SE415199B - Med borerad ytzon forsedd sintrad hardmetallkropp - Google Patents

Description

7v1oa2se4 Sådana kroppar har utvecklats framför allt för tillämpningar, där högt slitagemotstånd krävs. Vid dessa tillämpningar avflagar dock på- lagda skikt relativt ofta (eller får urflisningar om de är tjocka) på grund av mekaniska påkänningar. Borid-, karbid- eller nitridskiktens bättre högtemperaturegenskaper (kemisk stabilitet, oxidationsegen- skaper) jämfört med obehandlad hårdmetall kan inte heller utnyttjas om arbetstemperaturen understiger ungefär 600°C, såsom ofta är fallet vid tillämpningar utanför området spånskärande metallbearbetning. Pro- dukter med diamant eller kubisk bornitrid som skikt eller som massiva produkter är på grund av använda tillverkningsprocesser exklusiva ma- terial med höga framställningskostnader.

Hos hittills kända produkter med indiffunderade zoner av bor i hård- metall har zonerna varit av otillfredsställande kvalitet och tjock- lek. Ofta har ytzonen varit så tunn att den genombrutits i förtid på grund av slitaget. Detta medför att ytzonens förhöjda slitagemotstånd i ej utnyttjas optimalt. Vidare medger tjockare ytzoner bearbetning så- som polering, slipning, läppning etc efter boreringen. Då man vid bo- rering av hårdmetall normalt har använt processer utvecklade för bore- ring av stål, har ej processen kunnat styras så väl som behövs vid bo- rering av flerfasiga material som hårdmetall. Hårdmetallsubstratet har inte heller utgjorts av för boreringen optimal hårdmetallkvalitet.

Agenser som innehåller bor och kan användas som bordonator vid bore- ring finns i alla tre aggregationstillstånden. För stål har inpacknings- förfaranden, där man utnyttjat pulverformiga borföreningar eller faser tillsammans med t ex aluminiumoxidpulver med eller utan "aktívatorer“, givit goda resultat. Föga framgång har däremot nåtts med processer ut- nyttjande flytande faser (saltsmältor) med eller utan elektrolys, då bl a den höga viskositeten hos dylika faser har medfört att process- data varit svåra att styra och kontrollera. Ej heller har den metod som medger de bästa styrmöjligheterna, gasborering, kunnat praktiseras på bästa sätt. Således har alltför kraftig borering - innebärande bl a en avsevärd försprödning av den borerade ytzonen samt förekomst _av_fri bor på hårdmetallytan - ej kunnat undvikas.

Likaså har alltför tunna zoner erhållits. Detta sammanhänger bl a med att endast två grupper av gasformiga borföreningar är kända, nämligen boraner och bortrihalogenider, där boranerna är mycket giftiga och dyra, medan användande av bortrihalogenlder ansetts leda till kraftig korrosion av substratet. 3 7710826 'lf Enligt uppfinningen har det dock helt oväntat visat sig, att man kan erhålla ett mycket gott resultat vid borering av hârdmetall om man av- passar eller optimerar hårdmetallens sammansättning och struktur på ett speciellt sätt.

'Det för den borerade detaljen mest fördelaktiga hårdmetallmaterialet innehåller en karbid som huvudbeståndsdel jämte bindemetall, där kar- biderna skall vara WC med små tillsatser av kubiska karbider såsom VC, TiC, TaC, Mo2C, ZrC, Nbc och/eller Cr3C2 och bindefasen väsentligen utgöras av kobolt eller nickel eller blandningar av dessa. Halten binde- fas kan variera mellan 6 - 40 vol-% men fördelaktigast är 8 - 20 vol-%.

Helst bör halten vara <115 vol-%. Utslagsgivande för erhållande av ett gott resultat enligt uppfinningen är att i detta fall WC-kornens medelkornstorlek skall vara mellan 0.2 - 1.5/um och allra helst mellan 0.2 - 1 ßnm. Lämpligen bör medelkornstorleken vara högst 0.8/um, d v s innefatta en mycket finkorning hårdmetallkvalitet.

Tillsatskarbiderna (VC, TiC, TaC, NbC, ZrC, Mo2C och/eller Cr302) har sitt främsta syfte att nedbringa medelkornstorleken hos den kar~ bid som är huvudbeståndsdel. Eftersom dessa tillsatskarbider inlösta i Co dock verkar hämmande på zontillväxten bör de hållas vid så låg halt som möjligt. Det har därvid visat sig, att halten tillsatskarbid skall vara högst 1/10 och företrädesvis högst 1/12 av bindefashalten, om halterna angivits i volymprocent. Det är dock överraskande att goda resultat erhålles med hàrdmetall med så låg kornstorlek att till- satser, vilka hämma själva boreringsprocessen, måste användas i egen- skap av karbidkorntillväxtinhibitorer. Halten tillsatskarbid bör vara minst 0.1 % och företrädesvis minst 0.2 %. Lànpliga halter har visat sig vara. 0.5 - 1.0 -73 och ofta 0.4 - 0.6 %.

En typisk analys för använd hårdmetall är: Co 10.0 vol-% Ni <:O.2O " Fe < x) . 20 " TiC, TaC, Nbü 0-70 " WC Rest Medelkornstorlek hos WC: 0.8/um .>.a ...ß Éb 77108264; 4 Den noggrant avpassade medelkornstorleken hos den karbidfas, som är huvudbeståndsdel i hårdmetallmaterialet, är en förutsättning för att gynnsamma resultat skall erhållas vid boreringen. Det har visat sig, att vid de relativt höga temperaturer som normalt gäller vid bore- ring, fortfarande korngränsdiffusionen och ej volymdiffusionen är den hastighetsbestämmande diffusionsmekanismen för zontillväxten. Vidare har det visat sig, att den tidigare i och för sig kända effekten, att minskande karbidkornstorlek med i övrigt oförändrade strukturparamet- rar hos hårdmetall leder till ökande slitagemotstånd, förstärks när det gäller slitagemotståndet hos den borerade ytzonen.

Generellt gäller vid borering av hårdmetall, att hållfastheten, upp- mätt medelst böjhållfasthetsprovning av provstavar, sjunker efter det att materialet har borerats. Det har nu överraskande visat sig, att -denna sänkning är minst om provkroppen är tillverkad i en finkorning hårdmetallkvalitet och dessutom bindemetallhalten, d v s normalt Co- _halten, hos hårdmetallen är.låg. Såsom exempel kan nämnas att en 10- faldig ökning av slitstyrkan har kunnat uppnås, samtidigt som sänk- ringen ev böjhållfeetneter varit mindre än 10 et. Detta innebär ner-malt en kraftig livslängsökning el1er_kvalitetsförbättring hos hårdmetallen.

Ytzontjocklekar från 1 - 100lum, företrädesvis 20 - 80 kan erhållas med mycket god jämnhet och med god processekonomi om man utgår från den hårdmetall som specificerats i den tidigare beskrivningen. Vid zondjup på över 100/um ökar dock risken för skador på hårdmetalldetal- jen. Normalt har boreringszoner med tjocklekar över 30 kunnat åstad- kommas. Detta är betydligt djupare än vad som tidigare kunnat uppnås utan att hårdmetallen har skadats.

Borerade hårdmetalldetaljer i enlighet med uppfinningen finner an- vändning framför allt vid tillämpningar, där arbetstemperaturen är lägre än ca 70000, eller inom sådana områden där endast måttliga dimensionsavvikelser på grund av förslitning kan tolereras. Detta innebär bl a kroppar eller skär för skärande bearbetning vid låg temperatur, t ex fräsníng av Al-legeringar, samt slitdelar, där en- dast obetydlig nedslitning äger rum. 33 5 7710826-Å Den nämnda boreringen av hårdmetallen sker lämpligen medelst CVD- teknik (Chemical Vapor Deposition), vilket innebär en behandling av hårdmetallkroppen eller substratet vid förhöjd temperatur i en reaktor eller ett reaktionskärl med en gasblandning innehållande bortrihalo- genid, väte samt eventuellt en inert gas. Härvid utgör behandlingen eller reaktionen väsentligen en reduktion av bortrihalogeniden med vätgas. I det fall att bortriklorid används, kan reaktionen illustre- ras medelst formeln 2 BCl3 + 3 H2 = 2 B + 6 H01, varvid B ej behöver avse enbart elementärt B. Av reaktionsformeln inses att jämvikten starkt påverkas av ändringar i H01-koncentrationen.

Vid tidigare kända boreringar av hårdmetall har man funnit, att avsätt- ningen av bor har skett alltför snabbt i de flesta fall och att utskilj- ning av elementärt_bor har ägt rum i gasfasen eller på hårdmetallen.

Dylika beläggningar, som normalt är amorfa, är spröda och har en mycket dålig ytjämnhet.

Hos hårdmetallkroppar enligt uppfinningen har nämnda nackdelar mot- verkats eller eliminerats genom att vid borering av ett till sin sam- mansättning och struktur optimerat hårdmetallsubstrat använda en hög vätehalogenidkoncentration (t ex H01), varigenom processgasens "bo- reringspotential",d v s koncentrationen eller halten av bortrihalo- genid i gasen, kunnat minskas. Emellertid förorsakar den förhöjda väte- halogenidkoncentrationen en korrodering av hårdmetallen. Detta ytter- ligare problem har dock lösts genom att man låter variera processga- sens "boreringspotential" under själva boreringsförloppet. I ett för- sta steg använder man härvid en låg vätehalogenidtillsate, när sub- stratets förmåga att uppta bor är stor (förmågan att uppta bor minskar med ökad halt av bor i substratet) och en tunn borerad zon bildas, vilken skyddar hårdmetallen mot vidare korrosion. Detta tillåter att man i ett eller flera ytterligare steg kan öka vätehalogenidkoncen- trationen, vilket enligt ovan sänker "boreringspotentialen" och med- för att överborering kan undvikas. ,771oa2s-A - 6 Vid boreringsprocessen uppvärms hårdmetalldetaljerna till 750 - 100000, men vanligen har en temperatur mellan 8500 och 92500 varit mest ända- målsenlig. Det har visat sig att vid behandling av hårdmetallsubstratet vid höga temperaturer, d v s över ca 950°C, hårdmetallkroppen löper stora risker för skador genom processen. Sprickor uppkommer ofta i hörn och av kinetiska skäl kan icke önskad borering av karbiden hållas tillbaka i tillräcklig omfattning genom styrning av processvariablerna. Å andra sidan har det visat sig ogynnsamt att belägga hårdmetallsub- stratet vid en lägre temperatur, d v s under ca 75000. Detta betingas främst av att zontillväxten blir så låg att processtiden blir alltför lång. Processen kan med fördel ske vid atmosfärstryck men såväl över- som undertryck har kunnat användas under vissa förhållanden.

De goda styrmöjlígheterna vid gasboreringsprocessen samt den goda repro- iducerbarheten och jämnheten hos zontjockleken genom hela det använda reaktionskärlet och mellan olika boreringstillfällen har gjort att zontjockleken mycket väl kan beskrivas med hjälp av en parabolisk ek- vation härledd ur Ficks andra lag på hävdvunnet sätt för icke statio- nära diffusionsförlopp med avseende på tiden, t, och med hjälp av en exponentialfunktion med avseende på temperaturen inom det för bore- ringen gällande temperaturintervallet. ye/t = QXPU; + B) där y = zontjockleken ( i/um) t = tiden (h) T = temperaturen (K) Med värden på A mellan 20 - 40 och B mellan 1 - 3 gäller ovanstående ekvation för de hårdmetallsubstrat, som med fördel kan boreras medelst det angivna förfaringssättet.

Av följande exempel framgår närmare egenskaperna hos hårdmetallkroppar enligt uppfinningen. I exemplen.redovisas även resultat av jämförande prov samt också de processbetingelser som använts vid framställning av produkten. 7 7710826-4 Exempel 1 Hårdmetallkroppar, dels med sammansättning enligt tidigare angiven typanalys, dels med sammansättning enligt nedanstående analys behand- lades medelst en boreringsprocess, närmare beskriven i Exempel 5.(T¿mg, ~ 850 G) Co 10.0 vol-% Ni <:0.2O " Fe TiC <:O.1O " TaC NbC <:O.1O " WC rest WC-kornstorlek 3.9/um(medel) Vid behandlingen erhöll boreringszonen hos hårdmetallkropparna i den förstnämnda hårdmetallkvaliteten (med en genomsnittlig kornstorlek på 0.8/um) ett medeldjup på 37/um, medan kropparna i kvaliteten med WC- kornstorleken 3.9/um erhöll ett medelzondjup på enbart 14/um, vilket var otillfredsställande.

Zondjupet hade (uppmätt på ett polerat tvärsnitt i metallmikroskop, efter etsning med Marbel's etsmedel) en spridning på É 3/um genom chargen. Medelvärde och spridning mätt på 10 plattor från olika ni- våer i chargen motsvarande “toppen, "mitten" och "botten". Genom successiv nedslipning av den borerade ytzonen utfördes fasanalys på olika zondjup med hjälp av en röntgendiffraktometer. Den borerade zonen visade sig då bestå av tre underzoner. Även hârdheten mättes genom att använda en Vickers-diamant och en belastning på 0.49 N.

Resultat enligt nedanstående tabell erhölls: (angivet endast för produkt enligt uppfinningen). '31 moszs-a 8 Underzon nr Underzon Faser Härdhet från ytan gränser vid fasanalys '(medelvärde) } /um HV (.o.4.9 N) 1 O - 3 WC; Coß; W2B5 3200 2 3 - 24 WC; CoB; WCoB-faser 2700 3 24 - 37 wc; w2co21B6 2600 Substrat - WC; Co 1700 De borerade kropparna tillsammans med oborerade kroppar i samma kva- liteter slitageprovades enligt en metod, CCPA (Cemented Carbide Pro- ducers Association) ?-112, där hårdmetallkroppen pressas mot perife- rin av en roterande stålskiva, som delvis når ner i en uppslamning av aluminiumoxid i vatten. Slitaget uppmättes efter 20 och 200 varv för de olika hårdmetallkropparna. I Hårdmetallkropp med Borerad Slitage (mm3) WC-kornstorlek' 1 20 varv 200 varv o.e,um _ Nej e 1.25 12.30 0.8 "' Ja 0.04 0.38 3.9 " Nej ' 7;7o 75.40 3.9 " I ' Ja 1.20 68.50 Av resultaten framgår att hårdmetallkvaliteten med den lägre kornstor- leken gav betydligt bättre slitagemotstånd än .den med den grövre, spe- l cíellt vid utsträckt provningstid. Även hållfasthetsprovning, i form av böjhällfasthetsprovning enligt SIS 112618, utfördes såväl på de borerade som de oborerade kropparna i samma kvalitet. 20 provkroppar testades per variant. Följande resul- tat erhölls: Karbidkornstorlek Borerad Hàllfas het e* i Fab (N/mm ) Relativ-värde o.s “mej 1660 1 1.0 o.s Ja Å 1570 0.95 3.9 Nej . 2150 1.0 3.9 Ja 1525 0.71 9 771 0826-1; Av resultaten framgår att sänkningen av hållfastheten hos gen fin- korniga hårdmetallkvaliteten p g a boreringen var ytterst obetydlig (5 %) medan hållfusthetssänkningen hos den grovkorniga kvaliteten var avsevärd (ca 30 %) EšEE2El_å Hårdmetallskär i en hårdmetallkvalitet med sammansättning enligt ti- digare angiven typanalys borerades i enlighet med Exempel-3.

Borerade hårdmetallskär tillsammans med obehandlade plattor i samma kvalitet samt dessutom plattor med ett 500/um tjockt skikt av dia- mant på ett hårdmetallsubstrat innehållande 16 vol-% Go provades i en planfräsníngsoperation. Det bearbetade materialet var ett pressgjut- gods innehållande 88 vikt-% Al och 12 vik%% Si. ~ Bearbetningsdata: ' borerad Diamant- skärmaterial: hårdmetall hårdmetall skär lhastighet (m/s) 980 980 980 skärdjup (mm) - 4 4 4l matning (mm/varv) 0.6 0.6 0.6 Antal detaljer 4000 90000 120000 Antalet detaljer, som kunde bearbetas med skäreggen bestämdes härvid av dimensionstoleranserna och ytjämnhetskraven på det bearbetade ämnet.

När förstörelsefenomen såsom fasförslitning på eggen får för kraftig inverkan kan således dimensionstoleranserna och ytjämnhetskraven ej innehållas. Om fasförslitning etc resulterar-i en trubbig egg ökar också skärkrafterna högst väsentligt (fv 50 %). Såsom framgår av resultaten erhölls en mycket stor vinst genom boreringen. De borerade skären visade vid bearbetningen nästan samma godhetsgrad som de be- tydligt dyrare diamantskären.

Ekemgel 3 Hårdmetallkroppar typ munstycken, mått øy = 19.90 mm, øi = 4.39 mm, höjd 27.5 mm och invändig ytjämnhet Ra = 0.20, tillverkade i en hård- metallkvalitet innehållande 16.2 vol-% Co, 0.70 vol-%-Cr3C2, rest WC samt medelkornstorlek hos WC = 0.6 /um, upphettades till en temperatur av 910°c 1 en gasbiananing av 2 % BC13 och rest H2 under 1 n. jviolalzs-lu w Under detta skede av boreringen erhålles en mot korrosion skyddande boreringszon. Därefter doserades även en mindre mängd H01 till gasen. t5_h senare höjdes HC1-halten några procent. Efter ytterligare 8 h togs ugnen av och endast ett lågt avsvalningsflöde av H2 fick återstå.

De erhållna hårdmetallkropparna hade ett genomsnittligt ytzondjup på 72/mm. Ytjämmheten hos det invändiga hålet hade ej förändrats på grund av behandlingen.

Hårdmetallkropparna, borerade såväl som obehandlade i ovan angivna kvalitet, provades i en tillämpning där en massa innehållande bland annat 10 vikt-% S102-partiklar med 30 % av partiklarna inom storleks- intervallet 44-50 fun och 70 % av partiklarna inom storleksintervallet munstycke och massa på 14 - 18 m/s. Tillåten uppslitning på inner- diametern var 120 um. En genomsnittlig livslängshöjning på 1700 %, jämfört med obehandlad härdmetall, erhölls för de borerade hårdmetall- kropparna.

Exempel 4 Hårdmetallkroppar, dels med sammansättning enligt tidigare angiven typ- analys, dels med sammansättning enligt nedanstående analys behandlades medelst den boreringsprocess, som omnämnts i Exempel 3.(¶onp. dock 850%) co 25.o'vo1-% Ni Fe TiC TaC <É0.1O " NbC

Claims (2)

1. _ _7'?10826;4 . 12 Patentkrav 1. Med borerad ytzon försedd sintrad hårdmetallkropp bestående av aminst en karbid såsom volframkarbid jämte bindefas som väsentligen utgörs av-kobolt och/eller nickel, k ä n n e t e c k n a d därav att hårdmetallen innehåller kubiska karbider såsom VC, Tic, Taß, Mo20, ZrC, Nbc och/eller 0r5C2 i en halt av minst 0.1 vol-%, före- trädesvis minst 0.2 vol-%, och högst 1/10, företrädesvis högst 1/12 av bindefashalten, vilken utgör 8-20 % av kroppens volym, samt att volframkarbidens medelkornstorlek är 0.2-1.5 /um, företrädesvis 0.2 - 1 /um, varvid nämnda hårdmetall utgör substrat för en medelst gasborering åstadkommen slitstark ytzon med en tjocklek av 1 - 100 /um och.företrädesvis 20 - 80 /um.

2. Hårdmetallkropp enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att halten bindefas är lägre än 15 vol-%. 5. Hårdmetallkropp enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k - n a t därav, att volframkarbidens medelkornstorlek är högst 0.8 /um. ÅNFÖRDÅ PUBLIKÅTIÛNER: Sverige 198 795 (C22C 29/CO) Frankrike 2 175 164 US 3 480 410 (29-182.7)