SE509201C2 - Aluminiumoxidbelagt verktyg - Google Patents

Description

l\) UI 30 509 201 2 förslitning av diffusionstyp. Medan skikt av typen MeCXNyOZ, där Me är en metall vald från gruppen bestående av metaller i grupperna IVB, VB, VIB i det periodiska systemet vanligen TiCXNyOZ (i fortsättningen betecknat TiCxNyOZ), vanligen fungerar bättre på släppningssidan. Däremot förslits Al2O3- skikt relativt snabbt på släppningssidan och utvecklar där en tidig fasförslitning. Fasförslitningen blir speciellt stor för tjocka, >4 um, Al2O3-skikt. Fasförslitningen inverkar pä den bearbetade ytan och kan därför begränsa livslängden. För skikt av TiCxNyOZ-typ är situationen nästan den omvända, dvs långsam fasförslitning och snabbare gropförslitning.

Det är en önskan att ha ett verktyg med hög slitstyrka på både släppningsytan och spànsidan samtidigt.

Andra faktorer som påverkar skärprestanda hos ett belagt verktyg är motståndet mot flagning av beläggningarna. Flagning accelererar verktygsförslitningen särskilt beträffande fasförslitningen. En dylik flagning kan vara ett resultat av otillräcklig beläggningsvidhäftning eller bero på smetning eller fastsvetsning av arbetstyckematerial på skäreggen och därigenom ett successivt avlägsnande av beläggningen. Detta kan ske när bindningskraften mellan den bildade spànan och beläggningsmaterialet är tillräckligt hög.

Vissa stål är svårare att bearbeta än andra beroende på smetning och resulterande flagning, såsom t.ex. rostfria stål och làgkolhaltiga stål.

För varje tillverkad komponent behövs numera en allt mindre avverkningsvolym vid maskinbearbetning. Krav på hög ytfinhet hos den bearbetade komponenten tillåter endast användning av verktyg med ren, jämn egglinje med mycket litet utvecklad förslitning och det blir allt svårare för en maskinoperatör att med blotta ögat kunna skilja mellan en litet använd och en obegagnad skäregg ("eggidentifikation"). 10 20 3 509 201 Detta är speciellt svårt om det översta skiktet är Al2O3, vars färg är mörkgrå eller svart. Att av misstag sätta in en verktygsegg som redan är något försliten under t.ex. ett obemannat nattskift kan leda till ökade kassationer av bearbetade komponenter eller t.o.m. oönskade produktionsstopp.

Eggidentifikation kan lättare göras om skäret har ett yttre skikt av TiCXNyOZ. Speciellt gäller detta om detta yttre skikt är ett guldfärgat TiN-skikt.

I US patentet 4,643,62O är beläggningens tjocklek reducerad längs eggen genom en mekanisk behandling såsom borstning, läppning eller polering. Avsikten med denna behandling är huvudsakligen att reducera beläggningens tjocklek längs skäreggen som därigenom påstås ge förbättrat seghetsbeteendet hos skärverktyget.

EP-B-298 729 beskriver en metod för att reducera eggskador under bearbetning genom att reducera ytfinheten genom användning av en mekanisk polering, läppning eller borstning.

Denna metod år enligt föreliggande uppfinnares resultat inte tillräcklig för att minimera smetning.

Uppfinningen illustreras av fig. lA-1G vilka visar yttillståndet efter olika efterbehandlingar.

Avsikten med föreliggande uppfinning är att övervinna nackdelarna med tidigare kända belagda verktyg och att erhålla förbättring med avseende på följande egenskaper: - Tendensen till smetning/fastsvetsning av arbetestyckematerial på skäreggen.

- Skäreggens skiktflagningsmotstånd.

- Kraftigt motstånd mot såväl grop- som fasförslitning.

- Möjliggöra ”eggidentifikation”.

Uppfinnarna har gjort stora ansträngningar att hitta medel att reducera smetningen av arbetsstyckematerial på skäreggen för att därigenom förbättra eggflagnings- och 10 20 25 30 509 201 4 fasförslitningsmotståndet_ Det har befunnits vid jämförande bearbetningsprov med olika ytterskikt att Al2O3 är mindre benäget för smetning än skikt av typen TiCxNyOZ. Speciellt en finkornig jämn a-Al2O3 är mycket lämplig som beläggningsmaterial längs skäreggen för att minimera smetningar.

De finkorniga d-Al2O3-skikten kan t ex vara några av typerna beskrivna i svenska patentansökningarna 9203852-0 och 9400089-O eller, mest sannolikt, även något annat finkornigt Al2O3-skikt med andra föredragna tillväxtriktningar.

Fastän ett verktyg med ett yttre skikt av en finkornig d- Al2O3, t.ex. beskrivet i de ovan nämnda patentansökningarna, har utomordentliga skâregenskaper uppfyller de inte alltid dagens behov eftersom de t.ex. lider av följande nackdelar: -"eggidentifikation" är svår att utföra med blotta ögat. - hög initialförslitning i släppningsytan erhålls vanligen för verktyg med yttre skikt av Al2O3 >4 um.

Enligt ovan kan eggidentifikation och förbättrad fasför- slitning erhållas genom ett yttre skikt av TiCXNyOZ. Men ett sådant ytterskikt kommer att allvarligt öka smetningen längs egglinjen vid den bearbetning i de material som ovan benämnts såsom svåra.

Uppfinnarna har löst detta problem genom att mekaniskt avlägsna TiCxNyOZ-skiktet antingen från endast egglinjen eller från såväl spànsidan som egglinjen.

Genom att använda denna metod och hälla TiCXNyOZ-skiktet intakt på släppningssidan har flera krav uppfyllts samtidigt: - utomordentlig slitstyrka samtidigt i spànytan och på släppningssidan, - utomordentligt flagningsmotstånd, samt - lätt identifierbara använda skäreggar. 10 15 20 25 30 5 509 201 Enligt föreliggande uppfinning finns nu ett skärverktyg som utgörs av en kropp av vanligen mànghörnig eller rund form med en övre sida, en motsatt sida och åtminstone en släppningssida som skär sagda övre och undre sida, därigenom definierande skäreggar, tillverkad av hàrdmetall, titanbaserad karbonitrid eller keramik. Skäret är åtminstone delvis belagt med åtminstone tvà refraktära skikt. Ett är ett finkornigt a- Al2O3-skikt som är ytterskikt längs egglinjen och det andra är ett TiCXNyOz- eller ett ZrCXNy-skikt, företrädesvis ett TiN-, ZrN-, TiCN- och/eller TiC-skikt som är ytterskikt på släppningssidan. a-Al2O3-skiktet har företrädesvis en textur i (012)-riktningen eller (104)-riktningen. En texturkoefficient, TC, kan definieras som frwn-ïwfiäïlafld) Vik/d) ZWY där I(hkl) = uppmätt intensitet för (hkl)-reflexen IO(hkl) = intensitet enligt ASTM standarddiffraktiosdata n = antal reflexer använda i beräkningen, (hkl) använda reflexer är: (012), (104), (110), (113), (024), (116) TC för sättet av (012), (104) eller (110) kristallplan är större än 1.3, företrädesvis större än 1.5.

Al203-skiktet har en tjocklek av 2-12 um, företrädesvis 4-8 um. Det andra skiktet har en tjocklek av 0.1-5 um företrädesvis 1-4 um. Det totala tjockleken för beläggningen inklusive också andra skikt är <20 pm.

Enligt föreliggande uppfinningsmetod beläggs ett skär tillverkat av hàrdmetall, titanbaserad karbonitrid eller keramik åtminstone delvis med åtminstone två refraktära skikt av vilka det näst yttersta är ett finkornigt a-Al2O3-skikt och det yttersta är ett MeCXNyOZ-skikt där Me är en metall vald från 10 20 lv UI 509 201 6 gruppen bestående av metaller i grupperna IVB, VB, VIB av det periodiska systemet. Detta översta MeCXNyOZ-skikt avlägsnas längs egglinjen eller både på egglinjen och spànytan varvid sagda skikt lämnas väsentligen orört på släppningssidan.

Metoder att avlägsna skikt kan vara: borstning med en borste med strån innehållande t ex SiC eller andra slipmedel, polering med diamantpasta, välkontrollerad styrd blästring med Al2O3-pulver med eller utan maskning av släppningssidan. Även kombinationer av dessa metoder är möjliga.

Avsikten med den mekaniska behandlingen i föreliggande uppfinning är som nämnts att avlägsna det yttre TiCXNy0Z- skiktet och frilägga det finkorniga d-Al2O3-skiktet längs eggen eller dessutom hela spànytan. En minskning av beläggningens tjocklek längs egglinjen är inte önskad. Den använda mekaniska metoden bör därför vara så mild att endast det yttre TiCXNy0Z- skiktet avlägsnas varvid Al203 vid egglinjen lämnas sä orörd som möjligt.

Exempel 1 Härdmetallskär CNMG 120408-QM med sammansättningen 5.5 % Co, 8,6 % kubiska karbider (TiC-TaC-NbC) och resten WC belades med CVD-teknik med skikt i följande ordning: 0,7 um TiC, 0,5 pm Ti(c<>), 8,0 um Ti(cN), 3,0 pm A12o3 och 2,8 pm TiN.

Al2O3-skiktet utfälldes med en metod som ger finkornig a- Al203 enligt svensk patentansökan 9203853-0. TiN-skiktet utfälldes vid 400 mbar och de andra skikten enligt tidigare kända tekniker.

De belagda skären efterbehandlades med olika metoder enligt nedan: Variant 1A: Ingen efterbehandling.

Variant lB: Vätblästring med l50 mesh Al203-korn vid 1,0 bar.

'Jr IH b) [Ju 7 509 201 Variant lC: Vätblästring med 150 mesh Al2O3-korn vid 1,5 bar.

Variant 1D: Vätblästring med 150 mesh Al2O3-korn vid 2,0 bar.

Variant 1E: Vàtblàstring med 325 mesh Al2O3-korn vid 2,0 bar.

Variant 1F: borstning med en cylindrisk nylonborste innehållande SiC.

Variant 1G: Som 1F men med centrum av borsten närmare skäret för att få en mer effektiv behandling. De olika behandlingarna resulterade i olika grader av förtunning och jämnhet hos det yttre TiN-skiktet.

Variant 1B: Mycket slätare yta än 1A och med TiN-skikt pä hela utsidan av skäret.

Variant lC: Mycket slätare yta än 1A och med TiN-skikt pä hela utsidan av skäret, Variant 1D: Mycket slätare yta än 1A. TiN-skiktet är avlägsnat längs hela egglinjen därigenom friläggande Al2O3- skiktet.

Variant 1E: Som 1B.

Variant 1F: Mycket slätare yta än 1A och med TiN-skikt pa hela utsidan av skäret.

Variant 1G: Mycket slätare yta än 1A. TiN-skiktet är avlägsnat längs hela egglinjen därigenom friläggande Al2O3- skiktet. Ytans tillstànd hos varianterna illustreras i fig. lA-lG.

Exempel 2 Härdmetallskär CNMG 120408-QM med sammansättningen 5.5 % Co, 8,6 % kubiska karbider (TiC-TaC-NbC) och resten WC belades med CVD-teknik med skikt i följande ordning: 0,6 um TiC, 0,4 um Ti(CO), 8,1 um Ti(CN), 8,1 um Al2O3 och 0,9 um TiN. Al2O3- 15 25 509 201 s skiktet utfälldes med en metod som ger finkornig a-Al2O3 enligt svensk patentansökan 9203853-0. TiN-skiktet utfälldes vid 400 mbar och de andra skikten enligt känd teknik. De belagda skären efterbehandlades med olika metoder enligt nedan: Variant ZA: Ingen efterbehandling.

Variant 2B: Våtblästring med 150 mesh Al2O3-korn resulterande i en slätare yta. Här avlägsnades det yttre TiN- skiktet sàväl längs egglinjen som pà hela spànytan varvid det svarta Al2O3-skiktet frilades.

Variant 2C: Borstning med en cylindrisk nylonborste innehållande SiC. Denna behandling resulterade i en slät yta med endast det yttre TiN-skiktet avlägsnat längs egglinjen friläggande Al2O3.

Exempel 3 Hàrdmetallskär CNMG 120408-QM med sammansättningen 5.5 % Co, 8,6 % kubiska karbider (TiC-TaC-NbC) och resten WC belades med CVD-teknik med skikt i följande ordning; 1.0 pm TiC, 0,4 pm Ti(CO), 7,9 pm Ti(CN) Och 5,5 pm Al2O3.

Al2O3-skiktet utfälldes med en metod som ger finkornig a- Al2O3 enligt Svensk Patentansökan 9203853-0.

Skären behandlades med vàtblästring med 150 mesh Al2O3korn (variant 3).

Exempel 4 0 Hàrdmetallskär CNMG 120408-QM med sammansättningen 6.5 6 kubiska karbider och resten WC och med CO, 8,7 % (TiC-TaC-NbC) en 25 pm tjock bindefasanrikad ytzon belades med CVD-teknik med skikt i följande ordningsföljd: 7.9 pm TiC, 4.2 pm Al2O3 och 3.5 pm TiC. Al2O3-skiktet utfälldes med en metod som ger 15 20 25 30 9 509 201 ett finkornigt a-Al2O3-skikt enligt svensk patentansökan 9203853-0.

Variant 4A: Ingen efterbehandling.

Variant 4B: Skären borstades med en cylindrisk nylonborste innehållande SiC, vilket resulterade i en slät yta med frilagt Al2O3-skikt längs hela egglinjen.

Exempel 5 Hàrdmetallskär CNMG 120408-QM med sammansättningen 6.5 % Co, 8,7 % kubiska karbider (TiC-TaC-NbC) och resten WC och med en 25 pm tjock bindefasanrikad ytzon belades med CVD-teknik med skikt i följande ordning: 7,0 pm TiC och 5,1 pm Al2O3.

Al2O3-skiktet utfälldes med en metod som ger finkornig a-Al2O3 enligt svensk patentansökan 9203853~O. Skären behandlades med vàtblästring med 150 mesh Al2O3-korn (variant 5).

Exempel 6 Hàrdmetallskär CNMG 120408-QM med sammansättningen 6.5 % Co, 8,7 % kubiska karbider (TiC-TaC-NbC) och resten WC och med en 25 pm tjock bindefasanrikad ytzon belades med CVD-teknik med skikt i följande ordningsföljd: 5,4 pm Ti(CN), 5,3 pm Al2O3 Och 1,3 pm TiN.

Al2O3-skiktet utfälldes enligt känd teknik resulterande i ett skikt av blandade d- och K-polymorfer. TiN-skiktet utfälldes vid 400 mbar och de andra skikten enligt känd teknik.

Variant 6A: Ingen efterbehandling.

Variant 6B: Vätblästring med 150 mesh Al2O3-korn resulterande i en slätare yta och det yttre TiN-skiktet avlägsnat såväl längs egglinjen som på hela spànytan varvid Al2O3 frilades. 15 20 509 201 10 Variant 6C: Borstning med en cylindrisk nylonborste innehållande SiC vilket resulterade i en slät yta och friläggning av AIZO3-skiktet längs hela egglinjen.

Ex m e 7 Skär fràn exemplen 1-6 provades med avseende pä skiktflagning utmed egglinjen i en plansvarvningsoperation i ett legerat stàl (AISI 1518, W-no. 1,0580). Formen hos arbetstycket var sådan att skäret gick ur ingrepp tre gånger per varv.

Skärdata: Skärhastighet 130-220 m/min, Matning 0.2 mm/varv, Skärdjup 2.0 mm.

Provningstiden motsvarar en passering över arbetsstycket.

Resultaten nedan är uttryckta som procenttal av hela egglinjen i ingrepp som erhållit flagning.

Variant Efter- Frilagd % Egglinjeflagning behandling A12O3 vid eggen IA Ingen Nej 63 1B Blästrad Nej 80 IC Blästrad Nej 84 ID Blästrad Ja 18 1E Blästrad Nej 70 1F Borstad Nej 66 1G Borstad Ja O 2A Ingen Nej 57 2B Blästrad Ja O 2C Borstad Ja O 3 Blästrad Ja O 4A Ingen Nej 87 4B Borstad Ja O 5 Blästrad Ja O 6A Ingen Nej 83 10 20 11 509 201 6B Blàstrad Ja 27 6C Borstad Ja 33 Som framgår av ovanstående har de bästa resultaten erhållits när det finkorniga a-Al2O3-skiktet har frilagts vid egglinjen. Efterbehandling som givit slätare beläggningsyta, men inte friläggning av a-Al2O3, leder inte till någon förbättring av flagningsmotstàndet. Varianterna 6B och 6C med d/K polymorferna frilagda vid egglinjen får inte lika gynnsamt flagningsmotstànd som varianterna med a-Al2O3-skiktet frilagt vid egglinjen.

Exempel 8 Skär från exemplen 4 och 5 användes i längsgående svarv- ning av ett kullagerstàl SKF 25B.

Skärdata: Skärhastighet 180 m/min, Matning 0.36 mm/varv, Skärdjup 2,0 mm, Kylmedel användes.

Fasförslitningen mättes efter 2.5 min för att studera den begynnande förslitningen.

Variant fasförslitning, mm 4B 0.13 5 0.20

Claims (9)

W Ü 20 509 201 12 Krav

1. Ett skär tillverkat av hàrdmetall, titanbaserad karbonitrid eller keramik omfattande en kropp av vanligen månghörnig eller rund form med en övre sida, en motsatt sida och åtminstone en släppningssida som skär sagda övre och undre sida, därigenom definierande skäreggar, varvid sagda skär är åtminstone delvis belagt med åtminstone två refraktära skikt av vilka ett är ett finkornigt a-Al2O3-skikt och det andra är ett TiCXNyOZ eller ett ZrCxNy-skikt k ä n n e t e c k n a t av att sagda Al2O3-skikt är det yttre skiktet längs egglinjen och sagda TiCxNyOZ- eller ZrCXNy-skikt är yttre skikt på släppningssidan.

2. Ett skär enligt krav 1 k ä n n e t e c k n a t av att sagda a-Al2O3-skikt har en textur i (012)-riktningen eller (104)-riktningen med en texturekoefficient, TC, definierad som

3. Ett skär enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att skiktet på släppningssidan är TiN, ZrN, TiCN eller TiC.

4. Ett skär enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att Al2O3-skiktets tjocklek är >4 um.

5. Ett sätt att tillverka ett skär som utgörs av en kropp av vanligen mànghörnig eller rund form med en övre sida, en motsatt sida och åtminstone en släppningssida som skär sagda övre och undre sida, därigenom definierande skäreggar, tillverkat av hårdmetall, titanbaserad karbonitrid eller keramik omfattande beläggning av sagda skär åtminstone delvis med Åtminstone två refraktära skikt av vilka det näst yttersta är ett finkornigt a-Al2O3-skikt och ett yttre MeCXNyOz-skikt där Me är en metall vald från gruppen bestående av metaller i grupperna IVB, VB, VIB i det periodiska systemet k ä n n e t e c k n a t av att sagda yttre MeCXNyOZ-skikt avlägsnas ln w 509 201 àtminstone längs egglinjen varvid sagda skikt lämnas väsentligen orört på släppningssidan.

6. Ett sätt enligt krav 5 k ä n n e t e c k n a t av att sagda ytterskikt avlägsnas genom att borsta med en borste innehållande t ex SiC eller genom att blästra med Al2O3~korn.

7. Ett sätt enligt kraven 5 eller 6 k ä n n e t e c k n a t av att sagda a-Al2O3-skikt har en textur i (012)-riktningen eller (104)-riktningen.

8. Ett sätt enligt kraven 5-7 k ä n n e t e c k n a t av 5 at: sagda MeCXNyOZ-skikt omfattar TiN, ZrN, TiCN eller TiC.

9. En sätt enligt något av kraven 5-8 k ä n n e t e c k n a t av att sagda a-Al2O3-skikttjocklek är >4 pm.