SE518896C2 - Cermet med kemiskt isolerade hårdpartiklar inkorporerade i matrisen - Google Patents

Description

25 30 35 518 896 ä; .Z styrka men mindre välutvecklat seghetsbeteende. Men segheten har nyligen förbättrats och tillämpningsomràdet följaktligen vidgats in i området för klassisk hårdmetall. Även belagda cermets finns nu på marknaden.

Som påpekats ovan har cermets blivit segare, väsentligen utan förlust av slitstyrka. Detta är beroende på mer sofistikerad till- verkning, ofta i kombination med användning av slitstarka belägg- ningar. Tendensen inom metallbearbetningsområdet år emellertid mot mer och mer finbearbetningsoperationer p.g.a. near-net-shape- teknologin och andra tekniker. Därför finns det ett visst behov av mera slitstarka verktyg, även på bekostnad av viss seghet.

Samtidigt är god spånkontroll av ökande betydelse, åtminstone delvis beroende på ökningen av obemannad maskinbearbetning och ett krav på högre produktionsutbyte. Hittills har både keramiska och cBN skär lidit av bristen på spånbrytare.

US 3,752,655 beskriver en hårdmetall innehållande korn eller partiklar av refraktära metallföreningar belagda med ett re- fraktärt karbidskikt att förläna vätbarhet till den refraktära me- tallföreningens korn vilka är svåra att våta med sådana bindefas- metaller som järngruppens metaller.

EP-A-49335l beskriver ett slitstarkt material bestående av 3- 0 60 volym s diamant i en matris innehållande åtminstone en hård beståndsdel bestående av karbid, nitrid och/eller karbonitrid av en metall av grupp IV, V och VI i det periodiska systemet och en bindefas baserad på Co, Ni och/eller Fe varvid diamanterna är om- givna av ett skikt >l pm av refraktära metaller, karbider, nitri- der, oxider, borider eller silicider. På detta sätt förhindras en upplösning av diamanten under sintringen p.g.a. en speciell kombination av skiktmaterial och sintring/pressningsprocess.

Föreliggande uppfinning avser slitstarka hàrdmetaller och cermets erhållna genom tillsats av hårda keramiska partiklar andra än dem i matrisen, jämnt fördelade inom densamma. Speciellt cermets, vilka redan är på den mera slitstarka sidan, är av stort intresse.

Hittills har Al2O3 varit omöjligt att inkorporera i en metal- lisk matris innehållande kobolt och/eller nickel på grund av full- ständig brist på vätning. cBN lider av samma olägenheter, men av andra skäl. cBN är inte tillräckligt termodynamiskt stabil; den ...nu- 10 15 20 25 30 35 518 896 3 kan transformeras till hexagonal kristallstruktur (som är den sta- bila strukturen vid normala smältfassintringstemperaturer och lågt tryck) och/eller reagera med den flytande bindemetallen, och bilda borider etc.. Enligt föreliggande uppfinning är lösningen till detta problem att isolera varje individuellt korn av Al2O3 eller cBN med ett isolerande skikt. Detta skikt verkar som en dif- fusionsbarriär som förhindrar reaktioner med den omgivande smälta bindemetallen under sintring. Samtidigt skall det isolerande skik- tet även ha utomordentliga vätningsegenskaper mot bindemetallen.

För inkorporering i hårdmetaller och cermets föredras skikt av karbider, nitrider och/eller karbonitrider av övergångsmetal- ler, t ex TiC, Ti(C,N), TiN och/eller WC även om andra element av grupperna IV - VI i det periodiska systemet, ensamma eller i kom- bination är möjliga. Skikten skall vara tillräckligt tjocka för att säkerställa att partiklarna är fullständigt isolerade och nå- gon tillåtelse måste göras för inhomogeniteter erhållna i belägg- ningsprocessen t ex vid skarpa hörn av kornen. Å andra sidan, när beläggningens tjocklek ökar, minskar volymsfraktionen av cBN eller Al2O3 vilket leder till lägre slitstyrka. Av dessa två skäl skall beläggningsmaterialet i genomsnitt, utgöra 15-60 vol-%, företrä- desvis 20-40 vol-%, av de belagda kornen inklusive beläggningen.

Beroende på dessa krav är den totala tjockleken av skikten kopplad Ett finkor- nigt material skall ges en tunnare beläggning än ett grovkornigt till kornstorleken hos partiklarna som skall beläggas. material. Men tjocklekar under 0.04 pm kommer vanligen inte att ge tillräckligt skydd mot diffusion medan beläggningar över 1 pm är onödigt tjocka. Därför skall i genomsnitt beläggningens tjocklek vara 0.04-1 pm, företrädesvis 0.05-0.5 pm. Mängden av Al2O3 eller cBN korn skall vara åtminstone 5 vol-%, företrädesvis mer än 10 vol-% och helst mer än 15 vol-%. Å andra sidan, om mycket stora mängder av belagda pulver tillsättes är det inte längre möjligt att erhålla en homogen fördelning av de belagda kornen i det sint- rade materialet. Av detta skäl väljs mindre än 90 vol-%, företrä- desvis mindre än 70 vol-% och helst mindre än 60 vol-% av belagda pulvret. Det är också nödvändigt att begränsa mängden av metallisk bindefas för att säkerställa att det skyddande skiktet inte upplö- ses. Mer än 2 vol-%, företrädesvis mer än 5 vol-% av en bindefas av Co, Ni, och/eller Fe behövs att erhålla en porfri produkt men 10 15 20 25 30 35 518 896 q . mängden kan inte överskrida 20 vol-%. Företrädesvis skall mängden av bindefas inte överskrida 16 vol-%. Medelkornstorleken av de be- lagda kornen skall vara 0.3-7 pm, företrädesvis 0.4-5 pm. De be- lagda kornen skall vara jämnt fördelade i strukturen. I den sint- rade strukturen är de belagda kornen ofta omgivna av ytterligare en bård av komplex sammansättning och struktur.

Al2O3- eller cBN-kornen skall föreligga ensamma eller i kom- bination. Om endast cBN används erhålls ett material speciellt an- vändbart för att bearbeta hårda och abrasiva stål. Vid användning av Al2O3 erhålls ett material användbart för skärandetillämpningar dominerade av kemisk förslitning, t ex i rostfritt stål.

Det isolerande skiktet kan utfällas ovanpå de keramiska par- tiklarna med konventionella metoder såsom CVD, PVD, fluidiserande bäddteknik eller kemisk utfällning från en lösning (t ex så kallad SOL-GEL process) följt av reduktion och karburering/nitrering.

Vid inkorporering av de 'isolerade' keramiska partiklarna i hårdmetall/cermet matrisen är det av stor betydelse att inte för- störa det isolerande skiktet. Detta kan ske genom att undvika den traditionella malningen av pulver med malkroppar och i stället an- vända en blandningsteknik, t ex ultraljudsblandnig. Det sista ste- get att producera en färdig pulverblandning kan vara konventionell spray-torknig för att få ett fritt strömmande pulver lämpligt för vanlig pressning.

Sintring av de pressade kropparna kan utföras med användning av konventionella metoder. Men speciell omsorg måste tas vid val av sintringsbetingelser, för att inte upplösa den isolerande be- läggningen eller få betydande diffusion genom den. Ett alternativ 1350-l4O0OC för att mi- nimera upplösningen av de belagda kornen genom den välkända Ost- är att använda en låg sintringstemperatur, wald ripening processen. (Denna process förorsakar korntillväxt vid upplösning av mindre korn och återutfällning på större korn och är starkt temperaturberoende). Detta görs företrädesvis i en sinter-HIP~ugn. För en sintringstemperatur av l35OOC behövs ett gastryck av omkring 100 Bar för att erhålla ett porfritt material.

Det nödvändiga gastrycket minskar kontinuerligt med ökad tempera- tur så att vid en temperatur av l400°C är det även möjligt att er- hålla ett porfritt material med användning av vakuumsintring. Ett andra alternativ är att välja de relativa medelkornstorlekarna av 10 15 20 25 30 35 518 896 5 de olika pulvren så att de belagda kornen kommer att tillväxa hellre än upplösas genom Ostwaldprocessen som beskrivits ovan. Ef- tersom mindre korn kommer att upplösas och större korn tillväxa om de har samma sammansättning skall de belagda kornen ha en större kornstorlek än de obelagda. Företrädesvis skall de belagda kornen inklusive beläggningen ha en kornstorlek 20% större än andra härd- fasbildande material av liknande sammansättning som beläggningen.

I detta fall kan sintringstemperaturer mellan l400°C och 1550°C användas eftersom effekten av korntillväxten snarare är att ytter- ligare isolera det belagda materialet än att upplösa den skyddande beläggningen.

ExsmpaLl Submikron Al2O3 (medelkornstorlek 0.5 pm) belades med ett 0.06 pm tjockt skikt av Ti(C0_5,N0_5) i en fluidiserande bädd pro- cess. En cermet pulverpulp med sammansättning (vol-%) 75 % Ti(C0_7,N0_3), 9.3 % WC, nell malning i en kulkvarn med sprit-20% H20 som malvätska. Det 15.6 % Co framställdes genom konventio- belagda Al2O3-pulvret blandades därefter försiktigt i cermetpulpen till 20 vol-% (med undantag av volymen av malvätskan). Pulpen spraytorkades i en konventionell spraytork för att ge pulver- agglomerat av 80-120 pm storlek. Pulvret pressades till skärämnen och gastryckssintrades vid 137000 i 60 bar Ar. Ett porfritt mate- rial med Ti(C,N)-belagda Al2O3-korn intakta och jämnt fördelade i cermetmatrisen erhölls.

Exsmnsli cBN pulver (medelkornstorlek omkring 2 um) belades med ett 0.25 pm tjockt skikt av TiN + TiC i en PVD process i en roterande 66.7% Ti(C0_7,NO_3), 12.4% WC och 20.9 % Co framställdes med konventio- nell malning i en kulkvarn med sprit-20% H20 som malvätska. Medel- kornstorleken av Ti(C,N) var 1.5 pm. Det belagda cBN pulvret blan- dades försiktigt i cermetpulpen till 40 vol-% (exklusive volymen trumma. En cermetpulverpulp med sammansättning (vol-%) av malvätskan). Pulpen spraytorkades i en konventionell spraytork för att ge pulveragglomerat av 80-120 pm storlek. Pulvret pressades till skärämnen och sintrades i vakuum vid 1400-l450OC.

Som resultat hade, baserat på optisk mikroskopi och kornräkning, pa~nnu n åtminstone 20% av den hårda fasens korn en cBN kärna belagd med Ti(C,N). Ovanpå beläggningen hade en kubisk (Ti,W)(C,N) fas härstammande från mer finkornig Ti(C,N) och WC pulver tillväxt epitaxiellt. CBN korn var jämnt fördelade i matrisen.

Claims (1)

10 15 518 896 7 aonqa. u u a u n. u Krâï

1. Slitstarkt material bestående av en matris innehållande el- ler karbonitrid av åtminstone en metall från grupp IV, V eller VI åtminstone en hård beståndsdel bestående av en karbid, nitrid, i det periodiska systemet och 2-20 vol-% bindefas baserad på Co, Ni och/eller Fe, varvid medelkornstorleken av matrisen är <2 pm, företrädesvis <1 pm, k ä n n e t e c k n a t av att materialet dessutom innehåller partiklar av Al2O3 och/eller cBN med en medelkornstorlek av 0.3-5 pm, varvid mängden av Al2O3- eller cBN- partiklar är 15-60 vol-% ensamma eller i kombination samt att partiklarna är omgivna av ett isolerande skikt med en tjocklek av 0.04-1 pm av karbider, nitrider och/eller karbonitrider av övergângsmetaller ensamma eller i kombination varvid Al2O3- eller cBN-partiklarna dessutom är omgivna av ett ytterligare skikt bildat under sintringen och med komplex sammansättning och struktur.