SE529290C2 - Skär av kubisk bornitrid beständigt mot urflisning och eggbrott - Google Patents

Description

25 30 35 529 290 intermittent bearbetning med höga krav på motstånd mot haveri. Så det är av stort intresse att erhålla både motstånd mot egghaveri och slitstyrka i ovan nämnda cBN-skärverktyg.

Tidigare har det föreslagits att använda en mellanliggande bindningsfas mellan den keramisk bindefasen och den hårda fördelade fasen (EP-A-1498199) för att öka motståndet mot urflisning. En bindningfas som omger cBN-kornen har även föreslagits (EP-A-974566) för att förhindra en direkt cBN-cBN- kontakt. Bindningsfasen bildas genom en kemisk reaktion mellan cBN- eller B2O3-rester som belägger cBN-kornen och den keramiska bindefasen så att TiB2 bildas. Vidare har CBN-korn blivit för- belagda med en nitrid eller borid av Ti och Al med en PVD-process för att förbättra den förstärkande ytzonen som omger cBN-kornen (US 6,265,337).

Det finns ett behov av att ytterligare förbättra cBN- baserade verktyg eftersom en högre produktivitet med reducerade kostnader är ett behov från industrin. Vanligtvis innebär detta högre skärhastigheter och speciellt högre skärdjup och mätningar ofta i kombination med intermittent bearbetning. Följaktligen är en förbättrad motståndskraft mot både förslitning och egghaveri önskvärd för att möta kraven från bearbetningsindustrin.

Det är en avsikt med föreliggande uppfinning att ge cBN- baserade verktyg både förbättrat motstånd mot förslitning och egghaveri.

Det är ytterligare en avsikt med föreliggande uppfinning att ge cBN-baserade verktyg en balanserad bindning mellan de olika faserna. 7 Det är ytterligare en avsikt med föreliggande uppfinning att tillhandahålla ett sätt att tillverka cBN-baserade verktyg med förbättrat motstånd mot både förslitning och egghaveri.

Det är ytterligare en avsikt med föreliggande uppfinning att tillhandahålla ett sätt att tillverka cBN-baserade verktyg med en balanserad bindning mellan de olika faserna.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA 10 15 20 25 30 35 529 290 Fig 1 visar röntgendiffraktionsmönster med användning av punktfokus, 29-korrigering, bakgrundssubtraktion och Kaz- strippning fràn ett CBN-material enligt föreliggande uppfinning och enligt tidigare känd teknik. De lodräta linjerna motsvarar den strukturinformation som tagits frán den offentliga PDF- databasen (Powder Diffraction File by the International Centre for Diffration Data, ICDD) och representerar de kemiska föreningarna av intresse och dessutom namnet och Miller index för varje kemisk förening är givna ovanför varje linje.

Fig 2 visar en SEM-bild i ”backscatter mode” dvs. med bakàtspridda elektroner i 5000X av en typisk sprickavlänkning (D) i cBN-materialet enligt föreliggande uppfinning. De mörka kornen är cBN och den ljusa matrisen är keramisk bindefas.

Fig 3 visar ett röntgendiffraktionsmönster frán 220-toppen av TiCLXNg enligt föreliggande uppfinning, Fig 3a, och tidigare känd teknik, Fig Bb erhållna genom användning av punktfokus, 29~ korrigering, bakgrundssubtraktion och Kag-strippning. Fig 3a illustrerar toppen 220 fràn titankarbonitridfasen och skärningspunkterna mellan PDF-linjerna av TiC och TiN som B pekar pà.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Det har nu visat sig att en intermediär fas mellan den keramiska bindefasen och den hårda fördelade cBN-fasen faktiskt kan minska eggsegheten hos skärmaterialet, därför att en mycket viktig mekanism för ökad seghet, nämligen sprickavlänkning, är minimerad. Om bindningen mellan de olika faserna i materialet är alltför kraftig, kan en bildad spricka lätt propagera genom materialet pà ett mycket rakt sätt, vilket leder till ett lágt värde på brottsegheten. Om bindningen är alltför làg, skulle det betyda en betydligt reducerad slitstyrka. Om, emellertid, bindningen är balanserad, med vilket menas att den borde vara lägre än den egentliga styrkan hos kornen, skulle sprickan komma att företrädesvis propagera längs kornets gränser vilket betyder högre seghet. Den önskade styrkan hos bindningen av cBN-kornen och den keramiska bindefasen kan uppnås genom att noggrant 10 15 20 25 30 35 529 290 kontrollera sintringstemperaturen och den reaktiviteten hos rámaterialet.

Uppfinningen avser ett skär för bearbetning av härdat stål, verktygsstål av varm- och kallarbetstyp, sänksmidningsstàl, sätthärdat stal, snabbstål och nodulärt gjutjärn. Skäret kan antingen vara ett solitt cBN-verktyg eller en cBN-kropp fäst vid ett hårdmetallsubstrat. Det är sammansatt av en belagd eller obelagd komposit omfattande en cBN-fas och en bindefas omfattande en titankarbonitridfas och en TiB2-fas. Kompositen omfattar företrädesvis 40-80, helst 55-70 vol-% cBN med en medelkornstorlek av mindre än 5 um, företrädesvis l-4 um, företrädesvis med en bimodal cBN-kornstorleksfördelning omfattande >l0 vol-% av en fraktion av 0,1 till 1 um och >l0 vol- % av den andra som är 2 till 5 um. I röntgendiffraktionsmönstret från kompositen med användning av CuKa-strålning blir topphöjdskvoten mellan den starkaste TiB2-toppen och den starkaste cBN-toppen 30,06, företrädesvis 30,045 och helst 50,03.

Kvoten bestäms som topphöjdkvoten mellan den starkaste TiB2-(PDF 35-0741)-toppen (101) och den starkaste cBN-(PDF 35-1365)-toppen (lll), Ifißguon/Icmulnj. Dessutom är topphöjdskvoten mellan den starkaste toppen av någon borid av Ti, W, Co, Al och kombinationer därav, förutom TiB2, och den starkaste cBN-toppen mindre än 0,06.

En ytterligare egenskap hos uppfinningen är att (220)-toppen från titankarbonitridfasen i XRD-mönstret skär båda de lodräta linjerna av de ovannämnda PDF-linjerna från TiC (PDF 32-1383) och TiN (PDF 38-1420) och den lägsta skärningspunkten har en höjd av minst 0,15, företrädesvis minst 0,20, av den maximala 220-toppens höjd från den keramiska bindefasen, se fig 3a. Detta indikerar ett brett sammansättningsintervall av TiC14@k från TiC till TiN.

Detta bestäms med användning av punktfokus som är föredraget för att karakterisera små prov som ofta är lödda till ett hárdmetall- substrat utan att erhålla störande diffraktionsbrus från substratet. Toppen 220 används eftersom inga andra toppar stör vid detta särskilda vinkelintervall 59 till 62 grader 20. 10 15 20 25 30 35 529 290 Materialet enligt uppfinningen kan vidare omfatta upp till fem viktsprocent volframkarbid från malningen med härdmetallkulor och aluminiumoxid bildad från reaktionen mellan Al och oundvikligt syre i rámaterialet. cBN~skär enligt föreliggande uppfinning är tillverkade med användning av konventionell pulvermetallurgisk teknik: malning, pressning och sintring vid höjt tryck. Enligt metoden för föreliggande uppfinning är pulvren som bildar den keramiska bindefasen, Ti(C,N), stökiometriska eller företrädesvis understökiometriska och den metalliska bindefasen, A1, är förmalda i en attritorkvarn till ett mycket finkornigt pulver.

Det finmalda pulvret blandas och mals sedan tillsammans med cBN- pulvret dvs. ràmaterialet. Efter malning torkas pulvret och pressas till en cirkelrund presskropp. Presskroppen försintras sedan vid en temperatur mellan 900 - l250°C i 1 timme.

Den försintrade presskroppen sintras sedan antingen för sig eller pà en hårdmetallplatta i en sintringsapparatur av ultrahögtryckstyp vid ett tryck av 5 GPa i temperaturintervallet 1300 °C. Sintringstemperaturen och tiden är valda sà att en I komplett sintring àstadkommes med avseende pà porositet men för höga temperaturer och för lánga tider mäste undvikas för att minimera den kemiska reaktionen mellan den keramiska bindefasen och den hárda cBN-fasen. Denna optimala sintringstemperatur beror pà sammansättningen, stökiometri av den keramiska bindefasen och kornstorleken av alla rämaterialen. Det är upp till fackmannen att genom experiment fastställa de betingelser som är nödvändiga för att erhålla den önskade mikrostrukturen genom att använda hans utrustning. Temperaturen är vanligen i intervallet 1200-1325 oc. k Den sintrade kroppen skärs sedan till önskad form med användning av gnistkapning efter slipning av topp och botten. De sintrade cBN-presskroppsbitarna löds sedan på ett hárdmetall- substrat och slipas till önskad form och dimension såsom är känt i tekniken t.ex. WO 2004/105983. I en annan utföringsform slipas den sintrade cBN-presskroppsbiten färdig till önskad form och dimension utan att lödas till ett hárdmetallsubstrat (solid cBN). 10 15 20 529 290 De slipade skären kan vidare beläggas med slitstarka PVD- och CVD-skikt såsom är känt i tekniken t.ex. TiN, (Ti,Al)N, och Al2O3.

Exempel 1 CBN-kroppar enligt föreliggande uppfinning bereddes genom att kulmala pulver av 65 vol-% cBN med en bimodal kornstorleksfördelning omfattande 30 vol-% av 0,2-0,6 um CBN-korn och resterande varande 2-4 um, tillsammans med en icke- stökiometrisk keramisk bindefas Ti(Cm3Nm7)@3 och 6 vikts-% Al- bindefas. Bindefasen och den keramiska bindefasen hade malts för att producera en finkornig intim blandning därav, innan kulmalning med cBN.

Efter kulmalning torkades pulvret och pressades till en skiva med en diameter av 40 mm. Skivan försintrades vid en temperatur av omkring 900°C i 1 timme.

Den försintrade presskroppen sintrades sedan i en sintringsapparatur av ultrahögtryckstyp vid ett tryck av 5 GPa och en temperatur av l300°C. cBN-materialet analyserades i en Bruker D8 Discover diffraktometer under följande betingelser: Tabell 1 Allmänna diffraktometer- Diffraktionsmönster- inställningar operationer 40 kV och 100 mA Primära sidan Cu Ka-strålning Plan grafit monokromator Bakgrundssubtraktion Ku;-strippning av topparna 20-korrigering mot cBN- PDF-filen, 35-1365 0 0,5 mm punktfokus- kollimator Sekundära sidan PSD-detektor Avstånd mellan detektor och provhállare var 16 cm 10 15 20 25 30 35 529 290 Resultaten visas i Fig la. Som jämförelse har ett cBN- material enligt tidigare känd teknik analyserats där resultatet visas i Fig lb.

Dessutom analyserades den keramiska bindefasen hos de tva materialen under betingelserna enligt Tabell l där resultatet visas i Fig 3 a, uppfinning, och 3b, tidigare känd teknik.

Frän Fig. la och fig. lb är det tydligt att huvudskillnaden mellan skären är frånvaron av reaktionsfasen innehållande borid, speciellt TiB2 eller nägra borider av Ti, W, Co, Al eller kombinationer därav. De starkaste topparna av intresse fràn ovannämnda TiB2 förväntas att hittas i det valda 26-området i fig l. Topphöjdskvoten mellan den starkaste TiB2-toppen och den starkaste cBN-toppen i skäret enligt föreliggande uppfinning är 0 medan den i det tidigare kända skäret är 0,23.

Fig 3a visar att den keramiska bindefasen omfattar ett brett sammansättningsintervall av TiCLfl$;i skäret enligt uppfinningen.

Fig 3b visar att i det tidigare kända skäret finns det en relativt smal Ti(C,N)-topp utgörande den huvudsakliga keramiska bindefasen. För att undvika överlappning fràn störande toppar, valdes 26-intervallet 59-64 grader för beskrivning av bindefasen, såsom den är illustrerad i fig. 3 a. och b. Fig. 3a visar att diffraktionstoppen (220) av TiCLxNg korsar bàde TiN- och TiC~PDF- linjerna, B i fig 3a. Den lägsta skärningspunktens höjd för TiN är 0,24 av den maximala 220 toppens höjd av bindefasen. Som kontrast, fig 3b, omfattar den tidigare kända tekniken en TiCN som endast skär en linje, i detta fall TiN. Den lägsta skärningspunkten av TiC är = O.

Exempel 2 Den sintrade kroppen fràn exempel l skars ner till en form enligt ”konceptet Safe-lok” genom användning av gnistkapning efter slipning av topp och botten till ett skär med benämningen CNGA 120408. Skären testades med avseende pà seghet i en tung periodisk svarvningsoperation under följande betingelser: 10 15 20 25 30 529 290 Arbetsstyckematerial: Härdat kullagerstál, HRC 56.

Hastighet: 120 m/min Matning: 0,1-0,6 mm/varv Skärdjup (DOC): 0,1-0,6 mm Torrbearbetning Operationen var en planingsoperation av en ring med en 10 mm skära. Matningen och DOC ökades med ett mellanrum av 0,02 mm tills urflisning eller brott skedde.

Som referens användes det tidigare kända skäret från Exempel Varje test upprepades 4 gånger. Genomsnittliga värden av matning och DOC visas i Tabell 2.

Maximal matning mm/Varv/DOC mm Tidigare känd teknik 0,47 Uppfinning 0,62 Skären enligt föreliggande uppfinning presterade 30% bättre i motståndskraft mot brott/urflisning i jämförelse med skär representativa för tidigare känd teknik samtidigt som slitstyrkan var densama.

Exempel 3 De erhållna skären enligt föreliggande uppfinning från Exempel l löddes till en hàrdmetallkropp enligt ”konceptet Safe- lok” och behandlades vidare för att forma ett skär med benämningen CNGA 120408. Skären testades i en kontinuerlig svarvningsoperation med avseende pà slitstyrka under följande betingelser: Arbetsstyckematerial: Sätthärdat stàl, HRC 52.

Hastighet: 200 m/min Matning: 0,2 mm/varv Skärdjup (DOC): 0,l5mm Torrbearbetning 529 290 Som referens användes de tidigare kända skären från Exempel Den tid det tog för att uppnå en fasförslitning (VB) av 0,12 m uppmättes. Genomsnittligt värden efter fyra prov kan ses i Tabell 3.

Tid (min) Tidigare känd teknik 28 Uppfinning 30 Material enligt uppfinningen har en liten förbättrad slitstyrka jämfört med tidigare känd teknik.

Claims (7)

529 290 10 Krav

1. Ett skärverktyg för bearbetning av härdat stål, verktygsstål av varm- och kallarbetstyp, sänksmidningsstål, sätthärdat stål, snabbstàl och nodulärt gjutjärn innefattande en komposit omfattande en cBN-fas och en bindefas omfattande en titankarbonitridfas och en TiB2-fas k ä n n e t e c k n a t av att i röntgendiffraktionsmönstret från kompositen vid användning av CuKa-strålning är topphöjdskvoten mellan den starkaste (101)- TiB2-toppen och den starkaste cBN-(111)-toppen mindre än 0,06 och (220) toppen från titankarbonitridfasen i XRD-mönstret skär båda de lodräta linjerna av PDF-linjerna av TiC (PDF 32-1383) och TiN (PDF 38-1420) och den lägsta skärningspunktens höjd är åtminstone 0,15 av den maximala topphöjden (220) av den keramiska bindefasen.

2. Ett skärverktyg enligt krav 1 k ä n n e t e c k n a t av att topphöjdskvoten mellan den starkaste TiB2-toppen och den starkaste cBN-toppen är mindre än 0,045 mätt med XRD.

3. Ett skärverktyg enligt krav 1 k ä n n e t e c k n a t av att topphöjdskvoten mellan den starkaste TiB2-toppen och den starkaste cBN-toppen är mindre än 0,03 mätt med XRD.

4. Ett skärverktyg enligt krav 1 k ä n n e t e c k n a t av att sagda komposit omfattar 40-80 vol-% cBN.

5. Ett skärverktyg enligt krav 1 k ä n n e t e c k n a t av att topphöjdskvoten fràn den starkaste toppen av någon borid av Ti, W, Co, Al och kombinationer därav och den starkaste cBN- toppen är mindre än 0,06 mätt med XRD.

6. Ett skärverktyg enligt krav 1 k ä n n e t e c k n a t av en bimodal cBN kornstorleksfördelning omfattande åtminstone 10 vol-% av 0,1 till 1 um och det andra varande åtminstone 10 vol-% av 2 till 5 um. 529 290 11

7. Ett skärverktyg enligt nàgot av föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att det vidare omfattar volframkarbid och/eller aluminiumoxid i det sintrade CBN-materialet.