SE526601C2

SE526601C2 - Hårdmetallskär och sätt att tillverka detsamma

Info

Publication number: SE526601C2
Application number: SE0303360A
Authority: SE
Inventors: Marianne Collin; Susanne Norgren
Original assignee: Sandvik Intellectual Property
Priority date: 2003-12-15
Filing date: 2003-12-15
Publication date: 2005-10-18
Also published as: SE0303360L; SE0303360D0; CN100575523C; CN1894431A; CN1636653A

Description

W H 20 25 30 35 Ett alternativt tillvägagångssätt visas i US 4,843,039 som beskriver hàrdmetallkroppar, företrädesvis för skär för metallbearbetning. Kropparna omfattar en kärna av hårdmetall innehållande eta-fas, omsluten av en ytzon av hårdmetall fri från eta~fas och med en låg halt av kobolt i ytan och en högre halt av kobolt näst intill eta-faszonen. US 4,743,5l5 är liknande, men den avser bergborrning och mineralbearbetning.

US 5,623,723 beskriver ett sätt att tillverka en hårdmetall- kropp med en slitstark ytzon. Metoden omfattar följande steg: framställning av en presskropp av hårdmetall; placering av korntillväxthämmare i pulverform på åtminstone ett parti av den exponerade ytan av presskroppen; och värmebehandling av presskroppen och korntillväxthämmaren för att diffundera korntillväxthämmaren mot centrum av grönkroppen, därvid formande en ytzon inåt från den exponerade ytan varpå korntillväxthämmaren var placerad, och formande en inre zon. Som resultat erhålls en hårdmetallkropp med en ytzon med en kornstorlek som är mindre, men med en Co-halt som är högre än den i det inre partiet av kroppen.

Detta innebär att den ökade slitstyrkan som erhålls som ett resultat av den mindre WC-kornstorleken, i viss utsträckning förloras genom ökningen i Co-halt.

Det är därför ett ändamål med föreliggande uppfinning att tillhandahålla ett hårdmetallskär med en ytzon med låg bindefashalt och fin WC-kornstorlek och därför hög slitstyrka och ett sätt att tillverka densamma.

Det är ytterligare ett ändamål med föreliggande uppfinning att tillhandahålla ett hårdmetallskär med ett ytparti med tryck- spänningar i ytpartiet vilket har en positiv effekt på hållfast- heten och segheten hos skäret.

Det har nu överraskande visat sig att det är möjligt att från en blandning av volframkarbid och bindefas erhålla en hårdmetall- kropp med ett ytparti med en mindre kornstorlek och lägre kobolt- halt än i det inre partiet.

(HV3) kanten av ett skär enligt uppfinningen.

Fig 1 visar hårdhet och kobolthalt mot avstånd från Fig 2 visar kromhalt mot avstånd från kanten av ett skär enligt uppfinningen.

Fig 3 visar mikrostrukturen på ett avstånd av 100 pm från (FEG-SBM, ZOOOOX, BSE-mød) kanten av ett skär enligt uppfinningen. 10 20 25 30 35 40 Fig 4 visar mikrostrukturen på ett avstånd av 3 mm från kanten (FEG-SEM, 20000X, BSE-mod) av ett skär enligt uppfinningen.

Enligt föreliggande uppfinning föreligger ett hàrdmetallskär för metallbearbetning omfattande hårda beståndsdelar i en bindefas av Co och/eller Ni omfattande åtminstone ett ytparti, 0-1500 pm tjockt, företrädesvis 5-1200 pm, mer företrädesvis l0-800 pm, helst 10-300 pm och ett inre parti vari ytpartiets kornstorleken är mindre än i det inre partiet och bindefashalten är lägre än den i det inre partiet och Cr-halten är högre än den i det inre partiet. Mer precis är bindefashalten hos ytpartiet <0.92, av bindefashalten i det inre partiet och WC- kornstorlek av ytpartiet är <0.9, av WC- kornstorlek i det inre partiet. Företrädesvis innehåller ytpartiet Cr så att förhållandet mellan parametern A=((vikt-% Cr/vikt-%' bindefas)+0.01) i ytpartiet och parametern B=((vikt-% Cr/vikt-% bindefas)+0.01) mätt vid delen av kroppen som kännetecknas av den lägsta Cr-halten är A/B >1.5, företrädesvis A/B>3.0.

I en första utföringsform är WC-kornstorleken för ytzonen företrädesvis företrädesvis <0.8, submikron.

I en andra utföringsform är WC-kornstorleken av det inre partiet 1-3 pm.

I en tredje utföringsform är sammansättningen av hårdmetallen WC+Co med en bindefashalt av 5-15 vikt-%.

I en fjärde utföringsform innehåller hårdmetallen dessutom 0- 30, företrädesvis 0.2-16, helst 0.4-9 vol-% y-fas. Korntillväxt- hämmare sàsom VC och Cr3C2 kan tillsättas till alla dessa utföringsformer. Hårdmetallskären kan dessutom vara försedd"med en slitstark beläggning som känt i tekniken, företrädesvis 1-15 pm tjock.

Föreliggande uppfinning avser även ett sätt att tillverka ett hàrdmetallskär för metallbearbetning med en slitstark ytzon omfattande följande steg: - framställning av en presskropp av hårdmetall tillverkad från ett enda pulver omfattande pulver som bildar hårda komponenter och bindefas av Co och/eller Ni; - placering av ett pulver av korntillväxthämmare på åtminstone ett parti av den exponerade ytan av presskroppen genom doppning, sprutmålning, fastsättning av en tunn tejp eller på något annat sätt; korntillväxthämmaren, som företrädesvis är någon kromkarbid (Cr3C2, Cr23C6 och Cr7C3 eller blandningar av dessa) 10 15 20 25 30 35 40 eller en blandning av krom och kol eller andra föreningar innehållande krom och kol och/eller kväve. - sintring av presskroppen och pulvret av korntillväxthämmare för att diffundera korntillväxthämmaren bort från ytan/ytorna som försetts med korntillväxthämmare därvid bildande en gradientzon kännetecknad av lägre kobolthalt, högre kromhalt och lägre WC- kornstorlek jämfört med det inre partiet; - eventuellt tillägg av ett isostatiskt gastryck under det sista steget av sintringen för att erhålla en tät kropp; - eventuell minskning av tjockleken av ytpartiet med användning av slipning eller någon annan mekanisk metod; - eventuell avlägsning av oönskade karbider och grafit från ytan med användning av slipning eller någon annan mekanisk metod; - eventuell deponering av en slitstark beläggning såsom känt i tekniken.

Kolhalten för hårdmetallpresskroppen ska avgöras med hänsyn tagen till bidraget av kol från den applicerade kromkarbiden. I fallet med y-fashaltig hârdmetall, måste det kompenseras för kromlösligheten i y-fasen. Även presskroppar som skulle resultera i en mikrostruktur med innehåll av eta-fas kan användas. Sintringen ska utföras under optimal tid för erhålla den önskade strukturen och en kropp med sluten porositet, företrädesvis en tät kropp.

Denna tid beror på kornstorlek för WC och sammansättningen av hàrdmetallen och kan därför inte definieras närmare. Det är möjligt för fackmannen att avgöra om den önskade strukturen har erhållits och att modifiera sintringsbetingelserna i enlighet med föreliggande beskrivning. Om så behövs kan kroppen post=HïP-as vid en lägre HIP-temperatur jämfört med sintringstemperaturen och vid ett tryck av 1-100 MPa.

Alternativt placeras pulvret av korntillväxthämmare på en sintrad kropp som därefter värmebehandlas för att erhålla den önskade strukturen, vid en temperatur högre än försintringstemperaturen.

Uppfinningen har beskrivits med hänvisning till skär. Det är uppenbart för fackmannen att uppfinningen kan tillämpas på andra hårdmetallskärverktyg, såsom pinfräsar och borrar.

Exempel l Hårdmetallpresskroppar i av typen B-SNGNl20408 tillverkades enligt följande: Grönkroppar pressas från ett pulver med 10 15 20 25 30 601 526 5 sammansättningen 90 vikt-% WC och 10 vikt-% Co. WC-råmaterialet var finkornigt med en medelkornstorlek av 0.25 um (FSSS).

Spànytorna täcktes med ett Cr3C2-haltigt tunt skikt (0.02 g Cr3C2/cmz). Därefter sintrades presskroppar vid 1370°C i 30 minuter varefter det yttre 1 mm djupa partiet avlägsnades genom slipning.

Ett tvärsnitt av ett sintrat och slipat ämne undersöktes. Figur 1 visar hårdhet och kobolthalt mot avståndet till kanten.

Kobolthalten är lägst nära kanten och ökar med ökande avstånd medan hårdheten är högst nära kanten och minskar med avståndet.

Figur 2 visar kromhalt mot avståndet till kanten. Kromhalten är högst nära kanten och minskar med avståndet. Kobolt- och kromhalten mättes med användning av EPMA (mikrosondanalys). Fig 3 visar mikrostrukturen på ett avstånd av 100 um från kanten (FEG- SEM, 20000X, BSE-mod). Fig 4 visar mikrostrukturen på ett avstånd av 3 mm från kanten (FEG-SEM, 20000X, BSE-mod). WC-kornstorleken 100 pm och 3 mm från kanten mättes till 0.28 um respektive 0.36 um (aritmetiskt medelvärde av linjära interceptvärden).

Exempel 2 Hàrdmetallpresskroppar av typen B-SNGNl20408 tillverkades enligt följande: Grönkroppar pressades från ett pulver med sammansättningen 94 vikt-% WC och 6 vikt-% Co. WC-råmaterialet var relativt finkornigt med en medelkornstorlek av 0.25 um (FSSS).

Spånytorna var täckta med 0.007 g/cmz Cr3C2.

Presskropparna med Cr3C2-skikt sintrades vid l350°C i 30 minuter och post-HIP-des vid l300°C och 6 MPa i 30 minuter. Ett tvärsnitt av ett sintrat ämne undersöktes. Ingen Cr3C2 kunde ses på ytan. Tabellen nedan visar HV3, kobolthalt, kromhalt och WC- kornstorlek: HV3 100 pm från kanten 1720 HV3 3 mm från kanten 1520 Co-halt 100 um från kanten, % 4.0 Co-halt 3 mm från kanten, % 6 Cr-halt 100 pm från kanten, % 0.7 Cr-halt 3 mm från kanten, % <0.05 WC-kornstorlek 100 um från kanten, um 0.7 10 15 20 (N ha 0\ WC-kornstorlek 3 mm från kanten, um 0.9 Exempel 3 Hàrdmetallpresskroppar av typen B-SNGNl20408 tillverkades enligt följande: Grönkroppar pressades fràn ett pulver med sammansättningen 90 vikt-% WC och 10 vikt-% Co. Spånytorna täcktes med ett Cr3C2-haltigt tunt skikt (0.0l g Cr3C2/cmz). Därefter sintrades presskropparna vid l370°C i 30 minuter. Ett tvärsnitt av ett sintrat ämne undersöktes. Ingen Cr3C2 kunde ses på ytan.

Tabellen nedan visar HV3, kobolthalt, kromhalt och WC-kornstorlek: HV3 100 um från kanten 1450 HV3 3 mm från kanten 1280 Co-halt 100 pm från kanten, % 7.5 Co-halt 3 mm från kanten, % 11 Cr-halt 100 um från kanten, % 0.4 Cr-halt 3 mm från kanten, % <0.05 WC~kornstorlek 100 pm från kanten, pm WC-kornstorlek 3 mm från kanten, um 1.4 Exempel 4 Hårdmetallpresskroppar av typen B-SNGNl20408 tillverkades enligt följande: Grönkroppar pressades från ett pulver med sammansättningen 94 vikt-% WC och 6 vikt-% Co. WC-råmaterialet var submikront. slipades till typen SNKN1204 EN och täcktes med en tunn Cr3C2- haltig tejp (0.0l g/cmz) pà släppningssidan och omsintrades vid en Presskroppar sintrades vid l370°C. De sintrade ämnena sintringstemperatur av l390°C i 15 minuter. Ett tvärsnitt av ett Ingen Cr3C2 kunde ses på ytan. Tabellen kromhalt och WC-kornstorlek: sintrat ämne undersöktes. nedan visar HV3, kobolthalt, HV3 100 um från kanten 1820 HV3 3 mm från kanten 1700 Co-halt 100 um från kanten, % 5.0 Co-halt 3 mm från kanten, % 6.5 W U 20 25 30 0.22 <0.05 Cr-halt 100 pm från kanten, % Cr-halt 3 mm från kanten, % WC-kornstorlek 100 pm från kanten, pm - 0.4 WC-kornstorlek 3 mm från kanten, pm Exempel 5 Hårdmetallpresskroppar av typen B-SNGNl20408 tillverkades enligt följande: Grönkroppar pressades från ett pulver med sammansättningen 77 vikt-% WC, 6 vikt-% TaC, 2 vikt-% NbC, 4 vikt- % TiC och ll vikt-% Co. Presskropparna täcktes med en tunn Cr3C2- haltig tejp (0.02 g/cmz) och sintrades vid en sintringstemperatur av l370°C i 30 minuter och därefter HIP-ades vid l200°C och 100 MPa i 60 minuter. Ett tvärsnitt av ett sintrat ämne undersöktes.

Kobolthalten och WC-kornstorleken var betydligt lägre nära kanten jämfört med det inre vilket bekräftades genom följande HV3-värden.

HV3 100 pm från kanten 1470 HV3 3 mm från kanten 1300 Exempel 6 «Skär framställdes enligt följande: Sammansättning: 91.6 vikt-% WC + 0.23 vikt-% TaC + 0.16 vikt- % NbC + 8.0 vikt-% Co Typ: CNMGl20408-QM Sintringstemperatur: l370°C Skären gavs en rundad skäregg och delades därefter in i två varianter. Variant A täcktes med Cr3C2 på spánsida enligt uppfinningen med användning av målningsteknik (0.0l g/cmz). Variant B täcktes inte med Cr3C2.

Vid resten av tillverkningen hanterades de två varianter tillsammans och på samma sätt, omfattande omsintring vid 1390°C i 15 minuter, blästring, rengöring och beläggning med ett 4 pm tjockt TiAlN-PVD-skikt. Tvärsnitt av vardera varianterna undersöktes. Ingen Cr3C2 kunde ses mellan TiAlN-skiktet och hårdmetallmaterialet på variant A. Tabellen nedan visar kobolthalt och kromhalt: Variant B 8.0 Variant A Co-halt 100 pm från kanten, % 7.0 10 526 601 8 Co-halt 3 mm från kanten, % 8.5 8.0 Cr-halt 100 pm från kanten, % 0.2 <0.05 Cr-halt 3 mm fràn kanten, % <0.05 <0.05 WC-kornstorlek 100 pm från kanten, pm 0.55 _ WC-kornstorlek 3 mm från kanten, pm 0.7 0.7 Skären provades i en speciellt utformad planingsoperation för att jämföra motståndet mot plastisk deformation enligt följande: Arbetsstycke: Inconel 718 Skärdjup: l mm Matning: 0.25 mm/varv Skärhastighet: 80-140 m/min Resultat (maximal skärhastighet för att hålla plastisk deformation under 0.25 mm): 120 m/min Variant B: 100 m/min Dessa resultat visar att behandlingen av variant A enligt uppfinningen ger bäst motstånd mot plastisk deformation.

Variant A:

Claims

W U 20 25 30 35 Krav

1. Hàrdmetallskär för metallbearbetning omfattande hårda beståndsdelar i en bindefas av Co och/eller Ni och åtminstone ett ytparti och ett inre parti varvid kornstorleken i ytpartiet är mindre än i det inre partiet k ä n n e t e c k n a t av att ytpartiet med den fina kornstorleken har en lägre bindefashalt än det inre partiet.

2. Hårdmetallskär enligt föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att bindefashalten i ytpartiet är

3. Hårdmetallskär enligt något av föregående krav av den i det inre partiet. k ä n n e t e c k n a t av att WC-kornstorleken i ytpartiet är

4. Hårdmetallskär enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att ytpartiet innehåller Cr så att förhållandet mellan parametern A=((vikt-% Cr/vikt-% bindefas)+0.0l) bindefas)+0.0l) mätt vid delen av kroppen som kännetecknas av den lägsta Cr-halten är A/B >l.5, företrädesvis A/B>3.0.

5. Hårdmetallskär enligt något av föregående krav i ytpartiet och parametern B=((vikt-% Cr/vikt-% k ä n n e t e c k n a t av att ytpartiet är 0-1500 pm tjockt, företrädesvis 5-1200 pm, mer företrädesvis 10-800 um, helst 10-300 pm.

6. Hárdmetallkropp enligt krav 1 k ä n n e t e c k n a t av att sammansättningen av hàrdmetallen är WC+Co med en bindefashalt av 5-15 vikt-%.

7. Hàrdmetallkropp enligt krav 1 k ä n n e t e c k n a t av att sammansättningen av hàrdmetallen är WC+Co med en bindefashalt av 5-15 vikt-% och en 7-fashalt av 0-30, företrädesvis 0.2-16 vol- %.

8. Hårdmetallkropp enligt krav 1 k ä n n e t e c k n a t av att omfatta en slitstark beläggning såsom känd i tekniken.

9. Sätt att tillverka en hårdmetallkropp med en slitstark ytzon omfattande följande steg: - framställning av en presskropp av hårdmetall från ett pulver; - eventuell försintring av presskroppen och slipning till önskad form och storlek; 10 601 10 - placering av korntillväxthämmare i pulverform innehållande kol och/eller kväve på åtminstone ett parti av den exponerade ytan av presskroppen/försintrade ämnet, företrädesvis innehållande Cr; - sintring av presskroppen/det försintrade ämnet och pulver av korntillväxthämmare för att diffundera korntillväxthämmaren mot centrum av kroppen därvid bildande en ytzon inåt från den exponerade ytan pá vilken korntillväxthämmaren placerades, och bildande en inre zon; - eventuellt tillägg av ett isostatiskt gastryck under det slutliga steget av sintringen för att erhålla en tät kropp; - eventuell post-HIP-ning vid en temperatur lägre än sintringstemperaturen och vid ett tryck av l-100 MPa; - eventuell slipning till slutlig form; - eventuell deponering en slitstark beläggning k ä n n e t e c k n a t av att sagda sintring utförs under kortast möjlig tid för erhållande av en tät kropp med ett ytparti med en mindre kornstorlek och lägre kobolthalt än i det inre partiet.