SE519830C2 - Titanbaserad karbonitridlegering med bindefas av kobolt för finbearbetning - Google Patents

Description

Föreliggande uppfinning avser en sintrad kropp av en karbonitridlegering med titan som huvudkomponent som har förbättrade egenskaper speciellt vid användning som skärverktygsmaterial i lätta finbearbetningsoperationer vid hög skärhastighet. Detta har åstadkommits genom att kombinera en karbonitridbaserad hård fas av specifik kemisk sammansättning med en extremt lösningshärdad Co-baserad bindefas. Sagda bindefas har egenskaper liknande bindefasen i WC-Co-baserade material men det har varit möjligt att öka lösningshärdningen bortom den punkt där etafas normalt uppträder.

Titanbaserade karbonitridlegeringar, så kallat cermets, framställs med pulvermetallurgiska metoder och omfattar hårda beståndsdelar av karbonitrid inbäddade i en metallisk bindefas. Den hårda be-ståndsdelens korn har vanligen en komplex struktur med en kärna omsluten av en bård av annan sammansättning. Förutom titan tillsätts grupp Via element, normalt både molybden och wolfram för att underlätta vätningen mellan bindefas och hårda beståndsdelar och för att förstärka bindefasen med hjälp av lösningshärdning. Grupp IVa och/eller Va element, t ex Zr, Hf, V, Nb och Ta, tillsätts också i alla kommersiella legeringar tillgängliga i dag. De karbo-nitridbildande elementen tillsätts vanligtvis som karbider, nitri-der och/eller karbonitrider. Historiskt har bindefasen i cermets varit nickel, förmodligen mest därför att Ti har en hög löslighet i Ni för att underlätta tillräcklig vätning för att erhålla en låg porositetsnivå. Under 1970-talet introducerades en bindefas av en fast lösning kobolt och nickel. Detta var förmodligen möjligt genom förbättrad råmaterialkvalitet, särskilt en lägre förorenings-nivå av syre. I dag innehåller alla kommersiella legeringar 3-25 vikt% av en bindefas i fast lösning med relativa proportioner Co/(Co+Ni) i området 50-75 atom-I.

Cermets är i dag väl etablerat som skärmaterial i metallbearbet-ningsindustrin. Jämfört med WC-Co baserade material har de utomor-dentlig kemisk stabilitet i kontakt med varma stål även i obelagt tillstånd, men väsentligen lägre hållfasthet. Detta gör dem mest lämpliga för finbearbetningsoperationer, vilka vanligen karakteri- seras av begränsad mekanisk belastning på skäreggen och ett högt ytfinhetsbehov på den färdiga komponenten. Men tyvärr lider cermets av ett oförutsägbart förslitningsuppförande. I värsta fall förorsakas slutet av livslängden av bulkbrott som kan leda till allvarlig skada på arbetsstycket såväl som på verktygshållare och maskin. Mer ofta bestäms slutet av livslängden av ett litet egg-linjebrott, vilket plötslig ändrar ytfinishen eller erhållna di-mensioner. Gemensamt för båda slagen av skador är att de är sto-kastiska i sin natur och inträffar utan föregående varning. Av dessa skäl har cermets en relativt låg marknadsandel speciellt i modern, högt automatiserad produktion som litar på en hög grad av förutsägbarhet för att undvika kostsamma produktionsstopp.

Det uppenbara sättet att förbättra förutsägbarheten inom det avsedda applikationsområdet skulle vara att öka segheten av materialet och arbeta med en större säkerhetsmarginal. Men hittills har detta inte varit möjligt utan att samtidigt reducera förslitnings- och deformationsmotståndet av materialet till en grad, som väsentligen minskar produktiviteten.

Det är ett ändamål med föreliggande uppfinning att lösa noggrant problemet beskrivet ovan. Det är faktiskt möjligt att utforma och producera ett material med väsentligen förbättrad seghet vid bibe-hållen deformations- och slitstyrka på samma nivå som konventionella cermets. Detta har åstadkommits genom att arbeta med lege-ringssystemet Ti-Ta-W-C-N-Co. Inom detta system har ett antal re-striktioner befunnits som ger optimala egenskaper för det avsedda användningsområdet. Som så ofta är lösningen inte en enda större ändring utan snarare en lyckosam kombination av följande precisa behov som tillsammans ger önskade egenskaper: 1. Den konventionella Ni-innehållande bindefasen är ersatt med en Co-baserad bindefas som i WC-Co legeringar, dvs den kemiskt stabila hårda fasen i cermets är kombinerad med den sega bindefasen i hårdmetaller. Co och Ni uppför sig väsentligen olika under deformation och löser väsentligen olika mängder av de individuella karbonitridbildarna. Av dessa skäl är Co och Ni inte utbytbara som det tidigare vanligen har ansetts. För tillämpningar såsom lätt finsvarvning av stål och gjutjärn vid hög skärhastighet är mängden av Co 3-9 atom-%, företrädesvis 5-9 atom-I. 2. Bindefasen måste vara tillräckligt lösningshärdad. Detta erhålls genom att utforma den hårda fasen på ett sådant sätt att vä-sentliga mängder av övervägande W-atomer är upplösta i Co. Det är välkänt att Ti, Ta, C och N alla har låg eller mycket låg löslighet i Co medan W har hög löslighet. Så inom detta legeringssystem skall bindefasen vara väsentligen en fast lösning av Co-W som är fallet för WC-Co legeringar. Lösningshärdningen mäts vanligtvis indirekt som relativ mättnadsmagnetisering, dvs förhållandet mellan mättnadsmagnetisering av bindefasen i legeringen jämfört med mättnadsmagnetiseringen av en lika mängd ren kobolt. För WC-Co-legeringar nära grafitgränsen fås en relativ mättnadsmagnetisering av "ett". Vid minskande kolhalt i legeringen ökar lösningshärdningen och når ett maximum vid en relativ mättnadsmagnetisering av omkring 0.75. Under detta värde bildas etafas och lösningshärdningen kan inte längre ökas. För legeringarna i föreliggande uppfinning har det visat sig att lösningshärdning kan drivas väsentligen längre än för WC-Co-legeringar genom en kombination av relativt hög N-halt, hög Ta-halt och låg interstitialbalans. Det exakta skälet härtill är okänt men medför förbättrade egenskaper förmodligen eftersom den termiska expansionen av den hårda fasen i cermets är större än för WC och så högre lösningshärdning krävs för att undvika utmattning genom plastisk deformation av bindefasen under termo-mekanisk cykling. Den relativa mättnadsmagnetiseringen skall vara under 0.75, företrädesvis under 0.65 och helst under 0.55. 3. För att kombinera hög seghet och högt deformationsmotstånd med god egglinjekvalitet behövs vanligen ett material med högt bindefasinnehåll kombinerat med en liten hårdfaskornstorlek. De konventionella sättet att minska kornstorleken i cermets har varit att minska råmaterialkornstorleken och öka N-innehållet för att förhindra korntillväxt. Men för legeringarna enligt föreliggande uppfinning har ett högt N-innehåll ensamt inte visat sig tillräckligt för att erhålla de önskade egenskaperna. Lösningen har i stället visat sig vara en kombination av ett relativt högt N-innehåll (N/(C+N) i området 25-50 atom-%, företrädesvis 30-45 atom-%, och helst 35-40 atom-%) och ett Ta-innehåll av åtminstone 2 atom-%, företrädesvis i området 4-7 atom-% och helst 4-5 atom-%. För legeringar med Co-baserad bindefas bestäms kornstorleken bäst ge nom mätning av koercitivkraften, Hc. För legeringar enligt föreliggande uppfinning skall koercitivkraften vara över 13 kA/m, företrädesvis över 14 kA/m och helst 15-21 kA/m. 4. Inom rimliga gränser påverkar mängden W tillsatt till materialet inte direkt egenskaperna. Men W-innehållet skall vara över 2 atom-%, företrädesvis i området 3-8 atom-% för att undvika en oac-ceptabelt hög porositetsnivå. 5. Materialet beskrivet ovan är ytterst reaktivt under sintring. Okontrollerade sintringsparametrar, t ex konventionell vakuum-sintring, kan leda till åtskilliga icke önskvärda effekter. Exempel på sådana effekter är stora sammansättningsgradienter mot ytan beroende på växelverkan med sintringsatmosfären och hög porositet beroende på gasbildning inom legeringen efter porslutning. Till-verkning av materialet har även krävt utveckling av en unik sintringsprocess beskriven i den svenska patentansökan 9901581-0 inlämnad samtidigt härmed. Med användning av denna process erhålls ett material vilket inom rimliga mätgränser och statistiska fluktuationer har samma kemiska sammansättning från centrum till ytan såväl som en jämnt fördelad porositet av A08 eller bättre, företrädesvis A06 eller bättre och helst A04 eller bättre.

För skäroperationer med krav på extremt hög slitstyrka är det lämpligt att belägga kroppen enligt föreliggande uppfinning med en tunn slitstark beläggning med användning av PVD, CVD eller någon liknande teknik. Det skall noteras att sammansättningen av kroppen är sådan att några av beläggningarna och beläggningsteknikerna som idag används för WC-Co-baserat material eller cermets kan direkt användas, fast naturligtvis valet av beläggning kommer att även inverka på deformationsmotståndet och segheten av materialet.

Exempel 1 Pulver av Ti(C,N), WC, TaC och Co blandades för att erhålla proportionerna (atom-%) 38.1 Ti, 3.8 W, 4.6 Ta, 7.0 Co och ett N/(C+N)-förhållande av 38 atom-%. Pulvret våtmaldes, spraytorkades och pressades till TNMG160408-pf skär.

Skär av samma form framställdes från ett andra pulver, som är en väl etablerad sort inom sitt användningsområde, (P05). Denna sort (^referens) har följande sammansättning (atom-%): 37.2 Ti, 2.8 W, 1.3 Ta, 3.2 Mo, 2.6 V, 4.5 Co, 3.1 Ni och ett N/(C+N)-förhållande av 22 atom-%.

Skär från referenspulvret sintrades med användning av en standard-process medan skären enligt uppfinningen sintrades enligt sint-ringsprocessen beskriven i 9901581-0. Fig 1 visar en svepelektron-mikroskopbild av mikrostrukturen erhållen i skären framställda enligt uppfinningen.

Mätningar av fysikaliska egenskaper visas i tabellen nedan: Image available on "Original document" Notera att koercitivkraft och relativ mättnadsmagnetisering inte är relevanta mättekniker för Ni-innehållande legeringar eftersom i detta fall koercitivkraften inte har någon klar koppling till kornstorleken och relativ mättnadsmagnetisering är övervägande en mätning av alla andra element lösta i bindefasen frånsett wolfram.

Exempel 2 Skärprov i ett högt seghetskrävande arbetsstycke genomfördes med följande skärdata: Arbetsstyckematerial: SCR420H V=200 m/min, f=0,2 mm/r, skärdjup=0,5 mm, kylmedel Resultat: (antal passeringar före brott, genomsnitt av fyra eggar) Image available on "Original document" Exempel 3 Motståndet mot plastisk deformation för båda materialen bestämdes genom ett skärprov.

Arbetsstyckematerial: SS2541 A=l mm, f=0,3 mm/r, skärtid=2,5 min Resultatet nedan visar skärhastigheten (m/min) när eggarna deformerades plastiskt. (Medelvärde av två eggar.) Image available on "Original document" Av exemplen ovan är det klart att jämfört med ett tidigare känt material, har skär framställda enligt uppfinningen väsentligen förbättrad seghet och deformationsmotstånd. Medan uppfinningen omfattar endast elementen Ti, Ta, W, C, N och Co är det uppenbart att dessa i någon utsträckning kan ersättas av små mängder av alternativa element utan att frångå uppfinningstanken. Speciellt kan Ta delvis ersättas av Nb och W delvis av Mo.

Claims (3)

Krav

1. En titanbaserad karbonitridlegering bestående av Ti, Ta, W, C, N och Co, speciellt användbar för lätta finbearbetningsoperationer kännetecknad av 5-9 atom-% Co, 4-5 atom-% Ta, 3-8 atom-% W, ett N/(C+N)-förhållande av 25-50 atom-%, en relativ mättnadsmagnetisering under 0^ ,75 samt en koercitivkraft över 13 kA/m.

2. En titanbaserad karbonitridlegering enligt föregående krav kännetecknad av att legeringen inom rimliga mätgränser och statistiska fluktuationer har samma kemiska sammansättning från centrum till ytan.

3. En titanbaserad karbonitridlegering enligt något av föregående krav kännetecknad av att legeringen inom rimliga mätgränser och statistiska fluktuationer har en jämnt fördelad porositet av A06 eller mindre, helst A04 eller mindre.