PL175204B1

PL175204B1 - Wkładka skrawająca z powłoką diamentową i sposób wytwarzania wkładki skrawającej z powłoką diamentową

Info

Publication number: PL175204B1
Application number: PL94314266A
Authority: PL
Inventors: George P. Grab; William M. Melago; Edward J. Oles; Gerald D. Murray; Charles E. Bauer; Aharon Inspektor
Original assignee: Kennametal Inc
Priority date: 1993-11-30
Filing date: 1994-03-04
Publication date: 1998-11-30
Also published as: EP0731751A1; KR0167039B1; GB2298873B; ES2092453T1; GB9611083D0; GB2298873A; US5585176A; CA2173354C; JP3137982B2; DE69432642T2; EP0731751B1; ES2092453T3; US6287682B1; DE69432642D1; DE731751T1; AU683070B2; BR9408226A; CA2173354A1; US5648119A; EP0731751A4

Abstract

1. Wkladka skrawajaca z powloka diamento- wa, zawierajaca podloze z weglików spiekanych, glów- nie skladajace sie z ziaren weglika wolframu spojonych spoiwem metalowym wybranym z grupy obejmujacej kobalt i stopy kobaltu, przy czym podloze ma powie- rzchnie przylozenia i powierzchnie natarcia, na pola- czeniu których jest usytuowana krawedz tnaca, znamien- na tym, ze powierzchnia natarcia (30) zawiera glów- nie ziarna weglika wolframu, które maja stosunkowo duzy rozmiar w porównaniu z ziarnami znajdujacymi sie w wewnetrznych obszarach podloza (10), a powie- rzchnia podloza i powierzchnia przylozenia (50) maja nieregularny ksztalt o chropowatosci Ra co najmniej 0,635 µm, zas na nieregularnych powierzchniach na- tarcia (30) i przylozenia (50) jest osadzona silnie do nich przywierajaca diamentowa powloka (90) FIG. 1A PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest wkładka skrawająca z powłoką diamentową i sposób wytwarzania wkładki skrawającej z powłoką diamentową, przeznaczona do mocowania na narzędzia skrawające do obróbki wiórowej różnych materiałów.

Stan techniki

Do wyrobu różnorodnych wkładek skrawających przeznaczonych do tych samych zastosowań co jednoostrzowe wkładki z lutowaną końcówką z diamentu polikrystalicznego (PCD) stosuje się ostatnio powłoki diamentowe nanoszone techniką chemicznego osadzania z fazy

175 204 gazowej (CVD) (patrz Advanced Cutting Tool Materials [Materiały na nowoczesne wkładki skrawające], Kennametal Inc. (1988), strony 1, 2, 77-86, 94-98, 101 i 102). Konstruktorzy maszyn uzyskują w ten sposób wkładki z powłoką diamentową naniesioną techniką CVD o wielu krawędziach skrawających na wkładkach z elementami łamiącymi wióry lub bez nich, ale dające niestabilne parametry obróbki, ze względu na słabą przeczepność powłoki, wskutek czego wkładki z powłoką nanoszoną techniką CVD przegrywały w większości zastosowań przemysłowych w konkurencji z wkładkami typu PCD.

Do wytwarzania techniką CVD warstw diamentowych na różnorodnych powierzchniach stosuje się różne sposoby (na przykład za pomocą gorących włókienek, stałoprądowego strumienia plazmy i plazmy mikrofalowej) polegające na termicznym rozkładzie takich gazów jak metan (CH4). Niestety, powłoki diamentowe, wytwarzane metodami syntezy niskociśnieniowej z fazy gazowej, cechują się na ogół słabą przyczepnością do podłoża. W związku z tym, poszukuje się podłoża z powłoką, w którym powłoka przywiera do podłoża w stopniu wystarczającym do jej utrzymania się na podłożu w czasie jej stopniowego zużywania się wskutek ścierania podczas obróbki materiału. Skutkiem szybkiego lub przedwczesnego odłupywania się powłoki przed jej zużyciem są nieprzewidywalne i niestabilne żywotności narzędzi, co jest niedopuszczalne dla większości użytkowników wkładek z końcówkami typu PCD. Ponadto warunkiem konkurencyjności wkładek tego typu z wkładkami PCD jest taka grubość powłoki diamentowej, żeby każda krawędź skrawająca zapewniała co najmniej czterdzieści procent żywotności wkładek PCD.

Jeden ze sposobów rozwiązania tego zagadnienia ujawniono w opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 5 068 148. Ujawniono w nim sposób wytwarzania wkładki z powłoką diamentową, polegający na chemicznym trawieniu podłoża z węglików spiekanych w celu usunięcia kobaltu znajdującego się na najbardziej zewnętrznej części podłoża. Skutkiem trawienia tego typu może być powstanie wewnętrznej porowatości łączącej elementy wkładki ze sobą, zmniejszającej ciągliwość i odporność na zużycie wkładki skrawającej, natomiast parametry wkładki, której nie trawiono chemicznie, mogą pogarszać się ze względu na odłupywanie się powłoki wskutek wadliwego przygotowania powierzchni podłoża (np. za dużo kobaltu pozostawionego na powierzchni). W opisie tym mówi się o obróbce cieplnej podłoża w temperaturze 1000°C-1600°C przez okres 30 do 90 minut w próżni lub w atmosferze nie powodującej utleniania, przeprowadzonej przed trawieniem chemicznym. Jeżeli temperatura obróbki cieplnej jest wyższa niż 1600°C, to twarde ziarna podłoża stają się większe, co powoduje silne zwiększenie chropowatości powierzchni, tak że materiału tego typu nie można użyć do wytwarzania elementu wkładki.

Inny sposób, ujawniony w europejskim zgłoszeniu patentowym nr 0 518 587, polega również na trawieniu powierzchni podłoża węglika wolframu w celu poprawy przyczepności powłoki diamentowej.

W dostępnych obecnie na rynku narzędziach z wkładkami z węglików spiekanych z powłoką diamentową, w których do poprawy przyczepności powłoki diamentowej (od 60 do 100 według próby twardości Rockwella A metodą wciskania wgłębnika) stosuje się trawienie, skutkiem trawienia jest usunięcie znacznych ilości kobaltu z powierzchni i bezpośrednio spod powierzchni. To z kolei wywołuje porowatość struktury wiążącej w strefie podpowierzchniowej, pociągającą za sobą osłabienie struktury, co pogarsza spojenie powłoki diamentowej z wkładką podczas obróbki skrawaniem, a tym samym powodowało odłupywanie się powłoki, zwłaszcza podczas ciągłych operacji obróbkowych.

W opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 5,204,167 ujawniono wkładkę z węglików spiekanych z powłoką diamentową, w której przeciętna wielkość rekrystalizowanego węglika wolframu w warstwie powierzchniowej jest mniejsza niż w istniejących wewnętrznych częściach podłoża. Według tego opisu zwiększona przyczepność warstwy diamentu do podłoża wynika z obecności grafitu, wytwarzanego na początkowym etapie osadzania diamentu, który wtórnie nawęgla powierzchnię odwęglonej warstwy podłoża, co zmniejsza ilość grafitu powstającego w strefie przejściowej pomiędzy warstwą powierzchniową a warstwą diamentu.

Sposoby te nie rozwiązują problemu zapewnienia wysokiej wytrzymałości spojenia pomiędzy powłoką a podłożem.

175 204

Znane sposoby wytwarzania wkładek skrawających PCD polegają na tym, że kształtuje się ostrą krawędź skrawającą zarówno w przypadku stosowania wkładki do toczenia jak i frezowania elementów nieżelaznych i niemetalicznych. Ostre krawędzie zapewniają mniejsze siły skrawające podczas obróbki i lepsze parametry wykończenia powierzchni, np. mniejszą chropowatość powierzchni.

Pokryte diamentem wkładki skrawające powinny zapewniać dokładnie takie same parametry powierzchni obrabianych wyrobów, żeby mogły konkurować z konwencjonalnymi wkładkami PCD. Innym czynnikiem zniechęcającym obecnie do stosowania wkładek powlekanych diamentem są trudności z zapewnieniem odpowiednich wykończeń powierzchni obrabianych wyrobów, a zwłaszcza w procesach obróbki wykańczającej. W konwencjonalnych wkładkach pCd często używa się spoiwa metalowego, na przykład kobaltu, do utrzymywania cząstek diamentu razem. Odpowiednio wyszlifowane narzędzie PCD ma w zasadzie gładką powierzchnię skrawającą i nadaje obrabianemu wyrobowi w zasadzie gładką powierzchnię. Natomiast w powłokach diamentowych nie ma spoiwa. Zazwyczaj w widoku pod mikroskopem ich powierzchnia jest chropowata. Chropowata mikroskopowo powierzchnia wkładki nadaje również chropowatość powierzchni obrabianego wyrobu podczas procesu obróbki skrawaniem. W stosowanych dotychczas rozwiązaniach, im bardziej czysta (lub doskonała) powłoka diamentowa, to jest im więcej składnika związanego sp³ i mniej sp² (grafitowy), tym silniej urzeźbiona jest wynikowa powłoka. Bardziej gładką powłokę uzyskuje się zwiększając ilość składnika grafitowego, ale skutkiem tego jest zmniejszenie odporności na zużycie i skrócenie żywotności wkładki. Odpowiednią gładkość powierzchni powłoki diamentowej można co prawda uzyskać metodą polerowania chemicznego za pomocą materiałów i związków aktywnych chemicznie lub metodą polerowania mechanicznego za pomocą śrutu diamentowego, ale nadal poszukuje się możliwości nowych rozwiązań.

W związku z tym, pożądane jest uzyskanie na podłożu wkładki skrawającej powłoki diamentowej o wysokiej czystości, która silnie przywiera do podłoża podczas obróbki i, korzystnie, umożliwia wykończenie powierzchni obrabianego wyrobu w sposób porównywalny z wykończeniem przez konwencjonalne wkładki typu PCD, a także opracowanie sposobu prostego, ale skutecznego, wytwarzania silnie przywierających powłok diamentowych oraz wytwarzania gładkich powierzchni na silnie urzeźbionych, przestrzennych powłokach diamentowych o wysokiej czystości, na przykład na wkładkach do wkładek skrawających.

Istota wynalazku

Wkładka skrawająca powlekana diamentem, według wynalazku, zawiera podłoże z węglików spiekanych, głównie składające się z ziarna węglika wolframu spojonych spoiwem metalowym wybranym z grupy obejmującej kobalt i stopy kobaltu, przy czym podłoże ma powierzchnię przyłożenia i powierzchnię natarcia, na połączeniu których jest usytuowana krawędź tnąca.

Wkładka charakteryzuje się według wynalazku tym, że powierzchnia natarcia zawiera głównie ziarna węglika wolframu, które mają stosunkowo duży rozmiar w porównaniu z ziarnami znajdującymi się w wewnętrznych obszarach podłoża, a powierzchnia podłoża i powierzchnia przyłożenia mają nieregularny kształt o chropowatości Ra co najmniej 0,635 gm, zaś na nieregularnych powierzchniach natarcia i przyłożenia jest osadzona silnie do nich przywierająca diamentowa powłoka. Powłoka diamentowa przylega do nieregularnej powierzchni natarcia z przeciętną przyczepnością co najmniej 45 kg w skali A Rockwella według testów metodą wyciskania wgłębnika, korzystnie z przeciętną przyczepnością co najmniej 60 kg, a najkorzystniej co najmniej 80 kg.

Chropowatość powierzchni Ra powłoki diamentowej spojonej przyczepnie z powierzchnią natarcia wynosi powyżej 0,89 gm, a powłoka diamentowa spojona przyczepnie z powierzchnią przyłożenia ma wygładzoną powierzchnię.

Przeciętna grubość powłoki diamentowej spojonej z powierzchnią natarcia wynosi od około 5 do około 100 gm, korzystnie od około 22 do około 50 gm. Ziarna węglika wolframu znajdujące się na powierzchni natarcia mają wymiar co najmniej 10 gm. Powierzchnia natarcia podłoża ma chropowatość Ra wynoszącą co najmniej 1,02 gm.

Obszary podłoża usytuowane w pobliżu co najmniej jednej z powierzchni natarcia i powierzchni przyłożenia mają porowatość co najmniej A08, B00, C00. Krawędź tnąca jest

175 204 wygładzona. Powierzchnia natarcia ma ukształtowane struktury łamiące wiór. Powierzchnia natarcia podłoża ma chropowatość Ra wynoszącą co najmniej 0,76 μm.

Sposób wytwarzania wkładki skrawającej powlekanej diamentem, według wynalazku, polega na tym, że kształtuje się podłoże na bazie spiekanych węglików zawierających głównie ziarna węglika wolframu i spoiwo metalowe wybrane z grupy obejmującej kobalt i stopy kobaltu, przy czym w podłożu formuje się powierzchnię natarcia i powierzchnię, a na ich połączeniu krawędź tnącą.

Sposób charakteryzuje się według wynalazku tym, że podłoże z węglików spiekanych na bazie węglika wolframu spieka się w czasie, w temperaturze i w atmosferze, przy której doprowadza się do wzrostu ziarna na powierzchni natarcia i na powierzchni przyłożenia i uzyskania powierzchniowej chropowatości Ra większej niż 0,635 pmprzy zmniejszeniu stężenia metalowego spoiwa na powierzchni, a następnie osadza się poprzez naparowywanie powłokę diamentową na powierzchnię natarcia i na powierzchnię przyłożenia.

Powłokę diamentową osadza się z przeciętną przyczepnością co najmniej 45 kg w skali A Rockwella według testów metodą wyciskania wgłębnika, korzystnie co najmniej 60 kg.

Na powierzchni natarcia osadza się powłokę diamentową o przeciętnej grubości spojonej wynoszącej od około 5 do około 100 pm, a korzystnie od około 22 do około 50 μm.

Wytwarza się powierzchnię natarcia o chropowatości Ra wynoszącej co najmniej 0,76 μm, korzystnie co najmniej 1,02 μm.

Podłoże spieka się w atmosferze azotu, korzystnie pod ciśnieniem od 39,9 do 6650 Pa.

Powłokę diamentową nakłada się na podłoże o temperaturze wyższej niż 700°C i niższej niż 875°C. Wygładza się powłokę diamentową osadzoną na powierzchni natarcia.

Powłokę diamentową wygładza się poprzez polerowanie tarczą szlifierską.

Podłoże spieka się w atmosferze pod ciśnieniem od 39, 9 do 665 Pa, korzystnie od 39,9 do 266 Pa, a najkorzystniej od 39,9 do 93,1 Pa.

Wytwarza się podłoże, którego powierzchnia ma chropowatość Ra wynoszącą co najmniej 1,27 μm.

Kształtuje się obszary podłoża usytuowane w pobliżu co najmniej jednej z powierzchni natarcia i powierzchni przyłożenia z porowatością co najmniej A08, B00, C00.

Spieka się podłoże przy ciągłym przepływie atmosfery azotu.

Osadza się powłokę diamentową na podłoże, którego temperatura wynosi od 750 do 850°C.

Według wynalazku, wkładka skrawająca cechuje się brakiem porowatości struktury łączącej w obszarach sąsiadujących z nieregularnymi powierzchniami, z którymi jest spojona powłoka diamentowa. Dzięki temu powłoka jest trwale przymocowana do podłoża, co zwiększa trwałość wkładki.

W zalecanym przykładzie wykonania wyrobu według wynalazku, podłoże cementowe stanowi węglik spiekany na osnowie węglika wolframu (to znaczy zawierający więcej niż 50% wagowych WC), a twardymi ziarnami są ziarna węglika wolframu. Udział wagowy spoiwa metalowego stanowi około 0,2 do 20% węglika spiekanego na osnowie węglika wolframu, przy czym spoiwo metalowe wybiera się spośród takich materiałów jak kobalt, stopy kobaltu, żelazo, stopy żelaza, nikiel i stopy niklu.

W bardziej zalecanym przykładzie wykonania, spoiwem metalowym jest kobalt, lub stop kobaltu, przy czym udział wagowy kobaltu wynosi około 0,5 do 7%, a najbardziej korzystnie około 1,0 do około 7% węglika spiekanego na osnowie węglika wolframu.

W przypadku wkładek używanych do ciągłej i przerywanej obróbki wykańczającej stopów aluminium, takich jak A380 i A390, grubość powłoki diamentowej wynosi od około 22 do około 50 μm.

W zalecanym przykładzie wykonania, zwłaszcza w zastosowaniach do obróbki wykańczającej, silnie spojoną z podłożem powłokę diamentową na powierzchni natarcia zostawia się w zasadzie w takim stanie chropowatości, w jakim powstaje podczas osadzania, korzystnie, o chropowatości Ra powyżej 0,9 pm, natomiast powierzchni powłoki diamentowej spojonej z powierzchnią przyłożenia nadaje się większą gładkość.

175 204

Korzystnie, po etapie spiekania, podczas przygotowania powierzchni do diamentowania, przeznaczone do powlekania powierzchnie podłoża zarysowuje się diamentem w celu utworzenia miejsc zarodkowania diamentu.

Krótki opis figur

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1A przedstawia podłoże wkładki skrawającej według niniejszego wynalazku, fig. 1B fragment podłoża wkładki skrawającej z powłoką diamentową z fig. 1A w przekroju płaszczyzną prostopadłą do krawędzi skrawającej, fig. 2-11 - fotomikrografy z skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) obrazujące wtórne obrazy elektronowe (SEI) wkładki skrawającej na różnych etapach realizacji sposobu wytwarzania wkładki według wynalazku, przy czym wszystkie fotografie przedstawiają obiekty powiększone 2000 razy, z wyjątkiem fig. 10, na której obiekty są powiększone 1000 razy, fig. 12 - opcjonalny etap polerowania za pomocą wirującej szczotki nasyconej płynem diamentowym.

Szczegółowy opis korzystnych przykładów wykonania

Podłoże 10 wkładki skrawającej, które ma być powlekane diamentem według wynalazku, przedstawione na fig. 1A, ma powierzchnię natarcia 30 i powierzchnię przyłożenia 50. Na połączeniu powierzchni natarcia 30 z powierzchnią przyłożenia 50 znajduje się krawędź skrawająca 70. Krawędź skrawająca 70 może być ostra, zaokrąglona, skośna lub skośna i zaokrąglona, w zależności od potrzeby. Zaokrąglenie może mieć różne postacie i wymiary używane w dziedzinie obróbki skrawaniem. Korzystnie, promień zaokrąglenia krawędzi skrawającej 70 wynosi, korzystnie, około 0,0127 do 0,0381 mm. Podłoże 10 wkładki skrawającej może mieć również różne znormalizowane kształty i wymiary. Podłoże 10 może mieć również różnorodne elementy do łamania wióra (nie pokazane) na swojej powierzchni natarcia 30, z zadaniem ułatwienia łamania i usuwania wiórów. Tam, gdzie elementy do łamania wiórów mają być powlekane, niektóre z nich, albo wszystkie, mogą być w takim stanie, w jakim są po formowaniu (to jest nieszlifowane).

Według niniejszego wynalazku, na fig. 1B przedstawiono w częściowym przekroju poprzecznym fragment wkładki skrawającej 80 zawierającej cermetowe podłoże 10, widoczne na fig. 1A, silnie spojone z powłoką diamentową 90 osadzoną na powierzchni natarcia 30, powierzchniach przyłożenia 50 i krawędziach skrawających 70. Spodnia powierzchnia podłoża 10 może, ale nie musi, być pokryta powłoką diamentową.

Stosowane w niniejszym wynalazku podłoże 10 jest z cermetu złożonego z twardych ziaren i metalowego spoiwa utrzymującego twarde ziarna. Cermet korzystnie składa się z takich substancji jak znane cermety stosowane w dziedzinie wkładek skrawających i może zawierać substancje na osnowie węglikoazotków tytanowych i węglików wolframu. W substancjach tych stosuje się spoiwo metalowe, na przykład kobalt, stopy kobaltu, nikiel, stopy niklu, żelazo i stopy żelaza.

Korzystnie, podłoże 10 jest wykonane z węglika spiekanego na osnowie węglika wolframu (udział wagowy Wc > 50%). Podłoże 10 zawiera spoiwo metalowe z kobaltu lub stopu kobaltu w proporcji wagowej od około 0,5 do około 20%, korzystnie 1,0 do 7%. Korzystnie zawiera twarde ziarna z węglika wolframu a także inne twarde ziarna, w tym węgliki, azotki i węglikoazotki innych pierwiastków, węgliki w roztworze stałym i węglikoazotki w roztworze stałym wolframu i innych pierwiastków. Tymi innymi pierwiastkami mogą być Ti, Hf, Zr, Ta, Nb, V, Mo i Cr. W zalecanym przykładzie wykonania udział wagowy Ti, Hf, Zr, Ta, Nb, V, Mo i Cr ogranicza się do poniżej 1% wagowych, a bardziej korzystnie do poniżej 0,6% wagowych, tak, że podłoże z węglika spiekanego zawiera głównie węglik wolframu i kobalt lub stop kobaltu (na przykład stop Co-W).

Przykładowo, bardzo dobrą przyczepność uzyskuje się sposobem według wynalazku stosując do wyrobu podłoża 10 materiał wyjściowy z następujących dwóch węglików spiekanych na osnowie węglika wolframu:

Stop A: W + C + 5,7% do 6,3% udziału wagowego Co, do 0,1% wagowych Ta, do 0,1% wagowych Ti, do 0,1% wagowych Nb, 0,3 do 0,5% wagowych Cr, pozostałe inne zanieczyszczenia, którego twardość według Rockwella A wynosi 92,6 do 93,4, natężenie koercyjne, Hc,

175 204

250-320 Oerstedów, nasycenie magnetyczne 83 do 95%, przeciętna wielkość ziaren WC 1 -5 mm i wskaźnik porowatości A04, B00, C00 lub lepszy, gęstość 14,80 do 15,00 g/cm³.

Stop B: W + C + 2,3 do 2,9% wagowych Co, do 0,4% wagowych Ta, do 0,1% wagowych Ti, do 0,1% wagowego Nb, pozostałe inne zanieczyszczenia, twardość według Rockwella A wynosi 92,8 do 93,6, natężenie koercyjne Hc, 290-440 Oerstedów, nasycenie magnetyczne wystarczające do uniknięcia fazy eta, przeciętna wielkość ziaren WC 1-6 mm i wskaźnik porowatości A08, B00, C00 lub lepszy, gęstość 15,10 do 15,50 g/cm3.

Na figurze 2 przedstawiono fotomikrografię SEM powierzchni przyłożenia wyjściowego materiału podłoża ze stopu B w powiększeniu 2000 razy. Na fig. 3 przedstawiono fotomikrografię SEM przekroju przełomu tego samego materiału w powiększeniu 2000 razy. Na obu fotomikrografiach widać podłoże w stanie, w jakim jest po spiekaniu. Należy zauważyć na tych fotomikrografiach, że przeciętna wielkość twardych ziaren (w tym przypadku WC) na powierzchni podłoża jest w przybliżeniu taka sama jak wewnątrz.

Materiał ten wytworzono techniką prasowania na zimno i spiekania w próżni (1,3 do 0,13 Pa), ale rozumie się samo przez się, że materiał wyjściowy według niniejszego wynalazku można uzyskać dowolną znaną techniką, np. prasowania na zimno, prasowania na zimno i spiekania (w próżni, pod ciśnieniem lub izostatycznego prasowania na gorąco albo też techniką stanowiącą kombinację tych sposobów) lub prasowania na gorąco. Powierzchnia podłoża z węglika spiekanego na osnowie węglika wolframu po spiekaniu w próżni składa się z twardych ziaren z węglika wolframu spojonych ze sobą kobaltem lub stopem kobaltu. Kobalt znajduje się nie tylko pomiędzy ziarnami węglika wolframu, ale również pokrywa niektóre ziarna węglika wolframu na powierzchni podłoża, z powodu zwilżających właściwości Co i WC w warunkach spiekania w próżni.

Zazwyczaj podłoże po spiekaniu poddaje się w całości lub w części szlifowaniu (np. struktury łamiące wióry na powierzchni natarcia można pozostawić w takim stanie, w jakim są po formowaniu) w celu zapewnienia dokładnych wymiarów podłoża. Takie operacje jak szlifowanie i gładzenie (które również można wykonać na tym etapie procesu produkcji) rozmazują kobalt na powierzchniach podłoża. Na fig. 4 pokazano powierzchnię natarcia podłoża ze stopu B. Na fig. 5 pokazano przełom przez podłoże ze stopu B po szlifowaniu. Jak widać szlifowanie spowodowało wygładzenie chropowatości powierzchni podłoża w porównaniu z jej stanem z fig. 2 i 3.

W następnej kolejności, opisane powyżej podłoże spieka się (lub ponownie spieka), według wynalazku, przez taki okres czasu oraz w takiej temperaturze i warunkach otoczenia, że wywołuje się na powierzchni wzrost ziaren, i usuwa się z niej pewną ilość spoiwa. Czasi i temperatury dobiera się tak, żeby na powierzchni podłoża wystąpił odpowiednio nienormalny lub przesadny wzrost ziaren, w wyniku czego chropowatość powierzchni Ra przekracza 0,635 gm, korzystnie, przekracza 0,762 gm, a najbardziej korzystnie, wynosi co najmniej 1,01 gm.

Na figurach 6 i 7 przedstawiono wyniki takiego etapu ponownego spiekania na fotomikrografiach (2000 x) budowy powierzchni (fig. 6) i przełomu (fig. 7) powierzchni natarcia, poddanego ponownemu spiekaniu podłoża ze stopu B. Na fig. 6 i 7 widać, że powierzchnia składa się z mieszanki ziaren dużych i małych. Widoczne na powierzchni ziarna duże składają się, korzystnie, z ziaren, których większy wymiar wynosi co najmniej 10 mm, a bardziej korzystnie, wynosi co najmniej 15 mm, dzięki czemu uzyskuje się pożądaną chropowatość powierzchni.

Liniowa analiza rentgenograficzna energii rozpraszania SEM (EDS) wypolerowanych przekrojów podłoży ze stopu B w stanie po spiekaniu i po szlifowaniu, oraz w stanie po ponownym spiekaniu, wykazała, że podczas ponownego spiekania kobalt paruje z podłoży. Przeprowadzone przed ponownym spiekaniem badania techniką EDS i metalograficzną wykazały, że podłoża w stanie po spiekaniu i po szlifowaniu (podłoża zawierały struktury do łamania wiórów w takim stanie, w jakim są po formowaniu (nieszlifowane) np. CpGM-21.51) zawierały wszędzie kobalt w ilości odpowiadającej udziałowi wagowemu około 2,7% do 2,8% (około 2,9% metodą fluorescencji w promieniach rentgena), obszary kobaltu były rozrzucone w całych próbkach, wskaźnik porowatości wynosił A06 do A10, a typowa wielkość ziaren węglika wolframu wynosiła 1 do 6 mm, przy czym zanotowano niewielką liczbę rozproszonych po całej próbce ziaren o wielkości do około 10 mm.

175 204

Po ponownym spiekaniu sposobem według wynalazku zmniejszyła się zawartość kobaltu i wielkość obszarów kobaltu, poprawił się wskaźnik porowatości oraz zwiększyły się wymiary ziaren węglika wolframu. Wskaźnik porowatości wynosił A02 do A06 (nie zanotowano żadnej porowatości łączącej w pobliżu obszarów powierzchniowych próbek, ani gdziekolwiek indziej w próbkach). Wielkość ziaren węglika wolframu nie byłajednorodna i zmieniała się w przedziale wartości od około 1do 11 mm, przy czym większe ziarna i/lub częstość występowania większych ziaren były wyższe na powierzchniach próbek. Notowano obecność ziaren większych o wymiarach od 16 do 28 mm. W próbce CPGM-21.51 powstawały ziarna duże, zarówno na powierzchniach po formowaniu jak i na powierzchniach szlifowanych. W całej próbce CPGN-422 zanotowano znaczne, w zasadzie równomierne zmniejszenie zawartości kobaltu do ilości odpowiadającej udziałowi wagowemu do około 2 (metodą EDS i fluorescencji w promieniach rentgena). W całej próbce CPGM-21.51 zanotowano w zasadzie równomierne zmniejszenie zawartości kobaltu do udziału wagowego do około 0,5. W obu próbkach zmniejszyły się również odchylenia zawartości kobaltu od wartości średniej, co wskazuje na zmniejszenie wymiarów obszarów kobaltu (tj. na bardziej równomierne rozprowadzenie kobaltu). Różnica w ilości odparowanego kobaltu pomiędzy próbkami CPGN-422 i CPGM-21.51 wskazuje, że ilość odparowanego kobaltu jest również funkcją stosunku pola powierzchni wkładki do objętości. W miarę wzrostu wartości tego stosunku trzeba również zwiększyć ilość odparowanego kobaltu dla danej obróbki techniką ponownego spiekania.

Ponowne spiekanie prowadzono w temperaturze 1510°C przez trzy godziny w atmosferze azotu pod ciśnieniem około 6650 Pa. Czasy niezbędne do uzyskania odpowiedniej chropowatości powierzchni zależą od materiału wyjściowego oraz warunków spiekania. W miarę wzrostu temperatury należy zmniejszać czasy spiekania. Stwierdzono, że w przypadku poddanych spiekaniu i szlifowanych podłoży ze stopu B odpowiednie czasy do uzyskania wymaganej chropowatości powierzchni podczas spiekania w temperaturze 1510°C wynoszą 2 do 3 godzin. W przypadku podłoża ze stopu A stwierdzono konieczność stosowania dłuższych czasów spiekania.

Jeżeli po pierwszym ponownym spiekaniu nie uzyska się wymaganej chropowatości powierzchni, to podłoże można poddawać ponownemu spiekaniu do czasu jej uzyskania.

Podczas spiekania (lub ponownego spiekania) sposobem według wynalazku, istotne znaczenie ma również osiągnięcie dobrej przyczepności powłoki diamentowej do podłoża. Stosowanie podczas tej obróbki atmosfery azotowej przyczynia się do zminimalizowania ilości kobaltu na gotowej chropowatej powierzchni. W celu umożliwienia kobaltowi parowania z powierzchni, należy sterować ciśnieniem cząstkowym azotu, minimalizując jednocześnie ponowne zwilżanie powierzchni przez dodatkowy kobalt pochodzący z całego podłoża oraz, korzystnie, unikając zauważalnego tworzenia się warstwy azotków na powierzchni podłoża.

W związku z tym, najbardziej korzystne ciśnienie cząstkowe azotu może być funkcją składu podłoża. W celu sterowania ilością i tempem parowania kobaltu z całej masy podłoża można również podczas cyklu(ów) ponownego spiekania regulować lub zmieniać ciśnienie cząstkowe azotu.

Korzystnie stosuje się atmosferę azotu o ciśnieniu od 39,9 do 6650Pa, korzystnie 39,9 do 665Pa, a najbardziej korzystnie od 39,9 do 266Pa. Najlepsze wyniki osiągnięto stosując do obróbki stopu B atmosferę azotu o ciśnieniu 39,9 do 93,1Pa. Stwierdzono, że atmosfera azotu umożliwia parowanie kobaltu znajdującego się na zewnętrznych powierzchniach ziaren na powierzchni podłoża, z równoczesnym pozostawaniem kobaltu pomiędzy znajdującymi się na powierzchni podłoża ziarnami węglika wolframu, w ilości wystarczającej do dobrego ich spojenia z pozostałą częścią podłoża. Parowaniu powierzchniowemu kobaltu towarzyszy wzrost ziaren węglika wolframu na powierzchni, co powoduje chropowatość powierzchni.

Następnie, w procesie przygotowania powłoki diamentowej, powierzchnie natarcia i przyłożenia podłoża wkładki skrawającej, korzystnie zarysowuje się za pomocą dowolnych środków konwencjonalnych (na przykład za pomocą śrutu diamentowego lub pasty diamentowej) w celu utworzenia miejsc zarodkowania.

Podłoże pokrywa się powłoką diamentową techniką osadzania z fazy gazowej (np. techniką gorących włókienek, stałoprądowego strumienia plazmy i plazmy mikrofalowej). Podczas

175 204 nanoszenia powłoki diamentowej korzystnie utrzymuje się temperaturę podłoża na poziomie pomiędzy 700 a 875°C. Poniżej temperatury 700°C powstaje za dużo grafitu w powłoce diamentowej, co znacznie zmniejsza odporność na zużycie. Ponadto zmniejsza się także wydajność powlekania. Natomiast powyżej temperatury 875°C z podłoża dyfunduje podczas powlekania za dużo kobaltu, co niekorzystnie wpływa na przyczepność diamentu do podłoża. Stwierdzono, że najlepsze temperatury do powlekania diamentem mieszczą się w przedziale od około 750°C do około 850°C. W zakresie tym można zminimalizować wspomniane powyżej niekorzystne warunki oraz uzyskać rozsądne wydajności powlekania.

Na figurze 8 (powiększenie 2000 razy) przedstawiono morfologię powierzchni natarcia wkładki skrawającej w takim stanie, w jakim znajduje się po osadzeniu na niej powłoki diamentowej sposobem według wynalazku. Widoczna silnie urzeźbiona powierzchnia powłoki diamentowej o wysokiej czystości zawiera minimalną, o ile w ogóle, fazę sp² (grafit) oraz spoiwo z podłoża. Tę powłokę diamentową wytworzono techniką CVD za pomocą gorących włókienek.

Na figurze 9 (powiększenie 2000 razy) przedstawiono powierzchnię powłoki diamentowej na powierzchni przyłożenia wkładki po jej przeszlifowaniu.

Porównując fig. 8 i 9 widać wygładzające oddziaływanie polerowania na strukturę powierzchni powłoki diamentowej. Zadaniem polerowania jest eliminacja chropowatości na powierzchni powłoki diamentowej na powierzchni przyłożenia w celu poprawy wykończenia powierzchni obrabianego obiektu. Korzystnie, polerowanie przeprowadza się tak, żeby chropowatość powierzchni Ra na powierzchni przyłożenia w pobliżu narożników wkładki została zmniejszona do co najmniej 0,25 gm.

Na figurach 10-11 przedstawiono odpowiednio przełom powierzchni natarcia w strefie przejściowej wkładki skrawającej powleczonej diamentem i ponownie spiekanej. Na fig. 10 pokazano przełom w powiększeniu 1000 razy, natomiast na fig. 11 w powiększeniu 2000 razy. Na figurach tych widać mechaniczne sprzężenie powłoki z nieregularną powierzchnią natarcia podłoża złożoną z dużych ziaren powierzchniowych węglika wolframu. Sformułowano teorię mówiącą o tym, że minimalizacja zawartości kobaltu na powierzchniach ziaren węglika wolframu intensyfikuje bezpośrednie zarodkowanie diamentu na węgliku wolframu. Zarówno intensywniejsze zarodkowanie jak i sprzężenie mechaniczne poprawiają przyczepność powłoki diamentowej.

Przyczepność powłok diamentowych do podłoża cermetowego jest złożoną funkcją zarówno parametrów wewnętrznych jak i zewnętrznych. Należą do nich chropowatość powierzchni, chemiczna zgodność powierzchni, zgodność współczynników rozszerzalności cieplnej, przygotowanie powierzchni, gęstość zarodkowania oraz temperatura powłoki. W polikrystalicznych powłokach diamentowych na wkładkach z węglików, przyczepność powłoki jest znacznie zmniejszana wskutek koncentracji spoiwa na powierzchni cermetu. Uważa się, że etap ponownego spiekania, według wynalazku, umożliwia odpowiednie zmniejszenie zawartości spoiwa (np. kobaltu) w celu uzyskania dobrego związania diamentu z podłożem, ale nie na tyle duże zmniejszenie ilości kobaltu, żeby nastąpiło znaczniejsze osłabienie związania powierzchniowych ziaren WC z pozostałą częścią podłoża. Unika się w ten sposób konieczności trawienia powierzchni podłoża w celu usunięcia z niej kobaltu, z towarzyszącym temu trawieniu formowaniem porowatości łączącej w obszarach sąsiadujących z powierzchnią podłoża.

Realizację sposobu według wynalazku ilustrują dodatkowo następujące przykłady.

Przykład 1. Prasowano półfabrykaty typu SPGN-422 pod ciśnieniem 206 844kPa z mieszanką proszkową stopu B. Następnie półfabrykaty te spiekano w temperaturze 1496°C przez 30 minut podczas konwencjonalnego cyklu spiekania węglików w próżni. Następnie przeszlifowano je do wymiarów SPGN-422 i ponownie ogrzano podczas cyklu ponownego spiekania zgodnie z danymi według tabeli I. Ciśnienie cząstkowe azotu, w atmosferze którego przeprowadzono spiekanie, wynosiło około 66,5Pa, a materiał znajdował się w bezpośrednio zasilanym pompą zasobniku grafitowym przepuszczalnym dla gazów, przez który przepuszczano w sposób ciągły około 2,5-3,0 litrów azotu na minutę. Najpierw temperatura doprowadzanego azotu podczas ogrzewania do temperatury ponownego spiekania wynosiła 538°C, po czym utrzymywano ją do osiągnięcia wartości 1149°C podczas chłodzenia. Wtedy azot zastępowano helem.

175 204

Po ponownym spiekaniu mierzono chropowatość powierzchni ponownie ogrzanych wkładek za pomocą standardowej aparatury Sheffield Proficorder Spectre. Pomiary wykonywano w dwóch miejscach wkładek. Następnie wkładki poddawano czyszczeniu ultradźwiękowemu poprzez działanie ultradźwiękami w roztworze wody z substancją mikroczyszczącą, płukanie wodą, działanie ultradźwiękami w acetonie i na końcu w alkoholu metylowym, po czym wytwarzano ośrodki zarodkowania diamentu, szlifując ręcznie pastą diamentową z ziarnami o wielkości 0,25 mm, albo działając ultradźwiękami na obiekt umieszczony w zawiesinie proszku diamentowego w postaci ziaren o wielkości 0,5 do 3 mm w 100 ml acetonu, a następnie powlekano diamentem metodą CVD z gorącymi włókienkami w mieszaninie złożonej z 1% metanu i 99% wodoru, pod ciśnieniem całkowitym gazu 1332Pa i w temperaturze podłoża około 775 do około 850°C, w celu wytworzenia powłoki diamentowej o grubości około 5 do 10 mm.

Przyczepność powłoki diamentowej do powierzchni węglika określano metodą wciskania wgłębnika na maszynie do pomiaru twardości Rockwella, używając do tego wgłębników stożkowych Rockwell A typu Brale i stosując wybrane zakresy obciążeń: 15 kg, 30 kg, 45 kg, 60 kg i 100 kg. Przyczepność wyznaczano jako minimalne obciążenie, przy którym powłoka odczepiała się i/lub łuszczyła. Pomiary wykonywano w dwóch miejscach wkładek.

Typowe warunki ponownego spiekania, wynikające z nich chropowatości powierzchni i odpowiednie wartości przyczepności zebrano w tabeli I. Zmiany wagi podłoża (spadki) podczas ponownego spiekania potwierdzają odparowywanie kobaltu z próbek podczas ponownego spiekania. Im wyższy stosunek zmiany wagi tym większa strata kobaltu. W przykładach tych zadowalające wartości przyczepności uzyskiwano przy stosunkach wag 1,0030 do 1,0170 w powiązaniu z chropowatościami powierzchni od 0,69 do 1,55 pm. Te stosunki zmian wag wskazują, że w podłożach, w których udział wagowy kobaltu wynosił przed ponownym spiekaniem 2,7, po ponownym spiekaniu udział ten spadał do około 2,4 do 1,0. Wzrost chropowatości powierzchni jest pożądany ze względu na poprawę sprzężenia pomiędzy powierzchnią podłoża a powłoką diamentową, natomiast stosunek zmiany wag powinien utrzymywać się na możliwie małym poziomie, proporcjonalnie do uzyskania odpowiedniego poziomu chropowatości powierzchni, niezbędnego do osiągnięcia odpowiednio dobrego związania powłoki.

Ogólnie, próbki o wyższej chropowatości powierzchni podłoża wykazują większą przyczepność powłoki. Próbki spiekane tylko przez godzinę w temperaturze 1454°C miały nie wystarczającą chropowatość powierzchni, oraz znacznie mniejszy spadek wagi (to jest spadek zawartości kobaltu) niż próbki spiekane przez dłuższe okresy czasu sposobem według niniejszego wynalazku.

Przykład 2. Oceniano powlekane wkładki sporządzone w podobny sposób jak w doświadczeniu poprzednim, badając je podczas testu skrawania metali. Ogólnie, próbki o większej chropowatości powierzchni podłoża cechowały się lepszymi parametrami. Ponownie spiekano, jak pokazano w tabeli II, w takiej samej jak przedtem atmosferze azotu o ciśnieniu 66,5Pa, dodatkowe próbki spiekanych i szlifowanych podłoży ze stopu B oraz spiekanych i szlifowanych podłoży ze stopu A. Stosunek zmiany wagi podłoża w próbkach 608A3 i 608A4 wynosił, odpowiednio, 1,0088 i 10069. Nie mierzono zmian wag innych próbek wymienionych w tabeli II spowodowanych ponownym spiekaniem. Jak można zorientować się z tabeli, podłoża ze stopu A poddawano dwóm ponownym spiekaniom w celu uzyskania odpowiedniej szorstkości powierzchni i odpowiednich wartości przyczepności mierzonej wgłębnikiem. Uważa się, że warunkiem uzyskania chropowatości powierzchni i wartości przyczepności ekwiwalentnych do uzyskanych w stopie B dzięki dodaniu chromu (inhibitor wzrostu ziaren) i/lub dzięki wyższej zawartości kobaltu w stopie A, jest zastosowanie dłuższych czasów ponownego spiekania. Grubość powłok diamentowych nałożonych na te próbki wynosiła w narożach powierzchni natarcia około 25 mm (zmiana wagi o 21 mg na wkładce typu SPGN-422 jest w przybliżeniu ekwiwalentna grubości powłoki rzędu 25 mm).

Stwierdzono, że wkładki skrawające pokryte diamentem według niniejszego wynalazku, w kolejności od stopów aluminium typu A380 do A390, cechują się odpornością na zużycie wynoszącą co najmniej 40, a bardziej korzystnie, około 60% wkładek z końcówkami PCD, zużywają się wskutek ścierania (a nie łuszczenia), a także mają podobne trwałości i w podobny sposób ulegają uszkodzeniom podczas przerywanego toczenia tych materiałów. Według wiedzy

175 204 wynalazców, jest to pierwszy przypadek wyprodukowania powlekanego diamentem wkładki skrawającej trwale odpornego na łuszczenie się podczas przerywanego toczenia tych materiałów. Umożliwia to uzyskanie i przewidzenie trwałości narzędzi, co jest warunkiem koniecznym konkurencyjności wkładek powlekanych diamentem wobec wkładek z końcówkami typu PCD. Opisane powyżej wyniki badań skrawania uzyskano dla powłok diamentowych o grubości około 25 mm, mierzonej na powierzchni natarcia w pobliżu narożników wkładki o podłożu ze stopu B.

Zaleca się, chociaż nie jest to obligatoryjne, polerowanie powierzchni przyłożenia według niniejszego wynalazku za pomocą wirującej szczotki, której włosie jest nasycone śrutem diamentowym (np. śrutem o wielkości podsitowej 400).

Tabela I

Wpływ ponownego spiekania na chropowatość i przyczepność

Próbka nr	Warunki ponownego spiekania temp./czas °C/min	Stosunek zmiany wagi podłoża	Chropowatość powierzchni podłoża Ra mikrometry	Wzrost wagi powłoki diamentowej mg	Przyczepność mierzona wgłębnikiem kg
Szlifowana	Żadne		0,13-0,13		*-15
1624-1	1454/60	1,0016	0,33-0,36	4,58	30-45
1629-6	1454/60	1,0020	0,43-0,51	8,62	45-45'
1623-3	1454/120	1,10030	0,69-0,51	8,73	60-100
1628-6	1454/120	1,0073	0,84-0,99	8,96	60-60
1622-2	1510/120	1,0048	1,02-1,02	5,37	100-100
1627-4	1510/120	1,0170	1,47-1,55	7,66	60-100

łuszczenie samorzutne ** wskutek procesu ponownego spiekania (waga przed/waga po) Tabela II

Próbka nr	Warunki ponownego spiekania temp./czas °C/min	Chropowatość powierzchni podłoża Ra mikrometry	Chropowatość powierzchni powłoki diamentowej Ra mikrometry	Wzrost wagi powłoki diamentowej mg	Przyczepność mierzona wgłębnikiem kg
608E2	1510/180	1,14/1,27	1,14/1,47	19,74	60/100
608E3	1510/180	1,32,/1,40	1,52/1,52	23,58	60/60
608E5	1510/180	1,22/1,40	1.22/1,40	18,59	60/100
608E6	1510/180	1,07/1,07	1,02/1,07	19,16	60/100
608E7	1510/180	1,14/1,02	1,14/1,27	22,80	45/60
608E8	1510/180	1,32/1,27	1,52/1,07	18,62	45/60
608E9	2750/180	1,22/1,32	1,52/1,73	18,90	60/60
608E10	1510/180	1,14/1,14	1,27/1,07	22,66	60/60
608A3	1510/180	0,97/1,22	1,02/0,97	15,92	60/60
608A4	1510/180	1,(32/0,89	1,14/0,97	16,27	60/60
608F	1510/180 + 1510/180	1,47/1,21	1,61/1,32	24,55	60/60
608G	1538/120 + 1510/180	1,07/1,40	1,14/1,40	19,63	45/60

E = Podłoże wyjściowe ze stopu B do wkładki typu SPGN-422 A = Podłoże wyjściowe ze stopu B do wkładki typu TPGN-322 F & G = Podłoże wyjściowe ze stopu A do wkładki typu SPGN-422 pierwsza liczba dotyczy pobliża środka powierzchni natarcia, druga liczba dotyczy pobliża krawędzi skrawającej

Na figurze 12 pokazano etap polerowania, podczas którego włosie 100 szczotki działa na powierzchnię przyłożenia 190 wkładki skrawającej 200. Narzędzie 200 może, ale nie musi,

175 204 obracać się stykając się z włosiem szczotki. Jak widać na fig. 12, można to osiągnąć montując wkładkę skrawającą 200 na wirującej podstawce 210, tak że wkładka obraca się wokół osi prostopadłej do osi obrotu włosia 100 szczotki umożliwiając włosom 100 omiatanie i przesuwanie się po każdej powierzchni przyłożenia 190 (pozycja A). Alternatywnie (czego nie pokazano) można kolejno polerować wszystkie strony lub narożniki powierzchni przyłożenia wkładki, utrzymując stałą orientację wkładki (nieruchoma) podczas polerowania, a następnie, po zakończeniu polerowania, przemieszczając wkładkę w taki sposób, żeby polerowany był następny narożnik.

W innym rozwiązaniu alternatywnym (pokazanym w pozycji B na fig. 12), wkładkę 200 można ustawić w położeniu odwróconym górą do dołu, w dolnej prawej ćwiartce szczotki wirującej w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara. W ten sposób można polerować powierzchnię przyłożenia 190 wkładki, nie zaokrąglając pokrytej powłoką krawędzi skrawającej 220.

Przykładowo, polerowano kilka pokrytych diamentem wkładek przez 15 minut za pomocą szczotki o średnicy 203 mm nasyconej śrutem diamentowym o wielkości podsitowej 400 i wirującej z prędkością 1000 obrotów na minutę. Chropowatość powierzchni powłoki diamentowej, zarówno w takim stanie, w jakim znajdowała się po osadzaniu jak i po polerowaniu, mierzono za pomocą instrumentu Sheffield Proficorder Spectre. Dane dotyczące chropowatości podano poniżej w tabeli III. Wynika z nich, że proces polerowania znacznie obniża parametry chropowatości powierzchni przyłożenia. R_a oznacza przeciętną wartość chropowatości, natomiast R_tm maksymalne wartości od wierzchołka do dna nierówności, przy czym polerowanie znacznie silniej zmniejsza drugą z nich.

T a b e 1 a III

Wpływ polerowania na parametry chropowatości powierzchni wkładek powlekanych diamentem

Kod wkładki	Stan powierzchni	Parametry chropowatości powierzchni
Ra mikrometry	Rtm mikrometry
A	Po osadzeniu	1,30	8,66
	Polerowana	0,99	6,81
B	Po osadzeniu	2,31	16,28
	Polerowana	1,47	8,46
C	Po osadzeniu	1,02	7,06
	Polerowana	0,89	5,77
D	Po osadzeniu	2,24	13,89
	Polerowana	1,50	8,38
E	Po osadzeniu	1,12	7,62
	Polerowana	0,89	5,66

Próby zastosowania szczotek nasyconych cząstkami węglika krzemu zakończyły się niepowodzeniem. Po polerowaniu parametry chropowatości nie uległy zmianie. Ujawniony proces polerowania diamentem można zrealizować w krótszym czasie stosując bardziej agresywne warunki, na przykład stosując większe cząstki PCD we włosiu, większe prędkości obrotowe, etc.

Poniżej przedstawiono kilka przykładów korzystnego wpływu operacji polerowania na parametry obróbki skrawaniem metali. Jeden z narożników każdej z trzech pokrytych diamentem wkładek typu SPGN-422 polerowano w sposób opisany powyżej (podczas polerowania wkładki nie obracały się). Diamentową powłokę w pozostałych narożnikach pozostawiono w takim stanie, w jakim znajdowała się po osadzeniu. Dla porównania przeprowadzono w tym teście badania skrawania metali za pomocą konwencjonalnych wkładek, z wkładką PCD. Zastosowano następujące warunki skrawania podczas testu toczenia: materiał, z jakiego był wykonany obrabiany wyrób - aluminium A390 (około 18% krzemu), prędkość toczenia 750 m na minutę, posuw 0,127 mm na obrót, głębokość skrawania 0,635 mm. Wkładki używano kolejno, skra14

175 204 wając nimi w ciągu dwuminutowych okresów do zniszczenia wkładki, tj. do pojawienia się zużycia w postaci łysinki o wymiarach 0,25 mm lub starcia się powłoki diamentowej do podłoża. Po każdym dwuminutowym toczeniu mierzono chropowatość powierzchni obrabianego przedmiotu za pomocą przenośnego profilometru. (Profilometr Pocket Surf® model EAS-2632 firmy Federal Products Corp.), w którym mikrochropowatość powierzchni określa się za pomocą diamentowego rysika.

Uzyskane wyniki przedstawiono w tabeli IV, gdzie zamieszczono również zakres chropowatości obrabianego przedmiotu mierzonych podczas testu do czasu zniszczenia wkładki. Wyraźnie widać przewagę stanu powierzchni przedmiotu obrabianego wkładkami pokrytymi diamentem i polerowanymi, przy czym stan ten jest zbliżony do uzyskiwanego za pomocą wkładek, z wkładką PCD. Powlekane diamentem wkładki tego typu nadają się zwłaszcza do obróbki wykańczającej techniką skrawania w sytuacjach, w których wymagana chropowatość obrabianych powierzchni jest w przybliżeniu równa 2,03 gm. Jednakże, jak widać z tabeli IV, pozycja Materiał C Wkładki, można sterować polerowaniem (o ile jest to konieczne), tak żeby chropowatość powierzchni obrabianego przedmiotu wynosiła poniżej 1,27 (im, czyli była taka sama jak w przypadku obróbki za pomocą wkładek z wkładką typu PCD.

Tabela IV

Wpływ polerowania na stan powierzchni przedmiotu obrabianego wkładkami powlekanymi diamentem

Materiał wkładki	Stan powierzchni	Zakres chropowatości, Ra obrabianego przedmiotu mikrometry
PCD	Polerowana	0,7^6-^1,12
	Po osadzeniu	1,30->2,74
A	Polerowana	1,12 - >1,91
	Po osadzeniu	1,78->4,55
B	Polerowana	0,84->1,85
	Po osadzeniu	1,40->2,11
C	Polerowana	0,89 ->1,02

W tabeli IV przedstawiono, że zakres chropowatości obrabianego przedmiotu przed i po polerowaniu zmniejszył się o 0,18-2,64 Ra.

W innym przykładzie, uszkodzone narzędzie powlekane diamentem z powłoką pozostawioną w stanie takim jak po osadzeniu (powłoka zużyta do podłoża po 46 minutach łącznego czasu skrawania, ze strefą zużycia wynoszącą 0,41 mm) obrabiało powierzchnię przedmiotu do chropowatości (Ra) w zakresie od 4,67 do 5,61 gm. Zużytą strefę na tym narzędziu polerowano w sposób opisany powyżej. Po obróbce, narzędzie obrabiało powierzchnię wyrobu do stanu chropowatości (Ra) w zakresie od 1,52 do 1,70 gm. Również w tym przypadku operacja polerowania wpływała korzystnie na parametry wkładki.

Stwierdzono, że do wygładzenia powierzchni szczotką z ziarnami o wielkości podsitowej 400 trzeba ją polerować tylko przez kilka minut. W razie możliwości zastosowania wykończenia bardziej zgrubnego (np. ziarnami o wielkości podsitowej 120), czas polerowania można skrócić. Polerowanie może również przebiegać w dwóch lub więcej etapach, przy czym pierwszy, szybki etap realizuje się za pomocą szczotki z ziarnami grubymi (np. o wielkości podsitowej 120) a jego zadaniem jest usunięcie większości dużych chropowatości, natomiast drugi, wolny etap, ma zapewnić pokrytej warstwą diamentu powierzchni ostateczną gładkość i realizuje się go za pomocą szczotki z drobnymi ziarnami (np. o wielkości podsitowej 400).

Wynalazek opisano szczegółowo na najbardziej zalecanym przykładzie wykonania, tj. dla pokrytych diamentem katalogowych wkładek skrawających, używanych do obróbki przedmiotów metalowych takimi technikami jak toczenie i frezowanie, ale nie ogranicza się on wyłącznie do zastosowań tego typu.

175 204

Niniejszy wynalazek można zastosować do wkładek do narzędzi okrągłych (takich jak wiertła i frezy czołowe) oraz do innych narzędzi skrawających, które nie muszą być narzędziami katalogowymi. Wkładki skrawające według niniejszego wynalazku można również używać do obróbki innych materiałów niż aluminium i jego stopy, takich jak stopy miedzi, cynku i mosiądz, drewno, płyty wiórowe, poliamidy, tworzywa akrylowe, materiały z żywic fenolowych, tworzywa sztuczne, kompozyty, tworzywa ceramiczne i cermety, kości i zęby.

Niniejszy wynalazek można również zastosować w elementach zużywalnych w takich zastosowaniach jak do elementów do automatycznego montażu sprzętu elektronicznego oraz matryce i stemple.

Niniejszy wynalazek można również stosować do końcówek z węglików spiekanych na osnowie węglika wolframu spajanego kobaltem, przeznaczonych do narzędzi do górnictwa i budownictwa, oraz do narzędzi do wiercenia w ziemi i skałach.

Powyżej przedstawiono najlepszy sposób realizacji wynalazku, ale każdy fachowiec z dziedziny, której dotyczy wynalazek, zorientuje się w możliwości zastosowania alternatywnych rozwiązań i realizacji przykładów wykonania zgodnych z wynalazkiem scharakteryzowanym w zastrzeżeniach patentowych.

175 204

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 4,00 zł

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Wkładka skrawająca z powłoką diamentową, zawierająca podłoże z węglików spiekanych, głównie składające się z ziaren węglika wolframu spojonych spoiwem metalowym wybranym z grupy obejmującej kobalt i stopy kobaltu, przy czym podłoże ma powierzchnię przyłożenia i powierzchnię natarcia, na połączeniu których jest usytuowana krawędź tnąca, znamienna tym, że powierzchnia natarcia (30) zawiera głównie ziarna węglika wolframu, które mają stosunkowo duży rozmiar w porównaniu z ziarnami znajdującymi się w wewnętrznych obszarach podłoża (10), a powierzchnia podłoża i powierzchnia przyłożenia (50) mają nieregularny kształt o chropowatości Ra co najmniej 0,635 gm, zaś na nieregularnych powierzchniach natarcia (30) i przyłożenia (50) jest osadzona silnie do nich przywierająca diamentowa powłoka (90).

2. Wkładka według zastrz. 1, znamienna tym, że powłoka diamentowa (90) przylega do nieregularnej powierzchni natarcia (30) z przeciętną przyczepnością co najmniej 45 kg w skali A Rockwella według testów metodą wyciskania wgłębnika.

3. Wkładka według zastrz. 2, znamienna tym, że powłoka diamentowa (90) przylega do nieregularnej powierzchni natarcia (30) z przeciętną przyczepnością co najmniej 60 kg w skali A Rockwella według testów metodą wyciskania wgłębnika.

4. Wkładka według zastrz. 3, znamienna tym, że powłoka diamentowa (90) przylega do nieregularnej powierzchni natarcia (30) z przeciętną przyczepnością co najmniej 80 kg w skali A Rockwella według testów metodą wyciskania wgłębnika.

5. Wkładka według zastrz. 1, znamienna tym, że chropowatość powierzchni Ra powłoki diamentowej (90) spojonej przyczepnie z powierzchnią natarcia (30) wynosi powyżej 0,89 gm, a powłoka diamentowa (90) spojona przyczepnie z powierzchnią przyłożenia (50) ma wygładzoną powierzchnię.

6. Wkładka według zastrz. 1, znamienna tym, że przeciętna grubość powłoki diamentowej (90) spojonej z powierzchnią natarcia (30) wynosi od około 5 do około 100 gm.

7. Wkładka według zastrz. 1, znamienna tym, że ziarna węglika wolframu znajdujące się na powierzchni natarcia (30) mają wymiar co najmniej 10 gm.

8. Wkładka według zastrz. 1, znamienna tym, że powierzchnia natarcia (30) podłoża ma chropowatość Ra wynoszącą co najmniej 1,02 gm.

9. Wkładka według zastrz. 6, znamienna tym, że przeciętna grubość powłoki diamentowej (90) spojonej z powierzchnią natarcia (30) wynosi od około 22 do około 50 gm.

10. Wkładka według zastrz. 1, znamienna tym, że obszary podłoża usytuowane w pobliżu co najmniej jednej z powierzchni natarcia (30) i powierzchni przyłożenia (50) mają porowatość co najmniej A08, B00, C00.

11. Wkładka według zastrz. 1, znamienna tym, że krawędź tnąca (70) jest wygładzona.

12. Wkładka według zastrz. 1, znamienna tym, że powierzchnia natarcia (30) ma ukształtowane struktury łamiące wiór.

13. Wkładka według zastrz. 1, znamienna tym, że powierzchnia natarcia (30) podłoża ma chropowatość Ra wynoszącą co najmniej 0,76 gm.

14. Sposób wytwarzania wkładki skrawającej z powłoką diamentową, w którym kształtuje się podłoże na bazie spiekanych węglików zawierających głównie ziarna węglika wolframu i spoiwo metalowe wybrane z grupy obejmującej kobalt i stopy kobaltu, przy czym w podłożu formuje się powierzchnię natarcia i powierzchnię, a na ich połączeniu krawędź tnącą, znamienny tym, że podłoże (10) z węglików spiekanych na bazie węglika wolframu spieka się w czasie, w temperaturze i w atmosferze, przy której doprowadza się do wzrostu ziarna na powierzchni natarcia (30) i na powierzchni przyłożenia (50) i uzyskania powierzchniowej chropowatości Ra większej niż 0,635 gm przy zmniejszeniu stężenia metalowego spoiwa na powierzchni, a

175 204 następnie osadza się poprzez naparowywanie powłokę diamentową (90) na powierzchnię natarcia (30) i na powierzchnię przyłożenia (50).

15. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, że powłokę diamentową (90) osadza się z przeciętną przyczepnością co najmniej 45 kg w skali A Rockwella według testów metodą wyciskania wgłębnika.

16. Sposób według zastrz. 15, znamienny tym, że powłokę diamentową (90) osadza się z przeciętną przyczepnością co najmniej 60 kg w skali A Rockwella według testów metodą wyciskania wgłębnika.

17. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, że na powierzchni natarcia (30) osadza się powłokę diamentową (90) o przeciętnej grubości spojonej wynoszącej od około 5 do około 100 pm.

18. Sposób według zastrz. 17, znamienny tym, że na powierzchni natarcia (30) osadza się powłokę diamentową (90) o przeciętnej grubości spojonej wynoszącej od około 22 do około 50pm.

19. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, że wytwarza się powierzchnię natarcia (30) o chropowatości Ra wynoszącej co najmniej 0,76 pm.

2θ.

Sposób według zastrz. 19, znamienny tym, że wytwarza się powierzchnię natarcia (30) o chropowatości Ra wynoszącej co najmniej 1,02 pm.

21. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, że podłoże (10) spieka się w atmosferze azotu.

22. Sposób według zastrz. 21, znamienny tym, że podłoże (10) spieka się w atmosferze pod ciśnieniem od 39,9 do 6650 Pa.

23. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, że powłokę diamentową (90) nakłada się na podłoże o temperaturze wyższej niż 700°C i niższej niż 875°C.

24. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, że wygładza się powłokę diamentową (90) osadzoną na powierzchni natarcia (30).

25. Sposób według zastrz. 24, znamienny tym, że powłokę diamentową (90) wygładza się poprzez polerowanie tarczą szlifierską.

26. Sposób według zastrz. 21, znamienny tym, że podłoże (10) spieka się w atmosferze pod ciśnieniem od 39,9 do 665 Pa.

27. Sposób według zastrz. 26, znamienny tym, że podłoże (10) spieka się w atmosferze pod ciśnieniem od 39,9 do 266 Pa.

28. Sposób według zastrz. 27, znamienny tym, że podłoże (10) spieka się w atmosferze pod ciśnieniem od 39,9 do 93,1 Pa.

29. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, że wytwarza się podłoże (10), którego powierzchnia ma chropowatość Ra wynoszącą co najmniej 1,27 pm.

30. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, że kształtuje się obszary podłoża (10) usytuowane w pobliżu co najmniej jednej z powierzchni natarcia (30) i powierzchni przyłożenia (50) z porowatością co najmniej A08, B00, C00.

31. Sposób według zastrz. 21, znamienny tym, że spieka się podłoże (10) przy ciągłym przepływie atmosfery azotu.

32. Sposób według zastrz. 23, znamienny tym, że osadza się powłokę diamentową (90) na podłoże (10), którego temperatura wynosi od 750 do 850°C.

Dziedzina techniki