DE2756512C3

DE2756512C3 - Verwendung eines Sinterkörpers für ein Werkzeug zur spanabhebenden Bearbeitung von Stahl und Gußeisen

Info

Publication number: DE2756512C3
Application number: DE2756512A
Authority: DE
Inventors: Akio Hara; Shuji 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: AU512633B2; DE2756512C2; FR2375155B1; CA1090062A; GB1593770A; DE2756512A1; US4334928A; AU3152077A; FR2375155A1

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Sinterkörpers für ein Werkzeug zur spanabhebenden Bearbeitung von Stahl 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", J. 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 Übergangsmetalle 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 mechanische Eigenschaften, die denjenigen des Diamants 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 stellen.

Erfindungsgemäß hat sich gezeigt, daß diese Aufgabe gelöst wird, wenn das Werkzeug mit einem Sinterkörper, wie er in Anspruch 1 definiert ist, versehen wird. Dieses unterschiedliche Verhalten von CBN 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

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

Fig. 2 ein Druck-Temperatur-Diagramm eines stabilen Bereiches von CBN;

Fig. 3 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;

Fig. 4 den Zusammenhang zwischen der mittleren Teilchengröße von CBN eines Sinterkörpers und der Abnutzungsbreite;

Fig. 5 die Form eines Werkstücks und

Fig. 6 ein Diagramm zur Verschleißfestigkeit eines Fräsers bzw. spanabhebenden Werkzeuges mit einem gemäß der Erfindung verwendeten Sinterkörper.

Damit CBN in einem Sinterpreßling, beispielsweise in einem Werkzeugstahl, als spanabhebenden 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 zum einen Teil aus Carbiden, Nitriden, Carbonitriden, Boriden und Siliziden 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 Fig. 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 Fig. 1 bei höheren Temperaturen auch eine höhere Wärmeleitfähigkeit.

Zur Herstellung eines Sinterkörpers aus derart ausgewählten Bindematerialien, Aluminium oder Silicium und CBN wird zunächst pulverisiertes CBN mit den genannten Bestandteilen gemischt. 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 CBN gemäß Fig. 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 Blindmaterial in der Struktur des Sinterkörpers eine kontinuierliche Matrix bildet. Das bedeutet, daß bei dem Sinterkörper das zähe und temperaturbeständige Bindematerial die Zwischenräume zwischen den CBN-Teilchen ausfüllt.

Es wurde ermittelt, daß zur Herstellung eines Sinterkörpers der oben geschilderten Struktur die CBN-Menge liegt bei 10 Vol.-%. Wenn die CBN-Menge weniger als 10 Vol.-% beträgt, kommen die Eigenschaften von CBN in dem Werkzeug nicht mehr zur Geltung.

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

Die Kristallteilchengröße des Sinterkörpers beträgt vorzugsweise weniger als einige µm. Zur Erzielung derart kleiner Teilchen muß das pulverförmige Material aus CBN noch kleiner sein als einige µm. Ein derart feines Pulver aus Teilchen von einigen µm oder noch kleiner enthält eine relativ große Sauerstoffmenge, in der Regel hauptsächlich als Hydroxid oder dergleichen. Erwärmt man diese 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 Pulver 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 1000°C 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°C entgast.

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

B₂O₃+4 M - 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 MN den Sintervorgang verbessern.

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

Es wurde ferner gefunden, daß eine ausgezeichnete Sinterung erreicht wird, wenn Ti, Zr, Hf, V, Nb und Ta in den Formeln MN_x, MC_x und M(CN)_x einen Wert x von weniger als 0,97 besitzen.

Außerdem wurden verschiedene Stoffe aus TiN_x hergestellt, wobei der Wert x 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.

Die Veränderung der Gitterkonstante des Sinterkörpers läßt sich wie folgt erklären:

Bekanntlich existieren in Ti und N von TiN_x sehr viele Atomlücken, auch wenn TiN_1,0 eine stöchiometrische Mischung ist. Das für die Versuche verwendete TiN_0,72 besitzt mehr Atomlücken von N als Ti, in dem auch Atomlücken vorhanden sein müssen. Die Gitterkonstante von TiN infolge der Behandlung mit hohem Druck und hoher Temperatur ist 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 erläutert.

(1) Die Gitterkonstante von TiN des Sinterkörpers ist 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_x-Pulver durch Reaktion von TiN_x und BN vor allem TiB₂ oder TiB erzeugt, die harte Komponente des Sinterkörpers. Gleichzeitig diffundiert N in BN in TiN_x. Je feiner das verwendete CBN-Pulver ist, umso größer wird die Kontaktfläche zum TiN_x-Pulver, was die obige Reaktion bei niedriger Temperatur fördert. Durch die Reaktion an den Kontaktflächen kann zwischen TiN_x-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 Metall 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% veringern sich die Temperaturbeständigkeit und die Verschleißfestigkeit des Sinterkörpers, so daß er nicht mehr für ein Werkzeug brauchbar ist.

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 hexagonalem 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 eindringt und sie ausfüllt, da 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 hexagonalem Bornitrid katalytisch reagieren, wodurch die Umwandlung in CBN gefördert und eine Rückwandlung in hexagonales Bornitrid verhindert wird.

Es wurden Experimente mit Katalysatoren, insbesondere Al und Si zur Bestätigung dieser Wirkungen durchgeführt. Nach einer Methode wird beispielsweise Al oder Si dem anderen Teil des Bindematerials zugesetzt, beispielsweise zu Nitriden der erwähnten Metalle, wobei zunächst Al und/oder Si mit dem MN-Material vermischt wird, das einen Wert x von weniger als 0,97 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_x mit Al oder Si reagiert und intermetallische Komponenten entstehen, die in einem Bereich des M-Al- oder M-Si-Phasendiagrammes existieren, beispielsweise TiAl₃ und andere, wenn Ti M ist. Die intermetallischen Komponenten werden pulverisiert und als 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 Al oder Si dadurch zugesetzt, daß M-Al- und/oder Mi-Si-Intermetallkomponenten als Pulver zunächst neben dem anderen Teil des Bindematerials präpariert werden, dem erstere hinzugesetzt werden. Ebenso kann der Zusatz in den Teil des Bindematerials aus Carbid oder Carbonitrid eingemischt werden.

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

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 ihrer Brauchbarkeit als spanabhebende Werkzeuge verglichen. Dabei zeigt sich wieder, daß der Al oder Si enthaltende 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 = 45 der Anteil von CBN vorzugsweise 30 bis 70 Vol.-% betragen.

Fig. 3 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 µm 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 möglichst 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. 3 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, besteht 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.

Fig. 4 zeigt die Verschleißfestigkeit eines Sinterkörpers mit 60 Vol.-% CBN, wobei die Teilchengröße geändert wird. Verwendet wird das gleiche Werkstück wie in Fig. 3. 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 µm 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 40 Vol.-% 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 0,5 mm 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 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 Heißpressens 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.

Der oben beschriebene Sinterkörper hat eine größere Härte, Zähigkeit, Temperaturbeständigkeit und Verschleißfestigkeit 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 wurde Pulver aus Ti(C_0,4, N_0,4)_0,8 einer mittleren Teilchengröße von einem µm mit Aluminiumpulver von einer mittleren Teilchengröße von 30 µm im Gewichtsverhältnis 98 zu 2 zu einer Ti(C,N)-Pulvermischung verarbeitet, die wie in Beispiel 2 Aluminiumbestandteile enthielt. Anschließend wurde die Mischung mit CBN- Pulver einer mittleren Teilchengröße von 4 µm in einem Volumenverhältnis von 65 zu 35 gemischt. Aus der Mischung wurde gemäß folgendem Verfahren ein Sinterkörper hergestellt:
Die gesamte Pulvermischung wird nach Beigabe von 2 Gew.-% 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 1100°C 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 50 Kb erhöht und die Temperatur auf 1150°C gebracht. Nach 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.

Aus dem Sinterkörper wurde ein spanabhebendes Werkzeug hergestellt, indem man vom Sinterkörper mit einem Diamantfräser eine spanabhebende Spitze abtrennt und auf ein Stahl- Substrat hartlötet und mit diesem ein warmbehandelter Stahl JIS-SCr3 mit der Form nach Fig. 5, spanabhebend bearbeitet, wobei der Durchmesser A 32 mm, die Strecke B 12 mm und die Strecke C 196 mm betrug. Die Spanabnahme erfolgte in Pfeilrichtung mit einer Schnittgeschwindigkeit von 60 m/Min., einer Schnittiefe von 0,15 mm und einem Vorschub von 0,12 mm/Umdrehung. Die Versuche ergaben, daß das Schneidwerkzeug auch noch 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-Sinterpreßling, verbunden durch Kobalt, bestand, bereits nach der Bearbeitung von nur einem Werkstück an der Schneidkante beschädigt.

Beispiel 2

Es wurde CBN-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 4 µm sowie pulverförmiges, wie in Beispiel 1 Aluminium enthaltendes TiN_0,92, TiSi₂ und Nickel-Carbonyl mit einer mittleren Teilchengröße von 1 µm in einem Volumenverhältnis 70 zu 15 zu 5 zu 10 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 Stahl mit einem im Handel erhältlichen CBN-Sinterpreßling auf obige Weise bearbeitet.

Fig. 6 zeigt die Zeit, nach der nach einer bestimmten Schnittgeschwindigkeit der Flankenverschleiß des spanabhebenden Werkzeuges 0,2 mm erreichte. Der erfindungsgemäß verwendete Sinterkörper hat besonders bei hoher Schnittgeschwindigkeit eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit.

Beispiel 3

Pulverförmiges TiN_0,73 mit einer mittleren Teilchengröße von 1 µm wurde in einer Kugelmühle mit Hartmetallkugeln mit Aluminiumpulver von 30 µm 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 1000°C gesintert. Der Sinterkörper wurde zu Pulver zerstoßen und mit Röntgenstrahlen untersucht, wobei sich TiAl₂, TiAl und Ti₂AlN entsprechende Spitzen ergaben, neben Spitzen für TiN, jedoch keine Spitzen, die dem Metall Aluminium zuzuordnen waren.

Tabelle 1

Das obige TiN-Pulver mit Aluminiumbestandteilen wurde mit CBN-Pulver von 3 µm mittlerer Teilchen größe in dem Volumenverhältnissen nach Tabelle 1 bemischt.

Der Pulvermischung wurden 2% des Gesamtgewichtes Kampfer zugesetzt und dann das Ganze zu einem 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 0,013 Pa in einem Vakuumofen entgast. In einer Überdruckeinrichtung 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 1100°C. 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-Frä ser 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 µm mittlerer Teilchengröße, mit Kobalt verbunden, und das andere aus zementiertem Carbid gemäß JIS Kol, beide mit der gleichen Form wie das erwähnte Werkzeug.

Die spanabhebenden Versuche erfolgten mit einer Schnittgeschwindigkeit von 150 m/Min., einer Schnit tiefe von 0,2 mm und einem Vorschub von 0,12 mm/Umdrehung, wobei als Werkstück ein gehärteter Stahl SNCM 9 mit der Rockwell-Härte HRC = 60 bearbeitet wurde. Die Zeit bis zu einem Flankenverschleiß des spanabhebenden Werkzeuges von 0,1 mm ist in Fig. 3 dargestellt. Das erfindungsgemäß verwendete Werkzeug aus dem Sinterkörper hat eine doppelt so große Standzeit wie das bekannte Werkzeug aus dem im Handel erhältlichen Sinterkörper aus CBN-Pulver und mit Kobalt verbunden. Die Probe 26 erreichte von den Proben 21 bis 29 den höchsten Wert und die dreifache Verschleißfestigkeit des konventionellen Werkzeuges.

Beispiel 4

Es wurden das gleiche CBN-Pulver und das gleiche TiN-Pulver mit Aluminiumbestandteilen gemäß Beispiel 3 in einem Volumenverhältnis von 30 Vol.-% zu 70 Vol.-% 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 2 im Vakuum entgast wurde. Nach dem Entgasen wurde der Rohpreßling auf dem Substrat bei einer Temperatur von 1100°C und einem Druck von 55 Kb 20 Minuten lang in einer Überdruckeinrichtung zu einem zusammengesetzten Sinterkörper gesintert. Der zusammengesetzte Sinterkörper bestand 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 Form 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 Al₂O₃-Keramik mit TiC und das dritte aus zementiertem Carbid gemäß JIS Kol. Die spanabhebende Bearbeitung erfolgte gemäß Tabelle 2. Die Spitze des zusammengesetzten Sinterkörpers wurde nicht beschädigt und zeigte gegenüber dem zementierten Carbid gemäß KOl die 50fache Leistungsfähigkeit.

Tabelle 2

Claims

1. Verwendung eines Sinterkörpers, umfassend 30 bis 70 Vol.-% kubisches Bornitrid in einer kontinuierlichen Matrix aus mindestens einem Carbid, Nitrid, Carbonitrid, Borid oder Silizid von Titan, Zirkonium, Kafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän und/oder Wolfram und aus 0,1 bis 20 Vol.-% Aluminium oder Silizium, für ein Werkzeug zur spanabhebenden Bearbeitung von Stahl und Gußeisen, wobei das Verhältnis der Teilchengröße des kubischen Bornitrids und der Matrix 3 : 1 bis 4 : 1 beträgt, und die Teilchengröße des kubischen Bornitrids kleiner als 10 µm ist.

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

3. Verwendung eines Sinterkörpers nach Anspruch 1 oder 2, wobei im Sinterkörper 0,1 bis 20 Vol.-% Nickel, Kobalt, Eisen und/oder Kupfer enthalten sind, für den Zweck nach Anspruch 1.

4. Verwendung eines Sinterkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welcher auf einem Träger aus WC-Hartmetall aufgebracht ist, für den Zweck nach Anspruch 1.