Mutability of cutting materials – performance of niobium carbide based hard metals

Abstract

In order to investigate a possible substitution of the conventional substrate material tungsten carbide (WC), niobium carbide (NbC) is tested for the use as a cutting tool in turning processes. Different straight NbC materials are applied, each differing in chemical composition and mechanical properties. Dry external cylindrical turning tests on carbon steel C45E and gear steel 42CrMo4+QT are carried out comparing various NbC based cutting materials with commercially available WC tools. Cutting speed is varied to show the impact of higher thermomechanical load during machining. The cutting performance of all investigated cutting tool materials is assessed regarding material removal VW, crater wear KT as well as surface roughness Ra of the workpiece. Improved tool performance of NbC cutting tool grades with variable NbC compositions compared to commonly applied cutting tool material WC at increased cutting speeds vc is demonstrated within the investigation. The comparison of the surface quality of the workpiece materials after the cutting process shows that NbC produces comparable surface qualities despite occasional higher wear rates. Prototypical NbC cutting materials achieve a higher material removal VW during the machining of C45E than WC reference substrate. For the machining of 42CrMo4+QT, further developments are necessary to achieve longer tool life.

Abstract

Als mögliche Substitution des konventionellen Hartmetalls (WC), wird Niobcarbid (NbC) für den Einsatz als Schneidwerkzeug in Drehprozessen getestet. Es werden verschiedene NbC-Materialien verwendet, die sich in der chemischen Zusammensetzung und den mechanischen Eigenschaften unterscheiden. Trockene Außenrunddrehversuche an Kohlenstoffstahl C45E und Zahnradstahl 42CrMo4+QT werden durchgeführt, um verschiedene Schneidstoffe auf NbC-Basis mit handelsüblichen WC-Werkzeugen zu vergleichen. Die Schnittgeschwindigkeit wird variiert, um die Auswirkung einer höheren thermomechanischen Belastung während der Bearbeitung aufzuzeigen. Die Zerspanungsleistung aller untersuchten Versuchswerkstoffe wird hinsichtlich Zerspanungsvolumen VW, maximaler Kolktiefe KT sowie Oberflächenrauheit Ra des Werkstücks beurteilt. Im Rahmen der Untersuchungen wird eine verbesserte Werkzeugleistung von NbC-Schneidwerkzeugen mit variablen NbC-Zusammensetzungen im Vergleich zu üblicherweise verwendeten Schneidwerkzeugmaterialien bei erhöhten Schnittgeschwindigkeiten vc gezeigt. Der Vergleich der Oberflächenqualität der Werkstoffe nach der Zerspanung zeigt, dass NbC, trotz gelegentlich höherer Verschleißraten, vergleichbare Oberflächenqualitäten erzeugt. Die prototypischen NbC-Schneidstoffe erreichen bei der Zerspanung von C45E ein höheres Zerspanungsvolumen VW als das WC-Referenzsubstrat. Für die Bearbeitung von 42CrMo4+QT sind Weiterentwicklungen notwendig, um höhere Standzeiten zu erzielen.