NL8320316A

NL8320316A - COATING OF METAL CUTTING TOOLS INCLUDING A SINGLE LAYER OF WEAR RESISTANCE.

Info

Publication number: NL8320316A
Application number: NL8320316A
Authority: NL
Original assignee: Vni Instrument Inst
Priority date: 1982-10-10
Filing date: 1983-08-25
Publication date: 1984-09-03
Also published as: SE8403054L; DE3390292T1; WO1984001587A1; FI842315A; AU2073683A; SE8403054D0; SU1128618A1; JPS60500261A; FI842315A0; NO842235L; GB2137665A; GB8413858D0

Description

8320346 N.O. 32565 .. i8320346 N.O. 32565 .. i

Uit een enkele laag bestaande, tegen slijtage bestand zijnde bekleding van metaalsnijgereedschappen._ AANVRAAGSTER NOEMT ALS UITVINDERS:Single-layer, wear-resistant coating of metal cutting tools. Applicant lists as inventors:

1. Alexei Georgievich GAVRILOV1. Alexei Georgievich GAVRILOV

2. Galina Konstantinovna GALITSKAYA2. Galina Konstantinovna GALITSKAYA

3. Viktor Petrovich ZHED3. Viktor Petrovich ZHED

4. Andrei Karlovich SINELSCHIKOV4. Andrei Karlovich SINELSCHIKOV

5. Ljudmila Mikhailovna RYBAKOVA5. Ljudmila Mikhailovna RYBAKOVA

6. Lidia Ivanovna KUXENOVA6. Lidia Ivanovna KUXENOVA

7. Igor Andreevich ORDINARTSEV7. Igor Andreevich ORDINARTSEV

8. Margarita Nikolaevna BUTOVA8. Margarita Nikolaevna BUTOVA

9. Valentin Glebovich PADALKA9. Valentin Glebovich PADALKA

10. Vasily Petrovich DORONIN.10. Vasily Petrovich DORONIN.

Technisch gebiedTechnical area

De onderhavige uitvinding heeft in het algemeen betrekking op metaalsni jden en meer in het bijzonder op uit een enkele laag bestaande, tegen slijtage bestand zijnde bekledingen van metaalsnijgereedschap-5 pen.The present invention generally relates to metal cutting and more particularly to single-layer wear resistant metal cutting tool coatings.

Stand der techniek Eén van de voornaamste ontwikkelingen in de moderne praktijk van het metaalsnijden is in de richting van verbeteringen in gedragseigen-schappen van tegen slijtage bestand zijnde bekledingen van metaalsnij-10 gereedschappen tengevolge van verbeteringen van hun chemische samenstelling.Background Art One of the major advancements in modern metal cutting practice is toward improvements in behavioral properties of wear resistant coatings of metal cutting tools due to improvements in their chemical composition.

Volgens de huidige stand der techniek is een uit één laag bestaande, tegen slijtage bestand zijnde bekleding van metaalsnijgereedschappen bekend (zie Amerikaans octrooischrift 4.169.913), die in hoofdzaak 15 een verbinding van hafnium is met elementen gekozen uit de groep van C, N, 0.In the prior art, a one-layer wear resistant coating of metal cutting tools is known (see US Patent 4,169,913), which is essentially a compound of hafnium with elements selected from the group of C, N, 0.

Echter kan de hiervoor vermelde bekleding, tengevolge van een grote hoeveelheid hafnium, praktisch alleen toegepast worden op metaalsni jgereedschappen van gecementeerd carbide.However, due to a large amount of hafnium, the aforementioned coating can practically only be applied to cemented carbide metal cutting tools.

20 Nog een uit één laag bestaande, tegen slijtage bestand zijnde be kleding van metaalsnijgereedschappen (Amerikaans octrooischrift 4.264.682) is bekend als een vaste oplossing van de verbindingen van twee overgangsmetalen van groep IV (waarvan één hafnium is), met koolstof en/of stikstof.Another one-layer wear resistant metal cutting tool coating (US Patent 4,264,682) is known as a solid solution of the compounds of two Group IV transition metals (one of which is hafnium), with carbon and / or nitrogen.

25 De bekleding bevat titanium als het andere overgangsmetaal van 832 0 3 1 6 2 groep IV, dat deel uitmaakt van de verbindingen met koolstof en/of stikstof.The coating contains titanium as the other transition metal of 832 0 3 1 6 2 group IV, which is part of the compounds with carbon and / or nitrogen.

Echter wordt de hiervoor vermelde bekleding gekenmerkt door een relatief hoog gehalte intrinsieke vrije energie, hetgeen resulteert in 5 wisselwerking van de bekleding met het machinaal te bewerken materiaal en dientengevolge in ongunstig beïnvloede slijtagebestandheid van de bekleding.However, the aforementioned coating is characterized by a relatively high content of intrinsic free energy, which results in interaction of the coating with the material to be machined and, consequently, in the wear resistance of the coating, which is adversely affected.

Beschrijving van de uitvindingDescription of the invention

Het voornaamste doel van de onderhavige uitvinding is het ver-10 schaffen van een uit een enkele laag bestaande, tegen slijtage bestand zijnde bekleding van metaalsnijgereedschappen, die een dergelijk overgangsmetaal van groep IV bevat in de vorm van verbindingen ervan met stikstof en/of koolstof als deel van een vaste oplossing, die eveneens hafnium als verbindingen met stikstof en/of koolstof bevat, die zal 15 bijdragen aan de bestandheid tegen slijtage van de bekleding.The main object of the present invention is to provide a single layer wear resistant metal cutting tool coating containing such a Group IV transition metal in the form of compounds thereof with nitrogen and / or carbon as part of a solid solution, which also contains hafnium as compounds with nitrogen and / or carbon, which will contribute to the wear resistance of the coating.

Het hiervoor vermelde doel wordt bereikt tengevolge van het feit, dat in een uit een enkele laag bestaande, tegen slijtage bestand zijnde bekleding van metaalsnijgereedschappen, die feitelijk een vaste oplossing is van verbindingen van twee overgangsmetalen van groep IV (waar-20 van één hafnium is) met koolstof en/of stikstof, volgens de uitvinding deze uit een enkele laag bestaande, tegen slijtage bestand zijnde bekleding zirkonium als het andere overgangsmetaal van groep IV in de vorm van verbindingen ervan met koolstof en/of stikstof bevat.The aforementioned object is achieved due to the fact that in a single layer wear resistant metal cutting tool coating, it is actually a solid solution of two Group IV transition metal compounds (20 being one hafnium ) with carbon and / or nitrogen, according to the invention, this single layer wear resistant coating contains zirconium as the other Group IV transition metal in the form of compounds thereof with carbon and / or nitrogen.

De onderhavige uitvinding is behulpzaam bij het verminderen van 25 het niveau van intrinsieke vrije energie van de bekleding, waardoor de bestandheid tegen slijtage ervan vergroot wordt.The present invention aids in reducing the level of intrinsic free energy of the coating, thereby increasing its wear resistance.

Beste wijze om de uitvinding uit te voerenBest way to practice the invention

De uit een enkele laag bestaande, tegen slijtage bestand zijnde bekleding kan op de volgende wijze op metaalsnijgereedschappen worden 30 aangebracht.The single layer wear resistant coating can be applied to metal cutting tools in the following manner.

Een metaalsnijgereedschap vervaardigd uit elk van de tot dusverre gebruikte basislegeringen voor gereedschap wordt onder een verminderde druk gebracht, waarin hafnium en zirkonium worden verdampt en geïoniseerd. Vervolgens wordt het basismetaal van het gereedschap voorverhit 35 en wordt het werkoppervlak ervan gereinigd door bombarderen met zirkonium- en hafniumionen. Vervolgens wordt koolstof en/of stikstof toegevoegd en tot reactie met hafnium en zirkonium gebracht, hetgeen resulteert in de vorming van een vaste oplossing van de verbindingen ervan, welke oplossing een uit een enkele laag bestaande, tegen slijtage be-40 stand zijnde bekleding op het gereedschapsoppervlak tot stand brengt.A metal cutting tool made from any of the previously used tool tool alloys is pressurized, in which hafnium and zirconium are evaporated and ionized. Subsequently, the base metal of the tool is preheated and its working surface is cleaned by bombarding with zirconium and hafnium ions. Then carbon and / or nitrogen is added and reacted with hafnium and zirconium, resulting in the formation of a solid solution of its compounds, which solution has a single-layer, wear-resistant coating on the tool surface.

8 * Z 0 S 1 6 38 * Z 0 S 1 6 3

Voor een beter begrip van de onderhavige uitvinding worden hierna toelichtende voorbeelden voor de praktische uitvoering ervan gegeven. Voorbeeld IFor a better understanding of the present invention, illustrative examples for its practical implementation are given below. Example I

Twintig stalen boren met een diameter van 5 mm met de volgende sa-5 menstelling in procenten: C Mn Si Cr W V Mo Fe 0,8 0,5 0,5 3,8 18 1,2 0,8 tot 100 % 10 _ die vooraf van stof zijn gereinigd, worden in een speciale houder geplaatst en in een vacuümkamer gebracht, waarin eveneens een kathode, gemaakt uit gelijke delen zirkonium en hafnium, is geïnstalleerd. Vervolgens wordt een gasverdunning van 1,33.10“^ Pa in de kamer opge-15 bouwd, waarna een elektrische boog wordt getrokken om zirkonium en hafnium te verdampen en te ioniseren.Twenty steel drills with a diameter of 5 mm with the following composition in percent: C Mn Si Cr WV Mo Fe 0.8 0.5 0.5 3.8 18 1.2 0.8 to 100% 10 _ those that have been previously cleaned from dust are placed in a special container and placed in a vacuum chamber, in which a cathode made of equal parts of zirconium and hafnium is also installed. Then, a gas dilution of 1.33 x 10 Pa in the chamber is built up, after which an electric arc is drawn to evaporate and ionize zirconium and hafnium.

Een negatieve spanning wordt op de boren aangebracht om de positief geladen zirkonium- en hafniumionen te versnellen, waarna het werk-oppervlak van de boren met de ionen van de hiervoor vermelde metalen 20 wordt gebombardeerd om het basismetaal van de gereedschappen te reinigen en voor te verhitten. Daarna wordt de op de boor aangebrachte spanning verlaagd en wordt stikstof in de vacuumruimte toegelaten om met hafnium en zirkonium te reageren met de resulterende vorming van een uit een enkele laag bestaande, tegen slijtage bestand zijnde bekleding 25 op het oppervlak van de boren, welke bekleding is samengesteld uit een vaste oplossing van hafnium- en zirkoniumverbindingen met stikstof. Tenslotte worden de afgewerkte boren aan de vacuümkamer onttrokken.A negative voltage is applied to the drills to accelerate the positively charged zirconium and hafnium ions, after which the working surface of the drills is bombarded with the ions of the aforementioned metals 20 to clean and preheat the base metal of the tools . Thereafter, the stress applied to the drill is reduced and nitrogen is allowed to enter the vacuum space to react with hafnium and zirconium with the resulting formation of a single layer wear resistant coating on the surface of the drills, which coating is composed of a solid solution of hafnium and zirconium compounds with nitrogen. Finally, the finished drills are withdrawn from the vacuum chamber.

De aldus verkregen bekleding is onderzocht op bestandheid tegen slijtage (weerstandsvermogen) door gaten met een diepte van 15 mm te 30 boren in een titanium-aluminiumlegering met de volgende samenstelling in procenten: Al - 5, waarbij Ti de rest is, op een vertikale boormachine met overvloedige voorziening van koelmiddel (10 procents waterige emulsie) onder de volgende snijomstandigheden: S = 0,08 mm/omw.The coating thus obtained was tested for abrasion resistance (resistivity) by drilling 15 mm holes in a titanium aluminum alloy with the following composition in percent: Al - 5, where Ti is the rest, on a vertical drilling machine with abundant coolant supply (10% aqueous emulsion) under the following cutting conditions: S = 0.08 mm / rev.

35 v = 7,5 m/min.35 v = 7.5 m / min.

waarbij: S de mate van de boorinvoer in de machinaal te bewerken titan! umlegering is, v de omwentelingssnelheid van de boor is.where: S the degree of drill input in the machined titan! um alloy, v is the rotation speed of the drill.

De boor wordt als bot beschouwd, wanneer zij begint te piepen. De 40 proefresultaten hebben aangetoond, dat het weerstandsvermogen van de 83 2 0 3 1 6 4 boren met de onderhavige bekleding van 8 tot 24 minuten gemiddeld toenemen in vergelijking met niet-beklede boren.The drill is considered blunt when it starts to beep. The 40 test results have shown that the resistivity of the 83 2 0 3 1 6 4 drills with the present coating increases from 8 to 24 minutes on average compared to uncoated drills.

Voorbeeld IIExample II

Gebruikt is gemaakt van boren, die voorzien zijn van een uit een 5 enkele laag bestaande, tegen slijtage bestand zijnde bekleding zoals beschreven in voorbeeld I. Gelijktijdig met spanningsvermindering op de boren wordt enig ethyn in de vacuumruimte toegelaten, met het resultaat, dat de koolstof van ethyn met hafnium en zirkonium begint te reageren onder vorming van een bekleding op het oppervlak van de boren, 10 samengesteld uit een vaste oplossing van hafnium en zirkonium met koolstof.Use has been made of drills provided with a single layer wear resistant coating as described in Example 1. Simultaneously with stress relief on the drills, some ethyne is admitted into the vacuum space, with the result that the carbon of ethyne with hafnium and zirconium begins to react to form a coating on the surface of the drills composed of a solid solution of hafnium and zirconium with carbon.

De bekleding is op bestandheid tegen slijtage zoals in voorbeeld I onderzocht.The coating has been tested for wear resistance as in Example I.

De proefresultaten hebben bewezen, dat het weerstandsvermogen van 15 de boren gemiddeld van 8 tot 30 minuten toeneemt in vergelijking met niet-beklede boren.The test results have proven that the resistivity of the drills increases on average from 8 to 30 minutes compared to uncoated drills.

Voorbeeld IIIExample III

Gebruik is gemaakt van boren, die voorzien zijn van een uit een enkele laag bestaande, tegen slijtage bestand zijnde bekleding zoals in 20 voorbeeld I beschreven. Samenvallend met op de boren aangebrachte spanningsvermindering wordt een mengsel van ethyn en stikstof toegelaten in de vacuümkamer, waarna koolstof en stikstof in reactie treden met hafnium en zirkonium onder vorming van een bekleding op het oppervlak van de boren, bestaande uit verbindingen van hafnium en zirkonium met stik-25 stof en koolstof.Drills have been used which are provided with a single layer wear resistant coating as described in Example I. Coinciding with stress relief applied to the drills, a mixture of ethyne and nitrogen is admitted into the vacuum chamber, after which carbon and nitrogen react with hafnium and zirconium to form a coating on the surface of the drills consisting of compounds of hafnium and zirconium with stitch-25 fabric and carbon.

De proefresultaten hebben aangegeven, dat het weerstandsvermogen van de beklede boren van 8 tot 35 minuten toeneemt in vergelijking met 30 niet-beklede boren.The test results have indicated that the resistivity of the coated drills increases from 8 to 35 minutes compared to 30 uncoated drills.

De onderhavige uitvinding is eveneens toepasbaar voor het verbeteren van de gedragseigenschappen van verschillende onderdelen, die werken onder omstandigheden van wrijving, verhoogde temperaturen, hoge drukken of corrosieve milieus.The present invention is also applicable to improve the performance properties of various parts operating under conditions of friction, elevated temperatures, high pressures or corrosive environments.

35 Industriële toepasbaarheid35 Industrial applicability

De onderhavige uitvinding kan toepassing vinden voor het machinaal bewerken van structurele of moeilijk machinaal te bewerken materialen, in het bijzonder voor het machinaal bewerken van legeringen op titaan-basis.The present invention can find use for machining structural or difficult to machine materials, in particular for machining titanium-based alloys.

83203168320316

Claims

+ Single layer wear resistant metal cutting tool coating, which is essentially a solid solution of two Group IV transition metal compounds with 5 carbon and / or nitrogen, one of the metals being hafnium, characterized in: that the single layer wear resistant coating of metal cutting tools contains zirconium as the other Group IV transition metal in the form of its compounds with carbon and / or nitrogen. 8320316