Schichtstoff
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Schichtstoff, der laus einer Hartmetallunterlage besteht, dessen Oberfläche mindestens teilweise einen Überzug aus einem oder mehreren weiteren Hartstoffen, insbesondere von hartem Karbiden, Boriden, Nitriden oder Siliziden eines oder mehreren Metallen der III-VIII- Gruppe des periodischen Systems der Elemente aufweist.
Diese Schichtstoffe können insbesondere für Werk Zeuge der spanabhebenden und spaniosen Formgebung sowie allgemein für dem Verschleiss ausgesetzten Formen und Teile Verwendung finden.
Die Aufbringung von harten Schichten auf Stahls teile, insbesondere Schne'idwerkzeuge, ist bekannt. Eine Verbindung von Stahl mit einer harten Schicht bringt jedoch verschiedene Nachteile mit sich:
Der Stahlkörper als Unterlage weist nur eine ver- hältnismässig geringe Härte auf. Dies gilt auch für gehärtete Teile, da auch mit den heute üblichen Verfahren nur Härten bis zu 68 Rc erreicht werden könneu. Durch die Beschichtung wird wohl die Ober flächenhärte gesteigert, nicht jedoch diejenige des Kernes.
Das heisst, dass bei grossen spezifischen Flächenbe- lastungen, das unter der harten Schicht liegende Material verformt wird, wodurch die aufgebrachte Schicht ihre Abstützung verliert. Die Folge davon ist das Auf treten von Rissen, Idie nach einer kurzen Zeit zu einer Abbröckelung der harten Schicht führt.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Wärmeausdehnung jedes Grundmaterials und der Deckschicht verschieden voneinander sind. Bei hohen Temperaturen, wie sie besonders bei den spanabhebenden und spanlos verformenden Werkzeugen auftreten, führt dies zu gro ssen Spannungen in den Grenzschichten. Da bei den genannten Verformungsvorgängen grosse Temperatur wechsel auftreten, führen diese wechselnden Spannungen wiederum bald zu Rissen und Abblätterungen.
Die Wärmefestigkeit der Stahlunterlage ist relativ sehr gering. Oberhalb zirka 5000 C sinkt die Dauer- belastbarkeit schon beträchtlich ab und bei 8000 C weisen diese Teile nur noch so geringe Festigkeiten auf, dass sie für praktisch alle Verwendungszwecke un brauchbar sind. Beispielsweise treten jedoch bei der spanabhebenden Bearbeitung Spitzentemperaturen bis zu 13000 C auf, die mir durch ein wesentlich tempera turbeständigeres Grundmaterial, im Sinne der Erfin dung ein Hartmetall, aufgefangen werden kann.
Die heute bekannten Verfahren zur Aufbringung emer harten.Schicht auf einer Unterlage benötigen im allgemeinen eine Temperatur, die über 7000 C liegt.
Es besteht somit immer die Gefahr, dass sich die Stahl teile bieim Aufbringen der harten Schicht verziehen.
Es müssen daher peinlich genau einzuh1altende Vorbe handlungen durchgeführt werden, um ein Verziehen der Stahlteile zu vermeiden.
Beim Aufbringen der Hartschicht muss sodann im allgemeinen mit einer Entkohlung der äussersten Stahl- schicht gerechnet werden, d. h. 1diese entkohlte Schicht weist nochmals eine geringere Härte auf als die darun terliegende nicht entkohite Stahlpartie, was wiederum nur geringere spezifische Belastungen zulässt.
Alle diese wesentlichen Nachteile können nun um- gangen werden, wenn als Unterlage Hartmetalle ver wendet werden.
Hartmetalle bestehen bekanntlich aus einem Hart stoff, zum Beispiel Karbid, Nitrid, Silizid oder Borid, gewöhnlich einem Karbid der Metalle der IV-VI- Gruppe des periodischen Systems der Elemente oder aus einem Gemisch von verschiedenen Karbiden und einem Metallbinder, vorzugsweise Kobalt, Nickel, Eisen oder Molybdän oder einer Legierung derselben.
Die chemische ZusLam,mensetzung solcher H1artme- talle kann dabei im besonderen wie folgt angegeben wer den:
Anteil der Hartstoffe: 97-70 Gewichtsprozente Anteil der Binder: 3-30 Gewichtsprozente
Es ist bekannt, dass die Härte des Hartmetalls mit abnehmendem Bindergehalt zunimmt. Ebenfalls ist be- kannt, dass leider die Zähigkeit dadurch ganz beträcht lich abnimmt.
Um eine Zerstörung der Hartmetall Teile, verursacht durch Ausbrüche und Risse, im Einsatz solange als möglich herauszuzögern, sieht man sich daher gezwungen, üblicherweise einen Bindergehalt von mindestens 4 S anzustreben, wobei die zähen Sorten sogar Bindergehalte von über l0 S aufweisen. Je höher jedoch der Binderanteil ist, um so schneller tritt ein Verlust des Hartmetall-Teiles durch Abrieb auf. Das ist darauf zurückzuführen, dass der Binder aus dem Hartmetall herausgelöst wird und die Hartstoffkörner dadurch ihren Halt verlieren.
Um gleichzeitig die Härte und die Zähigkeit zu steigern, wurden die verschiedensten Vorschläge gemacht. Zum Beispiel versuchte man, im Keyrn des Hartmetalls einen wesentlich höheren Bindergehalt anzustreben als in der Arbeitsschicht. Bezeichnen1derweise glaubte man jedoch, dass auch diese Deckschicht immer noch einen gewissen Bindergehait aufweisen müsse.
Diese Überlegung basiert auf der Annahme, dass ein Hartstoff, wie er in der HartmetalSTechni1k verwendet wird, in jeder beliebigen Dicke immer einen Binder -aufweisen muss, da er sonst die hier üblichen hohen Belastungen nicht aushalten kann.
Die Erfindung Igeht nun von der Überlegung aus, dass bei einer dünnen Schicht, verbunden mit einer genügenden Verankerung mit der Unterlage, ein zusätzliches Bindermaterial überflüssig ist.
Der erfindungsgem ässe Schichtstoff, besterlend aus einer Hartmetallunterfage und mindestens einer weiteren Hartstoffschicht, ist nun dadurch gekennzeichnet, dass die Hartmetaliunterlage aus einem oder mehreren Hartstoffen und mindestens einem Binder und die andere Hartstoffschicht aus 1bindeRrewiflm Hartstoff besteht.
Die Kombination von Hartmetall als Unterlage bzw.
Grundkörper und Hartstoff ohne Binder als Deek- schicht, bringt wesentliche Vorteile:
Die Zähigkeit des Hartmetalls als solche bleibt erhalten, da der Bindergehalt in inden üblichen Grenzen gehalten werden kann. In vielen Fällen kann die Zähigkeit des Hartmetalls sogar gesteigert werden, ohne dass die Gefahr eines erhöhten Verschleisses eintritt.
Die reine Hartstoffschicht weist wesentlich günstigere Gleit- und Korosionseigenschaften als das reine Hartmetall auf, was zwangläufig zu einer erhöhten Lebensdauer des Schichtstoffes führt.
Der Binder wird nicht mehr aus dem Hartnietall herausgelöst, da die Hartstoffschicht diesen schützt.
Die bereits erwähnten Nachteile bei der Verwendung von Stahlunterlagen können daher vermieden werden.
Beispiel
Ein Schneidwerkzeug aus Hartmetall mit 12 % Co als Binder für die spanabhebende Bearbeitung von Stahl wurde einerseits unbeschichtet und anderseits beschichtet mit einer Dicke von 0,005 mm TiC in einem Drehversuch eingesetzt. Die Zerspanungsbedingungen sowie der zu zerspanende Werkstoff waren für beide Versuchsplatten gleich. Nach zehn Minuten Drehdauer wurden der Fre,iflächen- und Kolkverschl'e'iss aus1ge- messen. Die unbeschichtete Platte wies einen so grossen Abrieb auf, dass sie aus dem Versuch genommen wurde.
Mit der beschichteten Platte wurden weitere Drehversuche unternommen, bis die totale Drehdauer sechzig Minuten betrug. Die Ausmessung des Freiflächen- und Kolkverschleisses ergab auch dann noch einen geringeren Abrieb als -bei der unbeschichteten Platte nach 10 Minuten.
PATENTANSPRUCH I
Schichtstoff, bestehend aus einer Hartmetallunterlage und mindestens einer weiteren Hartstoffschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartmetallunterlage aus einem oder mehreren Hartstoffen und mindestens einem Binder und die andere Hartstoffschicht aus bin jderfreiem Hartstoff besteht.
UNTERANSPRÜCHE
1. Schichtstoff nach Patentanspruch I, dadurch ge kennzeichnet, dass der bindemittelfreie Hartstoff mindestens teilweise aus Karbiden, Boriden, Nitriden oder Siliziden der Metalle der III-VIII-Gruppe des periodi schen Systems bestehen.
2. Schichtstoff nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, diass der Hartstoff Titancarbid ist.
3. Schichtstoff nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der binderfreien Hartstoffschicht mindestens 0,001 mm, vorzugsweise 0,002-0,008 mm beträgt.
4. Schichtstoff nach Patentanspruch I oder Unter anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der binder- freie Hartstoff aus einem Hartstoffgemisch besteht.
5. Schichtstoff nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartmetallunterlage einen Gehalt von 2-50 %, vorzugsweise 3-30 %, Binder aufweist.
PATENTANSPRUCH II Verwendung des Schichtstoffes nach Patentanspruch I für Werkzeuge 1der spanabhetbenden und spanlosen Formgebung.
**WARNUNG** Ende DESC Feld konnte Anfang CLMS uberlappen**.
Laminate
The present invention relates to a laminate consisting of a hard metal base, the surface of which is at least partially covered by one or more other hard materials, in particular hard carbides, borides, nitrides or silicides of one or more metals of the III-VIII group of the periodic System of elements.
These laminates can be used, in particular, for work witnesses to cutting and cutting shaping as well as generally for forms and parts exposed to wear.
The application of hard layers on steel parts, in particular cutting tools, is known. However, joining steel with a hard layer has several disadvantages:
The steel body as a base has only a relatively low hardness. This also applies to hardened parts, since even with today's methods only hardnesses of up to 68 Rc can be achieved. The coating increases the hardness of the surface, but not that of the core.
This means that in the case of large specific surface loads, the material under the hard layer is deformed, as a result of which the applied layer loses its support. The consequence of this is the appearance of cracks, which after a short time lead to the hard layer flaking off.
Another disadvantage is that the thermal expansion of each base material and the cover layer are different from one another. At high temperatures, such as those that occur particularly with cutting and non-cutting deforming tools, this leads to great stresses in the boundary layers. Since large temperature changes occur during the deformation processes mentioned, these changing stresses in turn soon lead to cracks and flaking.
The heat resistance of the steel base is relatively very low. Above about 5000 C the long-term load capacity drops considerably and at 8000 C these parts only have such low strength that they are unusable for practically all purposes. For example, peak temperatures of up to 13000 C occur during machining, which can be absorbed by a significantly more temperature-resistant base material, a hard metal in the sense of the invention.
The methods known today for applying a hard layer to a substrate generally require a temperature which is above 7000 C.
There is therefore always the risk that the steel parts will warp when the hard layer is applied.
Precise pre-treatments must therefore be carried out in order to avoid warping of the steel parts.
When the hard layer is applied, decarburization of the outermost steel layer must then generally be expected; H. 1This decarburized layer again has a lower hardness than the undecarburized steel section underneath, which in turn allows only lower specific loads.
All of these essential disadvantages can now be avoided if hard metals are used as the base.
As is well known, hard metals consist of a hard material, for example carbide, nitride, silicide or boride, usually a carbide of the metals of the IV-VI group of the periodic table of the elements or of a mixture of different carbides and a metal binder, preferably cobalt, nickel, Iron or molybdenum or an alloy thereof.
The chemical composition of such hard metals can be specified as follows:
Proportion of hard materials: 97-70 percent by weight. Proportion of binders: 3-30 percent by weight
It is known that the hardness of the hard metal increases as the binder content decreases. It is also known that this unfortunately reduces the toughness quite considerably.
In order to delay the destruction of the hard metal parts, caused by breakouts and cracks, as long as possible, one is therefore forced to aim for a binder content of at least 4 S, with the tough types even having a binder content of over 10 S. However, the higher the proportion of binder, the faster the loss of the hard metal part due to abrasion occurs. This is due to the fact that the binder is released from the hard metal and the hard material grains lose their hold as a result.
In order to increase the hardness and the toughness at the same time, various proposals have been made. For example, attempts were made to aim for a much higher binder content in the hard metal than in the work shift. Significantly, however, it was believed that this top layer must still have a certain binder content.
This consideration is based on the assumption that a hard material such as that used in hard metal technology must always have a binder in any thickness, as otherwise it cannot withstand the high loads that are usual here.
The invention I is based on the consideration that with a thin layer, combined with sufficient anchoring to the base, an additional binder material is superfluous.
The laminate according to the invention, consisting of a hard metal base and at least one further hard material layer, is now characterized in that the hard metal base consists of one or more hard materials and at least one binder and the other hard material layer consists of 1binderRrewiflm hard material.
The combination of hard metal as a base or
Base body and hard material without a binder as a deek layer, brings significant advantages:
The toughness of the hard metal as such is retained because the binder content can be kept within the usual limits. In many cases the toughness of the hard metal can even be increased without the risk of increased wear.
The pure hard material layer has significantly more favorable sliding and corrosion properties than the pure hard metal, which inevitably leads to an increased service life of the laminate.
The binder is no longer released from the hard rivet because the hard material layer protects it.
The disadvantages already mentioned when using steel supports can therefore be avoided.
example
A cutting tool made of hard metal with 12% Co as a binder for the machining of steel was used in a turning test on the one hand uncoated and on the other hand coated with a thickness of 0.005 mm TiC. The machining conditions and the material to be machined were the same for both test plates. After ten minutes of rotation, the surface and crater wear were measured. The uncoated plate showed so great abrasion that it was removed from the test.
Further attempts to spin the coated disk were made until the total spin time was sixty minutes. The measurement of the surface and crater wear also showed less abrasion than in the case of the uncoated plate after 10 minutes.
PATENT CLAIM I
Laminate consisting of a hard metal base and at least one further hard material layer, characterized in that the hard metal base consists of one or more hard materials and at least one binder and the other hard material layer consists of non-binding hard material.
SUBCLAIMS
1. Laminate according to claim I, characterized in that the binder-free hard material consists at least partially of carbides, borides, nitrides or silicides of the metals of the III-VIII group of the periodic system.
2. Laminate according to dependent claim 1, characterized in that the hard material is titanium carbide.
3. Laminate according to claim I, characterized in that the thickness of the binder-free hard material layer is at least 0.001 mm, preferably 0.002-0.008 mm.
4. Laminate according to claim I or sub-claim 1, characterized in that the binder-free hard material consists of a hard material mixture.
5. Laminate according to claim I, characterized in that the hard metal base has a binder content of 2-50%, preferably 3-30%.
PATENT CLAIM II Use of the laminate according to Patent Claim I for tools for machining and non-cutting shaping.
** WARNING ** End of DESC field could overlap beginning of CLMS **.