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Für spanabhebende Werkzeuge bestimmte Schneidplatte aus gesintertem Hartmetall
Die Erfindung bezieht sich auf eine für spanabhebende Werkzeuge bestimmte Schneidplatte aus gesintertem Hartmetall, die aus einer aus Wolframcarbid und Kobalt oder einem andern Bindemetall mit oder ohne Carbiden eines oder mehrerer der Elemente der IV. und V. Gruppe des periodischen Systems bestehenden Hauptmasse und einer gegenüber der Kraterbildung im Vergleich zur Hauptmasse widerstandsfähigeren und sich über den der Kraterbildung ausgesetzten Teil der oberen Plattenfläche erstreckenden Hartmetallschicht besteht.
Das für die Schneidplatte eines derartigen Werkzeuges weitgehend verwendete Hartmetall besteht aus Wolframcarbid und Kobalt, üblicherweise aus 94% Wolframcarbid und 6% Kobalt. Es ist bekannt, dass sich die Schneidplatte aus diesem Metall an der Spanfläche rasch abnutzt, wenn sie bei den in Industrie und Gewerbe üblichen Schnittgeschwindigkeiten verwendet wird. Eine solche rasche Abnutzung ist als Kraterbildung bekannt.
Auch die Freifläche der Werkzeugschneidplatte wird abgenutzt und verbraucht. Bei mittleren und hohen Geschwindigkeiten werden in der Schneidplatte sehr hohe Temperaturen erzeugt ; das Ausmass der Freiflächenabnutzung und Kraterbildung hängt dann zumindest teilweise vom Eindringen des Materials der Schneidplatte in den Stahl ab. Tatsächlich beeinflusst die Temperatur in der Nähe der Schneide die Standzeit des Werkzeuges in zweifacher Hinsicht. Eine Erhöhung der Temperatur erhöht die Diffusionsgeschwindigkeit und damit die sich daraus ergebende Abnutzung sowie die Deformation der Schneide des Werkzeuges unter der Einwirkung der Schneidkräfte.
Wird bei einem Werkzeug zur Stahlbearbeitung ein grösserer Abnutzungswiderstand gefordert, so ist es üblich, einen Teil des Wolframcarbids durch ein oder mehrere Carbide der Elemente der IV. und V.
Gruppe des periodischen Systems zu ersetzen. In der Praxis wird für diesen Zweck fast immer Titanoder Tantalcarbid verwendet. Es kann aber auch Vanadium- und Zirkoncarbid verwendet werden.
So ist ein Werkzeug bekanntgeworden, dessen Schneidplatte aus drei Schichten zusammengesetzt ist, welche eine stufenförmige Änderung der physikalischen Eigenschaften von der obersten aus Tantalcarbid und Kobalt bestehenden Schicht zur untersten Schicht vorsieht, so dass diese auf einen Stahlschaft ohne Gefahr des Abbrechens oder Abbröckelns aufgelötet werden kann. Dort besteht die oberste Schicht aus einem Carbid der V. Gruppe des periodischen Systems mit einem Bindemetall. Diese Schicht weist demgemäss eine sehr niedrige thermische Leitfähigkeit auf. Die aus Wolframcarbid und Kobalt bestehende Zwischenlage ist deswegen vorhanden, um diese stufenförmige Änderung der physikalischen Eigenschaften von der obersten zur untersten Schicht zu ermöglichen.
Aus diesem Grunde besitzt also die der obersten Schicht zunächst gelegene Schicht noch eine geringe thermische Leitfähigkeit, die aber nicht mehr so gering ist als die der obersten Schicht. Lediglich die unterste Schicht aus Wolframcarbid und Kobalt besitzt eine hohe thermische Leitfähigkeit.
Üblicherweise enthält das Tantalcarbid einen namhaften Anteil an Niobcarbid von z. B. 25%, und jede Bezugnahme auf Tantalcarbid wird so verstanden, dass darin auch immer Niobcarbid anwesend ist.
In Beziehung auf den Abnutzungswiderstand ist das Titancarbid gewichtsmässig dreimal so wirksam als das Tantalcarbid.
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Gesinterte Hartmetalle, die Titan- oder Tantalcarbid oder beide enthalten, sind gewöhnlich als Stahlbearbeitungsqualitäten bekannt. Charakteristische Zusammensetzungen sind : 86% Wolframcarbid, 91o Kobalt und 5% Titancarbid oder 81% Wolframcarbid, 7% Kobalt und 120lu Titancarbid oder 73% Wolframcarbid, 91o Kobalt, 10% Titancarbid und 8% Tantalcarbid.
Obgleich in diesen Hartmetallen das Kobalt durch ein anderes Metall der Eisengruppe ersetzt werden kann, wird es in der Praxis fast immer als Bindemetall verwendet ; in der folgenden Beschreibung wird nur Kobalt genannt, obgleich auch andere Bindemetalle verwendet werden können, falls dies erwünscht ist.
Die Anwesenheit von Titan- oder Tantalcarbid im Hartmetall vermindert die Geschwindigkeit der kraterförmigen Abnutzung im bedeutenden Masse. Es vermindert die Abnutzung aber auch an der Freifläche des Werkzeuges, weil die Löslichkeit dieser Carbide in Stahl oder Eisen bei hohen Temperaturen viel geringer ist als die des Wolframcarbids.
Die Anwesenheit des Titan- oder Tantalcarbids hat jedoch drei Nachteile. Erstens : Bei den Bedingungen, unter denen die Abnutzung durch Reibung oder Abreissen kleiner Teilchen des Werkzeugmaterials verursacht wird, wird die Geschwindigkeit der Freiflächenabnutzung erhöht. Diese Art der Abnutzung tritt fast immer ein, wenn Gusseisen zerspant wird, und auch häufig, wenn Stahl mit niedrigen Geschwindigkeiten zerspant wird ; Hartmetall, das nur aus Wolframcarbid und Kobalt besteht, ergibt bei diesen Bedingungen oft eine bessere Standzeit des Werkzeuges. Der zweite Nachteil ist der, dass die thermische Leitfähigkeitdes Hartmetalles vermindert ist. Der Vorteil, dass weniger Hitze an der Schneide des Werkzeuges infolge geringerer Kraterbildung erzeugt wird, ist zum Teil durch die Wirkung der geringeren thermischen Leitfähigkeit aufgehoben.
Der dritte Nachteil ist schliesslich der, dass die Zähigkeit des Hartmetalles geringer ist und demgemäss die Werkzeuge während der rauhen Bearbeitungsvorgänge leicht beschädigt werden ; insbesondere dann, wenn der Gehalt des Hartmetalles an Titanoder Tantalcarbid oder beiden hoch ist.
In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass z. B. bei der Bearbeitung von Stahl mit einem Wolframcarbid, Titancarbid und Tantalcarbid und ein Bindemetall, wie z. B. Kobalt, enthaltenden Hartmetall die dadurch erzielte Minderung der Kraterbildung wegen der niedrigen Wärmeleitfähigkeit dieses Hartmetalles durch die erhöhte Werkzeugtemperatur zum Teil wieder kompensiert ist. Es ist daher notwendig, dass die Oberflächenschicht dieses Hartmetalles im Verhältnis zur Gesamtmasse der Schneidplatte sehr dünn gehalten wird. Genau das gleiche gilt für die Bearbeitung von Gusseisen, so dass nur ein Werkzeug von hoher thermischer Leitfähigkeit auch eine verlängerte Standzeit des Werkzeuges gewährleistet.
Erfindungsgemäss muss also die Hartmetallschicht der Schneidplatte dünn sein im Verhältnis zur Dicke der Hauptmasse derselben, die ein Hartmetall von hoher thermischer Leitfähigkeit sein muss ; d. h., diese Hauptmasse muss im wesentlichen frei sein von den Carbiden der Metalle der 4. und 5. Gruppe des periodischen Systems, hauptsächlich also frei von Carbiden des Titans und Tantals. Die die Schneide bildende Hartmetallschicht beträgt erfindungsgemäss 0, 01 - 1, 25 mm, höchstens jedoch ein Viertel der gesamten Stärke der Schneidplatte. Der für die Erfindung erzielte wesentliche technische Fortschritt ist also keineswegs die naturgemässe Folge dieser Dimensionierung der Hartmetallschicht.
Die Hartmetallschicht besteht vorzugsweise aus Wolframcarbid, Titancarbid oder Tantalcarbid oder beiden und Kobalt oder einem andern Bindemetall ; der Anteil des Titan- oder Tantalcarbids oder beider ist grösser als jener in der Hauptmasse. So kann die obere Hartmetallschicht aus einem Hartmetall bestehen, dessen Eignung für einen Bearbeitungsstahl bekannt ist.
Ein derart typisches Schneidwerkzeug ist in den Zeichnungen dargestellt. Fig. l zeigt einen Werkzeughalter im Schaubild und Fig. 2 einen Querschnitt durch die Schneidplatte.
Das Werkzeug umfasst einen Stahlhalter 1 und eine Schneidplatte 2, die am Schnittpunkt einer Spanfläche 4, oberhalb der sich der Span bewegt, sowie einer Freifläche 5 eine Schneide 3 besitzt. Mit 8 ist eine Hartmetallschicht bezeichnet, die 0, 01 - 1, 25 mm dick ist. Meist befriedigt eine Dicke von 0,051 bis 0,51 mm.
Schneidplatten gemäss der Erfindung können auf verschiedene Weise hergestellt werden. So kann z. B. Pulver mit der Zusammensetzung der Hauptmasse der Schneidplatte in eine Form gegeben werden, welches Pulver gegebenenfalls bei niedrigem Druck vorgepresst werden kann. Eine Lage des zur Bildung der oberen Hartmetallschicht erforderlichen Pulvers kann oben aufgelegt und das Ganze dann in üblicher Weise fertiggepresst und gesintert werden.
Es wurde festgestellt, dass dann, wenn die obere Hartmetallschicht 51o oder mehr Titancarbid enthält, das einiges Carbid gelöst enthaltende Kobalt während des Sinterns in beachtlichem Masse aus der
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Hartmetallschicht in die Hauptmasse wandert. Dies findet statt, wenn die Hauptmasse die übliche Zusammensetzung von 94% Wolframcarbid und 6% Kobalt besitzt. Steigt der Anteil des Titancarbids in der Hartmetallschicht, so nimmt auch die Neigung des Kobalts zu, beim Sintern zu wandern. Es ist jedoch wünschenswert, den Anteil des Titancarbids oder anderer Carbide der IV. und V.
Gruppe des periodischen Systems in der Hartmetallschicht hoch zu halten, weil je grösser dieser Anteil ist, desto grö- sser die Zunahme des Abnutzungswiderstandes beim Zerspanen von Stahl bei hohen Geschwindigkeiten ist und desto höher die anzuwendenden Schnittgeschwindigkeiten sind.
Die Eigenschaften der oberen Hartmetallschicht sind mit der Menge des in ihr nach dem Sintern verbleibenden Kobalts eng verbunden. Mit der Erhöhung des Kobaltanteiles erhöht sich die Zähigkeit der oberen Hartmetallschicht auf Kosten des Abnutzungswiderstandes und der Härte. Für die meisten gewerblichen Zwecke soll die Hartmetallschicht üblicherweise mindestens 3% Kobalt enthalten, damit sie den schwierigen Arbeitsbedingungen, wie Stossbelastungen, gewachsen ist. Vorzugsweise wird die Schneidplatte so hergestellt, dass die obere Hartmetallschicht zwischen 6 und 100/0 Kobalt enthält, obgleich der Prozentsatz zur Erzielung grösster Zähigkeit bis auf 150/0 erhöht werden kann. In letzterem Falle tritt notwendigerweise ein Verlust an den Schneideigenschaften ein.
Die zu verwendenden Pulver bei der Bildung der Schneidplatte müssen daher so ausgewählt werden, dass die Zusammensetzung der oberen Hartmetallschicht innerhalb des gewünschten Bereiches fällt, wenn das Wandern eingetreten ist.
Es wurde festgestellt, dass es möglich ist, diese Wanderung des Kobalts durch Erhöhung des Kobaltgehaltes der Hauptmasse oder durch Einverleibung von einem oder mehreren Carbiden der Elemente der IV. und V. Gruppe des periodischen Systems in die Hauptmasse oder durch beide Massnahmen auszugleichen. Eine Erhöhung des Kobaltgehaltes allein ist nur wirksam, wenn der Gehalt des Titancarbids oder gleichwertiger Carbide in der oberen Hartmetallschicht nicht zu hoch ist. Tatsächlich wurde festgestellt, dass es eine Beziehung zwischen dem durch Titan- oder andere Carbide erreichten Abnutzungswiderstand und der Eigenschaft der Förderung der Kobaltwanderung gibt, wonach die durch einen bestimmten Anteil an Tantalcarbid geförderte Wanderung geringer ist als jene, die durch den gleichen Anteil von Titancarbid bewirkt wird.
Die Wanderung ist ungefähr die gleiche, wenn der Gehalt an Tantalcarbid jenem an Titancarbid vom Gesichtspunkt des Abnutzungswiderstandes gleichwertig ist.
Die Hauptmasse ist zäher, wenn sie nur aus Wolframcarbid und Kobalt besteht ; bei gegebenem Kobaltgehalt verursacht die Zugabe anderer Carbide eine Verminderung der Zähigkeit der Hauptmasse.
Besteht die Hauptmasse nur aus Wolframcarbid und Kobalt, so kann der Kobaltgehalt vorteilhaft 8 bis 12% und vorzugsweise 9-11% betragen, sofern der Gehalt an Titancarbid in der oberen Hartmetallschicht 5-12% beträgt oder dieses ganz oder teilweise durch andere Carbide der IV. und V. Gruppe des periodischen Systems in einer Menge ersetzt ist, die einem Titancarbidgehalt von 5 bis 12tao gleichwertig ist. Dies kann für den Ersatz durch Tantalcarbid dadurch ausgedrückt werden, dass der Gehalt an Titancarbid + 1/3 des Gehaltes an Tantalcarbid 5 - 120/0 beträgt, wogegen die Hauptmasse aus 92-88% Wolframcarbid und 8 - 120/0 Kobalt besteht.
Es ist jedoch erwünscht, den Gehalt an Titan- oder andern Carbiden in der oberenHartmetallschicht weit über 12lao zu erhöhen. Um diese Erhöhung durch Zugabe von mehr als ungefähr 12% Bindemetall in der Hauptmasse auszugleichen, besteht keine Möglichkeit, weil das die Hauptmasse bildende Hartmetall ungeeignet ist, die einem Schneidwerkzeug auferlegte Druckbelastung auszuhalten ; es ist dann ratsam, die Zusammensetzung des Körpers, soweit sie dessen Carbidgehalt betrifft, abzuändern. Dies
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Hauptmasse die Hälfte der Summe dieser Prozentgehalte in der oberen Hartmetallschicht nicht übersteigt.
Beispiel 1 : Die Hauptmasse einer Schneidplatte wurde aus einem Pulvergemisch von 91% Wolframcarbid und 9% Kobalt hergestellt. Dieses Pulver wurde zu einer dichten Masse unter geringem Druck geformt, eine Lage Hartmetallpulver, bestehend aus 81% Wolframcarbid, 12% Titancarbid und 7% Kobalt, darübergeschichtet und das Ganze dann bei hohem Druck verpresst. Der erzielte Pressling wurde dann vorgesintert, gesintert und zu einer Form geschliffen, die im Werkzeughalter befestigt wird. Nach dem Schleifen war die Schicht an der Stirnseite ungefähr 0, 2 mm dick.
Die Schneidplatte wurde zum Bearbeiten einer Gusseisenstange mit 127 mm Durchmesser und mit vier Längsschlitzen von je 25,4 mm Weite benutzt. Bei diesem Versuch wurde die Spanabnahme periodisch unterbrochen und das Werkzeug einer Stossbelastung ausgesetzt. In einem Versuch bei einer Schnitt-
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geschwindigkeit von 91, 4 m/min, einer Vorschubgeschwindigkeit von 0, 25 mm je Umdrehung und einer Schneidtiefe von 3, 2 mm wurde die Schneidplatte durch 14 min verwendet. Nach diesem Versuch zeigte die Schneidplatte eine leichte Kraterbildung, und die Freiflächenabnutzung betrug im Durchschnitt 0,28 mm. Zum Vergleich wurde eine Schneidplatte der gleichen Gestalt aus einer Legierung mit 6% Kobalt und 94% Wolframcarbid hergestellt.
Diese wurde an derselben Gusseisenstange unter den gleichen Bedingungen 14 min lang benutzt ; sie zeigte einen tiefen Krater, wogegen die Freiflächenabnutzung im Durchschnitt 0,43 mm betrug.
Der Versuch wurde an einer andern geschlitzten Gusseisenstange mit höherer Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit wiederholt. Die Schnittgeschwindigkeit betrug 137 m/min, die Vorschubgeschwindig- 0,51 mm je Umdrehung und die Schnittzeit 3,5 min. Bei diesem Versuch hatte die aus 6% Kobalt und 94% Wolframcarbid bestehende Schneidplatte einen tiefen Krater an der Spanfläche, und die Freiflächenabnutzung betrug im Durchschnitt 0,41 mm. Die erfindungsgemäss zusammengesetzte Schneidplatte zeigte nur eine leichte Kraterbildung, wogegen die Freiflächenabnutzung im Durchschnitt 0,15 mm betrug.
Beispiel 2 : Eine Schneidplatte, deren Hauptmasse aus 91% Wolframcarbid und 9% Kobalt bestand und deren Oberflächenschicht 81% Wolframcarbid, 12% Titancarbid und 7% Kobalt enthielt, wurde wie im Beispiel 1 hergestellt. Die Schneidplatte wurde in eine Form geschliffen, die zur Befestigung in einem Fräser geeignet war. Nach dem Schleifen der Schneidplatte war die obere Hartmetallschicht ungefähr 0,25 mm dick.
Diese Schneidplatte wurde in einem Einzahnfräser befestigt und zum Fräsen einer Stahlstange mit 0, 4% Kohlenstoff verwendet. Die Umfangsgeschwindigkeit des Fräsers betrug 183 g/min, der Vorschub 0,13 mm je Umdrehung und die Schnittiefe 3,8 mm. Nach dem Schnitt auf eine Länge von 915 mm zeigte das Werkzeug eine leichte Kraterbildung und eine Freiflächenabnutzung von im Durchschnitt 0,23 mm. Vergleichsweise wurde ein Werkzeug, das aus 10% Kobalt, 10% Titancarbid, 2, 5% Tantal-
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schnittlich 0,305 mm.
Beispiel 3 : Eine Schneidplatte wurde nach demselben Verfahren hergestellt, wie es im Beispiel 1 beschrieben wurde. Die obere Hartmetallschicht bestand aus 24, 5% Titancarbid, 11% Kobalt und 64, 5solo Wolframcarbid. Die Hauptmasse bestand aus 10% Kobalt, 11% Titancarbid und 791o Wolframcarbid. Die Schneidplatte wurde gesintert und geschliffen, wobei die Hartmetallschicht an der Spanfläche nach dem Schleifen ungefähr 0,20 mm dick war.
Die Schneidplatte wurde in einem Werkzeughalter befestigt und zum Bearbeiten eines niedrig legierten Stahles mit einer Schnittgeschwindigkeit von 160 m/min, einer Vorschubgeschwindigkeit von 0, 13 mm je Umdrehung und einer Schnittiefe von 0,51 mm verwendet. Nach dem Bearbeiten durch 10 min waren die Kraterbildung und die Deformation der Schneidplatte sehr gering, und die Freiflächenabnutzung betrug im Durchschnitt 0,069 mm. Vergleichsweise wurde eine Schneidplatte aus dem Pulver der gleichen Zusammensetzung wie die der oberen Hartmetallschicht unter den gleichen Bedingungen geprüft. Nach 10 min war die Kraterbildung gering ; die Deformation an der Nase der Schneidplatte war beachtlich grösser, und die Freiflächenabnutzung betrug im Durchschnitt 0,089 mm.
Beispiel 4 : Um die Wichtigkeit des Auswählens der Hartmetalle zu zeigen, die geeignet sind, eine Wanderung zu unterbinden, wurde eine obere Hartmetallschicht, bestehend aus 64, 5% Wolframcarbid, 24, 5% Titancarbid und 11% Kobalt an drei verschiedenen Hauptmassen hergestellt. Die erste (A) bestand aus 91% Wolframcarbid und 9% Kobalt, die zweite (B) aus 86% Wolframcarbid, 5% Titancarbid und 9% Kobalt und die dritte (C) aus 77% Wolframcarbid, 10% Titancarbid. 3% Tantalcarbid und 1001o Kobalt.
In jedem Fall wurde das Pulver der Hauptmasse in einem Stahlgesenk bei einem Druck von ungefähr 157 kg/cmz vorgepresst und das Pulver zur Bildung der oberen Hartmetallschicht auf die obere Fläche des entsprechenden Presslings aufgelegt ; das Ganze wurde dann bei einem Druck von ungefähr 1260 kg/cmz fertiggepresst. Der so gebildene Pressling wurde in einem Vakuumofen bei ungefähr 14400 C durch 1 h gesintert.
Bei Prüfung der so gewonnenen Schneidplatten wurde festgestellt, dass die obere Hartmetallschicht auf der Hauptmasse des Pulvers A, das kein Titancarbid enthielt, sehr porös war und sehr wenig Kobalt in Form von abgesonderten Nestern enthielt. Die obere Hartmetallschicht auf der Hauptmasse des Pulvers war ähnlicher Art, doch enthielt sie weniger poröse Stellen und ziemlich viel Kobalt. Keine dieser beiden Schneidplatten hätte im Gebrauch befriedigt. Anderseits war die obere Hartmetallschicht auf der Hauptmasse des Pulvers C praktisch frei von Porosität und schien eine normale Kobaltmenge zu ent-
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halten, die so gut verteilt war, dass sie als wirkliche Bindung wirkte, die ihr eine entsprechende Zähigkeit verlieh.
Daraus ist ersichtlich, dass die Erfindung eine Schneidplatte liefert, die die Vorteile einer niedrigen Abnutzung auf der Spanfläche sowie auf der Freifläche bei grösserer Zähigkeit besitzt, als sie üblicherweise dieser geringen Abnutzung entspricht. Sie besitzt auch eine genügend hohe Wärmeleitfähigkeit, ergibt eine niedrige Freiflächenabnutzung bei hohen Schnittgeschwindigkeiten sowie eine geringe Werkzeugdeformation und zeigt auch bei niedrigen Geschwindigkeiten eine geringe Verschleissabnutzung. Ist Titancarbid dem Hartmetall der Hauptmasse einverleibt, gehen diese Vorteile einigermassen verloren. Insbesondere wird das Basismaterial weniger zäh und besitzt eine geringere Wärmeleitfähigkeit.
Es ist aber noch zäher und wärmeleitfähiger als die obere Hartmetallschicht ; ein Vorteil ist jedoch, dass die auf diesem Wege hergestellte Schneidplatte den sehr hohen Abnutzungswiderstand auf der Spanfläche beibehält und unter strengeren Schneidbedingungen als solche Schneidplatten verwendet werden kann, die nur die entsprechende Zusammensetzung der oberen Hartmetallschicht aufweisen.
Wenn die Spanfläche der erfindungsgemässen Schneidplatte nach Gebrauch geschliffen wird, könnte die obere Hartmetallschicht entfernt werden. Aus diesem Grunde ist die Erfindung insbesondere auf Schneidplatten anwendbar, die, wenn sie stumpf geworden sind, nicht nachgeschärft oder nachgeschliffen, sondern zum Abfall geworfen werden. Wird die Schneidplatte an der Spanfläche vor dem Gebrauch geschliffen, dann soll die Dicke der Hartmetallschicht um den durch Schleifen entfernten Betrag grösser sein.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Für spanabhebende Werkzeuge bestimmte Schneidplatte aus gesintertem Hartmetall, bestehend aus einer aus Wolframcarbid und Kobalt oder einem andern Bindemetall mit oder ohne Carbiden eines oder mehrerer der Elemente der IV. und V. Gruppe des periodischen Systems bestehenden Hauptmasse und einer gegenüber der Kraterbildung im Vergleich zur Hauptmasse widerstandsfähigeren und sich über den der Kraterbildung ausgesetzten Teil der oberen Plattenfläche erstreckenden Hartmetallschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke der die Schneide bildenden Hartmetallschicht 0,01
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