DE2018662A1

DE2018662A1 - Verbundwerkstoff für Schneidwerkzeuge

Info

Publication number: DE2018662A1
Application number: DE19702018662
Authority: DE
Inventors: Hans Erich Dr. Anet; Gass Hans; Härter Dorothea Dipl.-Ing.; Hänni Werner; NeuchStel; Hintermann (Schweiz)
Original assignee: Laboratoire Suisse de Recherches Horlogeres, NeuchStel (Schweiz)
Priority date: 1969-06-02
Filing date: 1970-04-18
Publication date: 1970-12-10
Also published as: FR2045776A1; GB1284030A; FR2045776B1; CH542678A

Description

DR.-INQ. UlP-.-l^a. M. «Ο. ΟΙβ^.-ΡΗΥβ. DR. DIPI..PHY». HÖGER-STELLRECHT-GRIESSBACH-HAECKER PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

■λ 38 112 b 2018662

13. April 197o

Laboratoire Suisse de Recherches

Horlogeres,
Rue Breguet 2, Neuchatel (Schweiz)

Verbundwerkstoff für Schneidwerkzeuge

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_Vi.

Die heute zur spanabhebenden Bearbeitung verwendeten Schneidewerkstoffe stellen einen Kompromiss zwischen ihrer Verschleissfestigkeit und ihrer Zähigkeit dar. So ist z.B. der äusserst verschlelssfeste Diamant sehr spröde und findet daher nur in Sonderfallen Verwendung. Der heute noch vielfach verwendete ' Schnellsohnittstahl ist zwar relativ zäh, jedoch wenig verschleissfest.

Es ist nun denkbar, ein zähes Material mit einer harten, abriebfesten Schicht zu Überziehen, um dadurch einen Idealen Schneidewerkstoff zu erhalten, der sowohl zäh als auch verschleissfest ist.

PUr solche abriebfesten Schichten kommen eine Anzahl metallischer und nicht metallischer Hartstoffe in Präge, wie etwa Karbide, Boride, Nitride und Suizide der Uebergangsmetalle der Gruppen K bis 6 des Periodensystems, Diamant, Korund, harte Minerallen, Borkarbid, Siliziumkarbid, kub. Bornitrid und Aluminiumnitrid. In kompakter Form sind diese Stoffe ausserordentlich spröde. Sie lassen sich jedoch zum Teil als dünne Schichten auf geeigneten Trägermaterialien (Substraten) abscheiden und können in dieser Porm sehr duktil sein. Als Beispiel sei die T+tankarbld-Beschichtung von Stahl durch thermochemische Abscheidung aus der Qasphase angeführt. Eine einfache Kombination eines zähen Substrats mit einer sehr harten, nur wenige jum starken Hartstoffschicht, führt jedoch auf arund der stark voneinander abweichenden Eigenschaften von Schicht- und Substratmaterial zu einem Werkstoff, der den hohen Anforderungen, die an einen Schneidewerkstoff gestellt werden, nicht genügt. ■ ■

Es wurde nun gefunden, dass wenn man zwischen dem zähen Substrat und der harten Deckschicht mindestens eine Zwischenschicht mit ganz bestimmten Eigenschaften vorsieht, man einen Verbundwerkstoff für Schneidwerkzeuge erhalten kann, der ein Vielfaches der Verschleissfestigkeit der härtesten Hartmetalle aufweist und darüber hinaus mit einer Biegebruchfestigkaife von z.B. mehr als 200 kg/mm² die Zähigkeit der handelsüblichen SinUrhartot balle erreicht bzw. zum Teil übertrifft.

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Der erflndungsgemässe Verbundwerkstoff ist gekennzeichnet durch ein metallisches oder nichtmetallisches Substrat, mindestens eine Zwischenschicht und eine verschlelssfeste Deckschicht, wobei die Zwischenschicht folgende Eigenschaften aufweistι

a) ihre Harte liegt zwischen derjenigen des Substrats und derjenigen der Deckschicht,

b) sie ist duktiler als die Deckschicht,

c) ihr thermischer Ausdehnungskoeffizient liegt zwisohen demjenigen des Substrats und demjenigen der Deckschicht,

d) sie ist sowohl im Substrat wie in der Deckschicht teilweise gelöst,

e) ihr Schmelzpunkt 1st höher als die zum Aufbringen der Deckschicht notwendigen Temperaturen,

fJ die mittlere Korngröase 1st wesentlich kleiner als die Schichtdicke.

Der Zwischenschicht und ihren Eigenschaften kommt also die wesentliche Bedeutung der vorliegenden Erfindung zu. Dank den erwähnten Eigenschaften 1st sie so abgestimmt, dass ein stufenweiser Uebergang zwischen Substrat und Deckschicht gewährleistet ist. .

Je feiner die Abstufung zwisohen mehreren Zwischenschichten ist, desto besser lassen sich Substrat und Deckschicht miteinander verbinden. Oft genügen jedoch schon eine bis zwei Zwischenschichten. Dies gilt besondere für Diffusionsschiohten.

Man kann zweckmKssig z.B. eine carbldhaltlge Deckschicht erzeugen und dabei als Kohlenstoffquelle gegebenenfalls substituierte aliphatisch^, aromatische, cycloaliphatische oder heterocyclische Kohlenwasserstoffe verwenden. Sehr geeignet sind z.B. Nethan oder Dioyclopentadien.
Beispiele

1. Bin ledeburitisoher Chromstahl liegt in Form quadratischer SohneideplMt tonen vor. Br wird in ein Pulvergemisch bestehend aus einer inerten keramischen Nasse, Chrom und Ammoniumohlorid eingepackt und auf 90O⁰C aufceheizt. Eb bildet sich Chromchlorid, welches Über die Oasphase transportiert und an der Ober-

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fläche der Stahlteile zersetzt wird. Das abgeschiedene Chrom wird teilweise in die Oberfläche eindiffundiert und bildet dort zusammen mit dem Kohlenstoff des arundmaterlals eine 5 um starke« harte« mit Cnpoaoarhlden angereicherte Schicht· Die darüberliegende Chroneohioht beträgt 1 bis 2 /im. Die so behandelten Teile werden in einem Oae-Gemisoh aus 96 VoI* H₂ + 2 VoI* CH^ ♦ 2 VoI* TiCl₄ bei 900°C und einem Druck von 20 Torr mit einer 6 um dicken TiC-Sohloht Überzogen. Hierbei bildet sich eine Uebergangsone« in der das Chrom duroh Diffusion des Kohlenstoffes teilweise in Chromoarbld umgewandelt wird. Das so vergütete Sohneldeplättohen kann ohne Nachbearbeitung eingesetzt werden. Es werden bein Feindrehen von Messing MS 58 und 1 * C-Stahl 5-bls 20-fache Standzeiterhuhungen erreicht.

2. Sin Hartmetailachneldeplättohen bestehend aus den Karbiden WC« TiC« NbC oder VC und Co als Binder wird in einem Oas« gemlsoh aus 97 VoI* IL, + <- VoI* CH₄ + 1 VoI* CrCU auf 102O⁰C erhitzt. Nach Abscheidung einer Chrom + ChromoarbidschiGht von 1 bis 2 um Dicke werden dem Qa* 2 VoI* TiCl^ zugenisoht und der Druck auf 10 Torr reduziert. Nach h h hat sich eine 3 bis 4 um dicke« schwach ohroracarbidhaltlge Tltankarbldeohloht gebildet. Diese 1st härter als das reine Titankarbid. Durch die befichrleranen Mausenahmen konnte aueserdmn an der ursprunglichen Hartmetalloberflache eine Härtesteigerung erzielt werden» indem durch Heaktion dee Kobaltbindera mit den Carbiden ternäre Legierungen des Typs W₅Co₃C gebildet wurden.

Beim Drehen gegen einen Stahl der Werkstoff Nr. QiOCWl wurde mit de» unoehandelten Hartmetallplättohen nach 12 min ein Abrieb von 0«2 mm und damit die Obergrenze des susutbaren Versohleissee erreicht. An einem vergüteten Plättohen wurde dagegen unter glelohen Schnlttbedlngungen nach 30 Bin ein Abrieb von nur 0,005 bsi nachgewiesen.

Weitere Beispiel® für Kooblnatlomn, die durch geeignet« ZwlaohensohJ ^,ehten ähnlich» Qu&lltfteverbeseerungsn bringeni

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S-

Matrix	Zwischenschichten	Fe-Silizide -.	Deckschicht
NIMONIC (z.B. 80 % Nl + 20 % Cr)	T t Ni,Al j NiAl ¹ j	ZrB₂
STELLIT (z.B. 20JiCr, 15# W, 5i#Co, ca. 10 # Nl, 1,4 % Mn, 1,7JiPe)	- Cr-Carbide	ZrC
Cr-Mo-C-Stahl mit 33 % TiC " I	i I Mo j MbC	B₄C
Stahl lufthXrtend j B ι	TiB₂
Schnelldrehstahl j S 10-4-3-iO i	ZrB₂
Cermet (Cr-Borid mit ! Cr-Mo-Binder)	B₄C

Beispiel 9

Ein Schneidplättchen bestehend im wesentlichen aus Al₂C und Ni als Binder wird in Wasserstoff auf 900°C aufgeheizt. Nach Zudosieren von 0,5 VoI % CrCl, und 0,2 VoI % Dicyclopentadien in gasförmigem Zustand wird der Totaldruok auf 15 Torr reduziert. Naoh 30 min wird die Temperatur auf 850⁰C erniedrigt und als weiteres Realttlonsgas 2 VoI % TiCl₄ zudosiert. Naoh weiteren 60 min werden die Reaktionsgase durch Argon ersetzt und die Probe auf Raumtemperatur abgekühlt. Auf dem Schneidplättchen hat sich eine 1 bis 2 pm dioke Chromkarbldsohioht und darauf eine 8 bis 10 um dicke Chromkarbid-dotierte Tltankarbidsohloht gebildet.

Bei der Zerspannung von Stahlguss wies der naoh dem beschriebenen Verfahren hergestellte Verbundwerkstoff die 6 bis 10-fach· Standzeit der Üblicherweise für Stahlguss verwendeten

Sohneldaaterlallen auf.

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Erflndungcgemäsa können folgende Vorteile erhalten werden:

- Hohe Zähigkeit bei geringes Versohleiss, dadurch höhere Standzelten der Werkzeugej höhere Schnittgeschwindigkeiten verbunden mit Produktionast©igerung.

- Möglichkeiten zur Verwendung von z.T. billigen und leicht zu bearbeitenden Substratmaterialien mit hoher Zähigkeit, die bis heute wegen mangelnder Veraohleissfestigkeit als Schneidewerkstoffe nicht in Frage kamen, wie nahezu alle härtbaren Stähle , verschiedene Nickel-. Kupfer-, Titan-, Kobalt- und Alumlnium-

P legierungen, Hartmetalleorten, die sich in Sohneid·versuch als zu weich erwiesen, keramische Sinterwerkstoffe mit grossem Binderanteil.

- Verbesserungen der Versöhleissfestigkeit der handelsüblichen Schneidewerkstoffe un das 2 bis 20 fache bei Beibehaltung ihrer Zähigkeit.

- Werkstoffe, die sehr schwierig zu bearbeiten sind, werden durch das vorliegend· Sohneidematerial der spanabhebenden Formgebung zugänglich ge«acht.

Di· beiliegende Zeichnung ««igt die Abhängigkeit der Härte von der Biegefestigkeit ftlr verschiedene Schneidewerketoffe. _ Di· Biegebruchfestigkeit nimmt wesentlich Einfluss auf die Zähig- ™ keit; die Härte steht in engen Zusammenhang mit der Versohleissfestigkeit des Werkstoffes. Der Bereich A bezieht sich auf bekannte Sehneldmaterlallen, wie Sonderhartmetalle 1, Schneidkeramik 2, Sinterhartmetall· jj und Sohnelldrehatähle 4. Der Bereich B bezieht sich auf die neuen Verbündwerkstoffe.

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Claims

2 01 8 β 6 2

AN3PRUECHE

1. Verbundwerkstoff fur Sohneidwerkzeuge, gekennzeichnet durch ein metallisches oder nicht metallisches Substrat» mindesten« eine Zwischenschicht und eine verschleißfeste Deckschicht, wobei die Zwischenschicht folgende Eigenschaften aufweist:

a) ihre Härte liegt zwischen derjenigen des Substrats und derjenigen der Deckschicht»

b) sie ist duktiler als die Deckschicht«

c) ihr thermischer Ausdehnungskoeffizient liegt zwischen demjenigen des Substrats und desjenigen der Deckschicht,

d) sie ist sowohl la Substrat wie in der Deckschicht teilweise gelöst,

e) ihr Schmelzpunkt ist. höher als die zu« Aufbringen der Deckschicht notwendigen Temperaturen,

f) die mittlere Korngrösse ist wesentlich kleiner als die Schichtdicke.

2. Werkstoff nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Substrat aus ledeburltisohem Chromstahl, eine Zwischenschicht aus Chrom und eine Deckschicht aus Titanoarbid, wobei in den aneinander grenzenden Bereichen des Substrats, der Zwischenschicht und der Deckschicht Chromoarbid enthalten 1st.

3. Werkstoff nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Substrat aus Wolfram-, Titan-, Niob- und/oder Vanadiumoarbid mit einem Cobaltbinder, eine Zwischenschicht aus Chrom und eine Deckschicht aus Titanoarbid, wobei in den aneinander grenzenden Bereichen des Substrats, der Zwischenschicht, und der Deckschicht Chromoarbid enthalten ist.

A. Werkstoff nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Substrat aus einer Legierung von 80 % Nl und 20 % Cr, eine erste Zwischenschicht aus Ni,Al, eine zweite Zwischenschicht aus NiAl und eine Deckschicht aus ₂

5. Werkstoff nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Substrat aus 20 % Cr, 15 % W, 51 % Co, ca. 10 % Nl₄ 1,4 % Mn, 1,7 * Fe, tine Zwischenschicht aus Chromoarblden und eine

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Deoksohioht «us Zirkonoarbid.

6. Werkstoff naoh Anapruoh 1, gekennzeichnet durch ein Substrat aus «inen härtbaren Stahl mit bis zu 50 % TiC, eine erste Zwlscheniohioht aus Molybdän, eine zweite Zwischenschicht aus Molybdäncarbid und eine Deckschicht aus Borcarbid der Formel B^C.

7. Werkstoff naoh Anspruch 1« gekennzeichnet durch ein Substrat aus einem lufthärtenden Stahl, eine Zwischenschicht aus Bor und eine Deckschicht aus Tltanborid der Formel TiB₂*

8. Werkstoff naoh Anspruch 1, gekennzeichnet duroh ein Substrat aus einem Sohnelldrehstahl, eine Zwischenschicht aus Bisensllloiden und eine Deoksohloht aus Zlrkonborid der Formel ZrB₂.

9. Werkstoff naoh Anspruch 1, gekennzeichnet duroh ein Substrat aus einem metallkeramisohen Cr-Borid mit Cr-Mo-Binder, eine Zwischenschicht aus Zirkonborid der Formel ZrBg und eine Deckschicht aus Borcarbid der Formel B^C.

10. Werkstoff naoh Anspruch 1« gekennzeichnet duroh ein Substrat aus einem haftbaren Stahl mit bis zu 50 % TiC, einer Zwischenschicht aus Chrom und einer Deoksohloht aus Titanoarbid, wobei in den aneinander grenzenden Berelohen des Substrats, der Zwischenschicht und der Deoksohioht Chromoarbid enthalten ist.

11. Verfahren zur Herstellung eine· Verbundwerk^stoffe naoh den Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, dass man auf dem Substrat das Zwlsohensohlohtmaterlal duroh chemieοhe Reaktion aus der Gasphase abscheidet, wobei Substratmaterial und Zwleohensohlohtmaterial ineinander diffundieren, und dass man die Deokaohioht duroh chemische Reaktion aus der Qaephase auf der Zwischenschicht abscheidet, wobei Deckschiohtmaterial und Zwlsohensohlohtmaterlal Ineinander diffundieren.

12. Verfahren naoh Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass man «Ine carbidhaltige Deckschicht erzeugt und dabei als Kohlenstofff^quelle gegebenenfalls substituierte eliphatisohe, aromatische, cycloaliphatische oder heterocyclische Kohlenwasserstoffe verwendet.

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15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet/ dass man als Kohlenstoffquelle Methan verwendet.

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet« dass man als Kohlenstoffquelle Dicyclopentadien verwendet.

15. Verfahren nach Anspruch 11, zur Herstellung des Werkstoffs nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet» dass man Sehneideplättchen aus ledeburitischem Chromstahl in ein Pulvergemisch aus einer inerten keramischen Masse, Chrom und Ammoniumchlorid taucht, das Gemisch auf 900⁰C erhitzt, wobei gasförmiges Chromohlorid an der Oberfläche der Plättchen zersetzt wird und sich eine Chromschicht bildet, die teilweise in die Plättchenoberfläche eindiffundiert und Chromcarbld enthält, und dass man diese Zwischenschicht durch Reaktion In der Gasphase mit einem Gemisch von Wasserstoff, Methan und TiCl^ bei 90O⁰C und 20 Torr mit Titanoarbid Überzieht, wobei Chrom und Titancarbid teilweise ineinander diffundieren und Chromcarbld gebildet wird.

16. Verfahren nach Anspruch 11, zur Herstellung des Werkstoffs naoh Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass man ein Substrat aus Wolfram-, Titan-, Niob- oder Vanadiumcarbid mit einen Cobaltbinder durch Reaktion mit eines Gasgemisches aus Wasserstoff Methan und CrCl, bei 1020⁰C Bit einer Chromschicht überzieht, wobei Chrom teilweise in die Substratoberfläche diffundiert und Chromcarbid bildet, und dass man anschliessend im Gasgemisch das CrCl. teilweise durch TiCl^ ersetzt und auf der Zwischenschicht bei 20 Torr eine mit Chromcarbid dotierte Titancarbidschicht bildet.

17. Verfahren nach Anspruch 11, zur Herstellung eines Werkstoffs naoh Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass man ein Schneidplättchen, das im wesentlichen aus Al₂O, mit Ni als Binder besteht, in Wasserstoff auf 90O⁰C heizt, naoh Zugabe von gasförmigem CrCl, und Dioyolopentadien den Druok auf etwa 16 Torr reduziert und Chroacarbid als Zwischenschicht abscheidet, und sodann naoh Zugabe von gasförmige« TiCI4 eine alt Chroaoarbid dotiert« Deckschicht aus Titanoarbid bildet.

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