DE2127162A1

DE2127162A1 - Einsatz zum Schneiden von Stahl, Gußeisen oder ähnlichem Werkstoff

Info

Publication number: DE2127162A1
Application number: DE19712127162
Authority: DE
Inventors: Fall Johan Olof William Enskede Ohlsson (Schweden)
Original assignee: Sandvikens Jernverks AB
Current assignee: Sandvik AB
Priority date: 1970-06-26
Filing date: 1971-06-01
Publication date: 1971-12-30
Also published as: SE338698C; DE2127162B2; US3755866A; DE2127162C3; FR2096507B1; SE338698B; GB1297896A; JPS5234789B1; CH565610A5; AT307196B; CA943413A; FR2096507A1

Description

DIPL.-ING. KLAUS BEHN DIPL.-PHYS. ROBERT MÜNZHUBER Z IZ/ I DZ

PATENTANWÄLTE

8 MÜNCHEN 22 Wl DENMAYERSTRASSE β TEL (0811) 22 25 30-29 5192

l.Juni 1971 Unsere Zeichen: A 156 71

A 157 71/Pi/gb

Firma SANDVIKENS JERNVERKS AKTIEBOLAG , Fack, S-8II Ol

Sandviken 1, Schweden

Einsatz zum Schneiden von Stahl, Gußeisen oder ähnlichem Werkstoff

Die Erfindung betrifft Hartmetalleinsätze zum spangebenden Bearbeiten von Stahl, Gußeisen und anderen metallischen oder nichtmetallischen Werkstoffen.

Bei solcher Bearbeitung sind die Einsätze im allgemeinen an dem Schneidwerkzeug durch Löten oder Klemmen befestigt und können z. B. aus einer Platte bestehen, die häufig eine dreieckige oder quadratische Form hat und Schneidkanten zwischen einer oder beiden Stirnseiten der

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- 2 Platte und ihren Seitenflächen aufweist.

Es ist bereits bekannt, wie dünne Schichten von harten Grundbestandteilen, z. B. Karbiden, auf gesintertes Hartmetall aufgebracht werden, um einen höheren Verschleißwiderstand in dem Schneidmaterial zu erreichen, Beim Bearbeiten von Stahl und Gußeisen bei relativ hohen Schnittgeschwindigkeiten wurde eine dünne Schicht von Titankarbid angewendet. Für das Bearbeiten von Gußeisen, vorzugsweise bei niedrigen Schnittgeschwiüigkeiten, ist auch vorgeschlagen worden, Schichten von Wolframkarbid zu verwenden.

In Abhängigkeit von Charakter des Verschleißvorganges ( wear mechanism) gibt die eine oder die andere der erwähnten Hartschichten das beste Ergebnis. Bis jetzt war es praktisch notwendig,.sich mit dem Kompromiß einer Schicht von TiC zufrieden zu geben, die sehr gute Ergebnisse beim Schneiden von Stahl und relativ gute Ergebnisse beim Schneiden von Gußeisen vorzugsweise bei hohen Schnittgeschwindigkeiten, ergeben hatte.

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Es ist auch vorgeschlagen worden, Schichten von gemischten Karbiden, z. B. von (TiW)C zu benutzen, aber auch in diesem Falle ist es ein vorgeschlagener Kompromiß.

Eine grundlegende Lösung des Problems , eine optimale Lebensdauer (Standzeit) des Werkzeug, materials beim Schneiden von unterschiedlichen Werkstoffen sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Schnittgeschwindigkeiten zu erreichen, ist jetzt überraschend erreicht worden durch Aufbringen von Schichten verschieden harter Grundstoffe übereinander.

Gemäß der Erfindung besteht die auf dem Hartmetalleinsatz aufgebrachte Beschichtung aus zwei extrem verschleißfesten und sehr dünnen Schichten, die aufeinander aufgebracht sind, und von denen die eine Schicht aus einem extrem feinkörnigen Titankarbid, Tantalkarbid, Zirkonkarbid, Hafniumkarbid, Vanadium karbid und /oder Niobiumkarbid und die andeie Schicht aus einem extrem feinkörnigen Wolframkarbid, Molybdänkarbid und/oder Chromkarbid besteht.

Die beiden Schichten können vorzugsweise auf dem

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Schneidkörper bzw. die Unterlage durch Auftragen (Niederschlagen) aus einer gasförmigen Phase aufgebracht werden. In solchen Fällen ist es zweckmäßig, Metallhalogen gemischt mit Wasserstoff und Kohlenwasserstoff zu benutzen. Beim Aufbringen von Titankarbid werden z. B. im allgemeinen Titantetrachlorid und Wasserstoff gemischt mit Methan gebraucht. Die Reaktion findet üblicherweise bei einer Temperatur zwischen 700 - 1100° C statt, und bei einem Gasdruck zwischen 1 - 100 torr (mmHg) strömt das Gas durch den Behälter, in dem das Auftragen vorgenommen wird.

Auch andere Verfahren können beim Auftragen der doppelten Schicht angewendet werden. So wurde es als vorteilhaft festgestellt, das Aufbringen durch sogenanntes Zerstäuben (sputtering) vorzunehmen. Bezüglich Verfahren, die ausgezeichnete Resultate ergeben haben, können auch Aufdampfen und elektrolytisches Aufbringen erwähnt werden.

Es ist festgestellt worden, daß eine doppelte Schicht, die wie erwähnt aufgebaut ist, dieselben guten Resultate sowohl beim Bearbeiten von Stahl als auch von Gußeisen oder anderen Metallen oder dergleichen ergibt. Unter anderem hat

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es die Erfindung möglich gemacht, während der Lebensdauer des Einsatzes gleichzeitig einerseits die ausgezeichnete Festigkeit bzw. DauerhaUbarkeit und den Grundstoff-Verschleißwiderstand der Wolframkarbidschicht bzw. der Chrom- oder Molybdänkarbidschicht und andererseits den Widerstand gegen Auskolken und Flankenverschleiß auszunutzen, insbesondere beim

der ist

Schneiden von Stahl,/charakteristisch/für die Schicht von Titankarbid bzw. Tantal-, Zirkonium-, Hafnium-, Vanadium- oder Niobiumkarbid. Auf diese Weise ist es möglich geworden, optimale Ergebnisse beim Zerspanen von Gußeisen oder dergleichen bei niedrigen Geschwindigkeiten oder Temperaturen als auch beim Zerspannen von Stahl, Gußeisen oder dergleichen bei hohen Schnittgeschwindigkeiten, Drücken und Temperaturen zu erreichen.

Die Beschichtung muß extrem dünn sein, um eine vergrößerte oder optimale Standzeit bei sehr variablen Schnittbedingungen zu ergeben, was den Einsatz gemäß der Erfindung kennzeichnet. Die beiden Verschleißwiderstandsschichten, die übereinander aufgebracht sind, sollen da-

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her zwischen 1 - 9 u in der Dicke sein, vorzugsweise zwischen 1,5 - S ja. Die Dicke jeder harten Schicht sollte im allgemeinen unter 5 >i sein und vorzugsweise 2 u überschreiten. Wenn die erwähnten Grenzen nicht eingehalten werden, werden die vorteilhaften Eigenschaften nicht erreicht.

Gemäß einer Ausführungsform der Schneideinsätze nach der Erfindung sollte die Beschichtung wenigstens die Schneidkante oder -kanten und die anschließende Spanfläche oder -flächen bedecken und in der Regel auch die anschließende Freifläche oder -flächen. Oft ist es angebracht, den Schneidkörper oder die Unterlage ganz mit einer Beschichtung der erwähnten Art zu'verr sehen.

Der Schneidkörper oder die Unterlage soll aus gesintertem Hartmetall bestehen, das wenigstens eine Karbidart enthält, z. B. WC, TiC, TaC und/oder NbC außer Bindemetall, z. B. Co, Ni" und/oder Pe. Der Schneidkörper sollte zu der gewünschten Gestalt geformt sein, bevor die Beschichtung aufgebracht wird.

Unter anderem abhängig von dem zu zerspanenden Werkäoff und der Art des Schneidens wird eine optimale Lebensdauer des Einsatzes erreicht bei verschiedenen relativem Aufbringen der beiden Schichten der Beschichtung. In vielen Fällen wird das maximale Ausnutzen des Einsatzes erreicht, wenn die innere, dem Schneidkörper zunächst liegende Schicht aus Titankarbid, Tantalkarbid, Vanadiumkarbid,Zirkoniumkarbid,Hafniumkarbid und/oder Niobiumkarbid besteht, und die äußere Schicht aus Wolframkarbid, Molybdänkarbid und/oder Chromkarbid besteht. Als ein Beispiel für die Schnittbedingungen, bei denen die erwähnte Anordnung der Beschichtung optimale Ergebnisse erbracht hat, kann das Drehen von Stahl und Stahlguß angegeben werden. Diese Bearbeitung wurde als Grobbearbeitung bei niedriger Schnittgeschwindigkeit begonnen und als Peinbearbeitung bei zunehmender Schnittgeschwindigkeit und schließlich bei sehr hoher Schnittgeschwindigkeit fortgesetzt.

In anderen Fällen ist eine optimale Lebensdauer des Einsatzes erreicht worden, wenn die dem Schneidkörper nächstgelegene innere Schicht aus Wolframkarbid , Molybdänkarbid und/oder Chromkarbid und die äußere Schicht aus Titankarbid, Tantalkarbid,Vanadiumkarbid, Zirkorikarbid, Hafniumkarbid und/oder Niobkarbid besteht. Als ein Beispiel

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von Sehnittbedingungen, bei denen die zuletzt erwähnte Anordnung der Beschichtung optimale Resultate erbracht hat, kann das Drehen von Gußeisen bei sehr variablen Schnittbedingungen erwähnt werden, die unter' anderem den Vorschub und die Schnittge- * sjhwindigkeit betreffen.

Es ist auch in gewissen Fällen als geeignet festgestellt worden, eine extrem dünne Schicht aus Co,Ni und/oder Pe zwischen den beiden Verschleißwiderstandsschüiten, die übereinander angeordnet sind, aufzubringen. Au/diese Weise ist die Zähigkeit (Widerstandfähigkeit) des Materials in wesentlichem Ausmaß vergrößert worden. Die Dicke der dünnen Zwischenschicht sollte zwischen

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ο,Ι - 2 u sein. Manchmal ist auch als vorteilhaft festgestellt worden, eine dünne Metallschicht zwischen der Hartmetallunterlage und der Beschichtung anzubringen. Diese Schicht, die z„ B₀ aus Pt, Fe oder Ni besteht, hat gewöhnlich eine Dicke unter 2 yu . Verschleißwiderstands-Doppel-Karbidschichten gemäß der Erfindung, mit oder ohne die erwähnte Metallschicht, haben auch ein bemerkenswertes Ansteigen der Lebensdauer bei anderen gesinterten und beschichteten Hartmetallkörpern ergeben. Als Beispiele seien Verschleißteile von Maschinenelementen oder Werkzeugen mit ' hohen Anforderungen an Verschleißwiderstand und Härte in Kombination mit guter Festigkeit erwähnt.;

Die Erfindung ist besser zu verstehen aus den folgenden Beispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Es stellen dar:

Fig. 1 einen Teilquerschnitt eines Einsatzes mit einer Oberflächenbeschichtung;

Fig. 2 und 3 den Verschleiß in Abhängigkeit von der Bearbeitungszeit, z. B. beim

Drehen. -

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i Beispiel 1. Per Teil des in Fig. 1 dargestellten

-JH -

Einsazes besteht aus einem Schneidkörper 1 von gesinterten Hartmetall, der mit einer dünnen Beschichtung 2. - 4 versehen ist. Das dargestellte Ausführungsbeispiel veranschaulicht eine Ausführungsform, bei der die Beschichtung aus einer inneren Lage 2 von TiC, einer äußeeren Lage 5 von WC und einer Lage 4 von Co besteht, die zwischen den beiden VerschleißwiderstandsschJchten liegt. Die Dicke der beiden Verschleißwiderstandsschichten ist etwa je 2 u, und die Dicke der weicheren Co-Schicht ist etwa 0,5 W . Die Zusammensetzung des Hartmetalls in dem Schneidkörper war in Gewichtsprozenten: 10 $ Co, 70 % WC und 20 % kubische Karbide in Form von TiC,TaC und NbC. Die beiden Verschleißwiderstands-Karbidschichten waren niederge-

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schlagen aus einer gasförmigen Phase, die einzelne Metallchloride (TiCl^ bzw. WCl₆) enthielt, die mit Methan und Wasserstoff gemischt waren. Die Co-Schicht war durch Zerstäuben (sputtering) aufgebracht worden.

Beispiel 2. Das in Pig. 2 dargestellte Schaubild veranschaulicht die Ergebnisse von Schneiduntersuchungen, bei denen ein Einsatz, der mit einer einzigen Schicht von TiC gemäß sder früher bekannten Technik be-

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wurde

schichtet ist, verglichen/mit einem Einsatz, der rat einer doppelten Lage von TiC und WC gemäß der Erfindung beschichtet ist.

Das Schneiden wurde vorgenommen als Drehen von Gußeisen bei Werkstücken von relativ großem Ausgangsdurchmesser. Die. Prüfung war grundsätzlich auf das sogenannte Orthogonalschneiden abgestellt, z. B. auf eine Bearbeitung mit radialem Vorschub und einer kon&anten Drehzahl des Werkstücks. Xn dieser Weise wurden einheitliche Testbedingungen erhalten, und ein graduelles Absinken der Schnittgeschwindigkeit mit dem abnehmenden Durchmesser des Werkstücks wurde erreicht. Die Dicke der doppelten Lage lag im Bereich der Dicke der einzigen Lage.

Schneid-Meßwerte:

Drehen von Gußeisen. Der Verschleiß des Werkzeuges in Abhängigkeit von der Bearbeitungszeit bei einer allmählich absinkenden Schnittgeschwindigkeit , jedoch unter sonst kontanten Schnittbedingungen:

Schnittgeschwindigkeit : 280 - 25 rä/min Drehzahl i 282 ü*/min

109853/1164 - u -

Vorschub: . 0,6 inin/Umdr.
Schneidtiefe: 2,5 mm
Schneidkantenwinkel: 90°

Werkstoff: Gpßeisen SIS 0125 mit einer Zusammen-• setzung von

C= 3,03 %_s Si = 2,0 %, Mn = 0,8 % Werkzeugmaterial: a) Hartmetalleinsatz mit Deckschicht von TiC (einfache Lage) mit einer Dicke von 3*5 Ά · b) Hartmetalleinsatz mit Beschichtung gemäß der Erfindung (doppelte Schicht^, bestehend aus einer inneren Schicht von WC mit einer

Dicke von 1,5/* und einer äußeren Schicht von TiC mit einer Dicke

von 2 /i .

Fig. 2 zeigt den durchschnittlichen Plankenverschleiß VB- als Punktion der Bearbeitungszeit t. Es ist ersichtlich, daß die Standzeit des Einsatzes b, der gemäß der Erfindung beschichtet ist, beträchtlich größer ist als die des Vergleicheinsatzes a).

Beispiel 3. Das in Fig. 3 dargestellte Schaubild

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zeigt die Ergebnisse einer anderen Schneidprüfung, bei der ein ähnlicher Vergleich gemacht worden ist zwischen einem Hartmetalleinsatz, der mit einer doppelten Karbidschicht gemäß der Erfindung beschichtet ist, und einem Hartmetalleinsatz, der gemäß der früher bekannten Technik mit einer einfachen Karbidschicht beschichtet ist. In Unterschied zu den Bedingungen im Beispiel 2 war das Schneiden in Stahl ausgeführt worden, und die doppelten Karbidschichten gemäß der Erfindung waren in umgekehrter Anordnung angeordnet.

Das Schneiden war als Drehen durchgeführt worden, grundsätzlich gleich wie im Beispiel 1; jedoch als Innendrehen. Dabei wurde eine allmählich anwachsende Schnittgeschwindigkeit mit anwachsenden innerem Durchmesser das Werkstücks in der gleichen Zeit erreicht, da die Testbedingungen im übrigen gleich waren.

Schneiddaten.

Drehen von Stahl; Werkzeugverschleiß als Punktion der Bearbeitungszeit bei allmählich anwachsender Schnittgeschwindigkeit, aber sonst konäsanten Schnittbedingungen.

Schnittgeschwindigkeit: 50 - 280 m/min

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Drehzahl: 282 U/min

Vorschub: 0,4 mm/Umdr.

Schneidtiefe: 2 nun

Schneidkantenwinkel: 90°

Werkstoff: Kohlenstoffstahl Sandvik 17 C(I % C)

P Werkzeugmaterial: a) Hartmetalleinsatz mit Oberfläehen-

beschichtung von TiC (einfache
Schicht) mit einer Dicke von 4 ai . Vergleichseinsatz.

b) Hartmetalleinsatz mit Oberflächenbeschichtung gemäß der Erfindung
(doppelte Schicht) , bestehend aus einer inneren Schicht von TiC mit
einer Dicke von 2 u und einer äußeren Schicht von WC mit einer Dicke von

Pig. 3 zeigt die Kratertiefe KT, d· h. den Kraterverschleiß, als Punktion der Schneidzeit t. Es ist ersichtlich, daß die Standzeit des Einsatzes b, der gemäß
der Erfindung beschichtet ist, wesentlich größer ist als
die des Vergleicheinsatzes a.

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Claims

iS

PATENTANSPRÜCHE

l.\ Einsatz zum Schneiden von Stahl, Gußeisen oder ähnlichen Werkstoffen, der aus einem Einsatzkörper oder Kern von gesintertem Hartmetall besteht und wenigstens eine Karbidart außer dem Bindemetall enthält, und auf den eine sehr dünne Beschichtung iait höherem Verschleißwiderstand als dem des Hartmetalls des Einsatzkörpers aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Umhüllung aus zwei Verschleißwiderstandssehichten besteht, die aufeinander aufgebracht sind, und von denen die eine Schicht aus extrem feinkörnigen Titankarbid, Tantalkarbid, Zirkonkarbid, Hafniumkarbid, Vanadiumkarbid und/oder Niobiumkarbid bestellt, und die andere Schicht aus extrem feinkörnigen Wolframkarbid, Molybdänkarbid und/oder Chromkarbid, und daß keine der Verschleißwiderstandsschichten ein Bindemetall enthält.

2. Einsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung wenigstens die Schneidkante oder -kanten und die sich anschließende Spanfläche oder -flächen bedeckt.

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j5, Einsatz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede äer aufeinander aufgebrachten Verschleißwiderstandsschichten eine Dicke zwischen 1-9/1 und vorzugsweise zwischen 1,5 - 6/u hat.

4. Einsatz nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden aufeinander aufgebrachten Verschleißwiderstandsschichten eine Dicke unter 5 A* und vorzugsweise über 2 u hat.

5· Einsatz nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schichten durch Auftragen (Niederschlagen) aus einer gasförmigen Phase auf den Schneidkörper aufgebracht worden sind.

6. Einsatz nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schneidkörper vor dem Aufbringen der Schichten in der gewünschten Form ausgebildet ist.

7. Einsatz nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Schicht, die zunächst dem Schneidkörper liegt, aus Wolframkarbid, Molyban

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karbid und/oder Chromkarbid besteht, und die äußere Schicht aus Titankarbid, Tantalkarbid, Zirkonkarbid, Hafniumkarbid, Vanadiumkarbid und/oder Niobiumkarbid.

8. Einsatz: nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Schicht , die zunächst den Schneidkörper liegt, aus Titankarbid, Tantalkarbid, Zirkonkarbid, Hafniumkarbid, Vanadiumkarbid und/oder Niobiumkarbid, und die äußere Schicht aus Wolframkarbid, Molybdänkarbid und/oder Chromkarbid besteht,

9. Einsatz nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden VersohleißvriderStandsschichten, die aufeinander aufgebragen sind, durch eine extrem dünne Zwischenschicht von Co, Ni und/oder We voneinader getrennt sind*

10· Einsatz naoh Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der dünnen Zwischenschicht zwischen 0,2 2 η liegt«;

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