DE2265792C2

DE2265792C2 -

Info

Publication number: DE2265792C2
Application number: DE2265792A
Authority: DE
Inventors: Robert Henry Schenectady N.Y. Us Wentorf Jun.; William Achillo Scotia N.Y. Us Rocco
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1971-07-01
Filing date: 1972-06-30
Publication date: 1987-11-12
Also published as: NL180445B; JPS5940579B2; SE8001534L; DE2232227C2; NL8302488A; DK155659C; IT956916B; FR2144426A5; SE415882B; SE454983B; ATA570972A; NL7208868A; JPS54119506A; JPS5243846B1; NL180445C; DE2232227A1; NL174715B; DK155659B; AT336432B; NL174715C

Description

Die Erfindung betrifft einen kubisches Bornitrid enthaltenden Werkzeugeinsatz.

Aus der US-PS 29 47 617 ist ein Drehmeißel bekannt, dessen Schneideinsatz aus einem einzigen kubischen Bornitridkristall besteht, der unter Verwendung einer Lotzwischenschicht und einer Zwischenschicht aus Titanhydrid auf dem Meißelschaft befestigt ist. Weiterhin ist aus dieser Patentschrift auch bereits eine Schleifscheibe bekannt, deren Verschleißschicht kubische Bornitridkristalle enthält, die in einer Harzmatrix eingebettet sind. Die Verschleißschicht ist auf einem aus Harz bestehenden Grundkörper angeordnet. Ein für die Bestückung eines Drehmeißels geeigneter Einkristall aus kubischem Bornitrid sollte möglichst groß sein. Die Herstellung von großen Kristallen aus kubischem Bornitrid ist jedoch außerordentlich schwierig.

Aus der US-PS 31 36 615 und der DE-AS 11 69 833 sind bereits Schleif- und Schneidkörper bekannt, die Kristalle aus Diamant und/oder kubischem Bornitrid enthalten, die in einer Matrix aus Borkarbid eingebettet sind. Derartige Körper sind verhältnismäßig spröde und brechen daher leicht unter der Einwirkung der bei der spanabhebenden Bearbeitung auftretenden hohen Drücke auseinander.

Aus der DE-PS 6 61 132 ist ein Verfahren zum Bestücken eine Schneidwerkzeuges mit einem Hartmetallplättchen bekannt, bei dem der Grundkörper des Schneidwerkzeuges mit einem kaltgepreßten, vorgesinterten, fertiggesinterten oder erschmolzenen Hartmetallplättchen belegt wird und durch gleichzeitige Anwendung von Druck und Erhitzung mit dem Grundkörper verbunden wird.

Aus der GB-PS 10 34 386 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Hartmetallformkörpers aus mehreren Hartmetallen bekannt, die zu einem Formkörper vereinigt werden, indem die einzelnen Hartmetallteile mit entsprechend angepaßten Flächen zusammengepreßt und soweit erhitzt werden, bis das im Hartmetall vorhandene Bindemetall schmilzt.

Aus der DE-AS 15 02 019 ist ein Schneideinsatz aus Hartmetall zur Bestückung spanender Werkzeuge bekannt, der einen dickeren Grundkörper aus Hartmetall aufweist, auf dem eine dünnere Verschleißschicht aus mit Titankarbid modifiziertem Hartmetall aufgebracht ist. Zur Herstellung eines derartigen Schneideinsatzes kann ein Pulver für den Grundkörper in eine Form gegeben werden, worauf ein zur Bildung der Verschleißschicht geeignetes Pulver aufgestreut und das Ganze anschließend gepreßt und gesintert wird.

Sehr harte Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen auf Nickelbasis, lassen sich mit den bekannten Schneideinsätzen kaum oder nur sehr schwer bearbeiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kubisches Bornitrid enthaltenden Werkzeugeinsatz zu schaffen, der preiswert ist und eine so hohe Festigkeit aufweist, daß damit auch besonders zähe und harte Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen, einwandfrei bearbeitet werden können.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen kubisches Bornitrid enthaltenden Werkzeugeinsatz gemäß Anspruch 1.

Der Werkzeugeinsatz nach der Erfindung kann leicht auf einen geeigneten Werkzeughalter aufgelötet werden und zeichnet sich durch ausgezeichnete Festigkeit aus, da die durch die Aluminium enthaltende metallische Phase fest miteinander verbundenen Teilchen aus kubischem Bornitrid durch die extrem steife Sinterhartmetallunterlage abgestützt sind.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind die kubischen Bornitridkristalle kleiner als 30 µm, vorzugsweise kleiner als 10 µm.

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

Fig. 1 eine Anordnung zum Herstellen von Werkzeugeinsätzen,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Werkzeugeinsatzes,

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie XX oder YY in Fig. 2,

Fig. 4 und 5 perspektivische Ansichten von weiteren Werkzeugeinsätzen, und

Fig. 6 einen Schnitt einer Anordnung zum Herstellen der Einsätze nach Fig. 2, 4 und 5.

Zur Herstellung von Werkzeugeinsätzen wird vorzugsweise die in der US-PS 29 41 248 beschriebene Vorrichtung zum Erzeugen von hohen Drücken und hohen Temperaturen verwendet.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung zum Herstellen einer Reihe von scheiben- oder pillenförmigen Schichtkörpern (Sinterhartmetallunterlage mit einer Schicht aus gesintertem Bornitrid mit kubischer Kristallstruktur) und Verwendung einer Aluminiumlegierung als Bindemittel.

Die Anordnung weist einen Abschirmzylinder 32 aus einem Gettermetall zur Verhinderung des Zutritts und zur Beseitigung von Sauerstoff auf. Als Gettermetall 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 beispielsweise aus hexagonalem Bornitrid oder Salz (NaCl) bestehen, das sich im wesentlichen bei der Durchführung des Verfahrens nicht ändert und nach Durchführung des Verfahrens die Trennung der Teilfüllungen erleichtert. Jede Teilfüllung wird von einem mit einer Abdeckscheibe 34 a abgeschlossenen Becher 34 umschlossen. Der Becher 34 und die Abdeckscheibe 34 a bestehen aus irgendeinem der in Verbindung mit dem Abschirmzylinder 32 erwähnten Gettermetalle, vorzugsweise jedoch aus Zirkonium oder Titan. Jede Teilfüllung besteht aus einer Masse 36 auf fein zerteilten kubischen Bornitridkristallen (mit einer Teilchengröße unter 30 µm), 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 einem 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 einem Sinterkörper oder aus Pulver aus Karbidhartmetall. Falls die Masse 37 aus Pulver besteht, wird dieses bei der Durchführung des Verfahrens zu Karbidhartmetall gesintert. Das Verhältnis der Aluminiummenge zur Menge seiner Legierungspartner ist nicht kritisch und kann in einem Bereich liegen, der sich von ungefähr gleichen Gewichtsteilen Aluminium und Legierungsmetall bis zu ungefähr 1 Gewichtsteil Aluminium pro 10 Gewichtsteile Legierungsmetall erstreckt.

Bei einer Heißpreßtemperatur von 1300°C sollte der Mindestdruck 40 Kilobar und bei 1600°C sollte der Mindestdruck 50 Kilobar betragen. Bei diesen Temperaturen schmilzt das in der Masse 37 vorhandene Bindemetall, so daß je nach der Zusammensetzung des verwendeten Karbidhartmetalls 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 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 Karbidmetall. 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 Gettermetall bedeckt, das an den Außenflächen der Werkzeugeinsätze sehr fest haftet. Das Gettermetall kann zur Freilegung der gewünschten Flächen der Werkzeugeinsätze leicht abgeschliffen werden.

Unter Verwendung von kubischen Bornitridkristallen mit einer Teilchengröße von 1 bis 10 µm 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.

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 mit dem Becher 34 oder mit einem Teil des Karbidhartmetalls 36 legieren kann.

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 anderer aktiver 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.

Fein zerteilte kubische Bornitridkristalle werden vorzugsweise aus größeren kubischen Bornitridkörnern durch Zerkleinern in einer Strahlmühle hergestellt. Zur Reinigung der Kristallflächen 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 Karbidhartmetall-Unterlage mit einer kubischen Bornitridschicht wurden zu Vierkantschneidwerkzeugen (Kantenlänge ungefähr 6,1 mm) verarbeitet, die zur spanabhebenden Bearbeitung der Superlegierung Inconel 718 eingesetzt wurden. Ein typisches mit Ni-Al gebundenes Werkzeug besteht aus einem Karbidhartmetallblock 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 mm 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 wurde einer Verschleißprüfung unterzogen, bei der ein aus der Superlegierung Ren´ 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 Füllung nach Fig. 1 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 (Teilchengröße 1 bis 10 µm) verwendet. Das in den Beispielen 2 und 6 verwendete kubische Bornitrid wurde vor dem Einführen in das Reaktionsgefäß in NH₃ gebrannt. In jedem Falle wurde eine vorgesinterte Karbid- Hartmetallscheibe aus Unterlage verwendet.

Beispiel 1

Ein Becher aus Zirkonium wurde mit einer vorgesinterten Hartmetallscheibe (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 Verschleißprüfung wurde eine Verschleißnarbentiefe von 35,5 µm 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 (0,065 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 Anordnung 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 Metallmatrix zeigte ein dicht gepacktes Mikrogefüge. Bei der Verschleißprüfung wurde eine Verschleißnarbentiefe von 25,4 µm gemessen.

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 Verschleißprüfung wurde eine Verschleißnarbentiefe von 12,7 µm 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 µm 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 (Teilchengröße 115 bis 150 µm, Gewicht 0,093 g) gefüllt. Die aus der Eisen- Aluminium-Legierung bestehende Scheibe 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, Teilchengröße 1 bis 20 µm), 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% Mn19% 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 Matrixmaterial. Die vorhandene Metallmatrix zeigte eine gute Verbindung mit den Teilchen aus kubischem Bornitrid. Bei der Verschleißprüfung wurde eine Verschleißnarbentiefe von 18 µm gemessen.

Beispiel 7

Ein aus Zirkonium bestehender Becher wurde mit einer vorgesinterten Hartmetallscheibe (Dicke 1,27 mm) und einem Gemisch (0,065 g) aus kubischen Bornitridteilchen, Karbidhartmetallpulver (0,032 g) aus 87% WC und 13% Co 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 vorgesinterten Hartmetallscheibe sowie der Metallmatrix vorlag. Bei der Verschleißprüfung wurde eine Verschleißnarbentiefe von 9 µm gemessen.

Beispiel 8

Ein aus Zirkonium bestehender Becher wurde mit einer vorgesinterten Hartmetallscheibe (Dicke 1,27 mm), einer Schicht aus Karbidhartmetallpulver (0,046 g) aus 75% WC und 25% Co und einer Aluminiumscheibe (0,01 g) und Teilchen aus kubischem Bornitrid (0,06 g) gefüllt. Die Hartmetallpulverschicht wurde auf die Oberfläche der vorgesinterten Hartmetallscheibe aufgebracht und die Aluminiumscheibe wurde zwischen der Hartmetallpulverschicht 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 dem vorgesinterten Hartmetall und dem in situ gesinterten Hartmetall wurde eine gute Verbindung festgestellt. Auch wurde eine gute Verbindung zwischen dem kubischen Bornitrid und der Metallmatrix festgestellt. Außerdem wurden einige metallische Inseln (20 bis 30 µm) festgestellt. Der aus kubischem Bornitrid bestehende Teil des Schichtkörpers zeigte ein gutes Poliervermögen. Bei der Verschleißprüfung wurde eine Verschleißnarbentiefe von 11 µm gemessen.

Beispiel 9

Es wurden zwei Schichtkörper hergestellt, die als Einsätze für Drehmeißel für Drehmaschinen verwendet werden. In jedem Falle wurde eine einer Teilfüllung nach Fig. 1 entsprechende Anordnung verwendet. Die Anordnung bestand aus einem Zirkonium-Becher 34 mit einem Durchmesser von 8,9 mm und aus einer Abdeckscheibe 34 a. Die Masse 37 bestand aus einer Karbidhartmetallscheibe (Dicke 2,9 mm). Die Masse 36 bestand aus gereinigtem und in einer Strahlmühle zerkleinertem kubischem Bornitrid (0,12 g, 1 bis 10 µm). 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 300 µm zeigte, wurde an den nach Beispiel 9 hergestellten Schichtkörpern lediglich ein Verschleiß von 10 µm an der Schneidkante aus kubischem Bornitrid festgestellt. 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 Karbidhartmetallwerkzeuge festgestellt. Diese Verschleißart war vorauszusehen, da die Werkzeuge alle die gleiche Geometrie aufwiesen. Bei Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit zeigen die Schichtkörper mit kubischem Bornitrid ein besseres Verhalten als die nur mit Karbidhartmetall 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 Karbidhartmetall 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. 2, 4 und 5 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 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. 6 weist beispielsweise der Salzblock 21 a eine Aussparung 72 a auf, die eine der gewünschten Gestalt des Werkzeugeinsatzes entsprechende Form aufweist. Die Aussparung 72 wird mit dem Gettermetall 73, beispielsweise Zirkonium, ausgekleidet und dann mit der Masse 74 aus einem Sinterkörper oder aus Pulver aus Karbidhartmetall, 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 21 b 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 der Zerstörung schützt. Es kann eine Reihe von übereinandergestapelten Salzblöcken 21 a und 21 b in die Vorrichtung zur Erzeugung von hohen Drücken und hohen Temperaturen eingesetzt werden.

Bei dem Werkzeugeinsatz 40 nach Fig. 2 sind die Stirnflächen 41 und 42 des Hartmetallblockes 43 und der Einlage 44 aus kubischem Bornitrid in der aus Fig. 3 ersichtlichen Weise geneigt, damit die Schneidkanten der Einlage 44 ohne Schwierigkeiten an ein Werkstück herangebracht werden können.

Die in Fig. 4 und 5 dargestellten Werkzeugeinsätze 52 und 62 weisen dünne Schichten 51 und 61 aus kubischem Bornitrid auf. Der Anteil des kubischen Bornitrids in den Schichten 51 und 61 beträgt ungefähr 90 bis 97 Volumenprozent. Die Dicke der Schichten aus kubischem Bornitrid beträgt mindestens ungefähr 0,025 mm und höchstens 1,5 mm. 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.

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 kubischem 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 Materialbearbeitung verwendet wird.

Nach den vorstehend beschriebenen Verfahren mit 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. 1 und Fig. 6 hergestellten Schichtkörpern verläuft die Grenzfläche zwischen der kubischen Bornitridmasse und der Sinterhartmetallmasse 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 kubischem Bornitrid und Hartmetall beobachtet werden, wobei in diesen Fällen die Bruchfläche einen unregelmäßigen 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 Erfindung 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 µm, was darauf hindeutet, daß das Hartmetallgefüge in jedem Fall nur geringfügig angegriffen wird. Die Grenzfläche ist frei von Hohlräumen und unregelmäßig in Mikrometergrößenordnung (1 bis 100 µm), 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 unregelmäßige Grenzfläche läßt sich offensichtlich nicht erzielen, wenn ein fertiger Sinterkörper aus kubischem Bornitrid auf eine Hartmetallscheibe gelötet wird.

Claims

1. Kubisches Bornitrid enthaltender Werkzeugeinsatz, gekennzeichnet durch einen Schichtkörper

- aus einer bis zu 1,5 mm dicken Schicht, die aus über 70 Vol.% polykristallinem, kubischen Bornitrid und mehr als 1 Gew.-% (bezogen auf das kubische Bornitrid) einer Legierung aus Aluminium mit Nickel, Kobalt, Mangan, Eisen, Vanadium und/oder Chrom als Legierungskomponente besteht,
- aus einer Sinterhartmetallunterlage als Abstützung und
- einer in einem eine Dicke von 1 bis 100 µm aufweisenden Bereich unregelmäßig verlaufenden Grenzfläche zwischen dem gebundenen polykristallinen kubischen Bornitrid und der Sinterhartmetallunterlage, die frei von Hohlräumen ist,

hergestellt durch Sintern im Bereich von 1300°C bei mindestens 40 kb und 1600°C bei mindestens 50 kb einer Schichtenanordnung aus

- Hartmetallpulver oder Sinterhartmetall,
- fein zerkleinerten kubischen Bornitridkristallen und
- Aluminiumlegierung oder Aluminium und Legierungskomponente, wobei das Gewichtsverhältnis von Aluminium zu Legierungskomponente 1 : 1 bis 1 : 10 beträgt.

2. Werkzeugeinsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kubischen Bornitridkristalle kleiner als 30 µm, insbesondere kleiner als 10 µm sind.