SE501527C2 - Sätt och alster vid beläggning av ett skärande verktyg med ett aluminiumoxidskikt - Google Patents

Description

40 2 501 527 ytereaktionerna mellan TiC-ytan och aluminiumoxidbeläggningen av särskild betydelse. I detta sammanhang förstás med TiC-skikt även skikt med formeln TiCXNyOz i vilken kol i TiC är helt eller delvis ersatt av syre och/eller kväve.

Beläggning av skärande verktyg av härdmetall med oxider för att öka deras slitstyrka är i sig väl känt som visas i t.ex.

U.S. Pat. Reissue No. 29,420 och U.S. Pat. No. 4,399,l68, 4,0l8,63l, 4,490,19l och 4,463,033. Dessa patent beskriver oxidbelagda kroppar och hur olika förbehandlingar t.ex. av TiC- belagd hárdmetall, förbättrar vidhäftningen av det därefter de- ponerade oxidskiktet. Fastän de beskrivna metoderna resulterar i aluminiumoxidskikt som är hárt och vidhäftande bundna till hárdmetallkroppen eller till ett refraktárt skikt av t.ex. TiC närmast hàrdmetallen, resulterar de inte i den särskilda a- polymorf av Al2O3 som beskrivs i föreliggande uppfinning.

Aluminiumoxidbelagda kroppar är dessutom beskrivna i U.S.

Pat. No. 3,736,l07 och EPO No. 0 403 461 och O 408 535 varvid Al2O3-skiktet omfattar a-, K- resp a-/K- kombinationer. Emel- lertid beskriver inte dessa patent den önskade mikrostrukturen och kristallografiska texturen av den a-polymorf som är ändamäl för föreliggande uppfinning.

Föremàlet för föreliggande uppfinning är, sälunda, att be- lägga pä ett hàrt substrat eller företrädesvis pä förutnämnda TiCxNyOz_beläggning ätminstone ett enfas-Al2O3-skikt av a- polymorf med en önskad mikrostruktur och kristallografisk textur med användning av lämpliga kárnbildnings- och tillväxt- betingelser sådana att sagda egenskaper hos Al2O3-skiktet är stabiliserade.

Det är ett ytterligare ändamål för uppfinningen att förse ett aluminiumoxidbelagt skär med förbättrat skärbeteende i stàl, rostfritt stál, gjutjärn särskilt i nodulärt gjutjärn.

Fig 1 visar i topp-vy ett Svep Elektron Mikroskop (SEM) mikrofoto vid ZOOOX förstoring av en typisk Al2O3-beläggning enligt uppfinningen.

Enligt uppfinningen föreligger ett skärande verktyg omfat- tande en kropp av en härd legering pä vilken en slitstark be- läggning har deponerats. Beläggningen omfattar ett eller flera refraktära skikt av vilka àtminstone ett skikt är ett tätt, finkornigt och företrädesvis texturerat Al2O3-skikt av a- polymorf.

Ett skärande verktyg enligt föreliggande uppfinning uppvi- ß 40 3 501 527 sar förbättrade slit- och seghetegenskaper jämfört med tidigare kända verktyg vid användning för maskinbearbetning av stäl eller gjutjärn speciellt om ytan har ytterligare jämnats genom vàtblästring.

Mera explicit omfattar det belagda verktyget ett substrat av en sintrad härdmetallkropp, cermet eller en keramisk kropp företrädesvis av àtminstone en metallkarbid i en metallbinde- fas. De individuella skikten i beläggningsstrukturen kan vara TiC eller besläktad karbid, nitrid, karbonitrid, oxikarbid och oxikarbonitrid av en metall vald frän gruppen bestäende av metaller i grupperna IVB, VB, och VIB av det periodiska syste- met jämte B, Al och Si och/eller blandningar därav. Åtminstone ett av sagda skikt är i kontakt med substratet. Men àtminstone ett av skikten i beläggningsstrukturen omfattar ett finkornigt, företrädesvis texturerat skikt av enfas G-Al2O3 med en tjocklek av d = 0.5-25 um med en kornstorlek (s) av 0.5 um < s < 1 um för 0.5 pm < d < 2.5 um och 0.5 pm < s < 3 pm för 2.5 um < d < 25 pm Den finkorniga mikrostrukturen omfattar en snäv kornstor- leksfördelning. Oftast har 80 % av Al2O3-kornen en kornstorlek av i 50 % av medelkornstorleken.

Kornstorleken hos Al2O3-beläggningen bestäms frän ett SEM toppvy mikrofoto vid 5000X förstoring. Genom att dra tre raka linjer i slumpvisa riktningar tas medelavstàndet mellan korn- grànserna längs linjerna som en mätt pä kornstorleken.

AlåO3-skiktet enligt uppfinningen har företrädesvis en kristalltillväxtorientering i riktningen (012) som är bestämd genom röntgendiffraktionsmätningar(XRD). En texturkoefficient, TC, kan definieras som: I(hkl) i I(hkl) -1 Tflhkl) = ïoul-ki) {n Eïo' mTw } där I(hkl) = uppmätt intensitet hos (hkl) reflexen I(hkl) = normal intensitet enligt ASTM Standard Powder Pattern Diffraction Data antal reflexer använda vid beräkningen, (hkl) (012), (104), (110), (113), n: använda reflexer är: (024), (116) Enligt uppfinningen är TC för uppsättningen av (012) kris- tallplan större än 1.3, företrädesvis större än 1.5. 40 501 527 4 Den belagda kroppen enligt uppfinningen är ytterligare ka- rakteriserad av en ytfinhet (Ra) hos den refraktára beläggning- en av mindre än 0.3 pm över en mátlàngd av 0.25 mm. Företrä- desvis är Al203-skiktet det yttersta skiktet.

Den texturerade Al2O3-beläggningen enligt uppfinningen upp- näs vid noggrann kontroll av oxidationspotentialen hos vätebàr- gasen, företrädesvis mellan 5 och 20 ppm av H20, före kärnbild- ningen av Al203. Kàrnbildningen av Al203 startas genom att introducera reaktantgaserna i följande ordning: C02, CO och A1Cl3. Temperaturen skall företrädesvis vara omkring l000°C under kärnbildningen. Men de exakta villkoren beror till en viss utsträckning pà konstruktionen av den använda utrust- ningen. Det ligger inom fackmannens omràde att avgöra om den nödvändiga texturen har erhàllits och att modifiera utfäll- ningsbetingelserna enligt den föreliggande specifikationen, om önskat, för att åstadkomma mängden av textur. u-Al203 belággningar enligt uppfinningen är täta och fria frán mikroporositet och kristallografiska defekter. Detta är i kontrast till tidigare rapporter om a-Al203 beläggningar.

EXEMPEL l A) Hàrdmetallskár med kompositionen 5.5 % Co, 8.5 % kubiska karbider och rest WC var belagda med ett 5 um tjockt skikt av TiCN. I efterföljande behandlingssteg under samma belággnings- cykel utfälldes ett finkornigt (1-2 um), 7 um tjockt skikt av a-Al203. Oxidationspotentialen av vátebärgasen, dvs vatten- ángkoncentrationen, var uttryckligen satt till en relativt làg nivà, 10 ppm, före och under Al203-kärnbildningen (Se även U.S.

Pat. NO. 5,07l,696).

En reaktionsgasblandning omfattande C02, C0 och AlCl3 till- fördes vátebárgasen i given ordning. .

Gasblandningar och andra processbetingelser under Al203-be- läggningsstegen omfattade: 1. 2 C02: 4% C02: 4% AlCl3: 4% AlCl3: 4% CO: 2% H2S: 0.2% H2: rest H2: rest Processtryck: 65 mbar Processtryck: 65 mbar Temperatur: l000°C Temperatur: l030°C Tid: 1 tim Tid: 5.5 tim H 40 -01 527 Röntgendiffraktionsanalys visade en texturkoefficient, TC(0l2), av 2.1 av planen (012) i enfas a-Al2O3-belággningen.

B) Karbidsubstratet i A) belades med TiCN (5 um) och Al2O3 (7 pm) som framgår i A) förutom att Al2O3-processen utfördes enligt tidigare kand teknik resulterande i en blandning av grova a- och fina K-Al2O3-korn i beläggningen.

C) Skär av samma substrat och beläggningssammansättning och beläggningstjocklek som i A) förutom att Al2O3_belággningen om- fattar enfas K-polymorf enligt tidigare känd teknik.

Belagda skär fràn A), B) och C) var alla vátblästrade med 150 mesh Al2O3 pulver för att jämna till beläggningens yta.

Skären prövades sedan med avseende pá flagningsmotstánd i en plansvarvningsoperation i nodulàrt gjutjárn (AISI 60-40-18, DIN GGG40). Formen pá det bearbetade arbetsstycket var sàdan att ett intermittent skärförlopp med tvá slag per varv erhölls.

Skárdata: Hastighet = 150 m/min, Skärdjup = 2.0 mm och Matning = 0.1 mm/varv.

Plansvarvningen kördes en gäng över arbetsstycket.

Resultaten är uttryckta i tabellen nedan som den andel av egglinjen i ingrepp som erhállit flagning samt spànsideyta ut- satt för flagning i förhållande till total kontaktyta mellan spànsida och arbetetsstyckespàna.

Flagning (%) Egglinje Spánsida A) enfas/texturerad 0 0 (enligt Q-Al2O3 uppfinningen) B) OUK Al2O3 40 5 C) K-Al2O3 15 45 EXEMPEL 2 Belagda skär frán A) i EXEMPEL l prövades i en maskinbear- betningsoperation omfattande yttre grovbearbetning med inter- mittenta skärningar. Provet utfördes hos en slutanvändare av skärande verktyg och den bearbetade komponenten var ett nav till en differentialväxel tillverkad i nodulàrt gjutjärn (AISI 60-40-18, DIN GGG 40).

U 40 501 527 Skärdata: Hastighet = 270-290 m/min, Skärdjup = 2 mm och Matning = 0.4-0.55 m/varv.

Ett kommersiellt hárdmetallverktyg med identisk karbidsam- mansáttning som A) i Exempel 1 och, vidare omfattande en be- läggning av 2 um TiC och 8 um Al2O3, användes som en referens i skárprovet. Al2O3-skiktet var deponerat enligt tidigare känd teknik resulterande i en blandning av grova a- och fina K-Al2O3 korn i belàggningen.

Sagda kommersiella skär är ofta använda vid maskinbearbet- ning av nodulärt gjutjärn.

Alla skär använda i det ovannämnda maskinbearbetningsprovet var vátblästrade med 150 mesh Al2O3-pulver.

Efter maskinbearbetning av 20 komponenter visade det kom- mersiella skäret medtwk beläggning stark flagning med förlust av beläggningen pà mer än 70% av egglinjen i ingrepp. De be- lagda skären frán A) i EXEMPEL 1, enligt uppfinningen, bear- betade 40 komponenter varvid mindre än 10% av egglinjen i in- grepp visade flagning.

EXEMPEL 3 D) Hàrdmetallskär med en sammansättning 6.5 % Co, 8.8 % ku- biska karbider och rest WC var belagda som framgär av A) i EXEMPEL 1. En finkornig, tät a-Al2O3 beläggning texturerad i riktningen (012) erhölls.

E) Karbidsubstrat i D) belades som framgàr av B) i EXEMPEL 1. En aluminiumoxidbeläggning omfattande en blandning av grova a- och fina K-Al2O3 korn erhölls.

Belagda skär fràn D) och E) var alla vàtblästrade med 150 mesh Al2O3 pulver för att jämna beläggningens yta.

Skären prövades sedan med avseende pà egglinjeflagning i en plansvarvningoperation i ett legerat stäl (AISI 1518, W-no. l,0580). Formen pà det bearbetade arbetsstycket var sàdan att ett intermittent skärförlopp med tre slag per varv erhölls.

Skärdata: Hastighet = 130-220 m/min, Skärdjup = 2 mm och Matning = Plansvarvningen kördes en gäng över arbetsstycket.

Resultatet nedan är uttryckt som den andel av egglinjen i 0.2 m/varv.

U 40 501 527 ingrepp som erhöll flagning.

Flagning (%) Egglinje D) enfas/texturerad 0 (enligt a-Al2O3 uppfinningen) E) GIK Al2O3 40 EXEMPEL 4 F) Hàrdmetallskàr med en sammansättning 6.5 % Co, 8.5 % av kubiska karbider och rest WC var belagda som framgàr av A) i EXEMPEL 1. En 6 pm tjock, finkornig, tät a-Al2O3-beläggning texturerad i riktningen (012) erhölls.

G) Karbidsubstrat frán F) belades som framgár under B) i EXEMPEL 1. En aluminiumoxidbelàggning omfattande en blandning av grova a- och fina K>Al2O3 korn erhölls.

Belagda skár fràn F) och G) var alla vátblàstrade med 150 mesh Al2O3-pulver för att jämna belággningen yta.

Skàren prövades sedan med avseende pà flagningmotstánd hos spánsidan i en plansvarvningsoperation i austenitiskt rostfritt stal (AISI 304L, W-no. 1,4306). Det bearbetade arbetsstycket var rörformigt och skáren kördes tva gànger över ytan av arbetsstycket.

Skárdata: Hastighet = 140 m/min, Skárdjup = 0-3 mm och 0.36 mm/varv.

Resultatet nedan är uttryckt som procent av ytan pà spànsi- dan utsatt för flagning i förhållande till den totala kontakt- ytan mellan spànan och spànsidan av skàret.

Matning = Flagning (%) Spànsida F) enfas/texturerad 25 (enligt a-Al2O3 uppfinningen) G) OUK Al2O3 65 EXEMPEL 5 H) Hàrdmetallskàr med en sammansättning 6.5 % Co, 8.5 % av kubiska karbider och rest WC var belagda som framgár av F) i EXEMPEL 4. En 6 pm tjock, finkornig, tàt a-Al2O3-beläggning texturerad i riktningen (012) erhölls. 8 501 527 K) Karbidsubstratet fràn H) belades som framgár av G) i EX- EMPEL 4. En aluminiumoxidbelággning omfattande en blandning av grova a- och fina K~Al2O3 korn erhölls.

Belagda skär fràn H) och K) var alla vàtblàstrade med 150 mesh Al2O3 pulver för att jämna belággningens yta.

Skáren prövades sedan med avseende pà egglinjeflagning i en plansvarvningsoperation i ett kallsmitt stàl (AISI 5015, W-no. l,70l5). Det bearbetade arbetsstycket var ett kugghjulsámne och skàren kördes 16 gánger över ytan av arbetsstycket.

Skàrdata: Hastighet = 180 m/min, Skàrdjup = 1.5 mm och Matning = 0.25 mm/Varv.

Resultatet nedan ár uttryckt som den andel av egglinjen i ingrepp som erhöll flagning enligt föregående exempel.

Flagning (%) Egglinje H) enfas/texturerad 0 G-Al2O3 K) (X/K Al203 55 (enligt uppfinningen)

Claims (7)

20 30 35 40 501 527 KRAV

1. Sätt att belägga ett skärande verktyg med ett a-alumini- umoxidskikt vid vilket verktyget bringas i kontakt med en väte- bärgas innehållande en eller flera halider av aluminium och en hydrolyserande och/eller oxiderande agent såsom C02 vid hög temperatur k ä n n e t e c k n a t av att vattenångkoncentra- tionen i vätebärgasen är 5-20 ppm före kärnbildningen av Al203 samt att kärnbildningen av Al203 startas genom introduktion av reaktantgaserna i följande ordning: C02, C0 och AlCl3 och att temperaturen är omkring 1000°C under kärnbildningen.

2. Skärande verktyg åtminstone delvis belagt med ett eller flera refraktära skikt av vilka åtminstone ett skikt är alumi- niumoxid k ä n n e t e c k n a t av att sagda aluminiumoxid- skikt har en tjocklek av d = 0.5-25 um och består av enfas G- struktur med en kornstorlek (s): 0.5 pm < s < 1 pm för 0.5 pm < d < 2.5 pm och 0.5 um < s < 3 um för 2.5 um < d < 25 um varvid sagda aluminiumoxid skikt uppvisar en texturkoefficient större än 1.3, företrädesvis större än 1.5, för tillväxtrikt- ningen (012) för de ekvivalenta kristallografiska planen defi- nierad som: mhkl, z m {i Elllyl O n Io(hkl) där I(hkl) = uppmätt intensitet för (hkl) reflexen Io(hkl) = normal intensitet enligt ASTM Standard Powder Pattern Diffraction Data n = antal reflexer använda vid beräkningen, (hkl) använda reflexer är: (012), (104), (110), (113), (024), (116) varvid aluminiumoxidskiktet framställts medelst sät- tet enligt kravet 1.

3. Skärande verktyg enligt föregående krav 2 k ä n n e t e c k n a t av att ytfinheten (Ra) hos skiktet är mindre än 0.3 pm över en mätlängd av 0.25 mm.

4. Skärande verktyg enligt något av föregående krav 2 - 3 k ä n n e t e c k n a t av att aluminiumoxidskiktet är det yt- tersta skiktet.

5. Skärande verktyg enligt något av föregående krav 2 - 4 k ä n n e t e c k n a t av att aluminiumoxidskiktet är i kon- takt med ett TiCXNy0Z-skikt. 5 IG 501 527

6. Skärande verktyg enligt krav 5 k ä n n e t e c k n a t av att sagda TiCxNy0z-skikt är det innersta skiktet av belägg- ningen.

7. Skärande verktyg enligt nagot av föregående krav 2 - 6 k ä n n e t e c k n a t av att verktyget är ett skär av hàrdme- tall, titanbaserad karbonitrid eller keramik.