DE102016107623B4

DE102016107623B4 - Schneidwerkzeuge mit mikro- und nanostrukturierten feuerfesten Oberflächen und Verfahren zur Herstellung der Schneidwerkzeuge

Info

Publication number: DE102016107623B4
Application number: DE102016107623.6A
Authority: DE
Inventors: Naveen Kondameedi; Fabian Rosenberger; Christoph Gey
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2015-04-23
Filing date: 2016-04-25
Publication date: 2023-07-06
Anticipated expiration: 2036-04-26
Also published as: US11358241B2; US20160311030A1; JP2016203372A; CN106064245A; DE102016107623A1; CN106064245B; US20220152747A1; US11975409B2

Abstract

Schneidwerkzeug, das durch das folgende Verfahren erhältlich ist:
Bereitstellen eines Schneideinsatzes, umfassend eine Spanfläche und einen Körper, der aus einem feuerfesten Material gebildet ist; und
Schneiden durch die Spanfläche und den Körper mit einem Laserstrahl zum Bereitstellen einer Flankenfläche, die am Zusammentreffen mit der Spanfläche eine Schneidkante bildet,
wobei die Flankenfläche aus einem feuerfesten Material ausgebildet ist, das Strahlungsablations-Regionen umfasst, die zumindest eine von Oberflächenmikrostrukturen und Oberflächennanostrukturen bestimmen, wobei die Oberflächenporenstruktur des feuerfesten Materials nicht durch die Oberflächenmikrostrukturen und Oberflächennanostrukturen okkludiert wird,
wobei die Oberflächenmikrostrukturen und Oberflächennanostrukturen im Wesentlichen einen gleichmäßigen Abstand innerhalb einer Ablationsregion aufweisen,
und wobei die Oberflächenmikrostrukturen und Oberflächennanostrukturen Rippen sind.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Werkzeuge, die feuerfeste Materialien verwenden, und insbesondere Schneidwerkzeuge mit feuerfesten Oberflächen, die durch Einwirkung ablativer Laserstrahlung mikro- und/oder nanostrukturiert werden.
HINTERGRUND
PCD ist ein extrem hartes und abnutzungsbeständiges Material, was es für eine Vielzahl von Verschleißanwendungen geeignet macht. PCD wird im Allgemeinen durch die Anwendung hoher Temperaturen und Drücke auf in großen Spezialpressen positionierten Graphit hergestellt. Durch die Anwendung solcher Temperaturen und Drücke wird die hexagonale Struktur des Graphit in die kubische Struktur des Diamanten umgewandelt. Metallisches Lösungsmittel und/oder metallischer Katalysator können eingesetzt werden, um die zur Umwandlung von Graphit in Diamant erforderlichen Temperaturen und Drücke zu reduzieren. Zum Beispiel können Cobalt, Nickel und/oder Eisen in das synthetische Verfahren einbezogen werden, um Temperaturen und Drücke abzusenken. Alternativ ist es möglich, PKD durch Sintern eine Vielzahl von Einzelkristallen von Diamant zu erzeugen, um eine große polykristalline Masse bereitzustellen. In gewerblichen Prozessen wird die Rate der Polykristallbildung oft durch Zugabe einer metallischen oder keramischen Sekundärphase verbessert. Der Einsatz solcher Metallsorten hat Nachteile, da das gewonnene Produkt Diamantkörner mit weitgehend an den Korngrenzen angeordnetem, metallischem Binder umfasst.
Die metallische Binderphase liegt im Allgemeinen in einer Menge von 5-10 Vol.-% vor, was zu Kompromissen in den chemischen und thermischen Stabilitäten der PKD-Zusammensetzung führt. Ein metallisches Bindemittel kann beispielsweise die Graphitisierung beschleunigen und aufgrund der großen Unterschiede in der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem metallischen Bindemittel und Diamant bei Temperaturen von über 700 °C thermische Beanspruchungen verursachen. Solche thermischen Einschränkungen können die Kollektion von feuerfesten Materialien beschränken, die erfolgreich auf PKD-Substrate von Schneidwerkzeugen angewendet werden können. Ferner sind PKD und andere ultraharte Werkzeugmaterialien, einschließlich polykristallinem kubischem Bornitrid (PKB), schwierig und zeitaufwendig in ihrer Verarbeitung zu Schneidwerkzeugen. Aktuelle Schleifverfahren führen beispielsweise aufgrund des Kontakts von Diamant auf Diamant oft zu Kornausbruch und/oder anderen Oberflächenunregelmäßigkeiten. Ferner kann ein Funkenerodieren (engl. electrical discharge machining, EDM) bevorzugt die Binderphase abnutzen und somit die Integrität des polykristallinen Materials schwächen. Angesichts dieser Nachteile in der Verarbeitung ist die Entwicklung von Techniken gefordert, die neue und wünschenswerte Architekturen für feuerfeste Oberfläche ergeben.
Die DE 10 2011 053 740 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Hartstoff-Körpers, eines sintermetallurgischen Pulvers und eines daraus herstellbaren Hartstoff-Rohlings sowie eines Hartstoffkörpers.
Der wissenschaftliche Artikel von G. Dumitru et al. (G. Dumitru, V. Romano, H.P. Weber, M. Sentis, W. Marine: Femtosecondablation of ultrahard materials. In: Appl. Phys. A, 74, 2002, 729-739.) offenbart eine Laserablation von ultraharten Materialien mittels Femtosekunden-Lasern.
Aus dem Artikel von A. Y. Vorobyev et al. (A.Y. Vorobyev and C. Guo: Femtosecond laser nanostructuring of metals. In: OPTICS EXPRESS, Vol. 14, 2006, No. 6, 2164-2169.) ist eine Nanostrukturierung von Metallen durch Femtosekunden-Laser bekannt.
Zudem offenbart der Artikel von Z. Li et al. (Z. Li, J. Wang, Q. Wu: Ultrashort Pulsed Laser Micromachining of Polycrystalline Diamond. In: Advanced Materials Research, Vol. 497, 2012, 220-224.) ultrakurzgepulste Laserbearbeitung von polykristallinen Diamanten.
Ferner beschreiben die Autoren C. Dold et al. in ihrem Artikel (C. Dold, M. Henerichs, L. Bochmann, K. Wegener: Comparison of ground and laser machined polycrystalline diamond (PCD) tools in cutting carbon fiber reinforced plastics (CFRP) for aircraft structures. In: Procedia CIRP, Vol. 1, 2012, 178-183.) die Laserablation von Werkzeugen aus polykristallinen Diamanten.
Die US 5 178 645 A offenbart Schneidwerkzeuge aus polykristallinen Diamant sowie Methoden zur Herstellung derselben.
Die DE 10 2010 011 508 A1 offenbart eine Laserbearbeitungsvorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines rotationssymmetrischen Werkzeugs.
Aus der JP 2007 - 216 327 A ist die Laserablation eines Hartmetallkörpers mittels eines Femtosekundenlasers beschrieben.
Das Fachbuch von Bäuerle (Laser processing and chemistry. 4th ed., Heidelberg, Springer, 2011. ISBN 978-3-642-17612-8) offenbart verschiedene Mechanismen, die zur Ausbildung von Oberflächenmikrostrukturen und Oberflächennanostrukturen, insbesondere von Rippen, bei der Laserablation führen.
Ferner offenbaren die Firmenschrift von Lendner (Präsentation Technologietag 22.11.2012 Laser Zentrum Hannover (LZH). In: GFH GmbH. Deggendorf: Bohren und Mikroschneiden mit Wendelbohroptik. 2012, S. 32.) und die Firmenschrift mit dem Titel „Mikrofeine Schnitte mit Ultrakurzpulslasern" (In: Mikroproduktion, 2012, 05, S. 29 - 31) einen Laserstrahl beim Schneiden zu drehen.
KURZDARSTELLUNG
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird gelöst durch Schneidwerkzeuge gemäß Anspruch 1, die durch das folgende Verfahren erhältlich sind: Bereitstellen eines Schneideinsatzes, umfassend eine Spanfläche und einen Körper, der aus einem feuerfesten Material gebildet ist; und Schneiden durch die Spanfläche und den Körper mit einem Laserstrahl zum Bereitstellen einer Flankenfläche, die am Zusammentreffen mit der Spanfläche eine Schneidkante bildet. Die Flankenfläche ist aus einem feuerfesten Material ausgebildet, das Strahlungsablations-Regionen umfasst, die zumindest eine von Oberflächenmikrostrukturen und Oberflächennanostrukturen bestimmen, wobei die Oberflächenporenstruktur des feuerfesten Materials nicht durch die Oberflächenmikrostrukturen und/oder Oberflächennanostrukturen okkludiert wird. Die Oberflächenmikrostrukturen und Oberflächennanostrukturen weisen im Wesentlichen einen gleichmäßigen Abstand innerhalb einer Ablationsregion auf. Die Oberflächenmikrostrukturen und Oberflächennanostrukturen sind Rippen.
In einigen Ausführungsformen weisen die Oberflächenmikrostrukturen und Oberflächennanostrukturen im Wesentlichen eine gleichmäßige Höhe innerhalb einer Ablationsregion auf.
Ferner betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für Schneidwerkzeuge gemäß Anspruch 14. Ein Verfahren zur Herstellung eines Schneidwerkzeugs umfasst das Bereitstellen eines Schneideinsatzes, der eine Spanfläche und einen Körper umfasst, der aus einem feuerfesten Material ausgebildet ist, und das Schneiden der Spanfläche und des Körpers mit einem Laserstrahl zum Bereitstellen einer Flankenfläche, die am Zusammentreffen mit der Spanfläche eine Schneidkante bildet. Die Flankenfläche umfasst Strahlungsablations-Regionen, die zumindest eine von Oberflächenmikrostrukturen und Oberflächennanostrukturen bestimmen, wobei die Porenstruktur des feuerfesten Materials nicht durch die Oberflächenmikrostrukturen und Oberflächennanostrukturen okkludiert wird. Die Oberflächenmikrostrukturen und Oberflächennanostrukturen weisen im Wesentlichen einen gleichmäßigen Abstand innerhalb einer Ablationsregion auf. Die Oberflächenmikrostrukturen und Oberflächennanostrukturen sind Rippen. Der Laserstrahl wird während des Schneidens gedreht.
Diese und andere Ausführungsformen werden in der folgenden ausführlichen Beschreibung näher beschrieben.
Figurenliste

1 ist eine Rasterelektronenmikroskopie- (REM-) Aufnahme bei 3000-facher Vergrößerung einer Schneidkante eines PKD-Schneidwerkzeugs gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform.
2 ist eine REM-Aufnahme eines Ausschnitts der Flankenfläche von 1, aufgenommen bei einer Vergrößerung von 10000x.
3 ist eine REM-Aufnahme eines Ausschnitts der Flankenfläche von 1, aufgenommen bei einer Vergrößerung von 25000x.
4 ist eine REM-Aufnahme bei 2000-facher Vergrößerung einer Flankenfläche eines Wolfram-Sintercarbid-Hartmetall-Schneidwerkzeugsubstrats gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform.
5 ist eine REM-Aufnahme eines Ausschnitts der Flankenfläche von 4, aufgenommen bei einer Vergrößerung von 10000x.
6 ist eine REM-Aufnahme eines Ausschnitts der Flankenfläche von 4, aufgenommen bei einer Vergrößerung von 25000x.
7 ist eine REM-Aufnahme eines Ausschnitts einer Flankenfläche aus einem Sintercarbid-Hartmetall, der mit Laserstrahlung mit einer Pulsdauer im Nanosekundenbereich bearbeitet wurde.
8 ist eine schematische Darstellung eines Lasers beim Schneiden der Spanfläche und des Körpers eines PKD-Schneideinsatz-Rohlings zum Bereitstellen einer Flankenfläche mit Strahlungsablations-Regionen gemäß einigen hierin beschriebenen Ausführungsformen.
9 ist ein optisches Bild eines PKD-Schneidwerkzeugs mit einem Spanbrecher an der Spanfläche gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Hierin beschriebene Ausführungsformen werden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung und der Beispiele und deren vorherigen und folgenden Beschreibungen leichter verständlich. Hierin beschriebene Elemente, Vorrichtungen und Verfahren sind jedoch nicht auf die speziellen Ausführungsformen beschränkt, die in der ausführlichen Beschreibung und in den Beispielen vorgestellt werden. Es sollte klar sein, dass diese Ausführungsformen lediglich die Prinzipien der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Zahlreiche Modifikationen und Anpassungen sind Fachleuten ohne Weiteres offensichtlich, ohne vom Grundgedanken und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
In einem Aspekt werden Schneidwerkzeuge bereitgestellt, die Strahlungsablations-Regionen umfassen, die Mikrostrukturen und/oder Nanostrukturen feuerfester Oberflächen bestimmen. Ein hierin beschriebenes Schneidwerkzeug umfasst in einigen Ausführungsformen mindestens eine Schneidkante, die durch den Schnitt einer Flankenfläche und einer Spanfläche ausgebildet ist, wobei die Flankenfläche aus einem feuerfesten Material ausgebildet ist, das Strahlungsablations-Regionen umfasst, die zumindest eine von Oberflächenmikrostrukturen und Oberflächennanostrukturen bestimmen, wobei die Oberflächenporenstruktur des feuerfesten Materials nicht durch die Oberflächenmikrostrukturen und Oberflächennanostrukturen okkludiert wird.
Das feuerfeste Material der Flankenfläche kann ein beliebiges feuerfestes Material umfassen, das mit der hierin beschriebenen Laserstrahlung zusammenwirkt, um Strahlungsablations-Regionen bereitzustellen, die mindestens eine von Oberflächenmikrostrukturen und Oberflächennanostrukturen bestimmen. Das feuerfeste Material der Flankenfläche kann beispielsweise ein Einkristall wie beispielsweise ein Diamant-Einkristall sein. In einer Alternative ist das feuerfeste Material der Flankenfläche polykristallin, einschließlich polykristallinem Diamant (PKD). Polykristalliner Diamant kann im allgemeinen eine mittlere Korngröße von 0,5 µm bis 50 µm aufweisen. Ferner kann der polykristalline Diamant eine bimodale oder multimodale Korngrößenverteilung aufweisen. Zusätzliche feuerfeste polykristalline Materialien der Flankenfläche können Sintercarbid-Hartmetall, durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) hergestellten Diamant, polykristallines kubisches Bornitrid (PKB) und polykristalline Keramik umfassen.
Das die Flankenfläche bildende Sintercarbid-Hartmetall umfasst in einigen Ausführungsformen Wolframcarbid (WC) in einer Menge von mindestens 80 Gewichtsprozent oder mindestens 85 Gewichtsprozent. Das Wolframcarbid kann eine mittlere Teilchengröße von 0,5 µm bis 30 µm aufweisen. Darüber hinaus können metallische Bindemittel von Hartmetall Cobalt oder eine Cobaltlegierung umfassen. Beispielsweise kann Cobalt in einer Sintercarbid-Hartmetall-Zusammensetzung in einer Menge im Bereich von 1 Gewichtsprozent bis 20 Gewichtsprozent vorliegen. Ein Sintercarbid-Hartmetallsubstrat kann auch einen oder mehrere Zusatzstoffe umfassen, wie zum Beispiel eines oder mehrere der folgenden Elemente und/oder deren Verbindungen: Titan, Niob, Vanadium, Tantal, Chrom, Zirconium, Ruthenium, Rhenium, Molybdän und/oder Hafnium. Bei einigen Ausführungsformen bilden Titanium, Niobium, Vanadium, Tantalum, Chrom, Zirkonium und/oder Hafnium feste Lösungscarbide mit WC. Zusätzlich kann ein Sintercarbid-Hartmetall Stickstoff umfassen.
PcBN der Flankenfläche kann mindestens 45 Gewichtsprozent PcBN beinhalten. In einigen Ausführungsformen liegt PcBN in einer Menge vor, die aus Tabelle I ausgewählt ist. Tabelle I - Gewichtsprozent PcBN

≥ 45

≥ 50

≥ 60

≥ 70

> 80

> 85

≥ 90

45-95

86-97

90-97

92-95
Weiterhin kann PcBN der Flankenfläche auch keramische oder metallische Bindemittel enthalten. Geeignete Keramikbindemittel für PcBN-Substrate umfassen Nitride, Carbonitride, Carbide und/oder Boride von Titan, Wolfram, Cobalt oder Aluminium. Bei einigen Ausführungsformen umfasst PcBN ein Bindemittel aus AIN, AlB₂ oder Mischungen davon.
Die kompositorische Bestimmung des die Flankenfläche bildenden PcBN kann durch Röntgenbeugung (engl. X-ray diffraction, XRD) erfolgen. Zur kompositorischenn Phasenanalyse eines hierin beschriebenen PcBN Substrats kann ein PANalytical X'pert MRD-Beugungssystem mit Eulerwiege und Mikrofokus-Optik für PcBN-Compacts und -Spitzen oder einem PANalytical X'pert MPD verwendet werden, das mit programmierbarer Optik zur Analyse eines monolithischen festen Stücks PCBN ausgestattet ist.
Beide Röntgenbeugungssysteme sind mit Fokussierstrahloptik konfiguriert und mit einer Kupfer-Röntgenröhre und den Betriebsparametern von 45 KV und 40 MA ausgerüstet. Für die Analyse des monolithischen festen Stücks wird der PANalytical MRD mit einem programmierbaren Divergenzschlitz und einem programmierbaren Streustrahlen-Schlitz versehen. Die Röntgenstrahlbreite wird durch eine entsprechende Maskengröße gesteuert und die Röntgenstrahllänge wird durch die programmierbaren Optik auf 2 mm festgelegt. Der PANalytical MPD ist mit einem Linearstreifen-Solid-State-Röntgendetektor und Nickel-Beta-Filter ausgestattet.
Das PANalytical X'pert MRD-System ist konfiguriert mit Mikrofokus-Monokapillar-Optik mit einem Brennfleck von entweder 100 µ oder 500 µ, abhängig von der Größe der PcBN-Flankenfläche. Der PANalytical MRD ist mit einem Linearstreifen-Solid-State-Röntgendetektor und Nickel-Beta-Filter ausgestattet.
Der Analyse-Abtastbereich, die Zählzeiten und die Abtastrate werden ausgewählt, um optimale Daten für die Rietveld-Analyse zu liefern. Ein Hintergrundprofil wird angebracht und es wird eine Peak-Suche auf den Beugungsdaten des PcBN-Substrats durchgeführt, um alle Peak-Positionen und Peak-Intensitäten zu identifizieren. Die Peak-Positions- und -Intensitätsdaten werden verwendet, um die Kristallphasenzusammensetzung der PcBN-Flankenfläche mit Hilfe einer beliebigen der im Handel erhältlichen Kristallphasen-Datenbanken zu identifizieren.

Die Kristallstrukturdaten werden für jede der kristallinen Phasen eingegeben, die in dem Substrat befindlich sind. Typische Rietveld-Verfeinerungsparameter-Einstellungen sind wie folgt:

Probengeometrie:	Gitterplatte
Linearer Schwächungskoeffizient:	Berechnet aus der mittleren Probenzusammensetzung
Gewichtungsschema:	Gegen l_beob
Profilfunktion:	Pseudo-Voigt
Profil-Basisbreite:	Ausgewählt pro Probe
Kleinstquadrattyp:	Newton-Raphson
Polarisationskoeffizient:	1,0

Die Rietveld-Verfeinerung umfasst in der Regel:

Probenauslenkung: Hintergrundprofil	Auslenkung der Probe aus Röntgen-Ausrichtung ausgewählt, um das Hintergrundprofil der Beugungsdaten am besten zu beschreiben
Skalierungsfunktion:	Skalierungsfunktion jeder Phase
B gesamt:	Auslenkungsfaktor angewandt auf alle Atome in Phase
Zellparameter:	a, b, c und alpha, beta und gamma
W Parameter:	beschreibt Peak-FWHM

Jegliche zusätzliche Parameter zur Erzielen eines annehmbaren gewichteten R-Werts.
In weiteren Ausführungsformen kann die die Spanfläche bildenden polykristalline Keramik ein oder mehrere Metallelemente, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium und metallischen Elementen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems, und ein oder mehrere nicht-metallische Elemente der Gruppen IIIA, IVA, VA und VIA des Periodensystems umfassen. Beispielsweise kann eine polykristalline Keramik ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Titannitrid, Titancarbonitrid, Titanoxycarbonitrid, Titancarbid, Zirconiumnitrid, Zirconiumcarbonitrid, Hafniumnitrid und Hafniumcarbonitrid.
In einigen Ausführungsformen ist das feuerfeste Material der Flankenfläche Graphit. Zusätzlich kann das feuerfeste Material der Flankenfläche ein Hybridmaterial beinhalten, das eine Fraktion, die sp³-Hybridisierung aufweist, und eine Fraktion, die sp²-Hybridisierung aufweist, wie beispielsweise verschiedene Sorten von diamantähnlichem Kohlenstoff (engl. diamond-like carbon, DLC), umfasst.
Oberflächenmikrostrukturen und Oberflächennanostrukturen von Strahlungsablations-Regionen auf der Flankenfläche können verschiedene Morphologien aufweisen, basierend auf der kompositorischen Identität der Spanfläche und den Spezifikationen der Laserstrahlung, die zur Bildung der Spanfläche angewandt wird, wie weiter unten näher beschrieben. In einigen Ausführungsformen sind die Oberflächenmikrostrukturen und Oberflächennanostrukturen Knötchen. In anderen Ausführungsformen sind die Oberflächenmikrostrukturen und Oberflächennanostrukturen Rippen. Oberflächenmikrostrukturen oder -nanostrukturen können in einer Strahlungsablations-Region eine im Wesentlichen einheitliche Höhe aufweisen. In einigen Ausführungsformen weisen Oberflächenmikrostrukturen oder Oberflächennanostrukturen im Wesentlichen eine einheitliche Höhe über benachbarte Strahlungsablations-Regionen der Flankenfläche hinweg auf. Weiterhin können innerhalb einer Strahlungsablations-Region Oberflächenmikrostrukturen oder Oberflächennanostrukturen einen im Wesentlichen gleichmäßigen Abstand aufweisen. Darüber hinaus können Oberflächenmikrostrukturen oder -nanostrukturen im Wesentlichen einen einheitlichen Abstand über benachbarte Strahlungsablations-Regionen der Flankenfläche hinweg aufweisen. In einigen Ausführungsformen können die Oberflächenmikrostrukturen und/oder -nanostrukturen die Flankenfläche mit einer Oberflächenrauhigkeit (Ra) von 0,025 µm bis 0,7 µm versehen. Die Oberflächenrauigkeit der Strahlungsablations-Regionen der Flankenfläche wird nach ISO 4287 bestimmt.
Eine Wechselwirkung des feuerfesten Materials der Flankenfläche mit Laserstrahlung, die durch die unten beschriebene Vorrichtung angewendet wird, um Oberflächenmikrostrukturen und/oder -nanostrukturen der Strahlungsablations-Regionen zu bilden, führt nicht zu Umverteilung und/oder Neuablagerung des feuerfesten Materials. Die Oberflächenporenstruktur des feuerfesten Material der Flankenfläche wird beispielsweise nicht durch die Oberflächenmikrostrukturen und Oberflächennanostrukturen okkludiert. Ferner wird in einigen Ausführungsformen das feuerfeste Material gleichförmig von der Spanfläche entfernt, um die Mikrostrukturen und/oder Nanostrukturen zu bilden. In solchen Ausführungsformen werden Komponenten des feuerfesten Materials nicht bevorzugt durch Einwirkung der Laserstrahlung abgetragen. So wird beispielsweise ein metallisches Bindemittel aus PKD oder Sintercarbid-Hartmetall durch Aussetzen von Laserstrahlung nicht bevorzugt entfernt oder geätzt, wodurch eine Skelettstruktur von PKD-Körnern oder WC-Körnern verbleibt. In ähnlicher Weise wird ein keramisches Bindemittel von PcBN nicht bevorzugt entfernt. Eine eiinheitliche oder im Wesentlichen einheitliche Entfernung der feuerfesten Materialkomponenten, um die Oberflächenmikrostruktur und/oder Oberflächennanostrukturen zu bilden, kann Kornausbruch und andere Mechanismen, die zur Abtragung der Schneidkante führen, hemmen oder mildern.
Die Schneidkante, die durch Schneiden der Flanke und Spanflächen gebildet wird, kann einen beliebigen gewünschten Radius aufweisen, der mit den Zielen der vorliegenden Erfindung nicht im Widerspruch steht. In einigen Ausführungsformen weist die Schneidkante einen Radius von 4 µm bis 25 µm auf. In anderen Ausführungsformen weist die Schneidkante einen Radius von bis zu 60 µm oder weniger als 5 µm auf. Die Schneidkante kann feingeschliffen oder zu jeder gewünschten Form oder Architektur weiterverarbeitet werden, einschließlich T-Land-Formen, Viper-Formen oder beliebigen Kantenformen, wie beispielsweise gewellten Strukturen. Die Weiterverarbeitung der Schneidkante kann durch Laserstrahlung erfolgen, die durch die hierin beschriebene Vorrichtung angewandt wird und die Bildung der Strahlungsablations-Regionen auf der Spanfläche zur Folge hat, wie unten weitergehend beschrieben wird.
Die 1-6 veranschaulichen die vorstehenden Strukturmerkmale eines Schneidwerkzeugs gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform. 1 ist eine REM-Aufnahme bei 3000-facher Vergrößerung einer Schneidkante (10), die durch Schneiden einer Flankenfläche (11) und einer Spanfläche (12) ausgebildet wird. Die Flanken- (11) und Spanflächen (12) werden durch PKD gebildet. Die Flankenfläche (11) umfasst Strahlungsablations-Regionen entlang der gesamten Flankenfläche, die die Oberflächenmikrostrukturen und -nanostrukturen bestimmen, während die Spanfläche (12) in einem Abstand von mindestens 1 µm von der Schneidkante (10) frei von Strahlungsablations-Regionen ist. Wie in 1 veranschaulicht wird, wird das PKD-Material nicht umverteilt oder neu abgelagert und die Oberflächenporenstruktur der Flankenfläche (11) nicht durch die Oberflächenmikrostrukturen und Oberflächennanostrukturen okkludiert. 2 ist eine REM-Aufnahme eines Ausschnitts der Flankenfläche (11) von 1, aufgenommen bei einer Vergrößerung von 10000x. Die stärkere Vergrößerung von 2 löst die Knötchen-Morphologie der Oberflächennanostrukturen und die Abwesenheit von Poren-Okklusion durch die Oberflächennanostrukturen auf. 3 ist eine REM-Aufnahme eines Ausschnitts der Flankenfläche von 2, aufgenommen bei einer Vergrößerung von 25000x. Die stärkere Vergrößerung der 3 kennzeichnet die im Wesentlichen gleichmäßige Höhe und den im Wesentlichen gleichmäßigen Abstand der nanoskaligen Knötchen.
Die 4-6 veranschaulichen auch die strukturellen Merkmale des Schneidwerkzeugs, die oben beschrieben wurden. Die 4-6 entsprechen Flankenoberflächen des gesinterten WC-Substrats, auf welche die PKD-Schneidarchitektur der 1-3 gesintert ist. 4 ist eine REM-Aufnahme einer Flankenfläche eines Wolfram-Sintercarbid-Hartmetall-Substrats. Wie in 4 dargestellt, weisen Oberflächenmikrostrukturen oder Oberflächennanostrukturen im Wesentlichen eine einheitliche Morphologie und Höhe über benachbarte Strahlungsablations-Regionen der Flankenfläche hinweg auf. 5 ist eine REM-Aufnahme eines Ausschnitts der Flankenfläche von 4, aufgenommen bei einer Vergrößerung von 10000x. Die stärkere Vergrößerung von 4 verdeutlicht die rippenähnliche Morphologie der Oberflächenmikrostrukturen und die Abwesenheit von Materialumverteilung und Poren-Okklusion. Darüber hinaus ist 6 eine REM-Aufnahme eines Ausschnitts der Flankenfläche von 4, aufgenommen bei einer Vergrößerung von 25000x. Die starke Vergrößerung der 6 veranschaulicht die im Wesentlichen gleichmäßige Höhe und den im Wesentlichen gleichmäßigen Abstand der Oberflächenmikrostrukturen und -nanostrukturen.
Im Gegensatz zu den Strahlungsablations-Regionen der 1-6 veranschaulicht 7 einen Flankenfläche-Schnitt eines Wolfram-Sintercarbid-Hartmetall-Schneidwerkzeugs, das mit einem Laserstrahl mit Impulsdauer im Nanosekunden-Bereich verarbeitet wurde, wobei das Wolfram-Sintercarbid-Material geschmolzen und über die Oberfläche umverteilt wurde. Als Resultat dieses Schmelzen und dieser Umverteilung von Material wird die Oberflächenporenstruktur des Wolfram-Sintercarbids okkludiert oder zerstört. Darüber hinaus ist keine erkennbare Mikrostruktur- oder Nanostruktur-Periodizität oder -Ordnung präsent.
Verfahren zur Herstellung der Schneidwerkzeuge mit den Strukturmerkmale, die in den Figuren mit 1-6 veranschaulicht und oben beschriebenen sind, werden hierin ebenso bereitgestellt. Ein Verfahren zur Herstellung eines Schneidwerkzeugs umfasst beispielsweise das Bereitstellen eines Schneideinsatzes, der eine Spanfläche und einen Körper beinhaltet, der aus einem feuerfesten Material ausgebildet ist, und das Durchschneiden der Spanfläche und des Körpers mit einem Laserstrahl, um eine die Flankenfläche bildende Schneidkante mit der Spanfläche bereitzustellen. Die Flankenfläche umfasst Strahlungsablations-Regionen, die zumindest eine von Oberflächenmikrostrukturen und Oberflächennanostrukturen bestimmen, wobei die Porenstruktur des feuerfesten Materials nicht durch die Oberflächenmikrostrukturen und Oberflächennanostrukturen okkludiert wird.
Laserstrahlung und eine zugehörige Vorrichtung mit geeigneten Spezifikationen werden verwendet, um die Spanfläche und den Körper, welche aus dem feuerfesten Material gebildet werden, zu schneiden, wodurch sich die Flankenfläche ergibt, die die Strahlungsablations-Regionen umfasst, die die Oberflächenmikrostrukturen und/oder Oberflächennanostrukturen bestimmen, wobei die Oberflächenmikrostrukturen und -nanostrukturen die Porenstruktur des feuerfesten Materials nicht okkludieren. Spezifische Laserstrahlparameter können von der Identität des zu schneidenden feuerfesten Materials, wie beispielsweise PKD, Wolfram-Sintercarbid oder PcBN, abhängig sein. In einigen Ausführungsformen werden Ultrakurzpulslaser (z.B. Femtosekunden) verwendet, welche die Fähigkeit haben, in extrem begrenzten Zeitdauern, im Allgemeinen weniger als die thermische Anregungszeit von Gitterelektronen-Wechselwirkungen, Energie in das feuerfeste Material zu übertragen. In solchen Ausführungsformen wird die thermische Diffusion begrenzt, was eine vernachlässigbare unter Wärmeeinfluss stehende Zone zur Folge hat, und die Wärmeenergie ist um den Fokusbereich konzentriert. Ferner kann die Spitzenintensität GW/cm² erreichen oder überschreiten, wodurch die Ablation von feuerfesten Materialkörnern und des damit zugehörigen metallischen oder keramischen Bindemittels ermöglicht wird. Allgemeine Laserstrahl-Spezifikationen für hierin beschriebene Verfahren werden in Tabelle II bereitgestellt. Tabelle II - Laserstrahl-Spezifikationen

Wellenlänge(n) UV-nahes IR

Mittlere Leistung 0,1-100 W

Pulsweite < 100 Pikosekunden (ps)

Pulsenergie > 0,05 µJ

Fokusdurchmesser 10-150 µm
Zusätzlich kann der Laserstrahl während des Schneidvorgangs gedreht werden. In dem Schneidvorgang kann beispielsweise eine Laser-Trepaniervorrichtung eingesetzt werden. Solche Systeme können entworfen und implementiert werden, um eine Einstellung der kreisförmigen Strahlverschiebung und -integration während der Drehung der Optik zu ermöglichen. Die optische Drehzahl für die vorliegenden Schneidanwendungen kann für kleinere Pulsüberlappung 10.000 Umdrehungen pro Minute überschreiten. Ferner kann der Laserstrahl eine rotationssymmetrische Gewichtsverteilung aufweisen. Eine geeignete Laser-Trepaniervorrichtung für die Durchführung der hierin beschriebenen Verfahren sind im Handel erhältlich von GFH, GmbH aus Deggendorf, Deutschland, unter der Handelsbezeichnung GL.trepan.
In einem weiteren Aspekt werden hierin Schneidwerkzeuge beschrieben, die Strahlungsablations-Regionen auf der Spanfläche umfassen. Beispielsweise umfasst ein Schneidwerkzeug mindestens eine Schneidkante, durch den Schnitt einer Spanfläche und einer Flankenfläche ausgebildet ist, wobei die Spanfläche aus einem feuerfesten Material ausgebildet ist, das Strahlungsablations-Regionen umfasst, die zumindest eine von Oberflächenmikrostrukturen und Oberflächennanostrukturen bestimmen, wobei die Oberflächenporenstruktur des feuerfesten Materials nicht durch die Oberflächenmikrostrukturen und Oberflächennanostrukturen okkludiert wird. Oberflächenmikrostrukturen und Oberflächennanostrukturen der Spanfläche können dieselben Morphologien und Architekturen aufweisen, wie oben beschrieben und in den 1-6 illustriert. Oberflächenmikrostrukturen und -nanostrukturen der Spanfläche können beispielsweise Knötchen oder Rippen sein und im Wesentlichen eine gleichmäßige Höhe und/oder eine gleichmäßigen Abstand innerhalb einer Strahlungsablations-Region oder zwischen benachbarten Strahlungsablations-Regionen aufweisen. Weiterhin kann ein feuerfestes Material der Spanfläche ein beliebiges feuerfestes Material umfassen, das hierin für die Flankenfläche beschrieben ist, einschließlich PKD, polykristallinem CVD-Diamant, PcBN, Sintercarbid-Hartmetall, polykristalliner Keramik, Einkristall-Diamant, Graphit oder DLC mit den oben beschriebenen Eigenschaften.
In einigen Ausführungsformen befinden sich Strahlungsablations-Regionen auf einer oder mehreren Oberflächenstrukturen der Spanfläche. Strahlungsablations-Regionen können sich beispielsweise auf einer oder mehreren Spanbrecherstrukturen der Spanfläche befinden. In einigen Ausführungsformen befinden sich die Strahlungsablations-Regionen auf Seitenflächen und/oder Unterflächen einer Spanbrecherstruktur. Strahlungsablations-Regionen der Spanfläche können auch mit einer Schneidkanten-Architektur verbunden sein, einschließlich T-Land-Formen, Viper-Formen oder beliebigen Kantenformen. Strahlungsablations-Regionen können auf Oberflächen der Spanfläche durch Einwirkung von Laserstrahlen angebracht werden, die die oben erörterten Eigenschaften haben und allgemein in der Tabelle II charakterisiert werden. Des Weiteren können Strahlungsablations-Regionen der Spanfläche eine Oberflächenrauigkeit (Sa) von 0,002 µm bis 4 µm aufweisen. Sa einer Strahlungsablations-Region einer Spanfläche kann nach den in Blunt et al., Advanced Techniques for Assessment Surface Topography, 1^st Ed., ISBN 9781903996116 und ISO 11562 dargelegten Verfahrensweisen bestimmt werden
Diese und weitere Ausführungsformen werden in den nachfolgenden nicht einschränkenden Beispielen weiter veranschaulicht.
Beispiel 1 - PKD-Schneidwerkzeug

Ein PKD-Schneidwerkzeug mit einer Flankenfläche, umfassend Strahlungsablations-Regionen, die Oberflächenmikrostrukturen und -nanostrukturen bestimmen, wurde wie folgt hergestellt. Ein PKD-Schneideinsatz-Rohling wurde bereitgestellt. Der PKD-Schneideinsatz-Rohling umfasste eine PKD-Lage, die in einer Hochtemperatur-Hochdruck- (engl. high temperature, high pressure, HPHT) Presse an ein Sintercarbid-Hartmetallsubstrat gesintert wurde. Die PKD-Schicht wies eine mittlere Korngröße von 10 µm und eine Dicke von 1,6 mm auf, während das Sintercarbid-Hartmetallsubstrat Cobalt-Bindemittel und WC-Körner mit einer Größe von 1 bis 10 µm umfasste. Die Spanfläche und der Körper des PKD-Schneideinsatz-Rohlings wurden mit einem Laserstrahl mit der in Tabelle III aufgeführten Spezifikation geschnitten. Der Laserstrahl wurde von einer GL.trepan Laser-Bohrvorrichtung von GFH GmbH erzeugt. Tabelle III - Laserstrahl-Spezifikationen

Wellenlänge	1030 nm
Mittlere Leistung	50 W
Pulsweite	< 1 ps
Pulsenergie	0,25 µJ
Fokussieroptik	90 mm
Fokusdurchmesser	Variable
Wiederholungsrate	200 kHz
Scangeschwindigkeit	2 mm/min

8 ist eine schematische Darstellung eines Lasers beim Schneiden der Spanfläche und des Körpers des PKD-Schneideinsatz-Rohlings zum Bereitstellen einer Flankenfläche mit hierin beschriebenen Strahlungsablations-Regionen. Wie in 8 veranschaulicht ist, wird die PKD-Schicht mit der Laser-Bohrvorrichtung geschnitten, gefolgt durch Schneiden des Sintercarbid-Hartmetallsubstrats mit der Laservorrichtung.
Das Schneiden der Spanfläche und des PKD-Körpers ergab eine Flankenfläche mit Strahlungsablations-Regionen, die die Oberflächenmikrostrukturen und Oberflächennanostrukturen bestimmen, wie in den 1-3 veranschaulicht ist. Wichtig ist, dass die Flankenfläche nach dem Schneiden durch die GL.trepan Laser-Bohrvorrichtung nicht weiter verarbeitet wurde, um ihr die Strahlungsablations-Regionen zu verleihen. Darüber hinaus führte das Schneiden des unterliegenden WC-Co-Substrats zu Strahlungsablations-Regionen, die in den 4-6 veranschaulichte Oberflächenmikrostrukturen und Oberflächennanostrukturen bestimmen. Die Oberflächenmikrostrukturen und -nanostrukturen des WC-Co wiesen im Gegensatz zur Knötchen-Morphologie der PKD-Nanostrukturen eine rippenartige Morphologie auf.
Beispiel 2 - PKD-Schneidwerkzeug

Ein PKD-Schneidwerkzeug mit einer Spanfläche mit einer Spanbrecherstruktur, die Strahlungsablations-Regionen umfasste, die zumindest eine von Oberflächenmikrostrukturen und Oberflächennanostrukturen bestimmte, wurde wie folgt hergestellt. Ein PKD-Schneideinsatz-Rohling wurde bereitgestellt. Der PKD-Schneideinsatz-Rohling umfasste eine PKD-Lage, die in einer HPHT-Presse an ein Sintercarbid-Hartmetallsubstrat gesintert wurde. Die PKD-Schicht wies eine mittlere Korngröße von 10 µm und einer Dicke von 0,5 mm auf. Die Spanbrecherstruktur wurde auf der Oberfläche der Spanfläche mit einem Laserstrahl mit der in der Tabelle IV aufgeführten Spezifikation verarbeitet. Der Laserstrahl wurde von einer GL.scan Laser-Bohrvorrichtung von GFH GmbH erzeugt. Tabelle IV - Laserstrahl-Spezifikationen

Wellenlänge	1030 nm
Mittlere Leistung	20-50 W
Pulsweite	< 1 ps
Pulsenergie	0,25 µJ
Fokussieroptik	163 mm
Fokusdurchmesser	Variable
Wiederholungsrate	200 kHz
Scangeschwindigkeit	Variable

Eine Laserbearbeitung der Spanfläche ergab die Spanbrecherstruktur, die in 9 veranschaulicht ist. Strahlungsablations-Regionen, die mindestens eine von Oberflächenmikrostrukturen und Oberflächennanostrukturen bestimmten, waren auf den Oberflächen der Seitenfläche und der Unterfläche des Spanbrechers angeordnet. Ähnlich wie in Beispiel 1 okkludierten die Oberflächenmikrostrukturen und Oberflächennanostrukturen die Oberflächenporenstruktur des PKD nicht.
Es wurden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, die die verschiedenen Ziele der Erfindung erfüllen. Es sollte klar sein, dass diese Ausführungsformen lediglich die Prinzipien der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Zahlreiche Modifikationen und Anpassungen sind Fachleuten ohne Weiteres offensichtlich, ohne vom Grundgedanken und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.

Claims

Schneidwerkzeug, das durch das folgende Verfahren erhältlich ist: Bereitstellen eines Schneideinsatzes, umfassend eine Spanfläche und einen Körper, der aus einem feuerfesten Material gebildet ist; und Schneiden durch die Spanfläche und den Körper mit einem Laserstrahl zum Bereitstellen einer Flankenfläche, die am Zusammentreffen mit der Spanfläche eine Schneidkante bildet, wobei die Flankenfläche aus einem feuerfesten Material ausgebildet ist, das Strahlungsablations-Regionen umfasst, die zumindest eine von Oberflächenmikrostrukturen und Oberflächennanostrukturen bestimmen, wobei die Oberflächenporenstruktur des feuerfesten Materials nicht durch die Oberflächenmikrostrukturen und Oberflächennanostrukturen okkludiert wird, wobei die Oberflächenmikrostrukturen und Oberflächennanostrukturen im Wesentlichen einen gleichmäßigen Abstand innerhalb einer Ablationsregion aufweisen, und wobei die Oberflächenmikrostrukturen und Oberflächennanostrukturen Rippen sind.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die Oberflächenmikrostrukturen und Oberflächennanostrukturen im Wesentlichen eine gleichmäßige Höhe innerhalb einer Ablationsregion aufweisen.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die Spanfläche in einem Abstand von mindestens 1 µm von der Schneidkante frei von Strahlungsablations-Regionen ist.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei das feuerfestes Material polykristallin ist.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 4, wobei das feuerfestes Material polykristalliner Diamant ist.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 5, wobei der polykristalline Diamant eine mittlere Korngröße von 0,5 µm bis 50 µm aufweist.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 5, wobei der polykristalline Diamant eine bimodale oder multimodale Korngrößenverteilung aufweist.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 5, wobei der polykristalline Diamant an eine Stütze gesintert oder hartgelötet ist.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 4, wobei das feuerfeste Material ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Sintercarbid-Hartmetall, Diamant-Einkristall, CVD-Diamant, polykristallinem kubischen Bornitrid und polykristallinen Keramiken.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die Schneidkante einen Radius von 4 µm bis 25 µm aufweist.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die Schneidkante einen Radius von weniger als 5 µm bis aufweist.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die Schneidkante einen Radius von bis zu 60 µm aufweist.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die Flankenfläche eine Oberflächenrauigkeit von 0,025 µm bis 0,7 µm aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Schneidwerkzeugs, das Folgendes umfasst: das Bereitstellen eines Schneideinsatzes, umfassend eine Spanfläche und einen Körper, der aus einem feuerfesten Material gebildet ist; und das Schneiden durch die Spanfläche und den Körper mit einem Laserstrahl zum Bereitstellen einer Flankenfläche, die am Zusammentreffen mit der Spanfläche eine Schneidkante bildet, wobei die Flankenfläche Strahlungsablations-Regionen umfasst, die zumindest eine von Oberflächenmikrostrukturen und Oberflächennanostrukturen bestimmen, wobei die Oberflächenporenstruktur des feuerfesten Materials nicht durch die Oberflächenmikrostrukturen und Oberflächennanostrukturen okkludiert wird, wobei die Oberflächenmikrostrukturen und Oberflächennanostrukturen im Wesentlichen einen gleichmäßigen Abstand innerhalb einer Ablationsregion aufweisen, wobei die Oberflächenmikrostrukturen und Oberflächennanostrukturen Rippen sind, und wobei der Laserstrahl während des Schneidens gedreht wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Spanfläche in einem Abstand von mindestens 1 µm von der Schneidkante frei von Strahlungsablations-Regionen ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das feuerfestes Material polykristalliner Diamant ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das feuerfeste Material ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Sintercarbid-Hartmetall, Diamant-Einkristall, CVD-Diamant, polykristallinem kubischen Bornitrid und polykristallinen Keramiken.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das feuerfestes Material Graphit ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das feuerfeste Material eine sp³-hybridisierte Fraktion und eine sp²-hybridisierte Fraktion umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Flankenfläche eine Oberflächenrauigkeit von 0,025 µm bis 0,7 µm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 14, ferner umfassend das Bearbeiten der Schneidkante mit dem Laserstrahl, um Strahlungsablations-Regionen auf der Spanfläche bereitzustellen.