DE1964602A1

DE1964602A1 - Einsatz fuer die spanende Bearbeitung von Stahl oder einem anderen Material

Info

Publication number: DE1964602A1
Application number: DE19691964602
Authority: DE
Inventors: Ekemar Carl Sven Gustaf
Original assignee: Sandvik AB
Current assignee: Sandvik AB
Priority date: 1969-01-02
Filing date: 1969-12-23
Publication date: 1970-07-23
Also published as: ES375114A1; DK142346C; CH516371A; DK142346B; DE1964602B2; JPS524565B1; NL6919640A; US3616506A; AT301988B; BE743865A

Description

DIPL.-ING. KLAUS BEHN 196 A

DIPL.-PHYS. ROBERT MÜNZHUBER

PATENTANWÄLTE

8 MÜNCHEN 22 WIDENMAYEHSTR. β . TELKI'ON (Ο8Π) 22 2B3O, Ϊ

A 4γ669 22. Dezember 1969

A 47769 B/Sc

Firma SANDVIKENS JERNVERKS AKTIEBOLAG, Fack, S-8II 01 Sandviken

Schweden

Einsatz für die spanende Bearbeitung von Stahl oder einem anderen

Material

Die Erfindung betrifft einen Einsatz für die spanende Bearbeitung von Stahl, anderen Metallen, künstlichen Materialien u.s.w.. Der Einsatz kann am Schneidwerkzeug durch Klemmen, Löten oder auf andere Weise befestigt werden. Er kann z.B. die Form einer Platte haben, die mit Schneidkanten zwischen einer oder beiden Endflächen und ihren Seitenflächen versehen ist. Die Endfläche oder die Endflächen bilden Spanflächen und die Seitenkanten Freiflächen (clearance faces). Erfindungsgemäß besteht der Einsatz aus einem Schneidkörper aus einer gesinterten Hartmetallegierung, die außer einem

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arkuHHo Bohrambertf 51 388 Hnukli. Merck, Fink & Co., Münehen, Nr. 2B 404 I Bankh. H. Aufhüuser, München, Nr. 201 Postscheck; München 208 01 Telegrammadresse: Patentaenlor

oder mehreren Karbiden, wie Wolfram-Karbid, Titan-Karbid, Tantal-Karbid und/oder Niobium-Karbid, Bindermetall, wie Kobalt, Nickel und/oder Eisen enthält. Auf den Senneidkörper ist eine Schicht mit größerer Verschleißfestigkeit als das Hartmetall aufgebracht.

Es ist an sich bekannt, wie man eine Schicht mit größerer Verschleißfestigkeit auf Karbid-Hartmetall aufbringen kann. Die bekannten Schichten haben im allgemeinen aus einem Karbid-Hartmetall bestanden, das eine andere Zusammensetzung, z.B. einen höheren TiC-Gehalt, als der darunter liegende Teil, die Unterschicht, hatte. Die Herstellung des in Schichten angeordneten Gegenstandes erfolgte durch Sinterung, und es enthielt die Schicht wie der darunter liegende Teil Bindermetall. Es istauch bekannt, harte und verschleißfeste Schichten aui" anderem Wege auf eine metallische Unterschicht aufzubringen. Aus technischen Gründen und auch -aus dem Wunsche heraus, eine bestimmte Verschleißfestigkeit zu erreichen, sind diese Schichten verhältnismäßig dick gemacht worden, Einsätze dieser bekannten Arten sind, wie sich herausgestellt hat, mit schweren Nachteilen behaftet und sind deshalb allgemein nicht verwendet worden. So haben sich die härteren Schichten vollständig oder

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teilweise von der Unterschicht fcelöst oder sie sind nach kurzem Gebrauch oder sogar vor der Ingebrauchnahme abgespalten. Die Schichten, die aus einem verschleißfesten Karbidhartmetall bestanden haben, können an sich nicht eine außergewöhnliche Verlängerung der Lebensdauer der Einsätze ergeben, und zwar auch dann nicht, wenn ein Bruch nicht erfolgt. Überraschender Weise ist nunmehr festgestellt worden, daß es möglich ist, Einsätze für die spanende Bearbeitung von Stahl und ähnlichen Materialien herzustellen, die im Vergleich mit üblichen Einsätzen eine um etwa das Zehnfache geringere Kolkbildung aufweisen. Diese Einsätze sind mit einer Oberflächenschicht versehen, die während des Gebrauchs sich nicht löst und die nicht ausbricht.

Erfindungsgemaß besteht die Schicht aus einem extrem feinkörnigen Titankarbid oder einer in gleicher Weise extrem feinkörnigen festen Lösung aus Titan-Karbid oder anderen Karbiden, wie Wolfram-Karbid, Tantal-Karbid und/oder Niobium-Karbid, welches auf den Senneidkörper oder die Unterschicht bzw. Grundplatte durch Ablagerung aus der gasförmigen Phase mit einem Druck unterhalb des Atmophärendruckes aufgebracht wird. Das

Titan-Karbid bzw. - 4 -

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die feste Lösung aus Titan-Karbiden und anderen Karbiden haben dann eine Korngröße von etwa einem bis mehreren Zehntel eines Mikron, vorzugsweise von 1 bis 6 Mikron.

Wenn die Titan-Karbid-Schicht aufgebracht wird, ist es zweckmäßig, von Titantetrachlorid und Wasserstoff, gemischt mit einem Kohlenwasserstoff ähnlichen Methan auszugehen. Die Aufbringung erfolgt zweckmäßig bei einer Temperatur zwischen 700 und 1100⁰C, beispielsweise zwischen 750 bis 1050⁰C. Die Aufbringung erfolgt vorzugsweise zwischen 750 bis 900°C, jedoch hat sich manehmal eine Temperatur von etwa 100O⁰C als geeignet erwiesen. Der Gasdruck sollte zwischen 1 bis 100 Torr, gehalten werden, und es sollte das Gas durch das Gefäß strömen^ in welchem die Ablagerung vorgenommen wird.

Um eine außergewöhnliche Qualitätsverbesserung zu erhalten, was für die Erfindung charakteristisch ist, hat es sich als erforderlich erwiesen, daß die Schicht extrem dünn sein sollte, etwa zwischen 2 bis 6 M. Die Schichtdicke sollte allgemein unter 5 /U liegen und vorzugsweise 5 /U übersteigen. Wenn die oben genannten engen Grenzen nicht beachtet werden, werden die

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hervorragenden Qualitäten nicht erreicht. Wenn die Schicht zu dünn ist, wird die gewünschte Verschleißfestigkeit nicht erreicht. Wenn die maximale Grenze überschritten wird, neigt die Schicht dazu, sich schnell zu lösen und auszubrechen, und zwar durch Spannungen, die bei Gebrauch zuerst zwischen der Schicht und Λ der Unterschicht bzw. dem Grundkörper austreten. Bei einem Einsatz gemäß der Erfindung sollte die Schicht wenigstens die Schneidkante oder die Schneidkanten und die verbindende Spanfläche oderflächen und insbesondere auch die verbindenden Phasen-Flächen umfassen. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel umfaßt die Schicht die Spanfläche oder- flächen und insbesondere die Freifläche oder- flächen, läßt aber die Schneidfläche oderflächen frei. Häufig ist es Jedoch zweckmäßig, den Schneidkörper oder den Grundkörper vollständig mit einer Schicht der genannten Art zu bedecken.

Der Schneidkörper oder der Grundkörper soll aus einer gesinterten Hartmetallegierung bestehen, die ein oder mehrere Karbide, wie Wolfram-Karbid, Titan-Karbid, Tantal-Karbid und/ oder Niobium-Karbid und auch Bindermetall, wie Kobalt, Nickel und/oder Eisen enthält. Er sollte in die gewünschte Form gebracht werden, bevor die Schicht aufgebracht wird. Die Karbidkörner

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in der Hartmetallegierung sollten ferner eine Hauptkorngröße zwischen 0,5 bis j5 yu haben.

Als Beispiel einer gesinterten Hartmetallegierung, die für den Schneidkörper oder Grundkörper geeignet ist, kann folgendes angegeben werden, wobei die Angaben in Gewichtsprozent gemacht sind:

4 bis 25 fr TiC, 0 bis 20 % TaC und/oder NbC, 7 bis 11 % Co und/oder Ni und der Rest zweckmäßig alles WC. Ferner ist es häufig vorteilhaft, daß die Legierung Chrom-Karbid, z.B. bis zu 10 #, enthält. Auf den Schneidkörper oder den Grundkörper ist, wie vorher erwähnt, eine Schicht aus Titan-Karbid, z.B. mit einer Dicke zwischen 5 bis 5 /U, vorzugsweise von etwa 4 /u, aufgebracht.

Es ist auch festgestellt worden, daß eine zusätzliche wesentliche Verbesserung der Eigenschaften des überzogenen Hartmetallkörpers erreicht werden kann, wenn die Karbidschicht so aufgebracht ist, daß sie eine besonders feinkörnige Schicht an der Grenze zum Grundkörper und eine etwas gröber gekörnte Wachstumszone an der Oberfläche aufweist. Die Hauptkorngröße der inneren Schicht sollte in der Größenordnung von 0,02 bis 0,15 /U und diejenige der Wachstumszone bei etwa 0,2 bis 0,4 /U

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liegen. Als Beispiel kann hier erwähnt werden, daß die Hauptkorngröße der inneren Schicht etwa 0,1 /U und diejenige der Wachstumszone bei etwa 0,3 ai lag. Die ungleichmäßige Struktur in der Schicht wird erreicht durch Einstellung der Temperatur während des Ablagerungsprozesses, und zwar von niedrigen zu höheren Temperaturwerten.

Es ist bekannt, daß verschiedene Hartkarbide, die normalerweise im gesinterten Hartmetall enthalten sind, sogenannte ausgedehnte Bereiche der Homogenität aufweisen. Dies bedeutet, daß der Kohlenstoffgehalt des Karbides veränderbar ist und auf einen bestimmten Bereich unter den stochiometrischen Gehalt abfallen kann. Unter solchen Karbiden seien TiC, TaC und VC genannt, die Jedoch bei normaler Verwendun-g in gesintertem Hartmetall Kohlenstoffgehalte haben, die nicht vom stochiometrischen Gehalt abweichen.

s
Es ist nun überrachender Weise festgestellt worden,

daß eine wesentliche Verbesserung der Eigenschaften und eine vergrößerte Gleichförmigkeit in der Qualität des beschichteten Einsatzes erreicht werden kann, wenn die harte Oberflächenschicht eine solche Zusammensetzung hat, daß der Kohlenstoffgehalt des feinkörnigen Titan-Karbides und/oder die

feste Lösung, in welcher Titan-Karbid enthalten ist, sich wesentlich unter der stöchiometrisehen Zusammensetzung jedes Karbids befindet, welche Zusammensetzung von beispielsweise Titan-Karbid 80 Gewichtsprozent Ti, 20 Gewichtsprozent C entspricht. Der Kohlenstoffgehalt der erfindungsgemäßen Oberflächenschicht soll somit höchstens 9/10 des stöchiometrisehen Kohlenstoffgehaltes des Karbides betragen, was z.B. bei TiC bedeutet, daß der Kohlenstoffgehalt 18 Gewichtsprozent nicht übersteigen darf. Der Kohlenstoffgehalt des Karbides sollte andererseits wenigstens gleich dem halben stöchiometrisehen Gehalt sein, was beispielsweise bei TiC einem Kohlenstoffgehalt von wenigstens 10 Gewichtsprozent entspricht. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, den Kohlenstoffgehalt in den Bereich von 10 bis 15 Gewichtsprozent zu legen.

Das Aufbringen der Karbidschicht kann beispielsweise, wie vorher erwähnt, durch Niederschlagen aus einer gasförmigen Phase erfolgen, und zwar mit der Abwandlung, daß die Bedingungen bei der Reaktion der Ablagerung einen Fehlbetrag

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an Kohlenstoff einschließt. Das kann auf verschiedenen Wegen möglich gemacht werden. Bei einer Alternative kann der Schneidkörper oder Grundkörper eine vorherige Entkohlung durchlaufen, was z.B. durch Einpacken in ein entkohlendes Medium, wie z.B. gewisse Arten von AIpO,, TiO₂oder andere Oxyde, beim Sintern erfolgen kann.

In manchen Fällen ist es ferner als vorteilhaft erkannt worden, einen aktiven Teil, wenigstens 0,5 $ und vorzugsweise höchstens 5 bis 5 Gewichts^ 0 und/oder N, in das hypostöchiometrische Karbid einzubringen, z.B. Titan-Karbid. Sauerstoff und/oder Stickstoff sollten in diesem Falle in Form sehr fein zerteilter Verbindungen eingeschlossen sein, wie z.B. Ti-Oxyde und/oder -Nitride mit beispielsweise 0,01 bis 0,05 /U Korngröße.

Eine weitere wesentliche Verbesserung der Bindung zwischen Schicht und Grundkörper und ein erhöhter Widerstand des Einsatzes gegen Thermoschocks und mechanische Schlagspannungen sind erreicht worden, wenn der Schneidkörper nahe der Oberflächenschicht eine Zone mit auffallend niedrigerem Kohlenstoffgehalt als der Rest des Körpers erhalten

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hat. Diese entkohlte Zone oder Zwischenschicht kann beispielsweise durch das vorgenannte Entkohlungsverfahren erzeugt werden, jedoch ist es besonders vorteilhaft, den Prozess des Kar»· bidniederschlagens so zu steuern, daß der Hartmetallgrundkörper selbst im wesentlichen den erforderliehen Kohlenstoffanteil bei der Bildung der Karbidoberflächenschicht ausscheidet und dadurch entkohlt wird. Der Hartmetall-Grundkörper muß in diesem Falle außer Bindermetall, wie Co, Ni und/oder Fe solche Hartmetallbestandteile enthalten, die als veränderbar aktiv festgestellt worden sind, um Kohlenstoff - Emitter zu bilden, wie z.B. Karbide von W, Mo und/oder Cr, wobei WC Vorzugsweine eingsehlossen ist. Auf diese Weise entspricht die Zusammensetzung der genannten Zwischenschicht gewissen Phasen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt in dem Drei-Komponenten-System W-Co-C, hauptsächlich der sogenannten η-Phase, im allgemeinen CO-JCC geschrieben, eine wohlbekannte wesentliche Struktur im Bereich der Hartmetall-Karbide. Es ist oft vorteilhaft gefunden worden,, in der erwähnten Phase Co ganz oder teilweise durch Fe, Ni und/oder Cr zu ersetzen.

Die entkohlte Zone der Zwischenschicht sollte gleichförmig gebildet werden und eine Dicke im Bereich von 1 bis 12 /U

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haben, vorzugsweise dicker als 5 Ai und zweckmäßig dünner als 10 /U sein. Unter den Paktoren, die zu den verbesserten Eigenschaften des beschichteten Produktes beitragen, kann auf die Kompensation hingewiesen werden, die bezüglich ungünstiger Differenzen der Qualität in dem Grundkörper und zwischen Grundkörper und Karbidschicht auftritt, beispielsweise bezüglich thermischer Ausdehnung und mechanischer Festigkeit.

Die beträchtliche Verbesserung der Verschleißfestigkeit, welche die Erfindung kennzeichnet, ergibt sich aus folgendem Beispiel:

Flankenabnutzung

Gütegrad	Flankenbreite	Zeit
S4 (normal)	0,20 mm	3 min.
SIP	0,20 mm	15 min.
S4 (beschichtet)	0,20 mm	40 min.
	Auskolkung:
Gütegrad	Kolktiefe	Zeit
S4 (normal)	60 /U	3 min
SIP	64 /u	15 min
S4 (beschichtet)	70 /u	40 min

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Die Zusammensetzung in Gewichts£ betrug für SIP bzw. S4; Co TiC TaC NbC WC

9,5 19 12,2 3,8 Rest

9,5 11,9 6 4 Rest

Patent/Schutzansprüche

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Einsatz für die spanende Bearbeitung von Stahl oder ahnliehen Materialien, bestehend aus einem Einsatzkörper aus einer gesinterten Hartmetallegierung, die außer einem oder mehreren Karbiden, wie Wolfram-Karbid, Titan-Karbid, Tantal-Karbid und/oder Niobium-Karbid, Bindermetall,wie Kobalt, Nickel und/ oder Eisen enthält, wobe,i auf den Körper eine Schicht aufgebracht ist, die eine höhere Verschleißfestigkeit hat, als das Hartmetallkarbid des Einsatzkörpers, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht mit höherer Verschleißfestigkeit eine Dicke zwischen 2 bis 6 /U aufweist und aus einem extrem feinkörnigen Titan-Karbid und/oder einer Kombination von z.B. einer festen Lösung von Titan-Karbid und anderen Karbiden, wie Wolfram-Karbid, Tantal-Karbid und/oder Niobium-Karbid besteht, die auf den Schneidkörper durch Ablagerung aus gasförmiger Phase bei einem Druck unterhalb Atmosphärendruck aufgebracht ist.
2. Einsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht wenigstens die Schneidkante oder- kanten und die
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verbindende Spanfläche oder- flächen bedeckt.
5. Einsatss nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Schicht unter 5 /U ist und vorzugsweise 4 /U übersteigt.

4. Einsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schneidkörper vor dem Aufbringen der Schicht in die gewünschte Form gebracht ist.

5. Einsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Karbide in der gesinterten Hartmetallegierung eine Hauptkorngröße zwischen 0,5 bis 5 /U haben.
6. Einsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gesinterte Hartmetallegierung folgende Bestandteile in Gewichtsprozent enthält: 4 bis 24 % TiC, 0 bis 20 % TaC und/oder NbC, 7 bis 11 % Co und/oder Ni und Rest praktisch alles WC.
7. Einsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht die Spanfläche oder- flächen

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und vorzugsweise die Freifläche oder- flächen bedeckt, jedoch die Schneidkante oder- kanten freiläßt.
8. Einsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Karbid oder die Karbide in der Oberflächenschicht einen Kohlenstoffgehalt wesentlich unter der stöchiometrisehen Zusammensetzung jedes Karbides aufweisen.
9. Einsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht einen Kohlenstoffgehalt von maximal 9/10 und minimal 1/2 des stöchiometrischen Kohlenstoffgehaltes hat.
10. Einsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht aus Titankarbid mit einem Kohlenstoffgehalt über 10 Gewichtsprozent und unter 15 Gewichtsprozent besteht.
11. Einsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht als aktiven Teil wenigstens 0,5 % und vorzugsweise höchstens J bis 5 Gewichtsprozent Sauerstoff und/oder Stickstoff enthält, der

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in Form von extrem fein verteilten Oxyden und/oder Nitriden vorhanden ist.
12. Einsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht aufgebaut ist aus einer inneren extrem fein gekörnten Zone mit einer Korn größe von 0,02 bis 0,15 /U in der Nähe des Schneidkörpers und einer äußeren, etwas gröber gekörnten Zone mit einer Korngröße von etwa 0,2 bis 0,4 /u«
1.3. Einsatz nach einem der Iji^-pfvahe 1 bis 7* dadurch gekennzeichnet, claß der Schnei ei 1-:οι·γγ-/- iiaLe eier Oberfl äelK-n-schie.M:- Gincn niedrigeren Kohlenst-offgei;-?.] i- είκ in aen übrigen Teilen hat.
1^i. Einsatz nach Anspruch Λ J:, dedurch gekennzeichnet-, dafö die Zone mit niedrigerem Kohlenstoffgehalt aus niedrigeren Kohlenstoff phasen in dem W-Co-C-.System, vorzugsweise der η-Phase (eta-Phase), besteht.
15. Einsatz nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Co in den niedrig gekohlten Phasen vollständig oder

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teilweise durch Pe, Ni und/oder Cr ersetzt ist.
16. Einsatz nach einem der Ansprüche 1j5 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone mit merklich niedrigerem Kohlenstoffgehalt eine Dicke zwischen 1 bis 12 /U, jedoch vorzugsweise über J5/^{U un(}l zweckmäßig unter 10 Ai hat.

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