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Schneidplatte für spannabhebende Bearbeitung.
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Die Erfindung betrifft eine Schneidplatte für spanabhebende Bearbeitung
aus bei hoher Temperatur gesinterten hochschmelzenden anorganischen Metalloxiden.
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Bei der spananhebenden Bearbeitung ist neben der Werkstoffart die
gefügeausbildung der Schneidewerkzeuge für die Standzeit dieser Werkzeuger von entscheidender
Bedeutung. Seit die oxidkeramischen Arbeitsverfahren zur Gewinnung von Formkörpern
aus hochschmelzendem gesinterten Aluminiumoxid geführt haben, die sich durch eine
besonders hohe Harte @nd Druckfestigkeit bei guter chemischer Beständigkeit und
Warmfestikeit auszeichnen, hat dieser Werkstoff als Schneidwerkzeug, entweder in
Form von Drehneißeln oder als schneidplättchen in der Praxis breiten Eingang gefunden.
Es hat sich aber gezeigt, daß trotz der hohen Härte und Verschleißfestigkeit dieser
Werkstoff nicht allen Anforderungen genügt, sowohl hinsichtlich der Zähigkeit des
Werkstoffes als auch besonders wegen des nicht voll befriedigenden Standvermögens
der eigentlich schneidenden Kanten. Infolge der polykristallinen Struktur des gesinterten
Aluminiumoxides können im Gebrauch leicht Kristallitkörner ausbrechen, so daß durch
veränderung, vor allem der Schneide das Arbeitsergebnis gefährdet
werden
kann. Es kann sogar vorkommen, daß bei stoßartigen Belastungen, wie sie durch Oberflächenraubigkeit,
konstruktiv bedingte Ausnehmungen oder Inhomogenitäten des Materials beim bearbeiteten
Werkstück auftreten, ganze Teile der schneidenden Kante wegbrechen. Tn diesen Fällen
liegt die Standzeit des Werkzeuges weit unter der, die durch natürlichen Verschleiß
eintritt.
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Obwohl es dlarch dieses hochwertige Material gelungen ist, die Arbeitsgeschwindigkeit
moderner Maschinen für spanabhebende Bearbeitungs er starker zu steigern, konnten
diese Schwierigkeiten bisher nicht vollkommen behoben werden. Dabei tr;tt insofern
eine negative Doppelwirkung auf, als nicht nur die Standzeiten der Schneidplatte
wesentlich herabesetzt wurde, sondern auch des zu bearbeitende Werkstück in Fällen,
bei denen es alf Präzision ankommt, beschädigt werden kann. Diese Unzulänglichkeiten
sind wahrscheinlich darin begründet, daß gesintertes Aluminiumoxid als keramischer
Werkstoff verhältnismäßig sorode ist.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, für hochbeanspruchte
Schneidplatten einen Werkstoff zu finden, der diese Nachteile nicht zeigt und längere
Standzeit ermöglicht. Die Auffindung eines solchen Werkstoffes stieß aber bisher
auf unüberwindbare Schwierigkeiten. Gesintertes Aluminiumoxid ist ein in den letzten
Jahrzehnten hinsichtlich der Reinheit, Festigkeit und der damit verbundenen Eigenschaften
so hochgezüchteter Werkstoff, daß wesentliche weitere Verbesserungen, insbesondere
hinsichtlich der oben aufgezeigten Mängel nicht mehr möglich erscheinen. Andere
hochschmelzende Metalloxide, wie Berylliumoxid, Zinkoxid, Titanoxid, Magnesiumoxid,
sind zwar gelegentlich in Vorschlag gebracht w@rden, aber gegenüber gesintertem
Aluminiumoxid in ihren Festigkeitseigenschaften so benachtei@@@t,
daß
sie auf dem Gebiet den Schneidplatten keinen Eingang in die Technik finden konnten.
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Überraschenderweise wurde jetzt gefunden, daß ich die aufgezeigten
Nachteile bei einer Schneidplatte für @panabhebende Bearbeitung aus bei hohen Temperatur
gesinterten Hartstoffen aus hochschmelzenden anorganischen Metalloxiden dadurch
beseitigen lassen, daß die Schneidpplatte aus bei Temperaturen oberhalb 1600° C
gesintertem, teilstabilisiertem Zinkoxid mit mit einem kubischen Phasenteil von
75 bis 25 % und einer mittleren Biegebruchfestigkeit von mehr als 30 kp/mm² besteht.
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Die überraschende Tatsache, daß es mit einem gesinterten teilstabilisierten
Zinkoxid von so hoher mittlerer Biegebruchfestigkeit gelingt, das anstehende technische
Problem zu lösen, ist voraussichtlich darin begründet, daß bedingt durch die hohe
bisher bei diesem Werkstoff nicht erreichbare Biegebruchfestigkeit eine wesentlich
höhere Korngrenzenfestigkeit vorliegt, so daß auch bei hohen Arbeitsgeschwindigkeiten
und der dabei auftretendengroßen Reibung und großen Wärme keine Körner aus der Oberfläche
herausbrochen werden, die dann die Ursache für weitere Zerstörung der Schneidplatte
und die Beeinträchtung des Werkstückes sein können. Die wesentliche Steigerung der
Biegebruchfestigkeit und die daraus resultierende Verbesserung der Stoßempfindlichkeit
sind wahrscheinlich insbesondere auf die starke Verzahnung der Korngrenzen ineinander
zurückzuführen. Im Vergleich zu @esintertem Aluminiumoxid is dieser neue Werkstoff
als relativ zäher Sinterkeramikwerkstoff zu bezeichnen, da neben der Schlagzähigkeit
auch die Begeschwellfestigkeit eine wesentliche Steigerung erfahren hat.
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Als Stabilisierungsmittel kommen in Betracht die Metalloxide solcher
Kationen, die einen Ionenradius ähnlich dem des Zirkons haben, also die Metalloxide
des Yttriums, Lanthans, Ytterbium. Cers, Titans und Kombinationen dieser Metalloxide.
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Besonders geeignet ist Magnesiumoxid, wobei auf die besonders bevorzugte
Art, mit der diese Stabilisierungsmittel im Formkörper zur Wirkung gebracht wird,
später eingegangen ist.
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Dabei ist erfindungswesentlich, daß im fertiggesinterten Produkt der
kubische phasenanteil zwischen 75 und 95 % liegt.
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Die optimalen Eigenschaften hinsichtlich der mechanichen Werte und
der Verschleißfestigkeit sind jedoch nur gegeben, wenn die beiden Merkmale des bestimmten
Rereiches an kubischem Phasenanteikl und einer Biegebruchfestigkeit von mehr als
30 kp/mm² bei der Schneidplatte vereinigt sind.
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Bei Verwendung von Magnesiumoxid als Stabilisator liegt der Gesamtgehalt
an Magnesiumoxid in der Schneidplatte vorteilhaft zwischen 2,5 bis 3,0 Gew.%. Der
bevorzugte Bereich ist °,6 bis 2,85 Gew.%, wobei sich bei einem Magnesiumoxidgehalt
hei X,7 Gew.% ein deutliches Maximum in einer reihe von Eigneschaften ergibt, insbesondere
in der Biegebruchfestigkeit, aber @uch in der nichte ind der Härte.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Schneidplatte
eine Dichte von mehr als 5,5 g/cm³ auf, die vorzugsweise sogar bei 5,65 bis 5,80
g/cm³ liegt. Eine so hohe Dichte bedeutet nahezu Porenfreiheit. Die höhere Dichte
ergibt gleichzeitig noch einen festeren Kornverbund, was sich ebenfalls in der bisher
unerreichten hohen Biegebruchfestigkeit ausdrückt.
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Ein ganz wesentlich weitere Bestandteil der Erfindung ist das Verfahren
zum Herstellen der Schneidplatte mit den oben
aufgezeigten Eigenschaften,
insbesonder mit der erforderlichen hohen Biegebruchfestigkeit. Wie bereits ausgeführt,
ist gesinterte@ Zirkonoxid, auch wenn das monokline Ausgangsmaterial durch Zusatz
weiterer Metalloxide, wie Magnesiumoxid, stabilisiert wird, in seinen Festigkeitseigenschaften
nicht ausreichend und hält deshalb einem Vergleich mit Formkörpern aus gesintertem
Aluminiumoxid nicht stand. Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß dieses Hindernis
mangelnder Festigkeitseigenschaften und die Erzielung der erforderlichen hohen Biegebruchfestigkeit
bei den erfindungsgemäßen Schneidplatten durch ein Verfahren erreicht werden kann,
das Gew dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Gemisch aus 30 bis 90 % Gew monoklinen
Zirkonoxid, aus 7,8 bis 69,5 % Magnesiumoxid -vorstabilisiertem Zirkonoxid und aus
0,5 bis 2,2 Gew.% freiem Magnesiumoxid auf Temperaturen oberhalb 1600° C erhitzt
wird; die angegebenen Gehalte beziehen sich Jeweils auf die Gesamtausgangsmischung.
Dabei wird bei Verwendung des bevorzugt geeigneten Stabilisierungsmittels Magnesiumoxid
soviel an freiem Magnesium dem Gemisch aus monoklinem Zirkonoxid und vorstabilisiertem
Zirkonoxid zugegeben, daß der Gesamtgehalt an stabilisierenden Metalloxid im Gemisch
2,7 bis 3,3 Gew.% beträgt.
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Die ontimalen Eigenschaften der Schneidplatte nach der Erfindung werden
bei einem Gehalt von insgesamt 2,9 Gew.% Magnesiumoxid im Ausgangsgmisch erhalten.
Daß das Optimum der Biegebruchfestigkeit und anderer Eigenschaften etwas niedriger,
nähmlich bei einem Magnesiumoxidgehalt von 2,7 Gew.% in der Schneidplatte liegt,
steht dazu nicht im Widerspruch, sondern erklärt sich daraus daß einige Zehntel
Gewichtsprozent an stabilisierenden Metalloxid bei der Pulveraufbereitung und Sinterung
verloren gehen. Bei Verwendung anderer Metalloxid als Stabilisierungsmittel sind
infolge der unterschiedliche Molekulargewichte die Gewichtsverhältnisse jeweils
etwas anders, ohne daß sich an der erfindungswesentlichen
Verfahrensmerkmal
etwas ändert, einen Teil der Stabilisierung erst beim Sinterprozeß vorzunehmen.
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Dabei wird als Ausgangsmaterial vorzugsweise ein aus der Schmelze
gewonnenes Zirkonoxid mit einem Reinheitsgrad -ron mehr als 99 % verwendet.
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Durch den Kunstgriff, die an sich vom Zirkonoxid her bekannte Stabilisierung
mit Metalloxiden wie
MSF~ @esiumoxid, Ceroxid, Lanthanoxid, Ytterbiumoxid, Titanoxid, Yttriumoxid und
Kombinationen davon nlir bei einem Teil des Ausgangspulvers vorzunehmen, die weitere
Stabilisierung aber beim eigentlichen Sinterprozeß durchzuführen, wird die bisher
nicht für mäglich gehaltene Verbesserung in den Eigens schaften der Schneidplatten
erreicht, insbesondere hinsichtlich der hier wesentlichen Biegebruchfestigkeit,
die sich bis auf 60 kp/mm² und darüber steigern läßt und hinsichtlich der Dichte.
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Nachfolgend wird die Herstellung einer Schneidplatte gemäß der Erfindung
an einem bevorzugten Beispiel beschrieben, ohne daß sich sie Erfindung auf dieses
Beispiel beschränkt: 68,7 Gew.% monoklines aus der Schmelze gewonnenes Zirkonoxid
nit einer Reinheit von mehr als 9Q O/o wird mit 29,4 Gew.% vorstabilisiertem Zirkonoxid
und 1,9 Gew.% Magnesiumoxid unter Zugabe von Wasser in einer Schwingmühle auf eine
spezifische Oberfläche von 4 bis 6 m²/g nach BET gemahlen. Die Vorstabilisierung
erfolgte durch einen Diffusionsprozeß nach vorbekannte verfahren mit 3,8 Gew.% Magnesiumoxid,
bezogen auf das für die Vorstabilisierung eingesetzte Zirkonoxid.
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Das so erhaltene Ausgangsgemisch wird unter Zugabe von @@-@e@ 10 %-iger
Polyvinylacetatlösung, daß eine gute @e@@@e@-barkeit
gewährleistet
ist. zu der Schneidplatte verpreßt und bei einer Temperatur von 1770° C 2 Std. lang
an Luft gesintert. Die Brandführung richtet sich dabei nach den technischen Gegebenheiter
des verwendeten Sinterofen@.
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Die so hergestellte Schneidplatte weist eine Dichte von 5,65 g/cm³,
eine Vickershärte von 1200 kp/mm² und eine mittlere Biegebruchfestigkeit von 63
kp/mm² (gemessen an einem entsprechenden Probekörper in den Abmesungen von 6,4 x
6,4 x 25 mm) auf.
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Ein besonderer Vorteil der Schneidplatten gemäß der Erfindung liegt
darin, daß sie besonders gut für die spanabhebende Bearbeitung von Aluminium oder
Aluminiumlegierungen verwendet werden können. Es ist bekannt, daß Schneidplatten
aus gesintertem Aluminiumoxid bei der Berbeitung von Aluminium oder Aluminiumlegierungen
mit dem Werstück verschweißen und eine sogennante "Aufbauschneide" bilden, die zum
baldigen Ausfall der Schneidplatte führt. Überraschenderweise hat sich gezeigt,
daß Schneidplatten gemäß der Erfindung diese Verschweißungen nicht aufweisen. Durch
diesen zusätzlichen Vorteil wird der Weg eröffnet, für die spanabhebende Bearbeitung
auch von Aluminium und Aluminiumlegierungen die wegen ihrer hohen Warmhärte und
Verschleißfestigkeit so vorteilhaften oxidkeramischen Schneidplatten einzusetzen.
Der neue Werkstoff weist im Vergleich zum Aluminiumoxid eine wesentlich geringere
Neigung zu Verschweißungen mit Leicht- und Buntmetallen auf. Bei Aluminium beträgt
sie nur 20 % im Vergleich zur Kombination Aluminium/ Aluminiumoxid. Besonders vorteilhaft
ist die erzielbare höhere Oberflächengüte bei dem bearbeiteten Werkstück.