DK154544B - Vaerktoej til spaantagende bearbejdning med et flerlagsovertraek - Google Patents

Description

DK 154544 B

Opfindelsen angår værktøj til spåntagende bearbejdning med et flerlagsovertræk, hvis lag består af et nitrid eller carbid af et metal fra gruppe IV i det periodiske system, og af et nitrid, carbid, borid eller si-5 licid af et metal fra det periodiske systems gruppe VI.

Et sådant værktøj kendes fra tysk offentliggørelsesskrift 28 51 584.

Ved dette kendte værktøj ligger der på et grundlegeme et eller flere lag af carbider eller nitrider af 10 forskellige grundstoffer, herunder også af metaller fra det periodiske systems grupper IV og VI, og på dette eller disse indre lag ligger et eller flere lag af en blanding af et oxid og et nitrid eller et oxidnitrid af forskellige grundstoffer, også herunder metaller fra det pe-15 riodiske systems grupper IV og VI.

Fra britisk patentskrift 1 321 525 kendes påfø-relse af etlags- eller flerlagsovertræk af et eller flere carbider af metaller. Også her nævnes grupperne IV og VI ved siden af hinanden blandt andre metaller uden 20 forskelsangivelse.

Endelig kendes fra britisk patentskrift 1 297 896 et tolagsovertræk på et spåntagende værktøj, hvor det ene lag består af carbider af metaller fra gruppe IV og V, og det andet lag består af et eller flere carbider af metal-25 ler fra gruppe VI.

Intet af disse kendte overtræk muliggør en optimal slidbestandighed ved betingelser, som kendetegnes ved tilstedeværelse af store belastninger og høje temperatu rer.

30 I sig selv er flerlagsovertræk med vekslende hårde og mindre hårde lag fordelagtige hvad angår styrken. Dette gælder f.eks. et kendt flerlagsovertræk med vekslende lag, af hvilke det ene er et nitrid eller carbid af et metal af gruppen IV, og det andet er et rent metal (jfr.

35 R.F. Bunchan and Shebaik, Research/Development, juni 1975).

Mikrohårdheden af lag af nitrider og carbider af metaller fra gruppe IV andrager fra 21575 til 29421 N/ 2 2

DK 154544 B

mm , og for lag af rent metal er den fra 5884 til 8826 N/ 2 mm . De bløde lag af rent metal hindrer, at de sprøde lag revner og bidrager som helhed til en forøget styrke af overtrækkene. Sådanne overtræk er særdeles bestandige 5 under de varierende belastninger, der anvendes ved bearbejdning af bygningsstål og splintres ikke, når værktøjet skærpes på en af arbejdsfladerne. Ved skæring i (højlegerede) materialer, som er vanskelige at bearbejde, er værktøjets holdbarhed imidlertid ringe, da der sker 10 adhæsionsslid som følge af sammenklæbning af overtrækket og materialerne i den del, der bearbejdes. For høj temperatur i skæreområdet (resulterende fra materialernes dårlige varmeledningsevne) og langsomme skærehastigheder, der er typiske for skæring i materialer, der er vanske-15 lige at bearbejde, fremmer klæbningsprocesserne. Plastiske rene metaller har større tendens til at klæbe til de materialer, der bearbejdes, end de hårde og mere passive forbindelser deraf. Derfor medfører anvendelse af rene metallag i overtrækkene en forøgelse af adhæsionsslidet 20 af overtrækket som helhed.

Ifølge opfindelsen tilsigtes at tilvejebringe et metalskærende værktøj med flerlagsovertræk omfattende sådanne komponenter, som giver stor styrke til overtrækket og samtidigt udviser en ringe klæbeevne ved bearbejdning 25 af forskellige materialer omfattende materialer, der er vanskelige at bearbejde, hvorved adhæsionssiidet af overtrækket kan reduceres, og slidbestandigheden for overtrækket som helhed kan forbedres.

Det tilsigtede opnås ved, at værktøjet ifølge op-30 findelsen er ejendommeligt ved, at lagene følger gentagne gange skiftevis efter hinanden, og ved at lagtykkelsen af forbindelsen af metallet fra gruppe IV andrager fra 0,05 til 0,5 ym, og lagtykkelsen af forbindelsen af gruppe VI metallet er 15 til 40% af tykkelsen af forbindelsen 35 af gruppe IV metallet.

Flerlagsovertræk omfattende de komponenter, der anvendes ved opfindelsen, og som har den ovenfor anførte lagtykkelse, er kendetegnet ved en ringe klæbning til 3

DK 154544 B

det materiale, der bearbejdes, med det resultat, at overtrækkets slid reduceres, og slidbestandigheden af det værktøj, der har et sådant overtræk, forøges.

Ved bearbejdning af materialer, der er vanskelige 5 at bearbejde, hindrer den store mikrohårdhed for carbi-derne og nitriderne af metal fra gruppe IV plastisk deformer ing rettet vinkelret på overfladerne af overtrækket. Det forstærkende overtræk omfatter op til 500 skiftende lag af forbindelser af metaller fra grupperne IV 10 og VI adskilt af grænseflader. Hver grænseflade giver mulighed for optagelse af den energi, der frigøres ved revnedannelse i det øvre lag ved skæreprocessen, og hindrer i væsentlig grad, at revnerne fortsætter ned i de nedre lag.

15 Forbindelserne af metaller fra gruppe VI, som dan ner tyndere lag, forbedrer slidbestandigheden, idet slidprodukterne oxideres ved høje temperaturer i skæreområdet og derved virker som et hårdt smøremiddel og således reducerer friktionen, skærekraften og temperaturen af 20 værktøjets skærekant. Molybdæn-, chrom- og wolframoxider danner en passiv barriere, som udelukker adhæsiv samvirken mellem overtrækket og materialet, der bearbejdes, og reducerer således sliddet af overtrækket som helhed.

Tykkelsen af lagene af metalforbindelse er be-25 stemt eksperimentelt under hensyntagen til opnåelse af maksimale smørende egenskaber og under hensyntagen til, at sammenklæbning mellem overtrækket og materialet bør undgås.

Det pågældende flerlagsovertræk kan fremstilles 30 på enkel måde, f.eks. ved den traditionelle metode, som udnytter kondensation af materiale under anvendelse af ionbombardement.

Lagene af ovennævnte komponenter påføres i en enkelt arbejdscyklus. Til dette formål anbringes metalskæ-35 reværktøjet på en roterende platform i et vakuumkammer. Kammeret er forsynet med katoder fremstillet af højt-smeltende metaller fra grupperne IV og VI. En negativ spænding påføres værktøjet, og der frembringes bueudlad- 4

DK 154544 B

ning i rummet mellem værktøjet og katoderne. Som resultat deraf vil atomer i metalfase frigjort fra katoderne blive ioniseret i området, hvor bueudladning finder sted.

De resulterende positive ioner accelereres som følge af 5 værktøjets negative spænding og rammer overfladerne deraf, hvorved der sker rensning og opvarmning af disse overflader.

Efter at værktøjets overflader er opvarmet til den krævede temperatur, indblæses en som reaktant virken-10 de gas (såsom nitrogen, methan, silan eller boran) i vakuumkammeret, og en slidbestandig og varmebestandig forbindelse af højtsmeltende metaller afsættes på værktøjets overflader.

Opfindelsen illustreres nærmere i det følgende 15 ved hjælp af udførelseseksempler.

Eksempel 1

Et skæreværktøj med trekantede engangsskæreplade fremstillet af hård legering af P, K-gruppen efter ISO 20 blev overtrukket med et flerlagsovertræk med en total tykkelse på 20 um påført ved den ovenfor beskrevne metode. Overtrækket var sammensat af skiftende lag af TiN-M02N, idet lagenes tykkelse var henholdsvis 0,05 um og 0,015 ym.

25 Prøven blev undersøgt ved drejning af varmebe- standigt højtlegeret stål med følgende sammensætning i vægt%: 0,03 til 0,07 C; maksimalt 0,5 Si; maksimalt 0,4 Mn; 13 til 16 Cr; 73 Ni; 2,5 Ti; 1,45 til 1,2 Al; 2,8 til 3,2 Mo; 1,9 til 2,2 Co; rest Fe.

30 Skærebetingelserne var: skæredybde fra 0,3 til 0,5 mm, skærehastighed 37,6 m/min, tilspænding 0,15 mm/ omdrejning.

Holdbarheden af værktøjet med flerlagsovertrækket var 20,2 minutter.

35 Eksemplerne 2-9 blev udført på lignende måde, i- det flerlagsovertrækkets komponenter og tykkelsen deraf blev varieret i hvert tilfælde inden for opfindelsens område.

5

DK 154544 B

Resultaterne, der er opnået i eksemplerne 1-9, er anført i tabel 1.

Endvidere blev skæreværktøj svarende til det i 5 eksempel 1 beskrevne og overtrukket på kendt måde med vekslende lag af titannitrid og titan med en total tykkelse på 20 μπι, underkastet prøver til opnåelse af sammenligningsdata. Resultaterne, der blev opnået ved prøvning af skæreværktøj med de kendte overtræk, er anført 10 i samme tabel 1, linie 10 og 11.

De ovennævnte resultater viser, at holdbarheden af skæreværktøj med multilagsovertrækket ifølge opfindelsen er 4 til 5 gange større end holdbarheden af skæreværktøj med de kendte flerlagsovertræk af titannitrid og 15 titan.

20 25

SO

35

DK 154544 B

6

Tabel 1

Linie Komponenter i Lagtyk- Holdbarhed for nr. overtræks- kelse, værktøj, min.

_lagene_ym_ 5 12 3 4 1 TiN 0,05 20,2

Mo2N 0,015 2 TiN 0,08

Mo2N 0,028 25,7 10 3 TiN 0,1

Mo2N 0,02 19,6 4 ZrN 0,5 26,3

Mo2C 0,15 5 TiC 0,3 15 CrN 0,1 20,3 6 HfC 0,1 26,5 WC 0,03 7 ZrC 0,4

Mo2B 0,1 20,8 20 8 ZrN 0,2

MoSi2 0,03 19,1 9 TiN 0,3

CrB2 0,1 23,4 10 TiN 0,55 25 Ti 0,15 5,1 11 TiN 2,5

Ti 0,5 4,7

Eksempel 10

En sildebens fræser, diameter 80 x 45 mm, fremstil-30 let af en legering af 18 vægt% W, 2 vægt% V, 8 vægt% Co og resten jern blev overtrukket efter ovenstående fremgangsmåde med et flerlagsovertræk af T1N-M02N, med en total tykkelse på 20 ym og en lagtykkelse på henholdsvis 0,05· og 0,015 ym.

35 Fræseren blev prøvet ved at fræse en prøve af en legering omfattende 20 vægt% Cr, maksimalt 1 vægt% Mn, maksimalt 1 vægt% Ti og resten jern. Skærebetingelserne DK 154544 B.

7 var som følger: (a) Hastighed........18 omdr. pr. min.

(b) Tilspænding.......31,5 mm/min.

(c) Skæredybde........ 4 mm 5 Et fræseværktøj med overtrækket ifølge opfindel sen viste sig at holde til skæring af 44 dele.

Ved afprøvning af et tilsvarende skæreværktøj med et sædvanligt overtræk af skiftende lag af TiN-Ti viste det sig, at et skæreværktøj kun holdt til bearbejdning 10 af 8 dele.

Eksempel 11

Forsøget blev udført på lignende måde som i eksempel 10 med den eneste afvigelse, at bestanddelene af flerlagsovertrækket var ZrN-MoC, med en lagtykkelse på 15 henholdsvis 0,5 og 0,15 ym. Forsøget viste, at et skæreværktøj med ovennævnte overtræk er i stand til at bearbejde 42 dele, dvs. at skæreværktøjets holdbarhed er ca.

5 gange større end holdbarheden af et skæreværktøj forsynet med et kendt flerlagsovertræk.

20 Eksempel 12

Forsøget blev udført på lignende måde som i eksempel 10 med den eneste afvigelse, at bestanddelene i flerlagsovertrækket var HfC-WC, med en lagtykkelse på henholdsvis 0,1 ym og 0,03 ym. Forsøget viste, at et 25 skæreværktøj forsynet med nævnte overtræk kunne holde til at bearbejde 49 dele, hvilket betegner en ca. 6 folds forøgelse af holdbarheden.

Eksempel 13

En rival med dimensionerne 150 x 25 x 30 mm frem-30 stillet af en legering bestående af 18 vægt% W og resten Fe, blev overtrukket ved ovennævnte metode med et fler-lagsovertræk bestående af skiftende lag TiC og CrC med en total tykkelse på 20 ym og lagtykkelser på henholdsvis 0,3 og 0,1 ym. Rivalen blev prøvet ved bearbejdning 35 af en prøve af rustfrit stål med følgende komponenter 8 '

DK 154544 B

angivet som vægt%: 0,13-0,18 C; maksimalt 0,6 Si; maksimalt 0,6 Mn; 11-13 Cr; 1,5-2,0 Ni; malsimalt 1 W; 1,35- 1,65 Mo; 0,18-0,3 V; 0,3 Nb og resten Fe.

En rival viste sig at kunne holde til bearbejd-5 ning af 197 emner.

Til sammenligning blev prøvet en lignende rival med et sædvanligt flerlagsovertræk af TiN-Ti. En rival med det kendte overtræk viste sig i stand til at bearbejde kun 45 emner, dvs. at holdbarheden var 4,5 gange 10 mindre.

Eksempel 14

Prøven blev udført som i eksempel 13 med den eneste afvigelse, at komponenterne i flerlagsovertrækkene var ZrN-MoSi2 med en overtrækstykkelse på henholdsvis 15 0,2 og 0,03 ym. En rival holdt til bearbejdning af 145 emner, svarende til at holdbarheden af rivalen var forøget 3,1 gange sammenlignet med holdbarheden af et tilsvarende værktøj med et kendt flerlagsovertræk.

De beskrevne flerlagsovertræk kan for- 20 delagtigt anvendes til behandling af et hvilket som helst metalskærende værktøj, såsom bor, fræsere og andre skærende værktøjer med henblik på at forøge holdbarheden deraf, og er særligt egnet til værktøjer, der anvendes til at bearbejde højlegerede (vanskeligt bearbejde-25 lige) stålkvaliteter og legeringer.

Claims (1)

1. DK 154544B Værktøj til spåntagende bearbejdning med et flerlagsovertræk, hvis lag består af et nitrid eller carbid af et metal fra det periodiske systems gruppe IV og af 5 et nitrid, carbid, borid eller silicid af et metal fra det periodiske systems gruppe VI, kendetegnet ved, at lagene følger skiftevis gentagne gange efter hinanden, og ved at lagtykkelsen af forbindelsen af metallet fra gruppe IV andrager 0,05 til 0,5 μιη, og ved at 10 lagtykkelsen af forbindelsen af metallet fra gruppe VI udgør fra 15 til 40% af lagtykkelsen af forbindelsen af metallet fra gruppe IV. 15 20 25 30 35 /