DE4036883C2

DE4036883C2 - Keramik-Schneidwerkzeug, Verfahren zu seiner Herstellung und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE4036883C2
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: 1998-09-10
Anticipated expiration: 2010-11-20
Also published as: DE4036883A1; US4956318A; JPH03208504A

Description

Die Erfindung betrifft ein Keramik-Schneidwerkzeug für die spangebende Werkstoffbearbeitung und ein Verfahren zur Herstel lung eines solchen Keramik-Schneidwerkzeuges. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Keramik-Schneidwerkzeug, welches zum Bearbeiten von Eisenmetallen, speziell von Grauguß, geeignet ist.

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

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

Keramische Werkstoffe, insbesondere Alpha-Aluminiumoxid (Al₂O₃), sind zur Herstellung von Schneidwerkzeugen verwendet worden, die höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten ermöglichen als die bisher bekannten Stahl- und Wolframkarbidschneidwerk zeuge. Die Standzeit dieser bekannten Keramik-Schneidwerkzeuge ist jedoch oft geringer als die der herkömmlichen Wolfram karbidschneidwerkzeuge. Auch ist die Stoßempfindlichkeit der herkömmlichen Keramik-Schneidwerkzeuge relativ groß, so daß solche Werkzeuge mit geringen Vorschubgeschwindigkeiten betrie ben werden müssen. Demzufolge ist die tatsächliche Metallab tragrate mit der von Wolframkarbidwerkzeugen vergleichbar, obwohl die Keramikwerkzeuge bei höheren Bearbeitungsgeschwin digkeiten eingesetzt werden.

Aus der US 4 789 277 sind Keramik-Schneidwerkzeuge bekannt, die ihre als vorteilhaft herausgestellten Eigenschaften aus dem Vorhandensein keramischer Whisker beziehen, die in eine kerami sche Matrix eingelagert sind. Die eingelagerten Whisker sollen die Stabilität des Schneidwerkzeuges erhöhen und damit die Schneideigenschaften verbessern.

Aus der US 3 274 009 ist es bekannt, eine Mischung aus Alumi niumoxid und 9 bis 12 Gew.-% Aluminiumnitrid so zu behandeln, daß ein entstehender Keramikkörper, beispielsweise ein Isolator für die Zündkerze eines Verbrennungsmotors, eine möglichst vollständig kubische Kristallstruktur aufweist. Auf diese Weise soll der Keramikkörper eine hohe Thermoschockbeständigkeit und eine gute mechanische Stabilität bekommen.

Alle diese bekannten Schneidwerkzeuge weisen unter bestimmten Betriebsbedingungen gewisse Vorteile und unter anderen Be triebsbedingungen gewisse Nachteile auf. So eignen sich z. B. bestimmte keramische Werkstoffe besonders zum Bearbeiten be stimmter 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, haben diese Keramik-Werkstoffe jedoch eine unerwünscht geringe Standzeit. Zwar erhöht der Zusatz mancher Stoffe, wie z. B. Siliziumwhisker, die Standzeit bei der Bearbeitung eisenhaltiger Werkstoffe, jedoch steigert das den Preis des Keramik-Schneidwerkzeuges deutlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein preiswertes Kera mik-Schneidwerkzeug mit hoher Standzeit und breitem Anwendungs spektrum bereitzustellen, das besonders für die Bearbeitung ei senhaltiger Materialien, insbesondere Gußeisen, einsetzbar ist. Der Erfindung liegt desweiteren die Aufgabe zugrunde, ein Ver fahren zur Herstellung eines solchen Keramik-Schneidwerkzeuges anzugeben.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einem Keramik-Schneidwerk zeug gelöst, das die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale auf weist. Ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Keramik- Schneidwerkzeuges umfaßt die im Anspruch 3 angegebenen Schritte, eine Verwendung ist gemäß Anspruch 5 angegeben.

Zur Herstellung des Keramik-Schneidwerkzeuges werden das Aluminumoxid und das Aluminiumnitrid in einer Kugelmühle gründlich vermischt. Nach dem Mischen wird das Pulver in Gra phitformen gefüllt und dann heißgepreßt. Der entstehende Kera mikkörper wird entnommen, worauf mit Diamanttrennscheiben Werk zeugrohlinge von dem Körper abgeschnitten werden.

Bei einer typischen zerspanenden Metallbearbeitung mit Kera mik-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 ge führt 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-Aluminiumoxid (Al₂O₃) als Rest. Außer dem Aluminium oxid und dem Aluminiumnitrid sind nur unvermeidbare Spurenele mente in dem Werkstoff enthalten.

Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Keramik-Schneidwerkzeuges wird ein feines Aluminiumoxidpulver (z. B. Reynolds RC-HP- DBM +/- 0,05% Magnesiumoxyd) und ein feines Aluminiumnitrid pulver (z. B. Starck D) in eine Kugelmühle mit Gummiauskleidung gefüllt. Hartporzellanmahlkörper (z. B. Burundum, eingetragene Marke der U.S. Storeware Corp.) 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 Aluminiumoxid und das Aluminiumnitridpulver gründlich miteinander zu vermischen.

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

Das Pulver wird dann in eine zylindrische Graphitform gefüllt und zwischen Graphitstempeln bei einem Druck von beispielsweise 3,5-7 MPa 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 erhöht wird. Der Pulverpreßling wird dann etwa 1 1/2 Stunden auf 21 MPa und 1600-1650°C gehalten, bis die Verdichtung abgeschlossen ist.

Der übrigbleibende Keramikkörper wird dann aus der Graphitform entnommen und es werden in herkömmlicher Weise mit einer harz gebundenen 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 1 zeigt die Ergebnisse des Grobdrehens von perlitischem Grauguß einer Härte von 231 Brinell bei einer Be arbeitungsgeschwindigkeit von 610 in/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 (ISO-Bezeichnung: SNGN 120412T) 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 handelsüb lichen 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 handels übliche Einsatz C annehmbar funktionierte, betrug seine Stand zeit nur etwa die Hälfte der mittleren Standzeit der anderen aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff gefertigten Werkzeuge.

Es wurde auch festgestellt, daß die Eigenschaften des Schneid werkzeuges 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 1 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 1 auf 15,5 Minuten. Das ist weniger als die Standzeit des handelsüblichen Werkzeuges C in Tabelle 1.

Es wurde ein weiterer Versuch durchgeführt, in dem perlitischer Sphäroguß einer Härte von 220 Brinell bearbeitet wurde. In die ser zweiten Versuchsreihe wurde das Werkstück mit einer Bear beitungsgeschwindigkeit 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 Aluminiumoxid hergestellte erfindungsgemäße Ein satz 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 Ge gensatz zur gleichmäßigen Abnutzung des erfindungsgemäßen Werk zeuges auf.

Eine weitere Versuchsreihe wurde an perlitischem Sphäroguß einer Härte von 220 Brinell mit einer Bearbeitungsgeschwindi gkeit 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 an gesehen. Dementsprechend weist, wie oben gezeigt, das erfin dungsgemäße Werkzeug mit einem Anteil von 14 Gew.-% Aluminium nitrid 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 in/min, einem Vorschub von 0,465 mm/U und einer Schneidtiefe von 1,5 min 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 sein bester Wettbewerber, d. h. der handelsübliche Einsatz C.

Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich, daß das erfin dungsgemäße 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 deutli chem Gegensatz zu den anderen handelsüblichen Werkzeugen, die Schäden durch Absplitterungen, Kraterbildung und ungleichmäßi ger 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 re lativ niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Aluminium nitrid ist seine Temperaturschockbeständigkeit größer als die aller üblicherweise verwendeten Keramiken. Diese Verbesserung der Temperaturschockbeständigkeit durch den Zusatz von Alu miniumnitrid zum Aluminiumoxid-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 ver sagte. Sein Aluminiumgehalt war unterhalb des Minimums, das benötigt wird, um dem Werkzeug eine genügende Temperaturschock beständigkeit zu geben und die harten Schneidbedingungen aus zuhalten. Es ist ebenfalls festzustellen, daß das 50% Alumini umnitrid enthaltende Material, einem über dem optimalen Aluini niumnitridgehalt 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 Ver schleißbeständigkeit von Al₂O₃ besitzt.

Claims

1. Keramik-Schneidwerkzeug für die spangebende Werkstoff bearbeitung, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem homogenen Material enthaltend 6 bis 30 Gew.-% Aluminiumnitrid und α-Aluminiumoxid als Rest besteht.

2. Keramik-Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Aluminiumnitrid etwa 14 Gew.-% beträgt.

3. Verfahren zur Herstellung eines Keramik-Schneidwerkzeuges mit den Schritten

- Bilden einer Mischung aus 6 bis 30 Gew.-% Aluminiumnitrid pulver und α-Aluminiumoxidpulver als Rest,
- Füllen der gebildeten Mischung in eine Graphitform,
- Vorverdichten der in die Graphitform gefüllten Mischung zu einem Pulverpreßling,
- Heißverpressen des Pulverpreßlings bei einer Temperatur von 1600 bis 1650°C und einem Druck von 21 MPa, bis die Verdich tung abgeschlossen ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mischung mit etwa 14 Gew.-% Aluminiumnitridpulver eingesetzt wird.

5. Verwendung eines nach dem Verfahren gemäß Anspruch 3 hergestellten Keramikkörpers als Schneidwerkzeug zur spangeben den Bearbeitung von Eisenmetallen, dadurch gekennzeichnet, daß das Schneidwerkzeug ein heißver preßter homogener Keramikkörper ist, der aus α-Aluminiumoxid und aus 6 bis 30 Gew.-% Aluminiumnitrid besteht.

6. Verwendung eines Keramikkörpers nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Aluminiumnitrid etwa 14 Gew.-% beträgt.

7. Verwendung eines Keramikkörpers gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Eisenmetall Gußeisen ist.