DE102012007991A1 - Mixed ceramic cutting tool and blended ceramic granules therefor and method of manufacturing the cutting tool - Google Patents
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Abstract
Offenbart ist ein Mischkeramisches Schneidwerkzeug, insbesondere eine Schneidplatte oder eine Wendeschneidplatte, die zumindest zwei keramische Hartstoffe aufweist. Ein erster der Hartstoffe weist dabei ein Oxid des Zirkoniums oder Molybdäns oder Niobs auf und der zweite der Hartstoffe weist ein Carbid oder ein Nitrid einer Verbindung von zumindest zwei aus Tantal, Wolfram, Hafnium oder Rhenium auf.Disclosed is a Mischkeramisches cutting tool, in particular an insert or an indexable insert, which has at least two ceramic hard materials. A first of the hard materials has an oxide of zirconium or molybdenum or niobium, and the second of the hard materials has a carbide or a nitride of a compound of at least two of tantalum, tungsten, hafnium or rhenium.
Description
Die Erfindung betrifft ein mischkeramisches Scheidwerkzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, eine Mischung keramischer Granulate zum Sintern eines derartigen Schneidwerkzeugs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5 und ein Verfahren zur Fertigung eines mischkeramischen Schneidwerkzeugs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.The invention relates to a mixed-ceramic cutting tool according to the preamble of
Bekannte keramische Scheidwerkzeuge, beispielsweise aus kubisch kristallinem Bornitrid (CBN) oder aus einer Oxidkeramik, beispielsweise Al2O3, weisen eine hohe Härte, Temperaturbeständigkeit, Warm- und Verschleißfestigkeit und chemische Beständigkeit auf. Mit ihnen sind hohe Schnitt- beziehungsweise Bearbeitungsgeschwindigkeiten in der zerspanenden Fertigung realisierbar. Zudem kann mit ihnen eine schmier-/kühlmittellose Trockenbearbeitung erfolgen, da eine Herabsetzung der Temperaturbelastung einer Schneide im Eingriff wegen ihrer hohen Warmfestigkeit nicht notwendig ist.Known ceramic cutting tools, for example made of cubic crystalline boron nitride (CBN) or of an oxide ceramic, for example Al 2 O 3 , have a high hardness, temperature resistance, thermal and wear resistance and chemical resistance. With them high cutting and processing speeds can be realized in machining production. In addition, they can be used with a lubrication / coolantless dry machining, since a reduction in the temperature load of a cutting edge in engagement because of their high heat resistance is not necessary.
Diesen günstigen Eigenschaften der genannten Keramiken steht jedoch ihr sprödhartes Werkstoffverhalten nachteilig gegenüber. Aufgrund mangelnder Zähigkeit und Biegefestigkeit sind keramische Schneidstoffe heutzutage noch unzureichend im Bereich hoher Vorschubgeschwindigkeiten oder bei unterbrochenem Schnitt, wie er beispielsweise beim Fräsen vorkommt, einsetzbar.However, these favorable properties of the mentioned ceramics are disadvantageous compared with their brittle-hard material behavior. Due to a lack of toughness and flexural strength, ceramic cutting materials are still insufficient today in the area of high feed speeds or in the case of interrupted cuts, as occurs, for example, during milling.
Zwar weisen verfügbare Hochgeschwindigkeits-Werkzeugstähle (HSS) erstrebenswert hohe Werte für Zähigkeit und Biegefestigkeit auf, jedoch erreichen diese nicht die Härte und Warmfestigkeit der keramischen Schneid- beziehungsweise Hartstoffe.Although available high speed tool steels (HSS) desirably have high toughness and flexural strength values, they do not achieve the hardness and hot strength of the ceramic cutting or hard materials.
Über den Einsatz von Mischungen von Keramiken, insbesondere auf Basis von Oxid- und Nitridkeramiken wie Al2O3 und Si3N4, ergeben sich Schneidstoffe großer Härte mit höherer Zähigkeit. Nachteilig an diesen Mischungen ist jedoch, dass der Einsatzbereich des Schneidstoffs dadurch nur relativ wenig in den Bereich höherer Vorschübe oder des unterbrochenen Schnitts verschoben ist, da diese Mischkeramiken nach wie vor eine relativ geringe Zähigkeit aufweisen. Zudem ist gegenüber den härtesten Oxidkeramiken oder dem CBN ein Härteverlust gegeben.The use of mixtures of ceramics, in particular based on oxide and nitride ceramics such as Al 2 O 3 and Si 3 N 4 , results in cutting materials of high hardness with higher toughness. A disadvantage of these mixtures, however, is that the range of application of the cutting material is thereby shifted relatively little in the range of higher feeds or the interrupted section, as these mixed ceramics still have a relatively low toughness. In addition, there is a loss of hardness compared to the hardest oxide ceramics or the CBN.
Es sind weiterhin Mischkeramiken auf Basis von Aluminiumoxid (Al2O3), Titancarbid (TiC) und Titannitrid (TiN) bekannt. Jedoch weisen auch diese nur einen begrenzten Einsatzbereich für die Hart-Feinbearbeitung im glatten Schnitt oder für das Schlichten von Gusseisen im glatten oder unterbrochenen Schnitt auf.Mixed ceramics based on aluminum oxide (Al 2 O 3 ), titanium carbide (TiC) and titanium nitride (TiN) are also known. However, these also have only a limited field of application for hard finishing in smooth cutting or for the finishing of cast iron in smooth or interrupted cut.
Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein universeller einsetzbares mischkeramisches Schneidwerkzeug zu schaffen und eine Mischung keramischer Granulate und ein Fertigungsverfahren dafür bereitzustellen.In contrast, the invention is based on the object to provide a universal usable mixed ceramic cutting tool and to provide a mixture of ceramic granules and a manufacturing process for it.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Schneidwerkzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine Mischung keramischer Granulate mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 und ein Fertigungsverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7.This object is achieved by a cutting tool having the features of
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 4, 6 und 8 bis 10 beschrieben.Advantageous developments of the invention are described in the
Ein mischkeramisches Schneidwerkzeug, insbesondere eine Schneidplatte oder eine Wendeschneidplatte, weist zumindest zwei keramische Hartstoffe auf.A mixed-ceramic cutting tool, in particular an insert or an indexable insert, has at least two ceramic hard materials.
Erfindungsgemäß weist von diesen ein erster keramischer Hartstoff ein Oxid von Zirkonium oder Molybdän oder Niob auf und ein zweiter keramischer Hartstoff weist ein Carbid oder ein Nitrid auf, das von einer Verbindung gebildet ist, die zumindest zwei von folgenden Stoffen aufweist: Tantal, Wolfram, Hafnium, Rhenium. Das Oxid des Zirkoniums oder Molybdäns oder Niobs hat dabei einen dispersiven Effekt auf die Mischung der keramischen Hartstoffe und verleiht dem Schneidwerkzeug eine große Zähigkeit. Bevorzugt weist der erste keramische Hartstoff ZrO oder ZrO2 oder MoO2 oder NbO2 auf. Das Carbid beziehungsweise das Nitrid mit den zumindest zwei Stoffen verleiht dem Schneidwerkzeug dessen große Härte. Dabei trägt die Verwendung zweier unterschiedlicher Stoffe im Carbid beziehungsweise im Nitrid zur Brückenbildung mit dem Oxid des ersten keramischen Hartstoffs bei und erhöht die Härte des Schneidwerkzeugs gegenüber herkömmlichen Schneidwerkzeugen zusätzlich. Der zweite Hartstoff weist bevorzugt Tantal mit Wolfram oder mit Hafnium oder mit Rhenium oder Wolfram mit Hafnium oder mit Rhenium oder Hafnium mit Rhenium auf. Besonders bevorzugt ist Tantalhafniumcarbid (Ta4HfC5), Tantalrheniumcarbid, Wolframtantalcarbid oder Wolframniobcarbid. Durch die erhöhte Härte und erhöhte Zähigkeit aufgrund der gewählten erfindungsgemäßen Hartstoffmischung kann das Schneidwerkzeug flexibler und universeller eingesetzt werden. So ist es insbesondere zum Bohren, Drehen oder Fräsen einsetzbar. Der Einsatzbereich erstreckt sich dabei über ein Feld von Werkstoffen mit unterschiedlichen Material- und Spaneigenschaften wie beispielsweise ferritische Werkstoffe, Automatenstähle, Baustähle, Einsatzstähle, Superlegierungen, Guss und ADI-Guss. Weiterhin ist die Spannbreite von Bearbeitungsarten wie Feinbearbeitung, Mittelbearbeitung, Hartbearbeitung und Schlichten und Schrubben möglich. Es wird eine Hartbearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide für alle Zerspanungsverfahren, selbst bei unterbrochenem Schnitt und Werkstücken mit unterschiedlichen Härtezonen, ermöglicht. Gegenüber herkömmlichen. mischkeramischen Schneidwerkzeugen erhöht sich die Standzeit des Scheidwerkzeugs aufgrund der sehr verschleißfesten Hartstoffe auf das etwa zweifache und ein Standweg auf das etwa 5-fache. Ein weiterer Vorteil ist die erhöhte Prozesssicherheit, da ein Werkzeugbruch seltener auftritt beziehungsweise unwahrscheinlicher ist. Somit sind auch Ausschuss und Maschinenbeschädigungen reduziert. Das erfindungsgemäße Schneidwerkzeug erlaubt zudem gegenüber herkömmlichen mischkeramischen Schneidwerkzeugen eine etwa 2,5-fache Schnittgeschwindigkeit. Ein besonderer Vorteil des universellen Schneidwerkzeugs ist, dass es mehrere Spezialwerkzeuge substituieren kann, was Logistik-, Investitions- und Betriebskosten in der zerspanenden Fertigung senken kann.According to the invention, a first ceramic hard material of these comprises an oxide of zirconium or molybdenum or niobium and a second ceramic hard material comprises a carbide or a nitride formed by a compound comprising at least two of the following: tantalum, tungsten, hafnium , Rhenium. The oxide of zirconium or molybdenum or niobium has a dispersive effect on the mixture of the ceramic hard materials and gives the cutting tool a high toughness. The first ceramic hard material preferably comprises ZrO or ZrO 2 or MoO 2 or NbO 2 . The carbide or the nitride with the at least two substances gives the cutting tool its high hardness. The use of two different substances in the carbide or in the nitride contributes to bridge formation with the oxide of the first ceramic hard material and additionally increases the hardness of the cutting tool compared to conventional cutting tools. The second hard material preferably has tantalum with tungsten or with hafnium or with rhenium or tungsten with hafnium or with rhenium or hafnium with rhenium. Particularly preferred is tantalum hafnium carbide (Ta 4 HfC 5 ), tantalum rhenium carbide, tungsten tantalum carbide or tungsten niobium carbide. Due to the increased hardness and increased toughness due to the selected hard material mixture according to the invention, the cutting tool can be used more flexibly and universally. This makes it particularly suitable for drilling, turning or milling. The field of application covers a field of materials with different material and cutting properties such as ferritic materials, free-cutting steels, structural steels, case-hardening steels, superalloys, cast iron and ADI casting. Furthermore, the range of processing types such as fine machining, center machining, hard machining and finishing and Scrubbing possible. It is a hard machining with geometrically defined cutting edge for all cutting processes, even with interrupted cutting and workpieces with different hardness zones, possible. Compared to conventional. mixed-ceramic cutting tools increases the service life of the cutting tool due to the very wear-resistant hard materials to about twice and a life cycle to about 5 times. Another advantage is the increased process reliability, since tool breakage occurs less frequently or is less likely. Thus, also rejects and machine damage are reduced. The cutting tool according to the invention also allows compared to conventional mixed-ceramic cutting tools about 2.5 times the cutting speed. A particular advantage of the universal cutting tool is that it can substitute several special tools, which can reduce logistics, investment and operating costs in machining production.
In einer bevorzugten Weiterbildung des Schneidwerkzeugs weist dieses zusätzlich einen dritten keramischen Hartstoff auf, der ein vom zweiten keramischen Hartstoff abweichendes Carbid oder abweichendes Nitrid aufweist, das von einer der vorbeschriebenen Verbindungen gebildet ist, die zumindest zwei der Stoffe Tantal, Wolfram, Hafnium, Rhenium aufweist. Durch geeignete Wahl des dritten keramischen Hartstoffes ist dabei der Einsatzbereich des keramischen Schneidwerkzeugs auf engere Anwendungsgebiete fokussierbar oder noch weiter ausdehnbar.In a preferred embodiment of the cutting tool, this additionally has a third ceramic hard material which has a carbide deviating from the second hard ceramic or different nitride, which is formed by one of the above-described compounds, which has at least two of the substances tantalum, tungsten, hafnium, rhenium , By suitable choice of the third ceramic hard material while the field of application of the ceramic cutting tool can be focused on narrower fields of application or even further expandable.
Eine bevorzugte Weiterbildung des Schneidwerkzeugs weist einen vierten keramischen Hartstoff auf, der ein vom ersten keramischen Hartstoff abweichendes Oxid von Zirkonium oder Molybdän oder Niob gemäß der vorangegangenen Beschreibung aufweist.A preferred development of the cutting tool has a fourth ceramic hard material, which has a deviating from the first ceramic hard oxide zirconium or molybdenum or niobium according to the foregoing description.
Ein Steigerung der Zähigkeit und Härte des Schneidwerkzeugs gegenüber herkömmlichen Schneidwerkzeugen ergibt sich, wenn ein Massenanteil des ersten oder des ersten und vierten keramischen Hartstoffs etwa 20–40% und ein Massenanteil des zweiten oder des zweiten und dritten keramischen Hartstoffs etwa 80–60% einer Masse des Schneidwerkzeugs beträgt. Bevorzugt wirkt somit der zweite oder der zweite und dritte keramische Hartstoffe (Carbid/Nitrid) als keramische Matrix, in die der erste keramische Hartstoff oder der erste und der zweite keramische Hartstoff (Oxid) eingebettet ist oder sind.An increase in the toughness and hardness of the cutting tool over conventional cutting tools results when a mass fraction of the first or the first and fourth ceramic hard material about 20-40% and a mass fraction of the second or the second and third ceramic hard material about 80-60% of a mass of the cutting tool is. Thus, the second or the second and third ceramic hard materials (carbide / nitride) preferably act as a ceramic matrix, in which the first ceramic hard material or the first and the second ceramic hard material (oxide) is or are embedded.
Als Vorprodukt für ein Sintern eines mischkeramischen Schneidwerkzeugs gemäß der vorhergehenden Beschreibung wird eine erfindungsgemäße Mischung keramischer Granulate bevorzugt, die ein Granulat des ersten keramischen Hartstoffes und zumindest ein Granulat des zweiten keramischen Hartstoffes aufweist. In einer bevorzugten Weiterbildung der Mischung weist dies Mischung zusätzlich ein Granulat eines dritten oder eines dritten und vierten keramischen Hartstoffes gemäß der vorhergehenden Beschreibung auf.As a precursor for sintering a mixed ceramic cutting tool according to the preceding description, a mixture of ceramic granules according to the invention is preferred which has a granulate of the first ceramic hard material and at least one granulate of the second ceramic hard material. In a preferred development of the mixture, this mixture additionally comprises granules of a third or of a third and fourth ceramic hard material according to the preceding description.
Sind die Schmelztemperaturen der keramischen Hartstoff unterschiedlich, erweist es sich für ein nachfolgendes Sintern als vorteilhaft, wenn eine Korngröße des Granulats desjenigen Hartstoffes mit der niedrigeren Temperatur etwa zwei- bis zehnfach, besonders bevorzugt drei- bis fünffach, größer ist als eine Korngröße des Granulats desjenigen Hartstoffes mit der höheren Schmelztemperatur. Auf diese Weise kann ein Sintern erleichtert werden. Die Korngröße des Granulats mit der höheren Schmelztemperatur ist bevorzugt im Bereich von 1/100 mm. Dies betrifft insbesondere Mischungen, an denen als zweiter Hartstoff Tantalhafniumcarbid Ta4HfC5 beteiligt ist, das mit 4215°C eine der höchsten bekannten Schmelztemperaturen aufweist.If the melting temperatures of the ceramic hard material differ, it proves to be advantageous for a subsequent sintering if a particle size of the granules of that hard material with the lower temperature is about two to ten times, more preferably three to five times larger than a particle size of the granules of that Hard material with the higher melting temperature. In this way, sintering can be facilitated. The grain size of the granules having the higher melting temperature is preferably in the range of 1/100 mm. This applies in particular to mixtures in which tantalum hafnium carbide Ta 4 HfC 5 , which at 4215 ° C. has one of the highest known melting temperatures, is involved as the second hard material.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Fertigung des vorbeschriebenen Schneidwerkzeugs weist zumindest einen Schritt „Annäherung von Schmelztemperaturen der Hartstoffe der keramischen Mischung” auf. Diese Annäherung ermöglicht insbesondere eine Sinterung des vorbeschriebenen vorteilhaften Schneidwerkzeugs. Die Annäherung erfolgt bevorzugt über eine Einstellung unterschiedlicher Drücke für die unterschiedlichen Hartstoffe.A method according to the invention for the production of the above-described cutting tool has at least one step "approximation of melting temperatures of the hard materials of the ceramic mixture". This approach in particular allows sintering of the above-described advantageous cutting tool. The approach preferably takes place via an adjustment of different pressures for the different hard materials.
In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird vor dem Schritt „Annäherung der Schmelztemperaturen” ein Schritt „Verbindung von Granulaten der Hartstoffe der Mischung, insbesondere durch Paraffin” ausgeführt.In a preferred development of the method, a step "connection of granules of the hard substances of the mixture, in particular by paraffin" is carried out before the step "approach of the melting temperatures".
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird nach dem Schritt „Verbindung der Granulate” und vor einem Schritt „Sintern” ein Schritt „Warmpressen der Mischung aus Granulaten und Parafin” durchgeführt.In a further preferred embodiment of the method, a step "hot pressing the mixture of granules and paraffin" is performed after the step "compound of the granules" and before a step "sintering".
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens erfolgt im Anschluss oder während des Schrittes „Annäherung der Schmelztemperaturen” der keramischen Hartstoffe der Schritt „Sintern” der Mischung der keramischen Hartstoffe.In a further preferred embodiment of the method, the step "sintering" of the mixture of the ceramic hard materials takes place in the connection or during the step "approximation of the melting temperatures" of the ceramic hard materials.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Mischungen von Hartstoffen für ein Schneidwerkzeug anhand einer Tabelle und ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schneidwerkzeugs anhand zweier schematischer Figuren näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of inventive mixtures of hard materials for a cutting tool with reference to a table and an embodiment of the cutting tool according to the invention are explained in more detail below with reference to two schematic figures. Show it:
Die rechte Tabelle in
Für sich alleine betrachtet, das heißt ohne die Anwesenheit des ersten Hartstoffes, wäre das Schneidwerkzeug aus den dargestellten Carbiden sehr hart und spröde. Deren Härte läge auf der Mohs-Skala bei > 5, die Härte des Tantalhafniumcarbids liegt beispielsweise bei 9 bis 10. Die auszeichnenden Werkstoffeigenschaften der Carbide und Nitride sind somit deren große Härte und Warmfestigkeit, sowie ihre Temperaturfestigkeit.Considered alone, that is without the presence of the first hard material, the cutting tool would be very hard and brittle from the carbides shown. Their hardness would be on the Mohs scale> 5, the hardness of Tantalhafniumcarbids is for example 9 to 10. The distinguishing material properties of carbides and nitrides are thus their high hardness and heat resistance, and their temperature resistance.
Die vorgeschlagenen Mischungen aus erstem und zweitem Hartstoff ergeben sich ausgehend von einem ersten Hartstoff, beispielsweise Zirkoniumdioxid über eine gestrichelte, die Mischung symbolisierende Linie
Weitere besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele, wie sie gemäß
Bei der Verwendung eines vom zweiten Hartstoff abweichenden dritten Hartstoffes gemäß der vorhergehenden Beschreibung, ist dieser über die Kombinationen, wie sie gemäß
Ein Ausführungsbeispiel eines als Schneidplatte ausgeführten mischkeramischen Schneidwerkzeugs
Ein Durchmesser
In einem bestimmungsgemäßen Betrieb der Schneidplatte bewegt sich das Werkstück parallel zur und entgegen der Schnittrichtung
Die Schneidplatte ist derart ausgestaltet, dass eine Freifläche
In Richtung der Spanabfuhr, die gemäß
Diese Aufsteilung der Spanleitfläche
Offenbart ist ein Mischkeramisches Schneidwerkzeug, insbesondere eine Schneidplatte oder eine Wendeschneidplatte, die zumindest zwei keramische Hartstoffe aufweist. Ein erster der Hartstoffe weist dabei ein Oxid des Zirkoniums oder Molybdäns oder Niobs auf und der zweite der Hartstoffe weist ein Carbid oder ein Nitrid einer Verbindung von zumindest zwei aus Tantal, Wolfram, Hafnium oder Rhenium auf.Disclosed is a Mischkeramisches cutting tool, in particular an insert or an indexable insert, which has at least two ceramic hard materials. A first of the hard materials has an oxide of zirconium or molybdenum or niobium, and the second of the hard materials has a carbide or a nitride of a compound of at least two of tantalum, tungsten, hafnium or rhenium.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Mischkeramisches SchneidwerkzeugMixed ceramic cutting tool
- 22
- Durchmesserdiameter
- 44
- Eckecorner
- 66
- Schneidenkantecutting edge
- 88th
- WerkzeugbezugsebeneTool reference plane
- 1010
- Schnittrichtungcutting direction
- 1111
- Auflageflächebearing surface
- 1212
- Freiflächeopen space
- 1414
- Spanflächeclamping surface
- 1616
- ÜbergangsflächeTransition surface
- 1818
- Spanleitflächechip guide
- 2020
- LL
- SpanflächentiefeClamping surface depth
- BB
- SpanleitflächentiefeSpanleitflächentiefe
- αα
- Freiwinkelclearance angle
- ββ
- Keilwinkelwedge angle
- γγ
- Spanwinkelrake angle
- δ; δ'δ; δ '
- SpanleitwinkelSpanleitwinkel
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- DIN ISO 513 [0031] DIN ISO 513 [0031]
- DIN 6851 [0033] DIN 6851 [0033]
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