DE3116548A1

DE3116548A1 - Verfahren zur spanabhebenden bearbeitung von werkstoffen

Info

Publication number: DE3116548A1
Application number: DE19813116548
Authority: DE
Inventors: Shyam K. 48197 Ypsilanti Mich. Samanta
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1980-04-30
Filing date: 1981-04-25
Publication date: 1982-03-18
Also published as: GB2074559A; US4286905A; GB2074559B

Description

Patentanme !dung Verfahren zur spanabhebenden Bearbeitung von Werkstoffen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur spanabhebenden Bearbeitung von Werkstoffen wie Stahl, schmiedbarem Eisen oder Kugelgraphitgußeisen, insbesondere durch Fräsen oder Drehen, wobei als Schneidstahl ein Material verwendet wird, das aus

50 bis 70 Gew% Al O₁ Rest Si N besteht. c* 3 3 rfc

Keramische Materialien zur Verwendung als Werkzeuge zur spanabhebenden Bearbeitung lassen sich in zwei Gruppen einteilen

(a) Materialien auf der Basis von Al O enthalten 10 bis 20 % ' verdichtende Zusätze wie TiN, TiO₂, CaO, MgO oder Cr₂O₃.

Weitere Materialien

(b) enthalten Si N als Basismaterial sowie als Zusätze zur Verdichtung 2 bis 20 % MgO oder YO . Fast alle hexite gebrauchliehen Werkstoffe entsprechen dem unter (a) genannten Typ.

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Werkzeuge auf der Basis von Al O besitzen sehr unterschiedliche Lebensdauer, wobei eine Zerstörung dieser Werkzeuge meist durch Bruch bei hohen Temperaturen erfolgt infolge der dem Werkstoff eigenen Brüchigkeit. Versuche im Stand der Technik, die Lebensdauer der Werkzeuge zu verlängern, konzentrierten sich im wesentlichen auf die Verbesserung der physikalischen und mechanischen Eigenschaften etwa dadurch, daß die Haltevorrichtungen für die Werkzeuge steifer gemacht wurden, daß die Schwingungen eliminiert wurden und daß die Werkzeuggeometrie verbessert wurde. Dabei wurde die schlechte Widerstandsfähigkeit von Keramikwerkstoffen auf Al O -Basis gegen Thermoschocks ignoriert. Abgesehen von der Unterschiedlichkeit der Standzeiten zeigen keramische Werkzeuge auf der Basis von Al O eine ausgezeichnete chemische Stabilität und entsprechend eine überlegene Widerstandsfähigkeit gegen das Auskoken, was daher rührt, das eine chemische Reaktion auftritt

mit dem heißen Span, der entfernt wird. 20

Gewisse Werkzeuge aus Keramikmaterial auf der Basis von Si,N besitzen ausreichende Widerstandsfähigkeit gegen Thermoschock, um so wesentlich die Lebensdauer der Werkzeuge zu verbessern, und zwar bei der Bearbeitung von solchen Metallen, die keine Probleme bezüglich einer chemischen Reaktion schaffen, wie Grauguß. Wird dieser Werkstoff jedoch benutzt, um Stahl oder Kugelgraphitguß zu bearbeiten, so weist das Werkzeug auf der Basis von Si₃N schlechte Eigenschaften bezüglich des Verschleis-

ses auf, insbesondere bei etwas erhöhten Temperaturen, wie

30 °

beispielsweise 1 000 bis 1 200 Celsius, wo auch eine Oxydation verstärkt auftritt. Der Verschleiß tritt auf durch Förderung der Auskokung. Dabei hat sich herausgestellt, daß dieser Prozeß

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unabhängig davon ist, welche verdichtenden Zusätze dem Werkstoff des Werkzeuges zugesetzt werden. Diese Beobachtung führt dazu, daß diese schlechte Eigenschaft des Werkstoffes bei der Bearbeitung von Stahl oder Kugelgraphitguß auf die Verwendung von Si N zurückzuführen und unvermeidbar ist. Es wird vermutet, daß das Vorhandensein eines extrem heißen Spans, der an der Schnittstelle des Werkzeuges verbleibt, der Grund für den Verschleiß durch Auskokung ist. Bei der Bearbeitung von Grauguß ergibt sich jedoch nur ein kleiner Span, der im Kontakt mit dem Werkzeug verbleibt, so daß die Umstände zur Bildung der Auskokung bei der Überarbeitung dieses Werkstoffes vermindert sind.
15

Entsprechend ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der obenbezeichneten Art zu schaffen, das auch mit zufriedenstellenden Ergebnissen für die Bearbeitung von Stahl, schmiedbarem Eisen oder Kugelgraphitgußeisen verwendet werden kann.

Die Aufgabe gemäß der Erfindung wird durch die im. Hauptanspruch gekennzeichneten Verfahrens schritte gelöst. Z we ckmäss ige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verfahren ergeben sich durch die Anwendung der Merkmale des Unteranspruchs.

Das Verfahren zur Herstellung eines Schneidstahls auf der Basis von A1_O , Rest Si N , ist bekam
einzelnen beschrieben zu werden.

von A1_O , Rest Si N , ist bekannt und braucht hier nicht im

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—*■-

Gemäß der Erfindung wurden 14 Testbeispiele untersucht. Als Material wurde ein Werkstoff verwendet, der 70 Gew % Al O und 30 Gew% Si N enthält. Das Werkzeug wurde dabei

Lt O J Q

einem Enddruck von 352 ata ausgesetzt bei einer Temperatur von 1 600 Celsius. Einige der Proben wurden dabei benutzt, um Stähle zu bearbeiten, die handelsüblich sind unter der Bezeichnung ASA 1045 und 1018 ; weitere Proben wurden benutzt, um schmiedbares Eisen und Kugelgraphiteisen während Drehoperationen zu bearbeiten.

Die Daten dieser Versuche und die Ergebnisse sind in der Tafel I aufgeführt. Dabei sind auch die Daten festgehalten für die Verwendung eines handelsüblichen Materials für das Werk-15 zeug, bestehend aus warmgepreßtem Keramikmaterial, enthaltend Al O mit 10 bis 20 % TiC oder aus Si N mit einem Zusatz von 2 bis 8 % Y?O oder MgO oder aus Si N enthaltend einen kleinen Betrag an Al O .

Li J

^O Die Verwendung eines Schneidstahles gilt üblicherweise dann

als zufriedenstellend, wenn bei einer Schnittgeschwindigkeit von 244 bis 274 m/min, während eines Zeitraumes von 10 Minuten der Verschleiß nicht größer ist als 0, 635 mm und gleichzeitig keine thermischen Risse auftreten. Sobald thermische Risse

^CD auftreten, ist das Werkzeug nicht mehr brauchbar, selbst dann

nicht, wenn der Verschleiß nicht groß ist. Es ist hier darauf hinzuweisen, daß das Muster 3 für eine Zeit von 9, 5 Minuten eine Schnittgeschwindigkeit von 304,8 m/min, ausgehalten hat, wobei der Verschleiß 0, 348 mm betrug und keine thermischen Risse auftraten. Das ist etwa die Hälfte des Verschleißes, wie er auftritt bei der Verwendung von üblichen Werkstoffen auf Al O- Basis. Ähnliches gilt für das Ergebnis bezüglich der

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Muster 4 und 5.

Das Muster 11 "wurde benutzt um eine Fräsoperation an einem 1018-Stahl während einer Zeit von 7 Minuten bei einer Schnittgeschwindigkeit von 304, 8 m/min, auszuführen. Der Verschleiß war 0,050 mm, also etwa l/l0 des Verschleißes, wie er auftritt, wenn übliche Schneidstähle auf Al O -Basis benutzt werden.

Cm J

Bezüglich der Muster 13 und 14 wurde festgestellt, daß während

einer Zeit von 11 Minuten und einer Schnittgeschwindigkeit von 304,8 m/min, der Verschleiß 0,127 mm betrug, was etwa !/δ des Verschleißes von üblichen "Werkzeugen ausmacht.

Der Unterschied im Verhalten des Materials gemäß der Er-

findung im Vergleich zum herkömmlichen Material ergibt sich insbesondere bei einem Vergleich der Muster 1, 9 und 10. Der Unterschied im Verschleiß wird bei dem handelsüblichen Material begleitet durch das Auftreten von Schäden durch thermische Risse usw. Bei Anwendung des er findung sg an äßen

Verfahrens traten derartige Schäden nicht auf.

Der Verschleiß bei den Werkzeugen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren trat offensichtlich dadurch auf, daß nur ein Abrieb stattfand. Das kann darauf zurückzuführen sein, daß

eine gewisse Schwäche in den Grenzbereichen zwischen den AL_O - Körnern und den Si N- Körnern auftrat, herrührend von einer MikroerScosion an den Korngrenzen und einer Entfernung des Primärkornes durch Abrieb. In Ausgestaltung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, ein Material zu verwenden, bei dem

der Zusammenhalt zwischen Si N und Al O durch die Anwesenheit von Oxyden aus der Gruppe der stabilisierten ZrO oder HfO_-Verbindungen verbessert wird. Jede dieser Zusätze

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verbessert die Verschleißeigenschaften des Materials. Dabei ist insbesondere vorgeschlagen, daß die Pulvermischung für das Warmpressen bevorzugt bestehen soll aus 55 Gew%

A1_O , 30 Gew% Si₀N₁₁ und bis zu 15 Gewf« ZrCL. Es wird " 3 3 4 L

darüberhinaus angenommen, daß der Zusatz von Zirkonium die Festigkeit des Materials bei höheren Temperaturen verbessert.

Tafel I

Muster Rcarbcitetee Art der Bearbeitungsbedingungen
· Material Bearbeitung

70% Al,O, /3Of. Si.N. Material

Handelsübliches Material

Geschwindigkeit Vorschub Schnittiefe Bearbeitungszeit Verschleiß Bemerkungen Bearbeitungszeit Verschleiß Bemerkungen

(m/min.) (mm/Um- (mm) (min.) (mm) (min.) (mm)

drehung)

Stahl

Drehen

152.4

0.259

1.016

10,0

Il	Il	152.4
Il	M	304.8
Il	It	304.8
Il	If	304.8
ti	II	609.6
M	It	609. 6
ti	Il	609.6
1045 Stahl	Fräsen	1828.

661.4

0.282	5.08	16.5
0.282	2.54	9.5
0.282	2.54	10.9
0.559	1. 016	11.4
0.127	1.016	16.5
0.282	1. 016	16.4
0.282	2.54	16,3
0.091	2.54	2,2

0.091

2.54

12.6

0.2032 0.3479 0.4191 0.4419 0. 7874 0. 7747 0.635 0.3556

Il	1018 Stahl	Fräsen	304.8	0,254	1.016	7.	0	0.0508
12	Il	Il	304.8	0. 508	1. 016	3.	5	0.0254
13	Kugelgraphit- gufl	Drehen	304.8	0.1016	1,016	11		0.127
14	Schmiedbares Eisen	Drehen	304.8	0. 1016	1, 016	11		0,127

keine thermi- 10.0
sehen Schäden

0.1016

2.0

6.0
7.3

0.2032
0.08636

thermische
Schäden

Schilden entlang der Schneidkante

thermische Schäden Nase gebrochen

Claims

Patentansprüche

( l.y Verfahren zur spanabhebenden Bearbeitung von Werkstoffen wie Stahl, schmiedbarem Eisen oder Kugelgraphitgußeisen, insbesondere durch Fräsen oder Drehen und ähnliches, wobei als Schneidstahl ein Material verwendet wird, das aus 50 bis 70 Gew% Al O₁ Rest Si N besteht, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensmerkmale:

(a) Die Relativ ge sch windigkeit zwischen dem Werkstoff und dem Werkzeug beträgt 305 bis 1 830 m/min. ;

(b) das Werkzeug wird so in den zu bearbeitenden Werkstoff hineinbewegt, daß die Schnittiefe zwischen 1, 016 mm und 5, 08 mm beträgt und die Vorschubgeschwindigkeit zwischen 0, 1016 mm/Umdrehung und 0, 508 mm/Umdrehung liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem als Werkzeug verwendeten Material bis zu 15 Gew% des Anteils an Al O durch ZrO oder HfO er-

Ci Zf w Lt

setzt ist.