DE2756512C2

DE2756512C2 - Verwendung eines Sinterkörpers für ein Werzeug zur spanabhebenden Bearbeitung von Stahl und Gußeisen

Info

Publication number: DE2756512C2
Application number: DE2756512A
Authority: DE
Inventors: Akio Hara; Shuji Itami Hyogo Yazu
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1976-12-21
Filing date: 1977-12-19
Publication date: 1994-07-14
Anticipated expiration: 1997-12-20
Also published as: US4334928A; DE2756512A1; AU512633B2; GB1593770A; FR2375155A1; FR2375155B1; CA1090062A; DE2756512C3; AU3152077A

Description

Die Erfirdung betrifft die Verwendung eines Sinterkörpers für ein Werkzeug zur spanabhebenden Bearbeitung von StaJrl und Gußeisen.

Es ist bekannt, zur spanabhebenden Bearbeitung von Nichteisenmetallen diamantbestückte Werkzeuge zu benutzen. Zur spanabhebenden Bearbeitung von Eisen und Stahl haben sich diese Werkzeuge insbesondere aufgrund des hohen Verschleißes jedoch als ungeeignet erwiesen (DE-OS 21 17 056, »The Properties of Diamond«,]. E. Field, Academic Press, 1979, S. 363—369).

Aus der US-PS 28 88 355 ist ein Körper bekannt, der aus Bornitrid sowie Carbiden der Obergangsmetalle besteht Hochdruck-Bornitrid ist erstmals durch die US-PS 29 47 617 bekannt geworden. Hochdruck-Bornitrid enthält Bornitrid in kubischer Form (im folgenden als CBN bezeichnet) und Wurtzit-Bornitrid (im folgenden als WBN bezeichnet). Durch seine Diamant sehr ähnliche Kristallstruktur besitzt Hochdruck-Bornitrid mechanisehe Eigenschaften, die denjenigen des Diamanis weitgehend entsprechen. Hochdruck-Bornitrid findet daher als Ersatz von Diamant Anwendung.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein verschleißfestes Werkzeug zur spanabhebenden Bearbeitung von Stahl und Gußeisen zur Verfügung zu steiien.

Erfindungsgemäß hat sich gezeigt, daß diese Aufgabe gelöst wird, wenn das Werkzeug mit einem Sinterkörper versehen wird, der aus 10 bis 8 · VoL-% kubischem Bornitrid und/oder Bornitrid des Wurtzit-Typs in einer Matrix aus mindestens einer.i Carbid, Nitrid, Carbonitrid, Borid oder Silizid von Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän und/oder Wolfram besteht. Dieses unterschiedliche Verhaken von Hochdruck-Bornitrid gegenüber Diamant bei der Verwendung für ein Werkzeug zur spanabhebenden Bearbeitung von Stahl und Gußeisen ist überraschend.
Die ausführlichere Erläuterung der Erfindung erfolgt unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Darin zeigt

F i g. 1 den Verlauf der Wärmeleitfähigkeit, abhängig von der Temperatur von CBN und verschiedenen anderen Bestandteilen;

F i g. 2 ein Druck-Temperatur-Diagramm eines stabilen Bereiches von CBN;

Fi g. 3 eine fotographische Wiedergabe der Struktur eines gemäß der Erfindung verwendbaren Sinterkörpers « in 1500facher Vergrößerung;

F i g. 4 ein Diagramm der Gitterkonstanten von TiN in einem gemäß der Erfindung verwendbaren Sinterkörper, abhängig von der Sintertemperatur;

F i g. 5 ein Diagramm des Verhältnisses der Atomgewichte von Stickstoff und Titan in einem TiN-Material in Abhängigkeit von der Gitterkonstanten;

F i g. 6 den Zusammenhang zwischen dem in einem Sinterkörper enthaltenen CBN-Volumen und den Zeitabschnitten, in welchen ein Fräser mit einem gemäß der Erfindung verwendbaren Sinterkörper sich um einen vorgegebenen Betrag abnützt;

F i g. 7 den Zusammenhang zwischen der mittleren Teilchengröße von CBN eines Sinterkörpers und der Abnutzungsbreite;

F i g. 8 einen metastabilen Bereich in der Druck-Temperatur-Abhängigkeit von WBN;
F i g. 9 die Form eines Werkstücks;

Fig. 10 ein Diagramm zur Verschleißfestigkeit eines Fräsers bzw. spanabhebenden Werkzeuges mit einem gemäß der Erfindung verwendeten Sinterkörper und

Fi g. 11 den Zusammenhang zwischen der in einem Sinterkörper enthaltenen WBN-Menge und dem Zeitabschnitt, in dem sich ein spanabhebendes Werkzeug mit einem solchen Sinterpreßling um einen vorgegebenen Betrag abnützt.

Damit CBN in einem Sinterpreßling, beispielsweise in einem Werkzeugstahl, als spanabhebendes Werkzeug, zu optimalen Ergebnissen führen kann, benötigt man ein Bindematerial oder ein Matrix, die hinsichtlich Wärmeleitfähigkeit, Temperaturbeständigkeit, Härte, Verschleißfestigkeit, Zähigkeit und Reaktionssicherheit mit dem Werkstück zufriedenstellende Eigenschaften aufweist.

Bei dem gemäß der Erfindung verwendbaren Sinterkörper besteht die Matrix aus Carbiden, Nitriden, Carbonitriden, Boriden und Suiziden von Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo und/oder W. Diese Stoffe haben im allgemeinen eine große Härte, einen hohen Schmelzpunkt und sie zeigen im Vergleich zu Oxyden die Eigenschaften von

Metallen. Insbesondere ist die Wärmeleitfähigkeit dieser Stoffe derjenigen von Metallen sehr ähnlich.

Hinsichtlich Temperaturbeständigkeit und Festigkeit besitzt u. a. Al₂O₃ bei Zimmertemperatur ausgezeichnete Eigenschaften und eine gute Wärmeleitfähigkeit. Allerdings geht diese Wärmeleitfähigkeit, wie F i g. 1 zeigt, mit steigender Temperatur erheblich zurück. Für ein spanabhebendes Werkzeug, bei dem das Temperaturverhalten entscheidend ist, hat dies beträchtliche Nachteile.

Im Gegensatz dazu besitzen die erwähnten anderen Stoffe gemäß F i g. t bei höheren Temperaturen auch eine höhere Wärmeleitfähigkeit

Zur Herstellung eines Sinterkörpers aus derart ausgewählten Bindematerialien und CBN wird zunächst pulverisierte«= CBN mit einer mittleren Teilchengröße von 0,1 bis 100 um mit mindestens einem Bestandteil gemischt, der eine mittlere Teilchengröße von weniger als 50 μπι aufweist Die pulverige Mischung oder der bei Zimmertemperatur vorgeformte Rohpreßling wird dann während mehr als drei Minuten und einem Druck von einem mehr als 20 Kb bei einer Temperatur von mehr als 700°C in einer Gurt- oder Band-Hochdruckeinrichtung gesintert Als Heizelement dient ein Graphitrohr, in dem sich ein elektrischer Isolator, beispielsweise Talkum oder Kochsalz befindet, der die pulverförmige Mischung bzw. den Rohpreßling umgibt Um das Graphitrohr wird Pyrophyllit als Druckmittel eingefüllt Gesintert wird bei einem Druck und bei einer Temperatur in einem stabilen Bereich von CBM geaiäß F i g. 2. Dieser Bereich läßt sich momentan noch nicht exakt festlegen und bildet nur ein Kriterium. Die Bedingungen lassen sich verändern, je nach dem temperaturbeständigen Bindematerial, das zusammen mit CBN verwendet wird. Wesentlich für die Brauchbarkeit des Sinterkörpers gemäß der Erfindung ist, daß das temperaturbeständige Bindematerial in der Struktur des Sinterkörpers eine kontinuierliche Matrix bildet Das bedeutet, daß bei dem Sinterkörper das zähe und temperaturbeständige P^:ndematerial die Zwischenräume zwischen den CBN-Teilchen ausfüllt

Es wurde ermittelt, daß zur Herstellung eines Sinterkörpers der oben geschilderten Struktur die CBN-Menge im Sinterkörper nicht mehr als 80 VoL-% betragen darf. Die untere Grenze für die CBN-Menge liegt bei 10 VoI.-%. Wenn die CBN-Menge weniger als 10 VoL-% beträgt, kommen die Eigenschaften von CBN in dem Werkzeug nicht mehr zur Geltung.

Die Wiedergabe nach F i g. 3 zeigt die Struktur eines SiDterkörpers aus 60 Vol.-°/o CBN und 40 Vol.-°/b TiN. In der fotografischen Wiedergabe erscheint die Matrix aus TiN hell. Die Matrix füllt die Zwischenräume zwischen den dunkel dargestellten CBN-Teilchen aus, so daß ein dicht konzentrierter Sinterkörper mit einer kontinuierlichen Matrix aus TiN entsteht Diese Struktur ergibt sich dadurch, daß TiN bei höheren Temperaturen weicher ist als CBN und so beim Sintern in die Zwischenräume zwischen CBN-Teilchen eindringen kann.

Weitere Gründe, warum die Carbide, Nitride und Carbonitride der besagten Metalle ausgezeichnete Eigenschaften als temperaturbeständige Bindematerialien für die Matrix des Sinterkörpers zeigen, werden im folgenden herausgestellt:

Die Nitride dieser Metalle lassen sich als MN₁ darstellen (M ist ein Metall aus Ti, Zr, Hf, V, Nb oder Ta und χ gibt die Atomlücken bzw. überschüssige Atome an). Die Nitride existieren als Breitspektrum im M-Stickstoff-Phasendiagramm, Versuche mit Nitriden mit verschiedenem χ von MN₁ zeigten., daß bestimmte Nitride mit χ eines begrenzten Bereiches bessere Sintereigenschaftesi zeigten.

Die Kristalleilchengröße des Sinterkörpers beträgt vorzugsweise weniger als einige μπτ. Zur Erzielung derart kleiner Teilchen muß das pulverförmige Material aus CBN noch kleiner sein als einige μπι. Ein derart feines Pulver aus Teilchen von einigen μπι oder noch kleiner enthält eine relativ große Sauerstoffmenge, in der Regel hauptsächlich als Hydroxid oder dergleichen. Erwärmt man dijse Hydroxid-ähnlichen Bestandteile, so lösen sie sich in Gase auf. Falls das zu sinternde Material nicht vollkommen dicht eingeschlossen ist, können die Gase aus dem System herausgelangen. Das Entweichen der Gase ist jedoch nicht mehr möglich, wenn der Sintervorgang unter Überdruck erfolgt. In diesem Fall ist es aus der Pulvermetallurgie bekannt, das Material vorher zu entgasen. Wenn jedoch beim Entgasen nicht mit hoher Temperatur gearbeitet werden kann, kommt es im vorliegenden Fall zu Schwierigkeiten. Die Arbeitstemperatur ist mit Rücksicht auf die Wiederumwandlung von CBN in Niederdruck-Bornitrid begrenzt.

Ein Verfahren zur Entgasung von feinem Pulvsr arbeitet wie folgt: Zunächst werden bei niedriger Temperatur physikalisch adsorbierte Gase und Wasser entfernt. Darauf werden chemisch adsorbierte Gase und Hydroxide beseitigt, so daß Dioxide zurückbleiben. Da CBN bei Temperaturen unter 1000⁰C stabil ist, kann man es zumindest bis auf diesem Punkt erhitzen. Die zurückbleibenden Gasanteile sind bei dieser Vorbehandlung der Entgasung Oxide. Da jedoch der Sinterkörper möglichst wenig Gasbestandteile enthalten soll, müssen durch die Vorbehandlung auch Wasser und Wasserstoff entzogen werden.

Deshalb werden alle Materialien während mehr als 10 Minuten in einem Vakuum von weniger als 0,13 Pa einer Temperatur von mehr als 700^DC entgast.

Im folgenden wird erläutert, warum der Sinterkörper durch Zugabe von MN₁ verbessert wird:

Oxide, eventuell in der Form von B2O3 sind an der Oberfläche von CBN-Pulver auch dann enthalten, wenn nach obiger Vorschrift entgast wurde. Wenn dieses B2O3 und ein Teil von M entsprechend MN, reagieren, erhält man:

eo B₂O₃ + 4M ^MB₂ + 3 MO

Dabei entsteht kein Gas, MO besitzt die gleiche Metallstruktur wie MN, so daß eine feste Lösung entsteht. Dies kann erklären, warum Nitride von Ti, Zr und Hf gemäß MN₁ den Sintervorgang verbessern.

Dies läßt sich nicht nur auf Nitride anwenden, sondern auch auf Carbide der Formel MC, auf Carbonitride der Formel M(CN)₁ und auf deren Mischungen.

Es wurde ferner gefenden, daß eine ausgezeichnete Sinterung erreicht wird, wenn Ti, Zr, Hf, V, Nb und Ta in den Formeln M N „ MC, und M(CN), einen Wert χ von weniger als 0,97 besitzen.

Außerdem wurden verschiedene Stoffe aus TiN, hergestellt, wobei der Wert χ in einem weiten Bereich schwankt. Jeder dieser Stoffe wurde mit CBN bei hohem Druck und hoher Temperatur zu einem Sinterkörper gesintert. Die Untersuchung der Sinterkörper zeigte, daß bei dicht konzentrierten Sinterkörpern mit hoher Härte die Gitterkonstante von TiN des Sinterkörpers über der des pulverförmigen Materials aus TiN lag.
Fig.4 zeigt die Resultate der Messung der Gitterkonstanten von TiN von Sinterkörpern mittels eines Röntgenstrahlen-Diffraktometers, wobei die Sinterkörper bei einem Druck von 55 Kb und verschiedenen Drükken aus einem Gemisch von 60 Vol.-% pulverförmigen CBN hergestellt wurden, mit drei verschiedenen Teilchengrößen und 40 Vol.-% TiNo.72 (17,4% Stickstoffanteil in TiN), mit einer mittleren Teilchengröße von einem μπι. In der Figur zeigen die nicht ausgefüllten Vierecke einen CBN-Sinterkörper mit einer mittleren Teilchengröße von einem μπι, die Dreiecke beziehen sich auf drei μπι und die Kreise auf fünf μπι. Die Linie A gibt die Gitterkonstante des Sinterkörpers aus TiNo.72 an und die Linie B die Gitterkonstante des pulverförmigen Materials aus TiN<>,72.

Die Gitterkonstante von TiNo.72 betrug 4,232 · 10"⁸ cm, während bei dem Sinterkörper aus CBN und T1N0.7J die Gitterkonstante von TiN als Matrix von CBN größer war und einen größeren Wert zeigte als das Maximum von TiN,, wie bereits ausgeführt und in F i g. 5 gezeigt. Die Veränderung der Gitterkonstante des Sinterkörpers läßt sich wie folgt erklären:

Bekanntlich existieren in Ti und N von TiN, sehr viele Atomlücken, auch wenn TiN 1,0 eine stöchiometrische

Mischung ist. Das für die Versuche nach F i g. 4 verwendete TiNo.72 besitzt mehr Atomlücken von N als Ti, in dem auch Atomlücken vorhanden sein müssen. Die Kurve A in F i g. 4 zeigt die Gitterkonstanten von Sinterkörpern, die aus pulverisiertem TiNo« ohne CBN bei verschiedenen Temperaturen unter einem Druck von 55 Kb gesintert wurden. Auch in diesem Fall ist die Gitterkonstante von TiN infolge der Behandlung mit hohem Druck und hoher Temperatur größer als diejenige des pulverförmigen Materials. Allgemein läßt sich sagen, daß mit Zunahme der Atomlücken die Gitterkonstante eines Kristalls kleiner wird. Die Veränderung der Atomlücken kann erfolgen infolge Bewegung im Kristallgitter durch hohe Temperatur, wodurch die Atomlücken abhängig von Temperatur und Druck reduziert werden. Dieses Phänomen wurde auch schon bei TiO beschrieben, daß die gleiche Kristallstruktur wie TiN besitzt.

Im folgenden werden die Merkmale von Sinterkörpern gemäß F i g. 4 erläutert.

(1) Jeder Punkt in F i g. 4 zeigt einen Meßwert des dicht konzentrierten, gesinterten Sinterkörpers von großer Härte. Im gemessenen Bereich ist die Gitterkonstante von TiN des Sinterkörpers größer als diejenige von pulverförmigem TiN und auch eines Sinterkörpers, der nur TiN enthält.

(2) Mit höherer Sintertemperatur wird auch die Gitterkonstante größer und nähert sich einem konstanten Wert.

(3) Bei kleinerer Teilchengröße des verwendeten pulverförmigen CBN-Materials ist die Gitterkonstante bei niedriger Temperatur größer.

Diese Tendenz läßt sich dadurch erklären, daß während des Sintervorgangs ein Teil des relativ überschüssigen Ti in TiN_t-Puiver durch Reaktion von TiN₁ und BN vor aiiem TiB2 oder TiB erzeugt, die harte Komponente des Sinterkörpers. Gleichzeitig diffundiert N in BN in TiN₁. Je feiner das verwendete CBN-Pulver ist, umso größer wird die Kontaktfläche zum ΤίΝ,-Pulver. was die obige Reaktion bei niedriger Temperatur fördert. Durch die Reaktion an den Kontaktflächen kann zwischen TiN,-Teilchen und CBN, der harten Komponente, ein äußerst harter und dicht konzentrierter Sinterkörper erzielt werden, dessen CBN-Teilchen durch die Matrix aus TiN-Kristallen fest verbunden sind.

Bei dem Sinterkörper dienen die oben erwähnten temperaturbeständigen Bindematerialien als Matrix. Es können jedoch auch Metalle, z. B. Ni, Co, Fe und Cu neben den oben erwähnten, temperaturbeständigen Bestandteilen in der Matrix enthalten sein. Das Metal! wird volumenmäßig in viel geringerer Menge zugemischt als die temperaturbeständigen Bestandteile, vorzugsweise nur 0,1 bis 20 Vol.-% des Sinterkörpers. Bei einem Metallanteil von mehr als 20% verringern sich die Temperaturbeständigkeit und die Verschleißfestigkeit des Sinterkörpers, so daß er nicht mehr für ein Werkzeug brauchbar ist.

so Ferner kann der Sinterkörper auch geringe Mengen alkalischer Metalle, wie etwa Li, Erdalkalimetalle, wie Mg, sowie andere Metalle, wie Pb, Sn oder Cd als Verunreinigungselemente enthalten.

Für den Sinterkörper wird CBN aus hexagonaiem Bornitrid unter hohem Druck synthetisiert. Das CBN-Pulver kann deshalb hexagonales Bornitrid als Verunreinigungselement enthalten. Ferner ist es möglich, daß sich das CBN infolge der Wärme wieder in hexagonales Bornitrid zurückverwandelt, bevor das Bindematerial in die Zwischenräume zwischen den CBN-Teilchen dem äußeren Druck nicht isostatisch ausgesetzt sind. In solchen Fällen empfiehlt es sich, das pulverförmige Material des Sinterkörpers mit Metallen zu mischen, die mit hexagonaiem Bornitrid katalytisch reagieren, wodurch die Umwandlung in CBN gefördert und eine Rückwandlung in hexagonales Bornitrid verhindert wird.

Es wurden auch Experimente mit Katalysatoren, insbesondere Al und Si zur Bestätigung dieser Wirkungen durchgeführt. Nach einer Methode wird beispielsweise Al oder Si dem Bindematerial zugesetzt beispielsweise zu Nitriden der erwähnten Metalle, wobei zunächst Al und/oder Si mit dem MN-Material vermischt wird, das einen Wert χ von weniger als 037 besitzt Die Mischung wird im Vakuum oder unter einer inerten Atmosphäre auf Temperaturen von mehr als 600°C erwärmt wodurch das relativ überschüssige M im MN» mit Al oder Si reagiert und intermetallische Komponenten entstehen, die in einem Bereich des M-Al- oder M-Si-Phasendiagrammes existieren, beispielsweise TiAh und andere, wenn Ti M ist Die intermetallischen Komponenten werden pulverisiert und ais Bindematerial mit dem CBN-Pulver vermischt Al und Si, die nach obiger Methode hinzugefügt werden, verteilen sich gleichförmig in der Matrix und wirken in geringer Menge. Bei einer anderen Methode werden AI oder So dadurch zugesetzt daß M-Al- und/oder Mi-Si-Intermetallkomponenten als Pulver zunächst

neben dem Bindematerial präpariert werden, dem erstere hinzugesetzt werden. Ebenso kann der Zusatz in das Bindematerial aus Carbid oder Carbonitrid eingemischt werden.

Die Wirksamkeit des mit Al oder Si gemischten Bindematerials wurde mit einem Sinterkörper ohne diese Mischung verg'ichen.

Beide Sinterkörper wurden geschliffen und ihre Struktur untersucht. Es zeigte sich, daß bei dem Sinterkörper, der Al oder Si enthält, weniger CBN-Teilchen in der Schlifffläche aus der Struktur abblättern, was von der größeren Bindekraft der CBN-Teilchen mit der Matrix herrühren kann. Außerdem wurden beide Sinterkörper in ihr*;- Brauchbarkeit als spanabhebende Werkzeuge verglichen. Dabei zeigt sich wieder, daß der Al oder Si enthärtende Sinterkörper sowohl in der Verschleißfestigkeit als auch in der Zähigkeit überlegen ist. Das hinzugesetzte Al oder Si ist in einem Anteil von 0,1 bis 20 Vol.-% wirksam.

Wie bereits erwähnt, liegt der CBN-Anteil zwischen 10 und 80 Vol.-%. Bei Verwendung des Sinterkörpers für ein spanabhebendes Werkzeug kann der Volumenanteil an das zu bearbeitende Werkstück angepaßt werden. Beispielsweise kann zum Schneiden von hartem Stahl Gußeisen oder dergleichen mit einer Härte auf der Rockwell-C-Skala HRC = 45der Anteil von CBN vorzugsweise30 bis 70 Vol.-% betragen.

F i g. 6 zeigt den Zusammenhang zwischen CBN-Volumenanteil und Verschleißfestigkeit beim Bearbeiten von gehärtetem Stahl mit einer Härte von HRC = 60. Die durchschnittliche Teilchengröße von CBN im Sinterkörper beträgt drei μπι und das der Matrix zugewandte Al bildet intermetallische Al-Ti-Komponenten. In der Figur zeigen die festen Kreise ein Testresultat mit einem kommerziell erhältlichen CBN-Sinterkörper unter Verwendung von Co als Bindematerial.

CBN besitzt eine größere Härte und Verschleißfestigkeit als TiN. Wenn der Sinterkörper somit einen mögliehst großen Anteil von CBN enthält, kann man die Verschleißfestigkeit soweit erhöhen, daß der Sinterkörper als spanabhebendes Werkzeug zur Bearbeitung von gehärtetem Stahl und dergleichen geeignet ist. Praktisch hat bei Verwendung von TiN als Bindematerial gemäß Fig. 6 ein Sinterkörper mit 60 Vol.-% CBN die größte Verschleißfestigkeit, die bei mehr als 60% wieder abfällt.

Der Verschleiß der spanabhebenden bzw. schneidenden Kante während der spanabhebenden Bearbeitung wird im allgemeinen in Reibungsverschleiß und chemischen Verschleiß, d. h. in Adhäsionsverschleiß und Diffusionsverschleiß zwischen dem Werkzeug und einem Werkstück oder Oxidationsverschleiß des Werkzeugs unterteilt. Hinsichtlich dem Reibungsverschleiß besitzt CBN die erwähnten Vorteile, jedoch hinsichtlich chemischem Verschleiß sind die Nitride, Carbonitride und Carbide von Ti, Zr, Hf und anderer Metalle überlegen. Bezüglich der Verschleißfestigkeit, die vom Reibungsverschleiß und dem chemischen Verschleiß beeinflußt wird, be· *eht somit bei dem Sinterkörper eine optimale Zusammensetzung, soweit er zur spanabhebenden Verwendung dient. Ein Sinterkörper mit einem CBN-Anteil von ca. 60 Vol.-% besitzt eine weit größere Verschleißfestigkeit als der im Handel erhältliche Sinterkörper, dessen Matrix hauptsächlich Co und CBN mit ca. 85 Vol.-% enthält. Der Sinterkörper, der gemäß der Erfindung verwendet wird, mit weniger als 20 Vol.-% CBN hat praktisch die gleiche Verschleißfestigkeit wie der im Handel erhältliche CBN-Sinterkörper.

F i g. 7 zeigt die Verschleißfestigkeit eines Sinterkörpers mit 60 Vol.-% CBN, wobei die Teilchengröße geändert wird. Verwendet wird das gleiche Werkstück wie in F i g. 6. Die Verschleißbreite ist umso kleiner, je kleiner die mittlere Teilchengröße von CBN ist. Die Teilchengröße von CBN beeinflußt nicht nur die Verschleißfestigkeit, sondern auch die Rauhigkeit der bearbeiteten Fläche. Versuche haben gezeigt, daß die bearbeitete Oberfläche umso rauher wird, je gröber die Teilchen aus CBN sind. Zur spanabhebenden Bearbeitung eines Werkstücks aus gehärtetem Stahl, das bisher maschinell geschliffen wurde, ist diese Rauhigkeit der bearbeiteten Oberfläche von Bedeutung. Wenn die mittlere Teilchengröße kleiner als 10 μπι ist, gibt es jedoch sowohl hinsichtlich der Verschleißfestigkeit als auch der Rauhigkeit der bearbeiteten Oberfläche keine Probleme.

Wenn dagegen weicher Stahl oder Gußeisen mit einer Rockwellhärte von weniger als HRC = 45 bearbeitet werden soll, genügt ein Anteil von weniger als 40VoI.-% CBN im Sinterkörper. Dadurch läßt sich der Sinterkörper mit geringeren Kosten herstellen, da mit relativ niedrigem Druck gesintert wird. Außerdem verbessert sich die Rauhigkeit der bearbeiteten Oberfläche. In dieser Hinsicht ist der Sinterkörper mit geringerem CBN-Volumenanteil sogar überlegen.

Bei Verwendung des Sinterkörpers zur spanabhebenden Bearbeitung kann der Sinterkörper mit CBN und temperaturbeständigem Bindematerial direkt auf den Stahlträger eines Werkzeuges oder auf die Kante einer spanabhebenden Spitze hart gelötet werden. Da CBN durch das übliche Silber- oder Kupferlot schlecht benetzbar und somit schlecht lötbar ist, ergeben sich bei größerem CBN-Anteil im Sinterkörper Schwierigkeiten beim Hartlöten. Die Matrix des Sinterkörpers ist durch Silber- oder Kupferlötmittel gut benetzbar, so daß der Sinterkörper auf übliche Weise hartgelötet werden kann. Bei Verwendung des Sinterkörpers in einem spanabhebenden Werkzeug genügt es jedoch, daß die CBN enthaltende, harte und verschleißfeste Schicht lediglich die wirksame, spanabhebende Kante des Werkzeugs bildet Mit Rücksicht auf die Kosten und die Festigkeit des Werkzeuges stellt man daher einen zusammengesetzten Sinterkörper her, der eine harte CBN-Schicht und ein damit verkittetes Carbid-Substrat aufweist Die Stärke der harten Schicht des zusammengesetzten Sinterkörpers hängt von den Anwendungsbedingungen des spanabhebenden Werkzeuges und von der hierzu erforderlichen Gestaltung ab, wobei im allgemeinen 04 rnm genügen.

Bei Verwendung von gekittetem Carbid als Substrat ist wegen seiner größeren Härte, Wärmeleitfähigkeit und Zähigkeit WC-zementierter Carbid vorzuziehen.

Einen solchen zusammengesetzten Sinterkörper kann man wie folgt herstellen: Es wird zunächst eine Substrat-Legierung geeigneter Form aus zementiertem Carbid gebildet. Auf dieses Substrat wird eine Pulvermischung oder ein Rohpreßling aus einem Bindematerial großer Temperaturbeständigkeit und CBN-Pulver gebracht, wodurch eine harte Schicht für eine wirksame, spanabhebende Kante gebildet wird. Das ganze wird einem hohen Druck und einer hohen Temperatur ausgesetzt, wodurch die harte Schicht sintert und gleichzeitig mit dem zementierten Carbid-Substrat verbunden wird.

Gleichzeitig löst sich ein im zementierten Carbid-Substrat enthaltendes Bindermetall, wie etwa Co, bei einer Temperatur über der flüssigen Phase auf, die beim Heißpressen auftritt. Wenn der CBN-Anteil im Material zur Bildung der harten Schicht größer ist als bei dem Sinterkörper, beispielsweise wenn das gesamte Material aus CBN besteht, dringt die flüssige Phase des zementierten Carbid-Substrats in die Zwischenräume zwischen den CBN-Teilen ein, da diese sehr starr sind, so daß deren Zwischenräume auch bei hohem Druck erhalten bleiben. Die Bindematerialien weisen eine geringere Starrheit als CBN auf und verformen sich unter hohem Druck leichter, so daß vor dem Auftreten der flüssigen Phase ein dicht gepreßter Sinterkörper entsteht. Daher kommt es beim Sinterkörper nicht zum Eindringen von flüssiger Phase des zementierten Carbid-Substrats während des Heißpressen unter hohem Druck, wobei durch dieses Eindringen die Bildung der harten Schicht verändert und ihre Wärmebeständigkeit reduziert werden könnte. Da außerdem als harte, temperaturbeständige Komponenten in einem konventionell zementierten Carbid oder Cermet ein Carbid, Nitrid oder Carbonitrid eines Metalls der Gruppe IVa, Va oder VIa des periodischen Systems als Binder vorzugsweise verwendet wird, wirkt sich die große Affinität der Metalle dieser Gruppen des periodischen Systems zu Eisenmetallen, wie etwa Co als Bindemetall von zementiertem Carbid vorteilhaft aus. Der Sinterkörper haftet somit ausgezeichnet auf dem zementierten Carbid-Substrat, da diese Binderkomponenten, wie etwa TiN, im Sinterkörper eine kontinuierliche Matrix bilden.

Das Hochdruckbornitrid enthält nicht nur CBN, sondern auch das bereits erwähnte WBN, auf das die Erfindung ebenfalls anwendbar ist.
Wurtzit-Bornitrid besteht aus hexagonalem Bornitrid durch ein Verfahren mit dynamischem Überdruck, das mit Schockwellen arbeitet. Das Material kann nach diesem Verfahren mit geringeren Kosten als CBN hergestellt werden, das zur Herstellung eine Einrichtung mit statischem Überdruck benötigt. Bei der Synthetisiermethode durch Schockwellen wirken hoher Druck und Temperatur nur während kurzer Zeitabschnitte. Dadurch kann ein Kristall nur kurzzeitig wachsen, so daß die erzielbare Teilchengröße von WBN gewöhnlich kleiner als 10 μπι ist. Außerdem ist das Teilchen kompliziert geformt und weist Vorsprünge und Vertiefungen in seiner Oberfläche auf, so daß es eine größere Oberfläche besitzt. Es bleiben deshalb auch bei dem oben beschriebenen Entgasungsverfahren Gasanteile zurück, die die Eigenschaften des Sinterkörpers verschlechtern. Zur Erzielung eines dicht konzentrierten Sinterkörpers arbeitet man deshalb besser mit einem Bindematerial, bei dem der erwähnte Wert kleiner ist als 0,97, vorzugsweise kleiner als 0,8. Aus den erwähnten Gründen ist in dem WBN-Pulver eine größere Menge Oxide adsorbiert als in dem CBN-Pulver. Dadurch saugt die Matrix bei Verwendung dieser Bindematerialien im Sinterkörper Sauerstoff auf, der durch die Auflösung der Oxide im WBN-Pulver entsteht, und der in die freien Atomstellen oder Atomlücken von C oder N des Bindematerials tritt, so daß eine feste Lösungsmasse aus M—C-O, M — N-O und/oder M—C—N-O entsteht. Bei Verwendung von TiN,als Bindemittel entsteht im Sinterkörper Ti(NO).
Da außerdem das für den Sinterkörper verwendete WBN aus hexagonalem Bornitrid durch Schockwellen entsteht, kann im WBN-Pulver auch hexagonales Bornitrid als Verunreinigung enthalten sein. Außerdem kann sich beim Sintern unter hohem Druck und hoher Temperatur das WBN in hexagonales Bornitrid zurückverwandein, da die WBN-Teilchen, bevor das Bindermaterial in die Zwischenräume zwischen den WBN-Teilchen eingedrungen ist, dem Druck nicht isostatisch ausgesetzt sind. Man kann hierzu Ai, Si und andere Metaiie als Katalysatoren zusetzen, die eine Rückumwandiung von WBN verhindern und eine Umwandlung des noch verbleibenden hexagonalen Bornitrids bewirken.

In Fig.8 zeigt die Linie B-B'den metastabilen Bereich von WBN. In dem durch die Linien B-B'und A-A' definierten Druck- und Temperaturbereich kann sich WBN in CBN umwandeln. Bei Herstellung des Sinterkörpers kann durch Sintern in diesem Bereich das WBN ganz oder teilweise in CBN umgewandelt werden. Hier wirkt auch die Beigabe der oben erwähnten Metallkatalysatoren.

Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Preßlings kann man auch mit einem Gemisch von WBN- und CBN-Pulver arbeiten.

Der oben beschriebene Sinterkörper hat eine größere Härte, Zähigkeit, Temperaturbeständigkeit und Ver-Schleißfestigkeit und läßt sich in verschiedenen Werkzeugen einsetzen, beispielsweise als Bohrerspitze oder als anderes spanabhebendes Werkzeug.

Im folgenden wird die Erfindung durch Beispiele erläutert

Beispiel 1

Es wird CBN-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 7 μπι und TiNo^-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 1 μπι in einem Volumenverhältnis von 60—40 in einem Mörser sorgfältig gemischt. Die gesamte Pulvermischung wird nach Beigabe von 2 Gew.-°/o Kampfer (bezogen auf das Gesamtgewicht) zu einem Rohpreßling von 10 mm Außendurchmesser und 1,5 mm Höhe geformt. Nach dem Einsetzen des Rohpreßlings in eine Kapsel aus rostfreiem Stahl wird die Kapsel zum Entgasen 20 Minuten bei einer Temperatur von 1100⁰C und einem Vakuum von 0,013 Pa in einem Vakuumofen behandelt Dann wird die Kapsel in eine Überdruckeinrichtung (Gurt- oder Bandtyp) gebracht, wobei Pyrophyllit als Mittel und ein Graphitrohr als Heizeinrichtung dient Der Raum zwischen der Probe und der Heizeinrichtung wird mit Natriumchlorid gefüllt Der Druck wird dann auf 55 Kb erhöht und die Temperatur zunächst auf 1400⁰C gebracht. Nach einem Temperaturanstieg von mehr als 30 Minuten wird die Temperatur abgesenkt und der Druck allmählich verringert, wodurch man einen Sinterkörper von ca. 10 mm Außendurchmesser und etwa 1 mm Stärke erhält
Der so gewonnene Sinterkörper wird mit einer Diamartscheibe flach geschliffen und dann mit Diamantpaste poliert Eine mikrofotografische Aufnahme der polierten Oberfläche zeigt F i g. 3, in der die schwarz erscheinenden Teilchen CBN-Kristalle sind, während der Platz um die Kristalle durch TiN ausgefüllt ist Die Röntgenstrahlen-Diffraktion zeigt neben CBN und TiN eine kleine Menge T1B2. Die Härtemessung mit einem Mikro-Duro-

meter nach Vickers liefert eine mittlere Härte des Sinterkörpers von 3200 kg/mm².

Vom Sinterkörper wird mit einem Diamantfräser eine spanabhebende Spitze abgetrennt und auf ein Stahl-Substrat !'.angelötet. Zu Vergleichszwecken werden zwei konventionelle, spanabhebende Werkzeuge hergestellt. Eines besteht aus einem auch auf dem Markt erhältlichen, gesinterten CBN-Sinterkörper, hergestellt aus CBN-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 3 μιη, verbunden durch Kobalt, während das andere aus zementiertem Carbid nach japanischer Norm JIS (Japanese Industrial Standard) besteht und wobei beide die gleiche Form wie das Werkzeug mit dem Sinterkörper der gemäß der Erfindung verwendbar ist, aufweisen. Im Test der spanabhebenden Bearbeitung wird ein JIS-SNCM9-Stahl von HRC = 54 nach einer Warmbehandlung von den Werkzeugen mit 120 m/Min. Schnittgeschwindigkeit, 0,2 mm Schnittiefe und einem Vorschub von 0,12 mm pro Umdrehung spanabhebend bearbeitet. Das spanabhebende Werkzeug aus der zementierten Legierung, die gemäß der Erfindung verwendet wird, konnte 35 Minuten kontinuierlich spanabhebend bearbeiten, bevor die Verschleißbreite an der Kante des Werkzeuges 0,2 mm erreichte. Dagegen konnte das Werkzeug aus dem im Handel erhältlichen, gesinterten CBN-Sinterkörper, der mit Kobalt verbunden war, das gleiche Material lediglich 5 Minuten schneiden, bevor die Verschleißbreite ebenfalls 0,2 mm erreichte. Das spanabhebende Werkzeug, das gemäß der Erfindung verwendet wird, besitzt somit eine sieben Mal größere Standzeit als das bisher gebräuchliche Werkzeug. Bei dem spanabhebenden Werkzeug aus dem im Handel erhältlichen, zementierten Carbid gemäß JIS-KOI erreichte die Verschleißbreite nach 1,5 Minuten den Wert von 0,38 mm.

f rv ι cn 1 ■ K * - '

Es wurde CBN-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 4 Mieren und Pulver aus Ti(Co.s, No^Kw mit einer mittleren Teilchengröße von einem μιη in einem Volumenverhältnis von 70 zu 30 gemischt und auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 zu einem Sinterkörper geformt.

Anschließend wurde der gesinterte Preßling mit einer Diamantscheibe geschliffen und zum Fräsen auf die Kante einer zementierten Carbid-Spitze hartgelötet.

In einem spanabhebenden Test wurde ein JIS-FC25-Gußstück von 80 mm Breite und 300 mm Länge mit einem Stirnfräser längs geschnitten, unter Verwendung eines in Wasser löslichen Öles und mit einer Schneidgeschwindigkeit von 500 m/Min., einer Schnittiefe von einem Millimeter und einer Vorschubgeschwindigkeit von 2,8 m/Min. Mit dem Werkzeug waren 500 Durchgänge möglich. Bei Verwendung eines der bisher üblichen keramischen, spanabhebenden Werkzeuge, das aus AI2O3 unter Druck und Temperatur gesintert worden war, und 30 Gew.-% TiC enthielt, splitterte der Rand infolge thermischer Risse bereits nach 20 Durchgängen ab. Ähnlich bei einem anderen, im Handel erhältlichen, keramischen Fräswerkzeug, hergestellt aus AI2O3 mit 0,5 Gew.-°/o MgO, bei dem bereits nach zwei Durchgängen der Rand infogle der thermischen Risse absplitterte.

Beispiel 3

Es wurde CBN-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 4 Micron mit einem Bindematerial gemäß der folgenden Tabelle 1 gemischt und wie in Beispiel 1 zu einem Rohpreßling geformt.

Tabelle 1

Probe

CBN

Bindermassen Zusammensetzung

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Kb

Temp.
⁰C

I	60	T1C057
2	80	TiNo.73
3	40	TiNo.73
4	60	ZrNo.89
5	70	WC
6	60	VN0.75
7	60	ZrB₂

40	55	1500
20	55	1300
60	40	1100
40	60	1300
30	60	1400
40	60	1600
40	65	1600

Ein einzelner Rohpreßling wurde, wie in Beispiel 1, in eine Molybdenkapsel eingesetzt, gedrängt und gemäß Tabelle 1 20 Minuten lang in einer Hochdruckeinrichtung gesintert, wodurch man einen Sinterkörper mit feiner Struktur erhielt.

Beispiel 4

Es wurde Pulver aus Ti(Co.4, No.-Oo.« einer mittleren Teilchengröße von einem μιη mit Aluminiumpulver von einer mittleren Teilchengröße von 30 μπι im Gewichtsverhältnis 98 zu 2 zu einer Ti (C, N)-Pulvermischung verarbeitet, die wie in Beispiel 5 Aluminiumbestandteile enthielt. Anschließend wurde die Mischung mit CBN-Pulver einer mittleren Teilchengröße von 4 μιη in einem Volumenverhältnis von 65 zu 35 gemischt. Aus der Mischung wurde gemäß Beispiel 1 ein Sinterkörper hergestellt, wobei jedoch der Druck beim Sintern 50 Kb und die Temperatur 1150⁰C betrugen.

Ebenso wie im Beispiel 1 wurde aus dem Sinterkörper ein spanabhebendes Werkzeug hergestellt und mit diesem ein warmbehandelter Stahl JIS-SCr3 mit der Form nach Fig.9, spanabhebend bearbeitet, wobei der Durchmesser A 32 mm, die Strecke B 12 mm und die Strecke C196 mm betrug. Die Spanabnahme erfolgte in Pfeilrichtung mit einer Schnittgeschwindigkeit von 60 m/Min, einer Schnittiefe von 0,15 mm und einem Vor-

schub von 0,12 mm/Umdrehung. Die Versuche ergaben, daß das Schneidwerkzeug auch -.loch nach der Bearbeitung von 20 Werkstücken immer noch brauchbar war. Im Vergleich dazu war ein im Handel erhältliches Schneidwerkzeug, das auf die gleiche Weise getestet wurde, und das aus einem CBN-SinterpreBliiig, verbunden durch Kobalt, bestand, bereits nach der Bearbeitung von nur einem Werkstück an der Schneidkante beschädigt

Beispiel 5

Es wurde CBN-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 4 um sowie pulverförmiges TiNos2, TiSi₂ und Nickel-Carbonyl mit einer mittleren Teilchengröße von 1 μπι in einem Volumenverhältnis 70 zu 15 zu 5 zu 10 to gemischt und nach Beispiel 1 zu einem Sinterkörper geformt. Durch Röntgenstrahlen-Analyse ließen sich im Sinterkörper TiSi, TiSi₂ und Ti₂Ni neben CBN und TiN nachweisen.

Der Sinterkörper wurde zu einer spanabhebenden Spitze geformt, mit der ein Stahl JIS SNCM9 einer Rockwell-Härte HRC=54 unter den gleichen Bedingungen wie in Fig.1. mit Ausnahme der geänderten Schnittgeschwindigkeit, bearbeitet wurde. Zum Vergleich wurde der spanabhebende Stahl gemäß Beispiel 1 aus υ einem im Handel erhältlichen CBN-Sinterpreßling auf obige Weise getestet

Fig. 10 zeigt die Zeit nach der nach einer bestimmten Schnittgeschwindigkeit der Flankenverschleiß des spanabhebenden Werkzeuges 0,2 mm erreichte. Der erfindungsgeinäß verwendete Sinterkörper hat besonders bei hoher Schnittgeschwindigkeit eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit

Beispiel 6

Ein Gemisch aus CBN-Puiver von einer mittleren Teilchengröße von 4 μΐπ und einem Bindemittel wurden gemäß Tabelle 2 und nach Beispiel 1 zu einem Rohpreßling verarbeitet

Tabelle 2

Probe	CBN	Bindematerial	VoL-%	Druck	Temp.
	Voi.-%	Zusammensetzung	65	Kb	"C
14	35	TiCos7	70	50	1500
15	30	TiNo.73	85	40	1300
16	15	TiN₀J₃	65	30	1100
17	35	ZrN₀Jw	65	50	1350
18	35	WC	65	50	1400
19	35	TaC₀J)₂	65	50	1600
20	35	ZrB₂	55	1600

Der Rohpreßling wurde zunächst in einer Molybdän-Kapsel vorerwärmt und dann in einer Überdruckeinrichtung gemäß Tabelle 2 20 Minuten lang gesintert, wie in Beispiel 1 angegeben.

Alle Sinterkörper waren danach dicht strukturiert Aus den Proben 14, 15 und 16 wurden spanabhebende Werkzeuge hergestellt, und zum Vergleich zwei spanabhebende Werkzeuge aus einem Sinterpreßling aus TiNo.90- Pulver, 15 Minuten lang bei 1700° C und 200 kg/cm² gesintert, sowie aus einem zementierten Carbid-JIS PlO. Die spanabhebenden Tests erfolgten mit einer Schnittgeschwindigkeit von 150 m/Min, einer Schnittiefe von 03 mm und einem Vorschub von 0,1 mm/Umdrehung an einem veredelten Stahl JIS S45C, wobei die Rauhigkeit der bearbeiteten Oberfläche untersucht wurde. Die spanabhebenden Werkzeuge besaßen an der Kante einen Radius von 0,8 mm. Bei Verwendung der spanabhebenden Werkzeuge nach den Proben 14,15 und 16 betrug die Rauhigkeit der bearbeiteten Oberfläche 2 bis 3 μπι. Bei Verwendung der spanabhebenden Werkzeuge aus einem Sinterkörper, der lediglich aus TiN bzw. aus normalen, zementiertem Carbid entsprechend JIS PlO bestand, lag die Rauhigkeit der Oberfläche im Bereich von 4 bis 6 μπι bzw. 6 bis 12 μπι.

Beispiel 7

Pulverförmiges TiNo.7j mit einer mittleren Teilchengröße von 1 μιτι wurde in einer Kugelmühle mit Hartmetallkugeln mit Aluminiumpulver von 30 μπι mittlerer Teilchengröße in einem Gewichtsverhältnis von 90 zu 10 in einem Mischer verarbeitet und unter einem Druck von 1 to/cm² zu einem Rohpreßling in Form einer Tablette verarbeitet. Diese wurde dann in einem Vakuumofen 30 Minuten lang bei 1000⁰C gesintert Der Sinterkörpei wurde zu Pulver zerstoßen und mit Röntgenstrahlen untersucht, wobei sich TiAI₂, TiAI und Ti₂AIN entsprechende Spitzen ergaben, neben Spitzen für TiN, jedoch keine Spitzen, die dem Metall Aluminium zuzuordnen waren.

	27 56	512	TiN-AI-Masse
Tabelle 3			VoL-%
Probe	CBN	100
	VoL-%	80
21	0	70
22	20	60
23	30	50
24	40	40
25	50	35
26	60	30
27	65	20
28	70
29	80

Das obige TiN-Pulver mit Aluminiumbestandteilen wurde mit CBN-Pulver von 3 μπι mittlerer Teilchengröße in den Volumenverhältnissen nach Tabelle 3 bemischL

Der Pulvermischung wurden 2% des Gesamtgewichtes Kampfer zugesetzt und dann das Ganze zu «inem Rohpreßling von 10 mm Außendurchmesser und 1,5 mm Höhe geformt In einer Kapsel aus rostfreiem Stahl wurde der Rohpreßling 20 Minuten lang bei 1100°C und einem Druck von 0,013Pa in einem Vakuumofen entgast In einer Oberdruckeinrichtung wurde die Kapsel anschließend mit Pyrophyllit als Druckmittel und einem Graphitrohr als Heizeinrichtung verarbeitet, wobei der Zwischenraum zwischen Probe und Heizeinrichtung durch Natrium-Chlorid ausgefüllt war. Zunächst steigerte man den Druck auf 55 Kb und dann die Temperatur auf 1100⁰C. Nach 20 Minuten wurde die Temperatur herabgesetzt und der Druck allmählich verringert, wodurch man einen Sinterpreßling von ca. 10 mm Außendurchmesser und einer Höhe von 1 mm erhielt.

Der Sinterkörper wurde mit einer Aluminiumschleifscheibe eben geschliffen und mit einem Diamant-Fräser zu einer spanabhebenden Spitze geformt Die Spitze wurde auf eine Stahlunterlage hartgelötet und so ein spanabhebendes Werkzeug hergestellt Zum Vergleich wurden wieder zwei konventionelle spanabhebende Werkzeuge verwendet, ein im Handel erhältlicher CBN-Sinterpreßling aus CBN-Pulver von 3 μπι mittlerer Teilchengröße, mit Kobalt verbunden, und das andere aus zementiertem Carbid gemäß JIS KoI, beide mit der gleichen Form wie das erwähnte Werkzeug.

Die spanabhebenden Versuche erfolgten mit einer Schnittgeschwindigkeit von 150 m/Min, einer Schnittiefe von 02 mm und einem Vorschub von 0,12 mm/Umdrehung, wobei als Werkstück ein gehärteter Stahl SNCM 9 mk der Rockwell-Härte HRC=60 bearbeitet wurde. Die Zeit bis zu einem Flankenverschleiß des spanabhebenden Werkzeuges von 0,1 mm ist in F i g. 6 dargestellt Das erfindungsgemäße Werkzeug aus dem Sinterkörper hat eine doppelt so große Standzeit wie das bekannte Werkzeug aus dem im Handel erhältlichen Sinterkörper aus CBN-Puiver und mit Kobalt verbünden. Die Probe 2δ erreiehie von den Proben 21 bis 29 den höchsten Wert und die dreifache Verschleißfestigkeit des konventionellen Werkzeuges.

Beispiele

Es wurden das gleiche CBN-Pulver und das gleiche TiN-Pulver mit Aluminiumbestandteilen gemäß Beispiel 9 in einem Volumenverhältnis entsprechend Beispiel 26 gemischt und zu einem Rohpreßling in Form eines Pellets von 10 mm Außendurchmesser und 1,5 mm Stärke geformt Getrennt dazu wurde ein scheibenförmiges Substrat aus zementiertem Carbid mit WC-6% Co und mit einem Außendurchmesser von 10 mm und einer Stärke von 3 mm hergestellt.

Das Pellet wurde auf das Substrat gelegt und das Ganze in eine Kapsel aus rostfreiem Stahl eingesetzt, die gemäß Beispiel 7 im Vakuum entgast wurde. Nach dem Entgasen wurde der Rohpreßling auf dem Substrat bei einer Temperatur von 1100⁰C und einem Druck von 55 Kb 20 Minuten lang in einer Überdruckeinrichtung zu einem zusammengesetzten Sinterkörper gesintert. Der zusammengesetzte Sinterkörper bestav?J aus einer Schicht mit CBN von 10 mm Außendurchmesser und 1,5 mm Stärke, die fest mit dem zementierten Carbid-Substrat aus WC-6% Co verbunden war.

Der zusammengesetzte Sinterkörper wurde mit einer Diamantschleifscheibe zu einer spanabhebenden Spitze in Foi m einer Scheibe geschliffen und auf ein Stahl-Substrat gesetzt Als Werkstück für die spanabhebenden Versuche diente eine Hartgußwalze aus JIS HRC = 56 mit einem Außendurchmesser von 735 mm und einer Breite von 650 mm. Zum Vergleich erfolgten drei weitere Versuche mit anderen spanabhebenden Werkzeugen, wobei das erste aus einem im Handel erhältlichen CBN-Sinterkörper bestand, mit Kobalt verbunden, das zweite aus AWCh-Keramik mit TiC und das dritte aus zementiertem Carbid gemäß JIS KoI. Die spanabhebende Bearbeitung erfolgte gemäß Tabelle 4. Die Spitze des zusammengesetzten Sinterkörpers wurde nicht beschädigt und zeigte gegenüber dem zementierten Carbid gemäß KOI die 50fache Leistungsfähigkeit.

Tabelle 4

Material des Schnitt- Schnitt- Vorschub

Werkzeuges geschwindgk. tiefe mm/U

m/min mm

Beobachtung

CBN»)	60	1,5	1,0
CBN^b)	60	1,5	1,0
Al₂O₃-TiC Keramik KOl Carbid	30 9	1,5 2	1,0 1,0

keine Beschädigung nach Bearbeitung von 10 Werkstücken

nach Bearbeitung von einem Werkstück beschädigt

zu Beginn der Bearbeitung beschädigt

beschädigt nach Bearbeitung von V₅ des Werkstückes

») Sinterkörper, der gemäß der Erfindung eingesetzt wird.

^b) Sinterkörper aus im Handel erhältlichem CBN, mit Kobalt verbunden.

Beispiel 9

Pulverförmiges WBN mit 0,7 Gew.-% Sauerstoff und weniger als 2 μΐη mittlerer Teilchengröße wurde durch Schockwe&n behandelt^ mit TiN"» Pulver von einem ,um mittleren Teilchengröße mit 18 Gew.-% Stickstoff in einem Volumenverhältnis von 60 zu 40 etwa 48 Stunden lang mit Aceton als Lösungsmittel in einer Kugelmühle gemischt Die pulverförmige Mischung wurde zu einem Rohpreßling von 10 mm Außendurchmesser und 1,5 mm Stärke geformt, in einer Eisenkapsel in Form eines Zylinders mit Boden in einen Vakuumofen eingesetzt und bei 700⁰C und einem Vakuum von 0,0013 Pa 20 Minuten lang entgast

Der entgaste Rohpreßling kam in eine Oberdruckeinrichtung, mit Pyrophyllit als Druckmittel, und einem Graphitrohr zur Heizung, wobei der Spalt zwischen der Probe und dem Rchr mit Natrium-Chlorid ausgefüllt wurde. Der Druck wurde zunächst auf 55 Kb gebracht und dann die Temperatur auf 1200⁰C eingestellt und 30 Minuten lang eingehalten. Danach wurde die Temperatur ermäßigt und der Druck allmählich reduziert.

Der so gewonnene Sinterkörper wurde mit einer Diamantscheibe geschliffen und mit Diamentpulver fein geglättet Ό\α Vickers-Härte der geläppten Oberfläche des Preßlings erreichte 4000 kg/cm². Die Röntgenstrahlen-Diffraktion der geläppten Oberfläche zeigte schwächere Spitzen von T1B2 neben Spitzen entsprechend WBN und einer festen Lösung von Ti(N₁O).

Beispiel 10

Aus der Pulvermischung von WBN gemäß Beispiel 9 und TiNo^-Pulver wird ein Rohpreßling geformt. Getrennt dazu wird eine Substratscheibe von 10 mm Außendurchmesser und 3 mm Stärke aus einem Zement-Carbid mit WC-6%Co vorher gesintert Das Substrat wird in eine Eisenkapsel in Form eines Zylinders mit Boden gelegt und darauf der Rohpreßling. Dann wird ebenso wie in Beispiel 9, das Ganze gesintert worauf eine ca. 1 mm starke Schicht eines harten, Sinterkörpers fest mit der bereits erwähnten Scheibe aus zementiertem Carbid verbunden ist.

Der zusammengesetzte Sinterkörper wird mit einem Diamant-Fräser in zwei Teile geschnitten und dabei der Schnitt mit einem Röntgenstrahlen-Microanalysator untersucht. Dies zeigt, daß an der Grenzfläche zwischen dem Sinterkörper aus WBN und dem Substrat das Kobalt im Substrat nicht in die Schicht des Sinterpreßlings eingedrungen ist.

Zur Herstellung eines spanabhebenden Werkzeuges wird der zusammengesetzte Sinterpreßling mit einem Stahl-Substrat hartgelötet. Zum Test wird ein Werkstück aus Stahl JlS SNCM9 der Härte HRC=57 geschnitten. Nach einer Schnittzeit von 40 Minuten mit 90 m/Min. Schnittgeschwindigkeit, 0,2 mm Schnittiefe und einem Vorschub von 0,04 mm pro Umdrehung erreichte der Flankenverschleiß des Werkzeuges 0,2 mm, wobei mit wasserlöslichem Fräsöl gearbeitet wurde. Danach konnte mit dem Werkzeug immer noch gearbeitet werden. Im Gegensatz dazu wurde bei Verwendung eines Fräswerkzeuges aus zementiertem Carbid gemäß JIS KOI, einem der härtesten Materialien, bereits nach 2 Minuten eine Verschleißtiefe von 0,2 mm erreicht, so daß nicht mehr weitergefräst werden konnte.

Beispiel 11

Es wurde WBN-Pulver einer mittleren Teilchengröße von weniger als 4 μπι mit 04Gew.-% Sauerstoff gemischt mit TiC 0,95-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von einem μιτι, mit 19,2 Gew.-% Kohlenstoff, in einem Volumenverhältnis von 80 zu 20 in einer Kugelmühle unter Verwendung von Aceton als Lösungsmittel. Das Pulver wurde anschließend mit einem Druck von 2 to/cm³ zu einem Rohpreßling verarbeitet, der gemäß Beispiel 9 gesintert wurde, wobei man jedoch mit einem Druck von 55 Kb und einer Temperatur von 1150⁰C arbeitete.

Die Röntgenstrahlen-Diffraktion des Sinterkörper zeigte Spitzen von WBN und CBN neben Spitzen einer festen Ti —C-O-Lösung. Die Vickers-Härte des Sinterkörper betrug 5000 kg/mm².

10

Beispiel 12

Das gleiche WBN-Pulver wie in Beispiel 10 wurde mit einem Bindemittel gemäß Tabelle 6 in dem darin angegebenen Volumenverhältnis gemischt und daraus ein Sinterkörper von dichter Struktur hergestellt, wobei gemäß der Tabelle die Temperatur und der Druck auf die gleiche Weise wie in F i g. 9 für 30 Minuten eingehalten wurden. Die Härte des Sinterkörper ist in Tabelle 5 angegeben.

Tabelle 5

Bindematerial Zusammensetzung

VoL-%

Druck Kb

Temp.
°C

Härte
kg/mm²

30	ZrN₀^₉	50	50	1300	3000
31	HfN₀₃₀	50	50	1300	3100
32	Ti(C₁N)³)	40	55	1400	3700
33	Ti(C₁N)")	40	55	1400	3400
34	VC_0-80	20	60	1500	4200
35	NbCo.85	20	60	1500	4200
36	(Ti,Ta)N^c)	20	55	1400	4500
37	(Ti₁Mo)CO	30	55	1400	4000
38	Cn₁W)C=)	30	55	1400	4000
39	(Ti₁TaXCNy)	30	55	1400	3700
^a) Ti(C_0-SO₁N_0-Is)O₃S.
"JTi(C_0-5, N₀₃J_0-8.
^c) (Tio.7. Ta₀₃), Noj
ej (Ti₀₃₁W₀.,) C₀₃!

9-
Ϊ-
0 (Ti₀Ji₁TaOj)(C₀AN_0-4)O₃.

Beispiel 13

Das gleiche WBN-Pulver wie in Beispiel 13 wird mit TiCo₃5-Pulver im Volumenverhältnis nach der folgenden Tabelle 6 gemischt:

Tabelle 6

WBN

20 30 40 50 60 70 80 90

Druck	Temo.
Kb	°C
60	1400
60	1400
60	1400
60	1500
60	1500
60	1500
60	1600
60	1600

Härte
kg/mm²

3100
3200
3500
3800
4500
4900
5300
6000

Die Mischung wurde bei dem Druck und der Temperatur gemäß der Tabelle 30 Minuten lang wie in Beispiel 11 gesintert. Der Sintirpreßling gemäß der Erfindung wurde dann zu einer spanabhebenden Spitze geschnitten, die mit einem Substrat aus Stahl hart verlötet wurde. Anschließend wurde ein gehärteter Stahl JIS SNCM9 der Härte HRC=57 mit 150 m/Min. Schnittgeschwindigkeit, einer Schnittiefe von 0,2 mm und einem Vorschub von 0,12 mm pro Umdrehung geschnitten.

Die bei den Proben 40 bis 47 erreichte Standzeit bis zu si-iem Flankenverschleiß des spanabhebenden Werkzeuges vc.i 0,2 mm ist in F i g. 11 dargestellt. Die Proben 42 und 43 zeigten die höchste Verschleißfestigkeit, während die Schneidkante der Probe 47 während des Fräsens absplitterte.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

10

15

20

25

30

40

45

50

55

60

65

11

Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung eines Sinterkörpers bestehend aus 10 bis 80 Vol.-% kubischem Bornitrid und/oder Bornitrid des Wurtzit-Typs in einer Matrix aus mindestens einem Carbid, Nitrid, Carbonitrid, Borid oder Suizid von Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän und/oder Wolfram für ein Werkzeug zur spanabhebenden Bearbeitung von Stahl und Gußeisen.

2. Verwendung eines Sinterkörpers nach Anspruch 1, wobei die Metall-Carbide, -Nitride und -Carbonitride mit der Formel MC_x, MN, bzw. M(CN)₁ einen Wert von χ kleiner 0,97 aufweisen, für den Zweck nach Anspruch 1.

3. Verwendung eines Sinterkörpers nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Matrix 0,1 bis 20 VoL-% Aluminium oder Silizium zugesetzt sind, für den Zweck nach Anspruch 1.

4. Verwendung eines Sinterkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei im Sinterkörper 0,1 bis 20 VoL-% Nickel, Kobalt, Eisen und/oder Kupfer enthalten sind, für den Zweck nach Anspruch 1.

5. Verwendung eines Sinterkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 4, welcher auf einem Träger aus WC-Hartmetall aufgebracht ist, für den Zweck nach Anspruch 1.