FI63968C - Slitstycke av haordmetall - Google Patents

Description

i

!·4£Τ·| M (11)KUULUTUSJULKAISU ^9 6Q

1 ' UTLÄGGN INGSSKRIFT U

•gÖS C <45> ^ ^ (51) Ky.lk.3/liit.CI.3 C 23 C 11/08 SUOMI—FINLAND (21) p»**n«,hll»«inu*-p«*mw«w»i 791919 (22) H»k*ml»p*lvl — AnaMcnlnfadtc 15-06-79 (23) AlkupilvS —GIMfhKtdag 15-06-79 (41) Tullut julkiseksi — Bltvlt offsntHj 23-12-79 _ . (44) Nihtlvlkslptnon ja kuuLlulktlsun pvm. — „ n „

Patent· och registerstyrelsen ' Ansakin utiagd och uti.skriften pubiicarad 31-05.63 (32)(33)(31) Pyydetty etuoikeus —Begird prtorHat 22 . θ6.78

Sveitsi-Schweiz(CH) 6787/78 (Tl) Steilram Societe Anonyme, Route de l'Etraz, 1260 Nyon/Vaud, Sveitsi-Schweiz(CH) (72) Denis R. Gonseth, Founex/Vaud, Charles Hauser, Genolier/Vaud, Sveitsi-

Sc’nveiz (CH) (7^ ) Berggren Oy Ab (5i) Kovametallinen kulutuskappale - Slitstycke av hardmetall

Esillä oleva keksintö koskee kovametallista kulutuskappaletta etenkin leikkuutyökaluja varten, joka ainakin niistä kohdista, jotka ovat alttiina kulutukselle, on päällystetty kerrostetulla suoja-päällysteellä .

"Kovametalli"-kappaleilla ymmärretään yleensä kappaleita, jotka koostuvat seoksesta erittäin kovia metallikarbideja esimerkiksi WC, TiC, TaC, NbC jne, ja voivat sisältää tai olla sisältämättä jotakin sideaineena toimivaa metallia esimerkiksi Fe, Co, Ni jne. Nämä kappaleet voivat esimerkiksi olla leikkuulevyjä tai -työkaluja metallisten aineiden, esimerkiksi terästen, tai ei-metallisten aineiden työstöä varten.

Ennestään on tunnettua, nimenomaan patenttijulkaisuista CH 592 161, US 3 964 937 ja DE-AS 1 959 690, että kovametallikappaleiden kulutuskestävyyttä voidaan parantaa päällystämällä niiden pinta yksin-, kaksin- tai kolminkertaisella kerroksella, joka koostuu jonkin jaksottaisen taulukon ryhmiin IV-VI kuuluvan alkuaineen jostakin karbidista, nitridistä ja/tai karbonitridistä. Tiedetään myös, että päällysteen hapettumisvastusta voidaan parantaa jonkin happea 2 63968 sisältävän kerroksen, esimerkiksi oksinitridikerroksen läsnäololla, niin kuin patenttijulkaisussa US 4 018 631 on selitetty, tai peittämällä tämä päällyste ulkopuolisella kerroksella jotakin tulenkestävää oksidia, niin kuin patenttijulkaisuissa CH 540 990 ja 540 991 on suositeltu.

Yleensä niissä päällysteissä, joita nykyisin käytetään esimerkiksi leikkuulevyissä, ei ole enemmän kuin kolme päällettäistä kerrosta, ja niin ollen on vaikeata saavuttaa päällystetylle levylle sekä kulutusta että hapetusta vastaan parempia kestävyysolosuhteita, samalla antaen työstetylle kappaleelle tyydyttävä pinnan laatu.

Tämän keksinnön tarkoituksena on näin ollen saada aikaan kerrosra-kenteinen päällyste, joka parantaa kovametallikappaleiden esimerkiksi leikkuulevyjen sekä kulutuksen että hapettumisen vastustuskykyä, ja joka on paremmin iskuja kestävä kuin tunnetut kaksi- tai kolme-kerroksiset päällysteet, samalla lisäksi antaen entistä paremman pinnan laadun kappaleille, jotka on työstetty tällaisella kerrosra-keisella päällysteellä päällystetyillä levyillä.

Keksinnön kohteena edellä mainittuun päämäärään pyrittäessä on näin ollen kovametallinen kulutuskappale etenkin leikkuutyökaluja varten, joka ainakin kulutukselle alttiista kohdistaan on päällystetty kerroksisella suojapäällysteellä, jolle tunnusmerkillistä on se, että päällyste käsittää vähintään viisi päällettäistä kerrosta joista ainakin kaksi on koostumukseltaan erilaista, ja se, että kappaleen kanssa kosketuksessa oleva kerros on karbidikerros, että ulkokerros on boridi- tai karbidikerros, ja että välikerrokset on valittu ryhmästä, jonka muodostavat karbidi-, nitridi-, oksidi-ja boridikerrokset sekä näiden seoksista koostuvat kerrokset.

Leikkuutyökalun kuluminen riippuu olennaisesti seuraavista kolmesta tekijästä: hapettumiskestävyydestä, kitkakertoimesta ja pinnan yhdenmukaisuudesta. Esillä olevan keksinnön ansiosta nämä kolme tekijää saadaan optimoiduiksi, sillä välittömästi alustalle kerrostettu karbidi tekee mahdolliseksi saada päällyste yhdenmukaiseksi ja nitridi, boridi ja/tai oksidi parantavat näin päällystetyn kulutus-kappaleen kitkakerrointa ja hapettumiskestävyyttä.

3 63968

On myös tunnettua, että karbidi parantaa kulutuskestävyyttä ohennettaessa ja että nitridi parantaa kulutuskestävyyttä syvennettäessä. Lisäksi oksidi antaa hyvän hapettumiskestävyyden.

Keksintö sen sijaan tarjoaa sen alan ammattimiehille odottamattoman tiedon, että sisällyttämällä suojapäällysteeseen paljon suurempi lukumäärä kerroksia kuin tunnetuissa päällysteissä, kokonaispaksuuden jäädessä entiseen verrattavaksi, päällysteen ominaisuuksia voidaan huomattavasti parantaa.

Itse asiassa kun kerrosten lukumäärä on entistä suurempi, lastu saavuttaa hyvin nopeasti sen kerroksen, joka optimoi sen juoksun. Niinpä sekä syvennettäessä että ohennettaessa "optimaali" kerros saavutetaan hyvin pienen kulumisen jälkeen, sen sijaan, että tavanomaista päällystettä käytettäessä, jossa välissä on vain kaksi tai kolme kerrosta, vähintään 30-50 % kerroksesta on kulutettava ennen kuin saavutetaan optimi tila.

Lisäksi kuluminen riippuu myös työkalun työn kuluessa saavuttamasta lämpötilasta. Tästä syystä on välttämätöntä, että levyn pinnan tasossa kehittynyt energia on mahdollisimman pieni. Sen ansiosta, että lastu kohtaa lukuisista toistuvista komponenteista koostuvan kerroksellisen päällysteen, lastu muodostaa kulutustien tämän kerroksen poikki, joka tie suosii tätä mahdollisimman pientä energiaa, koska lastu joka tapauksessa kohtaa kerroksen, joka optimoi eri parametrit.

On myös todettu, että monikerroksisen päällysteen olemassaolo vähentää päällysteen läpi menevien halkeamien kehittymistä ja siten parantaa päällysteen ja sen kautta myös kulutuskappaleen iskunkes-tävyyttä.

Toisaalta boridin läsnäolo suojapäällysteen pinnassa mahdollistaa yllättäen paremman pinnan laadun saamisen työstettyyn kappaleeseen.

Silloin kun yksi välikerroksista koostuu jostakin nitridistä, on tartunnan parantamiseksi sopivinta kerrostaa puhtaan karbidikerrok-sen ja puhtaan nitridlkerroksen väliin yksi tai useampia karbonitri-dikerroksia, joiden koostumus vaihtelee runsaasti hiiltä sisältävästä karbonitridistä runsaasti typpeä sisältävään nitrokarbidiin.

4 63968

Samoin jos kahtena naapurikerroksena on boridikerros ja nitridi-kerros, on syytä muodostaa niiden väliin sarja boronitridikerrok-sia, joiden koostumus vaihtelee 0:sta 100 %:iin ja vastaavasti 100 %:sta O %:iin näitä alkuaineita.

Keksinnön mukaisen kulutuskappaleen päällysteen kokonaispaksuus voi olla 0,5-20 ^u, mieluimmin välillä 1-10 .

Suojapäällysteen muodostavien kerrosten lukumäärän on oltava vähintään 5 ja mieluimmin suurempi kuin 10. Jatkuvuusvaikutus suurenee kerroksellisuuden suuretessa ilman, että halkeamien etenemisen estovaikutus pienenee, jota vaikutusta ei lainkaan esiinny siinä tapauksessa, että kahden kerroksen välinen siirtymä on jatkuva käytävä .

Lisäksi tietyn kerroslukumäärän eli kerrosryhmän toistamisella on useimmissa tapauksissa edullinen vaikutus päällysteen haluttuihin ominaisuuksiin.

Karbideina ja nitrideinä käytetään mieluimmin alkuaineiden Hf, Zr,

Ta tai Ti näitä yhdisteitä? borideiksi valitaan mieluimmin alkuaineiden Hf, Ta, Ti, Zr tai N boridit; oksideiksi taas valitaan mieluimmin alkuaineiden Ai, Hf, Zr, Be tai Ti oksidit.

Päällysteen kerrostamiseen leikkuutyökalun pinnalle voidaan käyttää mitä tahansa sopivaa teknikkaa, jolla voidaan saada aikaan kiinni-pysyvä, tiivis, koossapysyvä ja yhdenmukainen päällyste.

Näistä tekniikoista mieluimmin käytetään kerrostamista kemiallisella kaasufaasireaktiolla (eli CVD = "chemical vapor deposition"). Käytettävät koeolosuhteet on ammattimiehen helppo määrittää, sillä karbidien, nitridien, karbonitridien, boridien ja oksidien kaasufaasireaktiolla kerrostamistekniikkaa on runsaasti ja yksityiskohtaisesti selitetty kirjallisuudessa.

Yleensä jos kerrostaminen tapahtuu CVD-tekniikalla, tämä suoritetaan noin 850 ja 1200°C välisessä lämpötilassa. Kaasumaisina lähtöaineina voi olla esimerkiksi jokin halogenidi, vety ja jokin hiilivety, jokin typpiyhdiste tai hapen yhdiste karbidin, nitridin tai vastaavasti oksidin kerrostamista varten, kun taas boridin kerrostaminen 5 63968 tapahtuu esimerkiksi kahdesta halogenidista ja vedystä lähtien.

Jos halutaan saada kerros, jolla on väli- eli sekakoostumus, on käytettävä vastaavien yhdisteiden seosta. Kaasuseos saattaa sitä paitsi sisältää jotakin inerttiä kaasua kantajana.

Tutkimustulosten mukaan päällystystoimi voidaan suorittaa yhdellä kertaa tai useina vaiheina, joista vaiheista kukin vastaa lopullisen päällysteen yhden kerroksen kerrostamista. Kaasufaasireak-tiolla kerrostamismenetelmänä on itse asiassa se etu, että se tekee mahdolliseksi modifioida kaasuseoksen koostumusta kerrostamisen aikana ja siten modifioida saadun päällysteen koostumusta jatkuvasti tai epäjatkuvasti.

Keksintöä havainnollistetaan nyt seuraavilla esimerkeillä.

Esimerkki 1

Kolmesta kerroksesta, nimittäin TiC, TiN- ja vastaavasti TiB^-kerroksesta koostuva päällyste kerrostettiin käyttäen kemiallisten kaasufaasireaktioiden menetelmää kovametalliselle leikkuutyö-kalulle. Näin päällystetyn leikkuutyökalun kulumiskestävyysomi-naisuudet testattiin sitten. Samoin testattiin samanlaisen työkalun ominaisuudet, jonka päällyste koostui samoista yhdisteistä, mutta käsitti yhteensä yksitoista kerrosta, jolloin näiden molempien pääl-lystetyyppien kokonaispaksuus oli noin 8 ^u. Näiden testien tulokset ovat seuraavat, verrattuina päällystämättömällä työkalulla saatuihin tuloksiin: a) "CK 40"-teräksen sorvaus toimintaolosuhteet: nopeus 300 m/min syöttö 0,41 rmy/kierr leikkaussyvyys 3,2 mm alusta P 25 työkalu geometria SPUN 12 03 08 Päällyste Leikkausaika Työkalun kuluminen mm _ sekunteina ohennuksessa_nokasta

TiC-TiN-TiB 100 0,25 0,25 (3 kerrosta)

TiC-4TiCN-TiN- 4TiBN-TiB_ 100 0,18 0,18 (11 kerrosta) Päällystämätön työkalu 7 työkalu tuhoutui 6 63968

Huom. Perättäisissä TiCN-kerroksissa (tässä 4), ja vastaavasti TiBN-kerroksissa on kasvavat N-pitoisuudet ja pienenevät C-pitoi-suudet ja vastaavasti kasvavat B-pitoisuudet ji. pienenevät N-pitoisuudet.

b) Koe "CK-40”-teräskiekolla toimintaolosuhteet: miniminopeus 230 m/min maksiminopeus 824 m/min leikkaussyvyys 1,5 mm syöttö 0,30 mm/kierr alusta P 25 työkalu geometria TCMM 22 04 08 minimiläpimitta 70 mm maksimiläpimitta 250 mm Päällyste Läpimitta kiekossa, josta mitattiin kuluminen työkalun nokassa, jonka mitta oli: 0/1 mm 0,2 mm 0,5 mm

TiC-TiN-TiB2 197 200 205 (3 kerrosta!

TiC-4TiCN-TiN-4TiBN-TiB„ 200 206 215 (11 kerrosta) Päällystämätön työkalu 120 130 135 (Katso edellä olevaa huomautusta).

Esimerkki 2

Kahden päällysteen, jonka kummankin kokonaispaksuus on noin 10 ^u, kulumiskestävyysominaisuuksien vertailu "CK 40"-terästä sorvaamalla:

Työolosuhteet: syöttö 0,41 mm/kierr leikkaussyvyys 3,2 mm alusta P 25 työkalu geometria TNMM 22 04 08 7 63968 Päällyste Nopeus Leikkuuaika Työkalun kuluminen m/min sek_ (mm)_

TiC-TiN 200 180 työkalu tuhoutui (2 kerrosta)

TiC-3TiCN-TiN-

Al^Oi-TiC 200 480 työkalu tuhoutui (7kerrosta) (Katso esimerkin 1 huomautusta).

Esimerkki 3

Kahden päällysteen, joiden kummankin paksuus oli 8-10 ^,u, kulumis-kestävyysominaisuuksien vertailu "CK 40"-teräskiekkokokeella:

Työolosuhteet: syöttö 0,30 mm/kierr leikkuusyvyys 1,5 mm miniminopeus 230 m/min maksiminopeus 824 m/min alusta P 25 työkalu geometria TCMM 22 04 08 minimiläpimitta 70 mm maksimihalkaisija 250 mm Päällyste Sen kiekon läpimitta, josta mitattiin kulu minen työkalun nokassa, jonka mitta oli 0,1 mm 0,2 mm 0,5 mm

TiC-Al 0, 21,5 228 230 (2 kerrosta)

TiC-2TiCN-TiN-2TiCN-

TiC-Al203-TiB2 228 238 240 (9 kerrosta) (Katso esimerkin 1 huomautusta).

Edellä olevien esimerkkien 1-3 tulokset osoittavat yhtäältä sen, että leikkuutyökaluilla, jotka on keksinnön mukaisesti päällystetty moninkertaisista ja toistuvista kerroksista koostuvalla päällysteellä, on paljon paremmat kulumiskestävyysominaisuudet kuin päällystämättömällä työkalulla, ja toisaalta sen, että päällysteen moninkertainen kerroksellisuus antaa odottamattoman parannuksen työkalun leikkauskestoon nähden verrattuna paksuudeltaan samanvertaiseen päällysteeseen, joka sisältää samat yhdisteet, mutta jossa on vain 6 3 9 6 8 kaksi tai kolme päällettäistä kerrosta toistumattomina.

Esimerkki 4

Epätasaisuusmittauksia "CK-40"-teräskappaleiden pinnasta, joka oli työstetty leikkuulevyillä, jotka oli päällystetty suojapäällys-teellä, jonka ulkopinta koostui TiN-, Al„0 - ja vastaavasti TiB_-kerroksesta.

Työstöolosuhteet olivat seuraavat: nopeus = 200 m/min; syöttö = 0,4 mm/kierros; ja leikkuusyvyys = 3,2 mm; työkalun geometria; TNMM 22 04 12.

Epätasaisuusmittaukset, jotka suoritettiin työstöpiirtojen kanssa yhdensuuntaiseen suuntaan, antoivat seuraavat tulokset:

Ra - TiN-pintäinen päällyste: 1,27 ju (50 ^uin) - A^O^-pintainen päällyste: 1,14 ^u (45 ^uin) - TiB2~pintainen päällyste: 0,75 ^u (30 ^uin) (Ro = aaltojen aritmeettinen keskiarvo)

Cl Tästä esimerkistä ilmenee siis, että TiB^-ulkokerros tekee mahdolliseksi saavuttaa työstetylle kappaleelle selvästi parenman pinnan laadun,joka antaa pinnalle etenkin kiiltävämmän ulkonäön.

li

Claims (9)

1. 9 6 ό 9 6 8
2. 1. Kovametallinen kulutuskappale etenkin leikkuutyökaluja varten, joka ainakin kulutukselle alttiina olevista kohdistaan on päällystetty kerroksellisella suojapäällysteellä, jossa kappaleen pinnan kanssa kosketuksessa oleva kerros on karbidiker-ros ja jossa koostumukseltaan samanlaiset kerrokset toistuvat, tunnettu siitä, että päällyste käsittää enemmän kuin viisi päällekkäistä kerrosta, joista jokaisella on määrätty syvyydeltään vakio koostumus ja ulkokerros on boridikerros ja väli-kerrokset ovat karbidi-, nitridi-, oksidi-, boridi- ja/tai näiden seoskerroksia.
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kulutuskappale, tunnet-t u siitä, että päällyste käsittää vähintään kymmenen päällekkäistä kerrosta.
4. 3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen kulutuskappale, tunnettu siitä, että päällyste käsittää useita päällekkäisiä karbonitridikerroksia, jotka eroavat toisistaan erilaisten C- ja N-pitoisuuksien puolesta.
5. 4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen kulutuskappale, tunnettu siitä, että päällyste käsittää useita päällekkäisiä boronitridikerroksia, jotka eroavat toisistaan erilaisten B- ja N-pitoisuuksien puolesta.
6. 5. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen kulutuskappale, tunnettu siitä, että päällyste käsittää useita kertoja saman, koostumukseltaan erilaisten kerrosten ryhmän.
7. 6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kulutuskappale, tunnettu siitä, että päällysteen kokonaispaksuus on 1 ja 20 välillä.
8. 7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kulutuskappale, tunnettu siitä, että karbidi- ja nitridi-kerrokset ovat Hf-, Zr-, Ti- ja/tai Ta-karbideja ja -nitridejä. 1 Patenttivaatimuksen 1 mukainen kulutuskappale, tunnettu siitä, että boridikerrokset ovat Hf-, Zr-, Ti-, N-ja/tai Ta-borideja. 63968 __ - 1 ίο
9. 9. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kulutuskappale, tunnet- t u siitä, että oksidikerrokset ovat Hf-, Zr-, Ti-, Ai- ja/tai Be-oksideja.