SE519005C2 - Belagt hårdmetallskär - Google Patents

Description

25 30 519 005 2 sig tillräckligt stor, uppträder eggurflisning i närheten av de ovannämnda kamsprickorna på skäreggen och därför kommer livslängden att bli förkortad.

Vid användning av ett hårdmetallskär för fräsning i rostfritt stål vid höga skärhastigheter (150-300 meter/min beroende på sammansättningen av det rostfria stålet) är den termiska energin som utvecklas i skäreggen betydlig och hela verktygseggen kan deformeras plastiskt.

Denna typ av förslitningsmekanism är känd som plastisk deformationsförslitning och därför är ännu ett krav på det belagda hårdmetallskäret vid användning vid höga skärhastigheter att val av hårdmetallsammansättning och beläggningsmaterial leder till en skäregg som uppvisar ett högt motstånd mot plastisk deformation.

Kommersiella hårdmetallverktyg lämpliga för bearbet- ning av rostfria stål och särskilt hårdmetallverktyg lämpliga för fräsning av rostfria stål är vanligtvis endast optimerade med avseende på en eller två av de nöd- vändiga verktygsegenskaperna nämnda ovan dvs högt mot- stånd mot kemisk, abrasiv, adhesiv och plastisk deforma- tionsförslitning av ett segt hårdmetallsubstrat belagt med en slitstark och en väl vidhäftande beläggning.

I WO 97/20083 visas ett belagt hårdmetallskär speciellt för våt och torr fräsning av arbetsstycken av låg och medium legerade stål eller rostfria stål med eller utan abrasiva ytzoner, i bearbetningsoperationer som kräver en hög grad av seghet av hårdmetalleggen. De yttre skärbetingelserna karakteriseras av komplex form av arbetsstycket, vibrationer, spànhamring, återskäring av spånorna etc.. Det beskrivna skäret omfattar ett belagt hårdmetallsubstrat innehållande WC med en medelkorn- storlek av 1.7 pm tillsammans med kubiska karbider och ll-12 vikt% Co, en beläggning omfattande ett skikt av TiCXNyOz med en kolumnär kornstruktur, ett andra skikt av 10 15 20 25 30 519 005 3 en jämn, finkornig K-Al2O3 och ett yttersta tredje skikt av TiN.

I WO 97/20081 visas ett belagt hårdmetallskär speci- ellt avsett för våt- och torrfräsning av låg och medium legerade stål. Det beskrivna skäret omfattar ett belagt hårdmetallsubstrat innehållande WC, kubiska karbider och Co och en beläggning omfattande ett skikt av TiCXNyOz med en kolumnär kornstruktur, ett andra skikt av jämn, fin- kornig K-Al2O3 och ett yttersta tredje skikt av TiN.

I WO 97/20082 visas ett belagt hårdmetallskär speci- ellt avsett för våtsvarvning av komponenter i rostfritt stål i bearbetningsoperationer som kräver en hög grad av seghet hos hàrdmetalleggen. Det beskrivna skäret omfattar ett belagt hårdmetallsubstrat med en koboltbindefas an- rikad på W, en beläggning omfattande ett skikt av TiCxNyOZ med en kolumnär kornstruktur, ett andra skikt av K-Al2O3 och ett yttersta tredje skikt av TiN. En mycket jämn eggyta erhålls valfritt vid borstning av verktygs- eggarna med borstar baserade på t ex SiC.

Det har nu visat sig att utomordentliga skärpres- tanda i fräsning av rostfria stål vid höga skärhastig- heter kan erhållas med en belagd hårdmetallkropp omfat- tande ett substrat baserat på WC/Co utan några tillsatser av kubiska karbider och med ett specifikt kornstorleksin- tervall för WC-kornen, ett specifikt sammansättningsin- tervall för WC/Co och en beläggning omfattande ett in- nersta, mycket tunt skikt av TiN, ett andra skikt av TiAlN med en periodisk variation av Ti/Al-förhållandet längs normalen mot gränsytan substrat/beläggning och ett yttersta skikt av TiN.

I Fig. 1 visas ett mikrofoto av ett polerat tvär- snitt av ett belagt skär enligt föreliggande uppfinning: 10 15 20 25 30 519 005 4 - hårdmetallkropp - innersta TiN-skikt skikt av flera TiAlN-subskikt - skikt av TiAlN EUÜÛWCF' | - yttersta TiN-skikt Enligt föreliggande uppfinning föreligger ett belagt skär för fräsning av rostfria stål vid höga skärhastig- heter omfattande en WC-Co-baserad hårdmetallkropp omfat- tande en liten mängd Cr och med en sammansättning av WC/Co i intervallet 10-12 vikt% Co, företrädesvis 10-11 vikt% Co och helst 10.2-10.8 vikt% Co, och en Cr-halt i intervallet 0.3-0.6 vikt%, företrädesvis 0.4-0.5 vikt% och rest WC. WC-medelkornstorleken är i intervallet 1.0- 1.6 um, företrädesvis 1.1-1.4 pm och helst 1.15-1.3 pm.

Kornstorleken för WC påverkas av Cr-halten. Koboltbinde- fasen är legerad med en liten mängd W och koncentrationen av W i bindefasen kan uttryckas som CW-förhållandet (CW = MS / (vikt% Co * 0.016l)), där MS är uppmätt mättnads- magnetisering för hårdmetallkroppen i kA/meter och dess- utom vikt% Co är viktprocenten Co i hårdmetallen. Mätt- nadsmagnetiseringen beror på koncentrationen av W i bindefasen och därför är CW-värdet en funktion av W-inne- hållet i Co-bindefasen också. Ett högt CW-värde motsvarar ett lågt W-innehåll i bindefasen. För förbättrade skär- prestanda skall hårdmetallen enligt föreliggande uppfin- ning ha ett CW-förhållande i intervallet 0.87-0.96, före- trädesvis 0.88-0.95 och helst 0.89-0.93. Hàrdmetallen får inte innehålla någon fri grafit.

Den hårda och slitstarka refraktära beläggningen ut- fälld på hårdmetallen enligt föreliggande uppfinning om- fattar: I - ett första (innersta) tunt 0.1-0.5 pm bindeskikt av TiN 10 15 20 25 30 519 005 5 - ett andra skikt omfattande en multiskiktstruktur av subskikt av sammansättningen (TixAlLX)N där x varierar mellan de två intervallen O.45 Det första subskiktet av (TixAlbx)N i kontakt med TiN- bindeskiktet med ett x-värde i intervallet O.45 det andra subskiktet av (TixAlLx)N med ett x-värde i intervallet O.70 intervallet O.45 subskikt, företrädesvis 22-24 subskikt har byggts upp.

Tjockleken av detta andra skikt omfattande en multiskikt- struktur av subskikt utgör 75-95% av beläggningens totala tjocklek. Individuella subskikt av (TixAlbx)N är väsent- ligen av samma tjocklek men deras tjocklek kan även vari- era regelbundet eller oregelbundet och sagda subskikts tjocklek är i intervallet 0.05-0.2 um. - ett tredje tunt 0.1-0.5 um skikt av (TixAlLx)N med ett x-värde i intervallet O.45 - ett fjärde (yttersta) tunt 0.1-0.2 um skikt av TiN.

Den totala tjockleken av beläggningen utfälld på hårdmetallen enligt föreliggande uppfinning kan variera i intervallet l-8 pm, företrädesvis 2-5 um. Skikttjock- leken, subskikttjockleken och beläggningstjockleken an- given ovan avser mätningar gjorda nära skäreggen, dvs på den funktionella delen av skärverktyget.

Föreliggande uppfinning avser även ett sätt att tillverka ett belagt skär för fräsning av rostfria stål vid höga skärhastigheter omfattande en WC-Co baserad hàrdmetallkropp omfattande en liten mängd av Cr och med en sammansättning av WC/Co i intervallet 10-12 vikt% Co, företrädesvis 10-ll vikt% Co och helst 10.2-10.8 vikt% Co och en Cr-halt i intervallet 0.3-0.6 vikt%, företrädesvis 0.4-0.5 vikt% och rest WC. Medel-WC-kornstorleken är i 10 15 20 25 30 519 005 6 intervallet 1.0-1.6 um, företrädesvis 1.1-1.4 um och helst 1.15-1.3 pm.

Den hårda och slitstarka refraktära beläggningen ut- fälls på hàrdmetallen genom användning av konventionell PVD (Physical Vapour Deposition) eller CVD (Chemical Vapour Deposition) och enligt föreliggande uppfinning om- fattar sagda beläggning: - ett första (innersta) tunt 0.1-0.5 pm bindeskikt av TiN - ett andra skikt omfattande en multiskiktstruktur av subskikt av sammansättningen (TixAlbx)N där x varierar mellan de två intervallen O.45 Det första subskiktet av (TixAlLx)N i kontakt med TiN- bindeskiktet med ett x-värde i intervallet 0.45 det andra subskiktet av (TixAlLx)N med ett x-värde i intervallet O.70 intervallet O.45 subskikt, företrädesvis 22-24 subskikt har byggts upp.

Tjockleken av detta andra skikt omfattande en multiskikt- struktur av subskikt utgör 75-95% av beläggningens totala tjocklek. Individuella subskikt av (TixAlL¶)N är väsent- ligen av samma tjocklek men deras tjocklek kan även vari- era regelbundet eller oregelbundet och sagda subskikts tjocklek är i intervallet 0.05-0.2 um. - ett tredje tunt 0.1-0.5 um skikt av (TiXAlLx)N med ett x-värde i intervallet O.45 - ett fjärde (yttersta) tunt 0.1-0.2 pm skikt av TiN.

Exempel 1.

A. Hårdmetallfrässkär enligt uppfinningen med sam- mansättningen 10.5 vikt% Co, 0.44 vikt% Cr och rest WC och med en WC-medelkornstorlek av 1.25 um, med en binde- W U 20 25 519 005 7 fas legerad med W till ett CW-förhållande av 0.91, bela- des med en 4 pm tjock beläggning med konventionell PVD katodbåge-teknik. Beläggningen omfattade ett första (innersta) 0.2 pm skikt av TiN följt av ett 3.2 pm tjockt andra skikt omfattande 23 omväxlande subskikt av (TixAl1_ X)N, där x alternativt växlade mellan 0.55 och 0.75 och ett tredje 0.2 pm (TixAlLX)N, med x= 0.55 och slutligen, ett yttersta 0.4 pm skikt av TiN.

B. Hårdmetallfrässkär med sammansättningen 11.5 vikt% Co, 1.25 vikt% TaC, 0.30 vikt% NbC och rest WC med en WC-medelkornstorlek av 1.7 pm, med en bindefas legerad med W motsvarande ett CW-förhållande av 0.93, belades med ett 0.5 pm likaxligt TiC0_O5N0_95-skikt (med ett högt kväveinnehàll motsvarande ett uppskattat C/N-förhållande 0.05) följt av ett 4 pm tjockt TiC0_54N0_45-skikt med en kolumnär mikrostruktur, med MTCVD teknik (Medium Tempera- tur CVD). Därefter utfälldes ett 1.0 pm tjockt skikt av Al2O3 följt av ett 0.3 pm skikt av TiN på TiC0_54N0_45- skiktet med konventionell CVD-teknik. Det yttersta TiN- skiktet och nästan allt av Al2O3-skiktet avlägsnades längs egglinjen genom borstning.

C. Kommersiella hårdmetallskär, en hårdmetallsort med sammansättningen 8.9 vikt% Co, 0.1 vikt% TiC, 0.5 vikt% TaC, 0.1 vikt% NbC och rest WC, och ett CW-förhål- lande av 0.97. WC-medelkornstorleken var 2.5 pm. Skären hade belagts med en konventionell CVD-beläggning omfat- tande ett 4.5 pm TiN/TiCN/TiC-skikt.

W Ü 20 25 30 519 005 8 Operation: Planfräsning-grovbearbetning torrfräsning) Fräsdiameter: 80 mm Arbetsstycke: En stång med dimensionerna 200x250x400 mm innehållande ett antal hål med en diameter av 15 mm.

Austenitiskt rostfritt stål, SS2343, hårdhet 180 HB Skärhastighet: 168 m/min Material: Matning/tand: 0.25 mm/tand.

Skärdjup: 3 mm Skärform: SEKN 1203 Resultat: Fräst längd (meter): Skär A: (uppfinning) 1.2 Skär B: (tidigare känt) 0.3 Skär C: (tidigare känt) 0.4 Livslängdskriteriet var urflisning av egglinjen med åtföljande verktygsbrott.

Exempel 2.

D. Kommersiella hårdmetallskär av en hårdmetallsort med sammansättningen 9.3 vikt% Co, 0.5 vikt% TaC, 0.1 vikt% NbC och rest WC, och ett CW-förhållande av 0.93.

WC-medelkornstorleken var 2.0 pm. Skären var belagda med en konventionell CVD-beläggning omfattande av ett 5 pm TiC/TiCN/TiN-skikt.

Skär från A, B, C och D provades i en fräsoperation.

Operation: Planfräsning (torrfräsning, lätta vibrationer) Fräsdiameter: 100 mm Arbetsstycke: Glidskena 10 15 20 25 30 519 005 9 Material: Austenitiskt rostfritt stål (W. No. l.4825)med lätt gjuthud Skärhastighet: 160 m/min Mätning/tand: 0.27 mm/tand Skärdjup: 3-5 mm Skärform: SEKR 1203 Resultat: Verktygslivslängd (minuter) Skär A: (uppfinning) 36 Skär B: (tidigare känt) 15 Skär C: (tidigare känt) 10 Skär D: (tidigare känt) 20 Livslängdskriteriet var egg-linjeurflisning och fas- förslitning på skäreggen. Skären C och D led även av skjuvbrott på spånsidan.

Exempel 3.

E. Hàrdmetallfrässkär med en sammansättning nära skären A (uppfinning) men med 9.8 vikt% Co, 0.43 vikt% Cr och rest WC och med en WC-medelkornstorlek av 0.8 pm, med en bindefas legerad med W motsvarande ett CW-förhållande av 0.85, belades med ett 3 um tjockt TiCN-skikt med känd PVD-teknik.

Skär från A, B och E provades i en fräsoperation.

Operation: Fräsdiameter: Arbetsstycke: Material: Skärhastighet: Mätning/tand: Planfräsning, semifinishing (torr bearbetning, ingen hud) 32 mm Stäng med en diameter av 97 mm Utskiljningshärdat ferritisk/ martensitiskt stål (AISI 17-4 pH) 179 m/min 0.16 mm/tand W ß 20 25 519 005 10 Skärdjup: 2 mm Skärform: R390-l1T308 Resultat: Verktygslivslängd (minuter) Skär A: (uppfinning) 3.3 Skär B: (tidigare känt) 1.4 Skär E: (tidigare känt) 2.0 Livslängdskriteriet var urflisning av skäreggen.

Exempel 4.

F. Kommersiella hårdmetallskär av en hårdmetallsort med sammansättningen 12.5 vikt% Co, 1.7 vikt% TaC, 0.2 vikt% NbC och rest WC, och ett CW-förhållande av 0.85.

WC~medelkornstorleken var 1.2 pm. Skären hade belagts med en PVD-beläggning omfattande ett 3 pm TiCN-skikt. Skär från A, D och F provades i en fräsoperation.

Operation: Planfräsning, finbearbetning (torr fräsning) Fräsdiameter: 100 mm Arbetsstycke: Stàng, 80x152 mm Material: Austenitiskt rostfritt stål, AISI 304 Skärhastighet: 264 m/min Matning/tand: 0.15 mm/tand Skärdjup: 2 mm R245-l2T308E (för skär F., SEKTl204AFR) Skärform: 10 15 20 25 30 519 005 11 Resultat: Verktygslivslängd (minuter) Skär A: (uppfinning) 12 Skär E: (tidigare känt) 5 Skär F: (tidigare känt) 6 Livslängdskriteriet var kamsprickbildning med åtföl- jande egglinjeurflisning.

Exempel 5.

Skär från A, D, E och F provades i en fräsoperation Operation: Kantfräsning, finbearbetning (torr fräsning,ingen hud) Fräsdiameter: 32 mm Arbetsstycke: Del till en ventilkomponent Material: Autenitiskt rostfritt stål, AISI 316 Skärhastighet: 120 och 264 m/min Matning/tand: 0.10 mm/tand Skärdjup: 5 mm Skärform: R390-l2T308 Resultat: Verktygslivslängd (minuter) Skärhastighet: 120 m/min 264 m/min Skär A: (uppfinning) 30 17 Skär B: (tidigare känt) 20 4 Skär E: (tidigare känt) 22 13 Skär F: (tidigare känt) 24 9 Livslängdskriteriet var vid den lägre skärhastig- heten löseggsbildning på verktygseggen och åtföljande egglinjeurflisning och vid den högre skärhastigheten fas- förslitning av huvudskäreggen och kamsprickbildning vilket ledde till brott av verktygets egg.

Claims (2)

10 15 20 25 30 519 005 12 Krav

1. Ett belagt hårdmetallskär, vändskär, eller torrfräsning, för våt- speciellt vid höga skärhastigheter, av rostfria stål av olika sammansättning och mikrostruktur, och av låg och mediumlegerade icke- rostfria stål, omfattande en WC-Co-baserad hårdmetallkropp med en hård och slitstark beläggning, k ä n n e t e c k n a t av att sagda hårdmetallkropp har 0.4-0.5 vikt-% Cr och rest WC med en medelkornstorlek av 1.1-1.4 pm och en lågt W-legerad bindefas med ett CW-förhållande av 0.88- 0.95, och att sagda beläggning består av sammansättningen 10.0-11.0 vikt-% Co, - ett första, innersta, tunt 0.1-0.5 pm bindeskikt av TiN - ett andra skikt omfattande en multiskiktstruktur av 0.05-0.2 pm tjocka subskikt av sammansättningen (TixAlLx)N där x varierar mellan de två intervallen O.45 (TixAlLx)N i kontakt med TiN-bindeskiktet med ett x-värde av O.45 ett x-värde av O.70 x av O.45 subskikt - ett tredje tunt 0.1-0.5 pm skikt av (TixAlLx)N med ett x-värde av O.45 - ett fjärde, yttersta, tunt 0.1-0.2 pm skikt av TiN. - varvid den totala beläggningstjockleken är 2-5 pm och tjockleken av det andra skiktet utgör 75-95% av den totala beläggningstjockleken.

2. Skär enligt föregående krav k ä n n e t e c k - n a t av att hårdmetallkroppen är fri från grafit.