SE525744C2 - Ti (C,N)-(Ti,Nb,W)(C,N)-Co-legering för frässkärtillämpningar - Google Patents

Description

30 35 40 o o uno-ao 0 vcuoou Under senare år har många försök gjorts att styra de viktigaste egenskaperna för cermets i skärverktygstillämpningar, nämligen seghet, slitstyrka och motstånd mot plastisk deformation.

Mycket arbete har gjorts särskilt vad gäller bindefasens och/eller hårdämnesfasens kemi och bildandet av hårdämnesfasens struktur med kärna och bård. Oftast har bara en eller som mest två av de tre egenskaperna gått att optimera samtidigt, på bekostnad av den tredje egenskapen.

US 5,308,376 visar en cermet i vilken minst 80 volym-% av hårdämnesfasen omfattar partiklar vilka har en struktur med kärna och bàrd, bestående av flera, helst minst två, olika hårdämnes- typer vad avser sammansättningen för kärna och/eller bård(er).

Dessa olika typer av hårdämnen består vardera av 10-80 volym-%, företrädesvis 20-70 volym-% av den totala hàrdämnesandelen.

JP-A-6-248385 visar en Ti-Nb-W-C-N-cermet i vilken mer än 1 volym-% av hårdämnesfasen omfattar partiklar utan kärna, oavsett sammansättningen för dessa partiklar.

EP-A-872 566 visar en cermet i vilken partiklar med olika kärna-bård-förhållanden samexisterar. Då strukturen för den titan- baserade legeringen studeras i svepelektronmikroskop har partiklar som bildar hårdämnesfasen i legeringen svarta kärndelar och delar i periferin, som omger de svarta kärndelarna, uppträder gråa.

Vissa partiklar har svarta kärndelar som upptar minst 30% av den totala partikelarean, omnämnda som stora kärnor och vissa där den svarta kärndelen upptar en yta mindre än 30% av den totala partikelytan vilka omnämns som små kärnor. Andelen partiklar som har stora kärnor är 30-80% av det totala antalet partiklar som har kärna.

US 6,004,37l visar en cermet som omfattar olika mikro- strukturkomponenter, nämligen kärnor vilka är rester av och har en metallsammansättning bestämd av råmaterialpulvret, volframrika kärnor bildade under sintringen, yttre bårder med medelhög volframhalt bildade under sintringen och en bindefas av en fast Seghet och och/eller lösning av åtminstone titan och volfram i kobolt.

(Ti,W)C, i varierande mängder som råmaterial. slitstyrka varieras genom tillsats av WC, (Ti,W)(C,N) US 3,994,692 visar cermetsammansättningar med hårdämnen bestående av Ti, W och Nb i en Co-bindefas. De tekniska egen- skaperna för dessa legeringar såsom visats i patentet är emellertid inte imponerande. 10 15 20 25 30 35 40 mot wßfl va..~J I Û O OOII O 'I 00 c ao I I o c o n . ø o u n a . .

U O I I 0 nu oc» an. q. g 3 En klar förbättring jämfört med ovanstående beskrivningar presenteras i US 6,344,l70. Genom att optimera sammansättning och sintringsprocess i Ti-Ta-W-C-N-Co-systemet åstadkoms en förbättrad seghet och motstånd mot plastisk deformation. De två parametrarna som används för att optimera seghet och motstånd mot plastisk deformation är Ta- och Co-halten. Användningen av ren Co-baserad bindefas är en betydande fördel jämfört med blandade Co-Ni- baserade bindefaser med avseende på seghetsbeteendet, beroende på skillnaden i lösningshärdning mellan Co och Ni. Det lär dock ingenting om hur motståndet mot abrasiv förslitning optimeras samtidigt med prestandan vad avser de andra två parameterarna.

Därför är motståndet mot abrasiv förslitning fortfarande inte optimalt, vilket oftast är nödvändigt speciellt i fräsoperationer där å andra sidan motståndet mot plastisk deformation normalt inte är så viktigt som för svarvtillämpningar.

Det är ett ändamål med föreliggande uppfinning att lösa det ovan beskrivna problemet och andra problem.

Det är vidare ett ändamål att tillhandahålla ett cermetmaterial med väsentligt förbättrad slitstyrka medan seghet och motstånd mot plastisk deformation är bibehållen på samma nivå som för toppmoderna cermets.

Det har visat sig vara möjligt att utforma och tillverka ett material med väsentligt förbättrad slitstyrka medan seghet och motstånd mot plastisk deformation är bibehållen på samma nivå som för toppmoderna cermets. Detta har åstadkommits genom att arbeta med legeringssystemet Ti-Nb-W-C-N-Co.

Inom Ti-Nb-W-C-N-Co-systemet har ett antal begränsningar hittats vilka ger optimala egenskaper för de avsedda tillämpnings- områdena. Mer precis maximeras motståndet mot abrasiv förslitning för en given nivå för seghet och plastiskt deformationsmotstånd genom att optimera andelen oupplösta Ti(C,N)-kärnor. Andelen oupplösta Ti(C,N)-kärnor kan varieras oberoende av andra para- metrar, såsom Nb- och bindefashalt. En möjlighet har därför funnits för samtidig optimering av alla tre viktiga kriteria för skärprestanda, d v s seghet, motstånd mot abrasiv förslitning och plastiskt deformationsmotstånd.

Fig. l visar mikrostrukturen för en legering enligt uppfinningen studerad i ett svepelektronmikroskop, inställt för detektion av bakåtspridda elektroner, i vilken A visar oupplösta Ti(C,N)-kärnor 10 15 20 25 30 35 40 '7/1) nu: u-'amJ f* Q ggraz: ya: l g g 4 Eon Eco: ut: . 010000 nunnan B visar en komplex karbonitridfas som ibland omger A-kärnorna och C visar Co-bindefasen.

Ur en aspekt tillhandahåller föreliggande uppfinning en titanbaserad karbonitridlegering särskilt användbar i fräsoperationer. Legeringen består av Ti, Nb, W, C, N och Co. Då legeringen studeras med svepelektronmikroskop inställt för detektion av bakåtspridda elektroner består strukturen av svarta som ibland kärnor av Ti(C,N), A, en grå komplex karbonitridfas, B, omger A-kärnorna, och nästan vit Co-bindefas, C, såsom visas i Fig. 1.

Enligt föreliggande uppfinning har det överraskande visat sig att motståndet mot abrasiv förslitning kan maximeras för en given nivå på seghet och plastiskt deformationsmotstånd genom att optimera andelen oupplösta Ti(C,N)-kärnor, A. En stor andel oupplösta kärnor är fördelaktigt för motståndet mot abrasiv förslitning. Dock begränsas den maximala andelen av dessa kärnor av kravet på tillräcklig seghet för en given tillämpning eftersom segheten minskar vid höga nivåer av oupplösta kärnor. Denna andel måste därför hållas mellan 26 och 37 volym-% av hårdämnesandelen, företrädesvis 27 och 35 volym-%, helst 28 och 32 volym-%, där resten är en eller fler komplexa karbonitridfaser som innehåller Ti, Nb och W.

Ti(C,N)-kärnornas sammansättning kan närmare definieras som TiC¿NLX. Atomförhållandet C/(C+N), x, området 0.46-0.70, företrädesvis 0.52-0.64, Förhållandet C/(C+N) måste vara i området 50-75 atom-%. i dessa kärnor måste vara i helst 0.55-0.61. för den sintrade legeringen i sin helhet Medelkornstorleken för de oupplösta kärnorna, A, ska vara 0.1-2 um och medelkornstorleken för hårdämnesfasen, inkluderat de 0.5-3 um.

Nb- och Co-halten måste väljas på lämpligt sätt för att de oupplösta kärnorna, önskade egenskaperna ska erhållas för det tänkta tillämpnings- området. Frästillämpningar ställer höga krav på produktivitet och tillförlitlighet, vilket omsätts till krav på högt motstånd mot abrasiv förslitning och stor seghet, men samtidigt tillräckligt plastiskt deformationsmotstànd. Denna kombination åstadkoms bäst med Nb-halter mellan 1.0 and <3.0 atom-%, företrädesvis 1.5 och 2.5 atom-% och Co-halter mellan 9 och 14 atom-%, företrädesvis 10 och 13 atom-%. W är nödvändigt för att erhålla tillräcklig 10 15 20 25 30 35 40 I :anno 0 cnoøou a annons vätning. W-halten ska vara mellan 3 och 8 atom-%, företrädesvis mindre än 4 atom-%, för att undvika en oacceptabelt hög porositet.

För vissa fräsoperationer, vilka kräver ännu högre slitstyrka, är det fördelaktigt att belägga kroppen i föreliggande uppfinning med en tunn slitstark beläggning med användning av PVD, CVD, MTCVD eller liknande tekniker. Det ska noteras att samman- sättningen för skäret är sådan att alla i dag använda beläggningar och beläggningstekniker för WC-Co-baserade material eller cermets kan tillämpas direkt, men valet av beläggning kommer naturligtvis också att påverka deformationsmotståndet och segheten för materialet.

Ur en annan aspekt av uppfinningen tillhandahålls ett sätt att framställa en sintrad titanbaserad karbonitridlegering.

Hàrdämnespulver av TiCxNLX, med x i området 0.46-0.70, före- trädesvis 0.52-0.64, helst 0.55-0.61, NbC och WC blandas med Co- pulver till en sammansättning inom gränserna givna ovan och pressas till kroppar med önskad form. Sintring utförs i en N2-CO- Ar-atmosfär vid en temperatur i området 1370-1500 °C i 1.5-2 h, För att erhålla den önskade andelen oupplösta Ti(C,N)-kärnor ska andelen företrädesvis med den teknik som beskrivs i EP-A-1052297.

Ti(C,N)-pulver vara 50-70 vikt-%, dess kornstorlek 1-3 pm och sintringstemperaturen och sintringstiden måste väljas på lämpligt sätt. Det är fullt möjligt för den skicklige fackmannen att via experiment bestämma nödvändiga förhållanden för att åstadkomma den önskade mikrostrukturen enligt denna specifikation.

Exempel 1 En pulverblandning med nominell sammansättning (atom-%) Ti 39.5, W 3.7, Nb 1.7, Co 10.0 och C/(N+C)-förhållandet 0.62 (Legering A) bereddes genom våtmalning av 62.0 vikt-% TiC0¿8N0A2 med kornstorlek 1.43 um 4.7 vikt-% NbC kornstorlek 1.75 pm 17.9 vikt-% WC kornstorlek 1.25 pm 15.4 vikt-% CO.

Pulvret spraytorkades och pressades till skär av typen SEKN1203-EDR. Avdrivning av skären gjordes i H2 och sintrades därefter i en N2-CO-Ar-atmosfär i 1.5 h vid 1480 °C, enligt EP-A- 1052297, vilket följdes av slipning och konventionell behandling av skäreggarna. Polerade tvärsnitt av skären preparerades genom standardmässiga metallografiska tekniker och karakteriserades med 10 15 20 25 30 35 525 74A c n oo en o 0 I 0 0 0 0 o n soc noe oo scanna n 0 a ann- 0 6 svepelektronmikroskopi. Fig. 1 visar en svepelektronmikroskopbild av ett sådant tvärsnitt, taget med inställningen för detektion av bakåtspridda elektroner. Såsom visas i Fig. 1 är de svarta partiklarna (A) oupplösta Ti(C,N)-kärnor och de ljusgrå områdena (C) är bindefasen. De återstående grå partiklarna (B) är den del av hårdämnena som består av karbonitrider som innehåller Ti, Nb och W. Med bildanalys bestämdes andelen oupplösta Ti(C,N)~kärnor, A, till 31.3 volym-% av hårdämnesandelen.

Exempel 2 (jämförande) Cermetskär av en kommersiellt väletablerad frässort (Legering B) tillverkades enligt US 5,3l4,657.

Sammansättningen av Legering B är (atom-%) Ti 34.2, W 4.1, Ta 2.5, Mo 2.0, Nb 0.8, Co 8.2, Ni 4.2 och C/(C+N)-förhållandet 0.63.

Karakterisering utfördes på samma sätt som beskrivits i Exempel 1. Med bildanalys bestämdes andelen oupplösta Ti(C,N)- kärnor till 20.3 volym-% av hàrdämnesandelen.

Exempel 3 Skär av typen SEKN 1203 från de två titanbaserade legeringarna från Exempel 1 och 2 provades i fräsoperationer.

Seghetsprov utfördes med användning av entands planfräsning över en stång av SS2541 med diameter 80 mm. Skärkroppen med 250 mm diameter var centralt positionerad i förhållande till stången.

Skärdata som användes var skärhastighet 130 m/min och skärdjup 2.0 mm. Ingen kylvätska användes. Matningen, motsvarande 50% brott efter provning av 10 skär per variant, var 0.38 mm/varv för legering A, enligt uppfinningen, och 0.35 mm/varv för legeringen B.

Exempel 4 Skär av typen SPKN 1203 från de två titanbaserade legeringarna från Exempel 1 och 2 provades i fräsoperationer.

Verktygslivslängd bestämdes med kriterium för fasförslitning, vb överstigande 0.3 mm. Provmaterialet var stål SS1672 och skärbetingelserna var enligt följande: Torr entandsfräsning längs ett rektangulärt format arbets- stycke med bredden 48 mm och längden 600 mm, skärdjup 1.0 mm, matning 0.10 mm/varv och skärhastighet 400 m/min. 0 9 uno rön wflß u' ...aj t s f 7 ° O . 2 ' U I a 0 III O Q .. o o o , , I I o oo . oooooo o 0 0 0 ooocon 1 En skärkropp med diametern 80 mm var centralt positionerad i förhållande till arbetsstycket. Tre eggar för varje legering provades. Verktygslivslängd bestämdes av kriteriet Vb > 0.3 mm. Den frästa längden för varje egg visas i tabellen nedan.

Egg nummer 1 2 3 Legering A 13200 15000 13800 Legering B 12000 12600 10800 Vid summering av resultaten i Exempel 3-4, är det uppenbart att legeringen enligt uppfinningen genomgående har erhållit förbättrade skäregenskaper jämfört med den jämförda legeringen.

Claims (6)

10 15 20 25 30 Krav

1. En titanbaserad karbonitridlegering som innehåller Ti, Nb, W, C, N och Co, de hårdämnen med oupplösta Ti(C,N)-kärnor k ä n n e t e c k n a d för fräsoperationer med en mikrostruktur omfattan- 9-14 atom-% Co med endast föroreningsnivåer av Ni och Fe, l-<3 atom-% Nb, 3-8 atom-% W, med C/(N+C)-förhållandet 50-75 atom-%, och i vilken andelen oupplösta Ti(C,N)-kärnor är mellan 26 och 37 volym-% av hårdämnesandelen och av att innehålla, utöver Ti, resten är en eller flera komplexa karbonitridfaser.

2. Legeringen enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att legeringen innehåller 10-13 atom-% Co.

3. Legeringen enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att legeringen innehåller 1.5-2.5 atom-% Nb.

4. Legeringen enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att legeringen innehåller 3-4 atom-% W.

5. Legeringen enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att andelen oupplösta Ti(C,N)-kärnor är mellan 27 och 35 volym-% av hårdämnesandelen, och resten är en eller flera komplexa karbo- nitridfaser.

6. Sätt att tillverka en sintrad titanbaserad karbonitrid- legering som innehåller Ti, Nb, W, C, N och Co, för fräs- operationer med en mikrostruktur omfattande hårdämnen med oupp- lösta Ti(C,N)-kärnor, där x är i området 0.46-0.70, NbC och WC med Co-pulver till önskad sammansättning, pressade till kroppar av önskad form och sintrade genom att blanda hárdämnespulver av TiC¿NLx, i en Ng-CO-Ar-atmosfär vid en temperatur i området l370*l50O °C i 1.5-2h k ä n n e t e c k n a d av att i syfte att erhålla den önskade andelen oupplösta Ti(C,N)-kärnor är andelen Ti(C,N)-pulver 50-70 vikt-% av pulverblandningen, dess kornstorlek är 1-3 pm och sintringstemperaturen och sintringstiden är valda för att ge en andel oupplösta Ti(C,N)-kärnor mellan 26 och 37 volym-% av hàrdämnesandelen.