DE3335341A1

DE3335341A1 - Bornitridhaltiger sinterkoerper hoher dichte als schneidewerkzeug und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE3335341A1
Application number: DE19833335341
Authority: DE
Inventors: Tamotsu Aichi Akashi; Masatada Handa Aichi Araki
Original assignee: Nippon Oil and Fats Co Ltd
Current assignee: NOF Corp
Priority date: 1982-10-01
Filing date: 1983-09-29
Publication date: 1984-04-05
Also published as: US4566905A; GB2130604A; DE3335341C2; ZA837256B; SE8305336L; GB8326249D0; GB2130604B; SE455419B; JPS5964737A; JPS6315982B2; SE8305336D0

Description

NIPPON OIL AND FATS COMPANY, LIMITED, TOKYO / JAPAN

Bornitridhaltiger Sinterkörper hoher Dichte als Schneidewerkzeug und Verfahren zu dessen Herstellung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen bornitridhaltigen Sinterkörper hoher Dichte als Schneidewerkzeug und Verfahren zu dessen Herstellung. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Sinterkörper, welcher sowohl kubisches Bornitrid (im folgenden als CBN bezeichnet) und Wurtzitstrukturiertes Bornitrid (im folgenden als WBN bezeichnet) unter verschiedenen Sinterkörpern aufweist, die Bornitrid hoher Dichte enthalten, das sich aufgrund seiner hohen Härte für Schneidstähle in ausgezeichneter Weise eignet.

CBN wird kommerziell nach einem Verfahren synthetisiert, wonach Bornitrid niederer Dichte (im folgenden als gBN bezeichnet) einmal in einem Schmelzmedium, wie einem Alkalimetall oder dergleichen geschmolzen wird; dann wird CBN unter statischem ultrahohem Druck präzipitiert. Im allgemeinen stellt CBN ein aus Einzelkristallen gebildetes Pulver dar, hat eine Teilchengrösse von 1μπι bis mehreren Hunderten um und besitzt eine hohe Festigkeit und Härte,weist jedoch Spaltbarkeitseigenschaften auf. WBN wird direkt aus gBN durch Phasenkonversion ohne Verwendung des Schmelzmediums nach einem Verfahren hergestellt, wonach ein Druck von etwa mehreren Hundert Kb, der durch Explosion eines Sprengstoffes gebildet wird, auf

das gBN angewendet wird; es besteht aus Polykristallpulvern, die aus sekundären Teilchen mit einer Teilchengrösse von 0,1 μΐη bis zu mehreren Zehnern μΐη bestehen, und welche aus aggregiertn primären Parikeln gebildet werden, die eine Grosse von mehreren Zehnern nm besitzen, und welches eine hohe Härte und Festigkeit, jedoch keine Spaltbarkeit aufweist.

Wenn ein Sinterkörper für Schneidewerkzeuge hergestellt wird, indem er CBN oder WBN mit den vorstehend beschriebenen Eigenschäften in dem Sinterkörper umfasst, so zeigt der resultierende Sinterkörper die charakteristischen Eigenschaften der jeweiligen Pulver.

Im allgemeinen ist ein Sinterkörper, der CBN enthält, scharf, bildet jedoch aufgrund der Tatsache, dass CBN-Teilchen die Form eines Spitzen Winkels bilden, eine grob geschnittene Oberfläche; zudem zeigt es die Tendenz, aufgrund der Spaltbarkeit der CBN-Teilchen leicht zu spalten. Ein Sinterkörper, der WBN enthält, ist im Hinblick auf die Schärfe dem CBN-haltigen Sinterkörper etwas unterlegen, was auf die unregelmässig geformten Kristalle der WBN-Teilchen zurückzuführen ist; er liefert jedoch im Vergleich zu einem CBN-haltigen Sinterkörper eine geringere Oberflächenrauhigkeit eines Metalles, das mit Hilfe des Sinterkörpers bearbeitet wurde; aufgrund des Fehlens der Spaltbarkeit der WBN-Teilchen kommt es kaum zu Spaltungen.

Um die Nachteile von CBN und WBN zu kompensieren, hat man in den japanischen Offenlegungsschriften 77359/81 und 97448/80 Sinterkörper vorgeschlagen, die sowohl CBN als auch WBN enthalten. Die japanische Offenlegungsschrift 97448/80 offenbart einen Sinterkörper, der sowohl WBN als auch CBN umfasst, wobei dieser Sinterkörper aus einem anfänglichen Materialgemisch aus WBN, Metall und Keramik durch teilweise Umwandlung von WBN in CBN während des Sinterns

hergestellt wird. Die japanische Offenlegungsschrift 77359/81 offenbart einen Sinterkörper, welcher durch Sintern eines Materialausgangsgemisches aus CBN, WBN, Metall und Keramik hergestellt wird, und aus 15 bis 60 VoL-% Bornitrid hoher Dichte und der Rest aus Cermet (Metall und Keramik) besteht, wobei das Bornitrid hoher Dichte aus 4 bis 16 Vol.-% CBN und 96 bis 84 Vol.-% WBN besteht.

Beide Druckschriften geben keinen Hinweis auf das erfindungsgemässe Verhältnis zwischen den Teilchengrössen von CBN und WBN.

Die in diesen Druckschriften beschriebenen Sinterkörper können auf einfache Weise hergestellt werden, und weisen ausgezeichnete Schneideigenschaften und einen guten Abriebswiderstand auf, und können gut bearbeitet werden, brechen jedoch manchmal bei Walzenguss (chilled roll), ultrawärme-beständigen Legierungen, Gusseisen und dergleichen, und sind daher in ihrer Schneidleistung und "ihrem Abriebswiderstand noch nicht zufriedenstellend.

Es wurden nun ausgedehnte Untersuchungen zur Entwicklung eines bornltridhaltigen Sinterkörpers hoher Dichte vorgenommen, der über die Eigenschaft verfügt, ultrawärme-beständige Legierungen, Gusseisen und dergleichen zu schneiden. Dabei wurde gefunden, dass wenn das zu dem Ausgangsmaterialgemisch zum Sintern zugegebene Bornitrid hoher Dichte auf zwei Arten von CBN. und WBN limitiert ist, und ausserdem das Verhältnis der Menge von CBN zu WBN und das Verhältnis der durchschnittlichen Teilchengrösse von CBN zu dem von WBN innerhalb bestimmter Grenzen beschränkt ist, ein Sinterkörper erhalten wird, der über ausgezeichnete Eigenschaften zum Schneiden der vorstehend beschriebenen Materialien verfügt. Diese Untersuchungen haben zu der vorliegenden Erfindung geführt.

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Die vorliegende Erfindung umfasst einen bornitridhaltigen Sinterkörper hoher Dichte als Schneidwerkzeug, welcher 60 bis 95 Vol.-% Bornitrid hoher Dichte und 40 bis 5 Vol.-% Metall allein oder im Gemisch mit Keramik umfasst, wobei das Bornitrid hoher Dichte aus 60 bis 95 Vol.-% CBN und 40 bis 5 Vol.-% WBN besteht, und das CBN eine durchschnittliche Teilchengrösse von mindestens dem 5-fachen derjenigen von WBN aufweist.

Im weiteren umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von nitridhaltigen Sinterkörpern hoher Dichte als Schneidwerkzeug, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man 60 bis 95 V0I.-& Bornitrid hoher Dichte, welches aus 60 bis 95 Vol.-% CBN und 4 0 bis 5 Vol.-% WBN besteht, und 40 bis 5 Vol.-% Metall allein oder im Gemisch mit Keramik homogen vermischt und das erhaltene Gemisch bei einer Temperatur von nicht unter 1.000⁰C und einem Druck von 20 bis 70 Kb sintert, wobei das CBN eine durchschnittliche Teilchengrösse von mindestens dem 5-fachen derjenigen von WBN aufweist.

Fig. 1 zeigt eine vergrösserte Ansicht des Bereiches der Spitze

eines Schneidwerkzeugs ^ welches aus einem üblichen Sinterkörper besteht, der aus CBN und Metall allein oder im Gemisch mit Keramik besteht, und zeigt die Textur der Werkzeugspitze; und

Fig. 2 -ist eine vergrösserte Ansicht der Spitze eines Schneidwerkzeuges aus dem erfindungsgemässen Sinterkörper und zeigt ebenfalls die Textur der Werkzeugspitze.

Es ist erforderlich, dass ein bornitridhaltiger Sinterkörper hoher Dichte, der zum Schneiden von Walzenguss (chilled roll) und anderen Materialien geeignet ist, mindestens 60 Vol.-% 35

Bornitrid hoher Dichte besitzt und eine Mikro-Vickers-Härte von mindestens 3.000 kg/mm² aufweist, vorzugsweise mindestens 3.300 kg/mm² (beide Werte werden bei Raumtemperatur unter einer Belastung von 1 kg bestimmt).

Wenn ausserdem zwei oder mehrere Arten von pulverförmigen Bornitriden hoher Dichte mit verschiedenen Durchschnittsteilchengrössen bei der Herstellung eines Sinterkörpers verwendet werden, besitzt der resultierende Sinterkörper eine grosse Härte und einen hohen Abriebswiderstand. Wenn CBN als Pulver mit einer grösseren durchschnittlichen Teilchengrösse und WBN als Pulver mit einer kleineren durchschnittlichen Teilchengrösse verwendet werden, und das Verhältnis der durchschnittlichen Teilchengrösse von CBN zu derjenigen von WBN auf mindestens 5 : 1 begrenzt ist, besitzt der erhaltene Sinterkörper eine besonders hohe Härte und gute Abriebsbeständigkeit .

Die Gründe hierfür sind folgende: Wenn Pulver mit verschiedenen Teilchengrössen in eine Kapsel gefüllt und gesintert werden und diese Pulver Teilchengrössen besitzen, die sich voneinander deutlich unterscheiden, so kann ein optimales Einfüllen (loading) erreicht werden, wobei feine Pulver in den zwischen benachbarten groben Pulvern gebildeten Lücken dispergiert sind. Die Ladungsdichte ist dadurch erhöht, wodurch der gesinterte Zustand verbessert wird. Ausserdem verstärkt die Dispersion feiner WBN-Pulver in den zwischen benachbarten groben CBN-Pulvern gebildeten Lücken die zwischen den benachbarten CBN-Teilchen geformten Zwischenräume und verhindert einen Bruch der CBN-Teilchen. Wenn WBN nicht in den zwischen benachbarten CBN-Teilchen gebildeten Lücken dis-pergiert ist, so findet man in diesen Lücken Metall oder Metall und- Keramik dispergiert, wodurch die Abriebsbeständigkeit des erhaltenen Sinterkörpers beeinflusst wird.

Wenn man lediglich die Teilchengrösse der zu vermischenden Bornitride hoher Dichte berücksichtigt, so ergeben sich Kombinationen von groben CBN-Teilchen und feinen CBN-Teilchen; groben WBN-Teilchen und feinen WBN-Teilchen; und groben WBN-Teilchen und feinen CBN-Teilchen ausser der Kombination von groben CBN-Teilchen und feinen WBN-Teilchen. Es hat sich jedoch bei den Versuchen gezeigt, dass die Kombination aus groben CBN-Teilchen und feinen WBN-Teilchen zu dem besten Ergebnis führt. Der Grund hierfür ist wahrscheinlich der folgende. Grobe CBN-Teilchen besitzen eine höhere Festigkeit als grobe WBN-Teilchen, und feine WBN-Teilchen weisen eine höhere Abriebsbeständigkeit auf als feine CBN-Teilchen. Dementsprechend erhält man mit der vorstehend genannten Kombination aus groben CBN-Teilchen und feinen WBN-Teilchen die besten Ergebnisse.

Ausserdem ist es schwierig, feine CBN-Teilchen und grobe WBN-Teilchen zu erhalten. Somit ist die vorstehend beschriebene Kombination aus groben CBN-Teilchen und feinen WBN-Teilchen auch aus diesem Grunde vorteilhaft für die Herstellung von Sinterkörpern gemäss der Erfindung.

Der Effekt der Kombination aus groben CBN-Teilchen und feinen WBN-Teilchen liegt ausserdem darin, dass das zu schneidende Material mit einer geringen Oberflächenrauhigkeit geschnitten werden kann. Dies lässt sich wie folgt erklären: Fig. 1 ist eine vergrösserte Ansicht der Spitze eines Schneidwerkzeuges das aus konventionellem Sinterkörper gefertigt wurde, der aus CBN und Metall allein oder im Gemisch mit Keramik besteht; diese Fig. zeigt die Textur der Werkzeugspitze. In Fig. 1 bedeutet 1 ein CBN-Teilchen, 2 zeigt eine Textur, die aus einem Metall oder einem Metall und Keramik besteht, und die zwischen den CBN-Teilchen gebildeten Lücken füllt, und 3 ist das Profil der Spitze.

Wenn ein Sinterkörper mit der Textur, wie sie in Fig. 1 wiedergegeben wird, ein Material schneidet, so nutzt sich der Anteil der Textur 2, die aus Metall oder Metall + Keramik besteht, wobei Metall und Keramik weicher als CBN-Teilchen 1 sind, und die Lücken zwischen den CBN-Teilchen füllt, im Vergleich zu den CBN-Teilchen 1 wesentlich schneller ab und bildet ein Profil 3', das ebenfalls in Fig. 1 wiedergegeben ist. Somit verändert sich das Profil der Spitze von der ursprünglichen, im wesentlichen linearen Form zu einer Form, die eine grosse Anzahl von Hervorhebungen bzw. Vertiefungen aufweist; diese Form mit den zahlreichen Vertiefungen wird während des Schneidvorganges auf die Oberfläche des zu schneidenden Materials übertragen, so dass die Oberfläche des zu schneidenden Materiales bald nach dem Schneidbeginn rauh (high) wird.

Im Gegensatz dazu befinden sich bei dem Sinterkörper gemäss der Erfindung, welcher ausser CBN auch WBN enthält, und welcher nicht nur eine Textur 2" aus Metall oder Metall und Keramik aufweist, auch WBN-Teilchen 4 mit im wesentlichen der gleichen Härte wie CBN-Teilchen in den zwischen den CBN-Teilchen gebildeten Lücken. Dies geht aus Fig. 2 hervor. Aus diesem Grunde bildet sich in der Werkzeugspitze, die aus dem Sinterkörper gemäss der Erfindung hergestellt wurde, nicht ein Profil 3' mit einer grossen Anzahl von Hervorhebungen bzw. Vertiefungen infolge Abnutzung, wie dies in Fig. 1 gezeigt wird. Die Werkzeugspitze aus dem Sinterkörper gemäss der Erfindung zeigt einen einheitlichen Abrieb über die gesamte Spitze, wobei sie im wesentlichen die ursprüngliche Eorm bewahrt. Demzufolge ist es möglich, den Schneidvorgang bei dem zu schneidenden Material fortzusetzen, wobei die geringe Oberflächenrauhigkeit des Materiales beibehalten wird.

Wenn ausserdem in der Werkzeugspitze, wie sie in Fig. T wiedergegeben wird, die Profillinie der Spitze auf die Profilposition 3' zurückgeht, so stehen CBN-Teilchen aus der Spitze

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hervor, wodurch die Belastung auf die hervorstretenden CBN-Teilchen konzentriert wird, so dass die CBN-Teilchen leicht abgerieben, gebrochen und geschiefert werden, wodurch das Werkzeug früh unbrauchbar wird. Wenn dagegen ein WBN-haltiger Sinterkörper verwendet wird, so treten solche Schwierigkeiten nicht auf, und die Beständigkeit des Werkzeuges ist wesentlich grosser.

Bei der Herstellung des bornitridhaltigen Sinterkörpers hoher Dichte können als Ausgangsmaterialien nur CBN und WBN verwendet und gesintert werden. Es ist jedoch vorteilhaft, CBN und WBN zusammen mit Metall oder mit Metall und Keramik zu sintern, um einen Sinterkörper unter milden Sinterbedingungen herzustellen, und einen Sinterkörper mit guten Eigenschaften als Schneidwerkzeug zu erhalten.

Der Grund, warum Metall zu den Ausgangamaterialien für den Sinterkörper zugegeben wird ist der folgende: CBN und WBN ergeben selbst unter hohem Druck von mehreren Zehntausenden Atmosphären keinen plastischen Fluss, wenn sie nicht auf eine hohe Temperatur von ca. 2.000⁰C erwärmt werden; aus diesem Grunde fliesst Metall, das bei einer Temperatur unter 2.000⁰C fliessfähig ist, in die zwischen den CBN- und WBN-Teilchen gebildeten Lücken und füllt diese aus; gleichzeitig geht das Metall mit den Oberflächen von CBN und WBN eine Bindung ein, wodurch ein Sinterkörper hoher Festigkeit erzeugt wird.

Der Grund, warum Metall und Keramik zu den Ausgangsmaterialien CBN und WBN zugegeben werden, ist der folgende: Die Festigkeit der bindenden Phase, die durch das Metall gebildet wird, wird verbessert, wodurch die Festigkeit des Sinterkörpers als ganzes verbessert wird, ebenso wie die Abriebsbeständigkeit des Sinterkörpers beim Schneiden.
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Als geeignete Metalle, die zu den Ausgangsmaterialien CBN und WBN zugegeben werden, sind zu nennen: Metalle der ersten Gruppe: Nickel, Kobalt, Chrom, Mangan und Eisen; Metalle der zweiten Gruppe: Molybdän, Wolfram, Vanadium, Niob und Tantal; und Metalle der dritten Gruppe: Aluminium, Magnesium, Silicium, Titan, Zirkon und Hafnium. Die Metalle der ersten Gruppe besitzen selbst eine hohe Festigkeit und ausserdem eine plastische Fluidität; somit eignen sich die Metalle der ersten Gruppe zum Ausfüllen der Lücken. Die Metalle der zweiten Gruppe besitzen eine Bindungswirkung und verhindern ausserdem das Wachsen von Kristallteilchen des gebundenen Metalls zu groben Teilchen, und sie verbessern die Festigkeit des resultierenden Sinterkörpers. Die dritte Gruppe der Metalle besitzt eine hohe Affinität zu CBN und WBN und wird in wirksamer Weise zum Verbessern des Benetzens zwischen dem CBN und dem Metall oder Keramik oder zwischen WBN und Metall oder Keramik eingesetzt sowie zur Herstellung von Sinterkörpern hoher Festigkeit.

Gemäss der Erfindung kann zusätzlich zu dem Metall auch Keramik zu den Ausgangsmaterialien aus CBN und WBN, wie vorstehend beschrieben, zugegeben werden. Als Keramik, die zu den Ausgangsmaterialien zugegeben wird, sind zu nennen: Oxide, Carbide, Nitride und Boride der vorstehend beschriebenen Metalle sowie ausserdem Borcarbid.

Die Art des Metalles oder die Art der Kombination aus Metall und Keramik, die zu dem Ausgangsmaterial aus CBN und WBN zugegeben wird ,,bestimmt sich nach der Art des mit dem resultierenden Sinterkörper zu schneidenden Materials, sowie der Schneidmethode oder den Sinterbedingungen. Die Art des Metalls oder die Art der Kombination aus Metall und Keramik kann vom Fachmann auf einfache Weise ausgewählt werden, wobei hier auf die nachfolgenden Beispiele gemäss der Erfindung Bezug genommen wird.

Gemäss der Erfindung kann ein Teil von WBN, das zur Bildung des Sinterkörpers dient, zu CBN umgewandelt werden, und zwar in dem Falle, wo Sinterdruck unö Sintertemperatür hoch sind, oder wenn Sinterdruck und -temperatur zwar nicht so hoch sind, jedoch das verwendete Metall oder die entsprechende Keramik die Fähigkeit zur Umwandlung von WBN in CBN besitzt. Selbst wenn jedoch derartige Umwandlungen vorkommen, kann der erfindungsgemässe Sinterkörper erhalten werden, sobald bestimmte Bedingungen eingehalten werden, insbesondere feine WBN-Teilchen, die zwischen den groben CBN-Teilchen gebildete Lücken füllen, verwendet werden.

Bei der Herstellung des Sinterkörpers gemäss der Erfindung kann als Vorrichtung zum Einstellen eines hohen Druckes und einer hohen Temperatur, i.e. als sogenannte Ultrahoch-Druck-Vorrichtung jede beliebige Apparatur verwendet werden, mit welcher Sinterbedingungen von 20 bis 70 Kb und eine Tempertur von nicht</l. 000⁰C, wie dies gemäss der Erfindung erforderlich ist, eingestellt werden können. In den folgenden Beispielen wurde eine Bandapparatur (belt apparatus) verwendet.

Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern, ohne diese zu beschränken.
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Beispiel 1

Ein Gemisch aus 90 Vol.-% pulverförmigem CBN mit einer durchschnittlichen Teilchengrösse von 9 μΐη, 5 Vol.-% pulverförmigem WBN mit einer durchschnittlichen Teilchengrösse von 1μπι, 3 Vol.-% pulverförmigem Aluminium mit einer durchschnittlichen Teilchengrösse von 10 μια und 2 Vol.-% pulverförmigem Nickel mit einer durchschnittlichen Teilchengrösse von 15 um wurden 4 h lang in einer Kugelmühle aus Sintercarbid

homogen vermischt. Die homogen vermischen Pulver wurden in eine Kapsel aus _trostfreiem Stahl mit einem Aussendurchmesser von 16 mm, einer Höhe von 9 mm und einer Dicke von 0,5 mm bis zu einer Höhe von 2 mm vom Boden eingefüllt. Dann wurde dieses pulverförmige Gemisch mit einem anderen pulverförmigen Gemisch beschichtet, das aus 91 Gew.-% Wolframcarbid und 9 Gew.-% Kobalt bestand, wobei die Dicke der Beschichtung 6 mm betrug. Die Kapsel wurde mit einem Deckel aus rostfreiem Stahl mit einem Durchmesser von 15 mm und einer Dicke von 0,5 mm verschlossen, in eine Vorrichtung mit ultrahohem Druck gegeben und 10 Minuten lang bei Druck- und Temperaturbedingungen von 50 Kb und 1.200 ⁰C belassen, um die vermischten Pulver aus CBN, WBN, Aluminium und Kobalt zu sindern.

Der erhaltene Sinterkörper wies eine Mikro-Vickers-Härte von 3.800 kg/mm² auf. Die mikroskopische Untersuchung der Textur ergab, dass WBN und Metalle in den zwischen den CBN-Teilchen gefüllten Lücken dispergiertcv.:. und dass diese Elemente fest zusammengesintert waren.

Daraufhin wurde der Sinterkörper zu eine Scheibe mit einem Durchmesser von 12,7 mm und einer Dicke von 4,76 mm mit Hilfe eines Diamantenschleifrades geschliffen; die Scheibe wurde dem folgenden Schneidtest unterworfen. Ein abgeschreckter Stahl mit einem Durchmesser von 300 mm und einer Länge von 2.000 mm wurde im trockenen Zustand unter folgender Bedingung geschnitten: Schnittiefe 1,0 mm, Beschickung 0,3 mm/ Drehung (rev) und einer Aussengeschwindigkeit von 45,2 m/Min. Nach einstündiger Schnittzeit betrug die Seitenabnutzung 0,18 mm; es wurde keine Kraterabnutzung beobachtet. Der in diesem Schneidtest verwendete abgeschreckte Stahl besass eine Rockwell-Härte der C-Skala (HRC) von 65 - 67.

Vergleichsbeispiel 1

Es wurde ein Experiment auf die gleiche Weise durchgeführt, wie dies in Beispiel 1 beschrieben ist, mit der Ausnähme, dass das gesamte Bornitrid hoher Dichte durch das gleiche CBN, das in Beispiel 1 verwendet wurde, ersetzt worden ist. Der erhaltene Sinterkörper wies eine Mikro-Vickers-Härte von 3.100 kg/mm² auf. Im Verlauf des Schneidtestes brach der Sinterkörper, nachdem er 3 Minuten zum Schneiden verwendet worden war; ein nachfolgender Schneidtest konnte nicht durchgeführt werden.

Beispiel 2

Ein Gemisch aus 60 Vol.-% pulverförmigem CBN mit einer durchschnittlichen Teilchengrösse von 12 μΐη, 20 Vol.-% pulverförmigem WBN mit einer durchschnittlichen Teilchengrösse von 2 μΐη, 3 Vol.-% pulverförmigem Aluminium mit einer durchschnittlichen Teilchengrösse von 10 μΐη, 4 Vol.-% pulverförmigem Magnesium mit einer durchschnittlichen Teilchengrösse von 18 μπι, 2 Vol.-% pulverförmigem Kobalt mit einer durchschnittlichen Teilchengrösse von 20 μπι und 11 Vol.-? pulverförmigem Titannitrid mit einer durchschnittlichen Teilchengrösse von 2,3 μπι wurden auf die gleiche Weise, wie dies in Beispiel 1 beschrieben ist, homogen vermischt.

Die homogen vermischten Pulver wurden auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 beschrieben, gesintert. Der erhaltene Sinterkörper wies eine Mikro-Vickos-Härte von 3.600 kg/mm² auf. Mikroskopische Untersuchungen zur Textur ergaben, dass aus Aluminium, Magnesium und Kobalt gebildete Legierungsteilchen, Teilchen von Titannitrid und Teilchen von WBN in den Lücken zwischen benachbarten CBN-Teilchen dispergiert waren; es hatte sich eine festgebundene Textur gebildet,

Das in diesem Experiment verwendete Titannitrid enthielt Stickstoff in einem Gewichtsverhältnis von 0,68, auf der Basis der stöchiometrischen Stickstoffmenge, wie sie als TiN berechnet wird.

Der erhaltene Sinterkörper wurde auf die gleiche Weise bearbeitet, wie dies in Beispiel 1 beschrieben wird, und einem Schneidtest unterworfen, wobei das gleiche Material zu schneiden war, wie es in Beispiel 1 beschrieben ist. Wenn das Material im trockenen Zustand 1,5 h bei einer Schneidtiefe von 1,8 mm, einer Beschickung (feed) von 0,8 mm/rev und einer periphären Geschwindigkeit von 23 m/Min, geschnitten wurde, betrug die Seitenabnutzung 0,3 mm; es wurde keine kraterförmige Abnutzung beobachtet.

Verglelchsbeispiel 2

Es wurde ein Sinterkörper hergestellt, wie dies in Beispiel 2 beschrieben ist, mit der Ausnahme, dass 60 Vol.-% CBN und 20 Vol.-% WBN vollständig durch WBN ersetzt wurden, welches eine durchschnittliche Teilchengrösse von 1 μπι aufwies.

Per erhaltene Sinterkörper besass eine Mikro-Vickera-Härte von 2.400 kg/mm². Wenn man den Sinterkörper dem gleichen Schneidtest _T wie er in Beispiel 2 beschrieben ist, unterwarf, SQ betrug die Flankenabnutzung bis zu 0,8 mm nach 5-minütigem Schneiden. Ein nachfolgender Schneidtest konnte nicht durchgeführt werden.

' Beispiel 3

Ein Gemisch aus 36 Vol.-% CBN mit einer durchschnittlichen Teilchengrösse von 6 μπι, 24 Vol.-% WBN mit einer durchschnittlichen Teilchengrösse von 1 μπι, 8 Vol.-% Aluminium, 4 Vol.-% Silicium und 0,5 Vol.-% Mangan (jedes Metall wies

eine durchschnittliche Teilchengrösse von nicht über 10 μΐη auf), 7,5 Vol.-% Aluminiumoxid mit einer durchschnittlichen Teilchengrösse von nicht mehr als 3 [im und 20 Vol.-% Titanborid mit einer durchschnittlichen Teilchengrösse von nicht mehr als 3μΐη wurden homogen vermischt und dann auf die gleiche Weise, wie dies in Beispiel 1 beschrieben ist, gesintert, mit der Ausnahme, dass der Sinterdruck 25 Kb und die Sintertemperatur 1.300⁰C betrugen.

Der erhaltene Sinterkörper wies eine Mikro-Vickers-Härte von 3.300 "kg/mm² auf. Mikroskopische Untersuchungen zur Textur ergaben, dass CBN-Teilchen von Bestandteilen, die nicht CBN darstellten, umgeben waren.

Der Sinterkörper wurde kreuzweise in vier Sektoren mit einem Scheitelwinkel von 90° geschitten. Einer der Sektoren wurde mit Silber an das Ende eines Schenkels aus S45C-Stahl gelötet, welcher vorher mittels Wärmebehandlung auf einen HRC-Wert von 53 gehärtet worden war, und eine Länge von 150 mm und einen quadratischen Querschnitt mit einer Seitenlänge vori 25 mm aufwies; auf diese Weise wurde ein Werkzeug (Span) für den Schneidtest hergestellt. Im folgenden wurde der Schneidtest unter Anwendung dieses Spans durchgeführt. Ein SKH9(JIS)-Stahl, welcher AIFI M2 entspricht, und durch Wärmebehandlung auf eine Härte von HRC 63 gehärtet worden war, und einen Durchmesser von 100 mm und eine Länge von 450 mm aufwies, wurde im trockenen Zustand bei einer Schneidtiefe von 0,3 mm, einer Beschickung von 0,1 mm/rev und einer Aussengeschwindigkeit von 78 m/Min, geschnitten. Nach 16-minütiger Anwendung im Schneidtest betrug die Flankenabnutzung 0,22 mm.

Vergleichsbeispiel 3
Das in Beispiel 3 beschriebene Experiment wurde wiederholt

mit der Ausnahme, dass das gesamte Bornitrid hoher Dichte durch das gleiche CBN, wie es in Beispiel 3 verwendet worden war, ersetzt wurde.

Der erhaltene Sinterkörper wies eine Mikro-Vickers-Härte von 3.100 kg/mm² auf. Mikroskopische .Untersuchungen zur Textur ergaben, dass CBN-Teilchen von einer Textur umgeben waren, die aus Bestandteilen, die nicht CBN darstellten , gebildet war.

Wenn der Sinterkörper dem gleichen Schneidtest unterworfen wurde, wie in Beispiel 3 beschrieben ist, so brach dieser bereits nach einminütiger Anwendung im Schneidtest; ein nachfolgender Schneidtest konnte nicht mehr durchgeführt werden.

Beispiel 4

Ein Gemisch aus 80 Vol.-% pulverförmigem CBN mit einer durchschnittlichen Teilchengrösse von 9 um, 10 Vol.-% pulverförmigem WBN mit einer durchschnittlichen Teilchengrösse von 1μΐη, 3 Vol.-% pulverförmigem Aluminium mit einer durchschnittlichen Teilchengrösse von 10 μΐη, 4 Vol.- % pulverförmigem Eisen mit einer durchschnittlichen Teilchengrösse von 15 μΐη, 2,5 Vol.-% pulverförmigem Chrom mit einer durchschnittlichen Teilchengrösse von 20 μΐη, 0,5 Vol.-% pulverförmigem Molybdän mit einer durchschnittlichen Teilchengrösse von 22 μΐη wurden homogen vermischt und auf die gleiche Weise, wie in Beispiel 1 beschrieben ist, gesintert, mit der Ausnahme, dass Sinterdruck und Sintertemperatur jeweils 42 Kb und 1.450⁰C betrugen.

per erhaltene Sinterkörper wies eine Mikro-Vickers-Härte von 3.700 kg/mm² auf. Wenn der Sinterkörper dem gleichen 35

Schneidtest, wie er in Beispiel 1 beschrieben ist, unterworfen wurde, so betrug die Plankenabnutzung 0,17 mm nach einstündigem Schneiden; eine kraterförmige Abnutzung wurde nicht beobachtet.
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Vergleichsbeispiel 4

Es wurde ein Sinterkörper hergestellt und einem 'Schneidtest auf die gleiche Weise unterworfen, wie dies in Beispiel 4 beschrieben ist, mit der Ausnahme, dass WBN im Ausgangsgemisch durch CBN der gleichen Teilchengrösse wie von WBN ersetzt wurde. Der erhaltene Sinterkörper wies eine Mikro-Vickera-Härte von 3.600 kg/mm² auf. Nach Durchführung des Schneidtestes für 1 h betrug die Flankenabnutzung 0,55 mm; ausserdem wurde eine kraterförmige Abnutzung beobachtet.

Beispiel 5

Ein Gemisch aus 60 Vol.-% CBN mit einer durchschnittlichen Teilchengrösse von 2μπι, 35 Vol.-% WBN mit einer durchschnittlichen Teilchengrösse von 0,3Um, 2 Vol.-% Titan mit einer durchschnittlichen Teilchengrösse von 15 μπι, 1,5 Vol.-% Zirkon mit einer durchschnittlichen Teilchengrösse von 3um und 0,5 Vol.-% Vanadium mit einer durchschnittlichen Teilchengrösse von nicht über 10 μΐη wurden homogen vermischt, und auf die gleiche Weise, wie dies in Beispiel 1 beschrieben ist, gesintert. Der erhaltene Sinterkörper wies eine Mikro-Vikers- Härte von 3.900 kg/mm² auf, Wenn der Sinterkörper dem gleichen Schneidtest, wie er in Beispiel 3 geschrieben ist, unterworfen wurde, so betrug die Plankenabnutzung 0,18 mm nach 16-minütigem Schneiden.

Vergleichsbeispiel 5

Das in Beispiel 5 beschriebene Experiment wurde wiederholt mit der Ausnhaxne, dass das gesamte Bornitrid hoher Dichte durch WBN mit einer durchschnittlichen Teilchengrösse von 1 \xm ersetzt wurde.

Der erhaltene Sinterkörper wies eine Mikro-Vickers-Härte von 2.300 kg/mm² auf. Als der Sinterkörper dem gleichen Schneidtest/ wie er in Beispiel 3 beschrieben ist, unterworfen wurde, brach dieser bereits nach einer Minute.

Beispiel 6

Ein Gemisch aus 50 Vol.-% CBN mit einer durchschnittlichen Teilchengrösse von 6μπι, 32 Vol.-% WBN mit einer durchschnittlichen Teilchengrösse von 0,5 μΐη, 8 Vol.-% Wolframcarbid, 3 Vol.-% Niobcarbid und 2 Vol.-% Tantalcarbid, wobei jedes Carbid eine durchschnittliche Teilchengrösse von nicht über 3 μπα aufwies, und 3 Vol.-% Hafnium und 2 Vol.-% Kobalt, wobei jedes Metall eine durchschnittliche Teilchengjrösse von nicht über 10 μια aufwies, wurden homogen vermischt f und auf die gleiche Weise, wie dies in Beispiel 1 beschrieben ist, gesintert, mit der Ausnahme, dass der Sinterdruck 65 Kb und die Sintertemperatur 1.580⁰C betrugen.

Der erhaltene gesinterte Körper wies eine Mikro-Vickers-Härte von 3.900 kg/mm² auf. Als der Sinterkörper dem gleichen Schneidtest, wie in Beispiel 1 beschrieben, unterworfen wurde, betrug die Flankenabnutzung 0,19 mm nach einstündigem Schneiden; es konnte keine kraterförmige Abnutzung beobachtet werden.

Vergleichsbeispiel 6

Es wurde ein Sinterkörper auf die gleiche Weise, wie in Beispiel 6 beschrieben, hergestellt, mit der Ausnahme, dass das gesamte Bornitrid hoher Dichte, welches in Beispiel 6 verwendet wurde, durch CBN mit einer durchschnittlichen Teilchengrösse von 6 μπι ersetzt wurde. Der erhaltene Sinterkörper wies eine Mikro-Vickers-Härte von 3.700 kg/mm² auf. Als der Sinterkörper dem gleichen Schneidtest unterworfen wurde, wie er in Beispiel 1 beschrieben ist, wurde die Oberflächenrauhigkeit des gesinterten Körpers nach 30-minütigem Schneiden extrem hoch; ein-nachfolgender Schneidtest konnte nicht durchgeführt werden. Die Flankenabnutzung erreichte 1 mm und darüber; ausserdem wurde eine grössere kraterförmige Abnutzung beobachtet.

Beispiel 7

Das in Beispiel 6 beschriebene Experiment wurde wiederholt mit der Ausnahme, dass das in Beispiel 6 verwendete Bornitrid hoher Dichte durch 50 Vol.-% CBN mit einer durchschnittlichen Teilchengrösse von 15 μπι, 20 Vol.-% WBN mit einer durchschnittlichen Teilchengrösse von 2 μπι und 12 VqI.-% WBN mit einer durchschnittlichen Teilchengrösse von 0,3 μπι ersetzt wurde.

Der erhaltene Sinterkörper wies eine Mikro-Vickers-Härte von 4.100 kg/mm² auf. Als der gesinterte Körper dem gleichen Schneidtest, wie er in Beispiel 1 beschrieben ist, unterworfen wurde, betrug die Flankenabnutzung nach einstündigem Schneiden 0,16 mm; es konnte keine kraterförmige Abnutzung beobachtet werden.

Vergleichsbeispiel 7

Das in Beispiel 7 beschriebene Experiment wurde wiederholt mit der Ausnahme, dass das gesamte in Beispiel 7 verwendete Bornitrid hoher Dichte durch CBN mit einer durchschnittlichen Teilchengrösse von 15 μη ersetzt wurde.

Der erhaltene Sinterkörper wies eine Mikro-Vickers-Härte von 3.900 kg/mm² auf. Als der Sinterkörper dem gleichen Schneidtest unterworfen wurde, wie er in Beispiel 1 beschrieben ist, brach dieser nach 40 Minuten.

Wie vorstehend im einzelnen beschrieben wird, werden gemäss der Erfindung zwei Arten von Bornitriden hoher Dichte, i.e. WBN und CBN, die eine spezifisch begrenzte Beziehung ihrer Teilchengrösse besitzen, miteinander in einem spezifisch begrenzten Mischverhältnis mit Metall allein oder im Gemisch mit Keramik vermischt, wodurch auf einfachere Weise als nach bekannten Methoden ein Sinterkörper hergestellt werden kann.

Der erhaltene Sinterkörper besitzt eine Beständigkeit, die höher ist als die von konventionellen Sinterkörpern; er ist in der Lage, ein Material zu schneiden, das nur mit Schwierigkeit geschnitten werden kann, und dies in einer Bearbeitung (finish), die derjenigen gewöhnlicher Sinterkörper -überlegen ist. Somit eignet sich die vorliegende Erfindung insbesondere für industrielle Anwendungszwecke.

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Claims

HOFFMANN * EITI^E <& PARTNER PAT E N TAN WA LT E DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) · DIPL.-ING. W. EITLE · DR. RE R. NAT. K. H OFFMAN N · Dl PL.-I NG. W. LEH N D1PL.-ING. K. FOCHSLE . DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 · D-8000 M D NCHEN 81 · TELE FON (089) 911087 . TELEX 05-29619 (PATHE) 39 240 m/fg NIPPON OIL AND FATS COMPANY, LIMITED, TOKYO / JAPAN Bornitridhaltiger Sinterkörper hoher Dichte als Schneidewerkzeug und Verfahren zu dessen Herstellung Patentansprüche

1. Bornitridhaltiger Sinterkörper hoher Dichte als Schneidewerkzeug, dadurch gekennzeichnet, dass dieser 60 bis 95 Volumen-% Bornitrid hoher Dichte und 40 bis 5 Volumen-% Metall allein oder im Gemisch mit Keramik umfasst, wobei das Bornitrid hoher Dichte zu 60 bis 95 Volumen-% aus Bornitrid im kubischen System und zu 40 bis 5 Volumen-% aus Wurtzit-strukturiertem Bornitrid besteht, und das genannte Bornitrid im kubischen System eine durchschnittliche Teilchengrösse aufweist, die mindestens das Fünffache derjenigen von Wurtzit-strukturiertem Bornitrid beträgt.

2. Verfahren zur Herstellung eines bornitridhaltigen Sinterkörpers hoher Dichte als Schneidewerkzeug, dadurch gekennzeichnet , dass man 60 bis 95 Vol.-% Bornitrid hoher Dichte, welches aus 60 bis 95 Vol.-% Bornitrid im kubischen System und 40 bis 5 Vol.-% Wurtzit-strukturiertem Bornitrid besteht/ mit 40 bis 5 Vol.-% Metall allein oder im Gemisch mit Keramik bis zur Homogenität vermischt, und das erhaltene Gemisch bei einer Temperatur von nicht unter 1.000⁰C bei einem Druck von 20 bis 70 Kb sintert, wobei das Bornitrid im kubischen System eine durchschnittliche Teilchengrösse aufweist, die mindestens das 5-fache derjenigen von Wurtzit-strukturiertem Bornitrid beträgt.