DK152531B - Titannitridholdig belaegning til metalskaerende vaerktoejer - Google Patents

Description

DK 152531 B

Opfindelsen :::.: -?r. titannitridholdig belægning til metalskærende værktøjer.

Der kendes titannitridbaserede belægninger til metalskærende værktøj (jfr. H.F. Bunshan et al.

5 "Thin solid films" 1977, 45, nr. 3, siderne 453-462).

Værktøjer med titannitridbelægninger har høj slidbestandighed ved forarbejdning af emner af strukturstål, der er 5 til 7 gange større end slid-bestandigheden af værktøjer uden belægning.

10 Ved forarbejdning af genstande, der er udført af rustfri stål og højtsmeltende legeringer med et værktøj med titannitridbelægning, er slidbestandigheden af sådant værktøj imidlertid utilstrækkelig. Årsagen hertil skyldes i vid udstrækning en adhæsionspåvirkning 15 mellem belægningen og det forarbejdede emne, hvilken påvirkning sker ved værktøjets kontaktflader under skæring. Som et resultat forøges temperaturen i skærezonen, og belægningens mekaniske styrke reduceres væsentligt på grund af den virkning, der frembringes af vanddampe 20 og oxygen.

Den omhandlede opfindelse angår tilvejebringelse af en belægning til metalskærende værktøjer med en sådan komposition, at et værktøj med en sådan belægning sikres en høj slidbestandighed ved forarbejdning af 25 emner af rustfrit stål og højtsmeltende legeringer.

Dette opnås ved, at den titannitridholdige belægning til de metalskærende værktøjer ifølge opfindelsen · yderligere indeholder enten chromnitrid i en mængde på fra 10 til 30% eller anvendt i kombination og ens-30 artet fordelt over belægningsrumfanget aluminiumnitrid i en mængde på fra 3 til 18 vægt%, molybdennitrid i en mængde på fra 2 til 8 vægt%, chromnitrid i en mængde på 2 til 10 vægt% og siliciumnitrid i en mængde på fra 0,5 til 10 vægt%.

35 Bikomponentbelægningen bestående af nitrider af chrom og titan er noget mindre kostbar i fremstilling, hvorimod multikomponentbelægningen sikrer en høj slidbestandighed for et bredere område forarbejde-

DK 152531 B

2 lige materialer.

Begge udførelsesformerne for belægningen ifølge opfindelsen vil ved påføring på det metalskærende værktøj forbedre dets slidbestandighed ved forarbejdning af 5 rustfrit stål og højtsmeltende legeringer med 4 til 6 gange i sammenligning med kendte belægninger på basis af titannitrid.

Ved forarbejdning af rustfrit stål og højtsmeltende legeringer virker chromnitrid i belægningen, 10 der består af titannitrid og chromnitrid, som en barriere, der hindrer aktive adhæsionsprocesser på værktøjets kontaktarealer og forøger således dets slidbestandighed. Yderligere resulterer en partiel oxidation af chromni-trid, der forekommer ved den høje temperatur, der udvik-15 les under skæringsprocessen i dannelsen af termodynamisk stabile chromoxider, der yderligere reducerer adhæsions-slidet på værktøjet.

Ved anvendelsen af en belægning bestående af nitrider af titan, aluminium, molybden, chrom og sili-20 cium i de ovennævnte forhold sikrer nitriderne en stor mikrohårdhed af belægningen,og de virker på grund af deres ensartede fordeling i rumfanget alle samtidigt. Efterhånden som temperaturen i skærezonen forøges, underkastes de resulterende slidprodukter og overflade-25 laget af belægningen, der indeholder nitrider af aluminium og molybden, oxidation med luftens oxygen og vanddampe til oxider. Det resulterende aluminiumoxid sænker værktøjets adhæsionsvekselvirkning med det forarbejdede materiale og nedsætter belægningens kemiske 30 aktivitet. Det under skæringen dannede molybdenoxid har smøreegenskaber og bidrager til at reducere friktionskoefficienten og følgelig temperaturen i skærezonen. Idet temperaturen forøges, begynder chromnitrid at blive nedbrudt under dannelse af et stabilt oxid, 35 der skaber en elektrisk barriere, der forhindrer genfordelingen af strømbærerne. De omdannede nitrider beskytter titan- og siliciumnitrider fra at miste deres mekaniske styrke, hvilke nitrider er ansvarlige for

,DK 152531 B

3 ΐ i en høj hårdhed i hele belægningens rumfang.

De kvantitative andele af de ovenfor anførte nitrider er valgt for at sikre termodynamisk stabilitet af belægningen.

5 Under hensyn til det faktum, at alle komponen terne i belægningen er fordelt ensartet i de ovennævnte andele er de permanent til stede ved værktøjets kontaktflade og formindsker virkningen af de faktorer, der nedsætter belægningsbestandigheden under forarbejd-10 ning af rustfrit stål og højtsmeltende legeringer.

Belægningen ifølge opfindelsen kan påføres ethvert metalskærende værktøjs arbejdsflade efter relativt enkle procedurer, f.eks. ved anvendelse af en af de kendte nedenfor angivne metoder: 15 a) spredning fra en mosaikkatode fremstillet af et sæt plader (segmenter) af de ovennævnte materialer _3 i en nitrogenatmosfære under et tryk på (3-5) x 10 mmHg; b) katodisk forstøvning af en pulverlignende 20 blanding bestående af de ovennævnte materialer i de forud valgte proportioner i en nitrogenatmosfære under tryk på (3-5) x 10 ^mmHg; c) fordampning af en katode bestående af titan i legering med enten chrom eller aluminium, molybden, 25 chrom og silicium i et vakuumkammer i en nitrogenatmosfære (metoden med kondensation af materiale fra plasma under anvendelse af ionbombardement).

Den omhandlede opfindelse illustreres nærmere i det følgende ved hjælp af udførelseseksempler.

30 Eksempel 1

Arbejdsfladen på et metalskærende værktøj fremstillet af en legering tilhørende K-gruppen (ISO-klassifikation) påførtes en belægning ved kondensation af materiale fra metalplasma under anvendelse af ionbom-35 bardement.

Denne proces gennemføres ved hjælp af samtidig fordampning af titan og chrom og tilføring af nitrogen

DK 152531B

t 4 ind i et vakuumkammer for at opretholde dets tryk ved (2-5) x 10"3 mmHg.

Proportionerne af titan og chrom i belægningen justeredes ved at variere udladning s strømmen i hver 5 fordamper.

Afprøvningen blev udført med skær med belægninger, der indeholdt henholdsvis 10, 20 og 30% chrom-nitrid, idet titannitrid udgjorde resten.

Undersøgelserne udførtes under en langsgående 10 drejning af en højtsmeltende legering med den følgende sammensætning i vægt%: C - 0,1-0,16; Si- under 0,6;

Mn - under 0,6; Cr - 10,5-12; Ni - 1,5-1,8; W - 1,6-2;

Mo - 0,35-0,5; V - 0,18-0,3; Fe - resten.

Skærebetingelserne var som følger: skærehastig-15 hed V = 37,3 m/min.; tilspænding S = 0,15 mm/omdrejning; skæredybde t = 0,3-0,5 mm.

Til opnåelse af sammenligningsresultater udførtes afprøvning af et skær med den kendte belæg ning af titannitrid under de samme betingelser.

20 Prøveresultaterne er anført i tabel I nedenfor.

Tabel I

Belægningskomponenter_Indhold % Holdbarhed, min.

TiN-CrN 10 21,5 20 25,5 25 30 28,0

TiN - 4,9

Af ovenstående tabel I fremgår det, at holdbarheden af værktøjet med belægningen ifølge opfindelsen er omkring 2 til 5 gange større end holdbarheden af 30 et værktøj med den kendte belægning ved forarbejdning af den højtsmeltende legering.

Eksempel 2

Et skæreværktøj med trekantet platte af en legering fra M- eller K-gruppen (efter ISO) på-35 førtes en belægning ved metoden med materialekondensation fra metalplasma efter proceduren fra eksempel 1;

DK 152531 B

5 belægningen havde den følgende sammensætning: A1N - 5,5%, MO2N - 2,0%, CrN - 2%, SiN - 0,5%, TiN - resten. Skæreafprøvningen blev udført ved skæring af chrom-nikkel-stål, der efter vægt% indeholdt: C - under 0,12, Si -5 under 0,8, Mn - 1-1,2, Cr - 17-19, Ni - 9-11, Ti - ca.

0,8, Fe - resten.

Skærebetingelserne var som følger: t = 3 mm, S = 0,3 mm/omdrejning, V = 122 m/min.

Afprøvningen viste en skærholdbarhed på 30 mi-10 nutter for 3 kanter.

Med henblik på sammenligning afprøvedes et tilsvarende skær, der havde en belægning af titannitrid.

Under de samme betingelser var dets holdbarhed 5,4 minutter for 3 kanter eller omkring 5,5 gange mindre 15 end holdbarheden af skæret med belægningen ifølge opfindelsen.

Eksempel 3

Et skæreværktøj med trekantet platte af en legering fra K-gruppen (ifølge ISO) påførtes en be-20 lægning efter metoden med kondensation af materiale fra metalplasma; hvilken belægning indeholdt: AlN - 18%, ΜΟ2Ν - 4%, CrN - 5%, SiN - 5%, TiN - 68%. Skærets afprøvning udførtes ved langsgående drejning af stål, der i vægt% indeholdt: C - 0,11-0,17, Si - under 0,8, 25 Cr - 16-18, Ni - 1,5-2,5, Fe - resten.

Skærebetingelserne var de samme som i eksempel 2 ovenfor. Afprøvningen viste, at skærets holdbarhed var 25 minutter for 3 kanter.

Eksempel 4 30 Undersøgelsen udførtes på lignende måde som beskrevet i det foregående eksempel 3, bortset fra at den påførte belægning bestod af: AlN - 5,5%, MO2N - 4%,

CrN - 5%, SiN - 10%, TiN - resten. Skærets holdbarhed viste sig at være 22 minutter for 3 kanter.

35 De i eksemplerne 3 og 4 beskrevne belægninger sikrede en forøget holdbarhed af skæreværktøjerne ved

DK 152531 B

6 forarbejdning af rustfrit stål på ca. 4,5 gange i sammenligning med skæreværktøj med en belægning af titannitrid (beskrevet i eksempel 2 ovenfor).

Eksempel 5 5 Forskellige belægninger påførtes arbejdsfladen på tre ensartede tandformere af high-speed-stål ved metoden med materialekondensation fra metalplasma; stålet indeholdt: 6% W, 5% Mo, Fe - resten. På én tandformer påførtes en belægning bestående af 20% CrN, 80% 10 TiN; på den anden en belægning bestående af 5% A1N, 6% M02N, 4% CrN, 5% SiN og TiN - resten; på den tredie -til sammenligning - en kendt belægning på basis af TiN.

Tandformernes afprøvning udførtes på en tandhjuls-15 stikkemaskine ved forarbejdning af stål indeholdende efter vægt%: C - 1,6, Cr, Mn, Ti, Ni - hver ca. 1,

Fe - resten.

Skærebetingelserne var som følger: antal dobbeltslag pr. minut - 125, cirkulær tilspænding - 0,25 min./ 20 dobbeltslag.

Resultatet af prøverne var, at holdbarheden af tandformeren med CrN-TiN-belægningen var 1040 minutter, holdbarheden af tandformeren med multikomponentbelægningen 1196 minutter og holdbarheden af tandformeren med 25 TiN-belægningen 273 minutter, dvs. den var betydeligt mindre end holdbarheden af værktøjerne med en belægning ifølge opfindelsen, henholdsvis 3,8 og 4,4 gange mindre.

Eksempel 6

Undersøgelsen udførtes på lignende måde som 30 beskrevet i eksempel 3 tidligere. Der aflejredes en multikomponentbelægning bestående af: A1N - 3%, Ifc^N -2%, CrN - 2%, SiN - 3%, TiN - resten. Afprøvningen viste, at skærets holdbarhed var 18 minutter for 3 kanter, dvs. ca. 2,4 gange større end holdbarheden et tilsva-35 rende skær med en titannitridbelægning.

Claims (3)

1. 5 TiN - resten. Undersøgelsen viste, at holdbarheden af skæret var 25 minutter for 3 kanter, hvilket er 3,3 gange højere end holdbarheden af et tilsvarende skær med en titannitridbelægning. Eksempel 8
2. 10 Undersøgelsen udførtes på en måde svarende til den, der beskrevet i eksempel 3. Der afsattes en multikomponentbelægning, der havde den følgende sammensætning: AlN - 3%, Mo2N - 8%, CrN - 10%, SiN - 3%, TiN - resten. Undersøgelserne viste, at holdbarheden af skæ-15 ret var 22 minutter for 3 kanter, dvs. ca. 2,9 gange større end holdbarheden af et tilsvarende skær med den kendte titannitridbelægning. Belægningen ifølge opfindelsen kan anvendes til et vilkårligt metalskærende værktøj, såsom bor, 20 skær, fræser osv., især til værktøjer, der er· fremstillet af high-speed-skasrestål og anvendes ved forarbejdning af genstande, der er fremstillet af rustfrit stål S og højtsmeltende legeringer.
3. 25 PATENTKRAV Titannitridholdig belægning til metalskærende værktøj, kendetegnet ved, at den yderligere indeholder enten chromnitrid i en mængde på fra 10 til 30 vægt% eller aluminiumnitrid i en 30 mængde på fra 3 til 18 vægt%, molybdennitrid i en mængde på fra 2 til 8 vægt%, chromnitrid i en mængde på fra 2 til 10 vægt% og siliciumnitrid i en mængde på fra 0,5 til 10 vægt%, idet alle er anvendt i kombination og ensartet fordelt i belægningens rumfang.