DE19927478C2

DE19927478C2 - Oberflächenbehandeltes Stahlschneidwerkzeug

Info

Publication number: DE19927478C2
Application number: DE19927478A
Authority: DE
Inventors: Yoshiro Ishii; Naoto Kanbara
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 1998-06-18
Filing date: 1999-06-16
Publication date: 2003-06-12
Anticipated expiration: 2019-06-17
Also published as: GB2338915B; GB2338915A; US6220797B1; DE19927478A1; JP2000005904A; GB9913885D0

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schneidwerkzeug für Stahl, das zur Verbesserung seiner Spanbearbeitungsleistung und zur Verbesserung seiner Standzeit oberflächenbehandelt ist.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Ein Material aus Stahl, wie beispielsweise ein Hochgeschwindigkeits-Werkzeugstahl (Härte nach Vickersverfahren (HV) von ungefähr 900), das zäh ist und dessen Härte selbst dann nicht abnimmt, wenn die Temperatur des Stahls bis in den Bereich von 600°C ansteigt, wird für Schneidwerkzeuge - wie beispielsweise Drehmeißel und Bohrer - verwendet. Andererseits werden auch eingebundene Karbide (HV von ungefähr 1800) oder Metall mit hohem Schmelzpunkt für bekannte Schneidwerkzeuge genutzt, wobei letztere eine hervorragende Härte und Festigkeit gegen Verschleiß aufweisen, da die Hauptkomponente hier aus Metallkarbiden besteht.

Bei Schneidwerkzeugen mit eingebundenen Karbiden ist die Schnitttiefe allerdings zu ver ringern, wenn die Schnittgeschwindigkeit erhöht werden soll. Darüber hinaus sind solche Schneidwerkzeuge nicht nur teuer, sie sind auch höchst unzuverlässig, da sie plötzlich brechen können und deshalb nur beschränkt verwendbar sind.

Zur Oberflächenbehandlung von Schneidwerkzeugen für Stahl, die aus Hochgeschwindigkeits-Werkzeugstahl hergestellt sind, werden verschiedene Oberflächenhärteverfahren unter Nutzung von Gas, Plasma, Salzbädern usw. angewendet, die eine Verbindungsschicht bestehend aus Eisennitrid-, Eisenkarbid- oder Eisenkarbidnitrid- Verbindungen von einigen Mikrometern Dicke auf der Oberfläche des Werkzeugs bilden. Eine weitere Schicht (diese Schicht wird als untere oberflächengehärtete Schicht bezeichnet) von einigen Mikrometern bis zu einigen hundert Mikrometern Dicke, bestehend aus atomarem, in das Basismaterial des Werkzeuges hinein diffundiertem Stickstoff und Kohlenstoff, wird unter dieser Verbindungsschicht gebildet. Die Härte des Basismaterials erhöht sich durch diese oberflächengehärtete Schicht, was die Widerstandskraft des Werkzeuges gegen Verschleiß bei einem Schneidvorgang verbessert. Demnach ist hierdurch auch die Oberfläche der Schneide selbst gehärtet.

Jedoch ist die obenerwähnte Verbindungsschicht recht spröde. Um diesen Nachteil zu beseitigen, werden gewöhnlich Verfahren benutzt, um die Verbindungsschicht nach der Ober flächenbehandlung zu entfernen oder um einen Zustand herzustellen, der es der Verbindungsschicht von vornherein nicht erlaubt, sich zu bilden. Wenn jedoch die obenerwähnte Verbindungsschicht beseitigt ist, dann geht auch ein Teil der darunter liegenden superharten oberflächengehärtete Schicht verloren. Wenn andererseits die Oberflächenbehandlung derart erfolgt, dass sich die Verbindungsschicht gar nicht erst bildet, dann ist die so gebildete oberflächengehärtete Schicht nicht dick genug.

Nachdem die oberflächengehärtete Schicht auf dem Stahlschneidwerkzeug nach dem vor stehenden Verfahren als Vorbehandlung gebildet wurde, wird eine zweite Oberflächen behandlung zur Bildung eines harten Deckfilms durchgeführt. Um diesen harten Deckfilm zu bilden, wird ein Verfahren - wie das PVD-Verfahren - genutzt, das den Vorteil hat, das sich der Film bei einer relativ geringen Temperatur ausbilden lässt, um einen ein- oder mehr schichtigen Film aus TiN, TiCN, TiAlN, CrN oder dergleichen zu bilden, der härter und widerstandsfähiger gegen eine Oxidation ist als TiN. Die Haftfähigkeit und die Haltbarkeit des harten Deckfilms werden durch die zweite Oberflächenbehandlung verbessert.

Stahlschneidwerkzeuge mit einem auf diesem Wege gebildeten harten Deckfilm sind jedoch anfällig für ein Abblättern und Absplittern des harten Deckfilms, so dass es aus diesem Grunde unmöglich ist, eine befriedigende Schneidleistung zu erhalten. Hierfür ist es notwendig, eine oberflächengehärtete Schicht zu bilden, die hart und dick genug ist, um dieselbe Deckfilmeigenschaften zu erzielen wie bei einem harten Deckfilm von zementierten Karbiden.

Allgemein gewährleisten Verfahren zur Bildung einer Diffusionsschicht aus Stickstoff als oberflächengehärtete Schicht oder eines harten Deckfilms eine ausreichende Dicke und diese Verfahren sind gut durchführbar und führen auch zu reproduzierbaren Ergebnissen, genauso wie Verfahren zur Herstellung von Werkzeugen, die diese bekannten Verfahren nutzen (siehe Japanische Patentveröffentlichungen Nos. Tokukai Hei 6-220606, 7-118826, 7-118850, 8-13124, 8-13126, 8-35053, 8-35075 und 8-296064). Die obenerwähnten Stahlschneidwerkzeuge haben einen Schneidenabschnitt, der aus den nachfolgend erläuterten Schichten (1), (2), (3) und (4) gebildet ist.

1. Stickstoff-Diffusionsschicht auf der Oberfläche des Basismaterials aus Stahl.
2. (a) eine erste Schicht als Stickstoff-Diffusionsschicht, die auf der Oberfläche des Basis materials aus Stahl gebildet ist und (b) eine zweite Schicht aus hartem Deckfilm, die auf der ersten Schicht gebildet ist und die aus zumindest einem Mitglied aus der Gruppe der Nitride, Karbide und Karbonitride mit zumindest einem Mitglied aus der Gruppe der Metalle Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta und ihrer Legierungen hergestellt ist. Das zumindest eine Mitglied aus der Gruppe der Nitride, Karbide und Karbonitride von zumindest einem Mitglied aus der Gruppe der Metalle Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta und ihrer Legierungen wird im Folgenden als MN(C)-Verbindung bezeichnet.
3. (a) eine erste Schicht als Stickstoff-Diffusionsschicht, die auf der Oberfläche des Basis materials aus Stahl gebildet ist und (b) eine zweite Schicht aus hartem Deckfilm, die auf der ersten Schicht gebildet ist und die aus zumindest einem Mitglied aus der Gruppe der Nitride, Karbide und Karbonitride einer Ti-Al-Legierung hergestellt ist. Das zumindest eine Mitglied aus der Gruppe der Nitride, Karbide und Karbonitride der Ti-Al-Legierung wird nachfolgend als TiAlN(C)-Verbindung bezeichnet.
4. (a) eine erste Schicht als Stickstoff-Diffusionsschicht, die auf der Oberfläche des Basis materials aus Stahl gebildet ist und (b) eine zweite Schicht die als Zwischenschicht aus hartem Deckfilm auf der ersten Schicht gebildet ist und die aus einer MN(C)-Verbindung besteht und (c) eine dritte Schicht als harte Deckfilm, die auf der zweiten Schicht gebildet ist und die aus einer TiAlN(C)-Verbindung besteht.

Im Falle des in den vorbezeichneten Patentanmeldungen offenbarten Schneidwerkzeuges erhöht die Stickstoff-Diffusionsschicht die Härte des Basismaterials und hemmt eine Verformung des Basismaterials infolge örtlich konzentrierter Beanspruchung. Deshalb wird ein Abblättern des Basismaterials in der Nähe der Schneide verhindert und die Standzeit des Werkzeuges erhöht. Weiterhin verbessert sich die Haltbarkeit der Stickstoff-Diffusionsschicht gemeinsam mit der harten Schutzschicht, wenn die harte Schutzschicht auf der Stickstoff- Diffusionsschicht gebildet ist, da es auf diese Weise möglich ist ein Abblättern der harten Schutzschicht zu verhindern und ein Werkzeug herzustellen, das eine hervorragende Schneidcharakteristik sowie Verschleißfestigkeit aufweist. Um diese günstigen Eigenschaften optimal ausnutzen zu können, ist es von Vorteil, wenn hierfür keine Verbindungen aus Eisennitriden oder Eisenkarbonitriden gebildet werden.

Es ist möglich, eine Nitrierung unter Gas, eine Karbonitrierung unter Gas, eine plasmatische Nitrierung, eine Nitrierung mittels Salzbad oder dergleichen als Nitrierungsmethode zu ver wenden, um eine Stickstoff-Diffusionsschicht zu bilden. Sollten in der gebildeten Stickstoff- Diffusionsschicht auch Vermischungen enthalten sein, so können diese Vermischungen mit einem Verfahren - wie beispielsweise Schleifen - entfernt werden.

Der auf der Stickstoff-Diffusionsschicht gebildete harte Deckfilm weist eine hohe HV von 1500 bis 3000 auf und hat darüber hinaus auch einen kleinen Reibungskoeffizient, so dass der harte Deckfilm eine exzellente Widerstandsfähigkeit gegen Verschleiß besitzt.

Bei dem harten Deckfilm der vorstehend beschriebenen Art stellt das TiAlN(C) eine Substitution innerhalb einer stabilen chemischen Lösung dar, bei der ein Teil des Ti in ein- oder mehrfacher Bl-Kristallstruktur aus der Gruppe der Ti-Nitride, Ti-Karbide oder Ti- Karbonitride vorliegt, die durch Al ersetzt wurde. Außerdem wird eine feste Oxidschicht auf der Oberfläche des harten Deckfilms aus TiAlN(C) gebildet, wenn die Al enthaltende stabile chemische Lösung ungeschützt einer eine Oxidation ermöglichenden Atmosphäre ausgesetzt wird. Eine weitere Oxidation des gebildeten Oxids wird jedoch verhindert. Daher wird einer Degradierung des Deckfilms bei der Oxidation während des Aufheizen vorgebeugt, welches der Schneidvorgang des Werkzeuges verursacht.

Wenn der Anteil von Al weniger als 10 Molprozent ist, dann ist es nicht möglich die vor stehende Wirkung zu erhalten; und wenn dieser über 70 Molprozent hinausgeht, dann ändert sich die Bi-Kristallstruktur der TiN(C) ähnlich und die mechanische Eigenschaften der harten Deckfilms verschlechtern sich bedeutend. Daher ist es am Günstigsten, wenn sich der Anteil an Al zwischen 20 Molprozent und 70 Molprozent bewegt.

Die Schutzschicht aus TiAlN(C) ist im Vergleich mit TiN(C) nicht so zäh, da das Al eine Art von Defekt darstellt. Deshalb ist bei elastischer oder plastischer Verformung des Basismaterials dieses nicht in der Lage der Verformung zu folgen, so dass es schließlich bricht. Da jedoch eine Stickstoff-Diffusionsschicht gebildet ist, wird es schwieriger, eine elastische oder plastische Verformung des Basismaterials durchzuführen, so dass es möglich ist, einen Bruch zu verhindern. Es ist vorteilhafter, wenn der harte Deckfilm aus TiAlN(C) mehrschichtig ausgeführt ist; dieser kann jedoch auch einschichtig sein. Ersters ist deshalb vorteilhaft, weil eine mehrfache Deckschicht im Vergleich zu einer einfachen Deckschicht eine verbesserte Zähigkeit besitzt, so dass dies dazu beiträgt, einen Bruch zu verhindern. Diese mehrfache Deckschicht ist definiert als (1) eine Schicht, deren Al-Gehalt sich allmählich mit der Tiefe ändert, oder (2) eine Schicht, deren Al-Gehalt sich nicht allmählich mit der Tiefe ändert, sondern schrittweise, oder (3) eine Schicht, bei der die beiden vorerwähnten Schichten (1) und (2) nebeneinander existieren.

Falls ein dazwischenliegender harter Deckfilm aus MN(C) auf der Stickstoff- Diffusionsschicht gebildet ist, so ist dieser dazwischenliegende harte Deckfilm zäher als der harte Deckfilm aus TiAlN(C), so dass im Vergleich zu dem Fall, wo nur ein harter Deckfilm ohne einen dazwischenliegenden weiteren harten Deckfilm vorhanden ist, sich die Zähigkeit des gesamten harten Deckfilms, zusammensetzt aus der des dazwischenliegenden harten Deckfilms und dem harten Deckfilm selbst, sich verbessert und zur Unterdrückung eines Bruchs beiträgt.

Am vorteilhaftesten ist es, wenn die Dicke des dazwischenliegenden harten Deckfilms 90% oder weniger als die Dicke des gesamten harten Deckfilms beträgt. Wenn die 90% über schritten werden, so ist die Dicke des anderen harten Deckfilms nicht ausreichend (weniger als 10%) und die oben beschriebene Funktion des harten Deckfilms (Widerstandsfähigkeit gegen Verschleiß und Oxidation) ist nicht gewährleistbar.

Um zum einen den harten Deckfilm und zum anderen den harte Deckfilm mit dem dazwischenliegenden weiteren harten Deckfilm zu bilden, wird vorzugsweise ein Verfahren zur Bildung eines Films bei niedriger Temperatur - wie beispielsweise das PVD-Verfahren - angewendet. Mit einem PVD-Verfahren wie zum Beispiel dem Ionenüberzug oder der Ionensprühung ist es möglich ein Deckfilm bei Temperaturen unter 650°C zu bilden; der sich hierdurch von den warmen CVD-Verfahren unterscheidet, bei denen die Schicht unter hohen Temperaturen gebildet wird, so dass keines der Stickstoff-Diffusionsschichten durch der Wärme verlorengeht. Ferner ist es so möglich einen Deckfilm zu produzieren, der eine starke Bindungskraft hat, um die Widerstandsfähigkeit gegen Verschleiß aufgrund der Gleitreibung zu verbessern.

Schneidwerkzeuge für Stahl, deren Schneidenteil einer oben beschriebenen Oberflächen behandlung unterworfen wurden, werden unter den folgenden Betriebsbedingungen benutzt: Die Schneidgeschwindigkeit beträgt 1 m/min bis zu 200 m/min, die Schneidtiefe beträgt 0,1 mm bis 20 mm und der Vorschub beträgt 0,01 mm bis 10 mm. Erfolgt ein Betrieb unter diesen Bedingungen, so hat das Schneidwerkzeug für Stahl exzellente Schneideigenschaften.

Konventionelle Schneidwerkzeuge für Stahl haben das Problem, dass es mit ihnen nicht möglich ist, die vollen Vorteile der verschiedenen Hauptpunkte der vorstehend beschriebenen Oberflächenbehandlung zu nutzen.

Aus der DE 28 27 823 A1 ist ein Schneidwerkzeug aus einer Sinterhart-Metallkomponente auf einem metallischen Grundmaterial aus einer Superlegierung auf Nickel- oder Kobaltbasis bekannt. Hinsichtlich der Form der Schneide eines derartigen Schneidwerkzeuges finden sich keine Einzelheiten.

Die DE 26 52 440 A1 zeigt lediglich ein überzogenes Substrat aus Sinterhartmetall und offenbart darüber hinaus ein Verfahren zu seiner Herstellung. Das überzogene Substrat aus Sinterhartmetall ist durch einen ersten, mit dem Substrat fest und dauerhaft verbundenen Überzug aus einem Karbid eines Metalls, der aus Titan, Zirkon, Haffnium, Vanadin, Niob und Tantal bestehenden Gruppe gekennzeichnet, wobei das Substrat unmittelbar unterhalb dieses ersten Überzugs eine η-Phase (Kohlenstoffunterschuss) aufweist. Das überzogene Substrat, wie es hier offenbart ist, ist weiter gekennzeichnet durch einen mit dem ersten Überzug verbundenen zweiten Überzug aus einem Karbonnitrid des Metalls aus der genannten Gruppe und einen mit dem zweiten Überzug verbundenen und aus einem Nitrid des ausgewählten Metalls genannten Gruppe bestehenden dritten Überzug. Wiederum ist über die Schneidengeometrie nichts ausgesagt.

Schließlich zeigt die WO 90/11156 A1 einen Schneideinsatz, der mit deren Schichten umhüllt ist. Wie beispielsweise aus der Fig. 1 ersichtlich ist, ist dieser Schneideinsatz nicht mit einem abgeschrägten Abschnitt, d. h. einer abgeschrägten Schneide, versehen.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht somit darin, ein kostengünstiges Schneidwerkzeug für Stahl bereit zu stellen, das eine exzellente Schneidcharakteristik und Standzeit aufweist, wobei die Vorteile der vorstehend beschriebenen Oberflächenbehandlung genutzt werden können.

Dieses technische Problem wird durch ein Schneidwerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ein solches oberflächenbehandeltes Schneidwerkzeug für Stahl besteht aus einem Basismaterial und weist einen Schneidenbereich mit einer abgeschrägten Schneide mit einer oberflächengehärteten Schicht auf. Es ist entweder ein harter Deckfilm auf der oberflächengehärteten Schicht gebildet und dieser harte Deckfilm besteht aus zumindest einem Mitglied der Gruppe der Nitride, Karbide und Karbonitride mit zumindest einem Mitglied der Gruppe von Al, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta und Cr-Metallen und ihrer Legierungen, oder es ist eine harte Zwischenschicht auf der oberflächengehärteten Schicht gebildet, und eine harte Deckschicht auf der Zwischenschicht gebildet, wobei die Zwischenschicht aus zumindest einem Mitglied der Gruppe der Nitride, Karbide und Karbonitride mit zumindest einem Mitglied der Gruppe von Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta und Cr-Metallen und ihrer Legierungen besteht, und wobei der harte Deckfilm aus zumindest einem Mitglied der Gruppe der der Nitride, Karbide und Karbonitride einer Ti-Al-Legierung besteht.

Auf Forschungsergebnissen basierend wird gemäß einem Beispiel der Erfindung für die oberflächengehärtete Schicht des Schneidenbereiches des Schneidwerkzeuges für Stahl eine Stickstoff-Diffusionsschicht, Kohlenstoff-Diffusionsschicht oder Stickstoff-Kohlenstoff- Diffusionsschicht verwendet und die Form des Schneide verändert, um dem Schneidwerkzeug exzellente Schneideigenschaften und Standzeit zu verleihen. Mit anderen Worten ist das oberflächenbehandelte Schneidwerkzeug für Stahl gekennzeichnet durch eine oberflächengehärtete Schicht (von 2 oder mehr Mikrometern Dicke), die im Schneidenbereich aus einer Stickstoff-Diffusionsschicht mit einer Härte von 20 HV oder mehr gebildet ist, also höher als das Basismaterial, jedoch unter Beibehaltung der Zähigkeit und mit einer Schneide, die eine Abschrägung mit einem Wert von 0,01 mm bis 2,0 mm, besonders im Bereich der abgerundeten Schneide, der abgeschrägten Schneide oder der abgeschrägten und abgerundeten Schneide aufweist.

Aus den folgenden drei Elementen setzt sich ein Schneidwerkzeug gemäß der vorliegenden Erfindung zusammen: Das Basismaterial besteht aus Stahl. Der Bereich der Schneide ist oberflächengehärtet. Die Schneide selbst ist abgeschrägt.

Für das oberflächenbehandelte Schneidwerkzeug für Stahl gemäß dieser Erfindung werden beispielsweise die folgenden Stahlsorten verwendet: (1) Hochgeschwindigkeits-Werkzeug stahl oder pulvermetallurgisch hergestellter Hochgeschwindigkeits-Werkzeugstahl, wie SKH51, SKH55 oder SKH57, (2) nitrierter Stahl, wie SACM645, (3) Warmarbeitsstahl, wie SKD61, (4) Kaltarbeitsstahl, wie SKD11, (5) rostfreier Stahl, wie SUS420J2, oder der gleichen.

Die Erfindung kann beispielsweise bei den folgenden Arten von Schneidwerkzeugen verwendet werden: (1) Drehmeißel, (2) Gewindewerkzeuge (Gewindebohrer, Gewindeschneider, etc.) Zahnradschneidwerkzeuge (Naben- und Ritzel, Zahnstangenschneider, Schaber, Schrägverzahnungsschneider, Zahnradfräser, Zahnradschneidahle, etc.), (3) Reibahlen, (4) Schaber, (5) Fräser (Metallschneidsäge, Kreissäge, Segment-Kreissäge, Schraubenschneider, Seitenfräser, Halbseitenfräser, Winkelfräser, Einfachwinkelfräser, Doppelwinkelfräser, Formfräser, Zackenfräser, Konkavfräser, Konvexfräser, Fasenfräser, Doppelfasenfräser, Flächenfräser, Schrägfräser, verschiedene Schaftfräser etc.), (6) Bohrer, (7) Stanzwerkzeuge (Stanzstempel, Matritzen) und dergleichen.

Für das Stahlschneidwerkzeug gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Fakt bedeutend, dass die Schneide abgeschrägt ist und/oder abgerundet ist (siehe JIS B 0170).

Bei einer scharfen Schneide, deren Fläche und die Flanke sich einander entlang einer Linie kreuzen, nimmt die Schneidleistung wegen des Verschleißes beim Spanen stark ab. Besonders im Falle des Schneidens von Material mit einer Rockwell-Härte (HRC) zwischen 30 und 40 wird die Schneide sehr abgenutzt, da unter derartig schweren Bedingungen die Schneid temperatur stark ansteigt, so dass dies ein thermisches Anlaufverhalten zwischen dem Schneidwerkzeug und dem zu schneidenden Werkstück bewirkt. Wenn der Neigungswinkel des Werkzeugs verringert wird, um den Verschleiß an der Schneide zu verringern, so wird der Schneidenbereich stark abgenutzt. Wenn ebenfalls der Neigungswinkel extrem verringert wird, so wird die Schneidtiefe ungenügend flach, flacher als im Falle des Einsatzes von zementierten Karbid-Werkzeugen.

Die Breite der abgeschrägten Schneiden ist definiert als die lineare Distanz zwischen dem Schnittpunkt der Hauptfläche und der Schneide sowie der Seite und der Schneide und bewegt sich genaugenommen in einem Bereich zwischen 0,01 mm bis zu 2,0 mm. Die folgenden Breitenmaße sind für die jeweiligen Werkzeuge optimal: (1) Drehmeißel, von 0,03 mm bis zu 0,7 mm, (2) Gewindebohrer, Metallsäge, Seitenfräser, Flächenfräser, von 0,03 mm bis zu 0,8 mm, (das Maß der seitlichen Schneide des Seitenfräsers sollte 0,3 mm oder weniger betragen), (3) Reibahlen, von 0,03 mm bis zu 0,85 mm, (4) Schaber und Fräser, von 0,01 mm bis zu 0,8 mm (das Maß der äußeren Schneide sollte 0,5 mm oder weniger betragen und die Hauptschneide sowie die Endschneide sollte 0,05 mm oder mehr betragen), (5) Bohrer, von 0,03 mm bis zu 1,5 mm (die Hauptschneide sollte 0,3 mm oder weniger betragen), und (6) Stanzstempel, Matritzen, von 0,01 mm bis zu 2,0 mm. Bei Breiten unterhalb des jeweils unteren Wertes wird die Schneide unscharf und die Standzeit vermindert sich. Wenn andererseits die Breite oberhalb des jeweils oberen Wertes liegt, ist die Schneide entsprechend einrichtbar und die Schneidcharakteristik wird mangelhaft.

Die Schneide des Schneidwerkzeugs der vorliegenden Erfindung wurde abgeschrägt und die Oberfläche des stählernden Werkzeugmaterials wurde einer Oberflächenbehandlung unter zogen. Hierbei sind die folgenden drei Schichten (1), (2) und (3) auf dem Schneidenbereich gebildet worden:

1. Eine Stickstoff-Diffusionsschicht, Kohlenstoff-Diffusionsschicht oder Stickstoff- Kohlenstoff-Diffusionsschicht auf der Oberfläche des Basismaterials aus Stahl,
2. (a) Eine erste Schicht als Stickstoff-Diffusionsschicht, Kohlenstoff-Diffusionsschicht oder Stickstoff-Kohlenstoff-Diffusionsschicht auf der Oberfläche des Basismaterials aus Stahl, und (b) eine zweite Schicht als harter Deckfilm, der auf der ersten Schicht gebildet ist und die aus einem oder mehreren Angehörigen der Gruppe der Nitride, Karbide und Karbonitride mit zumindest einem Angehörigen aus der Gruppe von Al, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta und Cr Metallen und deren Legierungen, und
3. (a) Eine erste Schicht als Stickstoff-Diffusionsschicht, Kohlenstoff-Diffusionsschicht oder Stickstoff-Kohlenstoff-Diffusionsschicht auf der Oberfläche des Basismaterials aus Stahl, und (b) eine zweite Schicht als harte Zwischenschicht, die auf der ersten Schicht gebildet ist und aus MN(C)-Verbindungen besteht, sowie (c) eine dritte Schicht, die als harter Deckfilm auf der zweiten Schicht gebildet ist und aus TiAlN(C)-Verbindungen besteht.

Die Stickstoff-Diffusionsschicht kann als Oberflächenhärteschicht nach einem Verfahren gebildet werden, das in den oben bezeichneten Patentveröffentlichungen offenbart ist. Auch im Falle der Bildung einer Kohlenstoff-Diffusionsschicht oder einer Stickstoff-Kohlenstoff- Diffusionsschicht, können diese nach einem vorbekannten Verfahren gebildet werden, ähnlich dem der Bildung der Stickstoff-Diffusionsschicht.

Die Härtewerte der oberflächengehärteten Schicht bewegen sich optimaler Weise zwischen Hv 700 und Hv 1300 oder um Hv 20 mehr als das Basismaterial, um den Schneidenbereich vor Abstumpfung zu bewahren.

Der harte Deckfilm kann auf der oberflächengehärteten Schicht mit einem Verfahren erzeugt werden, wie es in der obenerwähnten Patentveröffentlichung offenbart ist.

Die Dicke der gebildeten oberflächengehärteten Schicht sollte genaugenommen in einem Bereich zwischen 2 Mikrometern bis 320 Mikrometern liegen. Die folgenden Angaben stellen optimale Werte für die jeweiligen Werkzeuge dar: (1) Drehmeißel, Reibahle von 2 Mikro metern bis zu 320 Mikrometern, (2) Gewindebohrer von 2 Mikrometern bis zu 150 Mikro metern, (3) verschiedene Fräserarten von 2 Mikrometern bis zu 280 Mikrometern, (4) Schaber von 2 Mikrometern bis zu 250 Mikrometern, (5) Metallsäge von 2 Mikrometern bis zu 180 Mikrometern, (6) Flächenfräser von 2 Mikrometern bis zu 300 Mikrometern, (7) Bohrer von 2 Mikrometern bis zu 320 Mikrometern, (8) verschiedene Schaftfräser von 2 Mikrometern bis zu 220 Mikrometern, und (9) Stanze von 2 Mikrometern bis zu 500 Mikrometern. Bei Werten unterhalb der untersten Angabe ist die Funktion der oberflächengehärteten Schicht ungenügend. Ist andererseits der Wert größer als die obere Angabe, wird das Basismaterial zu hart und die Stoßfestigkeit und Haltbarkeit sinken.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Im Folgenden sind zum besseren Verständnis und zur Erläuterung mehrere beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Drehmeißels,

Fig. 2 eine Vorderansicht eines Stirnfräsers,

Fig. 3 eine Seitenansicht einer in Fig. 2 gezeigten Schneide,

Fig. 4 eine Vorderansicht eines Bohrers,

Fig. 5 eine Seitenansicht der Schneide von Fig. 4,

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht der Schneide von Fig. 4,

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht einer Matritze mit Stanzstempel,

Fig. 8 eine Querschnittsansicht von Fig. 7,

Fig. 9 eine diametrale Ansicht einer Schneide eines Schneidwerkzeuges gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 10 eine diametrale Ansicht einer Schneide eines weiteren Schneidwerkzeuges gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 11 eine diametrale Ansicht einer Schneide eines weiteren Schneidwerkzeuges gemäß der vorliegenden Erfindung und

Fig. 12 eine Vorderansicht eines Schneidwerkzeuges gemäß der vorliegenden Erfindung, die den grundlegenden Schneidvorgang zeigt.

Anzumerken ist, dass die Fig. 9, Fig. 10, Fig. 11 prinzipielle Darstellungen der Form der Schneide von Schneidwerkzeugen gemäß der vorliegenden Erfindung sind und die Fig. 12 eine Vorderansicht (das Werkzeug ist mit 10 bezeichnet, das Werkstück ist mit 20 bezeichnet, die Späne sind mit 21 bezeichnet) zeigt, die die grundlegenden geometrischen Schneid verhältnisse eines Schneidwerkzeuges gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG

Einige Beispiele von Schneidwerkzeugen mit einer abgeschrägten Schneide (die Oberfläche der Schneide ist mit 11 bezeichnet) gemäß der Erfindung ist in den Fig. 1 bis 8 dargestellt.

Da das Schneidwerkzeug abgeschrägt ist, ist die Gestalt der Späne anders als die Gestalt der Späne, bei einer scharfen Schneide.

Im Folgenden werden einige Beispiele der Erfindung erläutert.

Beispiel 1

Unter Verwendung eines geraden Bohrers (Bohrer gemäß dieser Erfindung) aus Hoch geschwindigkeits-Werkzeugstahl (SKH 55) mit einer abgerundeten Schneide und einem ober flächenbehandelten Schneidenbereich wurde eine Testbohrung in vorgehärtetem HRC 30 Stahl ausgeführt. Ebenfalls wurde vergleichsweise ein anderer Bohrer (Vergleichsbohrer), der identisch zu dem obenerwähnten Bohrer ist, aber mit einer scharfen Schneide ausgestattet ist benutzt, um dieselbe Testbohrung zu absolvieren.

Die verwendeten Bohrer hatten einen Durchmesser von 12 Millimetern und die Breite der abgerundeten Schneide war 0,3 mm. Weiterhin wurde bei der vorstehend erwähnten Ober flächenbehandlung eine 120 Mikrometer dicke Stickstoff-Diffusionsschicht gebildet durch ein Ionennitrierungsprozeß unter Nutzung eines Gleichstrom-Plasmas von Wasserstoffgas und Ammoniakgas. Dann wurde auf der Stickstoff-Diffusionsschicht eine 3 Mikrometer dicke Deckschicht aus TiN gebildet durch eine Kathode mittels Lichtbogenentladung, wobei eine Art Ionenüberzug entsteht. Verbindungen wie Eisennitrid oder Eisenkarbonitrid wurden nicht in einer der Stickstoff-Diffusionsschichten auf der Schneide bemerkt. Weiterhin waren die Parameter des Bohrloches bei der Testbohrung: (1) Lochtiefe: 40 mm, (2) Kühlmittel: Wasserlösung, (3) Umdrehungszahl: 390 U/min (beim Bohrer gemäß der Erfindung), 230 U/min (beim Vergleichsbohrer), (4) Bohrzeit: 0,5 min (beim Bohrer gemäß der Erfindung), 0,7 min (beim Vergleichsbohrer).

In Ergebnis der Testbohrung konnten mit dem Bohrer gemäß der Erfindung 40 Bohrungen ausgeführt werden, beim Vergleichsbohrer waren es 15 Bohrungen. Damit hat der Bohrer gemäß der Erfindung eine viel bessere Standzeit im Vergleich zum Vergleichsbohrer.

Beispiele 2 bis 12

Die Schneidtests bei Werkzeugstahl HRC 30 wurden mit Schneidwerkzeugen durchgeführt, die aus Hochgeschwindigkeits-Werkzeugstählen hergestellt wurden und eine abgerundete und oberflächenbehandelte Schneide aufwiesen. Um vergleichsweise die Standzeit zu ermitteln, wurden Schneidwerkzeuge aus Hochgeschwindigkeits-Werkzeugstahl, die identisch zu den vorstehend erwähnten waren denselben Schneidtests unterzogen, außer, dass diese eine scharfe Schneide besitzen.

In Tabelle 1 sind die Art, die Materialqualität, die Abmessungen sowie die Breite der Schneide der verwendeten aus Hochgeschwindigkeits-Schneidstahl bestehenden Schneidwerkzeuge aufgeführt. Weiterhin sind in Tabelle 2 die Schneidparameter der Tests aufgelistet.

Für die Angaben der Breite der Schneiden gemäß Tabelle 1 sind die Schneiden der Schneid werkzeuge wie unten gezeigt ausgeführt. Oder mit anderen Worten, (1) der Gewindebohrer (Beispiel 3) und Schaber (Beispiel 6) haben Hauptschneiden, (2) die Metallsäge (Beispiel 7) und der Flächenfräser (Beispiel 9) haben Peripherieschneiden, (3) der Seitenfräser (Beispiel 8) und der Rechteck-Schaftfräser (Beispiel 12) haben Endschneiden, und (4) der Kugel- Schaftfräser (Beispiel 10) besitzt kugelförmig gestaltete Schneiden. Weiterhin wurde bei der vorstehenden Oberflächenbehandlung die Stickstoff-Diffusionsschicht durch ein Ionennitrierungsprozeß unter Nutzung eines Gleichstrom-Plasmas von Wasserstoffgas und Ammoniakgas gebildet. Verbindungen wie Eisennitrid oder Eisenkarbonitrid wurden nicht in einer der Stickstoff-Diffusionsschichten auf der Schneide bemerkt. Ferner ist die Dicke der Stickstoff-Diffusionsschicht in der Tabelle 1 angegeben.

In Ergebnis des Schneidtests waren Beschädigungen, die auf ein Brechen des Schneiden bereiches zurückzuführen sind, bei den Schneidwerkzeuge der Beispiele 2 bis 12 kaum zu bemerken. Wie in Tabelle 3 aufgeführt hatten die Schneidwerkzeuge eine sehr gute Standzeit im Vergleich zu den Schneidwerkzeugen, die vergleichsweise herangezogen wurden. Andererseits zeigten die Schneidwerkzeuge, die zum Vergleich herangezogen wurden, schwere Schäden durch Bruch. Die Standzeit gemäß Tabelle 3 bezieht sich auf dieselben Schneiden wie in Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1

Tabelle 2

Tabelle 3

Beispiele 13 bis 23

Die Schneidtests von vorgehärtetem Stahl HRC 32 wurden mit Schneidwerkzeugen durch geführt, die aus Hochgeschwindigkeits-Werkzeugstählen hergestellt wurden und eine abgerundete und oberflächenbehandelte Schneide aufwiesen. Um vergleichsweise die Standzeit zu ermitteln, wurden Schneidwerkzeuge aus Hochgeschwindigkeits- Werkzeugstahl, die identisch zu den vorstehend erwähnten waren, denselben Schneidtests unterzogen, außer, dass diese abweichend eine scharfe Schneide besitzen.

In Tabelle 4 sind die Art, die Materialqualität, die Abmessungen sowie die Breite der Schneide der verwendeten aus Hochgeschwindigkeits-Schneidstahl bestehenden Schneidwerkzeuge aufgeführt. Weiterhin sind in Tabelle 5 die Schneidparameter der Tests aufgelistet.

Für die Angaben der Breite der Schneiden gemäß Tabelle 4 sind die Schneiden der Schneid werkzeuge wie unten gezeigt ausgeführt. Oder mit anderen Worten: (1) der Gewindebohrer (Beispiel 14) und Schaber (Beispiel 17) haben Hauptschneiden, (2) die Metallsäge (Beispiel 18) und der Flächenfräser (Beispiel 20) haben Perepherieschneiden, (3) der Seitenfräser (Beispiel 19) und der Rechteck-Schaftfräser (Beispiel 23) haben Endschneiden, und (4) der Kugel-Schaftfräser (Beispiel 21) besitzt kugelförmig gestaltete Schneiden.

Weiterhin ist beim Schneidenende des Rechteck-Schaftfräsers (Beispiel 23) die radiale Neigung der ersten Hauptfläche 0 Grad, die radiale Neigung der zweiten Hauptfläche ist 45 Grad und die Breite des Schneidenendes ist der Abstand zwischen der ersten Hauptschneide und der Seitenflanke. Weiterhin wurde bei der vorstehenden Oberflächenbehandlung nach der Bildung der Stickstoff-Diffusionsschicht durch den Ionennitrierungsprozeß unter Nutzung eines Gleichstrom-Plasmas von Wasserstoffgas und Ammoniakgas ein harter Deckfilm gebildet, dessen Bestandteile die Tabelle 4 angibt. Der harte Deckfilm wurde auf der Stickstoff-Diffusionsschicht mittels einer Kathode durch Lichtbogenentladung gebildet, wobei eine Art Ionenüberzug entsteht.

Verbindungen wie Eisennitrid oder Eisenkarbonitrid wurden nicht in einer der Stickstoff- Diffusionsschichten auf der Schneide bemerkt. Ferner ist die Dicke der Stickstoff-Diffusions schicht in der Tabelle 4 angegeben. Die Dicke des harten Deckfilms war in allen Fällen 3 Mikrometer.

In Ergebnis des Schneidtests waren Beschädigungen, die auf ein Brechen des Schneiden bereiches zurückzuführen sind, bei den Schneidwerkzeuge der Beispiele 13 bis 23 kaum zu bemerken. Wie in Tabelle 6 aufgeführt hatten die Schneidwerkzeuge eine sehr gute Standzeit im Vergleich zu den Schneidwerkzeugen, die vergleichsweise herangezogen wurden. Andererseits zeigten die Schneidwerkzeuge, die zum Vergleich herangezogen wurden, schwere Schäden durch Bruch. Die Standzeit gemäß Tabelle 6 bezieht sich auf dieselben Schneiden wie in Tabelle 4 aufgeführt.

Tabelle 4

Tabelle 5

Tabelle 6

Die vorliegende Erfindung, deren Konstruktionsmerkmale vorstehend beschrieben wurden, erzielt ihre Vorteile mit einer Oberflächenbehandlung, die durch Bildung einer geeignet dicken oberflächengehärteten Schicht auf einer Oberfläche eines Werkzeuges oder durch Bildung eines harten Deckfilms auf der oberflächengehärteten Schicht gekennzeichnet ist, um damit preiswerte Stahlschneidwerkzeuge bereitzustellen, die exzellente Schneideigenschaften und Standzeiten aufweisen.

Claims

1. Oberflächenbehandeltes Schneidwerkzeug für Stahl, das aus einem Basismaterial hergestellt ist und einen Schneidenbereich mit einer abgeschrägten Schneide mit einer oberflächengehärteten Schicht aufweist, wobei

a) ein harter Deckfilm auf der oberflächengehärteten Schicht gebildet ist und dieser harte Deckfilm aus zumindest einem Mitglied der Gruppe der Nitride, Karbide und Karbonitride mit zumindest einem Mitglied der Gruppe von Al, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta und Cr-Metallen und ihrer Legierungen besteht, oder
b) eine harte Zwischenschicht auf der oberflächengehärteten Schicht gebildet ist, und eine harte Deckschicht auf der Zwischenschicht gebildet ist, wobei die Zwischenschicht aus zumindest einem Mitglied der Gruppe der Nitride, Karbide und Karbonitride mit zumindest einem Mitglied der Gruppe von Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta und Cr-Metallen und ihrer Legierungen besteht, und wobei der Deckfilm aus zumindest einem Mitglied der Gruppe der Nitride, Karbide und Karbonitride einer Ti-Al-Legierung besteht.

2. Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei das Basismaterial ein Mitglied aus der Gruppe von Hochgeschwindigkeits-Werkzeugstahl, pulvermetallurgisch hergestellter Hochgeschwindigkeits-Werkzeugstahl, nitrierter Stahl, Warmarbeitsstahl, Kaltarbeitsstahl und rostfreier Stahl ist.

3. Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die Schneide eine abgerundete Schneide, eine abgeschrägte Schneide oder eine abgerundete und abgeschrägte Schneide ist.

4. Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die oberflächengehärtete Schicht eine Stickstoff-Diffusionsschicht, eine Kohlenstoff-Diffusionsschicht oder eine Stickstoff- Kohlenstoff-Diffusionsschicht ist.

5. Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei das Schneidwerkzeug ein Drehmeißel, ein Gewindewerkzeug, ein Zahnrad-Schneidwerkzeug, eine Reibahle, ein Schaber, ein Fräser, ein Bohrer oder ein Lochwerkzeug ist.

6. Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei das Schneidwerkzeug ein Drehmeißel ist, dessen Schneide eine Breite von 0,03 mm bis 0,7 mm aufweist.

7. Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei das Schneidwerkzeug ein Gewindebohrer, eine Nabe, eine Metallsäge, ein Seitenfräser oder ein Flächenfräser ist, dessen Schneide eine Breite von 0,03 bis 0,8 mm aufweist.

8. Schneidwerkzeug nach Ansprüch 1, wobei das Schneidwerkzeug eine Reibahle ist, deren Schneide eine Breite von 0,03 mm bis 0,85 mm aufweist.

9. Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei das Schneidwerkzeug ein Schaber, ein Kugel-Schaftfräser, ein Halbkreis-Schaftfräser, ein Schräg-Schaftfräser, ein Rechteck- Schaftfräser, ein Spitz-Schaftfräser, ein Schrubb-Schaftfräser, ein Schrubb- und Schlicht- Schaftfräser oder ein Schaftfräser mit gekerbten Zähnen ist, dessen Schneide eine Breite von 0,01 mm bis 0,8 mm aufweist.

10. Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei das Schneidwerkzeug ein Bohrer ist, dessen Schneide eine Breite von 0,03 mm bis 1,5 mm aufweist.

11. Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei das Schneidwerkzeug ein Stanzstempel ist, dessen Schneide eine Breite von 0,01 mm bis 2,0 mm aufweist.

12. Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei das Schneidwerkzeug ein Drehmeißel oder eine Reibahle ist, deren oberflächengehärtete Schicht eine Dicke von 2 Mikrometern bis 150 Mikrometern aufweist.

13. Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei das Schneidwerkzeug ein Gewindebohrer ist, dessen oberflächengehärtete Schicht eine Dicke von 2 Mikrometern bis 190 Mikrometern aufweist.

14. Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei das Schneidwerkzeug ein Wäzfräser, ein Seiten-Fräser, ein Kugel-Schaftfräser, ein Halbkreis-Schaftfräser oder ein Schräg-Schaftfräser ist, dessen oberflächengehärtete Schicht eine Dicke von 2 Mikrometern bis 280 Mikrometern aufweist.

15. Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei das Schneidwerkzeug ein Schaber ist, dessen oberflächengehärtete Schicht eine Dicke von 2 Mikrometern bis 250 Mikrometern aufweist.

16. Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei das Schneidwerkzeug eine Metallsäge ist, deren oberflächengehärtete Schicht eine Dicke von 2 Mikrometern bis 180 Mikrometern aufweist.

17. Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei das Schneidwerkzeug ein Flächenfräser ist, dessen oberflächengehärtete Schicht eine Dicke von 2 Mikrometern bis 300 Mikrometern aufweist.

18. Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei das Schneidwerkzeug ein Bohrer ist, dessen oberflächengehärtete Schicht eine Dicke von 2 Mikrometern bis 320 Mikrometern aufweist.

19. Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei das Schneidwerkzeug, ein Rechteck-Schaftfräser, ein Spitz-Schaftfräser, ein Schrubb-Schaftfräser, ein Schrubb- und Schlicht-Schaftfräser oder ein Schaftfräser mit gekerbten Zähnen ist, dessen oberflächengehärtete Schicht eine Dicke von 2 Mikrometern bis 220 Mikrometern aufweist.

20. Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei das Schneidwerkzeug ein Stanzstempel ist, dessen oberflächengehärtete Schicht eine Dicke von 2 Mikrometern bis 500 Mikrometern aufweist.

21. Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die Schneidparameter für das Schneidwerkzeug bezüglich der Schneidgeschwindigkeit von 1 m/min bis zu 800 m/min, bezüglich der Schneidtiefe von 0,01 mm bis zu 50 mm und bezüglich des Vorschubes von 0,01 mm bis zu 30 mm festgelegt sind.