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 patent claim 1, a mixture of ceramic granules for sintering of such a cutting tool according to the preamble of patent claim 5 and a method for manufacturing a mixed-ceramic cutting tool according to the preamble of patent claim 7.

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 patent claim 1, a mixture of ceramic granules having the features of patent claim 5 and a manufacturing method having the features of patent claim 7.

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 claims 2 to 4, 6 and 8 to 10.

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:

1 eine Tabelle mit Ausführungsbeispielen von Hartstoffmischungen für ein Schneidwerkzeug; 1 a table with embodiments of hard material mixtures for a cutting tool;

2 ein Ausführungsbeispiel des Schneidwerkzeugs in einer Draufsicht; und 2 an embodiment of the cutting tool in a plan view; and

3 das Ausführungsbeispiel gemäß 2 in einem Querschnitt. 3 the embodiment according to 2 in a cross section.

1 zeigt mögliche Mischungen von Hartstoffen zur Herstellung beziehungsweise zur Sinterung eines erfindungsgemäßen Schneidwerkzeugs. In 1 links, in der Tabelle des ersten Hartstoffes, sind diejenigen Hartstoffe gelistet, die für die beabsichtigte Erhöhung der Zähigkeit der Mischkeramik vorgesehen sind. Diese sind Zirkoniumdioxid (ZrO2), Molybdändioxid (MoO2) und Niobdioxid (NbO2). 1 shows possible mixtures of hard materials for the production or sintering of a cutting tool according to the invention. In 1 On the left, in the table of the first hard material, those hard materials are listed which are intended for the intended increase in the toughness of the mixed ceramic. These are zirconia (ZrO 2 ), molybdenum dioxide (MoO 2 ) and niobium dioxide (NbO 2 ).

Die rechte Tabelle in 1 listet mögliche zweite Hartstoffe, die aus der Kombination von zwei Stoffen aus der Menge Tantal, Hafnium, Wolfram, Rhenium in Verbindung mit wahlweise Kohlenstoff (Carbid) oder Stickstoff (Nitrid) gebildet werden können. Dabei ergibt sich eine potentielle Menge von zumindest sechs mal zwei Kombinationen, das heißt 12 verschiedenen zweiten Hartstoffen.The right table in 1 lists possible second hard materials that can be formed from the combination of two substances from the group of tantalum, hafnium, tungsten, rhenium in conjunction with either carbon (carbide) or nitrogen (nitride). This results in a potential amount of at least six times two combinations, that is 12 different second hard materials.

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 20, zu dem ausgewählten zweiten Hartstoff, beispielsweise Tantalhafniumcarbid. Die chemische Verbindung von Tantal und Hafnium mit Kohlenstoff zu Tantalhafniumcarbid wird dabei gemäß 1 über die durchgezogen dargestellte Linie 22 symbolisiert. Bei Tantalhafniumcarbid handelt es sich dabei um eine äußerst harte, nichtoxidische Keramik, die mit 4215°C einen der höchsten bekannten Schmelzpunkte aufweist. Im Ausführungsbeispiel der Mischung von Hartstoffen mit Tantalhafniumcarbid und Zirkoniumdioxid bringt somit das Tantalhafniumcarbid die extreme Härte, Warmfestigkeit und Temperaturfestigkeit ein, so dass das daraus gebildete Schneidwerkzeug, insbesondere für hohe Schnittgeschwindigkeiten und harte Werkstoffe einsetzbar ist. Über den ersten Hartstoff, beziehungsweise Mischungspartner des Tantalhafniumcarbids, dem Zirkoniumdioxid, wird die vorgeschlagene Hartstoffmischung zäher. Das Zirkoniumdioxid zeigt dabei in der Mischung ein dispersives Verhalten, der diese Zähigkeit begünstigt. Insbesondere das in Tantalhafniumcarbid enthaltene Hafnium trägt dabei zur Brückenbildung zwischen dem Tantalhafniumcarbid und dem Zirkoniumdioxid bei. Die durch den ersten Hartstoff Zirkoniumdioxid in die Hartstoffmischung eingebrachte Zähigkeit ermöglicht den Einsatz des Schneidwerkzeugs bei hohem Vorschub und insbesondere beim unterbrochenen Schnitt, wie er beispielsweise beim Fräsen gegeben ist.The proposed mixtures of first and second hard material result from a first hard material, for example zirconium dioxide, over a dashed line symbolizing the mixture 20 to the selected second hard material, for example tantalum hafnium carbide. The chemical compound of tantalum and hafnium with carbon to tantalum hafnium carbide is according to 1 over the solid line 22 symbolizes. Tantalum carbide is an extremely hard, non-oxide ceramic with one of the highest known melting points at 4215 ° C. In the exemplary embodiment of the mixture of hard materials with tantalum hafnium carbide and zirconium dioxide, the tantalum hafnium carbide thus brings about the extreme hardness, heat resistance and temperature resistance, so that the cutting tool formed therefrom can be used in particular for high cutting speeds and hard materials. About the first hard material, or mixing partner of Tantalhafniumcarbids, the zirconia, the proposed hard material mixture is toughened. The zirconia shows a dispersive behavior in the mixture, which favors this toughness. In particular, the hafnium contained in tantalum hafnium contributes to bridging between the tantalum hafnium carbide and the zirconia. The toughness introduced by the first hard material zirconium dioxide into the hard material mixture makes it possible to use the cutting tool at high feed, and in particular during interrupted cutting, as is the case for milling, for example.

Weitere besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele, wie sie gemäß 1 mischbar sind, sind Molybdändioxid in Kombination mit Wolframniobcarbid, Niobdioxid in Kombination mit Tantalwolframcarbid oder Mischungen, die mit Tantalrheniumcarbid ausgeführt sind, von denen die größte Härte zu erwarten ist. Alternativ zu Niobdioxid sind auch Verbindungen mit Nb2O5 möglich.Further particularly preferred embodiments, as in accordance with 1 are molybdenum dioxide in combination with tungsten niobium carbide, niobium dioxide in combination with tantalum tungsten carbide or mixtures which are carried out with tantalum ruthenium carbide, of which the greatest hardness is to be expected. As an alternative to niobium dioxide, compounds with Nb 2 O 5 are also possible.

Bei der Verwendung eines vom zweiten Hartstoff abweichenden dritten Hartstoffes gemäß der vorhergehenden Beschreibung, ist dieser über die Kombinationen, wie sie gemäß 1 für den zweiten Hartstoff möglich sind, darstellbar. Analog dazu ist bei der Verwendung eines vom ersten Hartstoff abweichenden vierten Hartstoffes gemäß der vorhergehenden Beschreibung, dieser über Kombinationen, wie sie gemäß 1 für den ersten Hartstoff möglich sind, darstellbar.When using a deviating from the second hard material third hard material as described above, this is about the combinations, as described 1 are possible for the second hard material, representable. Similarly, when using a deviating from the first hard material fourth hard material according to the preceding description, this on combinations, as in accordance with 1 are possible for the first hard material, representable.

Ein Ausführungsbeispiel eines als Schneidplatte ausgeführten mischkeramischen Schneidwerkzeugs 1 mit einer Spanleitstufe zur optimierten Spanabfuhr wird in den 2 und 3 gezeigt. Die Schneidplatte ist dabei in S-Form (quadratisch) ausgeführt. Ihr erster Hartstoff ist zähes ZrO2 und ihr zweiter Hartstoff ist hartes und temperaturstabiles Tantalhafniumcarbid Ta4HfC5. Die Hartstoffe liegen im Schneidwerkzeug 1 in einem Massenverhältnis von 40% und 60% vor. Das Ausführungsbeispiel weist eine große Härte und Zähigkeit auf, so dass es sich zur universellen zerspanenden Bearbeitung eignet. Der Einsatzbereich ist dabei auf Drehen, Fräsen, Bohren, Schlichten, Schruppen und Gewindebohren ausgeweitet. Als bearbeitbare Werkstoffe sind Automatenstähle, Baustähle, Einsatzstähle, Gusse und Superlegierungen möglich. Der Anwendungsbereich erstreckt sich damit weit über die Klassen gemäß DIN ISO 513 .An embodiment of a running as a cutting plate mixed ceramic cutting tool 1 with a chip breaker for optimized chip removal is in the 2 and 3 shown. The insert is designed in S-shape (square). Their first hard material is tough ZrO 2 and their second hard material is hard and temperature-stable tantalum hafnium carbide Ta 4 HfC 5 . The hard materials are located in the cutting tool 1 in a mass ratio of 40% and 60%. The embodiment has a high hardness and toughness, so that it is suitable for universal machining. The area of application is extended to turning, milling, drilling, finishing, roughing and tapping. Machinable steels, structural steels, case-hardened steels, cast iron and superalloys are possible as workable materials. The scope extends far beyond the classes DIN ISO 513 ,

Ein Durchmesser 2 der Schneidplatte beträgt in diesem ersten Ausführungsbeispiel 15 mm. Ecken 4 der Schneidplatte sind mit einem Eckenradius R0 von 1,6 mm verrundet. Die verrundeten Ecken 4 weisen jeweils in einer Ebene, die dem Betrachter von 2 zugewandt ist, eine umlaufende Schneidenkante 6 auf. Zur Veranschaulichung der relevanten Geometrien an der Schneidplatte 1 folgt die Beschreibung der 3.A diameter 2 the cutting plate is 15 mm in this first embodiment. corners 4 of the insert are rounded with a corner radius R 0 of 1.6 mm. The rounded corners 4 each pointing in a plane that the viewer of 2 facing, a circumferential cutting edge 6 on. To illustrate the relevant Geometries on the insert 1 follows the description of 3 ,

3 stellt das erste Ausführungsbeispiel gemäß 2 entlang dem Schnitt A-A dar (vgl. 2). Die Schneidplatte hat eine Werkzeugbezugsebene 8, die so definiert ist, dass sie senkrecht zu einer angenommenen Schnittrichtung 10 (gemäß DIN 6851 ) der Schneidplatte angeordnet ist. Weiterhin ist ein Schneidpunkt (nicht dargestellt) der Schneidenkante 6 in der Werkzeugbezugsebene 8 angeordnet. Die Schneidplatte hat eine Auflagefläche 11 zur Auflage auf einem Werkzeugträger (nicht dargestellt). Die Auflagefläche 11 ist dabei parallel zur Werkzeugbezugsebene 8. 3 represents the first embodiment according to 2 along the section AA (cf. 2 ). The insert has a tool reference plane 8th which is defined to be perpendicular to an assumed cutting direction 10 (according to DIN 6851 ) of the cutting plate is arranged. Furthermore, a cutting point (not shown) of the cutting edge 6 in the tool reference plane 8th arranged. The cutting plate has a support surface 11 for resting on a tool carrier (not shown). The bearing surface 11 is parallel to the tool reference plane 8th ,

In einem bestimmungsgemäßen Betrieb der Schneidplatte bewegt sich das Werkstück parallel zur und entgegen der Schnittrichtung 10 an der Schneidplatte 1 vorbei. Die Schneidplatte steht dabei mit dem Werkstück mit einer bestimmten Eingrifftiefe, über die die Spandicke festgelegt ist, in Eingriff.In a normal operation of the cutting plate, the workpiece moves parallel to and against the cutting direction 10 on the cutting plate 1 past. The cutting plate is engaged with the workpiece with a certain engagement depth over which the chip thickness is fixed in engagement.

Die Schneidplatte ist derart ausgestaltet, dass eine Freifläche 12 parallel zu einer angenommenen Arbeitsebene der Schneidplatte ist. Daraus ergibt sich, dass ein Freiwinkel α zwischen der angenommenen Arbeitsebene und der Freifläche 12 den Wert 0° hat. Weiterhin ist die Schneidplatte derart ausgestaltet, dass ein Keilwinkel β zwischen der Freifläche 12 und einer Spanfläche 14 den Wert 90° aufweist. Damit geht einher, dass ein zwischen der Spanfläche 14 und der Werkzeugbezugsebene 8 aufgespannter Spanwinkel γ den Wert 0° hat. Die Freifläche 12 ist gegen die Spanfläche 14 über die Schneidenkante 6 abgegrenzt. Die Schneidenkante 6 weist dabei einen Radius R1 von 0,3 mm auf. Aufgrund der vorbeschriebenen Mischung der Hartstoffe und des rechtwinkligen Keilwinkels β ist die Schneidenkante 6 gegen Bruch, insbesondere während der Hartbearbeitung und/oder einem unterbrochenen Schnitt, geschützt.The cutting plate is designed such that an open space 12 parallel to an assumed working plane of the insert. It follows that a clearance angle α between the assumed working plane and the free surface 12 has the value 0 °. Furthermore, the cutting plate is designed such that a wedge angle β between the free surface 12 and a rake surface 14 has the value 90 °. This is accompanied by the fact that one between the chip surface 14 and the tool reference plane 8th spanned rake angle γ has the value 0 °. The open space 12 is against the rake surface 14 over the cutting edge 6 demarcated. The cutting edge 6 has a radius R 1 of 0.3 mm. Due to the above-described mixture of hard materials and the right angle wedge angle β is the edge of the cutting edge 6 protected against breakage, in particular during hard machining and / or an interrupted cut.

In Richtung der Spanabfuhr, die gemäß 2 von links nach rechts entlang der linken Spanfläche 14 erfolgt, grenzt an die Spanfläche 14 eine Übergangsfläche 16 mit einem Übergangsradius R2 von 0,5 mm an. Diese Übergangsfläche 16 ist ein Abschnitt einer Spanleitfläche 18, die sich ausgehend von der Spanfläche 14 entlang ihrer Spanleittiefe B erstreckt. Die Spanleitfläche 18 ist dabei mit einem Spanleitwinkel δ von –37° gegen die Werkzeugbezugsebene 8 angestellt. Dabei ist der Spanleitwinkel gemäß der vorhergehenden Beschreibung ausgehend von der Werkzeugbezugsebene 8 definiert.In the direction of chip removal, according to 2 from left to right along the left rake surface 14 takes place, adjacent to the chip surface 14 a transitional area 16 with a transition radius R 2 of 0.5 mm. This transitional area 16 is a section of a chip guide 18 extending from the rake face 14 along its chip removal depth B extends. The chip guiding surface 18 is with a chip angle δ of -37 ° against the tool reference plane 8th hired. In this case, the chip breaker angle according to the preceding description, starting from the tool reference plane 8th Are defined.

Diese Aufsteilung der Spanleitfläche 18 gegen die Spanfläche 14 und die Werkzeugbezugsebene 8 führt zu einer verbesserten Spanbildung während der drehenden Bearbeitung des Werkstücks. Es kommt vermehrt zu günstigen zylindrischen oder spiralförmigen Wendelspänen. Auch Bröckelspäne sind vermehrt zu beobachten. Die Bildung von Band- und/oder Wirrspänen ist gegenüber herkömmlichen Geometrien von Schneidplatten, insbesondere in Form von T-Fasenschneidplatten, verringert.This division of Spanleitfläche 18 against the rake surface 14 and the tool reference plane 8th results in improved chip formation during the machining of the workpiece. It comes increasingly to favorable cylindrical or spiral filaments. Also shavings are increasingly observed. The formation of ribbon and / or random chips is reduced compared to conventional geometries of cutting inserts, in particular in the form of T-bevel cutting inserts.

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]

Claims (10)

Mischkeramisches Schneidwerkzeug mit zumindest zwei keramischen Hartstoffen, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster der keramischen Hartstoffe ein Oxid von Zirkonium oder Molybdän oder Niob aufweist, und dass ein zweiter der keramischen Hartstoffe ein Carbid oder ein Nitrid einer Verbindung von zumindest zwei aus Tantal, Wolfram, Hafnium, Rhenium aufweist.Mixture ceramic cutting tool with at least two ceramic hard materials, characterized in that a first of the ceramic hard materials has an oxide of zirconium or molybdenum or niobium, and that a second of the ceramic hard materials, a carbide or a nitride of a compound of at least two of tantalum, tungsten, hafnium , Rhenium. Schneidwerkzeug nach Patentanspruch 1 mit einem dritten keramischen Hartstoff, der ein vom zweiten keramischen Hartstoff abweichendes Carbid oder abweichendes Nitrid einer Verbindung von zumindest zwei aus Tantal, Wolfram, Hafnium, Rhenium aufweist.A cutting tool according to claim 1, comprising a third ceramic hard material which has a carbide other than the second hard ceramic or a different nitride of a compound of at least two of tantalum, tungsten, hafnium, rhenium. Schneidwerkzeug nach Patentanspruch 1 oder 2 mit einem vierten keramischen Hartstoff, der ein vom ersten. keramischen Hartstoff abweichendes Oxid von Zirkonium oder Molybdän oder Niob aufweist.Cutting tool according to claim 1 or 2 with a fourth ceramic hard material, one of the first. ceramic hard material deviating oxide of zirconium or molybdenum or niobium. Schneidwerkzeug nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, wobei 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 (1) beträgt.A cutting tool according to any one of claims 1 to 3, wherein a mass fraction of the first or first and fourth hard ceramic material is about 20-40% and a mass fraction of the second or second and third hard ceramic is about 80-60% of a mass of the cutting tool ( 1 ) is. Mischung keramischer Granulate zum Sintern eines Schneidwerkzeugs (1), dadurch gekennzeichnet, dass sie zumindest einen ersten und einen zweiten keramischen Hartstoff gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche aufweist.Mixture of ceramic granules for sintering a cutting tool ( 1 ), characterized in that it comprises at least a first and a second ceramic hard material according to one of the preceding claims. Mischung nach Patentanspruch 5, wobei eine Korngröße eines Granulats des Hartstoffs, der eine niedrigere Schmelztemperatur aufweist, etwa 2 bis 10-fach größer ist als eine Korngröße eines Granulats des Hartstoffs, der die höhere Schmelztemperatur aufweist.Mixture according to claim 5, wherein a grain size of a granulate of the hard material, which has a lower melting temperature, about 2 to 10 times greater than a grain size of a granulate of the hard material having the higher melting temperature. Verfahren zur Fertigung, insbesondere Sinterung, eines mischkeramischen Schneidwerkzeugs (1), das gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 4 ausgebildet ist und demgemäß zumindest einen ersten und einen zweiten Hartstoff aufweist, gekennzeichnet durch einen Schritt: – „Annäherung der Schmelztemperaturen der Hartstoffe”.Process for the production, in particular sintering, of a mixed-ceramic cutting tool ( 1 ) formed according to any one of claims 1 to 4 and accordingly comprising at least a first and a second hard material, characterized by a step: - "approximation of the melting temperatures of the hard materials". Verfahren nach Patentanspruch 7, wobei der Schritt „Annäherung der Schmelztemperaturen” durch einen Schritt „Einstellung unterschiedlicher Drücke für die unterschiedlichen Hartstoffe” erfolgt.Method according to claim 7, wherein the step "approximation of the melting temperatures" by a step "setting different pressures for the different hard materials" takes place. Verfahren nach Patentanspruch 7 oder 8, wobei vor dem Schritt „Annäherung der Schmelztemperaturen” ein Schritt „Verbindung von Granulaten der Hartstoffe”, insbesondere mit einem Paraffin, erfolgt.Method according to claim 7 or 8, wherein before the step "approach of the melting temperatures", a step "compound of granules of hard materials", in particular with a paraffin, takes place. Verfahren nach Patentanspruch 9, wobei nach dem Schritt „Verbindung der Granulate” ein Schritt „Warmpressen der Mischung aus Granulaten und Parafin” und ein Schritt „Sintern” erfolgen.Method according to claim 9, wherein after the step "compound of the granules" a step "hot pressing of the mixture of granules and paraffin" and a step "sintering" take place.
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