SE513551C2

SE513551C2 - Diamond coated cemented carbide or cermet for use as cutting tools or wear parts

Info

Publication number: SE513551C2
Application number: SE9504624A
Authority: SE
Inventors: Ingrid Reineck; Maria Nordin
Original assignee: Sandvik Ab
Priority date: 1995-12-22
Filing date: 1995-12-22
Publication date: 2000-10-02
Also published as: SE9504624D0; DE69622396T2; DE69622396D1; SE9504624L; ATE220733T1

Abstract

Body comprising cemented carbide or cermets coated with at least one diamond layer has in-between the body and the diamond layer spotwise occurring particles containing at least one element chosen from tungsten (W), tantalum (Ta), titanium (Ti), molybdenum (Mo), chromium (Cr), vanadium (V), niobium (Nb), magnesium (Mg), calcium (Ca), sodium (Na), potassium (K), or preferably any of bismuth (B), silicon (Si), sulphur (S), aluminium (Al) or phosphorus (P). The particles are dispersed at a density such that the average distance between two particles is 10 (preferably 5) microns or less. Also claimed is production of above body. Body is cemented carbide with depleted Co surface, where surface roughness is 1 ~mmRa20~mm, preferably 10~mm and porosity of 10~mm, preferably5~mm.

Description

1.5 20 25 30 35 513 551 2 kärnbildningstätheten för diamanttillväxten, selt ex H.Liu och D.S.Danäy, Diam.Rel.Mat. 4 (1995) 1173, för en översikt. 1.5 20 25 30 35 513 551 2 nucleation density for diamond growth, sold ex H.Liu and D.S.Danäy, Diam.Rel.Mat. 4 (1995) 1173, for an overview.

I B.Lux and R.Haubner, Diamond and Diamond-like Films and 1991, inte förbättrar kärnbild- Coatings, ed R.E.Clausing et al., Plenum Press N.Y. påstås polering med Al2O3 (l um) ningstätheten medan denna effekt uppnås med diamantpulver.In B.Lux and R.Haubner, Diamond and Diamond-like Films and 1991, Core Image Coatings, ed. R.E.Clausing et al., Plenum Press N.Y. polishing with Al2O3 (1 μm) density is claimed while this effect is achieved with diamond powder.

I EP O 445 305 Bl, elektrolytisk polering av hàrdmetall, eventuellt i kombination (EP specifikation) Showa Denko, beskrivs med med efterföljande repning med diamant, CBN, Al2O3 eller SiC. Här nämns diamant som det föredragna repmedlet. Indika- tionen på god diamantfilmvidhäftning mäts genom att ett Rock- wellprov där filmerna sägs motstà en last av 5-25 kg utan att flaga.In EP 0 445 305 B1, electrolytic polishing of cemented carbide, possibly in combination (EP specification) Showa Denko, is described with subsequent scratching with diamond, CBN, Al2O3 or SiC. Diamond is mentioned here as the preferred rope agent. The indication of good diamond film adhesion is measured by a Rockwell test where the films are said to withstand a load of 5-25 kg without flaking.

Det är därför överraskande att finna att flagningsmotstån- det såväl som slitstyrkan hos en diamantbeläggning utfälld på en kropp av hàrdmetall eller keramik, särskilt ett skär, kan utsträckas till en nivå åtminstone lika god som för diamantbe- läggningar deponerade ovanpå verktygskroppar preparerade med ultraljudförbehandling med diamantpartiklar. Detta åstadkommes genom en kombination av ultraljudförbehandling med partiklar bestående av t ex B4C, Al2O3 eller SiC och avlägsnande av bin- demedelsmaterial, t ex kobolt, stratet. Dessutom skall substratets yta vara preparerad till i en ytregion av verktygssub- att ha antingen en viss ytfinhet eller att ha porer i en ytre- gion. Användning av partiklar andra än diamant för förbehand- ling före deposition är fördelaktig framställningskostnadssyn- punkt.It is therefore surprising to find that the flaking resistance as well as the abrasion resistance of a diamond coating deposited on a carbide or ceramic body, especially a insert, can be extended to a level at least as good as for diamond coatings deposited on top of tool bodies prepared with ultrasonic pre-treatment with diamond particles. . This is achieved by a combination of ultrasonic pretreatment with particles consisting of eg B4C, Al2O3 or SiC and removal of binder material, eg cobalt, strate. In addition, the surface of the substrate must be prepared in a surface region of tool sub- to have either a certain surface fineness or to have pores in a surface region. The use of particles other than diamond for pre-treatment before deposition is an advantageous production cost point of view.

Enligt föreliggande uppfinning kan partiklarna som ytan förses med vid förbehandlingen vara fästa ovanpà substratets yta som framgår vid analys av ytan i mikrosond, se Fig l. För- delningen av Al-anrikade partiklar skall jämföras med den från en substratyta som inte är behandlad enligt uppfinningen som visas i Fig 2.According to the present invention, the particles provided with the surface during the pretreatment can be attached on top of the surface of the substrate which appears from analysis of the surface in a microprobe, see Fig. 1. The distribution of Al-enriched particles should be compared with that from a substrate surface not treated according to the invention. as shown in Fig. 2.

Enligt föreliggande uppfinning föreligger nu en kropp be- lagd med åtminstone ett diamantskikt. Ytan av kroppen i kon- takt med diamantskiktet är anrikad på partiklar innehållande åtminstone 20 wt-% av B, Al och/eller Si såsom karbider, oxi- der eller nitrider av dessa (t ex B4C, BN, SiC eller Al2O3), företrädesvis Al-innehållande partiklar. Partiklar innehal- 10 15 20 25 30 35 513 551 3 lande Sšoch/eller P kan även beaktas sàväl som metallinnehàl- lande partiklar där metallen är àtminstone en av W, Cr, Mo, Ta, Ti, Nb, V, Mg, Ca, Na eller K.According to the present invention, there is now a body coated with at least one diamond layer. The surface of the body in contact with the diamond layer is enriched in particles containing at least 20 wt% of B, Al and / or Si such as carbides, oxides or nitrides thereof (eg B4C, BN, SiC or Al2O3), preferably Al-containing particles. Particles containing S 15 and / or P can also be considered as well as metal-containing particles where the metal is at least one of W, Cr, Mo, Ta, Ti, Nb, V, Mg, Ca, Na or K.

Medelstorleken av partiklarna är mindre än 5 um, företrä- desvis mindre än 2 um och helst mindre än 0.5 um. Alternativt, är medelstorleken av partiklarna 7-20 um, företrädesvis 10-15 um. I ännu ett alternativ föreligger en kombination av smà, dera slaget. och stora partiklar, 10-15 um, àtminstone 25% av var- Partikelfördelningen är sádan att medelavstàndet xm mellan tvà partiklar analyserat med mikrosond är mindre än 10 um, fö- reträdesvis mindre än 5 um och helst mindre än 2 um där xm=Exi/n där Xi är de individuella avstànden mellan närmaste grannar av partiklar definierat i Fig 1 och n är antalet sä- dana par.The average size of the particles is less than 5 μm, preferably less than 2 μm and most preferably less than 0.5 μm. Alternatively, the average size of the particles is 7-20 μm, preferably 10-15 μm. In yet another alternative, there is a combination of small, dera kind. and large particles, 10-15 μm, at least 25% of each- The particle distribution is such that the average distance xm between two particles analyzed with microprobe is less than 10 μm, preferably less than 5 μm and preferably less than 2 μm where xm = Exi / n where Xi is the individual distances between the nearest neighbors of particles defined in Fig. 1 and n is the number of such pairs.

Ytfinheten hos kroppen är l um. In en alternativ utföringsform, med en ytfinhet Ra<1 um, finns det porer i en ytregion av <10 um, företrädesvis <5 um.The surface finish of the body is l um. In an alternative embodiment, with a surface fineness Ra <1 μm, there are pores in a surface region of <10 μm, preferably <5 μm.

Storleken av porerna är 0.5-5 um, företrädesvis 0.5-2 um.The size of the pores is 0.5-5 μm, preferably 0.5-2 μm.

Kroppar enligt föreliggande uppfinning omfattar hàrdmetal- ler och cermets. Företrädesvis är en hàrdmetallkropp utarmad i ytzonen med avseende pà kobolt. Detta kan, till exempel, er- hàllas genom delvis karburering en eta-fasinnehàllande kropp som beskrivs i EP 464 012.Bodies of the present invention include cemented carbides and cermets. Preferably, a cemented carbide body is depleted in the surface zone with respect to cobalt. This can be obtained, for example, by partial carburization of an eta-phase-containing body as described in EP 464 012.

Enligt föreliggande uppfinning föreligger även ett sätt att tillverka kroppar lämpliga för beläggning med diamantfilmer med god vidhäftning. Kropparna behandlas först för att fà en lämplig struktur hos deras ytregion och utarmning av kobolt, antingen genom en sintringsprocess som förgrovar ytan, eller genom etsning av bindemedelsmaterialet för att skapa porer i ytregionen. Sàdana metoder är välkända inom teknikomràdet.According to the present invention there is also a method of making bodies suitable for coating with diamond films with good adhesion. The bodies are first treated to obtain a suitable structure of their surface region and depletion of cobalt, either by a sintering process which coarsens the surface, or by etching the binder material to create pores in the surface region. Such methods are well known in the art.

Därefter behandlas kropparna i ett ultraljudsbad innehållande de ovannämnda partiklarna i en koncentration av 2-50 g/l i vatten, olja eller andra lämpliga vätskor i omkring 30-60 min.Thereafter, the bodies are treated in an ultrasonic bath containing the above-mentioned particles at a concentration of 2-50 g / l in water, oil or other suitable liquids for about 30-60 minutes.

Medelstorleken av partiklarna är mindre än 5 um, företrädesvis mindre än 2 um och helst mindre än 0.5 um. Som en alternativ metod för behandling används partiklar av medelstorlek 7-20 um, företrädesvis 10-15 um. I en föredragen metod behandlas kropparna med användning av partiklar av medelstorlek 10-15 um lO 15 20 25 30 35 513 551 4 och av medelstorlek mindre än 0.5 um antingen samtidigt i en behandling, med användning av àtminstone 25% av vardera sla- get, eller var för sig i tvà på varandra följande behand- lingar.The average size of the particles is less than 5 μm, preferably less than 2 μm and most preferably less than 0.5 μm. As an alternative method of treatment, particles of average size 7-20 μm, preferably 10-15 μm are used. In a preferred method, the bodies are treated using particles of average size 10-15 μm and of average size less than 0.5 μm either simultaneously in one treatment, using at least 25% of each kind, or separately in two consecutive treatments.

Som en alternativ metod att förse substratytorna med par- tiklar kan en lösning innehållande de önskade elementen använ- das ur vilken partiklarna utfälls.As an alternative method of providing the substrate surfaces with particles, a solution containing the desired elements from which the particles precipitate can be used.

Uppfinningen har beskrivits med hänvisning till diamantbe- läggning i direkt kontakt med en kropp av hàrdmetall eller cermet. Det är uppenbart att uppfinningen kan tillämpas även i fallet när ett eller flera intermediära skikt föreligger mel- lan kroppen och diamantskiktet.The invention has been described with reference to diamond coating in direct contact with a carbide or cermet body. It is obvious that the invention can also be applied in the case when one or more intermediate layers are present between the body and the diamond layer.

Uppfinningen kan tillämpas pà diamantbelagda skärverktyg, verktyg för bergborrning och slitdelar sàväl som pà andra su- perhàrda beläggningar sásom cBN-beläggningar utfällda med CVD- eller PVD-metoder.The invention can be applied to diamond-coated cutting tools, rock drilling tools and wear parts as well as to other super-hard coatings such as cBN coatings deposited by CVD or PVD methods.

Exempel 1 Sex WC-6%Co hàrdmetallskär med en koboltutarmad ytzon och en ytfinhet av Ra=2.0 um behandlades först i ett ultraljudsbad innehållande 1 g B4C-pulver av kornstorlek 5-15 um i 200 ml olja som suspenderande medium. Behandlingstiden var 30 min.Example 1 Six WC-6% Co cemented carbide inserts with a cobalt depleted surface zone and a surface finish of Ra = 2.0 μm were first treated in an ultrasonic bath containing 1 g of B4C powder of 5-15 μm grain size in 200 ml of oil as suspending medium. The treatment time was 30 min.

Skären ultraljudbehandlades därefter i en suspension bestáende Al2O3-pulver av kornstorlek g per 200 ml olja i ytterligare 30 min. Skären rengjordes se- dan i sprit i 30 min i ultraljudsbadet.The inserts were then sonicated in a suspension consisting of grain size Al 2 O 3 powder per 200 ml of oil for a further 30 minutes. The inserts were then cleaned in alcohol for 30 minutes in the ultrasonic bath.

Det Al2O3-B4C förbehandlade skäret analyserades i en mikro- sond med avseende pà Al. Partiklar innehållande Al befanns fö- religga med ett medelavstànd av 4 um mellan vardera tvà par- tiklar.The Al2O3-B4C pretreated insert was analyzed in a microprobe for Al. Particles containing Al were found to have an average distance of 4 μm between each of the two particles.

En uppsättning av referensskär av WC-6%Co ultraljudsbehand- lade i diamantpulver av kornstorlek 0-2 um uppslammat i olja.A set of reference inserts of WC-6% Co ultrasonically treated in diamond powder of grain size 0-2 μm suspended in oil.

Behandlingstid sàväl som rengöringsprocedur var desamma som för de ovannämnda skären.Treatment time as well as cleaning procedure were the same as for the above mentioned inserts.

Därefter diamantbelades bada slagen av skär till en skikt- tjocklek av 7 um med användning av mikrovàgsplasmaassisterad CVD. Kornstorleken hos skiktet var omkring 5 um.Then, both types of inserts were diamond coated to a layer thickness of 7 μm using microwave plasma-assisted CVD. The grain size of the layer was about 5 μm.

Skären utsattes för ett svarvflagningsprov i en Al-l8%Cu- legering med användning av följande skärdata: 10 15 20 25 30 35 551 5 513 3 v = 300 m/min ” f=o.1mm a = l mm vátbearbetning Den diamantbelagda uppsättningen av skär förbehandlade en- ligt uppfinningen varade 6 min i det här provet tills en för- slitningszon av bredd av 0.1 mm hade bildats jämfört med re- sultatet för uppsättningen av skär förbehandlade med diamant- pulversuspension som varar endast 4 min. Frànsett förbättring- arna i livslängd visas fördelen med användning av ett billi- gare förbehandlingsmedel jämfört med diamantpulver.The inserts were subjected to a turning flaking test in an Al-18% Cu alloy using the following cutting data: 10 15 20 25 30 35 551 5 513 3 v = 300 m / min ”f = o.1mm a = 1 mm wet machining The diamond-coated set of inserts pretreated according to the invention lasted 6 minutes in this test until a wear zone of 0.1 mm width had been formed compared to the result of the set of inserts pretreated with diamond powder suspension lasting only 4 minutes. Apart from the improvements in service life, the advantage of using a cheaper pre-treatment agent compared to diamond powder is shown.

Exempel 2 Sex WC-4%Co skär med en koboltutarmad ytzon och ett poröst ytskikt av 5 um med porstorlek 1 um, förbehandlades i en ult- raljudssuspension innehållande B4C-pulver av kornstorlek O-5 um. Behandlingstiden var 30 min. Skären rengjordes sedan i ultraljud i sprit i 30 min. En uppsättning referensskär fram- togs liknande Exempel l. Skären belades med ett 10 um tjockt diamantskikt med användning av en DC-bàgplasma-CVD-metod.Example 2 Six WC-4% Co inserts with a cobalt depleted surface zone and a porous surface layer of 5 μm with a pore size of 1 μm, were pretreated in an ultrasonic suspension containing B4C powder of grain size O-5 μm. The treatment time was 30 min. The inserts were then ultrasonically cleaned in alcohol for 30 min. A set of reference inserts was prepared similar to Example 1. The inserts were coated with a 10 μm thick diamond layer using a DC arc plasma CVD method.

Före diamantbeläggning analyserades de B4C-behandlade skä- ren i en mikrosond med avseende pà bor. Borinnehällande par- tiklar áterfanns med ett medelavstànd av 10 um mellan tvà in- dividuella partiklar.Prior to diamond coating, the B4C-treated inserts were analyzed in a micro-probe for boron. Boron-containing particles were found with an average distance of 10 μm between two individual particles.

Skären utsattes för ett fräsflagningsprov i en Al-9%Si-le- gering med användning av följande skärdata: v = 2000 m/min f = 0.5 mm/tand a = 1 mm vàtbearbetning Den diamantbelagda uppsättningen av skär förbehandlad en- ligt uppfinningen varade 100 passeringar i detta prov utan na- gon synlig skada. Detta resultat erhölls även för den diamant- Sàlunda kan ett lik- nande uppförande uppnàs med användning av en B4C-behandling i pulverbehandlade uppsättningen av skär. stället för den dyrare diamantpulverbehandlingen. 10 15 20 25 513 551 6 Exemp§lÉ3 SekfWC-4%Co skär med en koboltutarmad ytzon och en ytfinhet av Ra=5 um behandlades i ett ultraljudsbad innehållande 1 g B4C av kornstorlek 10 um i 200 ml olja i 30 min. Skären be- handlades därefter i en vattenlösning av Al2(SO4)3 (10%) i 5 En alkalisk lösning av 2% NaOH tillsattes da Al2(SO4)3- lösningen, som fortfarande omrördes i ultraljudsbadet. Skären min. behandlades i detta bad i ytterligare 25 min. Sedan ultraljudrengjordes skären i sprit i 15 min. Referensskären preparerades enligt Exempel l ovan. Alla skär diamantbelades i en DC-plasma-aktiverad CVD process till en diamantbeläggning av tjocklek 10 um.The inserts were subjected to a milling flaking test in an Al-9% Si alloy using the following cutting data: v = 2000 m / min f = 0.5 mm / tooth a = 1 mm wet machining The diamond-plated set of inserts pretreated according to the invention lasted 100 passes in this test without any visible damage. This result was also obtained for the diamond. Thus, a similar behavior can be achieved using a B4C treatment in the powder-treated set of inserts. instead of the more expensive diamond powder treatment. 10 15 20 25 513 551 6 Example 3 SekfWC-4% Co cut with a cobalt depleted surface zone and a surface fineness of Ra = 5 μm were treated in an ultrasonic bath containing 1 g B4C of grain size 10 μm in 200 ml oil for 30 min. The inserts were then treated in an aqueous solution of Al 2 (SO 4) 3 (10%) in An alkaline solution of 2% NaOH was added when the Al 2 (SO 4) 3 solution was still stirred in the ultrasonic bath. Cut mine. was treated in this bath for another 25 min. Then the inserts were ultrasonically cleaned in alcohol for 15 min. The reference inserts were prepared according to Example 1 above. All inserts were diamond coated in a DC plasma-activated CVD process to a diamond coating 10 μm thick.

Före diamantbeläggning analyserades de Al2(SO4)3-behandlade skären i en mikrosond med avseende pà aluminium. Aluminiumin- nehàllande partiklar àterfanns med ett medelavstánd av 5 um mellan vardera tvà individuella partiklar.Prior to diamond coating, the Al2 (SO4) 3-treated inserts were analyzed in a microprobe for aluminum. Aluminum-containing particles were found with an average distance of 5 μm between each two individual particles.

Skären utsattes för ett svarvflagningsprov i en Al-18%Cu- legering med användning av följande skärdata: v = 700 m/min f = 0.05 mm a = 1 mm vátbearbetning Den diamantbelagda uppsättningen av skär förbehandlade en- ligt uppfinningen varade 4 min i detta prov jämfört med resul- tatet för uppsättningen skär förbehandlade med diamantpulver- suspensionen som varade i 2 min. Återigen visas en förbättring i livslängd tillsammans med fördelen med användning av ett billigare förbehandlingsmedel jämfört med diamantpulver.The inserts were subjected to a turning flaking test in an Al-18% Cu alloy using the following cutting data: v = 700 m / min f = 0.05 mm a = 1 mm wet machining The diamond coated set of inserts pretreated according to the invention lasted 4 minutes in this sample compared to the result of the set of inserts pretreated with the diamond powder suspension which lasted for 2 min. Again, an improvement in service life is shown along with the advantage of using a cheaper pretreatment compared to diamond powder.

Claims

10 15 20 25 30 35 515 551 7 KLQE -

Carbide body or cermets coated with at least one diamond layer characterized in that between said body and diamond coating there are spotty particles containing at least one element either one of W, Ta, Ti, Mo, Cr, V, Nb , Mg, of B, Si, S, Al or P and of said particles being preferred Ca, Na, K or preferably slightly added with a density with an average distance between two particles of 20 μm or less, preferably 5 μm or less .

Body according to claim 1, characterized in that said body is a cemented carbide with a cobalt-depleted surface zone.

Body according to any one of the preceding claims, characterized in that said body has a surface fineness of 1 μm

Body according to any one of claims 1-3, characterized in that the body has a porous surface zone of <10 μm, preferably <5 μm.

Method for producing a diamond-coated body, characterized in that the body is first treated to obtain a suitable structure of its surface region and depletion of cobalt, or by etching the binder material to create the pooting either by a sintering process which coarsens the surface in the surface region after which the bodies are treated in an ultrasonic bath containing particles containing at least one element Mo, Cr, V, Nb, Al, Mg, K or any of the metalloids B, Si, either any of the metals W, Ta, Ti, Ca, Na, concentration of 2-50 g / l of water, S or P in an oil or other suitable liquids for about 30-60 minutes with the average size of the particles being less than 5 μm, preferably less than 2 μm or 7-20 μm ,

6. A method according to claim 5, characterized in that the body - preferably 10-15 μm. the pairs are treated using particles of average size 10-15 μm and of average size less than 0.5 μm either simultaneously in one treatment, using at least 25% of each type, or separately in two consecutive actions.

Method according to claim 5, characterized in that the body is treated in a solution containing the desired element from which the desired particles are precipitated.