SE519832C2 - Titanbaserad karbonitridlegering med bindefas av kobolt för lätt finbearbetning - Google Patents

Description

20 25 30 35 519 35? '''' " - .

U »I n »a seras av begränsad mekanisk belastning på skäreggen och ett högt ytfinhetsbehov på den färdiga komponenten. Men tyvärr lider cer- mets av ett oförutsägbart förslitningsuppförande. I värsta fall förorsakas slutet av livslängden av bulkbrott som kan leda till allvarlig skada på arbetsstycket såväl som på verktygshållare och maskin. Mer ofta bestäms slutet av livslängden av ett litet egg- linjebrott, vilket plötslig ändrar ytfinishen eller erhållna di- mensioner. Gemensamt för båda slagen av skador är att de är sto- kastiska i sin natur och inträffar utan föregående varning. Av dessa skäl har cermets en relativt låg marknadsandel speciellt i modern, högt automatiserad produktion som litar på en hög grad av förutsägbarhet för att undvika kostsamma produktionsstopp.

Det uppenbara sättet att förbättra förutsägbarheten inom det avsedda applikationsområdet skulle vara att öka segheten av materialet och arbeta med en större säkerhetsmarginal. Men hittills har detta inte varit möjligt utan att samtidigt reducera förslitnings- och deformationsmotståndet av materialet till en grad, som väsentligen minskar produktiviteten.

Det är ett ändamål med föreliggande uppfinning att lösa noggrant problemet beskrivet ovan. Det är faktiskt möjligt att utforma och producera ett material med väsentligen förbättrad seghet vid bibe- hållen deformations- och slitstyrka på samma nivå som konventio- nella cermets. Detta har åstadkommits genom att arbeta med lege- ringssystemet Ti-Ta-W-C-N-Co. Inom detta system har ett antal re- striktioner befunnits som ger optimala egenskaper för det avsedda användningsområdet. Som så ofta är lösningen inte en enda större ändring utan snarare en lyckosam kombination av följande precisa behov som tillsammans ger önskade egenskaper: 1. Den konventionella Ni-innehållande bindefasen är ersatt med en Co-baserad bindefas som i WC-Co legeringar, d v s den kemiskt stabila hårda fasen i cermets är kombinerad med den sega bindefa- sen i hårdmetaller. Co och Ni uppför sig väsentligen olika under deformation och löser väsentligen olika mängder av de individuella karbonitridbildarna. Av dessa skäl är Co och Ni inte utbytbara som det tidigare vanligen har ansetts. För tillämpningar såsom allmän finsvarvning av stål, omfattande lätta intermittenta ingrepp och 10 15 20 25 30 35 40 519 832 3 profilsvarvning eller lätt finfräsning är mängden av Co 9-12 atom- t.... n .,. ,.., . 5.. ... = ». f» f ~ H O 6, företrädesvis 9-10.5 atom-%. 2. Bindefasen måste vara tillräckligt lösningshärdad. Detta er- hålls genom att utforma den hårda fasen på ett sådant sätt att vä- sentliga mängder av övervägande W-atomer är upplösta i Co. Det är välkänt att Ti, Ta, C och N alla har låg eller mycket låg löslig- het i Co medan W har hög löslighet. Så inom detta legeringssystem skall bindefasen vara väsentligen en fast lösning av Co-W som är fallet för WC-Co legeringar. Lösningshärdningen mäts vanligtvis indirekt som relativ mättnadsmagnetisering, d v s förhållandet mellan mättnadsmagnetisering av bindefasen i legeringen jämfört med mättnadsmagnetiseringen av en lika mängd ren kobolt. För WC- Co-legeringar nära grafitgränsen fås en relativ mättnadsmagnetise- ring av "ett". Vid minskande kolhalt i legeringen ökar lösnings- härdningen och når ett maximum vid en relativ mättnadsmagnetise- ring av omkring 0.75. Under detta värde bildas etafas och lös- ningshärdningen kan inte längre ökas. För legeringarna i förelig- gande uppfinning har det visat sig att lösningshärdning kan drivas väsentligen längre än för WC-Co-legeringar genom en kombination av relativt hög N-halt, hög Ta-halt och låg interstitialbalans. Det exakta skälet härtill är okänt men medför förbättrade egenskaper förmodligen eftersom den termiska expansionen av den hårda fasen i cermets är större än för WC och så högre lösningshärdning krävs för att undvika utmattning genom plastisk deformation av bindefa- sen under termo-mekanisk cykling. Den relativa mättnadsmagnetise- ringen skall vara under 0.75, företrädesvis under 0.65 och helst under 0.55. 3. För att kombinera hög seghet och högt deformationsmotstånd med god egglinjekvalitet behövs vanligen ett material med högt bindefasinnehåll kombinerat med en liten hårdfaskornstorlek. Det konventionella sättet att minska kornstorleken i cermets har varit att minska råmaterialkornstorleken och öka N-innehållet för att förhindra korntillväxt. Men för legeringarna enligt föreliggande uppfinning har ett högt N-innehåll ensamt inte visat sig tillräck- ligt för att erhålla de önskade egenskaperna. Lösningen har i stället visat sig vara en kombination av ett relativt högt N-inne- håll (N/(C+N) i området 25-50 atom-%, företrädesvis 30-45 atom-%, och helst 35-40 atom-%) och ett Ta-innehåll av åtminstone 2 atom- 10 15 20 25 30 35 519 852 %, företrädesvis i området 4-7 atom-% och helst 4-5 atom-%. För legeringar med Co-baserad bindefas bestäms kornstorleken bäst ge- nom mätning av koercitivkraften, Hc. För legeringar enligt före- liggande uppfinning skall koercitivkraften vara över 12 kA/m, fö- reträdesvis över 13 kA/m och helst 14-17 kA/m. 4. Inom rimliga gränser påverkar mängden W tillsatt till materi- alet inte direkt egenskaperna. Men W-innehållet skall vara över 2 atom-%, företrädesvis i området 3-8 atom-% för att undvika en oac- ceptabelt hög porositetsnivå. 5. Materialet beskrivet ovan är ytterst reaktivt under sintring.

Okontrollerade sintringsparametrar, t ex konventionell vakuum- sintring, kan leda till åtskilliga icke önskvärda effekter. Exem- pel på sådana effekter är stora sammansättningsgradienter mot ytan beroende på växelverkan med sintringsatmosfären och hög porositet beroende på gasbildning inom legeringen efter porslutning. Till- verkning av materialet har även krävt utveckling av en unik sintringsprocess beskriven i den svenska patentansökan 9901581-O inlämnad samtidigt härmed. Med användning av denna process erhålls ett material vilket inom rimliga mätgränser och statistiska fluk- tuationer har samma kemiska sammansättning från centrum till ytan såväl som en jämnt fördelad porositet av A06 eller bättre, helst A04 eller bättre.

För skäroperationer med krav på mycket hög slitstyrka är det lämpligt att belägga kroppen enligt föreliggande uppfinning med en tunn slitstark beläggning med användning av PVD, CVD eller någon liknande teknik. Det skall noteras att sammansättningen av kroppen är sådan att några av beläggningarna och beläggningsteknikerna som idag används för WC-Co-baserat material eller cermets kan direkt användas, fast naturligtvis valet av beläggning kommer att även inverka på deformationsmotståndet och segheten av materialet.

Exempel l Pulver av Ti(C,N), WC, TaC och Co blandades för att erhålla proportionerna 37.0 Ti, 3.7 W, 4.5 Ta, 9.7 Co och ett N/(C+N)-förhållande av 38 atom-%. Pulvret våtmaldes, och pressades till TNMGl60408-pf skär. (atom-%) spraytorkades 10 15 20 25 30 35 40 519 832 5 Skär i samma geometri framställdes från ett andra pulver, som är (P 10). sort (=referens) har följande sammansättning (atom-%): 33.8 Ti, 3.5 W, 1.4 Ta, 3.9 Mo, 2.6 V, 7.7 Co, 3.9 Ni och ett N/(C+N)- förhållande av 31 atom-%. en väl etablerad sort inom sitt användningsområde, Denna Skär från referenspulvret sintrades med användning av en standard- process medan skären enligt uppfinningen sintrades enligt sint- ringsprocessen beskriven i 9901581-0. Fig l visar en svepelektron- mikroskopbild av mikrostrukturen erhållen i skären framställda en- ligt uppfinningen.

Mätningar av fysikaliska egenskaper visas i tabellen nedan: Hc rel. magn. densitet porositet mättnad Referens --- --- 7,02 A02(A08 centrum) Uppfinning 15,7 0,46 7,20 A04 Notera att koercitivkraft och relativ mättnadsmagnetisering inte är relevanta mättekniker för Ni-innehållande legeringar eftersom i detta fall koercitivkraften inte har någon klar koppling till kornstorleken och relativ mättnadsmagnetisering är övervägande en mätning av alla andra element lösta i bindefasen frånsett wolfram.

Exempel 2 Skärprov i ett högt seghetskrävande arbetsstycke genomfördes med följande skärdata: Arbetsstyckematerial: SCR420H V=200 m/min, f=O,2 mm/r, skärdjup=0,5 mm, kylmedel Resultat: (antal passeringar före brott, genomsnitt av fyra eggar) Referens: 34 Uppfinning: 92 Exempel 3 Motståndet mot plastisk deformation för båda materialen bestämdes genom ett skärprov.

SS254l skärtid=2,5 min Arbetsstyckematerial: f=O,3 mm/r, Resultatet nedan visar skärhastigheten (m/min) när eggarna A=l mm, deformerades plastiskt. 10 519 832 6 175 275 Referens: Uppfinning: Av exemplen ovan är det klart att jämfört med ett tidigare känt material, har skär framställda enligt uppfinningen väsentligen förbättrad seghet och deformationsmotstånd. Medan uppfinningen omfattar endast elementen Ti, Ta, W, C, N och Co är det uppenbart att dessa kan i någon utsträckning ersättas av små mängder av alternativa element utan att frångå uppfinningstanken. Speciellt kan Ta delvis ersättas av Nb och W delvis av Mo.

Claims (3)

1. 0 fl5 519 832 f, .fíšëlf l. En titanbaserad karbonitridlegering bestående av Ti, Ta,

2. W, C, N och CO, ningsoperationer k ä n n e t e c k n a d av 9-12 atom-% Co, 4-

3. -8 atom-% W, ett N/(C+N)-förhållande av 25-50 atom-%, en relativ mättnadsmagnetisering under 0.75 samt en speciellt användbar för finbearbet- 7 atom-% Ta, koercitivkraft över l2 kA/m. 2. En titanbaserad karbonitridlegering enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a d av att legeringen inom rimliga mätgranser och statistiska fluktuationer har samma kemiska sammansättning från centrum till ytan. 3. En titanbaserad karbonitridlegering enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a d av att legeringen inom rimliga mätgranser och statistiska fluktuationer har en jämnt fördelad porositet av A06 eller mindre, helst A04 eller mindre. H:\1 1453kra