DE4036883A1 - Keramik-schneidwerkzeug - Google Patents
Keramik-schneidwerkzeugInfo
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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.
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.
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:
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.
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.
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 (5)
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.
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