DE2232227A1

DE2232227A1 - Aus kubischem bornitrid und sinterhartmetall bestehende koerper zur spanabhebenden materialbearbeitung

Info

Publication number: DE2232227A1
Application number: DE2232227A
Authority: DE
Inventors: William Achillo Rocco; Jun Robert Henry Wentorf
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1971-07-01
Filing date: 1972-06-30
Publication date: 1973-01-11
Also published as: NL180445B; JPS5940579B2; SE8001534L; DE2232227C2; NL8302488A; DK155659C; IT956916B; FR2144426A5; SE415882B; SE454983B; ATA570972A; NL7208868A; JPS54119506A; JPS5243846B1; NL180445C; NL174715B; DK155659B; DE2265792C2; AT336432B; NL174715C

Description

"Aus kubischem Bornitrid und Sinterhartmetall bestehende Körper zur spanabhebenden Material bearbeitung"

ο to co

Die Erfindung betrifft aus kubischem Bornitrid und Sinterhartmetall (ist gleich gesinterten Karbiden) bestehende Körper, insbesondere Einsätze oder Einlagen für Werkzeuge zur spanabhebenden Material bearbeitung.

Die Herstellung von kubischem Bornitrid ist in der US-PS 2 947 617 beschrieben. In der US-PS 3 136 615 und in der US-PS 3 233 988 ist die Herstellung von Körpern für die zerspannende Material bearbeitung beschrieben, die aus miteinander verbundenen kubischen

Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Axel Hansmann, Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann

8 MÜNCHEN 2, THERESIENSTRASSE 33 · Telefon: 281202 · Telegramm-Adresser Lipalli/München Bayer. Vereinsbank München, Zweigs!. Oskar-von-Miller-Ring, Klo.-Nr. 882 495 · Poslscheck-Konto: München Nr. 163397

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Bornitridkristallen bestehen.

Es besteht nach wie vor Bedarf an noch dichteren und zäheren Körpern aus kubischem Bornitrid, mit denen sich beispielsweise Superlegierüngen auf Nickelbasis mit noch höherer Geschwindigkeit zerspannen lassen, beispielsweise mit einer Vorschubgeschwindigkeit von über 17 m/min.

Gegenstand der Erfindung sind Verfahren zur Herstellung von Körpern aus kubischem Bornitrid, bei denen Aluminiumlegierungen mit Nickel, Kobalt, Mangan, Eisen, Vanadium und Chrom als Bindemittel eingesetzt werden, sowie nach diesem Verfahren hergestellte Werkzeugeinsätze, die eine. Sinterhartmetallunterlage aufweisen, auf der ein aus kubischem Bornitrid bestehender Körper verankert ist. Die vorgenannten Legierungen eignen sich besonders als Bindemittel bei der Herstellung von Körpern aus kubischen Bornitridkristallen mit feiner Teilchengrösse, beispielsweise mit einer Teilchengrösse von unter 3O.u. Für den Fall, dass die Verwendung von kubischen Bornitridkristallen mit einer Grössenabmessung von über 80 u zweckdienlich ist, werden Verfahren angegeben, bei denen die vorgenannten Aluminiumlegierungen nicht als Bindemittel eingesetzt zu werden brauchen. Die kubischen Bornitridkristalle können auch kombiniert mit Karbidpulver (Sinterhartmetallpulver) und Diamantkristallen zur Herstellung von Körpern für die spanabhebende Material bearbeitung eingesetzt werden. Es lassen sich auch Schichtkörper herstellen, die eine auf der Oberfläche einer Sinterhartmetall scheibe verbundene Schicht aus kubischem Bornitrid aufweisen, die im wesentlichen frei von Hohlräumen ist.

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Die Erfindung wird nun näher anhand von Zeichnungen erläutert, in denen zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform einer für die Durchführung der Erfindung geeigneten Vorrichtung zum Erzeugen von hohen Drücken und hohen Temperaturen,

Fig. 2 eine Ausführungsform einer Füllung, mit der die Vorrichtung nach Fig. 1 bei der Durchführung der Erfindung beschickt werden kann,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Werkzeugeinsatzes, Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie XX oder YY in Fig. 3,

Fig. 5 und 6 perspektivische Ansichten von nach dem Verfahren der Erfindung hergestellten Werkzeugeinsätzen,

Fig. 7 einen Schnitt einer Beschickungsanordnung für die Herstellung der Einsätze nach Fig. 3, 5 und 6,

Fig. 8 eine andere Ausführungsform einer Füllung für die Vorrichtung nach Fig. 1 zur Ausführung der Erfindung,

Fig. 9 eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform eines Werkzeugeinsatzes,

Fig. 10 einen Schnitt entlang der Linie XX oder YY in Fig. 9 und

Fig .11 einen Schnitt einer Beschickungsanordnung zur Herstellung der Werkzeugeinsätze nach Fig. 9, 5 und 6.

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Zur Herstellung von Werkzeugeinsätzen nach der Erfindung wird vorzugsweise die in der US-PS 2 941 248 beschriebene Vorrichtung zum Erzeugen von hohen Drücken und hohen Temperaturen verwendet, die nachstehend anhand von Fig. 1 kurz erläutert wird. Eine für die Durchführung der Erfindung geeignete Reaktionsgefässanordnung ist in der am 2. Januar 1970 eingereichten US-Patentanmeldung Serial No. 144 erläutert.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung 10 weist zwei aus Sinterhartmetall bestehende Stempel 11 und 11* auf, zwischen denen ein aus dem gleichen Material bestehendes gürteiförmiges Matrizenteil 12 vorgesehen ist, das eine Öffnung 13 aufweist, in der ein Reaktionsgefäss 14 angeordnet ist. Zwischen jedem der Stempel 11 und 11' und dem Matrizenteil 12 sind Dichtungsanordnungen 15, 15* vorgesehen, von denen jede aus zwei wärmeisolierenden und elektrisch nichtleitenden Pyrophyllitteüen 16 und 17 besteht, zwischen denen eine Metalleinlage 18 angeordnet ist.

Das Reaktionsgefäss 14 besteht in einer bevorzugten Ausführu ngsform aus einem Hohlzylinder aus Salz. Der Hohlzylinder 19 kann auch aus einem anderen Material, beispielsweise aus Talk, bestehen, das a) bei den beim Betrieb auftretenden hohen Drücken und hohen Temperaturen nicht in einen festeren oder steiferen Zustand (durch Phasenübergang und/oder Verdichtung) umgewandelt wird und b) im wesentlichen frei von Volumendiskontinuitäten ist, die bei der Anwendung von hohen Drücken und hohen Temperaturen beispielsweise bei Pyrophyllit und porösem Aluminiumoxyd auftreten können. Werkstoffe, die den vorstehend angeführten Kriterien genügen und sich daher für die Herstellung des Hohlzylinders 19 eignen, sind in der US-PS 3 030 662 in Spalte 1, Zeile 59, bis Spalte 2, Zeile 2, angeführt.

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Im Zylinder 19 ist ein als elektrisches Widerstandsheizelement dienendes Graphitrohr 20 konzentrisch angeordnet, das am Zylinder 19 anliegt. Innerhalb des Graphitrohres 20 ist wiederum ein zylindrisches Futter 21 aus Salz konzentrisch angeordnet. In das untere und obere Ende des Futters 21 sind aus Salz bestehende Stopfen 22 bzw. 22* eingepasst. Wie weiter unten näher erläutert wird, kann das Futter 21 einen zylindrischen Hohlraum zur Aufnahme einer gegebenenfalls mehrteiligen Füllung aufweisen oder das Futter kann auch zur Herstellung der in den Fig. 3, 5 und 6 dargestellten Einsätze aus einer Reihe von übereinandergeschichteten Teilfüllungen bestehen.

An jedem Ende des Zylinders 19 ist eine aus elektrisch leitendem Metall bestehende Endscheibe 23 bzw. 23* vorgesehen, über die Strom zur Aufheizung des Graphitrohres 20 zugeführt werden kann. An jeder Endscheibe 23 bzw. 23* Hegt eine Abschlusskappe 24 bzw. 24' an, die aus einer Pyrophyllitscheibe 25 besteht, die von einem elektrisch leitenden Ring 26 umschlossen ist.

Mit der in Fig. 1 dargestellter» Vorrichtung kann in bekannter Weise eine im Reaktionsgefäss angeordnete Füllung gleichzeitig hphen Drücken und hohen Temperaturen ausgesetzt werden. Anstelle der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung können natürlich aucH andere Vorrichtungen verwendet werden, mit denen die für die Erfindung erforderlichen hohen Drücke und hohen Temperaturen erzeugt werden können.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung zum Erzeugen einer Reihe von scheiben- oder pillenförmigen Schichtkörpern (Sinterhartmetallunterlage mit einer Schicht aus gesintertem Bornitrid mit kubischer Kristall-

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struktur) unter Verwendung einer Aluminiumlegierung als Bindemittel. Die Anordnung 30 passt in den Hohlraum 31 der Vorrichtung nach Fig. 1 (aus Platzersparnisgründen wurde der Maßstab für die Fig. -1 und 2 unterschiedlich gewählt).

Die Anordnung 30 weist einen Abschirmzylinder 32 aus einem Ab— schirmmetall zur Verhinderung des Zutritts und zur Beseitigung von Sauerstoff auf. Als Abschirmmetall ist Zirkonium, Titan, Tantal, Wolfram und Molybdän geeignet. Innerhalb des Abschirmzylinders 32 sind eine Reihe von Teilfüllungen vorgesehen, die voneinander durch scheibenförmige Blöcke 33 getrennt sind, die aus dem gleichen Material wie der Zylinder 19 bestehen, beispielsweise aus hexagonal em Bornitrid oder Salz (NaCl), das sich im wesentlichen bei der Durchführung des Verfahrens nicht ändert und nach Durchführung des Verfahrens die Trennung der TeilfüUungen erleichtert. Jede Teilfüllung wird von einem mit einer Abdeckscheibe 34a abgeschlossenen Becher 34 umschlossen. Der Becher 34 und die Abdeckscheibe 34a bestehen aus irgendeinem der in Verbindung mit dem Abschirmzylinder 32 erwähnten Abschirmmetalle, vorzugsweise jedoch aus Zirkonium oder Titan. Jede Teilfüllung besteht aus einer Masse 36 aus fein zerteilten kubischen Bornitridkristallen (mit einer Korngrösse von unter 30 jj), die zwischen einer Masse 37 und zwei Scheiben 38 und 39 angeordnet ist, von denen die eine Scheibe 38 aus Aluminium und die andere Scheibe 39 aus dem Legierungsmetall für das Aluminium, nämlich aus Kobalt, Mangan, Eisen, Vanadium oder Chrom, besteht. Die relative Lage der Scheiben 38 und 39 ist nicht kritisch, sofern nur die erforderliche Aluminiumlegierung gebildet wird. Die Masse 37 besteht aus Sinterhartmetall (gesintertem Karbid) oder Hartmetall-

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Sinterpulver (sinterbarem Karbidpulver). Falls die Masse 37 aus Hartmetallsinterpulver besteht, wird dieses bei der Durchführung des Verfahrens zu Sinterhartmetall zusammengesintert. Das Verhältnis der vorgesehenen Aluminiummenge zur vorgesehenen Legierungsmetall menge ist nicht kritisch und kann in einem Bereich liegen, der sich ausgehend von ungefähr gleichen Gewichtsteilen Aluminium und Legierungsmetall bis zu ungefähr 1 Gewichtsteil Aluminium pro 10 Gewichtsteile Legierungsmetall erstreckt.

Zur Herstellung von Werkzeugeinsätzen wird die Anordnung 30 in die Vorrichtung nach Fig. 1 eingesetzt, das System unter Druck gesetzt und dann aufgeheizt. Die angewendeten Temperaturen liegen

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im Bereich von ungefähr 1300-1600 C und werden während einer Zeitspanne von über ungefähr 3 Minuten aufrechterhalten, wobei das System gleichzeitig den sehr hohen Drücken ausgesetzt ist, beispielsweise Drücken in der Grössenordnung von 55 Kilobar, um thermodynamisch stabile Bedingungen für das im System vorhandene kubische Bornitrid zu gewährleisten. Bei einer Temperatur von 1300 C sollte der Mindestdrucif ungefähr 40 Kilobar und bei einer Temperatur von 1600 C sollte der Mindestdruck ungefähr 50 Kilobar betragen. Bei den angewendeten Temperaturen schmilzt das in der Masse 37 vorhandene Sintermetall (Bindemetall), so dass je nach der Zusammensetzung des verwendeten Sinterhartmetalls oder Hartmetallsinterpulvers Kobalt, Nickel oder Eisen verfügbar wird und aus der Masse 37 in die Masse 36 gelangen kann, wo es sich mit der geschmolzenen Aluminiumlegierung legiert, die sich aus den Scheiben 38 und 39 bildet und mit dem kubischen Bornitrid reagiert. Das so gebildete metallische Medium wirkt als

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wirksames Bindemittel für die kubischen Bornitridkristalle in der Nähe der Grenzfläche zwischen der Masse 36 und der Masse 37 und verbindet diese Kristalle miteinander und mit dem Sinterhartmetall. Die restlichen Kristalle in der Masse aus kubischem Bornitrid werden durch das metallische Medium miteinander verbunden, das durch Legierungsbildung aus den Scheiben 38 und 39 und durch Reaktion dieser Legierung mit kubischem Bornitrid entsteht.

Die im Ausgangsmaterial vorhandene Aluminiummenge kann von ungefähr 1 bis 40 Gew. % des kubischen Bornitrids betragen, während das Legierungsmetall (Nickel, Kobalt, Mangan, Eisen, Vanadium und Chrom) ungefähr 2 bis ungefähr 100 Gew.% des kubischen Bornitrids betragen kann. Die als Matrixmaterial im kubischen Bornitrid verbleibende Menge an Legierungsmetallen hängt vom angewendeten Druck und davon ab, wie lange der hohe Druck und die hohe Temperatur aufrechterhalten werden. In jedem Fall beträgt der Anteil an Aluminium zuzüglich Legierungsmetall im verdichteten kubischen Bornitrid über ungefähr 1 Gew.% des kubischen Bornitrids. Anstelle der zur Legierungsbildung in situ vorgesehenen getrennten Scheiben können natürlich auch vorgebildete Aluminiumlegierungen eingesetzt werden.

Nach Beendigung der Druck- und Temperaturanwendung wird zunächst die Temperatur und dann der Druck verringert. Die gebildeten Werkzeugeinsätze sind mit dem Abschirmmetall bedeckt, das an den Aussenflächen der Werkzeugeinsätze sehr fest haftet. Das Abschirmmetall kann zur Freilegung der gewünschten Flächen der Werkzeugeinsätze leicht abgeschliffen werden.

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Unter Verwendung von kubischen Bornitridkristallen mit einer Korngrösse in der Grössenordnung von 1-10.u wurden zahlreiche Schichtkörper in der vorstehend beschriebenen Weise erzeugt, in denen die Aluminiumlegierung als ausgezeichnetes Bindemittel wirkt. Diese Schichtkörper weisen weitaus bessere Verschleisseigenschaften auf als Sinterhartmetallkörper. Unter Verwendung von kubischen Bor nitridkristallen mit einer im vorstehend angegebenen Bereich liegenden Korngrösse wurden auch Körper ohne Hartmetall unterlage durch Verwendung von Teilfüllungen hergestellt, in denen die Masse 37 nicht vorhanden war.

In den nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird Aluminiumlegierung in geringem Überschuss erzeugt, so dass nach dem Eindringen der Aluminiumlegierung zwischen die kubischen Bornitridkristalle etwas überschüssiges Aluminium übrigbleibt, das sich mit dem Becher 34 oder mit einem Teil der Sinterhartmetallmasse 36 legieren kann.

Nach Absenkung der Temperatur und des Druckes werden die Schichtkörper entfernt und durch Schleifen in die für den Einsatz als Schneidwerkzeuge geeignete Form gebracht.

Wenn man eine polierte Oberfläche eines solchen Körpers unter dem Mikroskop betrachtet, sieht man, dass viele feine Teilchen aus kubischem Bornitrid eng aneinandergepackt sind und die winzigen Zwischenräume zwischen den Teilchen mit einer Sekundärphase ausgefüllt sind, die offensichtlich metallisch ist. An der polierten Fläche konnte man Kratzer beobachten, wohingegen an den polierten Oberflächen von Körpern, die unter Verwendung verschiedener

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anderer aktiven Metalle als Bindemittel hergestellt wurden, eine ganze Reihe von Löchern festgestellt werden konnten, die von herausgerissenen Teilchenfragmenten herrühren.

In den nach dem Verfahren der Erfindung hergestellten Schichtkörpern und Körpern aus kubischem Bornitrid gewährleistet das , zwischen den kubischen Bornitridkristallen eingedrungene Bindemittel eine ausgezeichnete Bindung und einen ausgezeichneten Zusammenhalt der kubischen Bornitridkristalle. In Röntgenstrahlenbeugungsbildern tritt das für das angewendete Legierungssystem (Aluminium plus eines der angegebenen Legierungsmetalle) charakteristische Beugungsmuster auf. Aus Röntgenstrahl enbeugungsbildern ergibt sich auch das Vorhandensein von CBN, AlN und zusätzlicher nicht identifizierbarer Phasen. Bei Prüfung von unter Verwendung von Aluminium und Nickel als Quelle für das Bindemittel hergestellten Schichtkörpern und Körpern aus kubischem Bornitrid mit dem Elektronenmikroskop zeigte sich, dass sowohl Al als Ni in den Zwischenräumen vorhanden war.

Fein zerteilte kubische Bornitridkristalle werden vorzugsweise aus grösseren kubischen Bornitridkörnern durch Zerkleinern in einer Strahlmühle hergestellt. Zur Reinigung der Kristadflächen wird das fein zerteilte kubische Bornitrid vorzugsweise in Ammoniak erhitzt (900 C, 1 Stunde), bevor es in das Reaktionsgefäss gegeben wird.

Nach dem Verfahren der Erfindung hergestellte Schichtkörper aus einer Sinterhartmetallunterlage mit einer kubischen Bornitridschicht wurden zu Vierkantschneidwerkzeugen (Kantenlänge ungefähr 61 mm) verarbeitet, die zur spanabhebenden Bearbeitung der

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Superlegierung Inconel 718 eingesetzt wurden. Ein typisches mit Ni-Al gebundenes Werkzeug besteht aus einem Sinterhartmetall block (beispielsweise Garboloy 883) mit einer Dicke von ungefähr 30 mm, auf dessen einer Stirnfläche eine Schicht aus gebundenem kubischem Bornitrid fest verankert ist, die eine Dicke von' .0,75 bis 0,25 aufweist. Der Verschleiss solcher Werkzeuge war im allgemeinen merklich geringer als der Verschleiss von unter den gleichen Bedingungen eingesetzten Werkzeugen aus Hartmetall des Typs Carboloy 883.

Eine Reihe von nach dem Verfahren der Erfindung hergestellten Schichtkörpern wurden einer Verschleissprüfung unterzogen, bei der ein aus der Superlegierung Rene 41 bestehender Zylinderkörper mit einem Durchmesser von 3,2 mm, der mit 2000 Umdrehungen pro Minute rotiert, drei Minuten lang mit einer Kraft von 36,3 kg gegen die kubische Bornitridschicht des Schichtkörpers gedrückt wurde. Die Tiefe der aus dem Körper herausgefressenen Verschleissnarbe wurde dann gemessen. In den folgenden Beispielen wurde eine im wesentlichen einer Teilfüllung nach Fig. 2 entsprechende Anordnung verwendet. Der Abschirmbecher oder der Abschirmzylinder hatte in jedem Falle einen Durchmesser von 6,35 mm. Falls nichts anderes angegeben ist, wurde in einer Strahlmühle fein zerteiltes kubisches Bornitrid (Teilchen mit einer Grössenabmessung von 1-10/u verwendet. Das in den Beispielen 2 und verwendete kubische Bornitrid wurde vor dem Einführen in das Reaktionsgefäss in NH_ gebrannt. In jedem Falle wurde eine vor-

gesinterte Hartmetall scheibe aus Carboloy 883 als Unterlage verwendet.

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Beispiel 1

Ein Becher aus Zirkonium wurde mit einer vorgesinterten Hartmetall scheibe (Dicke 1,27 mm), Teilchen aus kubischem Bornitrid (0,05 g), einer Scheibe aus Aluminium (0,01 g) und einer Scheibe aus Kobalt (0,034 g) gefüllt. Die Anordnung wurde 61 Minuten lang gleichzeitig einem Druck von 54 kb und einer Temperatur von 1550 C ausgesetzt. Die Verbindung des kubischen Bornitrids mit dem Hartmetall und die Verbindung zwischen den Teilchen aus kubischem Bornitrid und der Metallmatrix war gut. Der aus kubischem Bornitrid bestehende Teil zeichnete sich durch gutes Poliervermögen aus. Bei der Verschl eissprüfung wurde eine Verschleissnarbentiefe von 35,5 u gemessen.

Beispiel 2

Ein aus Molybdän bestehender Zylinder (Dicke 0,05 mm) mit aus Molybdän bestehenden Abdeckscheiben (Dicke 0,05 mm) wurde mit einer vorgesinterten Hartmetallscheibe (Dicke 1,27 mm), Teilchen aus kubischem Bornitrid (0/B5 g), einer Scheibe aus Aluminium (0,01 g) und einer Schicht aus einem Pulvergemisch aus Kobalt (0,015 g) und Aluminium (0,004 g) gefüllt. Die An-. ordnung wurde 63 Minuten lang gleichzeitig einem Druck von 56 kb und einer Temperatur von 1500 C ausgesetzt. Es wurde eine gute Verbindung des kubischen Bornitrids mit dem Sinterhartmetall und der Metallmatrix beobachtet. Das kubische Bornitrid in der MetalI matrix zeigte ein dicht gepacktes Mikrogefüge. Bei der Verschleissprüfung wurde eine Verschleissnarbentiefe von 25,4 aj gemessen.

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Beispiel 3

Ein aus Zirkonium bestehender Becher wurde mit einer vorgesinterten Hartmetallscheibe (Dicke 1,27 mm), Teilchen aus kubischem Bornitrid (0,06 g) und einem groben Pulvergemisch (Al 0,01 g und Mn 0,04 g) gefüllt. Die Anordnung wurde 60 Minuten lang gleichzeitig einem Druck von 55 kb und einer Temperatur von 1550 C ausgesetzt. Die Verbindung zwischen dem kubischen Bornitrid und dem Hartmetall sowie der metallischen Matrix war gut. Der aus kubischem Bornitrid bestehende Teil des Schichtkörpers zeigte ein gutes Poliervermögen. Bei der Verschl eissprüfung wurde ein Verschleissnarbentiefe von 12,7 η gemessen.

Beispiel 4

Ein aus Molybdän bestehender Becher wurde mit einer vorgesinterten Hartmetallscheibe (Dicke 1,27 mm), feinen Teilchen aus kubischem Bornitrid (0,06 g), einer Aluminiumscheibe (0,005 g) und einem Pulvergemisch aus V (0,01 g) und Al (0,01 g) gefüllt. Der analog Beispiel 3 gebildete Schichtkörper hatte auch die in Beispiel 3 angegebene Qualität. Bei der Verschleissprüfung wurde eine Verschleissnarbentiefe von 38,1 ,u gemessen.

Beispiel 5

Ein aus Zirkonium bestehender Becher (Dicke 0,05 mm) wurde mit einer Hartmetallscheibe (Dicke 3 mm), einer aus 90 % Eisen und 10 % Aluminium bestehenden Scheibe (Dicke 0,2 mm , Durchmesser 6,25 mm, Gewicht 0,025 g) und mit Teilchen aus kubischem Bornitrid (Siebgrösse 40/47 Maschen/cm, Gewicht 0,093 g) gefüllt. Die aus der Eisen-Aluminium-Legierung bestehende Scheibe

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wurde auf die Oberfläche des Hartmetalls in Berührung sowohl mit dem Hartmetall als auch mit dem kubischen Bornitrid angeordnet. Die Anordnung wurde 60 Minuten lang einem Druck von 55 kb und einer Temperatur von 1500 C ausgesetzt. Der gebildete Schichtkörper wurde untersucht und es zeigte sich, dass eine beträchtliche unmittelbare Bindung zwischen den Teilchen aus kubischem Bornitrid untereinander und mit dem Hartmetall vorlag.

Beispiel 6

Ein aus Molybdän bestehender Becher wurde mit einer Hartmetallscheibe (Dicke 1,27 mm), kubischem Bornitrid (0,08 g , Teilchengrosse 1-20/u), einer Aluminiumscheibe (0,015 g) und Spänen aus Inconel 718 (0,035 g) gefüllt. Inconel 718 hat die nachstehend in Gewichtsprozent angegebene Zusammensetzung:

52,5 % Ni 0,6 % Al

0,2 % Mn 19 % Cr

18 % Fe 3 % Mo

5,2 % Cb 0,8 % Ti

Die Anordnung wurde 60 Minuten lang gleichzeitig einem Druck von 54 kb und einer Temperatur von 1500 C ausgesetzt. Zwischen dem kubischen Bornitrid und dem Hartmetall entwickelte sich eine gute Bindung. Die aus kubischem Bornitrid bestehende Masse war sehr dicht und enthielt nur sehr wenig Matrixmetall. Die vorhandene Metallmatrix zeigte eine gute Verbindung mit den Teilchen aus kubischem Bornitrid. Bei der Verschleissprüfung wurde eine Verschleissnar bentiefe von 18jj gemesen.

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Beispiel 7

Ein aus Zirkonium bestehender Becher wurde mit einer vorgesinterten Hartmetall sehet be (Dicke 1,27 mm) und einem Gemisch (0,065 g) aus kubischen Bornltrldtettchen, Hartmetatlstnterpulver (0,032 g) des Typs Carboloy S5A (13 % Co, 87 % WC) und Aluminiumpulver (0,003 g) gefüllt. Die Anordnung wurde .30 Minuten lang gleichzeitig einem Druck von 55 kb und einer Temperatur von 1500 C ausgesetzt. Es wurde festgestellt, dass ein Teil der kubischen Bornitridteilchen zusammengesintert worden war und eine gute Verbindung zwischen den kubischen Bornitridteilchen und der vorgesinterfcen Hartmetall scheibe sowie der Metall matrix vorlag. Bet ö&r Verschleissprüfung wurde eine Verechleieenar bentief β von 9xx gemessen.

Beispiel 8

£tn aus Zirkonium bestehender Becher wurde mit einer vorgesinterten Hartmetallscheibe (Dicke 1,27 mm), einer Schicht aus Hartmetall Sinterpulver (0,046 g) vom Typ Carboloy 190 (£5 % Co, 75 % WC), einer Aluminiumscheibe (0,01 g) und Teilchen aus kubischem Bornitrid (0,06 g) gefüllt. Die Hartmetall stnterpulverschicht wurde auf die Oberfläche der vorgesinterten Hartmetallscheibe aufgebracht und die Aluminiumscheibe wurde zwischen der Hartmetall sinterpul verecht cht und dem kubischen Bornitrid angeordnet. Die Anordnung wurde 60 Minuten lang gleichzeitig einem Druck von 57 kb und einer Temperatur von 1550 C ausgesetzt. Zwischen denn vorgesinterten Hartmetall und dem in situ gesinterten Hartmetall wurde eine gu te Verbindung festgestellt. Auch wurde eine gute Verbindung zwischen denn kubischen Bornitrid und der MetalImatrix festgestellt. Ausserdem wurden einige

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metallische Inseln (20-30 aj) festgestellt. Der aus kubischem Bornitrid bestehende Teil des Schichtkörpers zeigte ein gutes Poliervermögen. Bei der Vers chi eisspruf u ng wurde eine Verschleissnarbentiefe von 11 ju gemessen.

Beispiel 9

Es wurden zwei Schichtkörper hergestellt, die als Einsätze für Drehmeissel für Drehmaschinen verwendet wurden. In jedem Falle wurde eine einer Teilfüllung nach Fig. 2 entsprechende Anordnung verwendet. Die Anordnung bestand aus einem Zirkonium-Becher 34 mit einem Durchmesser von 8_r9 mm und aus einer Abdeckscheibe 84a . Die Masse 37 bestand aus einer Sinterhartmetall schei be (Carboloy 883, Dicke 2,9 mm). Die Masse 36 bestand aus gereinigtem und in einer Strahlmühle zerkleinertem kubischem Bornitrid (0,12 g, 1-1 Oaj). Die aus Aluminium bestehende Scheibe 38 wog 0,02 g und die aus Nickel bestehende Scheibe 39 wog 0,066 g. Die Anordnung wurde gleichzeitig einem Druck von 55 kb und einer Temperatur von 1500 C ausgesetzt. Die Schichtkörper wurden nach Entnahme aus der Presse in eine viereckige Form (Kantenlänge 6,1 mm, Dicke 3,2 mm) gebracht.

Die beiden nach Beispiel 9 hergestellten Drehmeisselschneiden wurden zusammen mit einer aus Carboloy 883 bestehenden Drehmeisselschneide zum Abdrehen von Inconel 718 eingesetzt. Unter Bedingungen, bei denen die Drehmeisselschneide aus Carboloy 883 einen Verschleiss von 0,3 mm zeigte, wurde an den nach Beispiel 9 hergestellten Schichtkörpern lediglich ein Verschleiss von 0,01 rnm an der Schneidkante aus kubischem Bornitrid fest-

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gestellt. Die zum Kräuseln des abgenommenen Spans vorgesehene Fläche der Schicht aus kubischem Bornitrid zeigte mit Ausnahme einer Rille, an der die Aussenkante des Spans rieb, keinerlei starke Verschleisserscheinungen. Die gleiche Verschleisserscheinung wurde auch bei allen anderen geprüften Werkzeugen einschliesslich der Sinter hartmetall werkzeuge festgestellt. Diese Verschleissart war vorauszusehen, da die Werkzeuge alle die gleiche Geometrie aufwiesen. Bei Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit zeigten die Schichtkörper mit kubischem Bornitrid ein besseres Verhalten als die nur mit Sinterhartmetall bestückten Werkzeuge. Die bevorzugte unmittelbare Verbindung zwischen der Hartmetallunterlage und dem kubischen Bornitrid wird in situ zwischen der hochfesten Masse aus kubischem Bornitrid und der merklich grösseren Masse aus dem als Unterlage dienenden Sinterhartmetall hergestellt. Wegen dieser unmittelbaren Verbindung braucht zwischen der aus kubischem Bornitrid bestehenden Masse und der Unterlage keine Verbindungsschicht zwischengeschaltet zu werden, wie sie beispielsweise beim Weich- und Hartlöten entsteht. Da das steife unnachgiebige Material der Unterlage in direkter Berührung mit der an kubischem Bornitrid reichen Schneidkante steht, wird die Bruchgefahr des aus kubischem Bornitrid bestehenden Materials wesentlich verringert und weiterhin ist auch eine geringere Menge kubisches Bornitrid zur Herstellung des Werkzeugeinsatzes erforderlich.

Zur Herstellung der in den Fig. 3, 5 und 6 dargestellten Werkzeugeinsätze, die keine zylindrische, sondern eine viereckige Form besitzen, ist eine modifizierte Ausführungsform des als Auskleidung des Reaktionsgefässes dienenden Futterzylinders 21 und der Stopfen 22 und 22* erforderlich. Die in das Heizrohr 20

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passende Anordnung kann auch aus einer Reihe von übereinander angeordneten zylindrischen Blöcken bestehen, die die Formen festlegen, die mit den entsprechenden Ausgangswerkstoffen gefüllt werden. Bei der Anordnung nach Fig. 7 weist beispielsweise der Salzblock 21a eine Aussparung 72a auf, die eine der gewünschten Gestalt des Werkzeugeinsatzes entsprechende Form aufweist. Die Aussparung 72 wird mit Abschirmmetall 73, beispielsweise Zirkonium, ausgekleidet und dann mit der Masse 74 aus vorgeformtem Sinterhartmetall oder aus Hartmetall sinterpul ver, mit der Masse 76 aus fein zerteilten kubischen Bornitridkristallen und mit Scheiben (oder Pulver) aus Aluminium und dem zur Bildung der Aluminiumlegierung vorgesehenen Legierungsmetall beschickt. Der zur Abdeckung vorgesehene Salzblock 21b weist ebenfalls eine Aussparung zur Aufnahme eines Abdeckbleches 77 zur Vervollständigung der Metallabschirmung und vorzugsweise eine Aussparung zur Aufnahme eines Hartmetallblockes SC auf, der das Abdeckblech 77 vor Zerstörung schützt. Es kann eine Reihe von übereinandergestapelten Salzblöcken 21a und 21b in die Vorrichtung zur Erzeugung von hohen Drücken und hohen Temperaturen eingesetzt werden.

Bei dem Werkzeugeinsatz 40 nach Fig. 3 sind die Stirnflächen 41 und 42 des Hartmetallblockes 43 und der Einlage 44 aus kubischem Bornitrid in der aus Fig. 4 ersichtlichen Weise geneigt, damit die Schneidkanten der Einlage 44 ohne Schwierigkeiten an ein Werkstück herangebracht werden können.

Die in Fig. 5 und 6 dargestellten Werkzeugeinsätze 52 und 62 weisen dünne Schichten 51 und 61 aus kubischem Bornitrid auf.

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Der Anteil des kubischen Bornitrids in den Schichten 51 und 61 beträgt ungefähr 90-97 Volumenprozent. Die Dicke der Schichten aus kubischem Bornitrid beträgt mindestens ungefähr 0,025 mm und höchstens 1,5 mm, obwohl auch Schichtdicken in der Grössenordnung bis ungefähr 2 mm realisiert werden können. Die Schichten 51 und 61 werden absichtlich so dünn ausgeführt, damit a) die aus kubischem Bornitrid bestehenden Schichten 51 und 61 als Spanbrechflächen wirken können, b) die Werkzeugeinsätze 52, 62 leichter geschärft werden können und c) aus wirtschaftlichen Gründen eine möglichst geringe Menge an kubischem Bornitrid verwendet wird. Im Idealfall sind die Eigenschaften der Schicht aus kubischem Bornitrid und die Eigenschaften der Unterlage aus Hartmetall so aufeinander abgestimmt, dass die aus kubischem Bornitrid bestehende Schneidkante etwas weniger schnell verschleisst als das Hartmetall. In diesem Falle steht ein kleiner Bereich der Schicht aus kubischem Bornitrid immer etwas über den Hartmetallkörper vor und bildet eine Schneidkante, wodurch die vorhandene Menge an kubischem Bornitrid im richtigen Verhältnis zur Lebensdauer des Werkzeuges steht.

Falls kubische Bor nitridteil chen mit einer Teilchengrösse von über 80 ju (in Richtung der grössten Abmessung) verwendet werden, kann die als Bindemittel dienende Aluminiumlegierung weggelassen werden. Ohne Aluminiumlegierung erhält man jedoch eine unzureichende Bindung zwischen kubischen Bor nitridkristallen mit einer Korngrösse von 30 χι (in Richtung der grössten Abmessung) und darunter, was möglicherweise auf einen grösseren Gehalt an Verunreinigungen zurückzuführen ist, die auf den Oberflächen der kleineren Teilchen konzentriert sind. Falls

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die Verwendung von kubischem Bornitrid mit einer Teilchengrosse von über 80 u zweckdienlich ist, kann wahlweise das nachstehende Verfahren nach der Erfindung angewendet werden, bei dem keine Aluminiumlegierung als Bindemittel eingesetzt wird.

Fig. 8 zeigt eine Anordnung zum Erzeugen einer Reihe von ■ -

scheiben- oder pillenförmigen Schichtkörpern mit einer Hartmetallunterlage und einer darauf aufgebrachten Schicht aus gesintertem kubischem Bornitrid, wobei keine Aluminiunnlegierung als Bindemittel eingesetzt wird. Die in Fig. 3 gezeigte Füllung 30A passt in den Hohlraum 31 der Vorrichtung nach Fig. 1.

Die Füllung 3OA besteht aus einem Abschirmzylinder 32aus Zirkon, Titan, Tantal, Wolfram oder Molybdän. Innerhalb des Abschirmzylinders 32A sind eine Reihe von Teilfüllungen angeordnet, die oben und unten durch Abschirmscheiben 33A abgeschirmt sind, die aus einem der vorgenannten Abschirmmetalle bestehen. Jede auf diese Weise nach allen Seiten hin abgeschirmte Teilfüllung besteht aus einer grösseren Masse 34B und einer kleineren Masse 36A. Jede Masse 36A besteht zum grossen Teil oder vollständig aus pulverförmigem kubischem Bornitrid mit einer Teilchengrcsse von über 80 ja in Richtung der grössten Ausdehnung.

Sei Verwendung einer vorgesinterten Hartmetall scheibe als Masse 34B und sauberer kubischer Bornitridkristalle mit einer Siebgrösse vor über 42 Maschen/cm für die Masse 36A, kann ohne weitere Zusätze ein Schichtkörper in der nachstehend be-

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schriebenen Weise hergestellt werden, bei dem der aus kubischem Bornitrid bestehende Teil frei von Hohlräumen ist und mit der Hartmetall scheibe über eine ausgezeichnete Verbindung verankert ist.

Beispiel 10

Ein im wesentlichen reines Pulver aus kubischem Bornitrid mit einer Siebgrösse von 40 Maschen/cm wurde über der einen Stirnfläche einer Sinterhartmetallscheibe angeordnet, die aus Hartmetallsinterpulver des Typs Carboloy 883 hergestellt war. Diese Kombination wurde zur Beseitigung und zum Ausschluss von Sauerstoff in einer dünnen Abschirmung aus Zirkonium angeordnet. Um die Abschirmung herum wurden wiederum NaCl-Elemente angeordnet, um den Hohlraum 31 in der Vorrichtung zum Erzeugen von hohen Drücken und hohen Temperaturen auszufüllen. Die Anordnung wurde dann ungefähr 1 Stunde lang einem hohen Druck (55-60 kb) und einer hohen Temperatur (1500 C) ausgesetzt, wobei ein Schichtkörper gebildet wurde. Der aus kubischem Bornitrid bestehende Teil des Schichtkörpers war im wesentlichen frei von Hohlräumen und es wurde eine ausgezeichnete Verbindung zwischen dem Hartmetall und dem benachbarten kubischen Bornitrid festgestellt.

Bei einer Untersuchung des nach Beispiel 10 hergestellten Schichtkörpers wurde festgestellt, dass die wesentliche Beseitigung von Hohlräumen in dem aus kubischem Bornitrid bestehenden Teil (99 Volumenprozent kubisches Bornitrid) zurückzuführen ist auf:

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a) das Eindringen von Zirkonium aus der Abschirmung bis zu einer geringen Tiefe von beispielsweise 0,2 mm,

b) das Zerquetschen von kubischen Bornitridkörnern (die dann näher aneinanderrücken können),

c) das Eindringen von Hartmetall zwischen die kubischen Bornitridkörner während der Aufheizung (wenn sich das Hartmetall in plastischem Zustand befindet) und

d) die direkte Verbindung zwischen kubischen Bornitridkörnern.

Die kubischen Borritridkörner standen über grosse Flächen miteinander unmittelbar in Berührung und schienen durch teilweise plastische Verformung aneinander angepasst worden zu sein.

Die Scheiben 37A werden aus dem gleichen Material wie der Zylinder 19 hergestellt, beispielsweise aus NaCl oder hexagonal em Bornitrid, damit bei der Anwendung von Druck und Temperatur in jeder Teilfüllung die erforderliche Verdichtung gewährleistet wird.

Bei jeder Ausführungsform (mit oder ohne Bindemittel) nach der Erfindung kann als Masse 34B anstelle von vorgesintertem Hartmetall auch Hartmetallsinterpulver eingesetzt werden, das dann bei der Durchführung des Verfahrens an Ort und Stelle zu Hartmetall gesintert wird.

Zwischen der hochfesten Masse aus kubischem Bornitrid und der darunter liegenden merklich grösseren Masse aus Hartmetall liegt eine direkte Bindung vor, d.h., es ist keine Zwischenschicht aus Weichlot oder Hartlot erforderlich. Da der an kutt-

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schem Bornitrid reiche Schneid- bzw. Schleifkantenbereich unmittelbar mit der steifen und unnachgiebigen Unterlage aus Hartmetall verbunden ist, besteht für die kubische Bornitridmasse eine wesentlich verringerte Bruchgefahr, wenn der Schichtkörper als Werkzeugeinsatz zur spanabhebenden Material bearbeitung verwendet wird.

Nach den vorstehend beschriebenen Verfahren mit oder ohne Aluminiumlegierung als Bindemittel hergestellte Schichtkörper wurden bei der Druckentlastung des Reaktionsgefässes manchmal zufällig zerbrochen. Der Bruch verläuft dabei im wesentlichen rechtwinklig zur vertikalen Achse der Füllanordnung. Bei den mit der Füllanordnung nach Fig. 2 und Fig. 8 hergestellten Schichtkörpern verläuft die Grenzfläche zwischen der kubischen Bornitridmasse und der Sinterhartmetall masse in der gleichen Richtung. Die hohe Qualität der Bindung an dieser Grenzfläche zeigt sich dadurch, dass die Bruchlinie in den meisten Fällen gewöhnlich durch die kubische Bornitridschicht verlief. Nur in seltenen Fällen konnte ein Bruch an der Grenzfläche zwischen kubischemBornitrid und Hartmetall beobachtet werden, wobei in diesen Fällen die Bruchfläche einen unregelmassigen Verlauf aufwies und teilweise durch das kubische Bornitrid, teilweise durch das Hartmetall und teilweise entlang der Grenzfläche verlief. Die Grenzfläche ist also im allgemeinen fester als die Zugfestigkeit von kubischen Bornitridkristallen.

Bei der mikroskopischen Untersuchung (300-fache Vergrösserung) der polierten Kanten von zu Werkzeugeinsätzen geformten Schichtkörpern, die nach den vorstehend beschriebenen Verfahren der

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Erfindung mit und ohne Bindemittel hergestellt worden waren, wurde die Ursache für die ungewöhnlich feste Bindung zwischen der Schicht mit kubischem Bornitrid und der Unterlage festgestellt. Bei einer guten Bindung stehen die kubischen Bornitridkörner an der- Grenzfläche entweder direkt mit dem Hartmetall in Verbindung oder weisen eine dünne Reaktionsschicht auf, die zwischen den kubischen Bornitridkörnern und dem Hartmetall liegt. Die Reaktionsschicht ist in jedem Falle dünner als 10^u, was darauf hindeutet, dass das Hartmetallgefüge in jedem Falle nur geringfügig angegriffen wird. Die Grenzfläche ist frei von Hohlräumen und unregelmässig in Mikrometergrössenordnur.g (1-1Q0,u), da das kubische Bornitrid in das Hartmetall hineingedrückt und/oder plastisch deformiertes Hartmetall in die Zwischenräume zwischen benachbarten kubischen Bornitridkristallen hineingepresst worden ist. Eine derartig ineinandergreifende und daher unregelmassige Grenzfläche lässt sich offensichtlich nicht erzielen, wenn ein vorgeformter Pressling aus kubischem Bornitrid auf eine Hartmetall scheibe gelötet wird.

Nach dem Verfahren der US-PS 3 136 615 sowie US-PS 3 333 hergestellte Presslinge aus kubischem Bornitrid müssen nach der Herstellung ncch auf einer Unterlage verankert werden, wozu gewöhnlich eine swischengeschaltete Schicht aus Hartlot oder Weichlct verwendet wird. Nach dem Verfahren der Erfindung erfolgt bei der Herstellung des Pressling aus Kubischem Bornitrid gleichzeitig auch eir.e Integration des kubischen Bornitrids mit der Hartmetal 1 u nterl age«

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Zusätzlich zu den bisher erläuterten Schichtkörpern, bei denen eine aus kubischem Bornitrid bestehende Masse auf einer Hartmetallmasse aufgebracht ist, können nach dem Verfahren der Erfindung zwei weitere Arten von zusammengesetzten Körpern hergestellt werden, bei denen jedoch im Gegensatz zu den bisher beschriebenen Schichtkörpern die Hartstoff teilchen gleichmassig in einer Hartmetall matrix angeordnet sind. Bei der einen Art bestehen die Hartstoffteilchen aus kubischen Bornitridkörnern und bei der anderen Art aus einem Gemisch aus kubischen Bornitridkörnern und Diamantkörnern.

Beispiel 11

Ein Gemisch aus 94 Volumenprozent kubischen Bornitridteilchen und 6 Volumenprozent Hartmetallsinterpulver vom Typ Carboloy 883 (6 % Co, 94 % WC) wurde in einer dünnen Abschirmung aus Zirkonium (zur Beseitigung und zum Ausschluss von Sauerstoff) angeordnet. Diese Anordnung wurde in der anhand von Beispiel 10 erläuterten Weise in eine Vorrichtung zum Erzeugen von hohen Drücken und hohen Temperaturen eingebracht. Das Gemisch wurde ungefähr 60 Minuten lang einem Druck von 55 kb und einer Temperatur von 1500 C ausgesetzt. Bei der mikroskopischen Untersuchung der polierten Flächen des gebildeten zusammengesetzten Körpers wurde festgestellt, dass das Hartmetall in die meisten winzigen Zwischenräume zwischen den kubischen Bornitridkörnern eingedrungen war. Es wurde eine ausgezeichnete Verbindung zwischen kubischem Bornitrid und Hartmetall festgestellt, während die unmittelbare Bindung zwischen kubischen BornitridkÖrnern nicht so umfangreich ist wie bei den Schichtkörpern. An einer Bruchfläche konnten nur einige

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wenige Stellen beobachtet werden, wo kubische Bornitridkörner aus dem Körper herausgebrochen waren. Normalerweise verläuft die Bruchfläche auch durch die kubischen Bornitridörner. In der Nähe der kubischen Bornitridkörner wurde bei einer 300-fachen Vergrösserung keine Reaktionsschicht beobachtet.

Bei der Herstellung von zusammengesetzten Körpern mit gleichmassiger Hartstoffteilchenverteilung beträgt der Anteil an kubischen Bornitridkristallen ungefähr 70 bis ungefähr 94 Volumenprozent. Bei einem derart hohen Anteil an kubischem Bornitrid tritt eine direkte Berührung zwischen den Bornitridkristallen bei der Anwendung des hohen Druckes auf.' Aus diesem Grunde werden die Körner zerquetscht und ein grosser Teil des zunächst vorhandenen Hohl rau mvolumens wird durch die zerquetschten Teilchen aus kubischem Bornitrid ausgefüllt. Offensichtlich wird eine unmittelbare Verbindung zwischen kubischen Bornitridteilchen durch einfliessendes Hartmetallsinterpulver verhindert, jedoch gewährleistet die zwischen Hartmetall und kubischem Bornitrid gebildete Bindung eine hohe Festigkeit und Zähigkeit des gebildeten Körpers.

Man kann natürlich auch einen unter 70 Volumenprozent liegenden Anteil an kubischem Bornitrid verwenden. Die Sinterzeiten können innerhalb von ungefähr 10 bis ungefähr 60 Minuten liegen. Die angewendeten Drücke liegen in der Grössenordnung von 45 bis 60 kb. Die angewendeten Temperaturen reichen von 1300 bis 1600 C. Druck- und Temperaturbedingungen sollten so gewählt werden, dass die thermodynamische Stabilität des kubischen Bornitrids gewährleistet ist.

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Die Körper mit gleichmässiger Verteilung der Hartstoffteilchen können in üblicher Weise, beispielsweise durch Lötmetall, mit Hartmetallunterlagen verbunden werden. Man kann jedoch auch die Verbindung mit einer Hartmetallunterlage gleichzeitig mit der Herstellung bewerkstelligen, indem man a) das aus kubischem Bornitrid und Hartmetallsinterpulver bestehende Gemisch auf die Oberfläche einer Hartmetallscheibe aufbringt oder b) das aus kubischem Bornitrid und Hartmetall sinterpul ver bestehende Gemisch über einer Schicht aus Hartmetall sinterpul ver anordnet. Auch bei diesen alternativen Ausführungsformen wird die Reaktionsmasse vorzugsweise innerhalb einer Abschirmung aus Zirkonium angeordnet.

Das bei der Ausführung der Erfindung verwendete Hartmetallsinterpulver ist vorzugsweise ein Wolframkarbidsinterpulver (Pulvergemisch aus Wolframkarbid und Kobalt), das im Handel in Korngrössen von 1-5,u erhältlich ist. Gegebenenfalls kann Wolframkarbid ganz oder teilweise durch Titankarbid und/oder Tantalkarbid ersetzt werden. Da auch als Bindemetall für die Karbidteilchen noch Nickel und Eisen geeignet sind, können als Bindemittel im Hartmetallsinterpulver Kobalt, Nickel, Eisen und Gemische dieser Metalle verwendet werden. Vorzugsweise verwendet man jedoch als Bindemetall Kobalt. Für die Durchführung der Erfindung sind Hartmetallsinterpulver geeignet, die ungefähr 75-97 % Karbid und ungefähr 3-25 % Bindemetall enthalten. Beispielsweise können Hartmetall sinterpulver vom Typ Carboloy 883 (6 % Co, 94 % WC) und vom Typ Carboloy 905 (3 % Co, 93 % WC, 3,85 % TaC, 0,15 % TiC) verwendet werden.

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Zur Herstellung von Hartstoffteilchen in gleichmässiger Verteilung enthaltenden zusammengesetzten Körpern mit einem zusätzlichen Gehalt an Diamantteilchen geht man in der gleichen Weise vor wie bei der oben erläuterten Herstellung von zusammengesetzten Körpern aus Hartmetallsinterpulver und kubischem Bornitrid. Wegen der vorhandenen Diamantteilchen sollten jedoch die Scheiben S3A entweder aus Zirkonium oder Titan bestehen. Die eingesetzten Teilchengemische aus kubischem Bornitrid und Diamant können eine Zusammensetzung aufweisen, die von 1 Volumenprozent kubisches Bornitrid und 99 Volumenprozent Diamant bis zu 99 Volumenprozent kubisches Bornitrid und 1 Volumenprozent Diamant reicht. Die angewendeten Drücke, Temperaturen und Sinterzeiten entsprechen den Drücken, Temperaturen und Sinter zeiten ₃ die bei der Herstellung von Körpern ohne Diamantteilchen verwendet werden, wobei jedoch etwas höhere Drücke und/oder geringere Temperaturen erforderlich sind, um die thermodynamische Stabilität der vorhandenen Diamantteilchen zu gewährt eisten.

Beispiel 1 2

Es wurde eine einer Teilfüllung nach Fig. 2 vergleichbare Anordnung in einem Sehälter aus Zirkonium (Durchmesser 6,35 mm) verwendet. Die Füllung bestand aus einer Sinterhartmetallscheibe (Carboioy 883, Dicke 3,1 mm) und einem damit in Berührung stehenden Gemisch aus 0,046 g kubischen Bcrnitr idteil chen (40-47 Maschen/cm), 0,-346 g Diamantteil eher: (40-47 .Maschen/cm) und O₅ 02 g Har-tmetailsinterpLilver vcm Typ Carboioy 833. Die Reaktionsmasse wurde 6G Minuten lang gleichzeitig einem Druck

0 von 55 kb und einer Temperatur von 1500 C ausgesetzt. Der ge-

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bildete Körper wurde zu einem Schneidwerkzeug poliert und auf einer Drehbank zum Zerspannen eines Werkstückes aus der Superlegierung Rene 41 verwendet. Mit demSchneidwerkzeug konnte die Superlegierung bearbeitet werden, jedoch wurde ein sehr schneller Verschleiss des Diamantenanteüs des Körpers beobachtet. Bei mikroskopischen Untersuchungen wurde eine gute Diamant-Diamant-Bindung sowie eine gute Bindung der Diamantteilchen und der kubischen Bor nitridteil chen mit der Hartmetallunterlage festgestellt. Gelegentlich wurde eine Bindung zwischen kubischen Bornitridteüchen festgestellt. Eine Bindung zwischen Diamant und kubischem Bornitrid wurde nicht festgestellt.

Zur Herstellung der in den Fig. 9, 5 und 6 dargestellten Werkzeugeinsätze ist eine modifizierte Ausführungsform der aus den Elementen 21, 22 und 22* gebildeten Reaktionsgefässauskleidung erforderlich, da die Werkzeugeinsätze eine nicht scheibenförmige, sondern eine viereckige Form aufweisen. Zur Herstellung von viereckigen Schichtkörpern kann die innerhalb des Heizrohres 20 vorgesehene Füllung aus einer Reihe von übereinandergestapelten zylindrischen Blöcken, bestehen, die zur Bildung von Formen in geeigneter Weise ausgespart sind, die mit den Reaktionskomponenten gefüllt werden, beispielsweise mit einem Gemisch aus Hartmetall sinterpulver und kubischen Bor nitridteil chen. Beispielsweise weist der in Fig. 11 dargestellte Salzblock 21C eine Aussparung 72A auf, die eine der gewünschten Gestalt des Werkzeugeinsatzes entsprechende Form besitzt. Die Aussparung 72A wird mit einem Abschirmblech 73A, das beispielsweise aus Zirkonium bestehen kann, ausgekleidet und mit den Reaktionskomponenten gefüllt. Der zur Abdeckung vorgesehene Salzblock

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21D weist eine Aussparung auf, die zur Aufnahme eines Abdeckbleches 74A zur Vervollständigung der Metallabschirmung der Reaktionsmasse dient. Zum Schutz des Abdeckbleches 7-4A vor Zerstörung ist vorzugsweise ein Hartmetall block SC vorgesehen, der das Abdeckblech 74A abstützt. Zur Füllung des Hohlraumes 31 - in der Vorrichtung nach Fig. 1 kann eine Reihe von übereinandergestapelten Salzblöcken 21C und 21D verwendet werden.

Bei dem Werkzeugeinsatz 40A nach Fig. 9 sind die Stirnflächen 41A und 42A des aus Hartmetall und Hartstoffteilchen bestehenden Körpers 43A in der aus Fig. 10 ersichtlichen Weise geneigt, damit die Schneidkanten ohne Schwierigkeiten an ein zu bearbeitendes Werkstück herangebracht werden können.

Gegebenenfalls kann der grösste Teil des Werkzeugeinsatzes 40A aus Hartmetall bestehen, das entweder in vorgesinterter Form vorliegt oder in situ hergestellt worden ist, wobei lediglich der Bereich um die Spitze 44A aus einer Masse aus Sinterhartmetall und Hartstoffteilchen besteht.

Bei dieser Ausführungsform, bei der beißen Werkzeugeinsätzen 52 und 62 nach Fig. 5 und 6 die dünnen Schichten 51 und 61 aus kubischem Bornitrid (ungefähr 9S Volumenprozent) ohne Anwendung einer Aluminiumlegierung hergestellt werden, beträgt die Dicke der aus kubischem Bornitrid bestehenden Schicht mindestens ungefähr 0,1 mm und höchstens 1,0 mm, obwohl auch Schichtdicken in der Grössenordnung bis ungefähr 2 mm realisiert werden können.

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Nach Anwendung des hohen Druckes und der hohen Temperatur wird zunächst die Temperatur und dann der Druck verringert. Das fest an der Aussenfläche des gebildeten Werkzeugeinsatzes haftende Abschirmmetall lässt sich an den gewünschten Stellen leicht abschleifen.

Es hat sich auch herausgestellt, dass der Reaktionsmasse noch geringe Mengen von zusätzlichen Stoffen, wie Wolfram und Beryllium zugesetzt werden können.

Beispiel 14

Der Innenraum 31 der Vorrichtung zum Erzeugen von hohen Drücken und hohen Temperaturen wurde mit zwei Teilfüllungen beschickt. Jede Teilfüllung war von einem Zirkonium-Becher (Durchmesser 6,35 mm) umschlossen und bestand aus einem Sinterhartmetallkörper (Dicke 1,27 mm) und einer Masse (0,065 g) aus kubischen Bor nitridteil chen (40-47 Maschen/cm). Die in der unteren Füllung vorgesehenen kubischen Bornitridteilchen waren mit einer durch Kathodenzerstäubung aufgebrachten dünnen Schicht aus Ta versehen. Beide Teilfüllungen wurden 60 Minuten lang gleichzeitig onern Druck von 55 kb und einer Temperatur von 1510 C ausgesetzt. Die Teilfüllungen wurden aus der Vorrichtung entnommen, poliert und mit dem Mikroskop untersucht. Bei der oberen Teilfüllung wurde eine umfangreiche direkte Bindung zwischen den kubischen Bornitridteilchen festgestellt, die eine hohe Festigkeit und Zähigkeit des gebildeten Körpers gewährleistet. Die kubischen Bornitridteilchen hafteten ausgezeichnet auf der Hartmetallunterlage.

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Die untere Füllung mit den mit einem Überzug aus Tantal versehenen kubischen Bornitridteilchen wies viele Bereiche auf, in denen die kubischen Bornitridteilchen zusammengesintert waren. Andere kubische Bornitridteilchen waren an die Tantal matrix gebunden. Die Haftung der aus kubischem Bornitrid und Tantal bestehenden Masse auf der Hartmetallunterlage war gut.

Beispiel 15

Es wurde eine den Teilfüllungen nach Beispiel 14 ähnliche Anordnung hergestellt. Ein von einer Abschirmung umschlossener Zirkonium-Becher (Durchmesser 6,35 mm, Wanddicke 0,05 mm) wurde mit einem Körper (0,5 g) aus kai tverp res stern Hartmetall sinterpul ver vom Typ Carboloy 883 und einem mit der Oberfläche dieses Körpers in Berührung stehenden Pulvergemisch aus 0,06 g) kubischen Bornitridteilchen (158 Maschen/cm), 0,021 g Hartmetallsinterpulver vom Typ Carboloy 883 und 0,003 g Berylliumpulver gefüllt. Die Anordnung wurde dann 60 Minuten lang gleichzeitig einem Druck von 56 kb und einer Temperatur von 1520 C ausgesetzt. Man erhielt eine einen gleichmässigen Durchmesser von 5,8 mm aufweisende Scheibe mit einer Sinterhartmetall schicht (Dicke 1,8 mm) und einer darüber angeordneten Schicht aus kubischem Bornitrid (Dicke 0,7 mm). Es wurde eine feste Bindung zwischen den kubischen Bornitridteüchen und dem Sinterhartmetall und eine direkte Bindung zwischen den kubischen Bornitridteilchen untereinander festgestellt.

Die verschiedenen Arten der nach der Erfindung hergestellten Körper werden gewöhnlich an einem grösseren Körper, bei-

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spielsweise an einem Werkzeugschaft oder an einer Bohrspitze befestigt, wo sie dann zur Bearbeitung eines Werkstückes eingesetzt werden.

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Claims

Patentansprüche

1. Werkzeugeinsatz, dadurch gekennzeichnet, daß eine vereinigte Masse aus über Jo Volumenprozent kubischen Bor-

auf

Nitridkastallen einer als Unterlage dienenden größeren metallischen Masse festgebunden ist, die aus Sinterhartmetall besteht, die.Grenzfläche zwischen der Masse aus kubischen Bornitrid-Kristallen und dem Sinterhartmetall frei von Hohlräumen ist,sowie in einem eine Dicke von ungefähr l-loo. u aufweisenden Bereich unregelmäßig verläuft und innerhalb dieses Bereiches einzelne kubische Bornitrid-Kristalle und Teile der Sinterhartmetallmasse ineinandergreifen.

2. Werkzeugeinsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse aus kubischen Bornitrid-Kristallen eine metallische Phase umfaßt, die Aluminiumatome und Atome mindestens eines Legierungselementes der Nickel, Kobalt, Mangan, Eisen, Vanadium und Chrom umfassenden Gruppe enthält, und die Gesamtmenge an Aluminium und Legierungskomponente mehr als 1 Gew.% des kubischen Bornitrids ausmacht.

3. Werkzeugeinsatz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der einzelnen kubischen Bornitridkristalle in Richtung ihrer größten Ausdehnung kleiner als ungefähr 3o u ist.

k. Werkzeugeinsatz nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der einzelnen kubischen Bornitridkristalle in Richtung ihrer größten Ausdehnung kleiner als Io u ist.

5. Werkzeugeinsatz nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse aus kubischen Bornitrid-Kristallen die Form einer Schicht hat, die eine Dicke von ungefähr 1,5 mm oder darunter aufweist.

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6. Werkzeugeinsatz nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der kubischen Bornitrid-Kristalle in der Schicht über ungefähr 9o Volumenprozentbeträgt.

7. Werkzeugeinsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen kubischen Bornitrid-Kristalle in Richtung ihrer größten Ausdehnung größer als ungefähr 8o u sind.

8. Werkzeugeinsatz nach Anspruch J₃ dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an kubischem Bornitrid in der Masse aus den kubischen Bornitrid-Kristallen mindestens ungefähr 99 Volumenprozent beträgt.

9. Werkzeugeinsatz nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse aus kubischen Bornitrid-Kristallen die Form einer Schicht hat, die eine Dicke von ungefähr 1, 5 mm oder darunter aufweist.

10. Zusammengesetzter Körper zur spanabhebenden Materialbearbeitung, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Gemisch aus Sinterhartmetall und kubischen Bornitrid-Kristallen besteht.

11. Zusammengesetzter Körper nach Anspruch Io, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch Diamantteilchen enthält.

12. Verfahren zur Herstellung eines zusammengesetzten Körpers zur spanabhebenden Materialbearbeitung, dadurch gekennzeichnet, daß

a) innerhalb einer aus Abschirmmetall bestehenden Umhüllung ein Sinterhartmetallkörper, eine kleinere Masse aus kubischen Bornitrid-Kristallen und eine Materialquelle für eine Legierung aus Aluminium und einem Element aus einer Nickel, Kobalt, Mangan, Eisen, Vanadium und Chrom umfassenden Gruppe angeordnet wird,

b) die Umhüllung samt Inhalt gleichzeitig mindestens

3 Minuten lang einer Temperatur im Bereich von 13oo I6oo° C und einem Druck von mindestens ungefähr 4o kb ausgesetzt wird,

c) die Wärmezufuhr zur Umhüllung abgebrochen wird,

d) der auf die Umhüllung ausgeübte Druck beseitig und

e) der gebildete zusammengesetzte Körper gewonnen wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die kubischen Bornitrid-Kristalle in einer Schicht über mindestens einer Oberfläche des Sinterhartmetallkörpers angeordnet werden, die eine Dicke von ungefähr 1,5 mm oder darunter aufweist.

Ik, Verfahren nach Anspruch 12 und 13» dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterhartmetallkörper Wolframcarbid und Bor enthält.

15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des Sinterhartmetallkörpers ein Hartmetallsinterpulver verwendet wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die kubischen Bornitridkristalle in einer Schicht über wenigstens einer flachen Oberfläche des Hartmetallsinterpulvers angeordnet wird, die eine Dicke von ungefähr 1,5 mm oder darunter aufweist.

17. Verfahren nach den Ansprüchen I5 - 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Hartmetallsinterpulver Wolframcarbid und Kobalt enthält.

18. Verfahren nach den Ansprüchen 12 - 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialquelle für die Aluminiumlegierung

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in Pulverform vorgesehen wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die pulverförmige Materialquelle mit den kubischen Bornitridkristallen vermischt wird.

20. Verfahren nach den Ansprüchen 12 - 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialquelle für die Aluminiumlegierung in Form von Scheiben vorgesehen wird, von denen eine Scheibe aus Aluminium besteht.

21. Körper zur spanabhebenden Materialbearbeitung, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einer Masse aus kubischen Bornitridkristallen und einer metallischen Phase besteht, die Größe der einzelnen kubischen Bornitridkristalle in Richtung ihrer größten Ausdehnung unter ungefähr 3o u liegt, die metallische Phase Aluminiumatome und Atome von mindestens , einem Legierungselement aus der Nickel, Kobalt, Mangan, Eisen, Vanadium und Chrom umfassenden Gruppe enthält und die Gesamtmenge an Aluminiumatomen und Legierungsmetallatomen mehr als 1 Gew.i des kubischen Bornitrids ausmacht.

22. Verfahren nach den Ansprüchen 12, - 2o zur Herstellung eines zusammengesetzten Körpers, bei dem die Materialquelle weggelassen ist und die Größe der Kristalle in Richtung ihrer größten Ausdehnung über 8o u beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß

a) innerhalb einer Umhüllung aus Abschirmmetall Hartmetallsinterpulver und kubische Bornitridkristalle angeordnet werden,

b) die Umhüllung samt Inhalt mindestens 3 Minuten lang gleichzeitig einer Temperatur im Bereich von 13oo - I6oo° C und einem Druck von über ungefähr 4o kb ausgesetzt wird,

c) die Wärmezufuhr zur Umhüllung abgebrochen,

d) der auf die Umhüllung ausgeübte Druck entfernt und

e) der gebildete zusammengesetzte Körper entfernt wird.

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23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Hartmetallsinterpulver und die kubischen Bornitridkristalle in zwei diskreten Massen angeordnet werden.

24. Verfahren nach Anspruch 22 und 23» dadurch gekennzeichnet, daß die kubischen Bornitridkristalle in einer Schicht mit einer Dicke von ungefähr 1,5 mm oder darunter über mindestens einer flachen Oberfläche der Masse aus Hartmetallsinterpulver angeordnet werden.

25· Verfahren nach den Ansprüchen 22 - 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Hartmetallsinterpulver und die kubischen Bornitridkristalle miteinander vermischt werden.

26. Verfahren nach den Ansprüchen 22 - 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Hartmetallsinterpulver Wolframcarbidpulver und Kobaltpulver enthält.

27· Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des Hartmetallsinterpulvers ein Sinterhartmetallkörper verwendet wird.

28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die kubischen Bornitridkristalle in Form einer Schicht mit einer Dicke von ungefähr 1,5 mm oder darunter über mindestens einer Oberfläche des Sinterhartmetallkörpers angeordnet werden.

29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterhartmetallkörper Wolframcarbid und Kobalt enthält.

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