DE2117056C3 - Schneideinsatz - Google Patents

Schneideinsatz

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DE2117056C3 DE19712117056 DE2117056A DE2117056C3 DE 2117056 C3 DE2117056 C3 DE 2117056C3 DE 19712117056 DE19712117056 DE 19712117056 DE 2117056 A DE2117056 A DE 2117056A DE 2117056 C3 DE2117056 C3 DE 2117056C3
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Description

Die Erfindung betrifft einen Schneideinsatz für Schneidwerkzeuge der spanabhebenden Bearbeitung mit einem direkt aneinandergebundene Diarnaritteilchen enthaltenden Diamantteil.
Aus der US-PS 24 76 699 sind diamantbestückte Zerspanungswerkzeuge bekannt, bei denen Diamantkristalle direkt an eine aus Sinterkarbid bestehende Unterlage gebunden sind. Bei diesen bekannten diamantbestückten Zerspanungswerkzeugen sind nun die Diamantkristalle nicht direkt miteinander verbunden, sondern vielmehr in eine Matrix aus Sinterkarbid eingebettet. Die Diamantkonzentration der Verschleißschicht liegt dabei in der Größenordnung von 25%. Die bekannten, mit einer Vielzahl von Diamantkristallen bestückten Werkzeuge werden als Abrichtwerkzeuge für Schleifscheiben, als Bohrerspitzen und als Schleifscheiben eingesetzt, eignen sich jedoch nicht als Schneideinsatz, da die Diamantkristalle keine einheitliche Schneide bilden.
Es sind ferner seit langem Werkzeugschneiden aus Sinterhartmetall bekannt, bei denen im Bereich des schneidenden Teils 24 bis 29 Volumenprozent Diamantsplitterchen oder Diamantstaub eingebettet sind (DE-PS 6 27 862). Wegen des geringen Diamantanteils und des raschen Verschleißes des diamanthaltigen Materials waren diese Schneideinsätze für spanabhebende Bearbeitung kaum besser als solche, die vollständig aus Sinterhartmetall bestanden.
Aus der US-PS 31 41 746 wurde ein polykristalliner Diamantkörper bekannt, in dem die Diamantkristalle mit einer meiaüischen Biiiiicuiiiic'ipnääc in einer Ken- fin zentration von wenigstens 50 Volumenprozent vorliegen. Diese Diamantmasse enthält direkt aneinander gebundene Diamantteilchen. Diese Bindung ist erheblich fester als die Bindung zwischen Diamant und dem Bindemetall, z. B. Kobalt. Selbst bei einem hohen Diamantanteil von 90 Volumennprozent liegen Diamant-Diamant-Bindungen nur zum Teil vor. Diese polykristallinen Diamantkörper haben jedoch allein keine ausreichende Schlagfestigkeit und müssen für die Anwendung als Schneidteil eines Schneideinsatzes zwingend an einem geeigneten Träger udcr Halter befestigt werden, was aber trotz spezieller Lötverfahren nicht befriedigend gelang, weil sich die polykristalline Diamantmasse metallurgisch-chemisch etwa wie ein Diamanteinkristall verhält.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schneideinsatz der eingangs genannten Art zu schaffen, &iacgr;&ogr; der eine einwandfreie Schneidkante sowie eine so hohe Festigkeit aufweist, daß damit auch besonders zähe und harte Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen, bei deren spanabhebender Bearbeitung die auf die Schneidkante einwirkenden Drücke bis zu 70 000 kg/cm2 betragen können, einwandfrei zerspant werden können.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Schneideinsatz gemäß Anspruch 1.
Der Schneideinsatz nach der Erfindung kann ohne Schwierigkeiten auf einen Werkzeughalter aufgelötet werden und zeichnet sich durch ausgezeichnete Festigkeit aus, da der direkt aneinandergebundene Diamantteilchen enthaltende Schneidenteil durch die extrem s'eife Sinterhartmetallunterlage abgestützt ist. Die Diamantschneide kann ohne weiteres Schneiddrükke bis zu 70 000 kg/cm2 aushalten, so daß mit dem Schneicleinsaiz nach der Erfindung Superlegierungen vorteilhaft bearbeitet werden können. Der Schneideinsatz nach der Erfindung weist darüber hinaus im Vergleich zu den bekannten mit Diamant bestückten Werkzeugeinsätzen sowie im Vergleich zu NaturdiamanteinkristaHen eine wesentlich bessere Verschleißfestigkeil auf. Die verbesserte Verschleißfestigkeit ist wahrscheinlich darauf zurückzuführen, daß bei der Herstellung während des unter Aufrechterhaltung hoher Drücke durchgeführten Abkühlungsvorganges auf den Diamantteil sehr starke Quetschkräfte einwirken, da. die Sinterhartmetallunterlage einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt als Diamant. Die Härte der Diamantschneide des Schneideinsatzes nach der Erfindung ist im Gegensatz zu einem Naturdiamantkristall nicht richtungsabhängig, so daß die Schneide nicht geläppt zu werden braucht, sondern durch Schleifen auf die gewünschte Schärfe gebracht werden kann.
Der Schneideinsatz nach der Erfindung eignet sich hervorragend zur Bestückung insbesondere von Schneidmeißeln und Fräsern, da die Diamantschneide neben einer unerwartet hohen Verschleißfestigkeit auch noch besonders zäh und stoßfest ist.
Die Erfindung wird nun näher anhand von Zeichnungen erläutert, in denen zeigt
Fig. 1 einen Teil einer Vorrichtung zur Herstellung eines Schneideinsatzes,
Fig.2 einen Schnitt durch eine Ausführungsform einer Füllung für die Vorrichtung nach F i g. 1,
F i g. 3 eine perspektivische Ansicht eines Schneideinsatzes,
Fig.4 einen Schnitt entlang der Linie X-Xbzw. Y-Y
45
50
55 Ill ■ · £5· —»
F i g. 5 und 6 perspektivische Ansichten von weiteren Schneideinsätzen,
Fig.7 einen Schnitt durch eine Füllung zur Herstellung der Schneideinsätze nach den F i g. 3,5 und 6 und
Fig.8 eine perspektivische Ansicht eines Stempels für die Vorrichtung nach Fig. 1.
Die in F i g. 1 dargestellte Vorrichtung weist zwei
Stempel 11 und 11' und eine dazwischen angeordnete Matrize 12 auf. Die Matrize 12 besitzt eine Öffnung 13, in der ein Reaktionsgefäß 14 angeordnet ist Zwischen jedem der Stempel 11 und 1&Ggr; und der Niatrize 12 befindet sich eine Dichtungsanordnung 15 bzw. 15', die aus zwei wärmeisolierenden und elektrisch nichtleitenden Pyrophyllitteilen 16 und 17 und einem dazwischen angeordneten Metallteil 18 besteht
Das Reaktiongefäß 14 enthält vorzugsweise einen Hohlzylinder £9 aus Salz.
Innerhalb des Hohlzylinders 19 ist gleichachsig und an der Innenfläche anliegend ein als elektrisches Widerstandsheizelement dienendes Graphitrohr 20 angeordnet. Innerhalb des Graphitrohres 20 ist wiederum ein aus Salz bestehender Zylinder 21 konzentrisch angeordnet Der Zylinder 21 ist an den Enden durch Salzpfropfen 22 und 22' abgeschlossen. Der Zylinder 21 kann einen zylindrischen Hohlraum aufweisen, der zur Aufnahme einer mehrteiligen Füllung dient. Der Zylinder kann aber auch aus einer Reihe von aufeinandergestapelten Teilfüllungen für die Erzeugung von Schneideinsätzen der in F i g. 3, 5 und 6 dargestellten Art bestehen.
An jedem Ende des Zylinders 19 ist eine aus elektrisch leitendem Metall bestehende Abschlußscheibe 23 bzw. 23' vorgesehen, die mit dem Graphitrohr 20 in elektrisch leitender Verbindung steht. Ober jeder Abschlußscheibe 23 bzw. 23' ist eine Abschlußkappe 24 bzw. 24' angeordnet, die aus einer von einem elektrisch leitenden Ring 26 umschlossenen Scheibe 25 aus Pyrophylli! besteht.
Fig.2 zeigt eine Füllung zum Herstellen von mehreren scheibenförmigen Schneideinsätzen. Die Füllung 30 ist größenmäßig so ausgestaltet, daß sie in den mit der Bezugszahl 31 bezeichneten Innenraum der Vorrichtung nach F i g. 1 paßt.
Die Füllung 30 besteht aus einer zylindrischen Abschirmung 32 aus Zirkonium, Titan, Tantal, Wolfram oder Molybdän. Innerhalb der zylindrischen Abschirmung 32 sind durch Scheiben 33 aus Titan oder Zirkonium gegeneinander abgeschirmte Teilfüllungen angeordnet, von denen jede aus einer größeren Masse 34 und aus einer kleineren Masse 36 besteht. Jede Masse 36 besteht zum Großteil oder vollständig aus Diamantpulver (mit einer Korngröße im Bereich von 0,1 bis 500 Mikrometer). Jede Masse 34 besteht aus einem zur Herstellung eines Sinterhartmetalls geeigneten Pulver, vorzugsweise einem Gemisch aus Wolframkarbidpulver .und Kobaltpulver. Unabhängig davon, ob das Pulvergemisch ursprünglich vom Diamantpulver in der aus Fig.2 ersichtlichen Weise getrennt ist oder ob dem Diamantpulver ein bestimmter Anteil dieses Pulvergemisches zugemischt wird, wirkt das vorhandene Kobalt sowohl als metallisches Bindemittel beim Zusammensintern der Karbide als auch als Katalysator für die Umwandlung von Graphit zu Diamant.
Zwischen den aus den Teilen 33, 34, 36 bestehenden Teilfüllungen sind Scheiben 37 angeordnet, die aus dem gleichen Material wie der Zylinder 19 bestehen, damit bei der Durchführung des Verfahrens die in jeder Teilfüllung auftretende Volumenverringerung durch nachfolgendes Material ausgeglichen werden kann.
Zur Herstellung eines Schneideinsatzes wird die Füllung 30 in die Vorrichtung 10 eingelegt, unter Druck gesetzt und dann aufgeheizt Es wird dabei eine Temperatur im Bereich von ungefähr 1300—16000C während eines Zeitraumes von über ungefähr 3 Minuten aufrechterhalten, damit das Karbid-Kobalt-Gemisch zusammensintert Gleichzeitig wird die Füllung einem sehr hohen Druck ausgesetzt, beispielsweise einem Druck in der Größenordnung von 55 Kilobar, um für den Diamantgehalt der Füllung thermodynamisch stabile Bedingungen zu gewährleisten. Bei 13000C sollte der Druck mindestens ungefähr 50 Kilobar und bei 1400° C sollte der Druck mindestens ungefähr 52,5 Kilobar betragen. Bei den verwendeten Temperaturen schmilzt natürlich die Kobaltkomponente des Systems,
&iacgr;&ogr; so daß ein Teil des Kobalts für die Verlagerung aus der Masse 34 in die Masse 36 zur Verfügung steht, wo er als Katalysator für die Diamantbildung wirkt
Es laufen also gleichzeitig die folgenden Vorgänge ab: a) Die Masse 34 wird in Sinterhartmetall übergeführt,
b) die Masse 36 wird zu einem Diamantteil verdichtet und
c) an der Fläche zwischen dem Diamantteil und dem Sinterhartmetall wird eine ausgezeichnete Bindung erzeugt, so daß ein monolithischer Verbundkörper entsteht
Beim Anwenden von Druck auf das System werden einige Diamantteilchen zerquetscht. Da jedoch ein die Diamantbildung ermöglichender Katalysator vorhanden ist, wachsen diese Teilchen bei den im diamantstabilen Bereich des Zustandsdiagramms von Kohlenstoff liegenden Drücken und Temperaturen wieder zusammen und heilen dadurch aus.
Zwischen dem hochfesten Diamantteil und der volumenmäßig beträchtlich größeren steifen Unterlage
&iacgr;&ogr; wird also in situ eine direkte Bindung hergestellt. Durch die steife, nicht nachgiebige Unterlage wird die Bmchgefahr für den Diamanttei! weitgehend herabgesetzt
Der Diamantteil enthält direkt aneinandergebundene Diamantkristalle, die willkürlich verteilt sind.
Damit ein beginnender Bruch eine Spaltung des Diamantteils bewirken kann, müßte die Spaltfläche aufgrund der willkürlichen Verteilung der Spaltebenen der einzelnen Diamantteilchen einem gewundenen Verlauf folgen. Ein irgendwie entstandener Riß kann also sich nicht sehr weit in den Diamantteil fortsetzen.
■ Als Ausgangsmaterial für die Masse 34 wird vorzugsweise ein Wolframkarbidsinjerpulver verwendet, das aus einer Mischung aus Karbidpulver und Kobaltpulver besteht und im Handel in Korngrößen von 1 bis 5 Mikrometer erhältlich ist. Die verwendbaren Karbidsinterpulver bestehen aus Pulvergemischen mit 87-97% Karbid und ungefähr 3-13% Kobalt. Karbidsinterpulver mit einem beträchtlich niedrigeren Karbidanteil ergeben Sinterhartmetalle, deren Festigkeit unzureichend ist. Der Diamantanteil der Masse 36 beträgt 90 bis 99 Volumenprozent.
Zur Herstellung der unsymmetrisch geformten Schneideinsätze nach Fig.3, 5 und 6 ist eine
5·&idigr; modifizierte Ausführungsform des Salzzylinders 21 und der Stopfen 22 und 22' erforderlich. Die in das Heizrohr 20 passende Anordnung kann aus einer Reihe von übereimandergestapelten zylindrischen Blöcken bestehen, die mit Karbidsinterpulver (CMP) und Diamantteilchen (D) gefüllte Formen bilden. Bei der Ausführungsform nach Fig./ ist der Saizbiock 2ia mii einer Aussparung 72 versehen, deren Form der Gestalt des gewünschten Schneideinsatzes entspricht Die Aussparung 72 ist mit einer als Abschirmung dienenden Metallschicht 73 ausgekleidet. Innerhalb der Aussparung 72 sind das Sintermetallpulver CMP und das Diamantpulver D in entsprechender Weise angeordnet. Der darüberliegende Salzblock 216 weist eine entspre-
Zl
chende Aussparung zur Aufnahme eines Abdeckbleches 74 auf, das die metallische Abschirmung für die Pulvermassen vervollständigt Vorzugsweise ist der darüberliegende Salzblock 21 & auch mit einer Aussparung zur Aufnahme eines Sinterkarbidblockes SC ausgestattet, der ein Durchstechen des Abschirmbleches 74 auf ein Mindestmaß herabsetzen soll. Zur Füllung der Druckkammer der Hochdruckpresse kann eine Reihe solcher zusammenwirkender Salzblöcke 21a und 21b verwendet werden. ,
Bei dem Schneideinsatz 40 nach Fig.3 sind die Stirnflächen 41 und 42 des Sinterhartmetalls 43 und des Diamantteiis 44 abgeschrägt (Fig.4), damit die Schneidkanten des Diamantkörpers 44 leicht mit einem Werkstück in Eingriff gebracht werden können.
Bei der Herstellung der in Fig.5 und 6 dargestellten Schneideinsätze 52 und 62 wird ieweils eine dünne Diamantschicht 51 bzw. 61 gebildet. Die Dicke der Diamantschicht beträgt 0,5 bis 0,012 mm. Es können auch Diamantschichten mit einer Dicke bis zu 2,0 mm hergestellt werden. Die Diamantschicht 51 bzw. 61 wird jedoch zweckmäßigerweise sehr dünn ausgeführt, damit sie als Spanbrechfläche wirken und auch leicht geschärft werden kann. Die Eigenschaften der Diamantschicht werden in bezug auf die Eigenschaften des Sinterhartmetalls so abgestimmt, daß die Diamantschneide etwas weniger schnell verschleißt als das Sinterhartmetall. In diesem Falle wird fortlaufend ein kleinerer Teil der Diamantschicht über den Sinterhartmetallkörper vorstehen und eine Schneide bilden, wodurch das richtige Verhältnis zwischen dem Diamantabrieb und der Lebensdauer des Werkzeuges gewährleistet ist
Das Abschirmungsmaterial haftet sehr gut an den Außenflächen der gebildeteten Schneideinsätze. Zur gewünschten Freüfcgung irgendwelcher Oberflächen eines Schneideinsatzes wird die Abschirmung einfach abgeschliffen.
Da ein Teil der Abschirmung in Karbid umgewandelt wird kann man über der Spanbrechfläche der Diarnantteile 44, 51, 61 eine dünne Schicht aus Titankarbid oder Zirkoniumkarbid belassen, indem man die Abschirmung nur zum Teil abschleift Größere Karbidmengen können in die Spanbrechfläche eingeführt werden, indem man bei der Füllung der Aussparung 72 eine geringe Menge Titankarbidpulver oder Zirkoniumkarbidpulver der aus Diamantteilchen bestehenden Schicht D zusetzt oder Titan enthaltende synthetische Diamanten oder Titan enthaltenden Graphit verwendet. Falls man der freiliegenden Fläche des diamantreichen Bereiches kleine Kristalle aus Titankarbid einverleibt, erzielt man eine verbesserte Lebensdauer der Spanbrechfläche und verringert dadurch die schädliche Einwirkung der von einem Werkstück entfernten heißen Metallspäne auf den Schneideinsatz.
F i g- 8 zeigt eine Ausführungsform eines verbesserten Stempels füfeine Vorrichtung zum Erzeugen von hohen Drücken und hohen Temperaturen. Der zum Ausüben von Druck vorgesehene Teil 81 besteht aus einer verdichteten diamantreichen Masse, die auf einer Unterlage aus Sinterhartmetall aufliegt Der Teil 81 ist an dem spitz zulaufenden Stempelschaft 82 aus Sinterhartmetall befestigt, wobei die einander gegenüberliegenden Flächen der beiden Bauteile sehr sorgfältig plangeschliffen sind. Dadurch kann die Lötschicht zwischen den Bauteilen sehr dünn ausgebildet werden. Diese Stempelkonstruktion ist sehr vorteilhaft, solange beim Betrieb dafür gesorgt wird, daß sie nicht zu heiß wird.
Gegebenenfalls kann beim Verfahren zur Herstellung eines Schneideinsatzes nach der Erfindung anstelle des Karbidsinterpulvers vorgeformter Sinterkarbid (Sinter-
5 hartmetall) verwendet werden. In diesem Falle wird in der mit Metall ausgekleideten Aussparung 22 ein vorgeformter Sinterhartmetallkörper angeordnet und an der vorgesehenen Spanbrechfläche die zur Bildung des diamantreichen Bereiches vorgesehene Masse
IO eingebracht. Auch bei dieser Anordnung wirkt das im massiven Sinterhartmetallkörper vorhandene Bindemetall als Katalysator für das Zusammenwachsen und die synthetische Bildung von Diamant
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Schneideinsatz fiir Schneidwerkzeuge der spanabhebenden Bearbeitung mit einer Unterlage und einem aneinandergebundene Diamantkristalle enthaltenden Diamantteil einer Diamantkonzentration von wenigstens 50 Volumenprozent, dadurch gekennzeichnet,
daß der hochfeste Diamantteil (44, 51, 61) eine Diamantkonzentration von 90 bis 99 Volumenprozent hat,
daß die Unterlage eine aus Karbidsinterpulver oder vorgeformten Sinterkarbid mit 87 bis 97% Karbid und 3 bis 13% Kobalt hergestellte, volumenmäßig beträchtlich größere steife Sinterhartmetallunterlage (43, 53, 63) ist und
daß Diamantteil und Sinterhprtmetallunterlage unter Druck- und Temperaturbedingungen im diamantstabilen Bereich des Zustandsdiagramms von Kohlenstoff in situ zu einem monolithischen Verbundkörper vereinigt sind.
2. Schneideinsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Diamantteil die Form eines Plättchens (51, 61) mit einer Dicke von 0,012 bis 0,5 mm hat.
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