DE102015220389A1

DE102015220389A1 - PcBN-Schneidstoffe und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE102015220389A1
Application number: DE102015220389.1A
Authority: DE
Inventors: Steffen Pfeiffer; Gert Richter; Kilian Friederich; Alex Walschewski
Original assignee: Ceramtec GmbH
Current assignee: Ceramtec GmbH
Priority date: 2014-10-30
Filing date: 2015-10-20
Publication date: 2016-05-04

Abstract

Die Erfindung betrifft PcBN-Schneidstoffe, sowie ein Verfahren zur Herstellung von PcBN-Schneidstoffen. Insbesondere betrifft die Erfindung PcBN-Schneidstoffe, die eine gute Verschleißbeständigkeit und Kantenstabilität aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft PcBN-Schneidstoffe, sowie ein Verfahren zur Herstellung von PcBN-Schneidstoffen. Insbesondere betrifft die Erfindung PcBN-Schneidstoffe, die eine gute Verschleißbeständigkeit und Kantenstabilität aufweisen.
Im Rahmen dieser Erfindung wird unter „PcBN” polykristallines, gesintertes, im Wesentlichen kubisches Bornitrid verstanden, das aus pulverförmigen Ausgangsstoffen durch Sintern unter Druck erzeugt wird. Der Begriff „cBN” beschreibt den Ausgangsstoff kubisches Bornitrid, das in Pulverform verwendet wird. PcBN-Rohlinge sind gesinterte Formkörper, aus denen durch Zurichten mittels materialabtragender Bearbeitung die Endkontur der Werkstücke herausgearbeitet wird. Unter dem Begriff „Zurichten” werden alle materialabtragenden Verfahren verstanden, die sich für die Erzeugung der gewünschten Form, beispielsweise einer definierten Kante, in superharten Materialien eignen. Es kann sich dabei, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, beispielsweise um Verfahren wie Sägen, Fräsen, Läppen, Schleifen, Laserablation oder Laserschneiden handeln.
Die allgemein gängige Methode zur Herstellung von PcBN-Rohlingen ist das Sintern von pulverförmigen Mischungen aus cBN-Partikeln zusammen mit einem oder mehreren Bindemitteln unter erhöhtem Druck. Da sich cBN bei atmosphärischem Druck ab einer Temperatur von etwa 1450°C in hBN (hexagonale Modifikation des BN) umwandelt, können hohe Sintertemperaturen bis 2000°C nur dann gewählt werden, wenn der Druck gleichzeitig erhöht wird. Der Druck liegt üblicherweise zwischen 3 bis 5 GPa. Die Synthese erfolgt beispielsweise auf großen Pressen, den sog. kubischen Pressen oder auf Beltpressen, wobei die Synthesedauer variiert.
PcBN-Schneidstoffe, also der gesinterte Werkstoff, zählen zu den sog. superharten Materialien und werden vor allem zur Zerspanung von Gusseisen und gehärteten Stählen eingesetzt. Bei der Bearbeitung von solchen Materialien ist die Schneide neben großen Kräften auch hohen Temperaturen ausgesetzt. Neben der Kantenfestigkeit und dem abrasiven Verschleiß spielt die Temperatur eine wichtige Rolle, da sie chemische Reaktionen möglich macht, die bei Raumtemperatur jedenfalls vernachlässigbar sind. Die wichtigsten Verschleißmechanismen sind daher der thermische und der chemische Verschleiß.
Neben der hohen Härte, sind die wichtigsten Anforderungen, die an den Werkstoff gestellt werden, eine hohe Kantenstabilität und Zähigkeit bei gleichzeitig hoher Wärmeleitfähigkeit. Eine hohe Härte und eine hohe Zähigkeit werden durch eine möglichst geringe cBN-Korngröße erreicht. Für eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit sind dagegen ein hoher Gesamt-cBN-Gehalt sowie größere cBN-Partikel von Vorteil. Das bedeutet, dass eine hohe Härte und Zähigkeit einerseits und eine gute Wärmeleitfähigkeit andererseits nur mit konträren Mitteln erreicht werden können.
Eine nicht zu vernachlässigende Rolle spielen auch die jeweilige Bindephase bzw. die sekundäre Hartstoffphase. Werden als Bindemittel Metalle zugesetzt, die mit Bor oder Stickstoff des BN Verbindungen eingehen, können diese, je nach Zusammensetzung, beim Sintern in eine sekundäre Hartstoffphase umgewandelt werden. Im Folgenden wird die sekundäre Hartstoffphase auch Bindephase genannt, um den Unterschied zu den bereits in den Ausgangsstoffen enthaltenen Hartstoffen hervorzuheben. Es handelt sich bei der Bindephase um in situ beim Sintern gebildete Hartstoffe.
Aufgrund der höheren Härte von TiC gegenüber TiN weisen Proben mit TiC-Bindephase eine größere Härte als Proben mit TiN-Bindephase auf. Dafür zeichnen sich die Proben mit TiN-Bindephase durch eine höhere thermische Leitfähigkeit als solche mit TiC-Bindephase aus. D. h. diese Proben haben eine höhere Temperaturwechselbeständigkeit und sind damit stabiler gegen Schnittunterbrechungen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines PcBN-Rohlings, der eine optimale Kantenfestigkeit und Verschleißbeständigkeit, insbesondere hinsichtlich einer Verwendung als Schneidplatte eines Schneidwerkzeugs, das vorzugsweise im unterbrochenen Schnitt eingesetzt wird, aufweist. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung eines solchen PcBN-Rohlings zur Verfügung gestellt werden.
Die Aufgabe wird durch einen PcBN-Rohling gelöst, der cBN, zumindest zwei Hartstoffe und zumindest eine Bindephase umfasst. Der Rohling zeichnet sich dadurch aus, dass er cBN, eine Mischung oder eine feste Lösung von Nitriden und Carbiden und/oder von Nitriden und Carbonitriden der Gruppe 4, 5 oder 6 der Übergangsmetalle als Hartstoffe, sowie ein Metall als Bindemittel, vorzugsweise 70 bis 90 Gew.-% cBN, 7 bis 17 Gew.-% einer Mischung oder einer festen Lösung von Nitriden und Carbiden und/oder von Nitriden und Carbonitriden der Gruppe 4, 5 oder 6 der Übergangsmetalle als Hartstoffe, sowie 5 bis 15 Gew.-% der Bindephase enthält, wobei die Bindephase aus Nitriden und/oder Boriden eines metallischen Bindemittels besteht.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines PcBN-Rohlings umfasst das Mahlen und Mischen der Ausgangsstoffe und das anschließende Sintern der gemahlenen und gemischten oder homogenisierten Ausgangsstoffe unter hohem Druck. Die Ausgangsstoffe umfassen Hartstoffe, Bindemittel und cBN-Pulver, wobei cBN, eine Mischung oder eine feste Lösung von Nitriden und Carbiden und/oder von Nitriden und Carbonitriden der Gruppe 4, 5 oder 6 der Übergangsmetalle als Hartstoffe, sowie ein Metall als Bindemittel, vorzugsweise 70 bis 90 Gew.-% cBN, 7 bis 17 Gew.-% einer Mischung oder einer festen Lösung von Nitriden und Carbiden und/oder von Nitriden und Carbonitriden der Gruppe 4, 5 oder 6 der Übergangsmetalle als Hartstoffe, sowie 5 bis 15 Gew.-% eines Metalls als Bindemittel verwendet werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden cBN-Pulver verwendet, die zumindest zwei verschiedene durchschnittliche Korngrößen aufweisen. Eine erste durchschnittliche Korngröße, bestimmt nach dem Linienschnittverfahren, liegt bevorzugt zwischen 2 und 4 μm, und eine zweite durchschnittliche Korngröße liegt bevorzugt zwischen 5 und 10 μm.
Da sich die Korngröße des cBN's weder durch das Mahlen noch beim Sinterprozess wesentlich ändert, weisen auch die mit diesen Pulvern hergestellten PcBN-Rohlinge zwei verschiedene durchschnittliche Korngrößen der enthaltenen cBN-Kristalle auf, wobei die durchschnittlichen Größen denen der eingesetzten Pulver entsprechen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt das Gewichts-Verhältnis von cBN-Partikeln der ersten durchschnittlichen Korngröße zu den Partikeln der zweiten durchschnittlichen Korngröße zwischen 10:90 und 40:60.
Die zugrundeliegende Idee sieht vor, durch zwei unterschiedliche durchschnittliche cBN-Korngrößen im beschriebenen Gewichts-Verhältnis ein Gleichgewicht zwischen Zähigkeit und Härte einerseits und einer hohen Wärmeleitfähigkeit andererseits zu erreichen. Die Zugabe von elementarem Aluminium als Metall erhöht zudem – durch die Bildung der Phase AlN mit ihrer hohen Wärmeleitfähigkeiten – die thermische Stabilität des Werkstoffes. Weiterhin entscheidend für eine hohe Kantenfestigkeit ist die Verwendung von zwei unterschiedlichen Hartstoffen einem Nitrid und einem Carbid in einem bestimmten Mischungsverhältnis.
Besonders bevorzugt weist das zugegebene Nitrid eine durchschnittliche Korngröße D₅₀ von 1 bis 25 μm und das zugegebene Carbid eine durchschnittliche Korngröße D₅₀ von 1 bis 15 μm auf. Die Bestimmung der Korngrößen, die in der vorliegenden Erfindung genannt sind, erfolgt mittels Laserbeugung (Cilas).
Besonders bevorzugt liegt die durchschnittliche Korngröße des zugegebenen Bindemittels zwischen 1 und 4 μm.
Bei der Reaktion von Al mit dem cBN wird außerdem Bor freigesetzt, das bevorzugt mit Ti aus z. B. TiN oder TiC zu TiB₂ reagiert.
Ein besonders bevorzugter PcBN-Rohling zeichnet sich demgemäß dadurch aus, dass die Bindephase eine oder mehrere in situ gebildete Verbindungen, ausgewählt aus der Gruppe TiN, TiB₂, AlN und/oder AlB₂, umfasst oder aus diesen besteht.
Ist TiB₂ in dem Rohling enthalten, weist dessen TiB₂-Reflex im Röntgendiffraktogramm 6 bis 40% der Höhe eines cBN-Reflexes auf. PcBN-Rohlinge, die TiB₂-Gehalte aufweisen, die in diesen Bereich fallen, weisen eine optimale Kombination aus hoher Härte (TiB₂) und trotzdem nicht zu hoher Sprödigkeit (steigt mit steigendem TiB₂-Gehalt) auf. Sie eignen sich insbesondere für die Verwendung als Schneidplatte für ein Schneidwerkzeug.
Die Ausgangsstoffe des cBN-Rohlings werden vorzugsweise in einer mechanischen Mühle, bevorzugt in einer Planetenkugelmühle oder in einer Fließbett-Gegenstrahlmühle gemahlen und vermischt. Insbesondere bevorzugt werden zunächst die Hartstoffe und Bindemittel in die Planetenkugelmühle oder Fließbett-Gegenstrahlmühle gegeben, gemahlen und vermischt.
Um die Umwandlung von cBN in hBN bei Sintertemperaturen zwischen 1600 und 2000°C zu vermeiden, wird die Sinterung bevorzugt bei einem Druck zwischen 3 und 5 GPa durchgeführt.
Wie bereits oben erwähnt lassen sich aus den beschriebenen PcBN-Rohlingen Schneidplatten zurichten. In einer entsprechenden Halterung können diese Schneidplatten dann als Schneidwerkzeug verwendet werden. Insbesondere können mittels des beschriebenen Verfahrens und aus den PcBN-Rohlingen auch Wendeschneidplatten hergestellt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben.

Ein erfindungsgemäßer cBN-Rohling kann aus folgender Zusammensetzung hergestellt werden. Er wird bei 1850°C und einem Druck von 5 GPa gesintert.

	Beispiel A	Beispiel B
cBN	70–90 Gew.-%	70–90 Gew.-%, davon 1–30 Gew.-% mit durchschnittlicher Korngröße D₅₀ von 2–4 μm und 99–70 Gew.-% mit durchschnittlicher Korngröße D₅₀ von 5–10 μm
TiN	5–10 Gew.-%	5–10 Gew.-%
TiC	2–7 Gew.-%	2–7 Gew.-%
Al	5–15 Gew.-%	5–15 Gew.-%

Eine Mischung aus Al, TiN und TiC wird in der Planetenkugelmühle für fünf Stunden gemahlen. Parallel wird eine Mischung aus cBN mit einer Korngröße von 2–4 μm und cBN mit einer Korngröße von 5–10 μm eingewogen. Im Anschluss wird die cBN-Pulvermischung mit der Bindemittel/Hartstoffmischung im gewünschten Gewichtsverhältnis vermischt und für 15 h im Taumelmischer homogenisiert. Die homogenisierte Mischung wird anschließend bei 5 GPa und 1900°C zu einem Formkörper gesintert.
Mittels Röntgendiffraktometrie werden anschließend die folgenden Phasen detektiert: cBN, AlN, TiN, TiC und TiB2.
Diese Probe weist überraschenderweise eine sehr hohe Kantenfestigkeit von 1030 ± 28 N/mm auf.
Im Vergleich dazu weist eine nach dem gegenwärtigen Stand der Technik hergestellte Probe mit den Phasen: cBN, AlN, Al₂O₃, TiB₂, TiN und TiCN eine Kantenfestigkeit von 711 ± 149 N/mm auf.

Claims

PcBN-Rohling, umfassend cBN, zumindest einen Hartstoff und zumindest eine Bindephase, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling cBN, eine Mischung oder eine feste Lösung von Nitriden und Carbiden und/oder von Nitriden und Carbonitriden der Gruppe 4, 5 oder 6 der Übergangsmetalle als Hartstoffe, sowie eine Bindephase enthält.
PcBN-Rohling nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling vorzugsweise 70 bis 90 Gew.-% cBN, 7 bis 17 Gew.-% einer Mischung oder einer festen Lösung von Nitriden und Carbiden und/oder von Nitriden und Carbonitriden der Gruppe 4, 5 oder 6 der Übergangsmetalle als Hartstoffe, sowie 5 bis 15 Gew.-% einer Bindephase enthält, wobei die Bindephase Nitride und/oder Boride eines metallischen Bindemittels enthält.
PcBN-Rohling nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bindephase eine oder mehrere in situ gebildete Verbindungen, ausgewählt aus der Gruppe TiN, TiB₂, AlN und/oder AlB₂, umfasst oder aus diesen besteht.
PcBN-Rohling nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die enthaltenen cBN-Kristalle zwei durchschnittliche Korngrößen umfassen, wobei eine erste durchschnittliche Korngröße bevorzugt zwischen 2 und 4 μm und eine zweite durchschnittliche Korngröße bevorzugt zwischen 5 und 10 μm liegt.
Verfahren zur Herstellung eines PcBN-Rohlings durch Mahlen und Mischen der Ausgangsstoffe, dadurch gekennzeichnet, dass Hartstoffe, Bindemittel und cBN-Pulver gemischt und gemahlen werden und anschließend die Mischung unter hohem Druck gesintert wird, wobei als Ausgangsstoffe cBN, eine Mischung von einem Nitrid und einem Carbid und/oder von einem Nitrid und Carbonitriden der Gruppe 4, 5 oder 6 der Übergangsmetalle oder eine Mischung oder eine feste Lösung aus diesen Verbindungen als Hartstoffe sowie ein Metall als Bindemittel verwendet werden.
Verfahren zur Herstellung eines PcBN-Rohlings nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Hartstoffe, Bindemittel und cBN-Pulver gemischt und die Mischung anschließend unter hohem Druck gesintert wird, wobei als Ausgangsstoffe 70 bis 90 Gew.-% cBN, 4 bis 10 Gew.-% von einem Nitrid und 2 bis 7 Gew.-% von einem Carbid und/oder Carbonitriden der Gruppe 4, 5 oder 6 der Übergangsmetalle oder eine Mischung oder eine feste Lösung aus diesen Verbindungen als Hartstoffe sowie 5 bis 15 Gew.-% eines Metalls als Bindemittel verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Metall Aluminium zugegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mahlen und Mischen der Ausgangsstoffe in einer mechanischen Mühle erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst Hartstoffe und Bindemittel in eine Planetenkugelmühle oder eine Fließbett-Gegenstrahlmühle gegeben werden, diese gemahlen und vermischt werden, dann das cBN-Pulver zugegeben wird und im Taumelmischer gemischt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass cBN-Pulver zumindest zwei verschiedene durchschnittliche Korngrößen aufweist, wobei eine erste durchschnittliche Korngröße bevorzugt zwischen 2 und 4 μm und eine zweite durchschnittliche Korngröße bevorzugt zwischen 5 und 10 μm liegt.
Verfahren nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewichts-Verhältnis von Partikeln der ersten durchschnittlichen Korngröße zu den Partikeln der zweiten durchschnittlichen Korngröße zwischen 40:60 und 10:90 liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das zugegebene Nitrid eine durchschnittliche Korngröße D₅₀ von 1 bis 25 μm und das zugegebene Carbid eine durchschnittliche Korngröße D₅₀ von 1 bis 15 μm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngröße des Bindemittels zwischen 1 und 4 μm liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintern bei Temperaturen zwischen 1600 und 2000°C und einem Druck zwischen 3 und 5 GPa durchgeführt wird.
Schneidwerkzeug, umfassend eine Schneidplatte aus einem zugerichteten PcBN-Rohling nach einem der Ansprüche 1 bis 4, oder einem zugerichteten PcBN-Rohling, der nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 14 herstellbar oder hergestellt ist.