SE519862C2 - Sätt att tillverka ett skär bestående av en PcBN-kropp och en hårdmetall- eller cermet-kropp - Google Patents

Description

35 519 862 ÜzÉDÉ ifïf* Även om den beskrivna metoden medför omfattande kostnadsre- duktion per skäregg har den en större nackdel i att packningen av PcBN pulver i sparen i princip mäste göras manuellt. De dàliga flödesegenskaperna för PcBN-pulver i kombination med den nödvän- diga spàrgeometrin gör automatisk hantering opàlitlig. Fránsett pàtagliga hälsorisker kan manuell packning leda till ojämn pack- ningsdensitet och till överdriven syreexponering av PcBN-pulvret.

Den ojämna packningsdensiteten gör det nödvändigt att välja en större spàrdimension än önskvärt för att säkerställa att den mängd av PcBN som erhálls alltid är tillräcklig. Noggrann kontroll av syreinnehállet i PcBN-pulvret är kritisk för HP/HT-sintringen ef- tersom överskott av syre påverkar konsolideringsprocessen nega- tivt. I princip vill man gärna ha en hög och högt reproducerbar packningsdensitet och reducera syreupptagningen under behandling och lagring.

Fig 1-4 illustrerar uppfinningen.

Det har helt överraskande befunnits att en grönkropp av cBN baserat material kan försintras i en vakuumsintringsprocess vid relativt hög temperatur för att erhálla en porös kropp med hygglig styrka och väldefinierad form. Med ett lämpligt val av sintrings- betingelser undergàr materialet inte fasomvandlingar skadliga för efterföljande HP/HT sintring eller skärverktygsprestanda. Speci- ellt kan överdriven fasomvandling av de metastabila cBN-kornen till t ex hexagonal bornitrid (hBN) eller metallborider och - nitrider undvikas. Dessutom kan försintringsprocessen utformas till att omfatta avvaxning, syrereduktion och, eventuellt, nitre- ring av grönkroppen.

I en aspekt av uppfinningen föreligger ett försintrat, po- röst, porositet 35-55 vol%, cBN innehållande material som är spe- ciellt väl lämpat för ytterligare HT/HP sintring genom att det har följande egenskaper: l. Det kan framställas i komplicerade former med strama tole- ranser och högt reproducerbar grönkroppsdensitet med användning av normal automatisk verktygspressningsteknologi. 2. Den har tillräcklig styrka för automatisk hopsättning t ex tillsammans med hárdmetallsubstraten i lämpliga behàllare. 3. Den porösa strukturen är tillräckligt bräcklig för att kollapsa under HP/HT sintring utan att lämna nàgra restsprickor eller fel och väsentligen ingen restporositet. 20 25 30 40 . , V 1 ~ v i 519 862 4. Materialet har ett làgt och stabilt syreinnehàll (typiskt <0.6 vikt%) som underlättar lagring över en förlängd tidsperiod med lág syreupptagning och lätt hantering.

I en andra aspekt av uppfinningen föreligger ett pulvermetal- lurgiskt sätt att producera materialet beskrivet ovan omfattande följande steg: 1. Blandning av ràmaterialpulver (t ex cBN, hBN, TiC, TiN, Ti(C,N), WC, W, C, Co, Co2Al9, Al, AlN, Al2O3) med en vätska (t ex etanol) och ett pressmedel (t ex polyetylenglykol, PEG) för att bilda en homogen slurry med önskad sammansättning. 2. Formning av pulveragglomerat, typiskt 100 pm i diameter, företrädesvis med användning av spraytorkningsteknik. 3. Formning av en grönkropp med önskade dimensioner och den- sitet med användning av konventionell verktygspressningsteknologi. 4. Avlägsnande av pressmedlet frän grönkropparna vid en tem- peratur och atmosfär lämpliga för det valda pressmedlet (företrä- desvis 200-400 OC i strömmande väte för PEG). 5. Avlägsnande av syre fràn ràmaterialets kornytor genom höj- ning av temperaturen till 1000-1350 OC i vakuum. 6. Fastfassintring av materialet vid 1000-1350 OC i vakuum, i 1-90 minuter för att erhálla den önskade hállfastheten. 7. Eventuellt tillsats av 0.5-1000 mbar kväve till sintring- satmosfären vid hàlltiden eller under kylning för att kompensera för förlusten av interstitialelement erhällen under syrereduktio- nen. 8. Utsättning av den sintrade porösa kroppen för en HP/HT be- handling för att erhålla en tät PcBN-kropp av önskad form och di- mensioner t ex ett skär. Under denna behandling kan den porösa kroppen alternativt vara i kontakt med en sintrad kropp av hàrdme- tall eller cermet och under HP/HT-behandlingen bindas till denna och bilda en kompositkropp, àterigen t ex ett skärverktyg.

Det är uppenbart att metoden enligt uppfinningen kan användas för att göra skär av andra slag än dem enligt US 5,676,496 sàväl som verktyg eller verktygskroppar av solid PcBN med komplicerad form t ex skär med spánbrytare eller med ett centralt hàl för fastspänning.

Exempel l Ett skär enligt US 5,676,496 tillverkades enligt uppfin- ningen: 57 vikt% cBN, 35 vikt% Ti(C0_5,N0_5) och 8 vikt% Co2Al9 10 20 25 30 35 519 862 í'4:: attritor-maldes först i 60 minuter med användning av hàrdmetall- malkroppar för att erhàlla en homogen pulverblandning. 6.5 vikt% polyetylenglykol, PEG, tillsattes sedan och pulvret blandades i etanol till en homogen slurry. Slurryn torkades med användning av spraytorkningsteknik till ett pulver med en medelagglomeratstorlek av omkring 100 pm och goda flödesegenskaper. Pulvret pressades till en kropp med önskade dimensioner med användning av konventio- nell verktygspressning. Pressningen gjordes vid högsta möjliga presstryck utan att äventyra pressverktyget för att erhálla en hög grönkroppsdensitet. Pressmedlet avlägsnades fràn grönkroppen vid 200-320 OC i strömmande väte. Temperaturen ökades till 1050 OC med 10 OC/min i vakuum och ökades sedan ytterligare till 1300 OC med 2 OC/min i vakuum. Under temperaturramperna lämnar syre grönkroppen som kolmonoxid och det föreligger även nagon förlust av kväve.

Fastfassintring av materialet ägde rum vid 1300 OC i vakuum i 30 minuter. Ugnen tilläts sedan svalna till rumstemperatur i ström- mande argongas.

Efter fastfassintringen uppmättes dimensionerna och densite- ten hos kroppen. Dimensionerna var nàgot större än för grönkrop- pen, motsvarande en linjär expansion av omkring 1 %. Densiteten var 2.33 g/cm3 jämfört med 2.50 g/cm3 för grönkroppen. Detta mot- svarar en viktsförlust av 6.5 vikt% PEG och 0.7 vikt% kolmonoxid och kväve. Med hänsyn till att den teoretiska densiteten för en helt tät kropp med sammansättningen ovan är 3.93 g/cm3, omfattande oundviklig upptagning av wolframkarbid (WC) och kobolt (Co) här- stammande fràn malkropparna motsvarar densiteten av den fastfas- sintrade kroppen 41 vol% porositet. Detta är ett relativt lagt värde för verktygspressade kroppar med pressmedlet avlägsnat, för- modligen beroende pà det höga presstrycket. Typiskt värde för t ex verktygspressade hàrdmetallkroppar ligger i omrâdet 35-60 vol% po- rositet.

Pà grund av förlusten av 0.7 vikt% interstitialer blir ytorna av kornen i kontakt med porositeten höggradigt understökio- metriska. Detta kan vara ett problem eftersom dessa ytor kan àteroxidera under förlängd lagring. Men genom tillsats av kväve till sintringsatmosfären, företrädesvis vid slutet av hàlltiden vid temperatur blir dessa ytor nitrerade och stökiometrin pà detta sätt ökad. Detta minskar huvudsakligen risken för àteroxidation. 10 20 . - » - . 1 519 862 Den sintrade PcBN-kroppen användes sedan för att tillverka ett skär som illustreras i fig 1-4 som visar tillverkning av ett skär enligt den ovannämnda US 5,676,496: Fig l visar den erhållna försintrade kroppen. Denna speciella kropp har en cylindrisk form med ett komplext tvärsnitt och passar perfekt i spåren av hårdmetallsubstratet visat i fig 2 som visar ett sintrat hårdmetallsubstrat avsett för produktion av ett skär med sex PcBN skäreggar. Tre spår är placerade symmetriskt längs periferien. Från vardera spåret erhålls två skäreggar, en på var- dera sidan av substratet.

Försintrade kroppar placerades i spåren av hårdmetallsubstra- tet i fig 2, placerades i en behållare och utsattes för en HP/HT behandling vid omkring 50 kbar och 1450 OC i 20 minuter. Fig 3 vi- sar substratet + PcBN ämne efter HP/HT sintring och borttagning av behållarmaterial från toppsidan. De porösa, försintrade kropparna som varit placerade i spåren hade kollapsat i spåren och bildat heltätt PCBN-material som starkt bundits till de inre väggarna av spåren. Slutligen slipades ämnet till ett WNGA format skär med sex fig 4.

Det är uppenbart att metoden enligt uppfinningen kan användas skäreggar, att göra skär av andra slag än dem enligt US 5,676,496 såväl som verktyg eller verktygskroppar av solid PCBN med komplicerad form t ex skär med spånbrytare eller med ett centralt hål för fastspän- ning.

Claims (1)

N U 20 519 862 e EQY

1. Sätt att tillverka ett PcBN-skär bestående av en PcBN- kropp och en hàrdmetall- eller cermetkropp varvid en porös cBN- kropp bringas i kontakt med hàrdmetall- eller cermetkroppen under HP/HT-sintring k ä n n e t e c k n a t av att PcBN-kroppen framställs genom - blandning av råmaterialpulver d v s cBN och en eller flera av hBN, TiC, TiN, Ti(C,N), WC, W, C, Co, Co2Al9, A1, AlN, Al2O3 med en lämpliga vätska såsom etanol och en organisk tillsats såsom polyetylenglykol, PEG, för att bilda en homogen slurry med önskad sammansättning - bildning av sfäriska pulveragglomerat, typiskt 100 um i diameter, företrädesvis genom spraytorkning - formning av en kropp med önskade dimensioner och densitet av de erhållna pulveragglomeraten med användning av konventionell verktygspressningsteknologi - avlägsnande av den organiska tillsatsen från kroppen vid en lämplig temperatur och atmosfär - höjning av temperaturen till 1000-1350 OC i vakuum - fastfassintring av kroppen vid 1000-1350 OC i vakuum i 1-90 minuter varvid 0.5-1000 mbar kväve tillsättes sintringsatmosfären vid hålltiden eller under kylning för att bilda en PcBN-kropp med 35-55 vol% porositet.