DE69028598T2

DE69028598T2 - Schneideinsatz aus gesintertem Hartmetall

Info

Publication number: DE69028598T2
Application number: DE69028598T
Authority: DE
Inventors: Rolf Oskarsson; Gerold Weinl; Kenneth Westergren
Original assignee: Sandvik AB
Current assignee: Sandvik AB
Priority date: 1989-11-15
Filing date: 1990-11-14
Publication date: 1997-01-30
Anticipated expiration: 2010-11-15
Also published as: DE69028598D1; JPH03228503A; SE8903835D0; SE8903835L; EP0428491A2; SE503520C2; EP0428491A3; US5110349A; ATE143059T1; JP2597046B2; EP0428491B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Schneideinsätze auf der Basis von Carbonitridlegierungen, die insbesondere in Werkzeugen für spanabhebende maschinelle Bearbeitung, wie Drehen und Fräsen, geeignet sind.
Es ist in der Sintercarbidindustrie allgemein bekannt, daß Oberflächenfehler, wie Risse, Poren usw., nahe einer arbeitenden Schneidkante einen negativen Einfluß auf die Wirksamkeit von Schneidwerkzeugen haben können. Sintercarbid bedeutet gewöhnlich gesinterte Hartmetalle auf der Basis von Wolframcarbid (WC), Kobalt (Co) und kubischen Carbiden, wie TiC, TaC und NbC.
Eine Gruppe von Materialien, die heute hauptsächlich zur Nachbearbeitung verwendet werden, besteht aus Carbonitridlegierungen auf Titanbasis, die in der Umgangssprache oftmals als Cermets bezeichnet werden. Die harte Phase dieser Legierungen besteht im wesentlichen aus kubischen Phasen vom sogenannten B&sub1;-Typ von TiC-TiN, die insgesamt oder teilweise mit anderen carbid- oder nitridbildenden Elementen, wie W, Mo, Ta, Nb, V, Hf, Cr und Zr, legiert sind. Die harten Bestandteile sind gewöhnlich als mehr oder weniger abgerundete Teilchen mit Kern-Hüllenstruktur vorhanden, können aber auch als nadel- oder scheibenförmige Einkristalle vorliegen. Durch geeignete Auswahl der Rohmaterialien und/oder Herstellungsmethode kann die Kern-Hüllenstruktur so modifiziert werden, daß erwünschte Eigenschaften erhalten werden. Die Bindephase besteht aus einem oder mehreren der Metalle Fe, Co und Ni der Eisengruppe, gewöhnlich Ni oder Ni + Co. Oftmals wird die Bindephase mit einem oder mehreren der carbid- oder nitridbildenden Elemente legiert. Andere Hartphasen als die kubischen Nitride und Carbide können auftreten, z. B. WC. Die erwähnten Legierungen sind von Natur aus erheblich spröder als das übliche Sintercarbid, im wesentlichen infolge der Tatsache, daß die Benetzung zwischen Titanhartbestandteilen und der Bindephase, die entweder nur aus Nickel oder aus Nickel und Kobalt besteht, nicht so gut wie jene zwischen Wolframcarbid und Kobalt ist.
Außerdem kann beobachtet werden, daß diese Carbonitridlegierungen relativ gesehen feinerkörnig als "normales" Sintercarbid sind. Dies hängt im wesentlichen von der Tatsache ab, daß das tatsächliche Pulver schwieriger zu vermahlen ist als jenes von Sintercarbid, von feinerkörnigen Rohmaterialien stammt und/oder weniger zu Komwachstum neigt. Feingekörntes Pulver ist schwieriger zu Preßkörpern zu pressen als weniger schwierig vermahlenes Pulver, unter anderem wegen Rückfedern.
Carbonitridlegierungen auf Titanbasis enthalten auch oftmals gewollt oder ungewollt eine Oberflächenzone mit einer anderen Zusammensetzung als der Rest des Materials mit einer Breite bis zu einigen 100 µm.
Harte Betandteile, wie Carbide, Nitride und/oder Carbonitride von Titan, haben einen viel größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als Wolframcarbid. Da die Mengen der harten Bestandteile sowie jene der Bindephase etwa die gleichen sind, haben die Titancarbonitridle. gierungen einen erheblich größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als gewöhnliches Sintercarbid. Dies bewirkt, daß sich ein Titancarbidpreßkörper relativ mehr als ein Sintercar bidpreßkörper während des Erhitzens auf Sintertemperatur ausdehnt.
Aus dem Obengesagten und aus anderen weiteren Faktoren ist zu realisieren, daß es erheblich schwieriger ist, dichte Körper von Carbonitridlegierungen frei von Fehlern herzustellen als solche aus Sintercarbid, unter anderem da Risse oder andere Schwachstellen vom Pressen viel größere Neigungen besitzen, sich während des Hochfahrens auf Sintertemperatur zu öffnen. Dies gilt besonders bei komplizierten geometrischen Formen mit plötzlichen "Stufen" bezüglich relativer Dickenunterschiede. Da Carbonitridlegierungen außerdem von Natur aus spröde sind, kann ein katastrophaler Einfluß auf das Zähigkeitsverhalten für gesinterte Schneideinsätze von Carbonitridlegierungen erwartet werden, wenn sie Fehler der obenerwähnten Art nahe einer Arbeitskante haben.
Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß Schneideinsätze von Carbonitriden auf Titanbasis, die Fehler, gewöhnlich in der Form von Rissen, entsprechend den obigen Ausführungen durch ungleichmäßige Pulverbefüllung und/oder ungleichmäßiges Pressen erhielten, siehe Fig. 1, erheblich bessere Wirksamkeit als entsprechende Schneideinsätze ohne Fehler haben, siehe Fig. 2. Dieses Ergebnis steht im Gegensatz zu dem, was zu erwarten ist. Es wurde bei metallographischen Prüfungen einer Probe, die senkrecht zu den Rissen geschnitten wurde, gefunden, daß diese teilweise während des Sinterns "geheilt" wurden, siehe Fig. 3 und 4, d. h. abgerundet wurden und nun eine "innere Oberfläche" haben, die im wesentlichen aus Bindephase besteht. Uvscharfeuu, nicht teilweise geheilte Risse sind natürlich erheblich gefährlicher für das Zähigkeitsverhalten.
Beim Testen eines solchen Materials wurden die obenbeschriebenen Wirkungen erhalten, d. h. besseres Kantenzähigkeitsverhalten bei Materialien mit Fehlern in der Form von Oberflächenunebenheiten und Rissen als bei "perfekten" Materialien. Das Material nach der Erfindung ist somit besser, da Spannungen aufgelöst wurden und die Arbeitskante infolge des höheren Verdichtungsgrades beim Pressen bessere Eigenschaften im gesinterten Zustand in der Form beibehaltener Schärfe und geringerer Abspanungsneigung erhielt. Im Falle von Titancarbonitridlegierungen führt eine regenerierte Kante oftmals zu schnellen und größeren Fehlern.
Da die Risse wenigstens teilweise geheilt wurden, wurde ihr negativer Einfluß stark vermindert und zu Oberflächenfehlern mehr kosmetischer Natur reduziert, doch sollten sie wohl immer noch eine starke Versprödungswirkung haben. So kann nur teilweise erklärt werden, warum sie keinen wesentlichen schwächenden Einfluß haben und vor allem warum jene Kanten besser als jene ohne Fehler der erwähnten Art funktionieren.
Außerdem wurde gefunden, daß Schneideinsätze, die Risse und Oberflächenungleichmäßigkeiten gemäß der obigen Beschreibung zeigen, ungleichmäßig verdichtete Kanten vom Pressen her haben. Gemäß allgemeinem Fachwissen auf dem Gebiet des Sintercarbids wurden eine gleichmäßige Pulverbefüllung und ein gleichmäßiges Verdichten zu der gleichen relativen Dichte in dem gesamten Preßkörper so weit wie möglich angestrebt, um Kanten frei von Fehlern und ohne die Zähigkeit vermindernde Schwachstellen zu erhalten. Im Gegensatz zu diesem üblichen Ziel wurde nun gefunden, daß ungleichmäßig verdichtete Kanten ein besseres Verhalten zeigen. Die Ungleichmäßigkeit soll natürlich nicht willkürlich sein. Ein höherer Verdichtungsgrad muß am weitesten außen in der Arbeitsschneid kante selbst erzeugt werden. Diese Ungleichmäßigkeiten führen allmählich zu Spannungen in dem Material, wenn es beginnt, sich ungleichmäßig auszudehnen, wenn die Temperatur erhöht wird, und die Spannungen werden oftmals während des Hochfahrens zu Sintertemperatur aufgelöst und führen zu Rissen. Die Temperatur liegt im Bereich von 1350 bis 1500 ºC für die Carbonitridlegierungen auf Titanbasis nach der vorliegenden Erfindung. Diese "Hochfahr"-Risse werden während der Sinterperiode, wenn flüssiges Material vorliegt, geglättet und abgerundet, d. h. teilweise geheilt. Dies kann später mit Hilfe von Schliffproben festgestellt werden, wie oben in den Fig. 3 und 4 diskutiert wurde.
Gemäß der Erfindung ist nun ein Schneideinsatz vorzugsweise für spanabhebende maschinelle Bearbeitung verfügbar, welcher beim Pressen eine ungleichmäßige Verdichtung erhielt, so daß die Arbeitskanten eine höhere Dichte nach dem Pressen, aber nicht nach dem Sintern gegenüber dem umgebenden Material haben. Als Folge hiervon erhielten die Schneideins ätze gewöhnlich Risse und Oberflächenungleichmäßig keiten. Die Schneideinsätze bestehen aus einem Material, das zu wenigstens 50 Vol.% aus Carbonitriden von Metallen der Gruppen IVA, VA oder VIA im Periodensystem oder Gemischen hiervon und einer Bindephase aus Co, Ni und/oder Fe bestehen. Die erwähnten Risse sind etwa 2 bis 10 µm, vorzugsweise etwa 5 pm breit und bis zu 500 pm, vorzugsweise 50 bis 400 jim tief. Sie liegen als ein Band kleiner Risse von > 1 mm Länge oder als langer verbindender Riß vor. Die Risse treten auf der Spanfläche auf, besonders auf dem Spanbrecher, nahe der Arbeitskante, doch können sie auch um den gesamten Schneideinsatz herumgehen. Risse können auch auf der Freifläche vorliegen. Sie sind oftmals symmetrisch in bezug auf den Schneideinsatz Die Rißwand wird von einer 1 bis 5 µm dicken Schicht von Bindephase bedeckt, und das Gefüge nächst dem Riß ist mit Bindephase angereichert.
Die Erfindung ist besonders brauchbar für komplizierte Schneideinsätze mit eingesinterten Spanbrechern. Beispiele eines Kreuzungspunktes einer solchen Geometrie sind in Fig. 5 gezeigt. Wenn Spanbrecher verwendet werden, liegen die Risse vorzugsweise am Boden der Spanbrechernut.
Schneideinsätze nach der Erfindung können natürlich mit einer oder mehreren harten Schichten von TiC, TiN, TICN, Al&sub2;O&sub3; usw. nach bekannten Techniken beschichtet werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung von Schneideinsätzen mit pulvermetallurgischen Mitteln, durch Pressen und Sintern eines Materials, das aus wenigstens 50 Vol.% Carbonitriden von Metallen aus den Gruppen IVA, VA oder VIA des Periodensystems oder Gemischen hiervon und Bindephase aus Co, Ni und/oder Fe besteht und bei dem das Pulver beim Pressen eine ungleichmäßige Verdichtung erhält, so daß der Preßkörper eine höhere relative Dichte in jenen Bereichen, die die Arbeitskanten in dem schließlich gesinterten Schneideinsatz bilden sollen, gegenüber dem umgebenden Material hat.

Beispiel 1

Ein gesinterte Carbonitridlegierung mit der folgenden Zusammensetzung (in Gewichtsprozentsätzen): Co 10,8, Ni 5,4, WC 15,9, TiC 28,8, TiN 19,6, TaC 6,3, VC 3,9, Mo&sub2;C 9,3 wurde verwendet, um Schneideinsätze nach der Erfindung herzustellen [die Zusammensetzung ist der Einfachheit halber als die elementaren Rohmaterialien angegeben, selbst wenn Duplexmaterialien verwendet werden, wie z. B. (Ti,Ta)C, Ti(C,N) und/oder (Ti,Ta)(C,N)]. Verwendete Rohmaterialien mit der Korngröße von 1 bis 10 µm wurden 50 h in einer herkömmlichen Sintercarbidmühle (Kugelmühle) mit Hartmetall-Zylpeps als Mahlkörper gemahlen. In Verbindung mit dem Vermahlen wurden 4 Gew.% Preßmedium (Polyethylenglycol) zugegeben. Nach dem Trocknen des Pulvers in üblicher Weise, Sprühtrocknen in inerter Atmosphäre, wurden Schneideinsätze vom Typ SNMG 120 412-MF mit einem Druck gepreßt, der gewöhnlich 150 mPa überschritt. Während des Pressens wurde das sogenannte Gegenhalten so vermindert, daß ein ungleichmäßiges Verdichten gemäß der obigen Beschreibung vorlag. Das Ergebnis war, daß Oberflächenfehler später in dem gesinterten Material in der Form von Rissen erhalten wurden, die nahe dem Arbeitsteil der Kante lagen. Die Schneideinsätze wurden nach dem Sintern strahlgeputzt.
Die Grundzähigkeit der Schneideinsätze wurde in einem intermittierenden Schneidbestrieb einer Packung von SS 1672, Fig. 6, mit den folgenden Schneiddaten getestet:
Der Wert 1 = 1,0 stellt fest, daß der Vorschub in 1 min von dem gegebenen Ausgangswert (0,2) verdoppelt wird. Der Test wird nach 3 min angehalten, wenn kein Fehler auftrat.
30 Kanten mit Rissen und 30 ohne Risse wurden gegeneinander mit den folgenden Ergebnissen getestet:
In keinem Fall trat ein Versagen in bezug auf Risse oder wegen Rissen ein.

Claims

1. Schneideinsatz eines Materials, das wenigstens 50 Vol.% Carbonitride von Metallen aus den Gruppen IVA, VA oder VIA im Periodensystem oder von Gemischen hiervon und eine Co, Ni und/oder Fe umfassende Bindephase umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß er Oberflächenfehler auf der Spanfläche in der Form von Rissen mit einer Breite von 2 bis 10 µm und einer Tiefe von bis zu 500 µm enthält, die daraus resultieren, daß ein Preßkörper des Materials derart ungleichmäßige Verdichtung erhielt, daß die Arbeitskanten nach dem Pressen, aber nicht nach dem Sintern eine relativ höhere Dichte als das umgebende Material hatten.

2. Schneideinsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material eine gesinterte Carbonitridlegierung auf Titanbasis ist.

3. Verfahren zur Herstellung eines Schneideinsatzes mit pulvermetallurgischen Mitteln aus einem Material, das wenigstens 50 Vol.% Carbonitride von Metallen der Gruppen IVA, VA oder VIA im Periodensystem oder Gemischen hiervon und eine Co, NI und/oder Fe umfassende Bindephase umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß man dem Pulver eine ungleichmäßige Verdichtung beim Pressen derart erteilt, daß der Preßkörper eine höhere relative Dichte in jenen Bereichen, die die Arbeitskanten in dem schließlich gesinterten Schneideinsatz bilden sollen, als in dem umgebenden Material hat.