DE19652025C2

DE19652025C2 - Schneidwerkzeug zur Bearbeitung von Titan und Titanlegierungen

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Publication number: DE19652025C2
Application number: DE19652025A
Authority: DE
Inventors: William A Bryant
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 1995-12-13
Filing date: 1996-12-13
Publication date: 2000-09-07
Anticipated expiration: 2016-12-14
Also published as: GB2308133B; GB2308133A; GB9622257D0; JPH09216104A; DE19652025A1; US5718541A

Description

Die Erfindung betrifft ein Schneidwerkzeug mit verbesserten Schneideigenschaften. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Schneidwerkzeug mit verbesserten Eigenschaften bei der maschinellen Bearbeitung von Titan und Titanlegierungen.

Titan und viele seiner Legierungen zeigen ein hohes Verhält nis von Festigkeit zu Gewicht, das auch bei hohen Tempera turen erhalten bleibt. Titanmetall und seine Legierungen weisen außerdem eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit auf. Diese Eigenschaften sind äußerst wünschenswert und waren die Hauptursache für das schnelle Wachstum der Titan industrie seit den fünfziger Jahren bis zur Gegenwart. Die Luftfahrtindustrie war der Hauptabnehmer von Titan und Titanlegierungen für deren Verwendung in Flugzeugzellen und in Turbinenbauteilen. Anwendungen außerhalb der Luftfahrt industrie umfassen Dampfturbinenschaufeln, Halbleiter, Ra keten, U-Boot-Rümpfe und Produkte, bei denen die Korrosion eine Rolle spielt.

Die Komplexität der Titan-Extraktion sowie die Komplexität des Schmelzens und der Herstellung von Titan haben dessen Kosten hochgehalten. Dies trifft trotz der Tatsache zu, daß sowohl bei der Verwendung als auch bei der Herstellung von Titan Zuwächse zu verzeichnen sind. Obwohl Titan beträcht liche Gestaltungsvorteile aufweist, bleiben seine Kosten daher hoch.

Die maschinelle Bearbeitung von Titan und Titanlegierungen ist aus einer Reihe von Gründen schwierig. Bei der maschi nellen Bearbeitung von Titan wird ein Span erzeugt, der mit einer Geschwindigkeit über die Werkzeugoberseite läuft, die zwei- oder dreimal schneller ist als beim Bearbeiten von Stahl. Die kleine Kontaktfläche zwischen dem Span und der Oberfläche des Werkzeugs sowie die niedrige Wärmeleitfähig keit des Titans und seine hohe Verformbarkeit, die zu einem beträchtlichen wärmeerzeugenden Scheren des Spans führen kann, haben eine hohe Temperatur an der Grenzfläche zwischen Werkzeug und Span zur Folge. Die Temperaturen an der Grenz fläche zwischen Werkzeug und Span können etwa 1093°C (2000°F) bei einem Druck von etwa 1,38 bis 2,07 Gigapascal (200.000 Psi bis 300.000 Psi) erreichen.

Bei Grenzflächentemperaturen von etwa 500°C (932°F) und darüber, die natürlich auch 1093°C (2000°F) umfassen, zeigen Titan und Titanlegierungen eine chemische Reaktivität gegen über dem Schneidwerkzeugmaterial. Diese chemische Reaktivi tät nimmt typischerweise mit ansteigender Temperatur zu, so daß bei hohen Temperaturen an der Grenzfläche zwischen Span und Werkzeug, wie beispielsweise bei 1093°C, das Titanwerk stück gegenüber dem Werkzeug sehr reaktiv ist.

Es ist daher offensichtlich, daß ein Schneidwerkzeug zur maschinellen Bearbeitung von Titan und Titanlegierungen gegenüber den durch die mit hoher Geschwindigkeit fließenden Späne verursachten mechanischen und thermischen Verschleiß effekten beständig sein muß. Ein derartiges Werkzeug sollte außerdem gute physikalische Hochtemperatureigenschaften (z. B. bei 1093°C) aufweisen, wie z. B. eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe spezifische Wärme. Ein derartiges Werkzeug sollte außerdem eine hohe Druckfestigkeit bei hohen Tempera turen aufweisen, so daß es Formveränderungen unter Drücken in der Größenordnung von 1,38 bis 2,07 Gigapascal widerstehen kann.

Die hohe Druckfestigkeit, hohe Härte und die gute Wärmeleit fähigkeit von Hartmetallwerkzeugen sind Eigenschaften, die eine ausreichend gute thermodynamische Stabilität versprechen und daher mit einer guten maschinellen Bearbeitung von Titan und Titanlegierungen in Einklang stehen. Die Verwendung bestimmter Hartmetall-Schneidwerkzeuge zur maschinellen Bear beitung von Titan und Titanlegierungen wurde bereits von einigen Forschern vorgeschlagen.

Siekmann führt in seinem Artikel "How to Machine Titanium", veröffentlicht in The Tool Engineer, Januar 1955, auf den Seiten 78 bis 82 aus, daß Wolframcarbidwerkzeuge aufgrund ihrer hohen Druckfestigkeit, der hohen Härte und der guten Wärmeleitfähigkeit dazu in der Lage sind, den äußerst hohen Verformungsdrücken zu widerstehen, die Wirkungen von höheren Spangeschwindigkeiten zu vermindern und die Verteilung der aufgrund der höheren Temperaturen an der Grenzfläche zwischen Werkzeug und Span erzeugten Wärme zu verbessern. Der Artikel von Siekmann erwähnt, daß die Gußeisen-Schneidwerkzeugtypen eine höhere Wärmeleitfähigkeit zeigten, so daß die Temperatur in der Nähe der Grenzfläche zwischen Werkzeug und Span nied riger war. Aufgrund der höheren Querbruchfestigkeit und des höheren Elastizitätsmoduls konnten die WC-Co-Typen höheren Belastungen an der Schneidkante ohne Bruch widerstehen. Die WC-Co-Typen behielten außerdem ihre Starrheit. Aufgrund ihrer hohen Ermüdungsfestigkeit waren sie beständig gegenüber schnellen Wechseln der auf das Werkzeug wirkenden Kräfte. Unter Berücksichtigung der obigen Faktoren und der chemischen Reaktivität von Titan führte der Artikel aus, daß die Gußei sen-Schneidwerkzeugtypen den Stahl-Schneidwerkzeugtypen in bezug auf die Werkzeugstandzeit unter bestimmten Schneidbe dingungen überlegen waren. Der spezielle Typ war ein Schneid werkzeug aus WC mit 6% Co.

In dem Artikel von Dearnley et al., "Evaluation of principal wear mechanisms of cemented carbides and ceramics used for machining titanium alloy IMI 318", Materials Science and Technology, Januar 1986, Seiten 47 bis 58, erkannten die Autoren über dreißig Jahre nach dem Artikel von Siekmann, daß die maschinelle Bearbeitung von Titan immer noch ein Haupt problem in der Produktion darstellt. Zum Drehen der Titanle gierung IMI 318 (Ti6Al4V) empfahlen die Autoren die Verwen dung eines Schneidwerkzeugs aus WC mit 6 Gew.-% Kobalt (mit einer WC-Korngröße nicht unterhalb 0,8 µm) für die maschi nelle Bearbeitung der Titanlegierung IMI 318. Die Legierung Carboloy 883 könnte angesichts der Offenbarung in dem US- Patent Nr. 4 583 431 (Komanduri et al.) in Spalte 4, Zeile 18, möglicherweise 6 Gew.-% Kobalt enthalten.

In anderen Artikeln ist von anderen Schneidwerkzeugmateria lien als WC-Co die Rede. In dem Artikel von Hartung et al., "Tool Wear in Titanium Machining", Annals of the CIRP, Bd. 31/1, 1982, Seiten 75 bis 80, ist eine Liste von Werkzeugma terialien zusammengestellt, die Aluminiumoxid, kubisches Bor nitrid und Diamant sowie beschichtetes und unbeschichtetes Wolframcarbid/Kobalt und die zugehörigen Verschleißraten beinhaltet. Es ist klar, daß einige Schneidwerkzeuge mehr Möglichkeiten bieten als andere. In der C2-Klasse von Schneidwerkzeugen weist der Kennametal-Typ K68 5,4 bis 5,9% Kobalt zusammen mit einem Tantalzusatz auf.

In dem Artikel von Dearnley et al., "Wear Mechnisms of Cemented Carbides and Ceramics Used for Machining Titanium Alloys", High Tech Ceramics, Elsevier Science Publishers, 1987, Seiten 2699 bis 2712, wird die Untersuchung der folgen den Schneidwerkzeuge zur Bearbeitung einer Titanlegierung (Ti6Al4V) erörtert: WC-6% Co; WC-5,5% Co-8,6% (TiC + TaC + NbC); WC-9,5% Co-21,9% (TiC + TaC + NbC); WC-9,5% Co-35% (TiC + TaC + NbC); Aluminiumoxid + 6% Zirkoniumoxid; Aluminiumoxid + 15% Zirko niumoxid; Aluminiumoxid + 15% Zirkoniumoxid + 10% TiC; SiAlON; und kubisches Bornitrid. Der Artikel schlußfolgert, daß die reinen Hartmetallcarbide am besten zur maschinellen Bearbeitung von Titanlegierungen geeignet sind. In dem Arti kel scheinen diese reinen Hartmetalle WC-6% Co mit einer WC- Korngröße von 1,4 µm und WC-6% Co mit einer WC-Korngröße von 0,8 µm gewesen zu sein. Der Artikel von Israelsson, "Turning Inserts Take Off", Cutting Tool Engineering, September 1993, Seiten 36 bis 40, führt aus, daß ein unbeschichteter C- 2-Typ am besten zur Bearbeitung von Titan geeignet war. Der Artikel von Machado et al., "Machining of Titanium and its alloys - a Review", Journal of Engineering Manufacture, Bd. 204, Seiten 53 bis 60 (1990), empfiehlt eine WC/Co-Legierung mit einem Kobaltgehalt von 6 Gew.-% und einer WC-Korngröße von 0,8 bis 1,4 µm.

Das US-Patent Nr. 5 325 747 (Santhanam et al.) mit dem Titel "METHOD OF MACHINING USING COATED CUTTING TOOLS" (übertragen auf den Inhaber der vorliegenden Patentanmeldung) stellt fest, daß ein unbeschichtetes WC-Co-Werkzeug (6,0 Gew.-% Co - 0,5 Gew.-% Cr₃C₂ - 93,5 Gew.-% WC) eines der besten Werk zeugmaterialien zur maschinellen Bearbeitung von Titan dar stellt. Das Patent erwähnt, daß das unbeschichtete Werkzeug auf die Anwendung bei niedrigen Geschwindigkeiten beschränkt ist. Das US-Patent 5 325 747 offenbart darüber hinaus die Verwendung eines WC-Co-Substrats mit einem auf einem CVD- Überzug aufgebrachten PVD-Überzug aus TiN. Der Kobaltgehalt der in den Beispielen genannten Substrate lag im Bereich zwi schen 6 Gew.-% und 11,5 Gew.-%.

Das US-Patent Nr. 5 145 739 (Sarin) mit dem Titel "ABRASION RESISTANT COATED ARTICLES" erkennt die mit der maschinellen Bearbeitung von Titan und Titanlegierungen verbundenen Pro bleme, einschließlich der hohen Schneidtemperaturen und der hohen chemischen Reaktivität. Das Patent offenbart unter anderem die Anwendung einer Beschichtung oder eines Beschich tungsschemas auf einem Substrat wie z. B. WC-Co oder WC-Co-γ (WC-Co mit kubischen Carbiden).

Das US-Patent Nr. 4 828 584 (Cutter) "DENSE, FINE - GRAINED TUNGSTEN CARBIDE CERAMICS AND METHOD FOR MAKING THE SAME" erkannte ebenfalls die mit der maschinellen Bearbeitung von Titan verbundenen Hindernisse. Dieses Patent offenbart ein Schneidwerkzeug, das ein im wesentlichen dichtes, feinkör niges, polykristallines Wolframcarbid umfaßt. Der Einschluß von Kobalt in das Schneidwerkzeug wird in diesem Patent nicht offenbart.

Der Artikel von Chandler, "Machining of Reactive Metals", Metals Handbook Ninth Edition, Bd. 16, Seiten 844 bis 857, erkennt die Schwierigkeiten bei der maschinellen Bearbeitung von Titan. Dieser Artikel stellt fest, daß die Werkzeugmate rialien vom Typ C-2 zur maschinellen Bearbeitung von reinem Titan, α-Titanlegierungen, α-β-Titanlegierungen und β-Titan legierungen verwendet werden können.

In einer Kennametal-Broschüre (1991) werden die Kennametal- Typen KC730, KC720 und K313 als zur maschinellen Bearbeitung von Titan und Titanlegierungen geeignet bezeichnet. K313 ist als Substrat Nr. 2 in dem US-Patent 5 325 747 (Santhanam et al.) gezeigt. KC730 umfaßt einen PVD-Überzug aus TiN über dem K313-Substrat. KC720 umfaßt ein Substrat mit 11,5 Gew.-% Kobalt, 1,9 Gew.-% Tantal, 0,4 Gew.-% Niob, Rest Wolframcar bid. Zur Bildung des Produkts KC720 ist auf dem Substrat ein PVD-Überzug aus TiN aufgebracht.

Die DE 38 41 730 betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines metallischen Grundkörpers mit einem nicht leitenden Beschichtungsmaterial, wie beispielsweise Al₂O₃, bei dem eine plasmaaktivierte CVD-Abscheidung des Beschichtungs materials vorgenommen wird, wobei an den als Kathode ge schalteten Grundkörper eine gepulste Gleichspannung angelegt wird. Mit diesem Verfahren sind Wendeschneidplatten mit einem Stahlgrundkörper und einer mehrlagigen Hartstoff beschichtung, insbesondere aus Titancarbid, Titannitrid, Titancarbonitrid, Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Borcarbid, Siliciumcarbid und Titandiborid, herstellbar.

Die US-A-5 279 866 beschreibt ein Verfahren zur Abscheidung einer weichen, verschleißresistenten Beschichtung auf einer Probenoberfläche. Dabei ist explizit die Bildung von Silici umcarbid beschrieben, welches bevorzugte mechanische und optische Eigenschaften im Bezug auf eine weiche abriebfeste Beschichtung aufweisen soll. Als weitere Beschichtungsmate rialien werden allgemein Carbide, Nitride, Oxide und Oxyni tride sowie Silicium- und Borverbindungen genannt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Schneidwerkzeugs mit verbesserten Eigenschaften, das sich zur maschinellen Bearbeitung von Titan und Titanlegie rungen eignet.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines Schneidwerkzeugs zur maschinellen Bearbeitung von Titan und Titanlegierungen mit einer verbesserten Beständigkeit gegen den durch die mit hoher Geschwindigkeit fließenden Späne ver ursachten Verschleiß.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines Schneidwerkzeugs zur maschinellen Bearbeitung von Titan und Titanlegierungen mit guten Eigenschaften in bezug auf die Wärmeverteilung.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines Schneidwerkzeugs zur maschinellen Bearbeitung von Titan und Titanlegierungen mit einer hohen Druckfestigkeit, damit das Schneidwerkzeug einer Verformung widerstehen kann.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch ein Schneidwerkzeug mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird ein Schneidwerk zur maschinellen Bearbeitung von Titan und Titanlegierungen bereitgestellt, das ein Wolframcarbid ent haltendes Substrat umfaßt. Das Schneidwerkzeug beinhaltet ferner einen aus der aus Wolframcarbid und Borcarbid beste henden Gruppe ausgewählten Überzug, der durch physikalisches Aufdampfen auf das Substrat aufgebracht ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Schneidwerkzeug zur maschinellen Bearbeitung von Titan und Titanlegierungen bereitgestellt, welches dadurch gekennzeich net ist, daß das Schneidwerkzeug ein Wolframcarbid enthalten des Substrat umfaßt. Das Schneidwerkzeug beinhaltet ferner einen durch chemisches Aufdampfen auf das Substrat aufge brachten, Borcarbid umfassenden Überzug.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Schneidwerkzeug zur maschinellen Bearbeitung von Titan und Titanlegierungen bereitgestellt, welches ein Wolframcarbid und Kobalt enthaltendes Substrat umfaßt, wobei der Kobaltge halt im Bereich zwischen 0,2 und 2,9 Gew.-%, bezogen auf das Substrat, liegt. Das Werkzeug beinhaltet ferner eine an das Substrat angelötete Wolframcarbidspitze. Das Werkzeug umfaßt außerdem einen aus der aus Wolframcarbid und Borcarbid beste henden Gruppe ausgewählten Überzug, der durch physikalisches Aufdampfen auf die Wolframcarbidspitze aufgebracht ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Schneidwerkzeug zur maschinellen Bearbeitung von Titan und Titanlegierungen mit einem Wolframcarbid und Kobalt umfassen den Substrat bereitgestellt, wobei der Kobaltgehalt des Sub strats im Bereich zwischen 0,2 und 2,9 Gew.-%, liegt. Das Werkzeug umfaßt außerdem eine an das Substrat angelötete Wolframcarbidspitze. Darüber hinaus weist das Werkzeug einen durch chemisches Aufdampfen auf die Wolframcarbidspitze auf gebrachten Borcarbid-Überzug auf.

Nachfolgend ist eine kurze Beschreibung der Zeichnungen gege ben, die einen Teil dieser Patentanmeldung darstellen. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines beschichteten Schneidwerkzeugs, wobei ein Teil der Beschichtung des Substrats entfernt ist; und

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Schneidwerkzeugs mit einer angelöteten Spitze.

Fig. 1 zeigt ein beschichtetes Schneidwerkzeug 10 mit einem Substrat 12. Das Substrat ist eine von Kennametal Inc., Latrobe, Pennsylvania, unter der Bezeichnung K11 gehandelte Hartmetallzusammensetzung aus Wolframcarbid und Kobalt. Die typische Zusammensetzung des K11-Substrats umfaßt: 2,3 bis 2,9 Gew.-% Kobalt, 0 bis 0,4 Gew.-% Tantal, 0 bis 0,1 Gew.-% Titan, 0 bis 0,1 Gew.-% Niob, Rest Wolframcarbid. Weitere Eigenschaften des K11-Substrats umfassen: eine Härte von zwi schen 92,8 und 93,6 Rockwell A, eine Koerzitivkraft von zwi schen 290 und 440 Oersted, eine relative Dichte von 15,10 bis 15,50 g/cm³ und eine WC-Korngröße von 1 bis 6 µm. Obwohl in dieser besonderen Ausführungsform ein Wolframcarbid-Hart metallsubstrat verwendet wird, ist nicht beabsichtigt, die Erfindung auf nur diesen Substrattyp zu beschränken. Vielmehr wird auch in Betracht gezogen, daß die Erfindung Substrate wie z. B. ein binderfreies Wolframcarbid umfaßt.

Das Schneidwerkzeug 10 umfaßt ferner einen Überzug 14. Der Überzug kann ein mit Hilfe eines PVD-Verfahrens (physikali sches Aufdampfen) aufgebrachter Überzug aus Wolframcarbid (WC) sein. Die PVD-Verfahren umfassen das Ionenplattieren, das Zerstäuben im Magnetfeld und das Lichtbogenverdampfen, wobei die PVD-Verfahren jedoch nicht auf die genannten Ver fahren beschränkt sind.

Der Überzug kann außerdem ein durch chemisches Aufdampfen (CVD) aufgebrachter Borcarbid-Überzug (B₄C-Überzug) sein. Der Artikel von Jansson, "Chemical Vapor Deposition of Boron Carbides", Materials & Manufacturing Processes 6 (3), Seiten 481 bis 500 (1991), erörtert und offenbart Verfahren zum chemischen Aufdampfen von Borcarbid. Der Artikel von Olssen et al., "Chemical vapour deposition of boron carbides on uncoated and TiC-coated cemented carbide substrates", Surface and Coatings Technologies, 42, (1990), Seiten 187 bis 201 erörtert das Aufbringen von Borcarbid auf ein Wolframcarbid/- Kobalt-Substrat durch CVD. Das Borcarbid kann außerdem durch plasmaverstärktes chemisches Aufdampfen (PECVD) aufgebracht werden. Das PECVD-Verfahren ist in dem US-Patent Nr. 5 421 891 (Cambell et al.) mit dem Titel "HIGH DENSITIY PLASMA DEPOSITION AND ETCHING APPARATUS" beschrieben.

Da ein Schneidwerkzeug mit einem CVD-Überzug aus Borcarbid eine annehmbare theoretische Verschleißrate zeigt, wird an genommen, daß ein Schneidwerkzeug mit einem PVD-Überzug aus Borcarbid sogar eine noch bessere theoretische Verschleiß rate ergeben sollte. Die Erfindung beinhaltet daher auch ein Schneidwerkzeug mit einem PVD-Überzug aus Borcarbid.

Hinsichtlich der speziellen PVD-Verfahren wird angenommen, daß das physikalische Aufdampfen unter Verwendung von Elek tronenstrahlen (Electron Beam Physical Vapor Deposition; EB-PVD) zur Abscheidung der Borcarbid- und Wolframcarbid-Über züge geeignet ist. Das EB-PVD-Verfahren ist in dem US-Patent Nr. 5 418 003 (Bruce et al.) mit dem Titel "VAPOR DEPOSITION OF CERAMIC MATERIALS" beschrieben.

Das Zerstäubungsverfahren wird ebenfalls als geeignet für das physikalische Aufdampfen von Borcarbid und Wolframcarbid an gesehen. Ein Zerstäubungsverfahren ist in dem US-Patent Nr. 5 427 665 (Hartig et al.) mit dem Titel "PROCESS AND APPARATUS FOR REACTIVE COATING OF A SUBSTRATE" offenbart.

Das US-Patent Nr. 5 292 417 (Kugler) mit dem Titel "METHOD FOR REACTIVE SPUTTER COATING AT LEAST ONE ARTICLE", das US- Patent Nr. 5 413 684 (Bergmann) mit dem Titel "METHOD AND APPARATUS FOR REGULATING A DEGREE OF REACTION IN A COATING PROCESS" und das US-Patent Nr. 5 415 756 (Wolfe et al.) mit dem Titel "ION ASSISTED DEPOSITION PROCESS INCLUDING REACTIVE SOURCE GASSIFICATION" offenbaren jeweils Geräte und Verfah ren, die sich für das physikalische Aufdampfen von Borcarbid oder Wolframcarbid eignen.

Fig. 2 zeigt ein Schneidwerkzeug 18, welches ein Substrat 20 mit einer angelöteten Spitze 22 umfaßt. Obwohl das Substrat 20 aus dem gleichen Material (WC-Co) hergestellt sein kann wie das Substrat 12 der ersten besonderen Ausführungsform, soll die Erfindung auch andere Substrate, wie z. B. binder freies Wolframcarbid, umfassen. Die Spitzen 22 umfassen typischerweise Wolframcarbid, und zwar entweder unbeschichtet oder mit einer Beschichtung versehen, wie z. B. mit einem PVD- Überzug aus WC, einem CVD-Überzug aus B₄C oder einem PVD- Überzug aus B₄C.

Die Leichtigkeit, mit der Titan und Titanlegierungen mit den Schneidwerkzeugmaterialien reagieren, weist darauf hin, daß mit hoher Wahrscheinlichkeit der Abrieb des Werkzeugmaterials ein wesentlicher Faktor für den Gesamtverschleiß des Schneid werkzeugs ist. Aufgrund der im Kolkbereich des Schneidwerk zeugs herrschenden relativ hohen Temperaturen (etwa 1100°C), ist es wahrscheinlich, daß ein Materialverlust außerdem durch Diffusionsmechanismen auftritt.

Der Verschleiß durch Abrieb ist durch die folgende Gleichung definiert (Peterson et al., Fundamentals of Friction and Wear of Materials, D. A. Rigney, Herausgeber, ASM, Netals Park, Ohio (1981), Seite 351):

W_ATT ∝ µ/U

worin µ der Reibungskoeffizient und U die Reißfestigkeit des am schnellsten verschleißenden Materials ist. Der Reibungs koeffizient (µ) verhält sich nach der folgenden Gleichung (Kossowsky et al., Surface Modification Engineering, Bd. 1, Fundamental Aspects, CRC Press, Boca Raton, Florida (1989), Seite 159):

µ ∝ E/K_IC

worin E der Elastizitätsmodul und Klo der kritische Span nungsintensitätsfaktor für die Flächenspannung ist, wobei sowohl E als auch K_IC bei Raumtemperatur gemessen werden.

Die Bezugstemperatur für den Beitrag des Abriebs zum Ver schleiß ist 750°C (1381°F), da dies für Schneidgeschwindig keiten von 61 bis 110 Oberflächenmetern pro Minute (200 bis 360 Fuß pro Minute) die Mindesttemperatur innerhalb des Kolk bereichs in der Nähe der Schneidkante ist. Für Materialien, die bei Temperaturen unterhalb 800°C (1471°F) spröde sind, sind die Reißfestigkeit (U) und die Härte (HRT) durch die folgende Gleichung miteinander verknüpft (Meyers et al., Mechanical Metallurgy - Principles and Applications, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey (1984), Seite 603):

U = 3H_RT

Durch geeignetes Ersetzen ist der Verschleiß durch Abrieb durch die folgende Gleichung definiert:

W_ATT = E/(3H_RTK_IC).

Der Kehrwert des Verschleisses durch Abrieb ist die Abrieb festigkeit, die somit durch die folgende Gleichung definiert ist:

R_ATT = 3H_RTK_IC/E

Tabelle I

Ausgewählte Parameter zur Berechnung der Abriebfestigkeit beim Drehen von Titanlegierungen

In der Liste der obengenannten Materialien bedeutet C2-Carbid einen Standardtyp von Wolframcarbid/Kobalt gemäß der ISO- Klassifizierung. Das K11-Material wurde oben bereits beschrie ben. Das Material mit der Bezeichnung Hauptmenge WC ist ein binderfreies Wolframcarbid.

Um der für das Aufbrechen der während des Metallschneidens, d. h. des Vorgangs der Materialentfernung, aufgrund von Ober flächenrauhigkeiten gebildeten Bindungen zwischen Werkzeug und Werkstück notwendigen Energie Rechnung zu tragen wird die Abriebfestigkeit gemäß der folgenden Gleichung mit Hilfe der auf eine Flächeneinheit bezogenen Energie (W_ab) modifiziert:

R'_ATT = R_ATT/W_ab

Die zum Aufbrechen der Bindungen benötigte Energie wird nach der folgenden Gleichung berechnet (Backofen, Deformation Processing, Addison-Wesley, Reading Mass. (1972), Seiten 174 bis 175):

W_ab = γ_a + γ_b - γ_ab

worin der Ausdruck "γ" eine Oberflächenenergie in erg/cm² bedeutet. In der Gleichung bezieht sich γ_a auf die Oberflä chenenergie des Werkzeugs, γ_b auf die Oberflächenenergie des Werkstücks und γ_ab auf die Oberflächenenergie der Grenzfläche zwischen Werkzeug und Werkstück.

Die hier interessierenden Überzugsmaterialien, d. h. Wolfram carbid und Borcarbid, weisen bei den typischen Grenzflächen temperaturen zumindest eine mittelmäßige Löslichkeit in festem Titan auf, so daß die Oberflächenenergie der Grenz fläche zwischen Werkzeug und Werkstück der folgenden Gleichung entspricht (Rabinowicz, Friction and Wear of Materials, Wiley, New York, New York (1965), Seite 30):

γ_ab = 0,25(γ_a + γ_b)

Das Einsetzen der obigen Gleichung in die Gleichung für die Energie der Grenzfläche zwischen Werkzeug und Werkstück er gibt die folgende Gleichung:

W_ab = 0,75(γ_a + γ_b)

Es wurde gefunden, daß die Oberflächenenergie γ_M eines Materials proportional zur dritten Wurzel aus seiner Raumtem peraturhärte (H_RT) ist (Rabinowicz, a. a. O., Seite 28). Unter Verwendung der Daten aus der Veröffentlichung von Rabinowicz wurde die folgende Gleichung aufgestellt:

γ_M = -200 + 75(H_RT)^1/3

Die für das Ti6Al4V-Werkstückmaterial einzusetzenden Daten sind eine Raumtemperaturhärte von 800 kg/mm² (Narutaki et al., Annals of the CIRP, Bd. 32, (1983), Seite 65) und eine Oberflächenenergie von 495 erg/cm². In der folgenden Tabel le II ist die Abriebfestigkeit von Überzugsmaterialien und Substratmaterialien für das Drehen von Titanlegierungen an gegeben.

Tabelle II

Abriebfestigkeit von Überzugs- und Substratmaterialien für das Drehen von Titanlegierungen

Die weitere Hauptverschleißkomponente beim Drehen von Titan und Titanlegierungen ist die Diffusion der Elemente des Werk zeugs in den Span, wenn sich dieser über die Werkzeugoberflä che bewegt. Die maximale Verschleißrate des Werkzeugs nach diesem Mechanismus (W_diff) wurde von Cook und Nayak berechnet (Cook et al., Journal of Engineering for Industry, Bd. 88 (1966), Seite 93) und entspricht der folgenden Gleichung:

W_diff = (K'/10,64) × C × (D/πt)^1/2

Der Ausdruck "K'" ist das Molvolumen des Überzugmaterials, das durch das 10,64 cm³/Mol betragende Molvolumen von Titan geteilt wird. Das Molvolumen ist das Molekulargewicht (g/Mol) geteilt durch die theoretische Dichte (g/cm³). Der Ausdruck "C" ist die Löslichkeit des Überzugmaterials in Titan bei der maximalen Grenzflächentemperatur von 1100°C. Der Ausdruck "D" ist der Diffusionskoeffizient des sich bei einer Temperatur von 1100°C in Titan am langsamsten bewegenden Elements des Überzugs. Der Ausdruck "t" ist die Dauer der Grenzfläche zwi schen Werkzeug und Span (Kontaktzeit) in Sekunden. Gemäß dem obengenannten Artikel von Cook et al. beträgt die Dauer des Kontakts zwischen Werkzeug und Span etwa 3,2 × 10^-5 Sekunden.

Die Löslichkeit einiger hier interessierender Überzugsmate rialien, nämlich PVD-WC und CVD-B₄C, ist in der folgenden Tabelle III zusammen mit einer Bezeichnung des in Titan bei 1100°C am wenigsten löslichen Elements angegeben.

Tabelle III

Löslichkeit von Materialien in Titan bei 1100°C

Die oben angegebenen Löslichkeiten wurden nach einem Ver fahren berechnet, bei dem die Löslichkeit auf der Annahme beruht, daß die Löslichkeit eines Materials in Titan durch die Löslichkeit der am wenigsten löslichen Komponente dieses Materials begrenzt ist, geteilt durch die Anzahl der Atome dieser Komponente pro Molekül des Materials.

Mit Bezug auf die Diffusionskoeffizienten (D in cm²/Sekunde bei 1100°C) wurde die folgende Gleichung verwendet:

D = D_Oe^-Q/RT

D_O ist der vorexponentielle Faktor (cm²/Sekunde), der sich auf die Häufigkeit bezieht, mit der ein bewegliches Atom oder Ion eine Aktivierungsenergiegrenze erreicht. Q ist die "Höhe" dieser Barriere. R ist die universelle Gaskonstante (1,99 cal/Mol K). T ist die Temperatur in Kelvin. Da die hier interessierende Temperatur 1100°C beträgt, wurden D_O und Q mit Titan als Lösungsmittel bestimmt. Die Transportrate einer Verbindung innerhalb einer festen Lösung wird durch die Dif fusionsgeschwindigkeit der langsamsten Verbindung bestimmt.

Tabelle IV

Zur Berechnung des diffusionsbedingten Verschleisses verwendete Daten für ausgewählte Überzugsmaterialien

Für Vielphasenmaterialien, wie z. B. WC-Co, entspricht das Verfahren zur Berechnung der Werte "C" und "D" dem für Ein phasenmaterialien verwendeten Verfahren. Zu beachten war jedoch, daß die Verschleißrate entsprechend den Volumen anteilen von WC und Kobalt aufgeteilt wurde. Bei 1100°C betrugen die theoretischen Obergrenzen der Verschleißraten 8,5 µm/Minute und 2389 µm/Minute für WC bzw. Kobalt. Ein Vergleich zwischen diesen Verschleißraten zeigt die Richtig keit der Annahme, daß eine Berechnung der Verschleißrate auf der Grundlage des am langsamsten diffundierenden Elements der Phase mit dem größten Volumenanteil vorgenommen wird und daß eine anteilige Festlegung nicht notwendig ist. Die Diffusi onsbeständigkeit (RD) ist als der Kehrwert der diffusionsbe dingten Verschleißrate definiert, wobei letztere in Mikrome tern pro Minute ausgedrückt wird. Die Diffusionsbeständigkei ten von PVD-WC und CVD-B₄C in Titan bei 1100°C (2010°F) sind unten in Tabelle V angegeben.

Tabelle V

Diffusionsbeständigkeiten von Materialien in Titan bei 1100°C

Hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit von Mehrphasenmaterialien genügt nach Neumann und Kny (Neumann et al., High Temperature - High Pressures, Bd. 21 (1989), Seite 525) die Wärmeleitfä higkeit eines Zweikomponenten-Verbundwerkstoffs der folgenden Gleichung:

k_c = k₁ ^f1 × k₂ ^f2

Die tiefgestellten Indizes beziehen sich auf die Phasen in dem Verbundwerkstoff. Der Ausdruck "f" bezieht sich auf die jeweiligen Volumenanteile.

Bezüglich der Temperatur, bei der die Wärmeleitfähigkeit zu bestimmen ist, wird davon ausgegangen, daß der Punkt direkt unterhalb des Kolkbereichs eine Temperatur von etwa 300°C aufweist. Die mittlere Temperatur des Kolkbereichs beträgt etwa 925°C. Der Mittelwert zwischen diesen Temperaturen er gibt eine Temperatur von etwa 600°C (1111°F) zur Berechnung der Wärmeleitfähigkeit des Einsatzes.

Bei Werkzeugen mit einer angelöteten Schneidspitze, die eine Dicke von wenigstens 500 µm aufweist, wird die Wärmeleitfä higkeit des Verbundstoffs gut von dem arithmetischen Mittel wert beider Komponenten dargestellt. Bei dünnbeschichteten Werkzeugen, d. h. Werkzeugen mit einem weniger als 20 µm dicken Überzug, trägt der Überzug nicht wesentlich zur Wär meleitfähigkeit bei, so daß er bei deren Berechnung außer Betracht bleiben kann. Ein dickerer Überzug führt zu einem Beitrag durch das Überzugsmaterial. Ein 30 µm dicker Überzug trägt beispielsweise 10% zu der Wärmeleitfähigkeit bei, wäh rend ein 60 µm dicker Überzug 20% zu der Wärmeleitfähigkeit beiträgt.

Bei der Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von WC bei erhöhten Temperaturen ergibt sich aus dem üblichen Verhalten von WC und anderen Übergangsmetallcarbiden eine Korrelation zwischen dem Verhalten dieser anderen Carbide und dem Wert von 120 W/mK für WC bei Raumtemperatur, so daß ein Wert von 127 W/mK bei 600°C erhalten wird. Die Wärmeleitfähigkeit von Kobalt bei 600°C beträgt 55 W/mK.

Die Werte für die Wärmeleitfähigkeit von ausgewählten Sub stratmaterialien ist unten in Tabelle VI angegeben.

Tabelle VI

Wärmeleitfähigkeit von Materialien bei 600°C

Die folgenden vorgeschlagenen Beispiele zeigen Schneidwerk zeugmaterialien, die einen hervorragenden Gesamtverschleiß festigkeitsfaktor aufweisen und daher ausgezeichnete Kandida ten für ein Schneidwerkzeug zur maschinellen Bearbeitung von Titan und Titanlegierungen sind.

Hinsichtlich der für das Schneiden von Titan oder Titanlegie rungen anzuwendenden Bedingungen sind nachfolgend verschiede ne Untersuchungsbedingungen aus der Literatur für das Schnei den von Ti6Al4V angegeben. Die Schneidgeschwindigkeit liegt im Bereich zwischen 61 und 110 Oberflächenmeter pro Minute (200 bis 361 Fuß pro Minute). Die Vorschubgeschwindigkeit liegt im Bereich zwischen 0,010 und 0,036 cm pro Umdrehung (0,004 und 0,014 Inch pro Umdrehung). Die Schnittiefe liegt im Bereich zwischen 0,10 und 0,20 cm (0,04 und 0,08 Inch). Das Schneiden wurde trocken ausgeführt.

Die Kolkverschleißfestigkeit kann durch die folgende Glei chung ausgedrückt werden:

R_CR ∝ (R'_ATT)^X(R_D)^Y(k_substr)^Z

Nach Vergleichen zwischen den aktuellen Untersuchungsergeb nissen und den unter Verwendung der obigen Gleichung erhalte nen theoretischen Ergebnisse wird die Kolkverschleißfestig keit beim Drehen von Titan oder Titanlegierungen offenbar am besten durch die folgende Gleichung wiedergegeben:

R_CR ∝ {10⁴R'_ATT (10³R_D)^0,6k_substr}^-1

Zur Berechnung der Verschleißrate von Substratmaterialien wurde die folgende Gleichung verwendet:

Maximale Verschleißrate (µm/min) = 0,5 × 10⁵ {10⁴R'_ATT (10³R_D)^0,6k_substr}^-1

In Tabelle VII sind die Ergebnisse der Berechnungen der Ver schleißraten eines PVD-WC-beschichteten K11-Wolframcarbid/- Kobalt-Substrats, eines CVD-B₄C-beschichteten K11-Wolfram carbid/Kobalt-Substrats, eines PVD-WC-beschichteten K11- Wolframcabid/Kobalt-Substrats mit WC-Spitze, eines CVD-B₄C- beschichteten K11-Wolframcarbid/Kobalt-Substrats mit WC- Spitze, eines PVD-WC-beschichteten, binderfreien Wolfram carbidsubstrats und eines CVD-B₄C-beschichteten, binderfreien Wolframcarbidsubstrats angegeben. Zu Vergleichszwecken sind in Tabelle VII auch die Ergebnisse der Berechnung von Ver schleißraten eines unbeschichteten Wolframcarbidsubstrats vom Typ K68 (C₂-Typ) und eines unbeschichteten K11-Wolframcarbid/ Kobalt-Substrats angegeben.

Tabelle VII

Ergebnisse der Berechnungen der theoretischen Verschleißrate

Es ist offensichtlich, daß diese theoretischen Verschleißraten eine Verbesserung gegenüber dem Schneidwerkzeug des Typs K68 (unbeschichteter C2-Typ) und dem unbeschichteten K11-Schneid werkzeug darstellen.

Die obige Beschreibung bezieht sich auf einige bestimmte Sub strate und Beschichtungsschemata; die Erfindung soll jedoch auch Schneidwerkzeuge zur maschinellen Bearbeitung von Titan und Titanlegierungen umfassen, die eine berechnete maximale Verschleißrate von weniger als oder gleich 3,9 µm/Minute aufweisen. Diese Schneidwerkzeuge umfassen sowohl mit einem Überzug versehene Werkzeuge ohne Spitze als auch Werkzeuge mit einer beschichteten Spitze.

Es wird außerdem angenommen, daß die Erfindung Schneidwerk zeuge umfaßt, wie sie oben beschrieben wurden, und die eine Abriebfestigkeit (10⁴R'_ATT) von zwischen 3,4 und 16,7 MPam^1/2 aufweisen. Die diffusionsbedingte Verschleißfestigkeit (10³R_D) liegt zwischen 0,5 und 136,2 min/µm. Die thermische Leitfähigkeit des Substrats (K_subst) liegt zwischen 6,4 und 300 W/mK.

Claims

1. Schneidwerkzeug zur maschinellen Bearbeitung von Titan und Titanlegierungen mit einem Substrat oder einer an ein Substrat angelöteten Spitze und einem auf das Substrat oder die Spitze aufgebrachten harten Überzug, dadurch gekenn zeichnet, daß die berechnete Verschleißrate für das Schneid werkzeug beim maschinellen Bearbeiten von Titan und Titan legierungen kleiner oder gleich 3,9 µm/Minute ist.

2. Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat oder die Spitze Wolframcarbid umfaßt und daß der harte Überzug durch physikalisches Aufdampfen auf das Substrat oder auf die Spitze aufgebracht ist und aus der aus Wolframcarbid und Borcarbid bestehenden Gruppe ausge wählt ist.

3. Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat oder die Spitze Wolframcarbid umfaßt und der harte Überzug Borcarbid umfaßt, wobei der Überzug durch chemisches Aufdampfen auf das Substrat oder die Spitze aufgebracht ist.

4. Schneidwerkzeug nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ferner 0,2-2,9 Gew.-% Kobalt umfaßt.

5. Schneidwerkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kobaltgehalt des Substrats zwischen 2,3 und 2,9 Gew.-% beträgt.

6. Schneidwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ferner 0-0,4 Gew.-% Tantal, 0-0,1 Gew.-% Titan und 0-0,1 Gew.-% Niob umfaßt.

7. Schneidwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat eine Härte von zwischen 92,8 und 93,6 Rockwell A, eine Koerzitivkraft von zwischen 290 und 440 Oerstedt, eine relative Dichte von 15,10-15,50 g/cm³ und eine WC-Korngröße von 1-6 µm auf weist.

8. Schneidwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug Wolframcarbid ist.

9. Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug Borcarbid ist.

10. Schneidwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die berechnete Verschleißrate des Schneidwerkzeugs bei der maschinellen Bearbeitung von Titan und Titanlegierungen kleiner oder gleich 3,4 µm/Minute ist.

11. Schneidwerkzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich net, daß die berechnete Verschleißrate des Schneidwerkzeugs bei der maschinellen Bearbeitung von Titan und Titanlegie rungen kleiner oder gleich 3,1 µm/Minute ist.

12. Schneidwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat Wolframcarbid und Kobalt mit einem Kobaltgehalt von zwischen 0,2 und 2,9 Gew.-% umfaßt, daß die an das Substrat angelötete Spitze Wolfram carbid umfaßt und daß der harte Überzug Borcarbid umfaßt, welches durch chemisches Aufdampfen auf die Wolframcarbid spitze aufgebracht ist.

13. Schneidwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die berechnete Verschleißrate für das Schneidwerkzeug beim maschinellen Bearbeiten von Titan und Titanlegierungen kleiner oder gleich 2,7 µm/Minute ist.

14. Schneidwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die berechnete Abriebfestigkeit für das Schneidwerkzeug beim maschinellen Bearbeiten von Titan und Titanlegierungen im Bereich zwischen 3,4 und 16,7 MPam^1/2 liegt.

15. Schneidwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die berechnete Beständigkeit gegenüber diffusionsbedingtem Verschleiß für das Schneid werkzeug beim maschinellen Bearbeiten von Titan und Titan legierungen im Bereich zwischen 0,5 und 136,2 (min/µm) × 10³ liegt.

16. Schneidwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitfähigkeit des Sub strats 6,4-300 W/mK beträgt.