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Die Erfindung betrifft ein Schneidelement für ein Spanbearbeitungswerkzeug nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Schneidelementes nach dem Patentanspruch 6.
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Aus PKD (polykristalliner Diamant) hergestellte Schneidplatten oder Schneidelemente werden bei der Fräsbearbeitung von Nichteisen-Werkstücken, insbesondere aus Aluminiumlegierungen, verwendet. Derartige PKD-Schneidelemente weisen einen gesinterten Grundkörper auf, bei dem eine synthetisch hergestellte, extrem harte Masse von Diamantpartikeln mit Zufallsorientierung in einer Metallmatrix (nachfolgend auch metallischer Binder genannt) eingebettet ist. Als metallischer Binder wird beispielhaft Kobalt oder eine Kobaltlegierung verwendet. Die Korngröße der in der Metallmatrix eingebetteten Diamantkörner kann exemplarisch im µm-Bereich, etwa zwischen 2 µm bis 100 µm, liegen. Im Sinterprozess wird ein Metall-Graphit-Gemisch einem sehr hohen Prozessdruck sowie einer hohen Prozesstemperatur ausgesetzt, wodurch sich ein poröses Diamantnetzwerk bildet, bei dem die Diamantkörner durch relativ zu ihrer Korngröße kleinflächige Sinterhälse chemisch gebunden sind. Die verbliebenen Poren sind mit dem metallischen Binder gefüllt. Die Diamantkörner bewirken eine gesteigerte Härte des Schneidelementes, während die kobalthaltige Bindermatrix dem Schneidelement die erforderliche Zähigkeit verleiht.
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Die Standzeit eines PKD-Schneidelements hängt von der Material-Festigkeit der zu bearbeitenden Werkstücke ab. Bei hoher Material-Festigkeit ist die Standzeit entsprechend stark reduziert.
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Aus der
DE 10 2014 210 371 A1 ist ein spanabhebendes Werkzeug bekannt, das eine Substratoberfläche nicht aus PKD-Diamanten, sondern aus Hartstoffpartikeln auf Carbid-Basis aufweist, die in einer kobalthaltigen Bindermatrix eingebettet sind. Unmittelbar auf der Substratoberfläche ist eine Diamantschicht aufgetragen. Es hat sich gezeigt, dass zwischen der Diamantschicht und den Hartstoffpartikeln auf Carbid-Basis eine Graphitschicht entstehen kann. Diese wirkt im Zerspanungsprozess als Sollbruchstelle, an der die Diamantschicht abplatzen kann, was zu einer reduzierten Standzeit führt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Schneidelement für ein Spanbearbeitungswerkzeug bereitzustellen, das aus einem polykristallinen Diamant (PKD) aufgebaut ist und dessen Standzeiten speziell bei der Bearbeitung von NE-Metallen, insbesondere Aluminiumwerkstoffen, in einfacher Weise erhöht ist.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 oder 6 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bei der Fräsbearbeitung eines Aluminium-Werkstückes mittels PKD-Schneidelementen eine chemische Affinität von Kobalt, das in der Metallmatrix enthalten ist, zum Aluminium vorliegt. Das heißt dass bei entsprechend hoher Zerspanungstemperatur Kobalt aus dem PKD-Schneidelement in den Aluminiumwerkstoff diffundiert. Die chemische Affinität steigt bei zunehmender Zerspanungstemperatur. Diese Reaktion erhöht die Reibung zwischen Span und Schneidkante. Die Schneidkante ist daher einer erhöhten mechanischen Belastung ausgesetzt, was eine erhöhte Schneidkanten-Festigkeit erforderlich macht. Der Abtrag der metallischen Binderphase führt jedoch zusätzlich zu einer Festigkeitsminderung der Schneidkante, und zwar aufgrund der Freilegung der Porosität der PKD-Struktur. Bei steigender Festigkeit des zu bearbeitenden Werkstoffs steigt also die Neigung zu Kantenbrüchen am Werkzeug.
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Vor diesem Hintergrund weist gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 der gesinterte Grundkörper zur Erhöhung der Schneidelement-Verschleißfestigkeit einen Schichtaufbau mit zumindest einer kobaltfreien oder binderfreien Diamantschicht aus Diamantkörnern auf, die zumindest im Bereich der Schneidkante den gesinterten Grundkörper geschlossenflächig überdeckt. Mit Hilfe der Diamantschicht wird somit im Zerspanungsprozess ein direkter Kontakt des metallischen Binders mit einem zu bearbeitenden Werkstoff vermieden. Ein Diffundieren des metallischen Binders aus dem Schneidelement in den zu bearbeitenden Werkstoff (aufgrund chemischer Affinität) wird daher verhindert, wodurch die Standzeit des Werkzeugs im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich erhöht ist.
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Erfindungsgemäß wird somit in völliger Abkehr zur bisherigen Lehrmeinung ein völlig neuer Lösungsweg beschritten, bei dem unmittelbar „Diamant auf Diamant“ aufgetragen wird, das heißt die Diamant-Porenstruktur des gesinterten Schneidelement-Grundkörpers in einem zusätzlichen Applikationsschritt nochmals mit Diamantkörner beaufschlagt wird.
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Ein solcher Materialauftrag „Diamant auf Diamant“ hat im Vergleich zum obigen Stand der Technik (das heißt Materialauftrag Diamant auf Hartstoffpartikel-Substrat auf Carbid-Basis) entscheidende Vorteile:
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So kann erfindungsgemäß eine Graphitschicht-Bildung zwischen der Diamantschicht und dem Substrat verhindert werden. Vielmehr verhält sich der Materialauftrag „Diamant auf Diamant“ wie ein durchgängig materialeinheitlicher Werkstoff, wodurch eine äußerst hohe Haftfestigkeit der Diamantschicht, ohne Gefahr von Abplatzern, erzielt wird.
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Zudem zeigen die im Applikationsschritt aufgetragenen Diamantkörner eine hohe Neigung, noch freie Zwischenräume der Diamant-Porenstruktur komplett auszufüllen, was die Schichthaftfestigkeit weiter erhöht. Ferner wird eine im Wesentlichen komplett gleichmäßige Schichtdicke der Diamantschicht erzielt, wodurch sich das Ausmaß der Nachbearbeitung reduziert.
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Darüber hinaus resultiert der Materialauftrag „Diamant auf Diamant“ in einer - im Vergleich zum Stand der Technik - äußerst geringen Druckeigenspannung der Diamantschicht, was sich ebenfalls positiv auf die Schichthaftfestigkeit auswirkt. Die geringe Druckeigenspannung ermöglicht eine im Vergleich zum Stand der Technik deutlich erhöhte Schichtdicke der Diamantschicht, und zwar ohne die Gefahr von Abplatzern. Zudem führt das Eindringen der Diamantschicht in die Poren zwischen den PKD-Diamantkörnern zu einer Vervielfachung der Diamant-Korngrenzen, was zu einer deutlichen Festigkeitssteigerung führt.
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Nachfolgend sind weitere Aspekte der Erfindung beschrieben: So ist in einer technischen Umsetzung das Diamantmaterial der Diamantschicht materialidentisch mit dem Diamantmaterial des gesinterten Grundkörpers. Auf diese Weise wird Schichthaftung der Diamantschicht auf dem gesinterten Grundkörper verbessert.
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Zur weiteren Steigerung der Schichthaftung sowie zur Ausbildung einer möglichst geschlossenflächigen Beschichtung ist es bevorzugt, wenn die durchschnittliche Korngröße der Diamantkörper im gesinterten Grundkörper beträchtlich größer ist als die Korngröße der Diamantkörner in der Diamantschicht. Die Diamant-Porenstruktur des gesinterten Körpers ist in diesem Fall aus Diamant-Grobkörnern aufgebaut, während im Applikationsschritt Diamant-Feinkörner aufgetragen werden. Entsprechend ist die Diamantschicht aus Diamant-Feinkörnern aufgebaut, deren durchschnittliche Korngröße im unteren µm-Bereich oder insbesondere sogar im nm-Bereich liegen kann. Demgegenüber kann die durchschnittliche Korngröße der Diamant-Grobkörner im µm-Bereich liegen.
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Zur weiteren Steigerung der Haftfestigkeit ist es bevorzugt, wenn der Schichtaufbau des gesinterten Grundkörpers zusätzlich eine binderfreie (das heißt kobaltfreie) Zwischenschicht aufweist, die zwischen dem Grundkörper und der äußeren Diamantschicht angeordnet ist.
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Die Diamantkörper des gesinterten Grundkörpers bilden die bereits erwähnte Diamant-Porenstruktur, deren Zwischenräume mit dem metallischen Binder ausgefüllt sind. Im Hinblick auf eine einfache Ausbildung der oben erwähnten Zwischenschicht ist es bevorzugt, wenn im oberflächennahen Bereich der Diamant-Porenstruktur der metallische Binder durch ein Füllmaterial ersetzt ist, um eine weitere zusätzliche Trennung zwischen dem metallischen Binder und dem zu bearbeitenden Werkstoff zu erzielen. Im Hinblick auf eine einfache Herstellung der Zwischenschicht ist es bevorzugt, wenn das Füllmaterial unmittelbar durch die Diamantkörner der Diamantschicht gebildet wird.
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In diesem Fall kann das Verfahren zur Herstellung eines Schneidelementes wie folgt durchgeführt werden: So kann zunächst in einem aus dem Stand der Technik bekannten Sinterprozessschritt ein gesinterter Grundkörper hergestellt werden, bei dem Diamantkörner im metallischen Binder eingebettet sind. Hierbei ist wichtig, dass eine ausreichende Anzahl von Diamant-Diamant-Korngrenzen im Sinterprozess entstehen, damit nach dem Wegätzen des metallischen Binders (das heißt der Binder-/Füllerphase) noch eine gewisse Festigkeit des verbleibenden PKD-Verbundes vorhanden ist.
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Nachfolgend kann ein Ätzschritt erfolgen, bei dem unter Bildung einer oberflächennahen offenen Porenstruktur im gesinterten Grundkörper der metallische Binder aus dem oberflächennahen Bereich des Grundkörpers entfernt wird.
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Anschließend kann ein Applikationsschritt erfolgen, bei dem die Diamantschicht insbesondere durch eine chemische Phasenabscheidung (CVD) auf den gesinterten Grundkörper aufgetragen wird. In diesem Fall werden die aufgetragenen Diamantkörner zunächst als Füllmaterial in die oberflächennahe offene Porenstruktur des gesinterten Grundkörpers infiltriert, wodurch sich die Zwischenschicht bildet. Im weiteren Verlauf der CVD-Applikation bauen die aufgetragenen Diamantkörner die äußere Diamantschicht auf.
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Nach erfolgter Applikation der Zwischenschicht sowie der Diamantschicht kann gegebenenfalls ein Nachbearbeitungsschritt durchgeführt werden, bei dem zum Beispiel durch einen Schleifprozess Material bis auf ein Endmaß des Schneidelementes abgetragen wird. Die Schichtdicke der Diamantschicht ist bevorzugt derart bemessen, dass der im Nachbearbeitungsschritt erfolgende Materialabtrag kleiner als die Schichtdicke der äußeren Diamantschicht ist.
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Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben:
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Es zeigen:
- 1 in einer Seitenansicht ein Fräswerkzeug;
- 2 eine stark vergrößerte Schnittdarstellung durch ein Schneidelement entlang der Schnittebene A-A aus der 1;
- 3 bis 6 jeweils Ansichten entsprechend der 2, die Prozessschritte zur Herstellung eines in der 2 gezeigten Schneidelementes veranschaulichen.
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In der 1 ist exemplarisch ein Fräswerkzeug 1 gezeigt, dessen Werkzeugachse W senkrecht zu einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche 3 ausgerichtet ist. Das Fräswerkzeug 1 weist umfangsseitig gleichmäßig verteilte Schneidelemente 5 auf. Diese sind am Außenumfang mit Umfangsschneiden 7 (2) sowie stirnseitig am Fräswerkzeug 1 mit Stirnschneiden ausgebildet, die der Werkstückoberfläche 3 zugewandt sind. Im dargestellten Fräsbetrieb wird das Fräswerkzeug 1 mit einer Rotationsbewegung R um die Werkzeugachse W angetrieben. Zudem wird das Fräswerkzeug 1 mit einer Vorschubbewegung V (1) quer zur Werkzeugachse W sowie entlang der Werkstückoberfläche 3 angetrieben. Auf diese Weise zerspant das Fräswerkzeug 1 den Werkstoff hauptsächlich mit den Umfangsschneiden 7, während die Stirnschneiden lediglich die bearbeitete Werkstückoberfläche 9 glattschaben.
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In der 2 ist der Materialaufbau eines der Schneidelemente 5 dargestellt, und zwar entlang der Schnittebene A-A aus der 1. Demzufolge weist das Schneidelement 5 eine in Drehrichtung R des Fräswerkzeugs 1 vorauseilende Spanfläche 9 sowie eine in der Werkzeug-Drehrichtung R nacheilende Freifläche 11 auf, die an einer Schneidkante 13 der Umfangsschneide 7 zusammenlaufen. In der 2 ist das Schneidelement 5 aus einem gesinterten Grundkörper 15 ausgebildet, bei dem Diamant-Grobkörner 17 in einem metallischen, kobalthaltigen Binder 19 eingebettet sind. Die Diamant-Grobkörner 17 sind zueinander in Punktkontakt, wodurch sich ein poröses Diamantnetzwerk (nachfolgend auch Diamant-Porenstruktur) bildet, bei dem die Diamantkörner durch relativ zu ihrer Korngröße kleinflächige Sinterhälse chemisch gebunden sind. Die verbliebenen Poren (oder Zwischenräume) sind mit dem metallischen Binder 19 gefüllt.
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Auf dem gesinterten Grundkörper 15 ist ein Doppelschichtaufbau 20 (2) aufgebracht, der aus einer kobaltfreien bzw. binderfreien äußeren Diamantschicht 21 sowie einer Zwischenschicht 23 besteht, die zwischen der äußeren Diamantschicht 21 und dem gesinterten Grundkörper 15 angeordnet ist. Die Diamantschicht 21 weist in der 2 eine Schichtdicke s3 auf, die den gesinterten Grundkörper 15 sowie die Zwischenschicht 23 geschlossenflächig überdeckt. Auf diese Weise wird im Zerspanungsprozess ein direkter Kontakt des im metallischen Binder 19 enthaltenen Kobalts mit dem zu bearbeitenden Aluminium-Werkstoff des Werkstückes 3 vermieden.
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Die Diamantschicht 21 ist aus Diamant-Feinkörnern 25 gebildet, deren durchschnittliche Korngröße wesentlich geringer ist als die durchschnittliche Korngröße der Diamant-Grobkörner 17 im gesinterten Grundkörper 15.
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Die binderfreie (das heißt kobaltfreie) Zwischenschicht 23 ist im Hinblick auf eine gesteigerte Haftfestigkeit der Diamantschicht 21 sowie für eine Steigerung der Festigkeit des PKD-Verbundes (das heißt des Grundkörpers 15) vorgesehen. In der Zwischenschicht 23 ist die Diamant-Porenstruktur im oberflächennahen Bereich des gesinterten Grundkörpers 15 nicht mehr mit dem metallischen Binder 19 aufgefüllt, sondern ist dieser vielmehr durch die Diamant-Feinkörner 25 der Diamantschicht 21 ersetzt. Die Diamant-Feinkörrter 25 der Diamantschicht 21 sind daher als Füllmaterial in die oberflächennahe Diamant-Porenstruktur des gesinterten Körpers 15 infiltriert.
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Nachfolgend sind anhand der 3 bis 6 die Prozessschritte zur Herstellung des in der 2 gezeigten Schneidelement-Materialaufbaus erläutert: Zunächst wird in der 3 der gesinterte Grundkörper 15 in einem Sinterprozess bereitgestellt. Die Ausgangskomponente für den Sinterprozess bildet ein Metall-Graphit-Gemisch, das einem sehr hohen Prozessdruck sowie einer sehr hohen Prozesstemperatur ausgesetzt wird. Auf diese Weise bildet sich die Diamant-Porenstruktur mit den Diamant-Grobkörnern 17, die in dem metallischen Binder 19 vollständig eingebettet sind.
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Anschließend erfolgt in der 4 ein Ätzschritt. Im Ätzschritt wird eine oberflächennahe offene Diamant-Porenstruktur 27 im gesinterten Grundkörper 15 gebildet, indem der metallische Binder 19 aus einem oberflächennahen Bereich des gesinterten Grundkörpers 15 weggeätzt wird. Die offene Diamant-Porenstruktur 27 weist in der 4 eine Schichtdicke s1 auf.
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Beispielhaft ist aus der
WO 2004/031437 A1 ein derartiger Ätzschritt bekannt (um eine ausreichende Schichthaftung der Diamantschicht auf Hartmetall herzustellen). Aus der
DE 195 22 371 A1 ist ebenfalls bekannt, vor dem Aufbringen einer Diamantschicht einen kobaltselektiven Ätzschritt mit anschließender Reinigung der geätzten Substratoberfläche bereitzustellen. In gleicher Weise ist auch aus der
US 6 096 377 A1 ein Verfahren zur Diamant-Beschichtung eines Hartmetallsubstrates bekannt, bei dem ein kobaltselektiver Ätzschritt eingesetzt wird. Aus der
WO 2004/031437 A1 ist zudem ein chemischer Ätzschritt bekannt, bei dem der metallische Binder, insbesondere das darin enthaltene Kobalt, entfernt wird.
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Danach folgt ein Applikationsschritt (
5), bei dem der gesinterte Grundkörper
15 mit der binderfreien, das heißt kobaltfreien Diamantschicht 21 beschichtet wird. Der Applikationsschritt wird durch Aufbringen eines polykristallinen Diamantfilmes mittels chemischer Dampfphasenabscheidung (CVD) durchgeführt. Ein derartiges Verfahren ist beispielhaft aus der
US 5 082 359 A bekannt. Aus der
WO 98/35071 A1 ist ebenfalls ein Abscheiden eines polykristallinen Diamantfilms auf einem Hartmetallsubstrat aus einer in eine Kobaltmatrix eingebetteten Wolframcarbid bekannt (
WO 2004/031437 A1 ).
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Der Applikationsschritt gemäß der 5 wird zweistufig durchgeführt: Zunächst werden die Diamant-Feinkörner 25 als Füllmaterial in die offene Porenstruktur 27 des gesinterten Grundkörpers 15 infiltriert, wodurch sich die Zwischenschicht 23 bildet. Im weiteren Verlauf der CVD-Applikation wird anschließend durch die Diamant-Feinkörner 25 die Diamantschicht 21 mit einer Schichtdicke s2 aufgebaut.
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Gegebenenfalls kann nachfolgend ein in der 6 gezeigter Nachbearbeitungsschritt erfolgen, bei dem in einem Schleifprozess ein Materialabtrag Δx erfolgt, um das Schneidelement 5 auf ein Endmaß zu fertigen. Der Materialabtrag Δx ist in der 6 kleiner als die Schichtdicke s3 der Diamantschicht 21 bemessen. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass auch nach der Endbearbeitung eine Restschichtdicke s3 der Diamantschicht 21 verbleibt, um ein Diffundieren von Kobalt in das Aluminium-Material des Werkstückes 3 zuverlässig zu verhindern.
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Zusammenfassend wird erfindungsgemäß eine haftfähige, bevorzugt sub-µm-kristalline Diamantschicht 21 auf das PKD-Schneidelement abgeschieden, um die Festigkeit des Schneidelements an den Schneidkanten zu erhöhen. Die Schichtdicke der Diamantschicht 21 kann beispielhaft 7 µm betragen, wobei eine einwandfreie Schichtanbindung ohne die Gefahr von Abplatzen erzielt wird. Aufgrund der Materialidentität zwischen der Diamantschicht 21 und der Diamant-Porenstruktur in der Zwischenschicht 23 sowie im gesinterten Grundkörper 15 ergibt sich in der Diamantschicht 21 eine äußerst geringe Druckeigenspannung, wodurch die Diamantschicht 21 deutlich dicker aufgetragen werden kann als bei einem vergleichbaren gesinterten Grundkörper aus Hartmetall, ohne dass dies für die Stabilität der Schneidkante kritisch ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014210371 A1 [0004]
- WO 2004/031437 A1 [0031, 0032]
- DE 19522371 A1 [0031]
- US 6096377 A1 [0031]
- US 5082359 A [0032]
- WO 9835071 A1 [0032]
