DE2158727A1 - Werkzeugmaschineneinsatz - Google Patents

Description

welche geringere Äbnutzungseigenschaften gsgenüber ά®Ά

einsätzen der bek&nnten Maschinen

Es ist bei Werkzeugmaschinen übliche als Schneidwerkzeug ©inen zur Verfügung stehenden Einsatz zu benutzen* welcher aus s@hr hartem Material wie beispielsweise Wolframcarbid hergestellt ist, Früher waren, solche Kartoidselmeidwerkseuge au® feinem Wolfram-= karbidpartilceln ^usaroraengesetgt, wslelie durch <ain Bindemittel wie beispielsweise Kobalt susaramengekittet waren. Die Hirt© des Schneidwerkzeuges erhöhte sich mit höheren Anteilen von Wolframkarbidpartikeln, aber die Schlagfestigkeit des Schneidwerkzeuges nahm mit höheren Anteilen von Wolframkarbidpartikeln ab« Ee

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bekannt, daß der Zusatz von kleinen Mengen Titankarbid und Tantalkarbid die Festigkeit gegenüber Verschleiß und Kraterbildung und die Hitzehärte und den Widerstand gegenüber einer thermischen Deformation von derart gesinterten Karbidschneidwerkzeugen erhöht.

Eine jüngste Entwicklung auf dem Gebiet der Karbidschneidwerkzeuge besteht darin, eine dünne Schicht von Titankarbid auf der Außenfläche des Werkzeugeinsatzes vorzusehen. Titankarbideinsätze sind an sich seit einiger Zeit bei Werkzeugmaschinen bekannt, fc da aber dieses Material äußerst brüchig ist, hat sich ihre Verwendung auf Schlichtwerkzeuge beschränkt, welche nur für leichte Schnitte verwendet werden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß, wenn eine Titankarbidschicht fest mit einem weniger festen Wolframkarbidgjfundkörper verbunden ist, das brüchige Titankarbid normale Bearbeitungsschläge ohne Brüche aufnehmen kann. Ss hat sich herausgestellt, daß derartige Titankarbid beschichtete Einsätze bei Maschinengeschwindigkeiten bis zu 20% höher als die mit regulären, gesinterten Wolframkarbidexnsätzen betrieben werden können, und gleichzeitig haben solche Einsätze die doppelte lebensdauer gegenüber den nicht beschichteten KarbidwerkaeügeiriSätzen,

Gemäß der Erfindung hat sich herausgestellt, daß Karbidwerk-™ zeugeinsätze, welche mit einer dünnen Sefeicht oder einem dünnen Überzug aus Metallnitrid wie beispielsv/eise Titannitrid beschichtet sind, eine gleiche oder bessere Leistung als Werkzeugeinsätze ergibt, welche mit Titankarbid beschichtet sind. Diese erhöhte Leistung ist vollkommen unerwartet, da Titannitrid viel weicher als Titankarbid ist. Beispielsweise beträgt der

2 Mikrohärtenwert von Titankarbid 2800 kg/nua. , während der Mikro-

2 härtenwert von Titannitrid nur 1700 kg/ram beträgt.

Der Grund für die erhöhte WerkzeugleistaHg durch die nitridbeschichteten Einsätze ist noch nicht vollkommen geklärt. Man ist

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jedoch der Ansicht, daß sich die überlegene Leistung aus der Tatsache ergibt, daß Titannitrid weniger leicht durch Eisengruppenmetallegierungen befeuchtet wird als es bei Titankarbid der Fall ist. Somit sind die Titannitridpartikel in der Schicht oder dem Überzug wahrscheinlich weniger zu überziehen oder zu befeuchten durch Material aus dem Stück, welches bearbeitet wird. Dieses Befeuchten hat, wenn es tatsächlich eintritt, eine erhöhte Reibung zwischen dem Schneidwerkzeug und dem zu bearbeitendem Stück zur Folge, welches seinerseits die Werkzeugspitzentemperatur erhöht. Man glaubt somit, daß der nitridbeschichtete Werkzeugeinsatz eine niedrigere Werkzeugspitzentemperatur aufrechterhält, als es ein fcitankarbidbeschichteter Einsatz macht, und hat somit eine längere Lebensdauer wegen der herabgesetzten thermischen Abnutzung, selbst obgleich der Überzug tatsächlich weicher als der Titankarbidüberzug ist.

Die Erfindung kann ferner durch folgende besondere Beispiele illustriert werdenι

Beispiel I

Eine Gruppe von sonst identischen C-5 Wolframkarbidwerkzeugeinsätzen wurde für Vergleichsversuche präpariert. Einige der Einsätze wurden mit Titankarbid beschichtet. Andere wurden mit Titannitrid bis zu einer Dicke von 0.0066 mm (6.6 Mikrons) beschichtet. Eine dritte Gruppe wurde unbeschichtet gelassen. Die gesinterten Werkzeugeinsätze hatten alle vor dem Beschichten eine nominelle Zusammensetzung von 74.50% Wolframkarbid, 0.50% Kobalt, 6.00% Titankarbid und 10.00% Tantalkarbid. Die Einsätze waren alle präzisionsgeschliffene Vierkanteinsätze mit Kantenab-

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messungen von 1,25cm, einer Dicke von 4.76 mm und einem Eckenradius von 4 mm (3/64 von einem inch). Solche Einsätze stehen auf dem Markt zur Verfugung,beispielsweise von der Firma Firth Sterling. Die vergleichenden Bearbeitungsversuche wurden an SAE-4340 Stahl mit einer Härte von R = 30 durchgeführt. Die Bearbeitungsverhältnisse für den Versuch waren eine befreite Geschwindigkeit von 0,41 mm pro Umdrehung, einer Schnitttiefe von 2.54 mm und einer Oberflächengeschwindigkeit von 120 Oberflächenmeter pro Minute.

P Bei den Vergleichsversuchen betrug die Bearbeitungszeit zum Entwickeln einer Kratertiefe von 0.09 mm drei Minuten für den unbeschichteten Werkzeugeinsatz, 18.5 Minuten für den titankarbidbeschichteten Werkzeugeinsatz und 22.5 Minuten für den titannitridbeschichteten Werkzeugeinsatz. Die Bearbeitungszeit für eine Flankenabnutzung von 0,05 mm betrug 8,5 Minuten für den nicht beschichteten Einsatz, 15 Minuten für den mit titankarbidbeschichteten Werkzeugeinsatz und 19.5 Minuten für den titannitridbeschichteten Werkzeugeinsatz.

Beispiel II

Eine Gruppe von sonst identischen C-7 Wolframkarbidwerkzeugeinsätzen wurde für einen Vergleichsversuch vorbereitet. Diese gesinterten Werkzeugeinsätze hatten eine nominale Zusammensetzung von 70.00% Wolframkarbid, 4,80% Kobalt, 11.80 Titankarbid und 13,20% Tantalkarbid. Die Abmessungen des Einsatzes waren die gleichen wie die im Beispiel I. Solche Karbidwerkzeugeinsätze stehen handelsüblich von der Firma Firth Sterling zur Verfügung. Einige dieser Einsätze wurden mit Titankarbid entsprechend den bekannten Einsätzen beschichtet. Andere wurden entsprechend der

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vorliegenden Erfindung mit einem Überzug aus Titannitrid bis zu einer Dicke von O.OOl mm (10.4 Mikrons) beschichtet und ein dritter Teil der Einsätze wurde unbeschichtet für vergleichende Bearbeitungszwecke gelassen. Diese vergleichenden Bearbeitungsversuche wurden wiederum an SAE-434Q Stahl mit einer Härte von R gleich 30 durchgeführt. Bei diesem Versuch lagen die Bearbeitungsverhältnisse bei einer Vorschubgeschwindigkeit von 0.41 mm (0.0166 inch) pro Umdrehung, die Schnittiefe betrug 2.54 mm und die Umfangsgeschwindigkeit betrug 200 Flächenmeter pro Minute.

Bei diesen Versuchen betrug die Bearbeitungszeit, welche zur Entwicklung einer Kratertiefe von 0.09 mm an den Werkzeugeinsätzen erforderlich war, 1,5 Minuten bei dem unbeschichteten Werkzeugeinsatz, 6 Minuten bei dem dtitankarbid-beschichteten Werkzeugeinsatz und 7.5 Minuten bei dem titannitridbeschxchteten Werkzeugeinsatz. Die zur Entwicklung einer Flankenabnutzung von 0.0254·mm erforderliche Arbeitszeit betrug 4,5 Minuten für den unbeschichteten Werkzeugeinsatz, 3.3 Minuten für den titankarbidbeschichteten Werkzeugeinsatz und 4 Minuten für den titannidridbeschichteten Werkzeugeinsatz.

Aus den oben angegebenen Beispielen ist somit au ersehen, daß im übrigen identische Werkzeugeinsätze wesentlich länger durchhielten, wenn sie mit Titannitrid beschichtet waren als die gleichen Einsätze, wenn sie mit Titankarbid beschichtet waren. Zusätzlich zu dieser Länge and Lebensdauer waren jedoch noch mehrere andere Vorteile der vorliegenden Erfindung vorbanden.

Das Verfahren zum Beschichten von Titankarbid auf Werkzeugeinsätze ist verhältnismäßig schwierig. Der Titankarbidüberzug wird

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üblicherweise durch eine Reaktion von Methan- und Titantetrachloridgasen in einer Vakuumkammer bei einer Temperatur von ungefähr 1OOO°C erzeugt. Der Kohlenstoff von dem Methan verbindet sich mit dem Titan, indem er das Chlor ersetzt, und der Titankarbiddampf kondensiert auf der Werkzeugoberfläche und diffundiert darein.

Es ergeben sich zwei größere Nachteile zu diesem Verfahren. Erstens muß es in einem Unterdruck oder Vakuum durchgeführt ^ werden und erhöht dadurch das damit verbundene praktische Problem. Auch hat das Verfahren ein unerwünschtes Nebenprodukt. Das verlagerte Chlor verbindet sich mit den Wasserstoffatomen von dem Methangas und bildet einen Hydrochloridsäuredampf und erzeugt dadurch ein ernstes Korrosionsproblem.

Im Gegensatz zu dem oben angegebenen relativen Komplex und schwierigen Problem ist es viel leichter, die Werkzeugeinsätze mit Titannitrid zu beschichten. Beispielsweise können die Werkzeugeinsätze dadurch beschichtet werden, daß man sie in einen Ofen stellt, die Luft in dem Ofen durch einen Stickstofffluß ersetzt und dann eine Wasserstoffgasatmosphäre zuschaltet und auf eine Temperatur von ungefähr lOOO C erhitzt. Wenn die ψ Werkzeugeinsätze auf dieser Temperatur sind, wird das Titanteiiachlorid in den eintretenden Wasserstoffstrom verdampft und Stickstoff ebenfalls dem Wasserstoffstrom zugegeben. Der Stickstoff wird in ausreichenden Mengen hinzugefügt, so daß er in einem stoichiometrischen Überschuß von dem ist, welcher notwendig ist, um das Titantetrachlorid in Titannitrid umzuwandeln, welcher Dampf dann auf der Werkzeugeinsatzoberfläche kondensiert und hineindiffundiert. In Abänderung dazu kann das in dem US-Patent Nr. 2.865.791 beschriebene Verfahren einer Metallnitridbeschichtung verwendet werden.

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Somit besitzen diese Verfahren gegenüber dem für eine Titankarbidbeschichtung verwendeten insofern Vorteile, daß kein Vakuumofen erforderlich ist und keine korrodierenden Nebenprodukte erzeugt werden.

Ein weiterer Vorteil des titannitridbeschichteten Werkzeugeinsatzes gegenüber dem titankarbidbeschichteten Werkzeugeinsatz besteht darin, daß die Nitridbeschichtung eine bestimmte Goldfärbung hat. Dieser eigentümliche Farbunterschied unterscheidet den beschichteten von dem unbeschichteten Werkstoffeinsatz. Das kann von einer erheblichen Hilfe in einer Werkstatt für Bearbeitungsmaschinen sein, wodurch ein Arbeiter schnell die beschichteten von den unbeschichteten Werkzeugeinsätzen unterscheiden kann.

Zusätzlich zu dem Titannitrid könnten Werkzeugeinsätze gemäß der vorliegenden Erfindung mit anderen Gruppen IV und Gruppen V-Metallnitriden wie beispielsweise Zirkoniumnitrid, Hafniumnitrid, Niobiumnitrid, Tantalnitrid und Vanadiumnitrid beschichtet werden. Zur Zeit wird jedoch bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Überzug aus Titannitrid wegen der Leichtigkeit und niedrigen Kosten bevorzugt, mit welchen er aufgebracht werden kann. Augenscheinlich ergibt sich keine besondere kritische Beschränkung hinsichtlich der Dicke des Nitridüberzuges auf den Werkzeugeinsatz, solange als eine genügend dicke Schicht vorhanden ist, um sicherzustellen, daß die Oberfläche vollständig überzogen bezw. bedeckt ist. Ein Werkzeugeinsatz mit einer dickeren Schicht hat eine längere Lebensdauer, da sie längere Zeit zum Abnutzen •des Überzuges erfordert. Die obere Dickenbegrenzung wird offensichtlich dadurch bestimmt, wenn der Überzug beginnt, sich

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abzublättern. Vorläufig glaubt man, daß der optimale Bereich für die Dicke der Nitridschicht zwischen O.OO5 und 0.Ol mm liegt.

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Claims (7)

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   Patentansprüche

   ( 1ΛWerkzeugmaschineneinsatz, gekennzeichnet durch eine dünne, anhaftende Schicht aus Metallnitrid, mit welcher der Einsatzkörper überzogen ist.
2. 2. Werkzeugmaschineneinsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da/3 das Metallnitrid aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Gruppe IV-Metallnitrid und Gruppe V-Metallnitrid besteht.
3. 3. Werkzeugmaschineneinsatz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallnitrid aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Titannitrid, Zirkoniumnitrid, Hafniumnitrid, Niobiumnitrid, Tantalnitrid und Vanadiumnitrid besteht.
4. 4. Werkzeugmaschineneineatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallnitrid aus Titannitrid besteht.
5. 5. Werkzeugmaschineneinsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Überzuges aus Titannitrid zwischen 0.005 und 0.012 mm besteht.
6. 6. Werkzeugmaschineneinsatz nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dad der Grundeinsatz oder Einsatzkörper aus einem gesinterten Karbidexnsatz besteht.
7. 7. Werkzeugmaschineneinsatz nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundeinsatz oder Einsatzkörper aus einem gesinterten Wolframkarbideinsatz besteht.

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