Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die herkömmlichen
Probleme zu überwinden
und ein auf kubischem Bornitrid basierendes gesintertes Material
mit herausragender Haltbarkeit zur Verfügung zu stellen, das für ein Werkzeugmaterial
zum Schneiden verwendbar ist, welches wenigstens ein hochwertiges Gusseisen,
dargestellt durch Ni-Resist-Gusseisen und getempertes Gusseisen,
mit hoher Geschwindigkeit schneiden kann und eine lange Lebensdauer
besitzt. Es ist zudem die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung eines
derartigen, auf kubischem Bornitrid basierenden gesinterten Materials
bereitzustellen.
Diese
Aufgabe wird durch das nachstehende Verfahren und Material gelöst.
Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung schließt das Verfahren zur Herstellung
eines auf kubischem Bornitrid basierenden gesinterten Materials
die in Patentanspruch 1 definierten Schritte ein. Vorteilhafte Weiterbildungen
werden in den abhängigen
Patentansprüchen
definiert.
Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein auf kubischem
Bornitrid basierendes gesintertes Material zur Verfügung gestellt,
das nach den Patentansprüchen
1 bis 4 erhältlich
ist.
Eine
vollständigere
Würdigung
der Erfindung und viele der zu erwartenden Vorteile davon werden
anhand der folgenden detaillierten Beschreibung leicht ersichtlich
werden, insbesondere in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen,
in welchen:
1 eine
Diagrammdarstellung zeigt, die das Herstellungsverfahren veranschaulicht,
2 eine
Diagrammdarstellung ist, die das Herstellungsverfahren in einer
ersten Ausführungsform veranschaulicht,
3 eine
Diagrammdarstellung ist, die das Herstellungsverfahren in einer
zweiten Ausführungsform veranschaulicht,
4 eine
schematische Zeichnung ist, die die Struktur von auf kubischem Bornitrid
basierenden gesinterten Material zeigt, das durch das Herstellungsverfahren
erhalten wurde,
5 eine
schematische Zeichnung ist, die die Struktur des auf kubischem Bornitrid
basierenden gesinterten Materials zeigt, das durch das Herstellungsverfahren
der ersten Ausführungsform
erhalten wurde,
6 eine
schematische Zeichnung ist, die die Struktur des auf kubischem Bornitrid
basierenden gesinterten Materials zeigt, das durch das Herstellungsverfahren
der zweiten Ausführungsform
erhalten wurde,
7(a) eine Darstellung ist, die die Reflexe
der Röntgenstrahlbeugung
nach dem Sintern zeigt,
7(b) eine Zeichnung ist, die die Reflexe
der Röntgenstrahlbeugung
vor dem Sintern zeigt,
8 eine
perspektivische Ansicht eines Schneidewerkzeugs ist,
9 ein
S-Querschnitt eines Schneidewerkzeugs in 8 ist, und
10 ein
Grundriss eines Schneidewerkzeugs ist, der den Verschleiß an der
Flankenfläche
in den Ausführungsformen
zeigt.
Die
bevorzugten Ausführungsformen
werden nun anhand der beigefügten
Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen in allen Zeichnungen
entsprechende oder identische Elemente bezeichnen.
Wenn
ein Pulver aus kubischem Bornitrid unter Verwendung eines Bindemittelpulvers
gesintert wird, das vier Pulverarten aus TiCN, Si3N4, Al2O3 und
CrxN (wobei x von 1 bis 2,7 variiert) enthält, wird
das TiCN durch kontinuierliche Bildung einer festen Lösung eines
kubischen TiN-Systems und eines kubischen TiC-Sytems gebildet. Das
Verhältnis
von N:C ist optional innerhalb eines Bereichs von (1:9) bis (9:1).
Zur zweckmäßigen Nutzung
der TiN- als auch der TiC-Eigenschaften liegt das Verhältnis vorzugsweise
innerhalb eines Bereichs von (2:8) bis (8:2).
Außerdem ist
der Teilchendurchmesser des TiCN-Pulvers
vorzugsweise geringer als der Teilchendurchmesser des Pulvers aus
kubischen Bornitrid, das später
beschrieben wird. Wenn der Teilchendurchmesser des TiCN-Pulvers 10 μm übersteigt,
ist eine ausreichende Herstellung von Substanzen, wie etwa dem später beschriebenen
TiO, nicht möglich.
Außerdem
verbleibt möglicherweise
TiCN nach dem Sintern, obwohl dies von den Sinterbedingungen abhängt. Darüber hinaus
tritt beim Übersteigen
eines Teilchendurchmessers des TiCN-Pulvers von 10 μm, sogar
bei einer vollständigen
Umsetzung des TiCN in die gewünschten
Substanzen, wie etwa TiO, das Problem der ungleichmäßigen Abscheidung
der hergestellten Substanzen auf. Eine gleichmäßige Verteilung der hergestellten
Substanzen als Bindemittel um das kubische Bornitridteilchen herum
kann kaum erwartet werden.
Daher
beträgt
der Teilchendurchmesser des TiCN-Pulvers
vorzugsweise 5 μm
oder weniger und insbesondere bevorzugt 2 μm oder weniger. Im allgemeinen
ist ein ultrafeines Teilchen mit dem Durchmesser von 0,1 μm oder weniger
bevorzugt, aber in diesem Fall muss die Entfernung von absorbierten
Gasen berücksichtigt
werden. Außerdem
muss bei einer Verkleinerung des Teilchendurchmessers durch Pulverisierung
beachtet werden, dass eine Kontaminierung mit Verunreinigungen verhindert
wird.
Das
Si3N4 besitzt zwei
Arten von Kristallstrukturen; ein hexagonales System vom α-Typ und
ein trigonales System vom β-Typ.
Grundsätzlich
sind beide Kristallstrukturen verwendbar. Der α-Typ, der mit Sauerstoff leicht
eine feste Lösung
ausbildet, ist bevorzugt.
Vorzugsweise
ist auch der Teilchendurchmesser des Si3N4 geringer als der Teilchendurchmesser eines
Pulvers aus kubischen Bornitrid, das später beschrieben wird. Aus dem
gleichen Grund wie bei dem TiCN ist der Teilchendurchmesser des
Si3N4 vorzugsweise
nicht größer als
5 μm und
insbesondere bevorzugt nicht größer als
2 μm. Im
allgemeinen ist ein ultrafeines Teilchen mit einem Teilchendurchmesser
von 0,1 μm
oder weniger wünschenswert.
In diesem Fall muss die Entfernung von adsorbierten Gasen berücksichtigt
werden. Außerdem
muss bei einer Verkleinerung des Teilchendurchmessers durch Pulverisierung
besonders beachtet werden, dass eine Kontaminierung mit Verunreinigungen
verhindert wird.
Das
Al2O3 besitzt viele
Kristallstruktursysteme. Obwohl grundsätzlich alle Kristallstruktursysteme
erlaubt sind, sind ein γ-Typ
mit einem kubisches System vom Spinelltyp, der in einen α-Typ bei
1000°C oder
höher umgewandelt
wird, und ein α-Typ
mit einem trigonalen System vom Korund-Typ, der bei einer derartig
hohen Temperatur stabil ist, bevorzugt.
Der
Teilchendurchmesser des Al2O3 ist
vorzugsweise geringer als der Teilchendurchmesser des Pulvers aus
kubischem Bornitrid, das später
beschrieben wird. Da ein hochreines Pulver mit einem Teilchendurchmesser
von 1 μm
oder weniger leicht erhalten werden kann, wird vorzugsweise ein
derartiges Pulver verwendet. Folglich tritt in diesem Fall weder
eine unvollständige
Umsetzung noch eine ungleichmäßige Abscheidung auf,
welche im Fall von TiCN und Si3N4 berücksichtigt
werden mussten. Im allgemeinen sind trotzdem ultrafeine Teilchen
mit einem Teilchendurchmesser von 0,1 μm oder weniger wünschenswert.
In diesem Fall muss die Entfernung von adsorbierten Gasen berücksichtigt
werden.
Das
CrxN (wobei x von 1 bis 2,7 variiert) umfasst
hauptsächlich
CrN und Cr2N, die beide nicht-stöchiometrische
Verbindungen sind.
Vorzugsweise
ist der Teilchendurchmesser von CrxN (wobei
x von 1 bis 2,7 variiert) geringer als der Teilchendurchmesser des
Pulvers aus kubischen Bornitrid, das später beschrieben wird. Aus dem
gleichen Grund wie bei dem TiCN und dergleichen ist der Teilchendurchmesser
des CrxN (wobei x von 1 bis 2,7 variiert) vorzugsweise
nicht größer als
5 μm und
insbesondere bevorzugt nicht größer als
2 μm. Im
allgemeinen sind ultrafeine Teilchen mit einem Teilchendurchmesser
von 0,1 μm
oder weniger wünschenswert.
In diesem Fall muss die Entfernung von adsorbierten Gasen beachtet
werden. Außerdem
muss bei einer Verkleinerung des Teilchendurchmessers durch Pulverisierung
besonders beachtet werden, dass eine Kontamination mit Verunreinigungen
verhindert wird.
Das
kubische Bornitrid (nachstehend manchmal als cBN bezeichnet) ist
ein Bornitrid (BN) mit einer kubischen Struktur vom Zinkblende-Typ,
das bei Ultrahochdruck synthetisiert wurde. Die Härte steht
der des Diamanten nahe. Die Teilchen aus kubischem Bornitrid können nur
unter Ultrahochdruck und sehr hoher Temperatur durch Sintern direkt
aneinander gebunden werden. Daher müssen zur Bindung der Teilchen
Bindemittel auf der Oberfläche
der Teilchen aus kubischem Bornitrid verteilt sein.
Wenn
es nur auf die Verschleißfestigkeit
eines erhaltenen gesinterten Materials ankommt, beträgt der Teilchendurchmesser
des kubischen Bornitrids vorzugsweise 0,5 bis 10 μm, außer wenn
es auf die Verschleißfestigkeit
besonders ankommt, wie später
beschrieben wird. Bei einem Teilchendurchmesser von weniger als 0,5 μm tritt das Problem
auf, dass TiCN, Si3N4,Al2O3 und CrxN (wobei x von 1 bis 2,7 variiert) den Teilchenumfang
kaum bedecken.
Im
Fall der Verwendung eines erhaltenen gesinterten Werkzeugmaterials
zum Schneiden eines hochwertigen Gusseisens, dargestellt durch ein
Ni-Resist-Gusseisen und ein getempertes Gusseisen, beträgt der Teilchendurchmesser
vorzugsweise 0,5 bis 5 μm.
Bei einem Teilchendurchmesser von weniger als 0,5 μm tritt das
gleiche Problem wie vorstehend beschrieben auf. Andererseits tritt
beim Übersteigen
eines Teilchendurchmessers von 5 μm
das Problem auf, dass die Endverarbeitung eines Werkzeugs schwierig
wird und es leicht zu Bruch in dem dazwischenliegenden Schneideprozess
kommt. Daher beträgt
die Teilchengröße vorzugsweise
0,5 bis 3 μm
und insbesondere bevorzugt 0,5 bis 2 μm.
Wenn
es jedoch mehr auf die Verschleißfestigkeit ankommt, kann unter
Inkaufnahme einer Abnahme der Schlagfestigkeit zum Beispiel ein
kubisches Bornitrid mit einem Durchmesser von 5 μm bis 20 μm in einer Menge von bis zu
60 Volumenprozent des gesamten kubischen Bornitrids neben dem kubischem
Bornitrid mit dem vorstehenden Teilchendurchmesser zugegeben werden.
In
einem Verfahren zur Herstellung eines auf kubischem Bornitrid basierenden
gesinterten Materials der vorliegenden Erfindung wird ein Mischpulver
gesintert, das aus einem Bindemittelpulver aus TiCN, Si3N4, Al2O3 und
CrxN (wobei x von 1 bis 2, 7 variiert) und
einem Pulver aus kubischem Bornitrid zusammengesetz ist. Das Ultrahochdruck-Sinterverfahren
wird bei einer Temperatur von 1300 bis 1600°C und einem Druck von 4,0 bis
7,0 GPa ausgeführt.
Ein auf diese Weise erhaltenes, auf kubischem Bornitrid basierendes,
gesintertes Material zeigt herausragende Haltbarkeit, zum Beispiel
wenn es für
ein Schneidewerkzeug verwendet wird.
Bisher
konnte sogar bei Verwendung eines gesinterten, kubisches Bornitrid
enthaltenden Materials keine ausreichende Haltbarkeit erhalten werden.
Dies beruht vermutlich auf der schwächeren Wärmewiderstandsfähigkeit
und Haltbarkeit des Bindemittels selbst.
Im
Gegensatz hierzu werden in der vorliegenden Erfindung die Kristallstrukturen
von TiCN, Si3N4, Al2O3 und CrxN durch den Sintervorgang umgewandelt. Es
ist bestätigt,
dass wenigstens eine Kristallstruktur von TiO1-2 existiert.
Daneben wird angenommen, dass einige unbekannte Bindemittel mit
einigen unbekannten Beugungsreflexen hergestellt werden. Zurückgehend
auf diese hergestellten Substanzen wird das Bindemittel selbst mit
extrem hoher Härte
und herausragender Oxidationswiderstandsfähigkeit bereitgestellt.
Ein
gemäß der vorliegenden
Erfindung erhaltenes, auf kubischem Bornitrid basierendes gesintertes Material
ist aus sehr harten kubischen Bornitridteilchen zusammengesetzt,
die durch das Bindemittel stark aneinander gebunden sind und besitzt
herausragende Haltbarkeit. Das Material kann daher wegen der herausragenden
Haltbarkeit des Bindemittels genauso wie wegen der Eigenschaften
des kubischem Bornitrids effektiv zum Beispiel für ein Schneidewerkzeug und
für eine
Bohrspitze verwendet werden. Wenn das gesinterte Material für ein Schneidewerkzeug
für ein
hochwertiges Gusseisen, dargestellt durch ein Ni-Resist-Gusseisen und ein
getempertes Gusseisen, verwendet wird, kann das gesinterte Material
ein Schneidewerkzeug bereitstellen, welches mit hoher Geschwindigkeit
und unter hoher Last schneiden kann, die Eliminierung von kubischem
Bornitridteilchen verhindert und herausragende Verschleißfestigkeit
und Ausfallsbeständigkeit
besitzt.
Weiter
umfasst die Ausgangsmischung 30 bis 95 Volumenprozent Teilchen aus
Bornitrid und 5 bis 70 Volumenprozent Bindemittelpulver, wobei der
Anteil jeder Bindemittel-Komponente zwischen 1 bis 25 Volumenprozent
der Ausgangsmischung liegt.
Wenn
das gesamte Bindemittelpulver weniger als 5 ausmacht, kann das aus
einem Bindemittelpulver hergestellte Bindemittel nicht ausreichend
um die kubischen Bornitridteilchen herum verteilt werden. Demzufolge
besteht das Problem einer beträchtlich
schwachen Bindung der Teilchen aus kubischem Bornitrid. Darüber hinaus
verbleiben unter den Teilchen aus kubischem Bornitrid Hohlräume mit
der Folge, dass eine Verwendung des gesinterten Materials für ein Schneidewerkzeug
nicht möglich
ist.
Wenn
andererseits die Gesamtmenge eines Bindemittelpulvers 70 Volumenprozent übersteigt,
wird folglich der Anteil des kubischen Bornitrids auf weniger als
30 Volumenprozent gedrückt.
In diesem Fall können die
herausragenden Eigenschaften, wie etwa hohe Härte des kubischem Bornitrids,
nicht voll ausgenützt
werden. Demzufolge beträgt
das Mischungsverhältnis
des kubischem Bornitrids insbesondere bevorzugt 40 bis 80 Volumenprozent.
Auch
liegt der Anteil jedes einzelnen Pulvers, das ein Bindemittelpulver
zusammensetzt, wie oben beschrieben, in einem Bereich von 1 bis
25 Vol.-%.
Das
heißt,
wenn der jeweilige Anteil eines der Pulver TiCN, Si3N4, Al2O3 und
CrxN (wobei x von 1 bis 2, 7 variiert) weniger
als 1 Vol.-% beträgt,
kann das Pulver nicht als Bindemittelrohmaterial für ein auf
kubischem Bornitrid basierendes gesintertes Material der vorliegenden
Erfindung fungieren. Andererseits führt das Übersteigen eines Anteils von
mehr als 25 Vol.-% jedes Pulves dazu, dass das jeweilige Pulver
als Bindemittelrohmaterial nicht gut mit anderen Bindemittelrohmaterialien
ausbalanciert und ein gewünschtes
Bindemittel nicht erhalten werden kann. Demzufolge beträgt der jeweilige
Anteil jedes Pulvers aus TiCN, Si3N4, Al2O3 und CrxN insbesondere bevorzugt 2 bis 20 Volumenprozent.
Wenn
die beschichteten Teilchen vor dem Sintern hergestellt werden, ist
die Verteilung des kubischen Bornitrids in dem erhaltenen, auf kubischem
Bornitrid basierenden gesinterten Materials gleichmäßiger, da
die Pulver als Bindemittel um die Teilchen aus kubischen Bornitrid
herum vorliegen und diese Teilchen sich aneinanderlagern und sintern.
In
diesem Fall können
hergestellte Substanzen, die wenigstens TiO1-2 als
Bindemittel enthalten, aus einem Bindemittelpulver abgeleitet werden.
Demzufolge besitzt ein gesintertes Material eine feine Struktur,
in welchem kubische Bornitridteilchen gleichmäßig verteilt sind.
Das
heißt,
sogar bei einer Gesamtmenge der Bindemittelpulver von weniger als
10 Vol.-%, kann das Bindemittel durch vorheriges Herstellen der
beschichteten Teilchen um das kubische Bornitrid herum verteilt werden.
Die Teilchen aus kubischem Bornitrid können fest aneinander gebunden
sein. Bei einer Gesamtmenge Bindemittelpulver von weniger als 5
Vol.-% verbleiben jedoch, genauso wie vorstehend beschrieben, zwischen
den Teilchen aus kubischem Bornitrid Hohlräume und führen so zu einer Verschlechterung
der Zähigkeit bzw.
Festigkeit, die darauf zurückgeführt werden
kann, dass die Hohlräume
zu Bruchpunkten werden und die Lebensdauer eines Werkzeugs verkürzen. Demzufolge
beträgt
das Gesamtmischungsverhältnis
der Pulver als ein Bindemittel vorzugsweise 15 Volumenprozent oder
mehr.
Andererseits
besteht bei einem Gesamtanteil der Bindemittelpulver von 90 Vol.-%
zusätzlich
zu den vorstehend beschriebenen Problemen das Problem extrem hoher
Kosten für
die Beschichtung. Demzufolge beträgt die Gesamtzugabemenge (die
Beschichtungsmenge) der Bindemittelpulver vorzugsweise bis zu 50 Volumenprozent.
In
diesem Fall kann ein Gasphasenbeschichtungsverfahren, das zum Beispiel
als Herstellungsverfahren für
ein beschichtetes, auf kubischem Bornitrid basierendes, gesintertes
Material in gemäß JP 7-53268
A zur Herstellung der beschichteten Teilchen verwendet werden. Alternativ
können
Gasphasenbeschichtungsverfahren verwendet werden, die in JP 61-30663
A und JP 58-31076 A beschrieben wurden.
Ferner
werden die beschichteten Teilchen, die mit dem ersten Bindemittelpulver
beschichtet sind, zuvor hergestellt und dann als Mischpulver, das
durch Mischen der Teilchen mit einem zweiten Bindemittelpulver hergestellt
wurde, gesintert. In diesem Fall sind die Herstellungskosten für die beschichteten
Teilchen verringert, wenn eine relativ große Menge einer Pulvermischung
von TiCN, Si3N4,
Al2O3 und CrxN (wobei x von 1 bis 2,7 variiert) zugegeben
werden muß.
Gleichzeitig kann der Effekt der Verwendung der beschichteten Teilchen erhalten
werden.
Das
heißt,
dass bei einer Zugabemenge von TiCN, Si3N4, Al2O3 und
CrxN, in einem Anteil von 70 Vol.-% der
Gesamtmenge die zum Beschichten des kubischem Bornitrids verwendete
Menge bis auf 20 Volumenprozent gedrückt und die verbleibenden 50
Volumenprozent der zugegebenen Gesamtmenge von TiCN, Si3N4, Al2O3 und
CrxN als Pulver vermischt wird.
Demzufolge
können
die Herstellungskosten verglichen mit dem Fall, in dem die Pulvermischung
von TiCN, Si3N4,
Al2O3 und CrxN insgesamt zum Beschichten der Teilchen
aus kubischem Bornitrid verbraucht wird, verringert und gleichzeitig
der Effekt der beschichteten Teilchen erhalten werden.
In
diesem Fall können
hergestellte Substanzen, die wenigstens TiO1-2 als
Bindemittel enthalten, aus dem ersten Bindemittelpulver und einem
zweiten Bindemittelpulver abgeleitet werden. Demzufolge besitzt
das gesinterte Material eine feine Struktur, in welcher stark aneinander
gebundene Teilchen aus kubischem Bornitrid gleichmäßig verteilt
sind.
Ferner
werden der Ausgangsmischung außerdem
vorzugsweise 1 bis 20 Vol.-Teile SiC, bezogen auf 100 Vol.-Teile
Bornitrid und Bindemittelpulver beigemischt.
Das
SiC schließt
den α-Typ,
der eine rhombische Wurtzit-Struktur besitzt, und den β-Typ, der
einer kubischen Zinkblendestruktur besitzt, ein. Beide dürfen verwendet
werden. Der α-Typ,
welcher flexibler ist, wird bevorzugt. Die Zugabe von SiC führt bei
den Substanzen, die wenigstens TiO1-2 enthalten,
zu einer erhöhten Härte nach
dem Sintern.
Wenn
die SiC-Menge weniger als 1 Vol.-Teil beträgt, wird die Härte nur
geringfügig
erhöht.
Andererseits geht beim Überschreiten
von 20 Vol.-Teilen Balance in der Pulvermischung verloren. Da der
Gehalt an kubischem Bornitrid besonders vermindert ist, ist Verschleißfestigkeit
vermindert. Die zusätzliche
Menge SiC beträgt
vorzugsweise 3 bis 15 Volumenprozent.
Der
Teilchendurchmesser des SiC ist vorzugsweise geringer als der Teilchendurchmesser
des Pulvers aus kubischem Bornitrid. Um das SiC um die kubischen
Bornitridteilchen herum als Verstärkungsmaterial in den Bindemitteln
gleichmäßig zu verteilen,
während
es in dem herzustellenden TiO dispergiert ist, beträgt der Teilchendurchmesser
vorzugsweise 3 μm
oder weniger und insbesondere bevorzugt 2 μm oder weniger. Im allgemeinen
sind ultrafeine Teilchen mit einem Teilchendurchmesser von 0,1 μm oder weniger
wünschenswert. In
diesem Fall muss die Entfernung von adsorbierten Gasen beachtet
werden. Außerdem
muss bei einer Verkleinerung des Teilchendurchmessers durch Pulverisierung
besonders beachtet werden, dass eine Kontaminierung mit Verunreinigungen
verhindert wird.
Diese
auf kubischem Bornitrid basierenden, gesinterten Materialien sind
alle vorteilhaft verwendbar, zum Beispiel für ein Schneidewerkzeug und
eine Bohrspitze, da wie zuvor beschrieben nicht nur das kubische Bornitrid
sondern auch die Bindemittel herausragende Haltbarkeit zeigen. Wenn
die gesinterten Materialien für ein
Schneidewerkzeug für
ein hochwertiges Gusseisen, dargestellt durch zum Beispiel ein Ni-Resist
Gusseisen und ein getempertes Gusseisen verwendet werden, kann das
aus den Materialien hergestellte Schneidewerkzeug mit hoher Geschwindigkeit
und unter hoher Last schneiden, das Entweichen von Teilchen aus
kubischem Bornitrid verhindern und besitzt eine herausragende Verschleißfestigkeit
und Widerstandsfähigkeit
gegen Bruch.
Ausführungsformen
Ein
auf kubischem Bornitrid basierendes, gesintertes Material und ein
Verfahren zu dessen Herstellung, das für die Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung relevant ist, wird anhand der 1 bis 10 beschrieben.
In
diesem Beispiel wurden auf kubischem Bornitrid basierende gesinterte
Materialien einer Vielzahl von Zusammensetzungen durch Ausführungsformen
des Herstellungsverfahrens hergestellt. Danach wurden die erhaltenen
Materialien zur Herstellung von Schneidewerkzeugen verwendet und
die Eigenschaften jedes Schneidewerkzeugs in Bezug auf die Lebensdauer
bewertet.
Tabelle
1 zeigt die zur Herstellung von auf kubischem Bornitrid basierenden,
gesinterten Materialien verwendeten Ausführungsformen des Herstellungsverfahrens, die
Mischungsverhältnisse
der jeweiligen Rohmaterialien, die Herstellungsbedingungen und die
Bewertungsergebnisse, welche später
beschrieben werden. Das SiC-Mischverhältnis wurde durch Extrazugabe
erzielt und die anderen Verhältnisse
wurden durch interne Zugabe erhalten.
Zuerst
wird die Herstellung von Schneidewerkzeugmaterialien beschrieben
werden, die auf kubischem Bornitrid basierende gesinterte Materialien
verwenden. In diesem Beispiel wurden des Herstellungsverfahrens und
drei Ausführungsformen
verwendet.
Die
erste Ausführungsform
(Herstellungsverfahren A in Tabelle 1) ist ein Verfahren zum Sintern
eines Mischpulvers, das aus einem aus kubischem Bornitrid bestehenden
Pulver und einem Bindemittelpulver zusammengesetzt war.
Wie
in Tabelle 1 gezeigt, wurden zweckmäßiger ein Pulver (10)
aus kubischem Bornitrid mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser
von 2,0 μm,
die Pulver (21) bis (24) aus TiCN, Si3N4, Al2O3 und
CrxN (wobei x von 1 bis 2,7 variiert) mit
jeweils einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 2,0 μm als Bindemittelpulver,
und ein SiC-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser
von 2,0 μm
(nicht gezeigt) verwendet. Die jeweiligen Pulver (10),
(21) bis (24) und, soweit notwendig, das SiC-Pulver
wurden vermischt und ergaben so die in Tabelle 1 gezeigten Zusammensetzungen.
Die resultierenden Mischungen wurden 1 Stunde in einer Planetenkugelmühle vermischt,
dann getrocknet und durch Stempel pressgeformt, wie in 1 gezeigt.
Die resultierenden geformten Produkte wurden auf Untersetzer gelegt,
die durch Formung eines 10 Gewichtsprozent Co-Pulver enthaltenden
WC-Pulvers auf gleiche Weise wie vorstehend hergestellt wurden,
und in Probenkapseln (721) gesteckt. Die resultierenden
Produkte wurden 15 bis 60 Minuten bei einer Temperatur von 1300
bis 1550°C
und einem Druck von 4,0 bis 6,5 GPa in einer Ultrahochdruckvorrichtung
(72) behandelt. Nachdem die Produkte abgekühlt waren
und der Druck abgenommen hatte, wurden so Schneidewerkzeugmaterialien
erhalten (Beispiele E1, 4, 7, 10, 16, 22 und Vergleichsbeispiel
C1).
Die
zweite Ausführungsform
des Herstellungsverfahrens (Herstellungsverfahren B in Tabelle 1)
ist ein Verfahren zur Herstellung von beschichteten Teilchen, indem
zunächst
ein Pulver aus kubischem Bornitrid mit einem Bindemittelpulver beschichtet
und dann die beschichteten Teilchen gesintert wurden.
In
der Praxis wurden die gleichen Pulver wie vorstehend beschrieben
hergestellt. Wie in 2 gezeigt, wurden die Pulver
in eine PVD-Vorrichtung (73) zur Herstellung von beschichteten
Teilchen (100) eingeführt, indem
die Oberfläche
des Pulvers (10) aus kubischem Bornitrid mit den jeweiligen
Pulvern (21) bis (24) als Bindemittelpulver und,
soweit notwendig, auch mit dem SiC-Pulver beschichtet wurde. Ferner
wurden die beschichteten Teilchen (100) auf die gleiche
Weise wie in dem ersten Herstellungsverfahren pressgeformt und dann
auf die Untersetzer gelegt, und bei den gleichen Bedingungen wie
vorstehend in einer Ultrahochdruckvorrichtung (72) behandelt.
Danach wurden die resultierten Produkte abgekühlt und der Druck vermindert.
Es wurden so Schneidewerkzeugmaterialien erhalten (Beispiele E5,
8, 11, 13, 14, 19, 20).
Die
dritte Ausführungsform
des Herstellungsverfahrens (Herstellungsverfahren C in Tabelle 1)
ist ein Verfahren, bei dem die Teilchen aus kubischem Bornitrid
vor dem Sintern mit einem Teil des Bindemittelpulvers beschichtet
und mit dem Rest des Bindemittelpulvers gemischt wurden.
Wie
in 3 beschrieben, wurden in der Praxis die beschichteten
Teilchen (100) auf die gleiche Weise wie in der ersten
Ausführungsform
des Herstellungsverfahrens hergestellt und dann wurden die beschichteten Teilchen
(100) und die jeweiligen Pulver (21) bis (24)
als Bindemittelpulver für
eine Stunde auf die gleiche Weise wie bei dem Herstellungsverfahren
durch eine Planetenkugelmühle
vermischt, dann getrocknet und durch Stempel pressgeformt. Die resultierenden
geformten Produkte wurden auf die gleiche Weise wie vorstehend beschrieben
und unter den gleichen Bedingungen wie vorstehend beschrieben auf
Untersetzern in die Ultrahochdruckvorrichtung (72) gelegt.
Danach wurden die resultierenden Produkte abgekühlt und der Druck vermindert.
So wurden Schneidewerkzeugmaterialien erhalten (Beispiele E2, 3,
6, 9, 12, 15, 17, 18, 21 und Vergleichsbeispiel C2).
Die
schematischen Zeichnungen von Strukturen der auf kubischem Bornitrid
basierenden, gesinterten Materialien, die durch das Herstellungsverfahren
und seine Ausführungsformen
erhalten wurden, werden in den 4 bis 6 gezeigt.
Die
auf kubischem Bornitrid basierenden gesinterten Materialien (1),
die durch das Herstellungsverfahren erhalten wurden, besitzen eine
in 4 gezeigte Struktur, die eine Matrix des Bindemittels
(2) und in der Matrix dispergierte Teilchen (10)
aus kubischem Bornitrid umfasst.
Außerdem besitzen
die auf kubischem Bornitrid basierenden gesinterten Materialien
(1), die durch die erste Ausführungsform des Herstellungsverfahrens
erhalten wurden, eine in 5 gezeigte Struktur, in welcher
Teilchen aus kubischem Bornitrid (10), die mit dem Bindemittel
(2) beschichtet wurden, im wesentlichen gleichmäßig verteilt
sind.
Weiterhin
besitzen die auf kubischem Bornitrid basierenden gesinterten Materialien
(1), die durch die zweite Ausführungsform des Herstellungsverfahrens
erhalten wurden, eine in 6 gezeigte Struktur, welche einem
Zwischenzustand des vorstehenden Herstellungsverfahrens entspricht.
Sie umfaßt
Matrix des Bindemittels (2) und in der Matrix verteilte
Teilchen (10) aus kubischem Bornitrid, die mit einem zweiten
Bindemittel (202) mit der gleichen oder nur geringfügig von
der Zusammensetzung des Bindemittels (2) verschiedenen
Zusammensetzung beschichtet wurden.
Ferner
zeigt 7(a) repräsentative Reflexe eines repräsentativen
Röntgendiffraktogramms
von auf derartige Weise erhaltenen Schneidewerkzeugmaterialien des
Beispiels E1, die als Ergebnis nach dem Sintern erhalten wurden.
Zum Vergleich sind in 7(b) auch die
Reflexe eines Röntgendiffraktogramms
des Mischpulvers des Beispiels E1 vor dem Sintern angegeben.
Wie
aus diesen Figuren verstanden werden kann, verändern sich die Kristallstrukturen
von TiCN, Si3N4,
Al2O3 und CrxN (wobei x von 1 bis 2,7 variiert) durch
den Sintervorgang und es wird wenigstens eine Kristallstruktur von
TiO1-2 beobachtet. Daneben werden unbekannte
Bindemittel mit zwei oder drei unbekannten Beugungsreflexen hergestellt.
Diese binden vermutlich die Teilchen aus kubischem Bornitrid fest.
Wie 8 bis 10 zeigen,
wurden die wie oben beschriebenen erhaltenen Schneidewerkzeugmaterialien
in Schneidewerkzeuge (4) mit einer in JIS: SPGN 120304
SN definierten Gestalt verarbeitet und zur Drehbankverarbeitung
eines zu schneidenden Objektmaterials verwendet. Der Flankenverschleiß (VB) wurde als der die Lebensdauer bewertende
Standard gemessen. Jedes der in 8 bis 10 angegebenen Schneidewerkzeuge
(4) wurde hergestellt, indem ein Schneidewerkzeugmaterial,
welches durch Schichten eines auf kubischem Bornitrid basierenden
gesinterten Materials (1) auf einem Untersetzer (41)
hergestellt wurde, an die Spitze eines Basismaterials (40)
mit einem Lötmittel
(43) gebunden wurde.
Das
zu schneidende Objektmaterial war ein Ni-Resist-Gusseisen (JIS: FCA-NiCuCr 1562; und
Härte: Hv
163) mit einem äußeren Durchmesser ⌀ von 110
mm.
Die
Drehbedingungen waren wie folgt:
Die Schneidegeschwindigkeit:
220 m/min., die Vorschubgeschwindigkeit: 0,3 mm/U, der Eingriff:
4,5 mm, und das Schneideöl:
Chemicool SR 1. Die Drehbankverarbeitung wurde unter den beschriebenen
Bedingungen ausgeführt
und der Verschleiß VB (10) an
den Flanken (3) nach Schneiden von 21 km Schneidelänge gemessen.
Die
Ergebnisse des Dreh-Testes sind in Tabelle 1 angegeben.
Zum
Vergleich wurde der gleiche Test mit weithin verkauften und herkömmlich verwendeten
auf kubischem Bornitrid basierenden, gesinterten Materialien ausgeführt und
die Ergebnisse auch zusammen in Tabelle 1 gezeigt.
Wie
aus Tabelle 1 verstanden werden kann, wurde klar festgestellt, dass
die Beispiele E1 bis E22 der Produkte der vorliegenden Erfindung,
verglichen mit den Vergleichsbeispielen C1 bis C4, herausragende
Verschleißfestigkeit
und wesentliche längere
Lebensdauern besitzen. Dies beruht vermutlich auf der Herstellung von
Bindemitteln durch Umwandlung der vier Bindemittelpulverarten (21)
bis (24). Mit anderen Worten werden unbekannte Bindemittel
mit wenigstens einer Kristallstruktur von TiO1-2 und
daneben unbekannte Bindemittel mit zwei oder drei unbekannten Beugungsreflexen
hergestellt. Die hergestellten Bindemittel sind an die Teilchen
aus kubischem Bornitrid fest gebunden.
Demzufolge
kann verstanden werden, dass ein auf kubischem Bornitrid basierendes,
gesintertes Material der vorliegenden Erfindung ein außerordentlich
herausragendes Schneidewerkzeugmaterial ist. Demzufolge ist ein
Schneidewerkzeugmaterial entwickelt worden, das mit hoher Geschwindigkeit
und unter schwerer Last ein hochwertiges Gusseisen, dargestellt
durch ein Ni-Resist-Gusseisen und ein getempertes Gusseisen, schneiden
kann und eine lange Lebensdauer besitzt, sodass die Produktivität stark
verbessert werden kann, was schon lange angestrebt wurde.
Ein
Schneidewerkzeugmaterial der vorliegenden Erfindung kann ein hochwertiges
Gusseisen, dargestellt durch ein Ni-Resist-Gusseisen und ein getempertes
Gusseisen, welche unter Gusseisen kaum verarbeitbar sind, mit einer
hohen Effizienz verarbeiten. Das Material zeigt auch herausragende
Eigenschaften, wenn es für
ein allgemeines Gusseisen (FC-Material) und ein Kugelgraphit-Gusseisen
(FCD-Material) verwendet wird, welche relativ einfach zu verarbeiten
sind.
Offensichtlich
sind zahlreiche Abänderungen
und Variationen der vorliegenden Erfindung im Licht der vorstehenden
Lehren möglich.
Es ist daher verständlich,
dass innerhalb des Umfangs der angefügten Ansprüche die Erfindung auf andere
Weise umgesetzt werden kann, als es hier genauer beschrieben wurde.
Mit
der vorliegenden Erfindung wird ein auf kubischem Bornitrid basierendes
gesintertes Material zur Verfügung
gestellt, das herausragende Haltbarkeit besitzt und für ein Schneidewerkzeugmaterial
verwendbar ist, das mit hoher Geschwindigkeit wenigstens ein hochwertiges
Gusseisen, dargestellt durch ein Ni-Resist-Gusseisen und ein getempertes
Gusseisen, schneiden kann und eine lange Lebensdauer besitzt. Es
wird ein Verfahren zur Herstellung eines auf kubischem Bornitrid
basierenden gesinterten Materials zur Verfügung gestellt.
Das
Verfahren zur Herstellung eines auf kubischem Bornitrid basierenden
gesinterten Materials umfasst folgendes: Herstellung einer Ausgangsmischung
durch Mischen von 30–95
Vol.-% Teilchen aus kubischem Bornitrid mit 5–70 Vol.-% Bindemittelpulver,
das aus TiCN, Si3N4,
Al2O3 und CrxN (wobei x von 1 bis 2, 7 variiert) besteht,
wobei der Anteil jeder Bindemittelkomponente zwischen 1 und 25 Vol.-%
der Ausgangsmischung liegt, Sintern der Ausgangsmischung unter einem
Druck von 4–7
GPa und gleichzeitig bei einer Temperatur von 1300–1600 °C, wobei
beim Sintern TiO1-2 hergestellt wird.
