichen frei von Gamma-Phase vorliegt, auf folgende Weise hergestellt wurden: ein Pulvergemisch mit einem Gehalt von 5 bis 12, vorzugsweise 9 bis 11 Gew.-% Bindephase, bestehend aus Co und 3 bis 11, vorzugsweise 7 bis 10 Gew.-% TaC + TiC und Rest WC mit einer mittleren Korngröße von 1,0 bis 4,0 μm, vorzugsweise 1,5 bis 3,0 μm wird hergestellt. Der Nb-Gehalt sollte 0,1 Gew.-% nicht übersteigen. Das Gewichtsverhältnis Ta/Ti sollte 1,0 bis 4,0, vorzugsweise 2,0 bis 3,0 sein. Gut gesteuerte Mengen von Stickstoff sind entweder während der Carbonitrierung des Pulvers oder/und während des Sinterverfahrens über die Sintergasatmosphäre zuzugeben. Die Menge an zugesetztem Stickstoff wird die Auflösungsrate der kubischen Phasen während des Sinterverfahrens und damit die Gesamtverteilung der Elemente in dem Hartmetall nach Verfestigung bestimmen. Die zu verwendende optimale Stickstoffmenge hängt von der Zusammensetzung des Hartmetalls und speziell von der Menge an kubischen Phasen ab und variiert zwischen 0,6 und 2,0 Prozent des Gewichts der Elemente Ti und Ta. Die genauen Bedingungen hängen in einem bestimmten Umfang von der Gestaltung der verwendeten Sinteranlage ab. Es liegt innerhalb des Fachwissens des Fachmanns, zu bestimmen, ob die erforderliche Oberflächenzone des Hartmetalls erhalten wurde, und die Stickstoffzugabe sowie das Sintenverfahren gemäß der vorliegenden Beschreibung so abzuwandeln, daß man das erwünschte Ergebnis bekommt.
Die Rohmaterialien werden mit Preßmittel und gegebenenfalls W so miteinander vermischt, daß das erwünschte CW-Verhältnis erhalten wird, und das Gemisch wird gemahlen und sprühgetrocknet, um ein Pulvermaterial mit den erwünschten Eigenschaften zu erhalten. Danach wird das Pulvermaterial verdichtet und gesintert. Das Sintern erfolgt bei einer Temperatur von 1300 bis 1500°C in einer kontrollierten Atmosphäre von etwa 50 mbar, wonach gekühlt wird. Nach herkömmlichen Nachsinterungsbehandlungen einschließlich Kantenabrundung wird ein harter, verschleißbeständiger Überzug mit den obigen Mitteln durch CVD- oder MT-CVD-Technik abgeschieden.
Beispiel 1

A.) Hartmetalldreheinsätze der Type CNMG 120408-PM und SNMG 120412-PR mit der Zusammensetzung 9,9 Gew.-% Co, 6,0 Gew.-% TaC, 2,5 Gew.-% TiC und 0,3 Gew.-% TiN sowie mit Rest WC mit einer durchschnittlichen Korngröße von 2,0 μm wurden gemäß der Erfindung hergestellt. Der Stickstoff wurde dem Carbidpulver als TiCN zugesetzt. Sintern erfolgte dann bei 1450°C in einer Atmosphäre, die aus Ar bestand, mit einem Gesamtdruck von etwa 50 mbar. Metallographische Untersuchung zeigte, daß die erzeugten Einsätze eine gamma-phasenfreie Zone von 15 μm erzeugten. 1 zeigt eine graphische Darstellung der Co-Anreicherung nahe der Oberfläche, gemessen durch Bildanalysentechnik. Das Co war bis zu einem Spitzenwert vom 1,3-fachen des Massegehaltes angereichert. Magnetische Sätti gungswerte wurden aufgezeichnet und für die Berechnung der CW-Werte verwendet. Ein mittlerer CW-Wert von 0,81 wurde erhalten. Nach herkömmlicher Vorbeschichtungsbehandlung, wie beispielsweise Kantenschleifen, Reinigen usw. wurden die Einsätze in einem CVD-Verfahren beschichtet, das eine erste Beschichtung mit einer dünnen Schicht von < 1 μm von TiN gefolgt von einer 6 μm dicken Schicht von TiCN mit säulenförmigen Körnern durch Verwendung von MTCVD-Technik (Verfahrenstemperatur 850°C und CH₃CN als Kohlenstoff/Stickstoffquelle). In einem nachfolgenden Verfahrensschritt während desselben Beschichtungszyklus wurde eine 5 μm dicke κ-Al₂O₃-Schicht nach dem US-Patent 5,674,564 abgeschieden. Oben auf die κ-Al₂O₃-Schicht wurde eine 1,0 μm TiN-Schicht abgeschieden. Die beschichteten Einsätze wurden gebürstet, um unter Glättung den TiN-Überzug von der Kantenlinie abzutrennen.
B.) Sintercarbiddreheinsätze der Type CNMG 120408-PM und SNMG 120412-PR mit der Zusammensetzung 10,0 Gew.-% Co, 2,9 Gew.-% TaC, 3,4 Gew.-% TiC, 0,5 Gew.-% NbC und 0,2 Gew.-% TiN und Rest WC mit einer mittleren Korngröße von 2,1 μm wurden erzeugt. Die Einsätze wurden im gleichen Verfahren wie A gesintert. Metallographische Untersuchung zeigte, daß die produzierten Einsätze eine gamma-phasenfreie Zone von 15 μm hatten. Magnetische Sättigungswerte wurden aufgezeichnet und zur Berechnung der CW-Werte verwendet. Ein mittlerer CW-Wert von 0,81 wurde erhalten. Die Einsätze wurden der gleichen Vorbeschichtungsbehandlung wie A unterzogen, im gleichen Beschichtungsverfahren beschichten und auch in der gleichen Wiese wie A gebürstet.
C.) Hartmetalldreheinsätze der Type CNMG 120408-PM und SNMG 120412-PR mit der Zusammensetzung 10,0 Gew.-% Co, 3,0 Gew.-% TaC, 6,3 Gew.-% ZrC und Rest WC mit einer mittleren Körngröße von 2,5 μm wurden hergestellt. Metallographische Untersuchung zeigt, daß die produzierten Einsätze eine gamma-phasenfreie Zone von 12 μm hatten. Magnetische Sättigungswerte wurden aufgezeichnet und zur Berechnung der CW-Werte verwendet. Ein durchschnittlicher CW-Wert von 0,79 wurde erhalten. Die Einsätze wurden der gleichen Vorbeschichtungsbehandlung wie A unterzogen, in dem gleichen Beschichtungsverfahren überzogen und auch in der gleichen Wiese wie A gebürstet.

Beispiel 2
Einsätze von A, B und C wurden in Bezug auf die Zähigkeit in einem Längsdrehen mit unterbrochenen Schnitten getestet.

Material: Kohlenstoffstahl SS1312
Schneidwerte:
Schneidgeschwindigkeit = 130 m/Min.
Schnittiefe = 1,5 mm
Vorschub = Starten mit 0,15 mm und allmählich gesteigert um 0,10 mm/Min bis zum Bruch der Kante.
Acht Kanten von ihnen wurden getestet.
Einsatztype: CNMG 120408 PM
Ergebnisse:

Mittlerer Vorschub beim Bruch

Einsatz A 0,31 mm/Umdrehung

Einsatz B 0,22 mm/Umdrehung

Einsatz C 0,22 mm/Umdrehung

Beispiel 3
Einsätze A, B und C wurden in Bezug auf die Widerstandsfähigkeit gegen plastische Verformung in Längsdreharbeit mit legiertem Stahl (AISI 4340) getestet.
Einsatztype CNMG 120408-PM Schneiddaten:

Schneidgeschwindigkeit = 100 m/Min.

Vorschub = 0,7 mm/Umdrehung

Schneidtiefe = 2 mm

Zeit beim Schneiden = 0,50 Min.
Die plastische Verformung wurde als die Kantenvertiefung an der Nase der Einsätze gemessen. Ergebnisse:

Kantenvertiefung, μm

Einsatz A 49

Einsatz B 63

Einsatz C 62
Beispiel 4
Versuche wurden bei einem Endverbraucher durchgeführt, der Hinterwellen für Lastkraftwagen produzierte. Die Einsätze A und C wurden in drei Drehoperationen mit hohem Bedarf an Zähigkeit infolge unterbrochener Schnitte getestet. Die Einsätze liefen bis zum Bruch der Kante. Die Einsatztype SNMG 120412-PR wurde verwendet.
Ergebnisse:
Beispiele 2, 3 und 4 zeigen, daß die Einsätze A nach der Erfindung viel bessere Zähigkeit in Kombination mit etwas besserem Widerstand gegen elastische Verformung im Vergleich mit den Einsätzen B und C nach dem Stand der Technik zeigen.

Claims

Schneidwerkzeugeinsatz für Bearbeitung von Stahl mit einem Hartmetallkörper und einer Beschichtung, wobei der Körper WC mit einer mittleren WC-Korngröße im Bereich von 1,0 bis 4,0 μm, 5 bis 12 Gew.-% Co und 3 bis 11 Gew.-% kubische Carbide der Metalle Ta, Ti und W mit einer Nb-Menge geringer als oder gleich wie 0,1 Gew.-% sowie einen Stickstoffgehalt zwischen 0,6 und 2 Gew.-% der Elemente Ti und Ta besitzt, das Verhältnis von Ta/Ti 2,0 bis 3,0 beträgt und die Co-Bindephase mit W stark legiert mit einem CW-Verhältnis von 0,80 bis 0,85 ist und der Hartmetallkörper eine Bindephase hat, die im wesentlichen eine gamma-phasenfreie Oberflächenzone einer Dicke von 10 bis 30 μm mit einem Bindephasengehalt des 1,2- bis 2-fachen Volumens des Massen-Bindephasengehaltes hat.
Schneidwerkzeugeinsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Co-Gehalt innerhalb von 9 bis 11 Gew.-% liegt.
Schneidwerkzeugeinsatz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an TiC und TaC innerhalb von 7 bis 10 Gew.-% liegt.
Schneidwerkzeugeinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung eine 3 bis 12 μm dicke säulenförmige TiCN-Schicht und danach eine 1 bis 8 μm dicke Al₂O₃-Schicht umfaßt.
Schneidwerkzeugeinsatz nach dem vorausgehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Al₂O₃-Schicht κ-Al₂O₃ ist.
Schneidwerkzeugeinsatz nach einem der Ansprüche 4 bis 5, gekennzeichnet durch eine äußerste TiN-Schicht.
Schneidwerkzeugeinsatz nach dem vorausgehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die TiN-Schicht in der Kantenlinie durch Bürsten oder Sandstrahlgebläse entfernt ist.