DE4036883A1

DE4036883A1 - Keramik-schneidwerkzeug

Info

Publication number: DE4036883A1
Application number: DE4036883A
Authority: DE
Inventors: David Moskowitz; Reuven Porat
Original assignee: Iscar Ltd
Current assignee: Iscar Ltd
Priority date: 1989-11-20
Filing date: 1990-11-19
Publication date: 1991-06-06
Anticipated expiration: 2010-11-20
Also published as: US4956318A; DE4036883C2; JPH03208504A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Keramik-Schneidwerkzeug für die spangebende Werkstoffbearbeitung und insbesondere auf ein Keramik-Schneidwerkzeug, welches besonders zum Bearbeiten eisenhaltiger Metalle, speziell Grauguß, geeignet ist.

Keramik-Schneidwerkzeuge sind schon bisher für eine Reihe unterschiedlicher Bearbeitungsschritte bei der Metallbearbeitung eingesetzt worden. Solche Bearbeitungsschritte können Fräsen, Mahlen, Hobeln, Drehen, Bohren und ähnliches sein. In jedem Fall findet jedoch bei der Bearbeitung eine Relativbewegung zwischen dem Schneidwerkzeug und dem Werkstück statt.

Unter bestimmten Einsatzbedingungen weisen Keramik-Schneidwerkzeuge deutliche Vorteile gegenüber anderen Schneidwerkzeugen, wie z. B. Stahl- und Wolframkarbidwerkzeugen auf. Keramik- Schneidwerkzeuge werden besonders als Schnellschnitt-Schneidwerkzeuge eingesetzt.

Keramische Werkstoffe, insbesondere Alpha-Aluminiumoxyd (Al₂O₃), sind zur Herstellung von Schneidwerkzeugen verwendet worden, die höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten ermöglichen als die bisher bekannten Stahl- und Wolframkarbidschneidwerkzeuge. Die Standzeit dieser bekannten Keramik-Schneidwerkzeuge ist jedoch oft geringer als die der herkömmlichen Wolframkarbidschneidwerkzeuge. Auch ist die Stoßempfindlichkeit der herkömmlichen Keramik-Schneidwerkzeuge relativ groß, so daß solche Werkzeuge mit geringen Vorschubgeschwindigkeiten betrieben werden. Demzufolge ist die tatsächliche Metallabtragrate mit der von Wolframkarbidwerkzeugen vergleichbar, obwohl die Keramikwerkzeuge bei höheren Bearbeitungsgeschwindigkeiten eingesetzt werden.

Es sind eine Reihe verschiedener Zusammensetzungen für keramische Schneidwerkzeuge vorgeschlagen worden. Die US-Patentschrift 47 89 277 z. B. beschreibt ein Schneidwerkzeug, welches mit Siliziumkarbidwhiskern verstärkt ist, um die Bruchfestigkeit zu steigern. In zahlreichen handelsüblichen Schneidwerkzeugen ist Titankarbid zum Aluminiumoxyd gemischt, um die Schneideigenschaften des Schneidwerkzeuges zu verbessern.

All diese bisher bekannten Schneidwerkzeuge weisen unter bestimmten Betriebsbedingungen gewisse Vorteile und unter anderen Betriebsbedingungen gewisse Nachteile auf. So eignen sich z. B. bestimmte keramische Werkstoffe besonders zum Bearbeiten bestimmter Metalle, während sie zum Bearbeiten anderer Metalle völlig ungeeignet sind. Der Zusatz bestimmter Stoffe, wie z. B. Siliziumkarbidwhisker, erhöht die Gesamtkosten des Keramik- Schneidwerkzeuges beträchtlich und ist deshalb von Nachteil.

Während sich die bisher bekannten Keramik-Schneidwerkzeuge zur Bearbeitung eisenhaltiger Werkstoffe, wie etwa Gußeisen, als gut geeignet erwiesen haben, weisen diese Keramik-Werkstoffe jedoch eine unerwünscht geringe Standzeit auf. Obgleich der Zusatz mancher Stoffe, wie z. B. Siliziumwhisker, die Standzeit bei der Bearbeitung eisenhaltiger Werkstoffe erhöht, steigert das den Preis des Keramik-Schneidwerkzeuges deutlich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein preiswertes Keramik-Schneidwerkzeug mit hoher Standzeit und breitem Anwendungsspektrum zu schaffen, das insbesondere bei der Bearbeitung eisenhaltiger Materialien, insbesondere Gußeisen, verwendbar ist, und ein vorteilhaftes Verfahren zum Schneiden von Eisenmetallen anzugeben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch mit einem Keramik- Schneidwerkzeug gelöst, das im wesentlichen aus einer heißgepreßten Mischung aus 6-30 Gew.-% Aluminiumnitrid (AlN) und Alpha-Aluminiumoxyd (Al₂O₃) als übrigem Bestandteil besteht. In dem Keramik-Schneidwerkzeug sind, abgesehen von unvermeidbaren Spurenelementen, keine anderen Stoffe enthalten.

Zur Herstellung des Keramik-Schneidwerkzeuges werden das Aluminiumoxyd und das Aluminiumnitrid in einer Kugelmühle gründlich vermischt. Nach dem Mischen wird das Pulver in Graphitformen gefüllt und dann heißgepreßt. Der entstehende Keramikkörper wird entnommen, worauf mit Diamanttrennscheiben Werkzeugrohlinge von dem Körper abgeschnitten werden.

Bei einer typischen zerspanenden Metallbearbeitung mit Keramik-Schneidwerkzeugen werden das Keramik-Schneidwerkzeug und das Metall relativ zueinander bewegt. So kann z. B. das Schneidwerkzeug feststehend sein, während das Werkstück relativ zum Schneidwerkzeug bewegt wird, es kann auch das Werkstück feststehend sein, während das Schneidwerkzeug in das Metall geführt wird und es ist auch eine Kombination aus beidem möglich.

Der Werkstoff des erfindungsgemäßen Keramik-Schneidwerkzeuges besteht im wesentlichen aus 6-30 Gew.-% Aluminiumnitrid (AlN) und Alpha-Aluminiumoxyd (Al₂O₃) als Rest. Außer dem Aluminiumoxyd und dem Aluminiumnitrid sind nur unvermeidbare Spurenelemente in dem Werkstoff enthalten. Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Keramik-Schneidwerkzeuges wird ein feines Aluminiumoxydpulver, z. B. Reynolds RC-HP- DBM+/-0,05% Magnesiumoxyd, und ein feines Aluminiumnitridpulver, z. B. Starck D, in eine Kugelmühle mit Gummiauskleidung gefüllt. Burundum Media und genügend denaturierter Ethylalkohol werden ebenfalls in die Kugelmühle gegeben, um das Pulver zu bedecken. Die Kugelmühle wird sodann längere Zeit betrieben, beispielsweise 24 Stunden bei 60 U/min, um das Aluminiumoxyd und das Aluminiumpulver gründlich miteinander zu vermischen.

Nachdem das Aluminiumoxyd und Aluminiumnitridpulver gründlich miteinander vermischt sind, wird der Alkohol aus dem entstandenen Slurry abgedampft und das Pulver daraufhin durch ein 840-µm-Filter gesiebt, um jegliche im Material verbliebene unvermischte Klumpen zu entfernen.

Das Pulver wird dann in eine zylindrische Graphitform gefüllt und zwischen Graphitstempeln bei einem Druck von beispielsweise 3,5-7 MPa (500-1000 psi) verdichtet. Vorzugsweise sind die Graphitstempel mit Molybdänblechen überzogen.

Der Pulverpreßling wird dann heißgepreßt, indem der Preßling drei Stunden lang auf 1600-1650°C erhitzt und der Druck auf 21 MPa (3000 psi) erhöht wird. Der Pulverpreßling wird dann so lange auf 21 MPa (3000 psi) und 1600-1650°C gehalten, bis die Verdichtung nach etwa 1 1/2 Stunden abgeschlossen ist.

Der übrigbleibende Keramikkörper wird dann aus der Graphitform entnommen und es werden in herkömmlicher Weise mit einer harzgebundenen Diamanttrennscheibe Schneidwerkzeugplättchen von dem Körper abgetrennt. Das Schleifen der Seiten, der Ecken und der Schneide in die endgültige Form des Einsatzes wird ebenfalls mit Diamanttrennscheiben durchgeführt.

Die folgende Tabelle I zeigt die Ergebnisse des Grobdrehens von perlitischem Grauguß einer Härte von 231 Brinell bei einer Bearbeitungsgeschwindigkeit von 610 m/min, einem Vorschub von 0,6 mm/U und einer Schneidtiefe von 1,5 mm. Drei verschiedene handelsübliche keramische Schneidwerkzeuge wurden untersucht und drei unterschiedlich zusammengesetzten erfindungsgemäßen Keramik-Schneidwerkzeugen gegenübergestellt. In allen Fällen wurden SNG 433T-Einsätze verwendet.

Tabelle I

diese Erfindung:

Das handelsübliche Werkzeug K ist ein auf SiAlON basierendes Werkzeug, während die beiden handelsüblichen Werkzeuge H und C Al₂O₃-TiC-Werkzeuge sind.

Wie aus der obigen Tabelle hervorgeht, hielten die handelsüblichen Werkzeuge H und K die harten Arbeitsbedingungen dieses Tests nicht lange aus. Obwohl der Einsatz K einen Versuch überstand, verschliß er sehr schnell. Und obwohl der handelsübliche Einsatz C annehmbar funktionierte, betrug seine Standzeit nur etwa die Hälfte der mittleren Standzeit der anderen aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff gefertigten Werkzeuge.

Es wurde auch festgestellt, daß die Eigenschaften des Schneidwerkzeuges sehr schnell schlechter werden, wenn der Anteil an Aluminiumnitrid außerhalb des optimalen Bereichs von 6- 30 Gew.-% liegt. So führte z. B. ein Aluminiumnitridanteil von nur 3 Gew.-% während des Versuchs gemäß Tabelle I nach nur 3,7 Minuten zu einem plötzlichen Versagen. Außerhalb der anderen Bereichsgrenze reduzierte ein Anteil von 50 Gew.-% Aluminiumnitrid die Standzeit bei einem Versuch mit den Parametern der Tabelle I auf 15,5 Minuten. Das ist weniger als die Standzeit des handelsüblichen Werkzeuges C in Tabelle I.

Es wurde ein weiterer Versuch durchgeführt, in dem perlitischer Sphäroguß einer Härte von 220 Brinell bearbeitet wurde. In dieser zweiten Versuchsreihe wurde das Werkstück mit einer Bearbeitungsgeschwindigkeit von 366 m/min, 0,31 mm/U Vorschub und einer Schneidtiefe von 1,5 mm bearbeitet. Die Ergebnisse dieses Zerspanungstests sind nachfolgend aufgeführt.

Tabelle II

Wie oben dargestellt, zeigt der aus 14 Gew.-% Aluminiumnitrid und dem Rest Aluminiumoxyd hergestellte erfindungsgemäße Einsatz eine um ungefähr 50% größere Standzeit als das beste handelsübliche Schneidwerkzeug, nämlich das Schneidwerkzeug C. Weiterhin wies das handelsübliche Werkzeug unter diesen Schneidbedingungen eine etwas ungleichmäßige Abnutzung im Gegensatz zur gleichmäßigen Abnutzung des erfindungsgemäßen Werkzeuges auf.

Eine weitere Versuchsreihe wurde an perlitischem Sphäroguß einer Härte von 220 Brinell mit einer Bearbeitungsgeschwindigkeit von 457 m/min, einem Vorschub von 0,386 mm/U und einer Schneidtiefe von 1,5 mm durchgeführt. Im Gegensatz zum in Tabelle II dargestellten Versuch wurde beim in Tabelle III gezeigten Versuch nicht nur eine höhere Schnittgeschwindigkeit, sondern auch eine größere Vorschubgeschwindigkeit für das Schneidwerkzeug gewählt. Die Versuchsergebnisse waren folgende:

Tabelle III

Wie allgemein bekannt ist, wird als Standzeit üblicherweise die Zeitdauer bis zu einer Schneidflächenabnutzung von 0,25 mm angesehen. Dementsprechend weist, wie oben gezeigt, das erfindungsgemäße Werkzeug mit einem Anteil von 14 Gew.-% Aluminiumnitrid eine Standzeit von 5,2 Minuten auf. Im Gegensatz dazu zeigten die beiden handelsüblichen Werkzeuge H und C über 0,25 mm Abnutzung in weniger als 2,5 Minuten. Das bedeutet, daß das erfindungsgemäße Werkzeug unter den harten, in Tabelle III dargelegten Arbeitsbedingungen eine mehr als zweimal so hohe Standzeit als die handelsüblichen Einsätze C und H aufwies.

Ferner wurde eine Versuchsreihe an perlitischem Sphäroguß einer Härte von 220 Brinell mit einer Bearbeitungsgeschwindigkeit von 549 m/min, einem Vorschub von 0,465 mm/U und einer Schneidtiefe von 1,5 mm durchgeführt. Diese in Tabelle IV dokumentierten Versuche stellen die härtesten Arbeitsbedingungen dar, denen die Schneidwerkzeuge unterworfen wurden.

Tabelle IV

Wie aus obiger Tabelle hervorgeht, weist das erfindungsgemäße Werkzeug selbst unter diesen extremen Arbeitsbedingungen eine um 63% höhere Standzeit auf als ein sein bester Wettbewerber, d. h. der handelsübliche Einsatz C.

Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich, daß das erfindungsgemäße Schneidwerkzeug eine weitaus höhere Standzeit beim Schneiden eisenhaltiger Werkstoffe und insbesondere beim Schneiden bzw. Zerspanen von Gußeisen aufweist. Darüber hinaus zeigt das erfindungsgemäße Keramik-Schneidwerkzeug auch eine gleichmäßige Abnutzung der Schneidkante. Dies steht in deutlichem Gegensatz zu den anderen handelsüblichen Werkzeugen, die Schäden durch Absplitterungen, Kraterbildung und ungleichmäßiger Abnutzung während der Versuchsdurchführung erlitten.

Obwohl das erfindungsgemäße Keramik-Schneidwerkzeug von 6- 30 Gew.-% Aluminiumnitrid enthalten kann, haben sich in der Praxis 14 Gew.-% Aluminiumnitrid als optimal erwiesen.

Obzwar sich das erfindungsgemäße Keramik-Schneidwerkzeug beim Bearbeiten von Sphäroguß als besonders effektiv erwiesen hat, ist die genaue Ursache dieser Schneideigenschaften des erfindungsgemäßen Werkstoffs nicht gänzlich verstanden.

Eine mögliche Erklärung für das überlegene Verhalten dieser Werkzeuge ist folgende:
Aluminiumnitrid ist gegenüber den meisten anderen Keramiken als exzellenter Wärmeleiter bekannt. Seine Wärmeleitfähigkeit ist sogar größer als die vieler Metalle. Deshalb und wegen des relativ niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Aluminiumnitrid ist seine Temperaturschockbeständigkeit größer als die aller üblicherweise verwendeten Keramiken. Diese Verbesserung der Temperaturschockbeständigkeit durch den Zusatz von Aluminiumnitrid zum Aluminiumoxyd-Grundmaterial wird als Ursache seiner höheren Beständigkeit gegenüber Bruch und Absplittern und der insgesamt höheren Standzeit im Vergleich zu anderen Keramik-Werkzeugen gesehen. Damit kann erklärt werden, warum der Einsatz mit nur 3 Gew.-% Aluminiumnitrid durch Bruch versagte. Sein Aluminiumgehalt war unterhalb des Minimums, das benötigt wird, um dem Werkzeug eine genügende Temperaturschockbeständigkeit zu geben und die harten Schneidbedingungen auszuhalten. Es ist ebenfalls festzustellen, daß das 50% Aluminiumnitrid enthaltende Material, einem über dem optimalen Aluminiumnitridgehalt liegenden Anteil, ohne abzusplittern oder zu brechen arbeitete. Seine kurze Standzeit kann damit erklärt werden, daß ein 50% Aluminiumnitrid enthaltender Werkstoff ein Defizit bei der Abnutzungsbeständigkeit und daraus resultierend bei der Standzeit, aufweist, da Aluminiumnitrid nicht die Verschleißbeständigkeit von Al₂O₃ besitzt.

Claims

1. Keramik-Schneidwerkzeug für die spangebende Werkstoffbearbeitung, dadurch gekennzeichnet, daß das Schneidwerkzeug im wesentlichen aus einer heißgepreßten Mischung aus Alpha- Aluminiumoxyd und Aluminiumnitrid mit einem Anteil von 6- 30 Gew.-% Aluminiumnitrid besteht.

2. Keramik-Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung im wesentlichen 14 Gew.-% Aluminiumnitrid enthält.

3. Verfahren zum Schneiden von Eisenmetallen, bei dem das Schneidwerkzeug in Kontakt mit einem aus Eisenmetall bestehenden Werkstück gebracht wird und das Schneidwerkzeug und das aus Eisenmetall bestehende Werkstück relativ gegeneinander bewegt werden, womit Metall durch das Schneidwerkzeug von dem Metallwerkstück entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein heißgepreßtes Verbundschneidwerkzeug, das im wesentlichen aus Alpha-Aluminiumoxyd und aus 6-30 Gew.-% Aluminiumnitrid besteht, verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schneidwerkzeug im wesentlichen aus einer heißgepreßten Mischung von Alpha-Aluminiumoxyd mit etwa 14 Gew.-% Aluminiumnitrid verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es auf ein Werkstück aus Gußeisen angewendet wird.