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Die Erfindung betrifft eine Wendeschneidplatte sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Wendeschneidplatte der in den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche angegebenen Art.
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Schwer zerspanbare Werkstoffe, wie beispielsweise hochnickelhaltige Stähle oder warmfeste Stahlgusslegierungen, weisen besondere Eigenschaften auf, welche bei der Bearbeitung dieser Werkstoffe zu berücksichtigen sind. Diese Werkstoffe besitzen viele Karbidausscheidungen, d. h. Hartpartikel, eine geringe Wärmeleitfähigkeit, ein inhomogenes Gefüge, eine hohe Warmfestigkeit, eine große Zähigkeit und eine starke Neigung zur Kaltverfestigung. Werkstoffe, welche diese Werkstoffeigenschaften aufweisen, kommen zum Beispiel bei Turboladergehäusen zum Einsatz.
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Derartige Werkstoffe stellen eine besondere Herausforderung beim Zerspanen dar, insbesondere bei zur Zerspanung eingesetzten Wendeschneidplatten. Die geringe Wärmeleitfähigkeit und die hohe Zähigkeit dieser Werkstoffe führen zu einer hohen thermischen Belastung der Wendeschneidplatten. Aufgrund des häufig inhomogenen Gefüges derartiger Werkstoffe können sehr hohe dynamische Kräfte bei der Bearbeitung auftreten, was eine hohe mechanische Belastung an den Wendeschneidplatten zur Folge haben kann.
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Um Wendeschneidplatten verschleißbeständiger zu gestalten, ist es an sich bekannt, die Wendeschneidplatten mit einer Beschichtung zu versehen. Dazu werden auf einem Substrat derartiger Wendeschneidplatten eine oder mehrere Schichten einer Beschichtung aufgebracht. Wie aus dem allgemeinen Stand der Technik hervorgeht, haben sich zwei Beschichtungsverfahren und somit zwei unterschiedliche Arten von Beschichtungen bewährt. Eine Möglichkeit der Beschichtung ist das CVD-Verfahren (engl. chemical vapour deposition, chemische Abscheidung aus der Dampfphase). Bei diesem Verfahren wird eine CVD-Schicht auf das Substrat der Wendeschneidplatte aufgetragen. Eine weitere Möglichkeit zur Beschichtung ist das PVD-Verfahren (engl. physical vapour deposition, physikalische Abscheidung aus der Dampfphase). Bei diesem Verfahren wird eine PVD-Schicht auf das Substrat der Wendeschneidplatte aufgebracht.
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In der Serienfertigung werden Wendeschneidplatten zur Bearbeitung von schwer zerspanbaren Werkstoffen üblicherweise mit einer CVD-Schicht versehen. Das CVD-Verfahren hat den Nachteil, dass sich bei der Erzeugung der CVD-Schicht in der Beschichtung starke Zugeigenspannungen ergeben.
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Bei der Bearbeitung schwer zerspanbarer Werkstoffe mit der Wendeschneidplatte mit einer CVD-Schicht kann die Beschichtung innerhalb kürzester Zeit durch die hohe Dynamik der auftretenden Kräfte beim Zerspanen abplatzen. Sobald die Beschichtung abplatzt, haftet der Werkstoff des zu bearbeitenden Bauteils an dem Substrat der Wendeschneidplatte an. Dies kann dazu führen, dass das Substrat teilweise abgelöst, also abgerissen wird. Dies hat zur Folge, dass die betreffende Wendeschneidplatte ausgetauscht werden muss.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Herstellen einer Wendeschneidplatte und eine Wendeschneidplatte bereitzustellen, mittels welchen beim Bearbeiten schwer zerspanbarer Werkstoffe ein besonders geringer Verschleiß an einer Wendeschneidplatte sichergestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Wendeschneidplatte mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Herstellen einer Wendeschneidplatte mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Wendeschneidplatte, welche ein Substrat umfasst, auf welchem eine mittels einer physikalischen Gasphasenabscheidung abgeschiedene Beschichtung angebracht ist. Mit Substrat ist hier das Basismaterial der Wendeschneidplatte gemeint, auf welches die Beschichtung aufgetragen wird. Mit Beschichtung ist das Aufbringen zumindest einer Schicht auf eine Oberfläche des Substrats gemeint. Die Wendeschneidplatte zeichnet sich dadurch aus, dass die Beschichtung eine Dicke von zumindest 3,5 Mikrometern aufweist. Mit Dicke ist hier eine Materialdicke der Beschichtung gemeint. Bevorzugt weist die Beschichtung eine Dicke von größer als 9 Mikrometer oder 10 Mikrometer auf. Die Wendeschneidplatte wird beispielsweise zum Bohren und/oder Drehen verwendet.
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Durch die im PVD-Verfahren aufgebrachte Beschichtung werden in der Beschichtung Druckeigenspannungen induziert. Die eingebrachten Druckeigenspannungen bewirken ein zäheres Verhalten der Beschichtung. Dies hat zur Folge, dass die Beschichtung nicht so schnell abplatzen kann und somit das Substrat länger geschützt bleibt. Dies bewirkt einen stabileren Verschleißfortschritt. Dadurch wird die Standzeit der Wendeschneidplatte erhöht.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Substrat ein Hartmetall ist. Je nach Zerspanungsanwendung wird das Substrat bevorzugt aus einem P-Hartmetall oder M-Hartmetall oder K-Hartmetall hergestellt. Die Abkürzungen P, M und K stehen für die sogenannten ISO-Metallklassen. Wendeschneidplatten mit einem Substrat aus einem P-Hartmetall werden beispielsweise für die Bearbeitung von Stahl eingesetzt. Wendeschneidplatten mit einem M-Hartmetall als Substrat werden für die Bearbeitung von rostfreiem Stahl verwendet. Wendeschneidplatten, deren Substrat beispielsweise ein K-Hartmetall ist, eignen sich für die Bearbeitung von Gusseisen.
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Bevorzugt weist das Substrat eine Härte zwischen 1500 HV10 und 2000 HV10 auf. Dabei kann der Cobalt-Anteil des Substrates einen Wert zwischen 5 Prozent und 6,5 Prozent aufweisen. Bevorzugt weist das Substrat ferner eine Korngröße zwischen 0,5 und 1,3 Mikrometern auf. Basierend auf dem eingesetzten Hartmetall für das Substrat lassen sich die Werkzeugeigenschaften einstellen. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass ein großes Spektrum an Werkstoffen bearbeitet werden kann.
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In vorteilhafter Weise weist die Beschichtung mehrere Schichten auf, welche übereinander abgeschieden sind. Mit anderen Worten kann es sich um eine Multilayer-Beschichtung handeln, die aus mindestens zwei Schichten besteht. Mehrere Schichten weisen den Vorteil auf, dass sie das Substrat während der Bearbeitung vor Verschleiß schützen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass zumindest eine der Schichten eine Oxidschicht ist. Beispielsweise ist die oberste Schicht, das heißt die Schicht, welche zuletzt abgeschieden wird, als Oxidschicht ausgebildet. Beispielsweise kann die Oxidschicht aus Aluminiumoxid (Al2O3) oder AlCrON hergestellt werden. Beim Zerspanen von Werkstoffen entstehen hohe Temperaturen, sowohl am zu bearbeitenden Bauteil als auch an der Wendeschneidplatte. Der Vorteil der Oxidschicht besteht darin, dass sie besonders temperaturstabil ist. Dadurch hält die Beschichtung auch hohen Temperaturen stand.
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In vorteilhafter Weise kann zumindest eine der Schichten eine Nitridschicht, eine Karbidschicht oder eine Karbonitridschicht sein. Die Nitridschicht kann beispielsweise TiN, ZrN, TiAlN oder CrNx umfassen. Die Karbidschicht kann beispielsweise TiC oder TaC aufweisen. Diese Schichten sind besonders hart ausgebildet. Dadurch eignen sich derartige Beschichtungen für Wendeschneidplatten, mit welchen besonders harte Bauteile bearbeitet werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Wendeschneidplatte wird auf einem Substrat mittels einer physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD-Verfahren) eine Beschichtung abgeschieden, wobei die Beschichtung mit einer Dicke von zumindest 3,5 Mikrometern abgeschieden wird.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die physikalische Gasphasenabscheidung durch Lichtbogenverdampfen, Vakuumverdampfen oder Sputtern durchgeführt wird. Beim Vakuumverdampfen wird üblicherweise das Beschichtungsmaterial in einem Tiegel mit einer Widerstandsheizung oder einer Elektronenstrahlkanone im Hochvakuum bei einem Druck von 10–3 bis 10–6 Pascal verdampft. Bei der Lichtbogenverdampfung (kurz ARC-PVD-Verfahren) wird das Beschichtungsmaterial mittels eines Lichtbogens im Hochvakuum verdampft und ionisiert. Beim Sputtern, also bei einer sogenannten Kathodenzerstäubung, wird in einem Niederdruckplasma ein Inertgas, zum Beispiel Argon, durch Anlegen einer Hochspannung ionisiert. Die positiv geladenen Inertgasionen werden auf das als Kathode geschaltete Beschichtungsmaterial (Target) hin beschleunigt und schlagen dort durch Impulsaustausch Atome, Atomgruppen und Moleküle des Beschichtungsmaterials heraus. Durch die jeweiligen Verfahren zur physikalischen Gasphasenabscheidung wird auf besonders kostengünstige Art und Weise eine Beschichtung erzeugt. Ferner wird durch diese Verfahren eine qualitativ hochwertige Beschichtung mit einer dichten Struktur und einer guten Haftung erzeugt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Wendeschneidplatte sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen und umgekehrt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
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1 eine Wendeschneidplatte in einer Perspektivansicht;
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2 eine schematische Darstellung eines Werkzeugs mit zwei Wendeschneidplatten nach 1 und einem zu bearbeitenden Bauteil; und
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3 eine schematische Seitenschnittansicht der Wendeschneidplatte, welche ein Substrat aufweist, auf welcher eine mehrere Schichten aufweisende Beschichtung abgeschieden ist.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer Perspektivansicht eine Wendeschneidplatte 10. Wendeschneidplatten besitzen je nach Art des zu bearbeitenden Bauteils unterschiedliche Geometrien. Eine derartige Wendeschneidplatte 10 wird beispielsweise zum Bohren und/oder Drehen eingesetzt. Die Geometrie der Wendeschneidplatte 10 zeichnet sich dadurch aus, welche Primärphase, welche auch als Schutzfase bezeichnet wird, welchen ersten Spanwinkel und welchen zweiten Spanwinkel die Wendeschneidplatte 10 aufweist. Bevorzugt weist die Wendeschneidplatte 10 eine Primärphase zwischen 0,3 Millimeter und 0,35 Millimeter, einen ersten Spanwinkel zwischen 0° und 10° und einen zweiten Spanwinkel zwischen 15° und 30° auf.
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In 2 ist ein Werkzeug 12 mit einer daran angeordneten Wendeschneidplatte 10, wie sie in 1 gezeigt ist, dargestellt. Dieses Werkzeug 12 wird zur Bearbeitung eines Bauteils 14 eingesetzt. Bei dem Bauteil 14 kann es sich beispielsweise um ein Turboladergehäuse handeln. Bei der Bearbeitung dreht sich entweder das Werkzeug 12 und das Bauteil 14 ist fest fixiert oder umgekehrt. D. h., das Bauteil 14 dreht sich und das Werkzeug 12 ist fest fixiert.
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Aus dem Stand der Technik bekannte Wendeschneidplatten kommen speziell bei der Bearbeitung von sehr schwer zerspanbaren Werkstoffen, wie beispielsweise Turboladerwerkstoffen, welche hochnickelhaltig sind, schnell an ihre Grenzen. Um die Belastbarkeit von Wendeschneidplatten und damit deren Wirtschaftlichkeit zu erhöhen, wird auf den Basiswerkstoff, dem Substrat, der Wendeschneidplatte 10 eine Beschichtung aufgetragen.
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3 zeigt in einer schematischen Seitenschnittansicht das Substrat 16 der Wendeschneidplatte 10 mit der Beschichtung 18. Das Substrat 16 der Wendeschneidplatte 10 wird aus einem Hartmetall hergestellt. Je nach Zerspananwendung wird das Substrat 16 aus einem P-Hartmetall oder M-Hartmetall oder K-Hartmetall hergestellt.
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Um das Substrat 16 thermisch und mechanisch belastbarer zu machen, wird darauf die Beschichtung 18 aufgetragen. Die Beschichtung 18 wird durch eine physikalische Gasphasenabscheidung (PVD-Verfahren) abgeschieden. Zur physikalischen Gasphasenabscheidung eignet sich zum Beispiel das Lichtbogenverdampfen, das Vakuumverdampfen oder das Sputtern. Die Beschichtung 18 weist eine vorbestimmte Dicke D auf. Damit die Wendeschneidplatte 10 besonders stabil ist, weist die Beschichtung 18 eine Dicke D zwischen 3,5 und 10 Mikrometern auf, insbesondere zwischen 9 und 10 Mikrometern. Auch Dicken größer als 10 Mikrometer sind möglich.
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Wie 3 zeigt, weist die Beschichtung 18 insgesamt drei Schichten – eine erste Schicht 20, eine zweite Schicht 22 und eine dritte Schicht 24 – auf. Auf dem Substrat 16 können auch nur zwei Schichten aufgetragen sein. Da die Beschichtung 18 zumindest zwei Schichten aufweist, wird diese auch als Multilayer-Beschichtung bezeichnet.
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Bei dem Verfahren zum Herstellen der Wendeschneidplatte 10 werden die jeweiligen Schichten – erste Schicht 20, zweite Schicht 22 und dritte Schicht 24 – aufeinanderfolgend abgeschieden. D. h., die Schichten 20, 22, 24 werden übereinander geschichtet. Ferner können die jeweiligen Schichten 20, 22, 24 unterschiedlich ausgebildet sein. Mit anderen Worten weisen die einzelnen Schichten 20, 22, 24 unterschiedliche Werkstoffbestandteile und damit unterschiedliche Werkstoffeigenschaften auf.
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Beispielsweise kann die oberste Schicht, das heißt die dritte Schicht 24, als Oxidschicht ausgebildet sein. Eine Oxidschicht, beispielsweise aus Aluminiumoxid oder AlCrON, ist besonders temperaturbeständig. Die beiden anderen Schichten 20, 22 können als Nitridschicht, Karbidschicht oder Karbonitridschicht ausgebildet sein. Die Nitridschicht kann beispielsweise TiN, ZrN, TiAlN oder CrNx umfassen. Die Karbidschicht kann beispielsweise TiC oder TaC aufweisen. Ist die erste Schicht 20 oder die zweite Schicht 22 beispielsweise als Nitridschicht, Karbidschicht oder Karbonitridschicht ausgebildet, so weisen diese beiden Schichten 20, 22 eine besonders hohe Härte auf.
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Die Art der Schichtabfolge, das heißt, welche Schichten mit welchen Bestandteilen im PVD-Verfahren nacheinander abgeschieden werden, kann beliebig erfolgen. Mit anderen Worten können die jeweiligen Schichtarten, beispielsweise Oxidschicht, Karbidschicht, Nitridschicht oder Karbonitridschicht, beliebig übereinander angeordnet werden. Bei einer möglichen Schichtabfolge kann beispielsweise zunächst als erste Schicht 20 eine Schicht, welche TiAlN/SiN umfasst, abgeschieden werden. Darauf kann die zweite Schicht 22, welche AlCrN aufweist, abgeschieden werden. Zum Schluss kann als dritte Schicht 24 eine Schicht abgeschieden werden, welche AlCrON aufweist. Eine zweite mögliche Schichtabfolge kann als erste Schicht 20 TiAlN/SiN, als zweite Schicht 22 AlTiN und als dritte Schicht 24 TiN umfassen. Derartige Beschichtungen eignen sich insbesondere bei Wendeschneidplatten mit einer Anwendungstemperatur zwischen 600°C und 1500°C, insbesondere von 1200°C.
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Beim Abscheiden der jeweiligen Schichten 20, 22, 24 kann nicht nur die Schichtabfolge variieren, sondern auch die jeweilige Schichtdicke der Schichten 20, 22, 24, welche zur Dicke D der Beschichtung 18 beiträgt. Mit anderen Worten können die einzelnen Schichten 20, 22, 24 unterschiedliche oder gleiche Schichtdicken aufweisen. Die Dicke D der Beschichtung 18, d. h. aller Schichten 20, 22, 24 zusammen, welche die Beschichtung 18 bilden, weist dabei insgesamt eine Dicke zwischen 3 und 10 Mikrometern, insbesondere zwischen 9 und 10 Mikrometern auf.
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Eine derartige Wendeschneidplatte, wie sie in 3 aufgebaut ist, eignet sich insbesondere für die Bearbeitung, d. h. insbesondere zum Drehen oder Bohren, von hochwarmfesten, hochnickelhaltigen Stahlgusslegierungen. Solche Werkstoffe kommen beispielsweise bei Turboladergehäusen zum Einsatz.
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In einem Messversuch wurden Wendeschneidplatten mit unterschiedlichen Substraten und Beschichtungen geprüft, um herauszufinden, welches Substrat und welche Beschichtung sich beim Bearbeiten eines harten Werkstücks besonders gut für eine Wendeschneidplatte eignen. Bei dem Messversuch wurden die geprüften Wendeschneidplatten hinsichtlich der Verschleißmarkenbreite und der Eingriffszeit charakterisiert. Beim Bearbeiten eines Bauteils wird die Beschichtung der Wendeschneidplatte abgenutzt, d. h. die Wendeschneidplatte verschleißt. Inwieweit die Wendeschneidplatte durch das Bearbeiten des Bauteils verschlissen ist, lässt sich über die Verschleißmarkenbreite aussagen. Die Verschleißmarkenbreite ist die Breite einer Verschleißzone, in der die Beschichtung vom Substrat der Wendeschneidplatte abgetragen ist und wird üblicherweise in Mikrometern gemessen. Wendeschneidplatten müssen ausgetauscht werden, wenn ihre Verschleißmarkenbreite eine kritische Verschleißmarkenbreite erreicht. Die kritische Verschleißmarkenbreite liegt in der Regel bei 600 Mikrometern. In dem Messversuch wurde die Verschleißmarkenbreite in Abhängigkeit von der Eingriffszeit untersucht. Das Bauteil wurde solange bearbeitet, bis die kritische Verschleißmarkenbreite erreicht wurde. Dabei wurde die jeweilige Zeit gemessen, die benötigt wurde, bis die kritische Verschleißmarkenbreite erreicht wurde. Die Eingriffszeit ist also diejenige Zeit, die die Wendeschneidplatte am Bauteil in Eingriff war, bis die kritische Verschleißmarkenbreite sich eingestellt hat.
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Aus dem Messversuch gingen zwei Arten von Wendeschneidplatten hervor, welche sich besonders für die Bearbeitung von harten Bauteilen eignen.
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Bei der ersten Wendeschneidplatte handelt es sich um eine Wendeschneidplatte, welche eine Primärphase von 3,5 Millimetern, einen ersten Spanwinkel von 0° und einen zweiten Spanwinkel von 17° aufweist. Ferner ist das Substrat dieser Wendeschneidplatte aus einem P-Hartmetall gebildet. Das P-Hartmetall weist bei dieser Wendeschneidplatte eine Härte von 1500 HV auf. Das Substrat der Wendeschneidplatte ist mit einer Beschichtung versehen, dessen erste Schicht TiAlN/SiN, dessen zweite Schicht AlCrN und dessen dritte Schicht AlCrON umfasst. Ferner beträgt die Dicke der Beschichtung 9,5 Mikrometer. Die Beschichtung dieser Wendeschneidplatte wurde mittels eines PVD-Verfahrens erzeugt.
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Die zweite Wendeschneidplatte weist die gleiche Geometrie (Primärphase, erster Spanwinkel und zweiter Spanwinkel) wie die erste Wendeschneidplatte auf. Das Substrat der zweiten Wendeschneidplatte ist aus einem K-Hartmetall gebildet und weist eine Härte von 2001 HV auf. Die Beschichtung und die Schichtdicke der zweiten Wendeschneidplatte waren die gleiche, wie bei der ersten Wendeschneidplatte. Auch diese Beschichtung wurde im PVD-Verfahren abgeschieden.
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Bei beiden Wendeschneidplatten wurde die kritische Verschleißmarkenbreite von 600 Mikrometern erst ab 62 Takten und einer Eingriffszeit zwischen 200 und 225 Sekunden erreicht. Die anderen Wendeschneidplatten, welche ebenfalls getestet wurden, wiesen entweder eine CVD-Beschichtung oder eine PVD-Beschichtung mit einer geringeren Dicke als 9,5 Mikrometer auf. Im Gegensatz zu den anderen getesteten Wendeschneidplatten war die Eingriffszeit der ersten und der zweiten Wendeschneidplatte um 77 Prozent höher.
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Insgesamt geht somit ein Einsatz von PVD-Schichten auf einer Wendeschneidplatte hervor. Eine derartige Wendeschneidplatte eignet sich besonders zur Bearbeitung von harten Werkstoffen. Zur Bearbeitung von harten Werkstoffen, beispielsweise hochwarmfesten, hochnickelhaltigen Stählen oder Stahlgusslegierungen, eignet sich ferner eine Beschichtung mit einer Dicke von größer als 9 Mikrometer. Speziell Turboladergehäuse können mit derartigen Wendeschneidplatten bearbeitet werden.
