SE503038C2 - Diamantbelagt skärande verktyg av hårdmetall eller keramik - Google Patents

Description

503 038 i ningen att döma av maskinbearbetningsprov. En föreslagen utväg mot den dàliga vidhäftningen är att deponera en mellanliggande beläggning med egenskaper att bättre anpassa till diamanten än till det ursprungliga substratmaterialet. I JP-A-59-166671 och JP-A-59-166672 är en metod beskriven för beläggning av hàrdmetall eller metallegeringar med diamant och, dessförinnan, en inre, in- termediär beläggning av olika karbider, nitrider, karbonitrider eller oxykarbonitrider av övergängsmetaller frän grupperna IV, V eller VI i det periodiska systemet, eller av kisel, bor eller aluminium. Möjligheten att ha nagot av dessa slag av beläggningar som den yttersta är även nämnd. Beläggningarna är deponerade med magnetronsputtering. Verktygen pàstàs vara utomordentliga i slit- styrka, men närvaron av en yttersta beläggning (annan än diamant)' är inte sagd att páverka slitstyrkan pá samma sätt som en mellan- liggande beläggning gör.

Ett annat exempel där en mellanliggande beläggning pástàs förbättra vidhäftningen mellan diamantbeläggningen och substratet är US 4,707,384. Detta patent beskriver en kompundkropp som har en tunn beläggning av metaller med hög affinitet till kol, vissa karbider, nitrider och oxider eller en ädelmetall mellan diamant- beläggningen och substratet. Återigen är möjligheten att ha någon av dessa beläggningar som den yttersta nämnd men inte sàsom spe- ciellt fördelaktig.

I "Annals of the CIRP, Vol. 41(l) 1992, p 381" är en metod beskriven där diamantpartiklar är belagda med fungerande skikt av krom eller kromkarbid. Men i denna artikel fokuseras vidhäftning- en mellan de krombelagda diamantpartiklarna och en omgivande mat- ris i vilken partiklarna är blandade.

Den har nu överraskande befunnits att flagningsmotstàndet sä- väl som slitstyrkan hos en diamantbeläggning pà en hárdmetall el- ler keramisk kropp, särskilt ett skär, kan betydligt förbättras om en tunn beläggning av kromnitrid, kromkarbid eller kromkarbo- nitrid är deponerad ovanpá diamantbeläggningen. Även om det krom- innehállande skiktet lätt avlägsnas lokalt under skäroperationen, leder närvaron av skiktet typiskt till ökade prestanda av átmins- tone 50% mätt som antalet bearbetade komponenter eller som tiden 3 503 038 till genombrott hos beläggningen. Den fördelaktiga effekten ökas ytterligare om beläggningen utsatts för mekanisk efterbehandling sàsom blästring eller borstning med hàrda partiklar. Typiskt er- hálls genom den kombinerade behandlingen bestàende av beläggning med ett krominnehàllande skikt och den mekaniska efterbehand- lingen en tväfaldig ökning i prestanda.

Fig 1 är en svepelektronbild i 4000X av en beläggning enligt föreliggande uppfinning vari A - CrN-skikt B - diamantskikt C - hardmetallkropp Enligt föreliggande uppfinning föreligger nu en kropp med en beläggning av átminstone ett diamantskikt och àtminstone ett skikt av kromnitrid, kromkarbid eller kromkarbonitrid, företrä- desvis kromnitrid, utanför diamantskiktet.

I fall av mer än ett diamantskikt är detta diamantskikt det yttersta diamantskiktet av beläggningen. Företrädesvis är det krominnehàllande skiktet i direkt kontakt med diamantskiktet men det kan även finnas, mellan det krominnehàllande skiktet och dia- mantskiktet, ett tunt, <1 um tjockt skikt omfattande ett slit- starkt eller metalliskt material.

Vanligen är det krominnehàllande skiktet det yttersta men det kan även finnas ovanpå detta ytterligare ett, 0.1 - 3 um tjockt skikt omfattande ett annat slitstarkt, metalliskt eller färgat skikt.

I en föredragen utföringsform är diamantskiktet i direkt kon- takt med den belagda kroppen eller skilt därifràn av ett <3 um tjockt skikt av ett slitstarkt eller metalliskt material.

Tjockleken av diamantskiktet är i omradet 1 - 20 um, företrä- desvis 4 - 15 um och tjockleken av det Cr-haltiga skiktet är 0.1 - 5 um. Tjockleken av det senare skiktet är alltid <200%, före- trädesvis <50%, av tjockleken av diamantskiktet.

Kornstorleken hos diamantbeläggningen är företrädesvis <15 pm, helst 3-10 um. Kornstorleken hos det Cr-innehållande skiktet är <1 um.

Det krominnehàllande skiktet har en ytfinhet Ra 0.1 - 0.5 um, 503 038 0.2 - 0.3 um.

Kropparna använda för beläggning enligt föreliggande uppfin- företrädesvis ning omfattar hàrdmetaller och keramik sasom Sialon och Si3N4.

Företrädesvis är en hardmetallkropp utarmad i ytzonen med avseen- de pa Co. Detta kan, karburera en eta-fas innehållande kropp som beskrivs i EP 464 012.

Enligt föreliggande uppfinning föreligger ocksa ett sätt att till exempel, vara erhallet genom att delvis tillverka diamantbelagda kroppar med förbättrad vidhäftning.

Kropparna är först belagda med atminstone ett diamantskikt med användning av nagon känd diamant CVD eller PVD beläggningsteknik, till exempel metoder med användning av en varm trad, DC, RF och MW plasmor, halkatod eller ett plasma jet. I dessa metoder an- vänds kolväten och väte i olika blandningsförhallanden och vid lagt tryck (1 - 1000 mbar) för diamantbildning. I nagra metoder kan diamantbeläggningen resultera i ett skikt som endast delvis företrä- täcker kroppen. Utanför det (yttersta) diamantskiktet, desvis ovanpa detta, är atminstone ett skikt av kromkarbid, krom- nitrid eller kromkarbonitrid utfällt. Det Cr-innehållande skiktet kan utfällas med nagon känd CVD- eller PVD-metod som inte nega- tivt paverkar diamantbeläggningen, företrädesvis, PVD-teknik och helst jonplätering.

Företrädesvis är kroppen efter beläggningen utsatt för en me- kanisk efterbehandling för att jämna till ytan. Ett exempel pa sadan mekanisk behandling är en lätt vatblästring med harda par- tiklar t.ex. Al2O3, SiC, WC eller diamant med storlek typiskt 100 - 400 mesh. Ett annat exempel är en lätt borstning med SiC borstar med användning av diamant- eller SiC-pulver (typiskt 100- 300 mesh) som ett borstande medel. Företrädesvis är det yttersta skiktet delvis avlägsnat med en täckning i eggen av 25-75%.

En förklaring till de förbättrade prestanda av maskinbear- betningsegenskaperna för ett diamantbelagt skärande verktyg en- ligt föreliggande uppfinning kan vara reduktionen av skärkrafter under maskinbearbetningsoperationen under beaktande av det faktum att det krominnehallande skiktet är betydligt slätare än en ren CVD-diamantbeläggning. Spanavlägsnandet kan vara underlättat ef- 503 038 tersom spànorna är i kontakt med det jämna, krominnehàllande skiktet.

Uppfinningen har beskrivits med hänvising till diamantbelag- da skärande verktyg men uppfinningen kan även tillämpas pà andra belagda verktyg. t.ex. verktyg för bergborrning och slitdelar.

Ezssmne-.IJ Sex WC-6%Co hàrdmetallskär med en Co-utarmad ytzon, belades först med ett 10 pm tjockt diamantskikt med användning av mikro- vágassisterad plasma CVD. Kornstorleken hos skiktet var omkring um. Ovanpå diamantskiktet var ett andra skikt bestående av 2 pm CrN deponerat i en reaktiv jonpläteringsprocess.

Ett jämnt CrN skikt erhölls med ytfinhet Ra = 0.25 um.

Skären utsattes för ett fräsflagningstest i en Al-9%Si-lege- ring med användning av följande skärdata: v = 1000 m/min f = 0.3 mm/tand a = 1 mm vátbearbetning Den diamant/CrN-belagda satsen av skär varade 320 passeringar i det här provet jämfört med en sats av skär med diamantbelägg- ningar som endast varade 170 passeringar.

Exempel 2 Sex Si3N4 skär belades med ett 10 um tjockt diamantskikt som i Exempel 1. Ett 4 um CrN-skikt var deponerat ovanpå diamantskik- tet som i Exempel 1. Ett jämnt CrN skikt erhölls med ytfinhet Ra = 0.25 um.

Skären utsattes för ett fräsflagningstest i en Al-4%Cu- i0.3%Si-legering med användning av följande skärdata: v = 1000 m/min f = 0.3 mm/tand a = 1 mm vátbearbetning 503 058 é Den diamant/CrN belagda satsen av skär varade 150 passeringar i detta prov jämfört med en sats av skär med diamantbeläggningar som endast varade 70 passeringar.

Exempel 3 Ett WC-6%Co hárdmetallskär med en Co utarmad ytzon belades först med ett 5 um tjockt diamantskikt med användning av mikro- vag-assisterad plasma-CVD liknande exempel 1 men kortare beläggningstid. Kornstorleken hos skiktet var omkring 7 um.

Ovanpà diamanten fanns ett andra skikt bestående av l um CrN deponerat i en reaktiv jonpläteringsreaktor. Ovanpá CrN- beläggningen var ett 2 um TiN skikt belagt med användning av jonplätering.

En ytfinhet av Ra = 0.23 um för verktygets yta uppnàddes.

Skäret utsattes för ett svarvprov i en Al-18%Si legering med skärvillkoren: 700 m/min 0.1 mm användning av V = f = a = 0.6 mm vàtbearbetning Det diamant/CrN/TiN belagda skäret varade 44 minuter innan skiktgenombrott erhölls medan ett skär med en 5 um tjock diamant- beläggning endast varade 16 minuter (dä beläggningen flagade av).

Exempel 4 Ett WC-6%Co hàrdmetallskär med en Co utarmad ytzon var belagt med ett 10 um diamantskikt med användning av en varmtrádsreaktor.

Ovanpà diamanten fanns ett andra skikt bestående av 2 um CrN de- ponerat som i Exempel 1. Skäret utsattes därefter för vät- blästring med användning av 200 mesh Al2O3.

Ett jämnt, väl vidhäftande CrN skikt uppnàddes (dvs ingen spontan flagning observerades). Ytfinheten var Ra = 0.2 um. CrN var avlägsnat fläckvis i egglinjen men fäste fortfarande bra pà de andra delarna av skäret.

Skäret utsattes för ett svarvprov i en Al-18%Si-legering med användning av skärvillkoren: , 503 oss v = 700 m/min f = 0.1 mm a = 0.6 mm vàtbearbetning Det diamant/CrN belagda och blästrade skäret varade 240 minu- ter före skiktgenombrott medan ett diamant/CrN belagt skär utan blästring varade 180 minuter och ett skär med en 10 um tjock dia- mantbeläggning endast varade 50 minuter.

Exemgel 5 Ett WC-4%Co hàrdmetallskär med en Co utarmad ytzon var belagt med ett diamantskikt som i Exempel 1. Ovanpà diamanten var ett andra skikt bestáende av 2 um CrN deponerat med användning av PVD jonsputtring. Skäret utsattes sedan för borstning med SiC borstar med användning av 150 mesh diamantpulver som ett borstande medel.

En jämnt väl vidhäftande CrN skikt uppnáddes. Ytfinheten var Ra = 0.2 um. CrN var avlägsnad fläckvis i egglinjen men fäste fortfarande bra pà de andra delarna av skäret.

Skäret utsattes för ett svarvprov i en Al-l8%Si-legering med användning av skärvillkoren: v = 700 m/min f = 0.1 mm a = 0.6 mm vätbearbetning Det diamant/CrN-belagda och borstade skäret varade 200 minu- ter före skiktgenombrott medan ett skär med en 10 um tjock dia- mantbeläggning endast varade 50 minuter.

Exemgel 6 Ett 5 um tjockt diamantskikt var deponerat pä ett WC-6%Co hàrdmetallskär med en Co-utarmad ytzon. Diamanten var dessutom belagd med ett 1 um tjock CrN skikt. Skäret var därefter vät- blästrat med användning av 200 mesh Al2O3 blästringspartiklar.

Skäret utsattes för svarvning av komponenter i en Al-7%Si-le- gering hos en skäranvändare med användning av skärvillkoren: v = 1500 m/min 505 038 8 f = 0.8 mm a = 1-3 mm torrbearbetning Det diamant/CrN-belagda skäret användes för bearbetning av 164 komponenter medan ett skär med en 5 um tjock diamantbeläggn- ing användes endast för 99 komponenter. Haverimekanismen var flagning av beläggningarna.

Exempel 7 Ett 10 um tjock diamantskikt var deponerat pà ett WC-6%Co härdmetallskär med en Co utarmad ytzon. Diamanten var därefter belagd med ett 2 um tjockt CrN skikt.

Skäret utsattes för ett svarvprov i en Al-7%Si legering hos en skäranvändare med användning av följande skärdata: v = 2500 m/min f = 0.25 mm a = 0.5 mm torrbearbetning Det diamant/CrN belagda skäret användes för bearbetning av 136 komponenter medan ett skär med en 10 um tjock diamantbelägg- ning användes för endast 88 komponenter. Haverimekanismen var flagning av beläggningarna.

Claims (7)

10 15 20 25 30 35 503 038 9 Patentkrav

1. Kropp av hårdmetall eller keramik, speciellt ett skärande verktyg, belagd med åtminstone ett diamantskikt medelst CVD- eller PVD-teknik, och åtminstone ett skikt av kromkarbid, kromnitrid eller kromkarbonitrid, k ä n n e t e c k n a d av att det krominnehállande skiktet år beläget utanför sagda diamantskikt och att ifall av mer än ett diamantskikt sagda diamantskikt är det yttersta diamantskiktet av beläggningen, varjämte skikt- beläggningen utsatts för en mekanisk efterbehandling såsom blästring eller borstning med hårda partiklar.

2. Kropp enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d av att sagda diamantskikt är i direkt kontakt med den belagda kroppen eller skilt därifrån av ett <3 um tjockt skikt av ett slitstarkt eller metalliskt material.

3. Kropp enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d av att det krominnehállande skiktet är i direkt kontakt med sagda diamantskikt eller skilt därifrån av ett <1 um tjockt skikt av ett slitstarkt eller metalliskt skikt.

4. Kropp enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d av att det krominnehállande skiktet är det yttersta skiktet eller försett med ett 0.1 - 3 um tjockt skikt av ett annat slitstarkt, metalliskt eller färgat skikt.

5. Kropp enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d av att kroppen efter beläggningen har en ytfinhet av Ra 0.1 - 0.5 um, företrädesvis 0.2 - 0.3 um. 503 038 w

6. Kropp enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d av att tjockleken av sagda diamantskikt är 2 - 15 um och tjockleken av det krom- innehållande skiktet är 0.2 - 5 um.

7. Kropp enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d av att kroppen är en hårdmetall- kropp med en Co-utarmad ytzon.