SE505425C2 - Hårdmetall med bindefasanrikad ytzon - Google Patents

Description

505 425 2 under sintringsprocessen t.ex. enligt patentet enligt Tanigu- chi. Strukturen i detta slag av bindefasanrikade hárdmetall- skär är kännetecknad av en upp till 25-35 um tjock ytzon inne- hällande strierade stràk, 1 - 3 um i tjocklek, av bindefas huvudsakligen parallella med ytan. Det tjockaste och mest kontinuerliga sträket äterfinns närmast ytan inom de första 15 pm. Dessutom är det inre av skäret karakteriserat av en viss mängd av fritt kol.

Förmågan hos vissa hàrdmetaller att bilda en strierad struktur har varit känd sedan länge. Graden av bindefasanrik- ning i zonen och dess djup under ytan beror starkt av inter- stitialbalansen och pà svalningshastigheten genom stelningsin- tervallet efter sintring. Interstitialbalansen d.v.s. för- hàllandet mellan mängden karbid/nitridbildande element och mängden kol och kväve, màste vara kontrollerad inom ett snàvt sammansàttningsintervall för att kontrollerad bildning av det strierade skiktet skall uppnås.

Hárdmetaller med en bindefasanrikning bildad vid upplösning av den kubiska fasen är normalt kännetecknade av, i jämförelse med strierade, ett ganska dàligt seghetsbeteende i kombination med ett mycket stort plastiskt deformationsmotstánd. Den jäm- förelsevis lága seghetsnivàn och det stora deformationsmot- stàndet, som uppvisas av denna typ av härdmetaller, är till en stor del beroende pà anrikningen av kubisk fas och motsvarande bindefasutarmning i en zon innanför den bindefasanrikade zonen.

Hárdmetaller innehållande strierade bindefasgradienter kän- netecknas normalt av ytterst gott seghetsbeteende i kombina- tion med nàgot svagare plastiskt deformationsmotstànd. Seg- hetsbeteendet är ett resultat av bade bindefasanrikningen och den strierade strukturen hos bindefasanrikningen. Det minskade plastiska deformationsmotstándet är till stor del förorsakat av lokal glidning i de tjocka strierade bindefasstràken när- mast ytan pà grund av de mycket höga skjuvspänningarna i den skärande zonen.

Det har nu överraskande visat sig att genom kombination av bindefasanrikning genom upplösning av den kubiska fasen med de krav som resulterar i bildning av strierade stràk erhálls en unik struktur. Strukturen enligt uppfinningen är kànnetecknad, BNSDOCID' ß 3 505 425 i jämförelse med den tidigare kända, av djupare belägna strie- rade sträk och lägre och mindre skarp maximal bindefasanrik- ning. Möjligheten att kombinera upplösning av den kubiska fasen med bildning av strierade sträk erbjuder ett nytt sätt att optimera egenskaperna hos volframkarbidbaserade härdmetal- ler för skärande verktyg.

Fig_1 visar i 1200 X strukturen hos en bindefasanrikad yt- zon enligt uppfinningen.

Fig 2 visar fördelningen av Ti, Co och W i den bindefasan- rikade ytzonen enligt uppfinningen.

I fig 1 och 2 hänvisar A+B till den bindefasanríkade ytzo- nen, C är en inre zon och S hänvisar till strierade sträk av bindefas.

Enligt föreliggande uppfinning föreligger nu en härdmetall med en 75 pm, företrädesvis 20-50 um, tjock bindefasanrikad yt- zon, A+B. Den yttre delen, A, av denna bindefasanrikade ytzon, ätminstone 10 pm, företrädesvis 25 pm tjock, är väsentligen fri frän kubisk fas. Den inre delen, B, av ytzonen, ätminstone 10 pm, företrädesvis 30 pm, tjock, innehåller kubisk fas säväl som strierade bindefassträk, S. De strierade bindefassträken är i den inre delen tjocka och väl utvecklade medan de är tunna och med mycket liten utbredning i den yttre delen av ytzonen.

Bindefashalten i den bindefasanrikade ytzonen har ett maximum av 1.5-4, företrädesvis 2-3, nominella bindefashalten. Dessutom är volframhalten i den inre delen, B, företrädesvis 0.75-0.9, nominella volframhalten. Den bindefasanrikade ytzonen säväl som en omkring 100-300 um tjock zon nedanför den, C, med vä- i den inre delen, B, gänger den av ytzonen <0.95, av den sentligen nominell halt av WC, kubisk fas och bindefas inne- häller ingen grafit. Emellertid finns i det inre av hàrdmetal- len enligt uppfinningen en C-porositet av C04-C08. Pä överytan av härdmetallens utsida finns ett tunt, 1-2 um, kobolt- och/el- ler grafitskikt.

Föreliggande uppfinning är tillämplig pä härdmetall med va- rierande mängd bindefas och kubisk fas. Bindefasen innehäller företrädesvis kobolt och däri lösta karbídbildande element sä- tantal och niob. Emellertid finns det ingen anledning att tro att en avsiktlig eller oavsiktlig som volfram, titan, tillsats av nickel eller järn skulle påverka resultatet avse- BNSDOCI D: U 5Û5 425 4 värt, eller att smä tillsatser av metaller som kan bilda intermetalliska faser med bindefasen eller nägra andra former av dispersioner skulle päverka resultatet nämnvärt.

Mängden av bindefasbildande element kan variera mellan 2 och 10 vikt-%, element som bildar kubisk fas kan variera ganska fritt. företrädesvis mellan 4 och 8 vikt-%. Mängden av Pro- cessen är tillämplig pà härdmetaller med varierande mängd av tantal, Optimal kombination av seghet och deformationsmotständ erhälls titan, niob, vanadin, volfram och/eller molybden. med en mängd av kubisk karbid motsvarande 4 - 15 vikt-% av de kubiska karbidbildande elementen, titan, tantal och niob etc, företrädesvis 7 - 10 vikt-%. Mängden av tillsatt kväve, tingen genom pulvret eller genom sintringsprocessen, bestämer an- graden av upplösning av den kubiska fasen under sintringen.

Optimal mängd av kväve beror pä mängden av kubisk fas och kan variera mellan 0.1 och 3 vikt-% per vikt-% av grupp IVB och VB-element.

Mängden av kol i bindefasen nödvändig för att ástadkomma den önskade strierade strukturen enligt föreliggande uppfin- ning överensstämmer med den eutektiska samansättningen, d.v.s grafit mättnad. Optimal mängd kol är säledes en funktion av Kolhalten kan styras antingen genom en mycket noggrann pulvertillverkning alla andra element och kan inte lätt anges. och sintringsprocess eller genom en uppkolande behandling i samband med sintringen.

Produktion av hàrdmetall enligt uppfinningen utförs före- trädesvis genom sintring av en försintrad eller pressad kropp innehällande kväve och för bildande av strierade sträk optimal mängd kol i en inert atmosfär eller i vakuum, 15 till 180 min vid 1380-l520°C, 20-100 OC/h, före- trädesvis 40-70 OC/h, genom stelningsomrädet, 1300-l220°C, företrädesvis 1290-12S0°C. En alternativ väg omfattar sintring av en nägot undereutektisk kropp i en uppkolande atmosfär, innehållande en blandning av CH4/H2 och/eller C02/CO, 30-180 min vid 1380 till l520°C följt av långsam svalning enligt ovan följt av längsam svalning, i samma atmosfär, företrädesvis i en inert atmosfär eller vakuum.

Härdmetallskär enligt uppfinningen är lämpligen belagda med i sig kända tunna slitstarka beläggningar med CVD- eller PVD- BNSDOCI D: 505 425 teknik. Företrädesvis är utfällt en innersta beläggning av karbid, nitrid eller karbonitrid företrädesvis av titan. Före utfàllningen avlägsnas kobolt- och/eller grafitskiktet pà ytan av härdmetallen t.ex. genom elektrolytisk etsning eller blästring.

EmmmlJ Av en pulverblandning bestående av 2.2 vikt-% TiC, 0.4 vikt-% TiCN, 3.6 vikt-% TaC, 2.4 vikt-% NbC, 6.5 vikt-% Co och resten WC med 0.25 vikt-% överstókiometrisk kolhalt pressades svarvskär CNMG 120408. Skären sintrades i H2 till 450°C för avdrivning och vidare i vakuum till 1350°C och därefter i skyddande atmosfär av Ar i 1 h vid l450°C. Denna del är enligt standardutförande. Svalningen utfördes med en väl kontrolle- rad temperaturminskning av 60°C/h inom temperaturintervallet 1290 till 1240°C i sama skyddsatmosfär som under sintringen.

Efter det fortsatte svalningen som normal ugnskylning med bibehällen skyddsatmosfär.

Strukturen i den bindefasanrikade ytzonen av skären bestod av en 15 um tjock mättligt bindefasanrikad yttre del väsentli- gen fri fran kubisk fas, A, i vilken den strierade bindefas- strukturen var svagt utvecklad. Innanför denna yttre del fanns det en 20 pm tjock zon innehållande kubisk fas och med en kraftig bindefasanrikning säsom strierad bindefasstruktur, B.

Den maximala kobolthalten i den här delen var omkring 17 vikt- %. Vidare fanns det innanför denna del, B, en zon, C, omkring 150-200 pm tjock med väsentligen nominell halt av kubisk fas och bindefas men utan grafit. I det inre av skäret var grafit närvarande till C08. Pä ytan fanns det en tunn film av kobolt och grafit. Denna film avlàgsnades med en elektrolytisk metod i samband med eggavrundningsbehandlingen. Skären belades en- ligt känd CVD-teknik med en omkring 10 um beläggning av TiCN och Al2Q3. ßxsmmLl Av en liknande pulverblandning som i exempel 1 men med om- kring 0.20 vikt-% överstökiometrisk kolhalt pressades svarv- skär CNMG 120408. Skären sintrades i H2 till 450°C för avdriv- ning och vidare i vakuum till 1350°C och därefter i en uppko- BNSDOCID' 505 425 f* lande, 1 bar, CH4/H2-atmosfär, i 1 h vid 1450°C. Svalningen utfördes i en skyddande, inert atmosfär med en väl kontrolle- rad temperaturminskning med 60°C/h inom temperaturintervallet 1290 till l240°C. Därefter fortsattes svalningen som normal ugnssvalning med bibehållen skyddsatmosfär.

Strukturen hos skären var väsentligen identisk med den hos skären enligt föregående exempel. Skären etsades, eggrundades och belades enligt exempel 1.

ExemQe1_1 Jämförelseexempel Av en likande pulverblandning som i exempel 1 men med TiC i stället För TiCN, pressades skär av samma typ och sintrades enligt exempel 1. Strukturen i ytan av skären karakteriserades jämfört med den i exempel 1 av att zonen A nästan saknades (<5 pm) d.v.s.. zon B med kubisk fas och kraftig bindefasanrikning sträckte sig till ytan med ett skarpt kobolt-maximum av om- kring 25 vikt-%. Zon C hade samma struktur som i exempel 1.

Skären etsades, eggrundades och belades enligt exempel 1.

Exempel 4 Av en pulverblandning bestående av 2.7 vikt-% TiCN, 3.6 vikt-% TaC, 2.4 vikt-% NbC, 6.5 vikt-% Co och rest WC med 0.30 vikt-% överstökiometrisk kolhalt pressades svarvskár CNMG 120408._Skären sintrades i H2 till 450°C för avdrivning och vidare i vakuum till l350°C och därefter i skyddsatmosfär av Ar i 1 h vid 1450°C. Denna del är enligt standardförfarande.

Under svalningen genomfördes en väl kontrollerad tempera- turminskning med 25°C/h inom temperaturintervallet 1295 till 1230°C i samma skyddsatmosfär som sintringen. Därefter fort- satte svalningen som normal ugnssvalning med bibehållen skyddsatmosfär.

Strukturen i ytzonen av skären bestod av en 25 pm tjock máttligt bindefasanrikad yttre del väsentligen fri fràn kubisk fas och väsentligen fri frán strierad bindefasstruktur, A. In- nanför denna yttre del fanns det en 15 pm tjock zon innehal- lande kubisk fas och med en màttlig bindefasanrikning som en strierad bindefasstruktur, B. Maximum i kobolthalt i den här delen var omkring 10 vikt-%. Zon C och det inre av skàren var identiska med exempel 1. Skären etsades, eggrundades och bela- BNSDOCID: U 7 505 425 des enligt exempel 1.

Exempel 5 Jámfórelseexempel Av en liknande pulverblandning som i exempel 4 pressades skar av samma typ och sintrades enligt exempel 4 men utan det kontrollerade svalningssteget. Strukturen i ytan av skáren be- stod av ytterst en 20-25 um tjock màttligt bindefasanrikad zon fràn kubisk fas.

Innanför denna ytliga zon fanns det en omkring väsentligen fri Ingen tendens till strierad bindefas fanns. 75-100 pm tjock fas. zon utarmad pà bindefas och anrikad pà kubisk Den lägsta kobolthalten i den här zonen var omkring 5 vikt-%. Det inre av skáren uppvisade C-porositet, C08. Skaren etsades, eggrundades och belades enligt exempel 4.

EKfimQ§l_§ MedCNMG 120408 ekaren fran exempel 1, 2, 3, 4 och s utfor- des ett prov bestående av en intermittent svarvoperation i ett olegerat stal med hàrdheten HB 110 med följande skàrdata Hastighet: 80 m/min Matning: 0.30 mm/varv Skárdjup: 2 mm eggar av vardera varianten kördes till brott eller max min. Medellivslàngden visas i nedanstående tabell Medellivslángd, min Exempel 1 (uppfinning) 10 (inget brott) Exempel 2 (uppfinning) 10 (inget brott) Exempel 3 (kand teknik) 10 (inget brott) Exempel 4 (uppfinning) 4.5 Exempel 5 (kand teknik) 0.5 För att skilja, sàvitt möjligt, mellan exempel 1, 2 och 3 upprepades samma prov men med skárvàtska. Följande resultat erhölls: Medellivslángd, min Exempel 1 (uppfinning) 10 (fortfarande inget brott) Exempel 2 (uppfinning) 10 (fortfarande inget brott) Exempel 3 (känd teknik) 10 (fortfarande inget brott) Exempel 4 (uppfinning) 1.5 Exempel 5 (kand teknik) 0.1 BNSDOCID: 505 425 ExemnaLl Skären fràn exempel 1, 2, 3, 4 och 5 provades i en kontinu- erlig svarvoperation i ett seghärdat stal med hárdheten HB280.

Följande skärdata användes.

Hastighet: 250 m/min Matning: 0.25 mm/varv Skärdjup: 2 mm Operationen medförde en plastisk deformation av skäreggen vilket kunde observeras som en fasförslitning pà släppningssi- dan av skäret. Tiden till en fasförslitning av 0.4 mm mättes för fem eggar vardera med följande resultat: Medellivslängd, min Exempel l (uppfinning) 8.3 Exempel 2 (uppfinning) 8.0 Exempel 3 (känd teknik) 3.5 Exempel 4 (uppfinning) 18.5 Exempel 5 (känd teknik) 20.3 Fran exemplen 6 och 7 är det uppenbart att skär enligt upp- finningen, Exempel 4, uppvisar ett betydligt bättre seghetsbe- teende än enligt känd teknik utan att ha betydligt försämrat deformationsmotstànd. Dessutom har skär enligt uppfinningen i exempel 1 och 2 ett klart bättre deformationsmotstànd utan förlust av seghetsbeteende jämfört med känd teknik. Det är tydligt att en stor spännvidd i skäregenskaper och därigenom applikationsomräde kan erhållas.

BNSDOCID:

Claims (3)

10 15 20 BNSDOCID: 505 425 Patentkrav

1. Hàrdmetall med bindefasanrikad ytzon varvid härd- metallen innehåller WC och kubiska faser i en bindefas, k ä n n e t e c k n a d av att den bindefasanrikade ytzonen har en yttre del väsentligen fri från kubisk fas och en inre del innehållande kubisk fas och strierade bindefasstràk.

2. Hárdmetall enligt föregående krav, k ä n n e t e c k n a d av att ytzonen är <75 um, före- trädesvis 20-50 um, varjämte den yttre delen är >1O um, företrädesvis <25 um, och den inre delen är >lO um, företrädesvis <3O um tjock.

3. Hårdmetall enligt något av föregående krav, k å n n e t e c k n a d av att i sagda inre del har bindefashalten ett maximum av 1.5 - 4, företrädesvis 2-3, gånger den nominella bindefashalten och wolframhalten ett minimum <0.95 av den nominella wolframhalten i hárdmetallen.