DE3706000A1 - Schneidplatte - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schneidplatte gemäß dem Gattungsbegriff des Hauptanspruches sowie die Verwendung der Schneidplatte zur spanabhebenden Bearbeitung eines Eisenwerkstoffes mit einem Kohlenstoffgehalt bis zu 1,2%.

Für die zerspanende Bearbeitung von Stählen wurden in der Vergangenheit sogenannte Hartmetallwerkstoffe eingesetzt, die aus Mischungen mehrerer Metallkarbide, vorwiegend Wolfram- und Titankarbid und zumeist Kobalt als Bindemetall bestehen.

Weiterentwicklungen dieser Werkstoffe führten zu den aus der AT-PS 2 66 465 bekannten Schneidstoffzusammensetzungen, bei denen ein oder mehrere Nitride aus der Gruppe Titan-, Aluminium-, Niob-, Vanadin-, Zirkon-, Tantal-, Hafniumnitrid in einer Menge von 1 bis 99 Vol.-Teilen, pro Vol.-Teil eines Metalls aus der Gruppe Eisen, Kobalt, Nickel und deren Legierungen dispergiert sind, wobei die Gesamtzusammensetzung noch 1 bis 95 Vol.-% einer hitzebeständigen Aluminiumverbindung, wie z. B. Al₂O₃, Al₄C₃, bezogen auf den Gesamtteil an nicht metallischen Komponenten, enthält.

In ähnlicher Weise lehrt die US-PS 34 09 416 die Verwendung von Molybdän, Wolfram, Rhenium, deren Legierungen untereinander und mit Chrom und deren Legierung mit einem geringen Anteil eines Metalls, ausgewählt aus der Gruppe von Aluminium, Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Mangan, Eisen, Kobalt und Nickel, statt der in der AT-PS 2 66 465 erwähnten Bindemetalle.

Ein weiteres Mal wird zur Herstellung von hochtemperaturfesten Werkstoffen und Schneidwerkzeugen die gemeinsame Anwendung von Bindemetallen, wie Eisen, Kobalt und Nickel oder deren Legierungen mit Nitriden von Titan, Aluminium, Niob, Vanadium, Zirkonium, Tantal und/oder Hafnium sowie einem Zusatz einer hitzebeständigen Aluminiumverbindung in der DE-AS 12 95 855 angegeben, wobei die angegebenen Nitride bis zu 95% durch die Nitride von Beryllium, Bor, Thorium, Uran oder Boride von Titan, Zirkonium, Cer, Wolfram, Molybdän, Chrom oder durch Karbide von Titan, Zirkonium, Tantal, Niob oder durch Oxide von Zirkonium, Magnesium oder Thorium ersetzt sein können.

Der gemeinsame Nachteil dieser die Verwendung von Bindemetallen zwingend vorschreibenden Schriften liegt in der durch die Verwendung von metallischen Komponenten herabgesetzten Temperaturbeständigkeit. Werden Molybdän und Wolfram als Bindemetall verwendet, besteht bei erhöhter Temperaturbeanspruchung die Gefahr des Verzunderns, wohingegen die üblichen anderen Bindemetalle, insbesondere Nickel, Eisen und Kobalt eine relativ niedrige Erweichungstemperatur aufweisen, deren Überschreiten zur plastischen Verformung der Schneidplatte und damit zum Standzeitende führt.

In der US-PS 31 08 887 wurde auch bereits ein Werkstoff vorgeschlagen, der als Hauptkomponente Aluminiumnitrid in einer Menge von mehr als 50% vorsieht. Als weitere Zusätze werden die Sauerstoff-, Bor-, Stickstoff-, Silizium- und Kohlenstoffverbindungen von Aluminium, Bor, Silizium und Seltenen Erden sowie der sogenannten Übergangsmetalle, wie z. B. Titan und Zirkonium vorgeschlagen.

Die Beispiele dieser Schrift geben Zusammensetzungen von 96 und 80 Gew.-% AlN, Rest Al₂O₃ und Verunreinigungen an. Vorgeschlagen werden diese Zusammensetzungen für die Herstellung von Bauteilen für Raketenmotoren, wie z. B. Raketendüsen und zur Behandlung von geschmolzenen Metallen. Die Härte dieses Werkstoffes wird mit 7 bis 8 entsprechend der Mohsskala, bzw. mit 1200 nach Knoop angegeben. Die Bruchfestigkeit bei Raumtemperatur beträgt 38,500 psi entsprechen 265 MPa. Die geringe Härte und die niedrige Festigkeit machen deutlich, daß dieser Werkstoff noch nicht zur Herstellung von Schneidplatten, insbesondere nicht von Schneidplatten, die zur Bearbeitung von Eisenwerkstoffen dienen können, geeignet ist.

Es wurden auch bereits Schneidplattenwerkstoffe auf Basis von Aluminiumoxid mit verschiedenen Zusätzen, insbesondere von Zirkoniumoxid vorgeschlagen, so sehen die Beispiele der DE-OS 27 41 295 neben Zirkoniumoxid noch die Zugabe von Titankarbid, Titannitrid, Y₂O₃ und Metallen, wie Molybdän und Nickel zu einem Werkstoff auf Basis Aluminiumoxid vor.

Demgegenüber schlägt die DE-OS 29 23 213 Zusammensetzungen auf Basis von Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid und Magnesiumoxid vor, wobei das Zirkoniumoxid jedoch nicht stabilisiert ist. Mit diesen, vorwiegend auf Basis von oxidkeramischen Werkstoffen hergestellten Schneidplatten konnten zwar bisher nicht für möglich gehaltene Leistungssteigerungen erzielt werden, jedoch reichen diese Leistungen in vielen Fällen noch nicht aus und insbesondere bei der zerspanenden Bearbeitung von Eisenwerkstoffen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt - also: Stählen - besteht die ständige Forderung nach noch leistungsfähigeren Schneidplatten. Da generell hohe Schnittgeschwindigkeiten erwünscht sind, bei denen es in der Schneidplatte zu einer hohen Temperaturbelastbarkeit kommt, wird insbesondere eine Verbesserung der Temperaturbelastbarkeit, vor allem aber der Thermoschockbeständigkeit angestrebt. Schneidplatten mit einer besseren Thermoschockbeständigkeit werden insbesondere für kurze Eingriffszeiten, unterbrochene Schnitte und Drehoperationen mit ungleicher Schnittiefe gewünscht. Für diese Einsatzgebiete werden z. Zt. noch überwiegend Hartmetalle eingesetzt, da die bekannten Oxidkeramiken für diesen Zweck eine nicht ausreichende Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Dabei muß jedoch der Nachteil niedriger Schnittgeschwindigkeiten in Kauf genommen werden, da die verwendeten Bindemetalle nur über eine geringe Temperaturbelastbarkeit verfügen.

Es wurde auch bereits vorgeschlagen, Schneidplatten für die Bearbeitung von Eisenwerkstoffen herzustellen, die 7 bis 29 Vol.-% Hartstoffe, wie Carbide, Nitride und Boride von Titan, Wolfram und Niob, 1 bis 15 Vol.-% metalloxidischer Verbindungen und mehr als 70 Vol.-% Aluminiumnitrid und maximal 0,3 Vol.-% Verunreinigungen enthalten. Es hat sich jedoch gezeigt, daß auch diese Schneidstoffe noch weiter verbessert werden müssen, insbesondere ist die Festigkeit und der Widerstand gegen Rißwachstum innerhalb des Gefüges noch nicht ausreichend, so daß es zum vorzeitigen Verschleiß durch Ausbröckelungen bzw. zum Totalbruch kommen kann.

In der europäischen Offenlegungsschrift 1 94 811 wurde auch schon die Zugabe von Keramik-Whiskern in Mengen von 2 bis 40 Vol.-% zu einer Keramikmatrix beschrieben und dieser Stoff zur Herstellung von Schneidplatten vorgeschlagen. Als Matrices werden Aluminiumoxid und Siliciumnitrid, ggf. mit Zusatz von modifizierenden Komponenten (Sinterhilfsmitteln), genannt. Obwohl die hier beschriebenen Schneidplatten z. T. bereits über eine längere Lebensdauer verfügen, die möglicherweise auf ihre verbesserte Bruchzähigkeit zurückzuführen ist, haftet diesen bekannten Schneidplatten noch der Nachteil an, daß diese Schneidplatten an den Einsatzdecken ausbröckeln.

Entsprechend der DE-OS 35 18 844 wurde ein zur Herstellung von Schneidkeramik vorgesehener, durch Heißpressen hergestellter keramischer Formkörper vorgeschlagen, der neben monoklinem und tetragonalem Zirkoniumoxid bzw. Hafniumoxid aus SiC, Si₃N₄ und/oder Al₂O₃ bestehende Whisker in einer Menge von vorzugsweise 4 bis 50 Vol.-% enthält, wobei die Matrix aus Al₂O₃, Cordierit, Mullit, Mg-Al-Spinell, Aluminiumtitanat, Zirkon, Siliciumnitrid, Borcarbid, teilstabilisiertem Zirkoniumoxid, Zirkoniumoxid vom TZP-Typ oder Mischungen besteht.

Den Zusatz von SiC-Fasern schlägt auch die die WO 86/05 480 vor und sieht unter einer Vielzahl von Matrixwerkstoffen, zu denen u. a. Zirkoniumoxid und Aluminiumoxid gehören, auch Aluminiumnitrid vor, wobei Aluminiumoxid die größte Bedeutung zugemessen wird. Nachteilig bei diesem bekannten Vorschlag ist die geringe Härte einer nur aus Aluminiumnitrid bestehenden Matrix. Die oxidischen Matrixwerkstoffe verfügen demgegenüber nicht über eine ausreichende Thermoschockfestigkeit.

Schließlich ist aus der DE-OS 35 11 734 ein auch zur Herstellung von Schneidwerkzeugen vorgesehener Werkstoff auf Nitridgrundlage bekannt, in dem ein Polytyp von Sialon zusammen mit β′- und/oder α′-Sialon die bestimmende Komponente bilden. Der Werkstoff enthält desweiteren eine intergranulare Phase und je nach Zusammensetzung kristalline AlN oder Al₂O₃. Desweiteren können Hartstoffe wie Nitride, Carbide oder Carbonitride, vorzugsweise von Titan und Whisker, vorzugsweise von SiC enthalten sein. Der Nachteil dieser vorgeschlagenen Rezeptur besteht darin, daß der beschriebene Polytyp nur sehr schwierig in immer gleicher Konzentration einstellbar ist und dadurch eine ausreichende Produktsicherheit nicht gewährleistet werden kann.

Aufgrund des in den Polytypen immer vorhandenen Siliziums haben diese Werkstoffe den Nachteil eines starken chemischen Verschleißes bei der Stahlbearbeitung. Dies ist auf die hohe chemische Affinität zwischen Silizium und Eisen bei den hohen Temperaturen während der Stahlzerspanung zurückzuführen.

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften, insbesondere der sogenannten Mikrofestigkeit weiter verbesserte Schneidplatte zur Verfügung zu stellen, die aber zusätzlich über eine verbesserte chemische Beständigkeit bei der Stahlbearbeitung verfügt.

Diese Aufgabe wird bei einer Schneidplatte gemäß dem Gattungsbegriff von Patentanspruch 1 durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Die erheblich verbesserte Festigkeit der erfindungsgemäßen Schneidplatte ist voraussichtlich auf dem im Vergleich zu AlN größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten der eingesetzten Siliciumcarbidfasern zurückzuführen, wodurch bewirkt wird, daß beim Abkühlen von der Sintertemperatur die Matrix aus AlN unter Druckspannung gesetzt wird und dadurch der Rißwiderstand des Verbundwerkstoffes im Vergleich zu einem unverstärkten Material erhöht wird. Unter den gemäß Patentansprüchen und Beschreibung der vorliegenden Erfindung erwähnten SiC-Fasern sind die sogenannten Whisker zu verstehen, also einkristalline Fasern. Solche Fasern wurden zwar auch bereits zur Verstärkung von Oxidkeramik vorgeschlagen, konnten hier aber nicht zu einer nennenswerten Verbesserung der Festigkeit führen. Bei einer Schneidplatte entsprechend der erfindungsgemäßen Zusammensetzung werden die aus der nachfolgenden Tabelle ersichtlichen Verbesserungen der Bruchzähigkeit im Vergleich zu Schneidplatten, die nicht mit SiC-Fasern verstärkt sind, beobachtet:

Als weiteres wesentliches Element zur Verbesserung der Schneideigenschaften hat sich die Zugabe von Hartstoffen in einer Menge von 7 bis 20 Vol.-% erwiesen, so daß durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Zusammensetzung ein zur Bearbeitung von Stahl geeigneter Schneidwerkstoff vorgeschlagen wird, der infolge des gänzlichen Fehlens von Siliziumverbindungen eine ausgezeichnete chemische Beständigkeit bei der Stahlbearbeitung aufweist.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind durch Unteransprüche gekennzeichnet.

Sofern Mischungen von Hartstoffen verwendet werden, hat sich bei einer Mischung aus Titankarbid und Titandiborid eine Mischung als besonders geeignet erwiesen, in der jeder dieser beiden Hartstoffe in einer Menge von mindestens 8 höchstens 10 Vol.-%, aber in einer 15 bis 20 Vol.-% insgesamt nicht überschreitenden Menge eingesetzt werden. Sofern eine Hartstoffmischung aus Titannitrid und Titandiborid zum Einsatz kommt, ist besonders bevorzugt, daß jede dieser beiden Komponenten in einer Menge von mindestens 8 und höchstens 10 Vol.-%, insgesamt aber nicht mehr als 20 Vol.-%, verwendet wird.

Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Schneidplatte kommen sowohl das drucklose Sinterverfahren als auch das sogenannte Heißpreßverfahren zur Anwendung. Bei drucklosem Sintern hat sich die Verwendung von Sinterhilfsmitteln, insbesondere von Al₂O₃, CaO, und Y₂O₃ alleine oder in Abmischung als besonders zweckmäßig erwiesen, vorzugsweise in einer Menge von 2 bis 8 Gew.-%, während beim Heißpreßprozeß auf die Zugabe metalloxidischer Verbindungen verzichtet werden kann. Es hat sich jedoch gezeigt, daß zur Erzielung einer optimalen Schneidplattenqualität bei einem Anteil von mehr als 10 Vol.-% SiC-Fasern bezogen auf die fertige Schneidplatte die Anwendung des Heißpreßverfahrens oder des isostatischen Heißpressens vorteilhaft ist. Bei Anteilen unter 10% Siliciumcarbidfasern hat sich dagegen das drucklose Sinterverfahren als geeignet erwiesen.

Zur Erzeugung der optimalen Schneidplattenqualität soll die Schneidplatte über eine theoretische Dichte von mindestens 95% des Wertes verfügen, der sich aus der errechneten Dichte der verwendeten Ausgangsstoffmischung ergibt. Zur Sinterung der erfindungsgemäßen Schneidplatte ist die Anwendung einer Schutzgasatmosphäre, vorzugsweise von Stickstoffatmosphäre, bei atmosphärischem Druck notwendig. Die Sintertemperaturen liegen bei drucklosem Sintern zwischen 1650 und 2040°C, bei Sinterzeiten von 0,5 bis 5 h, wohingegen das Heißpressen bei etwas niedrigeren Temperaturen von 1450 bis 1750°C und bei einer Haltezeit von 0,5 bis 2 h durchgeführt wird. In ähnlicher Weise ist die Verdichtung durch Gasdrucksintern oder durch heißisostatisches Nachpressen möglich.

Die nachfolgenden Beispiele dienen der weiteren Erklärung der Erfindung:

Beispiel 1

Zur Herstellung einer Schneidplatte wird ein Schlicker aus Aluminiumnitrid und Titancarbid mittels Mahlung in Benzin hergestellt. Der Schlicker enthält so viel Aluminiumnitrid, daß der Aluminiumnitridanteil in der fertigen Schneidplatte 70 Vol.-% entspricht und Titancarbid in einer Menge von 20 Vol.-% - bezogen auf die fertig gesinterte Schneidplatte. Ein zweiter Schlicker wird durch Dispersion von SiC-Fasern - ebenfalls in Benzin - hergestellt. Dieser Schlicker enthält SiC-Fasern in einer Menge, die 10 Vol.-% in der fertigen Schneidplatte entspricht. Die beiden Schlicker werden innig miteinander vermischt und getrocknet. Die getrocknete Mischung wird unter Stickstoffatmosphäre in einer Graphitmatrize bei einer Temperatur von 1650°C, einem Druck von 300 bar wähernd 60 min heißgepreßt. Der erhaltene Schneidplattenrohling wird in einer an sich üblichen Weise nachbearbeitet.

Beispiel 2

In gleicher Weise, wie in Beispiel 1 beschrieben, wird durch Herstellung und Abmischung von zwei Schlickern eine Pulvermischung hergestellt, wobei jedoch eine Zusammensetzung verwendet wird, die - bezogen auf die fertige Schneidplatte - 75 Vol.-% Aluminiumnitrid, 10 Vol.-% Titancarbid, 5 Vol.-% Yttriumoxid und 10 Vol.-% SiC-Fasern enthält. Zusätzlich enthält die Schlickermischung noch 4 Gew.-% eines an sich üblichen temporären Bindemittels. Ein Rohkörper wird durch axiales Pressen mit einem Druck von 1200 bar hergestellt und die geformte Schneidplatte zur Entfernung des Bindemittels bei 300°C in Vakuum ausgeheizt. Anschließend wird bei 1925°C und 1 bar Stickstoffatmosphäre während 2 h gesintert.

Claims (14)

1. Schneidplatte für die Bearbeitung von Eisenwerkstoffen aus einem gesinterten Keramikwerkstoff mit einem überwiegenden Anteil von Aluminiumnitrid, in dem als Hartstoffe Karbide, Nitride und Boride von Titan, Wolfram, und Niob und ggf. als weitere Komponente metalloxidische Verbindungen gleichmäßig verteilt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidplatte

• a) mindestens 60 Vol.-% Aluminiumnitrid,
• b) Hartstoffe in einer Menge von 7 bis 20 Vol.-%,
• c) metalloxidische Verbindungen in einer Menge bis zu 10 Vol.-%,
• d) Siliciumcarbidfasern in einer Menge von 5 bis 25 Vol.-% enthält und
  sich die Komponenten a), b), c) und d) auf mindestens 99,7 Vol.-% ergänzen und
• e) die Schneidplatte nicht mehr als 0,3 Vol.-% an Verunreinigungen enthält.

2. Schneidplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliciumcarbidfasern in einer Menge von 5 bis 20 Vol.-% vorliegen.

3. Schneidplatte nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliciumcarbidfasern eine Länge von 5 bis 20 µm und einen Durchmesser von 0,4 bis 1,2 µm aufweisen.

4. Schneidplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidplatte als Hartstoffe Titankarbid, Titannitrid, Titandiborid, Wolframkarbid, Niobkarbid, Niobborid oder eine Mischung dieser Substanzen enthält.

5. Schneidplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidplatte als metalloxidische Verbindungen Yttriumoxid, Aluminiumoxid und Kalziumoxid enthält.

6. Schneidplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidplatte metalloxidische Verbindungen in einer Menge von 2 bis 8 Vol.-% enthält.

7. Schneidplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidplatte als Hartstoff 15 bis 20 Vol.-% Titankarbid enthält.

8. Schneidplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidplatte als Hartstoff 15 bis 20 Vol.-% Titannitrid enthält.

9. Schneidplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidplatte als Hartstoff 15 bis 20 Vol.-% einer aus Titankarbid und Titandiborid bestehenden Mischung enthält.

10. Schneidplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidplatte 15 bis 20 Vol.-% einer Mischung aus Titannitrid und Titandiborid enthält.

11. Schneidplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidplatte mehr als 10 Vol.-% SiC-Fasern enthält und heißgepreßt ist.

12. Schneidplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidplatte weniger als 10 Vol.-% SiC-Fasern enthält, drucklos gesintert ist und metalloxidische Verbindungen in einer Menge von mindestens 3 Vol.-% enthält.

13. Schneidplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidplatte eine Vickers-Härte HV 0,5 < 1500 aufweist.

14. Verwendung der Schneidplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 13 für die spanabhebende Bearbeitung von Eisenmetallen bis zu einem C-Gehalt von 1,2%.