DE69125181T2

DE69125181T2 - Verfahren zur herstellung einer gesinterten karbonitridlegierung zum feinfräsen

Info

Publication number: DE69125181T2
Application number: DE69125181T
Authority: DE
Inventors: Rolf Oskarsson; Gerold Weinl
Original assignee: Sandvik AB
Current assignee: Sandvik AB
Priority date: 1990-12-21
Filing date: 1991-12-19
Publication date: 1997-06-19
Anticipated expiration: 2011-12-20
Also published as: EP0563204B1; ATE150094T1; US5561830A; JPH06504586A; DE69125181D1; SE9004115L; SE9004115D0; WO1992011392A1; SE469384B; EP0563204A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer gesinterten Carbonitridlegierung mit Titan als Hauptbestandteil mit hervorstechenden Eigenschaften bei extrem feiner maschineller Bearbeitung mit hohen Schneidgeschwindigkeiten und geringem Vorschub.
Gesinterte Cabonitridlegierungen hauptsächlich auf der Basis von Titan, die gewöhnlich als Cermets bezeichnet werden, wurden in den letzten Jahren zunehmend zu Lasten von üblicherem Sintercarbid, d. h. von Legierungen auf Wolframcarbidbasis, verwendet.
Die US-3 971 656 beschreibt die Herstellung einer Legierung mit einem Duplex- Hartbestandteil, wobei der Kern einen hohen Gehalt an Ti und N hat und der umgebende Mantel einen geringeren Gehalt dieser beiden Elemente besitzt, was durch einen höheren Gehalt an Metallen der Gruppe VI, d. h. im Prinzip Mo und W, und durch höheren Kohlenstoffgehalt ausgeglichen wird. Der höhere Gehalt an Mo, W und C hat unter anderem den Vorteil, daß die Benetzung der Bindephase verbessert, d. h. das Sintern erleichtert wird. Als ein Rohmaterial wird ein Carbonitrid von Titan und eines Metalles der Gruppe VI verwendet.
Durch Wechsel des Rohmatenals ist es möglich, die Kern-Hüllen-Zusammensetzung zu variieren. Beispielsweise in der schwedischen Patentschrift Nr. 459 862 ist gezeigt, wie es möglich ist, (Ti,Ta)C als ein Rohmaterial zu verwenden, um eine Duplexstruktur mit Kernen mit einem hohen Gehalt an Titan und Tantal, aber einem niedrigen Gehalt an Stickstoff zu bekommen. Die umgebenden Hüllen haben höhere Gehalte an Metallen der Gruppe VI, d. h. Molybdän und Wolfram, und höhere Gehalte an Stickstoff als die Kerne. Dies führt unter anderem zu einer verbesserten Widerstandsfähigkeit gegen plastische Verformung.
Außerdem wurde in der schwedischen Patentanmeldung Nr. 8 902 306-3 gezeigt, wie durch Vermischen verschiedener Typen von Kern-Hüllen-Strukturen in ein und derselben Legierung Vorteile und Nachteile derart abgeschlichen werden können, daß optimierte Legierungen erhalten werden.
Die EP-A-259 192 beschreibt eine gesinterte Legierung, die ein Gemisch des Carbonitrids von Titan und wenigstens eines Elementes aus der Gruppe der Elemente der Gruppen IV, V und VI ausgenommen Titan in einer auf Co und/oder Ni basierenden Bindephase umfaßt. Die Legierung wird durch Vermischen von Pulvern der Hartbestandteile, Erhitzen des Gemisches in einer Stickstoffatmosphäre auf eine Temperatur von wenigstens der Sintertemperatur, um eine feste Lösung von komplexem Carbonitrid zu bilden, das auch das Element oder die Elemente der Gruppe VI umfaßt, und Vermahlen dieser festen Lösung, um ein Carbonitridpulver zu erhalten, welches mit Co und/oder Ni vermischt und gesintert wird, erzeugt.
Es zeigt sich nun, daß einzigartige Strukturen und einzigartige Eigenschaften bei der Herstellung gesinterter Carbonitridlegierungen auf Titanbasis erhalten werden, wenn man als Rohmaterial komplexes kubisches Carbonitrid, das aus Metallen der Gruppen IV und V des Periodensystems sowie Kohlenstoff und Stickstoff besteht, als den Hauptteil des Pulvergemisches verwendet, so daß mehr als 95 % der Menge der Metalle in der fertigen Legierung aus diesem komplexen Carbonitrid kommen. Wenigstens zwei, vorzugsweise wenigstens drei der Metalle der Gruppen IV und V sind in der fertigen gesinterten Carbonitridlegierung vorhanden. Vorzugsweise soll der gesamte Stickstoff in dem erwähnten Carbonitridrohmaterial vorhanden sein.
Die Erfindung wird in Anspruch 1 definiert.
Insbesondere sollen in dem Rohmaterial nach der Erfindung als die obenerwähnten Metalle Titan und Tantal vorhanden sein. Vorzugsweise sind auch Vanadin, Niob und zweckmäßig Zirkonium und Hafnium in der komplexen Carbonitridform vorhanden, wenn sie Teil der fertigen gesinterten Legierung sind. Metalle aus der Gruppe VI, Cr, Mo und W, sollen, wenn sie vorhanden sind, als Mehrfachcarbide, Einfachcarbide und/oder Metall plus Kohlenstoff zugegeben werden.
Das Rohmaterial nach der Erfindung wird direkt durch Cabonitrieren der Oxide der Metalle oder der Metalle selbst hergestellt. Als ein Ergebnis bekommt man ein Carbonitridpulver mit im wesentlichen gleichachsigen Körnern einer engen Korngrößenverteilung mit einer mittleren Korngröße von 0,8 bis 3 µm, vorzugsweise 1 bis 2 µm.
Wie erwähnt, bekommt man interessante Eigenschaften einer gesinterten Carbonitridlegierung, wenn die speziellen Rohmaterialien nach dieser Erfindung verwendet werden. So zeigte sich, daß eine Carbonitridlegierung mit extrem positiven Eigenschaften beim Feinfräsen, besonders bei hohen Schneidgeschwindigkeiten, > 250 m/s, für Kohlenstoffstahl und niedriglegierten Stahl und bei geringem Vorschub, < 0,3 mm/U, erhalten wird, wenn ein komplexes Rohmaterial beispielsweise mit der Zusammensetzung (Ti0,95,Ta0,05) (C0,7,N0,3) verwendet wird. Dieser Effekt wird zusätzlich gesteigert, wenn außerdem Vanadin zugegeben wird, wodurch die entsprechende Formel (Ti0,91,Ta0,04,V0,05) (C0,72,N0,28) sein wird. Entsprechende Einsätze aus einfachen Rohmaterialien und in genau der gleichen Einrichtung ergeben stark verminderte Zähigkeitseigenschaften, die unter anderem bei der gleichen Verschleißbeständigkeit größere Streuung ergeben. Dies bedeutet, daß die Zuverlässigkeit solcher Einsätze stark vermindert wird, was bedeutet, daß sie nicht so wirksam sind, wenn man mit begrenzter Mannschaft eine Produktionsform mit gesteigerter Bedeutung infolge wachsender Arbeitskosten durchführt.
Als einer der Gründe für dieses positive Verhalten ergab sich, daß ein beachtlich geringerer Porositätswert mit diesem komplexen Rohmaterial im Vergleich mit herkömmlichen Rohmaterialien erhalten wird, ohne daß man andere Mittel, wie HIP verwenden muß, und dies mit sogar niedrigerem Verdichtungsdruck als für herkömmliches Material. Dies ist ein großer Vorteil vom Standpunkt der Produktion unter anderem infolge verminderten Werkzeugverschleißes und erheblich geringerer Gefahr für ungünstige Preßrisse.
Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zur Herstellung einer Carbonitridlegierung auf Titanbasis mit 3 bis 25 Gew.% Bindephase auf der Basis von Co, Ni und/oder Fe unter Verwendung des obenerwähnten komplexen Rohmatenals. Dieses Rohmaterial wird zusammen mit Carbiden aus der Gruppe VI, wenn überhaupt, und Bindephaseelementen sowie Kohlenstoffzugabe, wenn überhaupt, und kleineren Zusätzen, wie beispielsweise TiC, TiN, TaC, VC oder Kombinationen hiervon, infolge kleiner Abweichungen in der Zusammensetzung von dem komplexen Rohmaterial vermahlen, worauf eine Verdichtung und ein Sintern, vorzugsweise in einer inerten Atmosphäre, gemäß bekannten Methoden durchgeführt wird.
Fig. 1 zeigt das Vufensteruv in dem Zusammensetzungsdiagramm für Gruppe IV - Gruppe V - C-N, ausgedrückt als Molverhältnis, des komplexen Rohmatenals, welches die obenerwähnten Vorteile zeigt, in starker Vergrößerung, während
Fig. 2 zeigt, wo in dem gesamten Molverhältnisdiagramm dieser kleine Bereich angeordnet ist.
Metalle der Gruppe IV sind Ti, Zr und/oder Hf, und Metalle der Gruppe V sind V, Nb und/oder Ta.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, umfaßt das Fenster den Zusammensetzungsbereich:
0,87 ≤ XIV ≤ 0,99
0,66 ≤ XC ≤ 0,76
und insbesondere:
0,89 ≤ XIV ≤ 0,97
0,68 ≤ XC ≤ 0,74
Das letztere begrenzte Fenster kann in zwei unterteilt werden, eines ohne andere Metalle der Gruppe V als Ta:
0,93 ≤ XIV ≤ 0,97
0,68 ≤ XC ≤ 0,74
und ein anderes mit anderen Elementen der Gruppe V als Ta, d. h. V und Nb:
0,89 ≤ XIV ≤ 0,93
0,68 ≤ XC ≤ 0,74
Besonders gute Eigenschaften bekommt man für die Zusammensetzungen
0,93 ≤ XIV ≤ 0,97
0,68 ≤ XC ≤ 0,72
bzw.
0,89 ≤ XIV ≤ 0,93
0,70 ≤ XC ≤ 0,74
Für Titan gilt das folgende: xTi > 0,7, vorzugsweise xTi > 0,75
In den oben angegebenen Molverhältnissen für Kohlenstoff und Stickstoff können übliche Mengen an Sauerstoff vorhanden sein, d. h. als Ersatz für Kohlenstoff und Stickstoff, selbst wenn es erwünscht ist, solche Sauerstoffmengen unter < 0,8 %, vorzugsweise < 0,5 % zu halten. Die Erfindung umfaßt stöchiometrische wie auch üblicherweise substöchiometrische Carbonitride.

Beispiel

Carbonitridlegierungen auf Titan basis mit 12 % Ni + Co als Bindephase wurden unter Verwedung eines komplexen Rohmatenals nach der Erfindung (Ti0,91,Ta0,04,V0,05) (C0,72,- N0,28) sowie unter Verwendung von einfachem Rohmaterial: TiN, TiC und VC hergestellt. In beiden Fällen wurden zusätzlich zu Co und Ni auch WC und Mo&sub2;C zugegeben. Der folgende Verdichtungsdruck und die folgende Porosität nach dem Vermahlen und Sintern mit der gleichen Korngröße wurden erhalten:

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Carbonitridlegierung auf Titan basis für Feinbearbeitung mit 3 bis 25 Gew.% Bindephase durch Vermahlen, Pressen und Sintern eines Pulvergemisches nach bekannter pulvermetallurgischer Methode, wobei der Hauptteil des Pulvergemisches ein komplexes kubisches Carbonitridpulver ist, das aus Metallen der Gruppen IV und V des Periodensystems sowie Kohlenstoff und Stickstoff besteht, mehr als 95 % der Menge dieser Metalle in der fertigen Legierung aus dem komplexen Carbonitrid kommen und das komplexe Carbonitrid die Zusammensetzung

0,87 ≤ XIV ≤ 0,99

0,66 ≤ XC ≤ 0,76

hat, worin XIV der molare Anteil der Elemente der Gruppe IV ist und XC der molare Anteil von Kohlenstoff ist, das komplexe Carbonitrid im wesentlichen äquiaxiale Körner mit einer engen Korngrößenverteilung mit einer mittleren Korngröße von 0,8 bis 3 µm umfaßt und das komplexe Carbonitrid direkt durch Carbonitrierung der Oxide des Metalles oder der Metalle selbst erzeugt wird.