CH661885A5 - Schneidwerkzeug mit einem werkzeugkoerper und verfahren zur herstellung dieses werkzeuges. - Google Patents

Schneidwerkzeug mit einem werkzeugkoerper und verfahren zur herstellung dieses werkzeuges. Download PDF

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Vyacheslav Nikolaevich Panin
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Description

Die Erfindung betrifft ein Schneidwerkzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses Schneidwerkzeuges.
Bekannt sind Schneidwerkzeuge aus metallkeramischen Werkstoffen auf Basis von schwerschmelzbaren Metallen mit einem verschleissfesten Überzug aus hitzebeständigen Verbindungen (Karbide, Nitride usw.) von schwerschmelzbaren Metallen, z.B. Titan, Zirkonium, bei denen zwischen der Grundlage und dem Überzug eine zusammenhängende Zwischenschicht aus reinem Metall (Titan, Zirkonium) ausgeführt ist (s. Dissertation von I.A. Derevlev «Untersuchung der Arbeitsfähigkeit eines Werkzeuges mit dünnen Überzügen unter Bedingungen des unterbrochenen Schnitts», M., 1978, SS. 65-68).
Bei solchen Werkzeugen ist die zusammenhängende Zwischenschicht aus reinem Metall 0,5 bis 1 um dick und erzeugt die Grenzfläche Werkzeug-Überzug. Derartige Schneidwerkzeuge werden bei der Metallbearbeitung weitgehend eingesetzt und gewährleisten im Vergleich mit dem Hartmetallwerkzeug ohen Überzug eine Erhöhung der Schnitthaltigkeit um das 2- bis 3fache bei der Bearbeitung von Konstruktionswerkstoffen. Jedoch ist ein Werkzeug aus metallkeramischen Werkstoffen auf Basis von schwerschmelzbaren Metallen zur Zeit schwer beschaffbar und teuer.
Es ist ein Verfahren zur Herstellung des Schneidwerkzeuges aus Schnellarbeitsstählen und Hartmetallen bekannt, bei dem auf die Grundlage durch Stoffkondensation aus einem Plasma mit Ionenbeschuss (siehe Sammlung von Thesen und Vorträgen «Progressivnye tekhnologicheskie protsessy v in-strumentalnom proizvodstve» [Fortschrittliche technologische Prozesse im Werkzeugbau] unter Redaktion von Dr.-Ing. Semko M.F., Moskau, 1979, SS. 26—28) aufeinanderfolgend eine zusammenhängende Zwischenschicht aus reinem Metall und ein Überzug aus hitzebeständigen Verbindungen von schwerschmelzbaren Metallen aufgetragen werden. Die Temperatur der Erwärmung des Werkzeuges aus
Schnellarbeitsstahl beim Auftragen der zusammenhängenden Zwischenschicht und des Überzugs beträgt höchstens 560 CC, beim Werkzeug mit der Grundlage aus Hartmetall aber 800 °C. Die Kondensationsgeschwindigkeit beträgt 4...15 nm/s.
Bekannt sind Schneidwerkzeuge aus keramischen und metallkeramischen Werkstoffen auf Basis von Aluminiumoxid, die in der metallverarbeitenden Industrie bei der Bearbeitung von Stählen und Gusseisen verwendet werden.
Ein solches Werkzeug ist beträchtlich billiger als das Werkzeug aus metallkeramischem Werkstoff auf Basis von schwerschmelzbaren Metallen, es hat aber wesentliche Nachteile physikalischer Art, was einen negativen Einfluss auf dessen breite Anwendung bei der Metallbearbeitung hat.
Der Hauptnachteil dieser Schneidwerkzeuge ist niedrige Beständigkeit der Schneidkanten gegen Zerstörung infolge der niedrigen Querfestigkeit und der hohen Empfindlichkeit gegenüber Wärmestössen.
Die niedrige Querfestigkeit ist durch das Vorhandensein einer beträchtlichen Anzahl von Defekten (Mikrorisse, Porosität, Korntrenngrenzen u.a.) in der Oberflächenschicht des Werkzeuges und folglich durch hohe Oberflächenenergie bedingt, die bei der Energiezufuhr während des Zerspanvorgangs durch Abbröckeln der Schneidkante relaxiert.
Das Auftragen eines verschleissfesten Überzuges auf ein solches Werkzeug könnte die besagten Nachteile beseitigen.
Aber ein Schneidwerkzeug aus metallkeramischem Werkstoff auf Basis von Aluminiumoxid mit einem verschleissfesten Überzug ist zur Zeit nicht bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schneidwerkzeug mit einem verschleissfesten Überzug aus hitzebeständigen Verbindungen von schwerschmelzbaren Metallen anzugeben, das zu seiner Herstellung keine teueren und schwer beschaffbaren Werkstoffe erfordern würde und dabei durch eine hohe Schnitthaltigkeit gekennzeichnet wäre, sowie auch ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Werkzeuges zu entwickeln.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die in den kennzeichnenden Teilen der Ansprüche 1 und 2 angegebenen Merkmale gelöst.
Anspruch 3 bezeichnet eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.
Das gemäss der vorliegenden Erfindung aufgebaute Schneidwerkzeug kennzeichnet sich durch eine hohe Standzeit, die durch das Vorhandensein eines verschleissfesten Überzuges aus hitzebeständigen Verbindungen von schwerschmelzbaren Metallen sichergestellt wird, und ist zugleich ausreichend billig, weil als Rohstoff für seine Grundlage das genügend vorhandene billige Material — Aluminiumoxid — auftritt.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung dieses Werkzeuges ist recht einfach durchführbar und erfordert nicht die Entwicklung einer Sonderausrüstung.
Im folgenden wird die Erfindung durch Beschreibung konkreter Varianten ihrer Realisierung erläutert.
Das Schneidwerkzeug gemäss der vorliegenden Erfindung besteht aus einer Grundlage, die aus keramischem oder metallkeramischem Werkstoff auf Basis von Aluminiumoxid, einer Zwischenschicht aus reinem Metall, z.B. Titan oder Zirkonium, welche nicht zusammenhängend ist, und einem auf die Zwischenschicht aufgetragenen verschleissfesten Überzug aus hitzebeständigen Verbindungen (Karbide, Nitride u.dgl.) von schwerschmelzbaren Metallen, z.B. Titan, Zirkonium, ausgeführt ist. Die nicht zusammenhängende Zwischenschicht besteht aus einzelnen Abschnitten, die lediglich auf den Oberflächendefekten der Grundlage des Werkzeuges geformt sind.
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Das Verfahren zur Herstellung des Schneidwerkzeuges gemäss der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass man auf die Grundlage des Schneidwerkzeuges, die aus keramischem oder metallkeramischem Werkstoff auf Basis von Aluminiumoxid besteht, durch Stoffkondensation aus einem Plasma mit Ionenbeschuss aufeinanderfolgend eine Zwischenschicht aus reinem Metall und einem verschleissfesten Überzug aus hitzebeständigen Verbindungen von schwerschmelzbaren Metallen aufträgt.
Die Zwischenschicht trägt man bei einer Temperatur T des Werkzeuges von V2 Ts > T > '/3 Ts, worin Ts die Schmelztemperatur des Auftragsmetalls, T die Temperatur des Werkzeuges in °K bedeutet, und die Kondensationsgeschwindigkeit und die Zeit der Prozessführung wählt man ausgehend von der Bedingung der Metallabscheidung nur auf den Oberflächendefekten der Grundlage des Werkzeuges.
Beispielsweise führt man die Kondensation der metallischen Phase ohne Beschleunigung durch ein elektrisches Feld durch, indem man eine Kondensationsgeschwindigkeit in der Grössenordnung von 1—2 nm/s gewährleistet. Hierbei beträgt die Zeit der Prozessführung 10 —15 s.
Die Menge des abgeschiedenen Metalls nimmt man ausgehend von dem Grad der Fehlerhaftigkeit der Werkzeugoberfläche und wählt auf experimentellem Wege mittels Durchmusterung der Oberfläche mit der aufgetragenen Zwischenschicht in einem optischen Mikroskop bei der Vergrös-serung x 300 im Dunkelfeld aus. Man wählt solche Bedingungen (in den genannten Grenzen der Werkzeugerwärmung), bei denen der Film der Zwischenschicht auf den fehlerfreien Abschnitten nicht wächst.
Die Kristallisationsbedingungen der Zwischenschicht (die Temperatur des Werkzeuges V2 T3 > T > '/3 Ts) gestatten es den auf der Oberfläche des Schneidwerkzeuges adsorbierten Metallatomen, eine Oberflächenwanderung auszuführen, wobei sie infolgedessen lokale Oberflächenabschnitte mit erhöhter Oberflächenenergie erreichen, zu denen Risse, Spaltflächen, Ausscheidungen, Lockerungsstrukturen, Korngrenzen, Wachstumsfiguren und andere Defekte gehören. Der Prozess der Wanderung wird zusätzlich durch Einwirkung von Strahlungen aktiviert, die in der Kammer beim Brennen der Bogenentladung entstehen. Die adsorbierten Atome übertragen zu den Oberflächenabschnitten, die Kon-zentratoren der Oberflächenenergie sind, die Wärmeenergie des Übergangs Dampf-Kristall, kristallisieren auf diesen und schwächen ihren Einfluss auf die Bildung (Entwicklung) von Rissen im Werkzeug durch Senkung des Niveaus der freien Oberflächenenergie ab.
Die auf den Oberflächendefekten abgeschiedene metallische Phase, die die genannten Unvollkommenheiten «heilt», gleicht die Elektronenschalen der auf der Oberfläche befindlichen Atome ab, wodurch eine starke Bindung an der Trenngrenze -Zwischenschicht -verschleissfester Überzug entsteht. Die sich bildende nicht zusammenhängende Zwischenschicht beeinflusst positiv die Verminderung der inneren Spannungen an der Trenngrenze Werkzeuggrundlage — verschleissfester Überzug aus hitzebeständigen Verbindungen von schwerschmelzbaren Metallen, welche Spannungen infolge des unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe der Grundlage und des hitzebeständigen verschleissfesten Überzuges entstehen.
Der auf die Zwischenschicht aufgetragene verschleissfe-ste Überzug aus einer hitzebeständigen Verbindung, beispielsweise aus Bornitrid, erfüllt drei Funktionen:
1. Im System Werkzeuggrundlage-Verstärkungsüberzug findet die Umverteilung der Oberflächenenergie statt, die von der Oberfläche der Grundlage auf die Oberfläche des abgeschiedenen hitzebeständigen verschleissfesten Überzugs abgeführt wird.
2. Dadurch, dass die Beschichtung durch Kondensation der metallischen Phase aus einem Plasma unter Nichtgleich-gewichtsbedingungen (Stosswirkung des Plasmabündels, das z. B. aus Titan- und Stickstoffionen besteht, hohe Erwärmungstemperatur der Oberfläche während des Auftragens des Überzugs u.a.) erfolgt, treten in den aufgetragenen Schichten des hitzebeständigen Materials innere Druckspannungen auf, welche die mechanischen Eigenschaften des Schneidwerkzeuges verbessern.
3. Der hitzebeständige verschleissfeste Überzug erhöht wie beim bekannten Werkzeug mit Überzug die Verschleiss-festigkeit des Werkzeuges.
Zum besseren Verständnis des Wesens der vorliegenden Erfindung werden nachstehend konkrete Ausführungsbeispiele des Verfahrens zur Herstellung des Schneidwerkzeugs angeführt.
Beispiel 1.
Auf Wegwerfschneidplatten aus Metallkeramik auf Basis von AI2O3 mit Zusätzen von Karbiden schwerschmelzbarer Metalle und von schwerschmelzbaren Metallen wurde ein verschleissfester Überzug aus Titannitrid aufgetragen. Die Platten wurden in eine Vorrichtung eingesetzt und in die Arbeitskammer einer Anlage «BULAT» eingebracht.
Die Arbeitskammer wurde auf 0,00133 Pa evakuiert. Den Platten wurde ein negatives Potential von 1,15 kV zugeführt.
Im Raum zwischen den Platten und einer zu zerstäubenden Katode aus Titan wurde eine Lichtbogenentladung gezündet, und die Schneidefläche der Platten wurde mit beschleunigten Titanionen bearbeitet, wobei die Oberfläche der Platten von adsorbierten Beimischungen gereinigt und gleichzeitig infolge der Absorption der kinematischen Energie der Ionen auf eine Temperatur von 600. ..620 CC erwärmt wurde. Nach der Erwärmung der Platten auf diese Temperatur wurde das Hochspannungspotential weggenommen und zugleich ein negatives Potential von 300 V dem Werkzeug zugeführt.
Ferner wurde bei dem Lichtbogenstrom von 70 A auf die Oberfläche der Platten Titan mit einer Kondensationsgeschwindigkeit von 1,5 nm/s während 15 Sekunden aufgetragen.
Unter diesen Bedingungen erfolgt die Kristallisation des Titans auf defekten Oberflächenabschnitten, die Abflüsse für die aus dem Plasmabündel angekommene metallische Phase darstellen, wodurch die zu kondensierende Zwischenschicht als nicht zusammenhängend geformt wird.
Nach der Erzeugung einer nicht zusammenhängenden Zwischenschicht wurde am Verdampfer ein Lichtbogenstrom von 110 A eingestellt und in die Arbeitskammer ein Reaktionsgas, z.B. Stickstoff, bei einem Druck von 5,33 Pa eingelassen, wobei oberhalb der Zwischenschicht auf der Oberfläche des Werkzeugstoffes sich eine Schicht von Titannitrid mit einer Dicke von höchstens 10 [.im abschied. Hiernach wurden die Platten mit der nicht zusammenhängenden Zwischenschicht und der Schicht des hitzebeständigen Überzuges im Vakuum auf die Temperatur von 50 C abgekühlt und aus der Arbeitskammer entfernt.
Ein mit der genannten Vierkantplatte aus der genannten Metallkeramik mit der nicht zusammenhängenden Zwischenschicht aus Titan und dem Überzug aus Titannitrid bestückter Meissel wurde beim Drehen von Gusseisen geprüft, das die folgende Zusammensetzung hatte: C - 3,4 — 3,6%, Si -1,8-2,2%, Mn-0,96-1,2%, Cr - 0,16-0,3%, P ; 0,06%, Mg-0,01-0,03%, S < 0,01%, Fe-Rest.
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Schnittbedingungen: Tiefe - 0,3 mm, Vorschub - 0,1 mm/ U, Schnittgeschwindigkeit - 270 m/min. Die Zahl der geprüften Platten - 10.
Die Anzahl von mittels der Platten mit Überzug bearbeiteten Werkstücken 4200, die Anzahl von Werkstücken, die mit der gleichen Anzahl der Platten ohne Überzug bearbeitet wurden, —1840. Somit war bei der Bearbeitung von Gusseisen mittels des erfindungsgemässen Werkzeugs ein Erhöhung der Schnitthaltigkeit um das 2,3-fache zu verzeichnen.
Beispiel 2.
Ein Meissel mit einer Vierkantplatte aus Metallkeramik auf Basis von A1203 mit Bindemittelkomponenten mit einer nicht zusammenhängenden Zwischenschicht aus Titan und einem Überzug aus Titannitrid, welche ähnlich wie in Beispiel 1 hergestellt wurden, wurde beim Drehen von Stahl geprüft, der enthielt:
C - 0,4-0,5%, Si - 0,17-0,37%, Mn - 0,5-0,8%. Schnittbedingungen: Tiefe 0,3 mm, Vorschub 0,3 mm/U, Geschwindigkeit 250 m/min.
Die Schnitthaltigkeit einer Fläche mit Überzug betrug 90 Werkstücke, mit vier Flächen wurden 360 Werkstücke bearbeitet. Die Schnitthaltigkeit einer Fläche ohne Überzug betrug 40 Werkstücke, die von vier Flächen 180 bearbeitete Werkstücke.
Somit ist bei der Bearbeitung von Stahl, der 0,4—0,5% C, 0,17 — 0,37% Si, 0,5—0,8% Mn enthält, mittels des erfindungsgemässen Werkzeuges eine Steigerung der Schnitthaltigkeit nahezu um das 2fache zu verzeichnen.
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Claims (3)

661885 PATENTANSPRÜCHE
1. Schneidwerkzeug mit einem Werkzeugkörper, der mit einem verschleissfesten Überzug aus hitzebeständigen Verbindungen von schwerschmelzbaren Metallen überzogen ist, wobei zwischen dem Werkzeugkörper und dem Überzug eine Zwischenschicht aus reinem Metall vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugkörper aus keramischem oder metallkeramischem Werkstoff auf der Basis von Aluminiumoxid besteht und die Zwischenschicht nicht zusammenhängend ist.
2. Verfahren zur Herstellung des Schneidwerkzeuges nach Anspruch 1, bei dem durch Stoffkondensation aus einem Plasma mit Ionenbeschuss aufeinanderfolgend die Zwischenschicht und der Überzug auf dem Werkzeugkörper aufgetragen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht bei einer Temperatur des Werkzeuges von '/2 Ts > T > l/3 Ts aufgetragen wird, worin Ts die Schmelztemperatur des aufzutragenden Metalls und T die Temperatur des Werkzeuges in °K bedeutet und dass die Kondensationsgeschwindigkeit sowie die Zeit der Prozessführung ausgehend von der Bedingung der Metallabscheidung nur auf den Oberflächendefekten des Werkzeugkörpers gewählt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht bei einer Kondensationsgeschwin-digkeit von 1 bis 2 nm/s während'10 bis 15 s aufgetragen wird.
CH752/83A 1983-02-14 1983-02-10 Schneidwerkzeug mit einem werkzeugkoerper und verfahren zur herstellung dieses werkzeuges. CH661885A5 (de)

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