-
-
Die Erfindung betrifft Werkzeuge zur Metallbearbeitung, wie
-
Schneidewerkzeuge, Gesenke und Formen (Ziehformen) aus gesinterten
Zirkoniumdioxid-Zusammensetzungen, die Zirkoniumdioxid(ZrO2), Aluminiumoxid (A1203)
und/oder Spinell (MgAl2O4) enthalten und ein Verfahren zur Herstellung der gesinterten
Werkzeuge.
-
Herkömmliche Gesenke oder Formen,wie Strangpreßformen, und Ziehformen
zum Drahtziehen, die für das heiße und kalte Strangpressen von Metallen und zum
Ziehen und Pressen von Metalldrähten verwendet werden (hiernach mit "Form" bezeichnet)
wurden meistens aus Metallen, wie Werkzeugstählen und superharten Legierungen hergestellt.
Jedoch weisen diese Metallformen eine Affinität zu den durch sie strangzupressenden
oder zu ziehenden Metallen auf, und die Metalle kleben leicht an den Formen fest,
so daß das Endprodukt sehr oft Oberflächendefekte aufweist.
-
In jüngster teit werden die Einsatzmöglichkeiten bestimmter Keramiksorten
für Hochgeschwindigkeits-Schneidewerkzeuge mit gesteigertem Interesse verfolgt.
Werkzeuge aus Keramik-Werkstoffen, wie Al203, Al203-TiC, Al 203 -TiN und Thermite
wurden bereits entwickelt. Während diese Werkzeuge exzellente Schneieigenschaften
bei Stoffen, wie Eisen und Stahl aufweisen, haben sie jedoch den Nachteil, daß ihre
Zähigkeit gering ist und sie leicht brechen. Da sie eine Affinität zu Stoffen wie
Aluminiumlegierungen und Kupferlegierungen aufweisen, sind sie nicht zum Schneiden
dieser Stoffe geeignet.
-
Angesichts dessen wurde teilweise stabilisiertes Zirkoniumdioxid als
ein Werkstoff entwickelt, der die Nachteile von herkömmlichen Werkstoffen im Bereich
von Schneidewerkzeugen und Formen vermeidet.
-
Ein gesinteres tetragonales Zirkoniumdioxid mit dem Zusatz einer geringen
Menge von Y203 als Stabilisierungsmittel (hiernach mit gesintertes Y-PSZ" bezeichnet)
wurde als Werkstoff für Werkzeuge zum Schneiden von sogenannten "schwer schneidbaren"
Metallen wie Aluminiumlegierungen vorgeschlagen (Japanische Patentveröffentlichung
Nr.
-
Sho 58-9784). Jedoch ist dieser Werkstoff im Hinblick auf Festigkeit
und Härte noch nicht ausreichend.
-
Ein Sinterwerkstoff aus einem eutektischem Gemisch aus Aluminiumoxid
und monoklinem und tetragonalem Zirkoniumdioxid, der durch schnelles Abkühlen aus
der Schmelze eines Zweiphasensystems aus Zirkoniumdioxid und Aluminiumoxid hergestellt
wird, wurde für Schleifsteine entwickelt. Wenn, jedoch die Temperatur beim Gebrauch
dieses Werkstoffs über 800"C ansteigt und wenn der Werkstoff von einer derart hohen
Temperatur wieder auf eine Temperatur auf unter 8000C abgekühlt wird, wandeln sich
die tetragonalen Kristalle in dem Sinterwerkstoff in monokline um, wodurch die Bildung
von Rissen und Zerstörung der Sinterstruktur bewirkt wird. Dadurch hat das gesinterte
Material mit einer eutektischen Struktur aus Al203 und ZrO2 den entscheidenden Nachteil,
daß die Festigkeit an den Korngrenzen gering ist. Die Anwendung der Stoffe für Schneidewerkzeuge
und Formen ist gefährlich, wenn die Arbeitstemperatur 8000C überschreitet.
-
Beim üblichen Hochgeschwindigkeitsschneiden von Metallen werden die
Werkzeuge häufig Temperaturen im Bereich von 10000C ausgesetzt. Aus der offengelegten
Japanischen Patentanmeldung Nr. Sho 58-161973 ist eine Form bekannt, die aus gesintertem
Zirkoniumdioxidwerkstoff besteht, das mindestens 50 Molprozent tetragonales Zironiumdioxid
aufweist. Jedoch haben praktische Tests dieser Form gezeigt, daß sie während des
Testbetriebs bricht, was zeigt, daß die mechanische Festigkeit nicht ausreichend
für diese Anwendungen ist.
-
Der Erfindung leigt die Aufgabe zugrunde, ein hochfestes Werkzeug
zur Metallbearbeitung bereitzustellen, das insbesondere zum Hochgeschwindigkeitsschneiden
von sogenannten "schwer schneidbaren" Metallen, wie Aluminiumlegierungen, geeignet
ist, das sowohl eine lange Lebensdauer aufweist, als auch eine glatte Schnittfläche
erzeugt. Das erfindungsgemäße Werkzeug soll wesentlich verbesserte mechanisohe Festigkeit
und ausreichende Zähigkeit aufweisen und im Betrieb nicht brechen. Diese Aufgabe
wird durch die Erfindung gelöst.
-
Gegenstand der Erfindung ist somit ein hochfestes Werkzeu-g zur Metallbearbeitung
aus einem Sinterwerkstoff auf der Basis von Zirkoniumdioxid, dadurch gekennzeichnet,
daß es aus 50 bis 98 Gewichtsprozent Zirkoniumdioxid (ZrO2), das 1,5 bis 5 Molprozent
Yttriumoxid (Y2O3) enthält und 50 bis 2 Gewichtsprozent Aluminiumoxid (Al203) und/oder
Spinell (MgAl2O4) besteht.
-
Der Sinterwerkstoff der Erfindung wird hergestellt durch Zusetzen
einer bestimmten Menge von Aluminiumoxid (Al203) und/oder Spinell (MgAl2O4) zu Zirkoniumdioxid
(ZrO-2), das im wesentlichen aus tetragonalen Kristallen besteht, und eine geringe
Menge von Yttriumoxid (Y203) aufweist, und Ausüben eines hydraulischen Druckraum
das Gemisch unter Erhitzen. Das so hergestellte gesinterte Werkstück weist eine
erhöhte Festigkeit ohne Verringerung der Zähigkeit auf und ist geeignet als Werkzeug
zur Metallbearbeitung, beispielsweise als Schneidewerkzeug, Gesenk oder Form, z.B.
zum Ziehen von Drähten.
-
Bei der Suche nach der Ursache für die hohe Festigkeit und große Zähigkeit
von gesinterten Zirkoniumdioxid-Werkstücken, die nach dem Stand der Technik durch
den Zusatz von Yttriumoxid teilweise stabilisiert waren, wurde festgestellt, daß
der Zusatz von Aluminiumoxid und/oder Spinell, die ein größeres Elastizitätsmodul
als Zirkoniumdioxid
aufweisen, zu tetragonalem Zirkoniumdioxid,dessen
Festigkeit weiter erhöhen, ohne seine Zähigkeit zu verringern. Das so erhaltene
Produkt kann als Zirkoniumdioxid-Aluminiumoxid-Typ mit teilweiser Stabilisierung
durch Yttriumoxid bezeichnet werden.
-
Das Schneidewerkzeug der Erfindung kann zum Schneiden von Metall unter
schwierigen Schnittbedingungen verwendet werden, wie großen thermischen und mechanischen
Beanspruchungen, die bei einer Temperatur im Bereich von 10000C zeitweise auftreten,
bei der leicht eine chemische Reaktion zwischen dem Schneidewerkzeug und dem zu
schneidenden Metall erfolgen kann. Auch unter solchen Bedingungen erleidet das Metallwerkzeug
der Erfindung im Betrieb keine Beschädigungen wie Risse oder Eckausbrüche, wodurch
eine verlängerte Lebensdauer gewährleistet wird.
-
Die Form oder das Gesenk der Erfindung kann ebenfalls unter großen
thermischen und mechanischen Beanspruchungen bei höheren Temperaturen verwendet
werden. Es besteht keine Gefahr, daß die Form reißt oder daß ihre Kanten während
des Gebrauchs abbrechen. Durch die wesentliche Erhöhung der mechanischen Festigkeit
sind die Extrusions- und Dehnungseigenschaften der Form stark verbessert. Beispielsweise
ist es bei der Anwendung der Form zum Drahtziehen möglich, sogar harte Stoffe wie
Stahl bei normalen Temperaturen zu ziehen, wobei nicht nur die Arbeitsbedingungen
verbessert sondern auch Energie gespart wird. Bei der Anwendung der Form zum Heißstrangpressen
ist es wegen der hohen mechanischen Festigkeit möglich, die Extrusionsgeschwindigkeit
zu erhöhen und dabei ein Endprodukt mit einer ausreichenden Oberflächenqualität
zu erzeugen, so daß die Produktivität erhöht wird.
-
Der gesinterte Werkstoff der Erfindung weist 50 bis 98 Gewichtsprozent
Zirkoniumdioxid (ZrO2) mit 1,5 bis 5 Molprozent Yttriumoxid (Y2O3) und 50 bis 2
Gewichtsprozent Aluminiumoxid (Al203) und/oder Spinell (MgAl2O4) auf.
-
Wenn der Gehalt an Yttriumoxid im Zirkoniumdioxid kleiner als 1,5
Molprozent wird, kann die tetragonale Zirkoniumdioxid-ristallstruktur nicht erhalten
werden. Wenn sein Gehalt größer als 5 Molprozent ist, nimmt die Menge an tetragonalen
Kristallen in dem Sinterwerkstoff ab und die so erhaltenen Zirkoniumdioxidkristalle
sind vorwiegend kubisch. Beide Möglichkeiten sind nicht geeignet, weil in Folge
eines Mangels an tetragonalem Zrikoniumdioxid keine ausreichende Verfestigungswirkung
erreicht wird.
-
Wenn andererseits die Menge des Aluminiumoxids und/oder Spinells,
die dem Zirkoniumdioxid zugesetzt wird, kleiner als 2 Gewichtsprozent ist, tritt
keine wesentliche Verbesserung der Festigkeit ein. Wenn der Zusatz größer als 50
Gewichtsprozent ist, wird die Verfestigungswirkung durch die tetragonalen Zirkoniumdioxidkristalle
geschwächt und eine ausreichende Festigkeit kann nicht erhalten werden. Aluminiumoxid
und Spinell können getrennt voneinander oder in Kombination zugesetzt werden.
-
Die Dreipunkt-Biegefestigkeit des gesinterten Werkstücks soll nicht
kleiner als 1700 MPa sein. Ein gesintertes Werkstück mit einer durchschnittlichen
Biegefestigkeit von mindestens 1700 MPa kann als Werkstück mit bemerkenswerter Festigkeit
angesehen werden. Die definierte Dreipunkt-Biegefestigkeit entspricht dem Mittelwert
der Bruchfestigkeit von mindestens 10 Teststücken mit einer Breite von 4mm, einer
Dicke von 3mm und einer Länge von 40 mm, geprüft gemäß JISR 1601 (1981) bei einer
Spannweite von 30 mm und einer Kreuzkopf-Geschwindigkeit von 0,5 mm/min.
-
Die Sinterwerkstücke der Erfindung auf der Basis von Zirkoniumdioxid
werden unter Verwendung einer mit hydrostatischen Druck arbeitenden Heißpresse (hiernach
"HIP-Presse" bezeichnet) hergestellt. Es gibt zwei Verfahren zur Behandlung mit
einer HIP-Presse. Bei einem wird ein Pulverformling in einer Glas- oder Metallform
unter Vakuum
eingeschlossen und dann unter Druck gebrannt. Beim
anderen wird ein Pulverformling zunächst unter Normaldruck vorgesintert und dann
mit einer Presse unter Druck nachgesintert. Beide Verfahren können für die vorliegende
Erfindung angewendet werden, wobei aber beim letzteren auf den Arbeitsvorgang des
Einschließens des Pulverformlings in eine Form verzichtet werden kann und die Produktivität
deshalb günstiger ist. Die Bedingungen in der HIP-Presse umfassen einen Druck von
mindestens 50 MPa und eine Behandlungstemperatur im Bereich von 13000C bis 17000C.
-
Das vorgesinterte Werkstück, das einer HIP-Presse zugeführt wird,
muß eine relative Dichte von mindestens 908 haben und darf keine offenen Poren aufweisen.
Wenn der Anteil von Aluminiumoxid und/oder Spinell an der Gesamtmenge kleiner als
20 Gewichtsprozent ist, soll die Vorbehandlungs-Brenntemperatur höchstens 1 4000C
betragen.
-
Wenn der Anteil größer als 20 Gewichtsprozent ist, soll die Vorbehandlungs-Brenntemperatur
höchstens 1 5000C betragen. Bei einer Temperatur über 1400"C bzw. 15000C erhaltene
gesinterte Werkstücke weisen große offene Poren auf, die eine ausreichende Entfernung
der Poren während der HIP-Pressenbehandlung verhindern. Deshalb ist es eine wichtige
Voraussetzung der vorliegenden Erfindung, ein dichtes vorgesintertes Werkstück ohne
offene Poren bei einer Temperatur so gering wie möglich unter 15000C herzustellen.
Zur Erzeugung derartiger vorgesinteter Werkstücke ist es erforderlich, sehr feine
Pulver mit exzellenten Sintereigenschaften als Ausgangsmaterial zu verwenden: nach
dem Naßverfahren erhaltenes Zirkoniumdioxidpulver mit einem primären Teilchendurchmesser
von 200 A bis 400 A als die Zirkoniumdioxidquelle und nach dem Naßverfahren oder
dem Copräzipitationsverfahren erhaltenes hochreines Aluminiumoxid-und/oder Spinell-Pulver.
-
Auch hochfeines Pulver, das durch Copräzipitation aus einer wäßrigen,
Zirkonium und Aluminium enthaltenden Lösung erhalten wird, ist geeignet.
-
Feinpulvriges Zirkoniumdioxid kann auch zusammen mit -feinpulvrigem
Aluminiumoxid und/oder Spinell in einer Glas-oder Metallform unter Vakuum der HIP-Pressenbehandlung
ausgesetzt werden.
-
Was die Temperatur- und Druckbedingungen der Behandlung in der HIP-Presse
anbelangt, so kann ein gesintertes Werkstück einer gewünschten hohen Festigkeit
nicht erhalten werden, wenn der Druck nicht mindestens 50 MPa und die Temperatur
nicht mindestens 13000C beträgt. Bei einer Temperatur über 17000C wird zwar ein
Produkt mit einer ausreichenden Festigkeit erhalten, das gesinterte Werkstück ist
aber thermisch instabil. Dadurch bilden sich Risse, wenn es für längere Zeit bei
einer Temperatur im Bereich von 2000C bis 3000C belassen wird, wobei der Grund dafür
darin liegt, daß die Teilchen in dem gesinterten Werkstück größer als 2 ßm im Durchmesser
werden. Ein solches Produkt eignet sich nicht für den praktischen Gebrauch.
-
In dem gesinterten Werkstück des Zirkoniumdioxidtyps der Erfindung
muß das Zirkoniumdioxid in der Hauptsache tetragonal oder gemischt tetragonal und
kubisch kristallisiert vorliegen. Höchstens 30 Gewichtsprozent (im Bezug auf die
Zirkoniumdioxid-Kristalle) monokline Kristalle dürfen vorhanden sein. Der durchschnittliche
Kristallkorn-Durchmesser darf nicht größer als 2 ßm sein. Wenn Zirkoniumdioxid-Kristalle
mit einem Durchmesser mit über 2 ßm vorliegen, wird das gesinterte Werkstück thermisch
instabil und tetragonale Zirkoniumdioxid-Kristalle wandeln sich leicht in monokline
Kristalle um.
-
mit Wenn das gesinterte Werkstück aus Zirkoniumdioxid/2 bis 3 Molprozent
Y203 besteht, dem 10 bis 30 Gewichtsprozent u
Aluminiumoxid zugesetzt
sind, zeigt es eine sehr hohe Biegefestigkeit mit Werten von 2000 bis 2500 MPa.
Diese Werte entsprechen ungefähr dem zweifachen des Werts für ein gesintertes Werkstück
ohne HIP-Preßbehandlung.
-
Eine derartig überraschende hohe Zunahme der Festigkeit kann bei Verwendung
von Stoffen wie Siliciumnitrid und Siliciumcarbid nicht erreicht werden. Die Aufgabe
der Erfindung wird somit in vorteilhafter Weise durch die Kombinationswirkung des
Zusatzes von Aluminiumoxid und/oder Spinell und die erläuterte HIP-Preßbehandlung
erreicht.
-
Das aus dem erfindungsgemäßen Sinterwerkstoff hergestellte Schneidewerkzeug
zeigt im Vergleich zu konventionellen Schneidewerkzeugen hervorragende Wärmebeständigkeit,
hohe Festigkeit und hohe Härte und Zähigkeit auch unter sehr schwierigen Metallschneidebedingungen.
Weiterhin weisen sie nur eine geringe Affinität zu den zu schneidenden Metallen-
auf und sind chemisch stabil. Dadurch können die Schneidewerkzeuge besonders wirksam
für Anwendungen, bei denen die Festigkeit und Dauerhaftigkeit besonders wichtig
sind, eingesetzt werden.
-
Weiterhin können die gesinterten Gesenke oder Formen der Erfindung
auf der Basis von Zirkoniumoxid wegen ihrer hohen Festigkeit im Vergleich zu herkömmlichen
Formen in vorteilhafter Weise für Anwendungen, bei denen Festigkeit und Dauerhaftigkeit
erforderlich sind, eingesetzt werden.
-
Zur Herstellung der Gesenke oder Formen wird zunächst nach dem beschriebenen
Verfahren ein Sinterkörper mit der gewünschten Form erzeugt. Dann wird der Sinterkörper
mit Hilfe einer zylindrischen kontinuierlichen Schneidemaschine oder einer Einrichtung
zur gewünschten Form bearbeitet und abgedreht.
-
Beispiel für Sintcrwerkstücke der Erfindung, die als Schneidewerkzeuge
oder Formen geeignet sind, werden im folgenden beschrieben.
-
Beispiell 80 Gewichtsprozent ZrO2-Pulver mit einem primären Teilchendurchmesser
von 230 erhalten durch Copräzipitation unter Zusatz von 2 Molprozent Y2 0 3 zur
partiellen Stabilisation des Zirkoniumdioxids mit Yttriumoxid,und 20 Gewichtsprozent
hochreines Al2O3 (mit einer Reinheit von 99,9 %l mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser
von 0,4 am werden naß gemischt und in Methanol pulverisiert. Das Gemisch wird dann
zur Herstellung des pulverförmigen Rohmaterials getrocknet. Unter Verwendung einer
Gummipresse wird dann das vorbereitete Rohmaterial in eine Form mit 5 mm Dicke,
etwa 50 mm Breite und etwa 60-mm Länge gebracht. Der erhaltene Formkörper wird dann
bei einer Temperatur bon 14000C 2 Stunden unter Atmosphärendruck für die folgende
HIP-Preßbehandlung vorgesintert.
-
Das so erhaltene vorgesinterte Werkstück wird der HIP-Preßbehandlung
bei einer Temperatur von 15000C 1 Stunde unter einem Druck von 150 MPa, vorzugsweise
in einer Argongasatmosphäre,ausgesetzt, um ein gesintertes Werkstück zu erhalten,
das zu einem Schneidewerkzeug bearbeitet werden kann. Das Zirkoniumdioxid in dem
so hergestellten gesinterten Werkstück besteht überwiegend aus tetragonalem Zirkoniumdioxid,
wobei der durchschnittliche Teilchendurchmesser der Kristalle, die das gesinterte
Werkstück bilden, 0,5 ßm beträgt und das gesinterte Werkstück eine Biegefestigkeit
von 2470 MPa und eine Härte HRA von 92,9 aufweist. Das gesinterte Werkstück wird
dann zu einem Schneidewerkzeug mit einer Größe von 13 mm x 13 mm, und einer Dicke
von 4mm /einem Nasendurchmesser von 0,6mm/rev.
-
bearbeitet und abgedreht. Das Vorsintern und das folgende Hauptsintern
kann unter Normalatmosphäre wie Luft, vorzugsweise jedoch unter Schutzgas, ausgeführt
werden.
-
Das so hergestellte Schneidewerkzeug wird dann an einer Drehbank befestigt
und eine hochfeste Aluminiumlegierung (Typ 2000) wird damit bei einer Schnittgeschwindigkeit
von 250 m/min, einer Schnittiefe von 0,5mm und einer Vorschubgeschwindigkeit von
0,16 geschnitten. Die Abnutzungsverluste auf der Oberfläche des Schneidewerkzeugs
sind nach einer Bearbeitungszeit von 15 Minuten nicht größer als 10 Rm und die Glätte
der Schnittfläche ist nahezu die gleiche, wie sie mit einem Diamantwerkzeug erreicht
wird.
-
Beins pixel 2 Das gleiche pulverförmige Rohmaterial wie in Beispiel
1 wird mit Hilfe einer Gummipresse zu einem Ring mit einem Außendurchmesser von
etwa 20 mm, einem Innendurchmesser von etwa 2 mm und einer Länge von etwa 15 mm
geformt.
-
Der so erhaltene Ring wird dann ohne Sintern zu einem Teil einer Ziehform
mit einem Außendurchmesser von 16 mm, einem Innendurchmesser von 2,3 mm und einer
Dicke von 11 mm zugeschnitten. Der so erhaltene Formkörper wird bei 14000C zwei
Stunden für die HIP-Preßbehandlung vorgesintert. Das erhaltene vorgesinterte Werkstück
wird bei 15000C 1 Stunde unter einem Druck von 150 MPa der HIP-Preßbehandlung zugeführt,
wobei ein gesintertes Werkstück erhalten wird, das zu einer Drehform bearbeitet
werden kann. Das gesinterte Werkstück besteht überwiegend aus tetragonalem Zirkoniumdioxid,
wobei der durchschnittliche Teilchendurchmesser der Kristalle, die das gesinterte
Werkstück bilden, 0,5 ßm beträgt. Das gesinterte Werkstück weist eine Biegefestigkeit
von 2350 + 150 MPa und eine Härte von 92,5 + 0,5 auf. Das gesinterte Werkstück wird
dann auf einen Außendurchmesser von 12 mm, einen Formdurchmesser von 2mm und eine
Dicke von 8 mm bearbeitet und abgedreht, und anschließend unter Erhitzen in einen
SKD-Stahl eingesetzt, so daß eine Ziehform zum Ziehen von Draht hergestellt wird.
-
mit Hilfe Beim Ziehen (Feinziehen)von Kupferdraht/der so hergestellten
Form können 50 Tonnen des Drahts in befriedigender Weise bearbeitet werden. Es traten
keine Probleme auf, wie die Bildung von Rissen oder das Abbrechen der Form und die
Oberfläche des so hergestellten Drahtes ist glatt und von hervorragender Qualität.
Im Gegensatz dazu können bei Verwendung eines superharten Werkzeugs nur 20 Tonnen
Kupferdraht gezogen werden.
-
Beim Ziehen von anderen Drähten aus anderen Stoffen als Kupfer, wie
Messing und Kupferlegierungen unter Verwendung Form ist die Lebensdauer der Form
zweimal so hoch wie die von herkömmlichen superharten 7arkstoffen.
-
Beispiel 3 Ein Schneidewerkzeug vergleichbar mit dem von Beispiel
1 wird unter Verwendung von 80 Gew.-% ZrO2-Pulver mit einem o Hauptteilchendurchmesser
von 250 A erhalten durch Gopräzipitation mit einem Zusatz von 3 Mol-% Y203, und
20 Gew.-% hochreiner Spinell mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von
0,4 ßm hergestellt. Die Biegefestigkeit des so hergestellten Schneidewerkzeugs beträgt
2400 MPa und seine Härte HRA 93,0. Beim Schneiden einer Aluminiumlegierung des Typs
(2000)mit Hilfe dieses Schneidewerkzeugs in ähnlicher Weise wie in Beispiel 1, betragen
die Abnutzungsverluste der Schneidewerkzeug-Oberfläche nach einer Arbeitszeit von
15 min. höchstens 10 ßm und die Glätte der Schnittfläche der Legierung ist ebenso
zufriedenstellend wie im Fall von Beispiel 1.