DE4100706C2

DE4100706C2 - Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Gegenstands aus Hochdruckphasen-Bornitrid zur Verwendung bei Schneidwerkzeugen

Info

Publication number: DE4100706C2
Application number: DE4100706A
Authority: DE
Inventors: Yutaka Kuroyama; Masami Maeno
Original assignee: Nippon Oil and Fats Co Ltd
Current assignee: NOF Corp
Priority date: 1990-01-12
Filing date: 1991-01-11
Publication date: 1995-02-16
Anticipated expiration: 2011-01-12
Also published as: KR910014326A; DE4100706A1; KR960008726B1; JPH0713279B2; US5200372A; JPH03211250A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Gegenstands aus Hochdruckphasen-Bornitrid zur Verwendung bei Schneidwerkzeugen, dessen Hauptbestandteil ein Hochdruckphasen-Bornitrid ist, das sich aus Wurtzit-Bornitrid und kubischem Bornitrid zusammensetzt. Der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Gegenstand ist als Material für Werkzeuge geeignet, die zum Schneiden von abgeschreckten Stahlmaterialien und anderen schneidbeständigen Materialien Verwendung finden.

Hochdruckphasen-Bornitrid existiert in zwei verschiedenen Typen: Das (später als "cBN" bezeichnete) kubisch-einkristal line Bornitrid, das mit einem ultrahohen statischen Druck von mehr als 50 kbar bei einer Temperatur von 1200°C unter Verwendung eines Katalysators hergestellt wird und das später als "wBN" bezeichnete polykristalline Wurtzit-Borni trid, das unter einem ultrahohen statischen Druck über 100 kbar ohne Verwendung eines Katalysators oder unter einem ul trahohen Druckschock hergestellt wird, der durch die Explo sion eines starken Explosivstoffs hervorgerufen wird. Beide Arten von Hochdruckphasen-Bornitrid weisen Härtewerte auf, die nur dem von Diamant unterlegen sind, und sind als Rohma terialien für die Erzeugung eines gesinterten Gegenstandes zur Verwendung in einem Schneidwerkzeug geeignet, das zum Schleifen, Formgeben und Schneiden von Materialien, insbeson dere von stahlartigen Metallen fähig ist.

Diamantgesinterte Werkzeuge besitzen eine hohe Härte und sind als Schneidwerkzeuge hervorragend geeignet. Sie haben jedoch den Nachteil, daß sie mit stahlartigen Metallen bei erhöhten Temperaturen reagieren. Sie sind deshalb zum Schnei den von Stahltyp-Materialien nicht gut geeignet.

Gegenwärtig werden gesinterte Gegenstände aus Cermet, Kera mik, zementiertem Karbid, wBN, cBN oder cBN-wBN zum Schnei den von Stahltypmaterialien benutzt. Für sehr schnelle und hochpräzise Bearbeitung solcher schwer zu schneidenden Mate rialien wie abgeschreckte Materialien hoher Härte und Hastel loy-Materialien erweisen sich cBM-gesinterte Gegenstände oder cBN-wBN-gesinterte Gegenstände, eine Substanz, die zum Ausgleich der Nachteile von cBN fähig ist, als besonders ge eignet.

Mit Bezug auf gesinterte Gegenstände mit cBN und wBN als Hauptbestandteile sind verschiedene Verfahren wie nachfol gend beschrieben bereits veröffentlicht worden:

In der JP-PS SHO 52(1977)-19 208 wird ein gesinterter Gegen stand beschrieben, bei dem gewachsenes cBN in einer Matrix von wBN dispergiert ist, und es wird angegeben, daß die wBN- Teilchen bevorzugterweise einen Durchmesser von 0,5 bis 10 µm besitzen sollten. In der JP-PS SHO 60(1985)-6306 wird ein gesinterter Gegenstand beschrieben, der aus einer Feststoff lösung gebildet ist, welche aus Hochdruckphasen-Bornitrid des wBN-Typs oder aus wBN während des Sinterns umgewandeltem cBN und aus M(C, O), M(N, O) und M(C, N, O) besteht, und es wird festgestellt, daß bei dem gesinterten Gegenstand das wBN nicht mehr als 10 Vol.-% einnimmt und eine Teilchengröße von nicht mehr als 10 µm besitzt. Dabei bedeutet das Symbol M ein Metall der Gruppe 4a oder 5a im Periodischen System der Elemente. In der JP-OS SHO 55(1980)-97 448 wird ein gesin terter Gegenstand beschrieben, der aus einem Gemisch von cBN und wBN gebildet ist und nicht mehr als 10 Vol.-% wBN ent hält. Die JP-OS SHO 56(1981)-77 359 beschreibt einen gesinter ten Gegenstand, der aus einem aus wBN und cBN bestehenden Ge misch gebildet ist, bei dem die wBN-Teilchen Durchmesser von 1 bis 1,5 µm besitzen und in einer Konzentration von 96 bis 84 Vol.-% in dem Hochdruckphasen-Bornitrid enthalten sind. JP-OS SHO 55(1980)-1 61 046 beschreibt einen gesinterten Gegen stand, der hergestellt ist durch Sintern eines Gemischs von 1 bis 40 Vol.-% wBN, Keramik und einem Metall, bei dem folg lich die Bildung einer vernetzten Struktur ermöglicht ist, die sich zusammensetzt aus von wBN überführtem cBN, nicht überführtem wBN und dem Metall.

JP-OS SHO 59(1984)-64 737 beschreibt einen gesinterten Gegen stand aus einem aus 60 bis 95 Vol.-% cBN und 40 bis 5 Vol.-% wBN bestehenden Gemisch, wobei das cBN einen durchschnittli chen Teilchendurchmesser von nicht weniger als dem 5fachen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von wBN enthält. JP-OS HEI 1(1989)-11 939 beschreibt einen gesinterten Gegen stand, der 30 bis 80 Vol-% eines Hochdruckphasen-Bornitrids enthält, welches aus 60 bis 95 Vol.-% cBN mit einem durch schnittlichen Teilchendurchmesser von nicht mehr als 15 µm und 5 bis 40 Vol.-% wBN mit einem durchschnittlichen Teil chendurchmesser von nicht mehr als 5 µm besteht.

Bei diesen gesinterten Gegenständen treten jedoch die folgen den Probleme auf:

Die gesinterten Gegenstände nach JP-PS SHO 52(1977)-19 208 und SHO 60(1985)-6306 und JP-OS SHO 55(1980)-97 448 und SHO 55(1980)-1 61 046 enthalten alle aus wBN gewandeltes cBN. Ein cBN dieser Art erzeugt Probleme hinsichtlich des Schneidwerk zeugverhaltens. Darüber hinaus wird die Beziehung zwischen den Teilchendurchmessern des cBN und wBN, das sich schwerwie gend auf das Verhalten des Schneidwerkzeugs auswirkt, nir gends in diesen Veröffentlichungen beschrieben.

Der gesinterte Gegenstand nach JP-PS SHO 56(1981)-77 359 ist im Abblätterwiderstand mangelhaft und besitzt schlechte Schneideigenschaften, da der wBN-Gehalt des Hochdruckphasen- Bornitrids groß ist. Der in JP-OS SHO 59(1984)-64 737 be schriebene gesinterte Gegenstand zeigt eine unzuverlässige Festigkeit bei Benutzung als Schneidwerkzeug, da die cBN- Teilchen unzulässig groß und der wBN-Gehalt zu hoch ist.

Der in JP-OS HEI 1(1989)-11 939 beschriebene gesinterte Gegen stand besitzt ein Problem bezüglich der Oberflächenrauhig keit, da die cBN-Teilchen einen großen durchschnittlichen Teilchendurchmesser im Bereich von 5 bis 15 µm besitzen, und es tritt auch ein Problem bezüglich des Abblätterwiderstan des auf, da die wBN-Teilchen einen relativ kleinen Durchmes ser von nicht mehr als 5 µm besitzen und einen unerwünscht großen Anteil des Hochdruckphasen-Bornitrids einnehmen.

Wie in der Zusammenfassung der bei der allgemeinen Herbstver sammlung 1987 der Precision Engineering Society gehaltenen Vorträge (Shinzo Enomoto, Masanori Kato und Shinichi Miyaza wa, "Cutting of iron type metal with cBN cutting tool" (insbe sondere die Auswirkungen von Teilchendurchmesser und cBN- Gehalt), Seiten 649 bis 650), beschrieben, gewinnen cBN-Teil chen Bindungskraft mit dem Bindermaterial in dem gesinterten Gegenstand und werden weniger einem Abtrennen von dem gesin terten Gegenstand ausgesetzt, so daß eine Herstellung eines Schneidwerkzeugs mit hoher Lebensdauer ermöglicht ist, wenn sie eine beträchtliche Teilchengröße besitzen und das unter Verwendung der cBN-Teilchen hergestellte Schneidwerkzeug er zeugt die vorteilhafteste Endbearbeitungs-Oberflächenrauhig keit, wenn die cBN-Teilchen von sehr geringer Größe sind.

Die cBN-Teilchen haben eine gute Schneideigenschaft, da sie scharfe Kanten besitzen. Sie spalten nicht, neigen jedoch zum Abblättern, da sie Einkristalle enthalten. Die Rauhigkeit der endbearbeiteten Oberfläche wird entsprechend zur Zunahme des Durchmessers durch für das Schneidwerkzeug verwendeten cBN-Teilchen verschlechtert. wBN ist ein Pulver, das durch Zusammenballung von Primärteilchen gebildet wird, d. h. von kleineren Kristallen von etwa 10 nm Durchmesser. Es gibt deshalb eine geringe Schneideigenschaft, es fehlt ihm eine Spaltungseigenschaft und es erfreut sich hoher Zähigkeit. Da die wBN-Teilchen eine extrem geringe Größe besitzen, haben sie den Vorteil, an einem bestimmten Werkstückrohling eine Fertigbearbeitungsfläche von hoch zufriedenstellender Rauhigkeit auszubilden.

Die DE 36 07 037 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Sinterkörpers großer Härte, der Hochdruckphasen- Bornitrid als Matrix aufweist. Es wird eine Mischung aus 65 bis 95 Vol.-% Hochdruckphasen-Bornitrid, 4 bis 34 Vol.-% Carbiden, Nitriden oder Carbonitriden des Titans und ggf. des Tantals und Rest Aluminium hergestellt und gesintert. Das Hochdruckphasen-Bornitrid wird aus cBN mit kontinuierlicher Korngrößenverteilung im Bereich von einer maximalen Korngröße von 10 bis 50 µm bis zu einer minimalen Korngröße von weniger als 1 µm gebildet, wobei wahlweise wBN zugemischt wird. Die Korngrößen sind so gewählt, daß sich eine Textur ergibt, bei der Teilchen mittlerer Korngröße zwischen Teilchen mit großen Korngrößen eingeklemmt sind und Teilchen geringerer Korngrößen zwischen Teilchen mit mittlerer Korngröße eingeklemmt sind.

Aus der DE 30 12 199 C2 ist ein Sinterkörper bekannt, der aus 80 bis 95 Vol.-% Bornitrid in Hochdruckform und einer Matrix als Rest besteht. Die Matrix enthält ein Bindemittel MC_x, MN_x und/oder M(CN)_x, wobei M ein Übergangsmetall der Gruppe IVa und Va des Periodensystems, deren Gemische und deren feste Lösungen ist, und x 0,5 bis 0,95 bedeutet, eine Aluminiumverbindung und Kupfer. Die mittlere Korngröße des Bornitrids beträgt weniger als 10 µm. Statt cBN kann auch wBN verwendet werden.

Die DE 30 16 971 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von gesinterten Preßstücken, die 20 bis 80 Vol.-% Hochdruck phasen-Bornitrid und als Rest Al₂O₃ oder einen zusammengesetzten keramischen Stoff enthalten, der im wesentlichen aus Al₂O₃ besteht und Carbide und Nitride der Metalle der Gruppen IVa, Va und VIa des Periodensystems, eine gemeinsame feste Lösung oder ein Gemisch daraus enthält. Als Bornitrid wird cBN verwendet. Die mittlere Teilchengröße des cBN liegt im Bereich von 2 µm bis 7 µm.

Aus der DE 27 56 512 A1 ist ein Sinterpreßling für spanabhebende Werkzeuge bekannt mit 10 bis 80 Vol.-% Hochdruck- Bornitrid und mit einem restlichen Volumengehalt einer Matrix, die aus mindestens einer Bindermasse aus Carbid, Nitrid, Carbonitrid, Borid oder Silicid eines Metalls aus den Nebengruppen IVa, Va undd VIa des Periodensystems in Mischung oder fester Lösung besteht. Der Sinterpreßling kann ferner Al, Si, Ni, Co, Fe oder Cu enthalten, die zuerst mit den Carbiden, Nitriden usw. umgesetzt werden können unter Bildung einer intermetallischen Verbindung. Als Bornitrid wird cBN oder wBN oder deren Mischung verwendet. Die mittlere Teilchengröße des cBN liegt unter 10 µm, wobei gezeigt wird, daß der Flankenverschleiß des Werkzeugs mit abnehmender mittlerer Teilchengröße des verwendeten cBN abnimmt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art zu schaffen, das einen gesinterten Gegenstand liefert, der eine solche Qualität besitzt, daß das aus dem gesinterten Gegenstand gebildete Schneidwerkzeug dem Werkstückrohling eine geschnittene Fläche von hochzufriedenstellender Rauhigkeit verleiht, eine fertig bearbeitete Fläche von genauen Abmessungen ergibt, nur ein geringes Auftreten von Oberflächenfehlern erleidet, eine lange Lebensdauer ohne bemerkenswerten Verschleiß aufweist und hohe Härtewerte zeigt.

Ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, bei dem eine intermetallische Verbindung, die
aus mindestens einer anorganischen Verbindung aus der Gruppe der Carbide, Nitride und Boride der Elemente der Gruppe 4a (Ti, Zr, Hf), der Gruppe 5a (V, Nb, Ta) und der Gruppe 6a (Cr, Mo, W) des Periodensystems und der gegenseitigen festen Lösung dieser anorganischen Verbindungen sowie
aus mindestens einem Element aus der Gruppe: Al, Ni, Si, Co, Zr und W gebildet ist,
in einem Anteil von 20 bis 90 Volumenteilen mit Wurtzit- Bornitridpartikeln mit einem maximalen Durchmesser von 1 µm in einem Anteil im Bereich von [(100 - der Anzahl von Volumenteilen der intermetallischen Verbindung) × (0,001 bis 0,05)] gemischt wird
und dem Gemisch kubisches Bornitrid mit einem maximalen Durchmesser von 5 µm in einem Anteil, der den Rest zu 100 Volumenteilen ausmacht, hinzugefügt wird
und das erhaltene Gemisch unter einem Druck von mindestens 20 kbar bei einer Temperatur von mindestens 1000°C gesintert wird.

Dieses Verfahren liefert einen gesinterten Gegenstand, der sich aus einem Hochdruckphasen-Bornitrid und einer Binder phase zusammensetzt. Die Rohmaterialien für den gesinterten Gegenstand bestehen vorzugsweise aus Teilchen, die sehr fein und gleichmäßig groß sind. Wenn die Rohmaterialien diesen Anforderungen entsprechen, zeigen die Teilchen kein abnormales Wachstum während des Sintervorgangs und schließen das Auftreten von Defekten in dem gesinterten Gegenstand aus. Der gesinterte Gegenstand nimmt deswegen bereitwillig ein hochdichtes Gefüge an.

Zur Herstellung eines gesinterten Gegenstands für ein Schneidwerkzeug mit erwünschter Qualität durch das erfin dungsgemäße Verfahren beruht die wichtigste Aufgabe in der Festlegung der Bedingungen für die ideale Dispersion des Hochdruckphasen-Bornitrids und der Binderphase.

Durch die verschiedenen Untersuchungen kamen die Erfinder zu dem Schluß, daß das Ziel der Erfindung dadurch erreicht werden kann, daß Ausgangs-Rohmaterialien benutzt werden, welche in festgelegte Bereiche fallende Teilchengrößen aufweisen. Auf Grundlage dieser Feststellung wurde die Erfindung fertiggestellt.

Der gesinterte Gegenstand aus Hochdruckphasen-Bornitrid zur Verwendung in Schneidwerkzeugen, der durch das beschriebene Verfahren hergestellt ist, umfaßt (1) 10 bis 80 Vol.-% Hochdruckphasen-Bornitrid, zusammengesetzt aus 95 bis 99,5 Vol.-% kubischem Bornitrid und 0,1 bis 5 Vol.-% Wurtzit-Bornitrid und (2) 20 bis 90 Vol.-% intermetallische Verbindung.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung bei spielsweise näher erläutert; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein Strukturbild auf Grundlage einer Mikrofotogra phie mit 1500facher Vergrößerung eines erfindungs gemäßen hergestelltem gesinterten Gegenstands,

Fig. 2 ein Schaubild einer typischen Anordnung zum Ausfüh ren des erfindungsgemäßen Sintervorgangs,

Fig. 3 ein Schaubild eines Beispiels eines ultrahochdruck erzeugenden Teils in einer Ultrahochdruck-Vorrich tung zur Verwendung bei der erfindungsgemäßen Herstellung eines gesinterten Gegenstands,

Fig. 4 ein Schaubild der Ergebnisse einer Untersuchung über den Zusammenhang zwischen dem Durchmesser von cBN- Teilchen und der Verschleißfestigkeit,

Fig. 5 und 6 Schaubilder der Auswirkung der Durchmesser von wBN-Teilchen auf den Abblätter- bzw. Verschleißwider stand, und

Fig. 7 ein Schaubild der Auswirkung der Anteile von cBN und wBN im Hochdruckphasen-Bornitrid auf die Schneid eigenschaft.

Der gesinterte erfindungsgemäß hergestellte Gegenstand besitzt als Haupt bestandteile wBN und cBN und enthält weiter eine intermetal lische Verbindung zwischen einer anorganischen Verbindung und einem Metall. Die intermetallische Verbindung dient als Binderphase in dem gesinterten Gegenstand.

Die anorganische Verbindung kann mindestens ein Glied oder ein Gemisch oder eine gegenseitige Feststofflösung von 2 oder mehr Gliedern sein, die aus den vorher erwähnten Karbi den, Nitriden und Boriden ausgewählt sind.

Bei dem gesinterten Gegenstand nach der vorliegenden Erfin dung besteht das Hochdruckphasen-Bornitrid aus 95 bis 99,9 Vol.-% kubischem Bornitrid und 0,1 bis 5 Vol.-% Wurtzit-Bor nitrid.

Wenn der Anteil des Hochdruckphasen-Bornitrids cBN in dem ge sinterten Gegenstand 99,9 Vol.-% übersteigt, schneidet das aus dem gesinterten Gegenstand gebildete Schneidwerkzeug wohl gut, ist jedoch unzureichend verschleiß fest. Falls der Anteil von wBN 5 Vol.-% übersteigt, ist das Schneidwerkzeug extrem Abblättern ausgesetzt. Man nimmt an, daß das davon herrührt, daß die Abweichung dieser Zusammen setzungsverhältnisse von den angegebenen Bereichen die Dis persion des feinzerteilten wBN behindert.

Die cBN-Teilchen besitzen einen Durchmes ser von maximal 5 µm. Falls ihr Durchmesser diese obere Grenze überschreitet, ergibt das daraus gebildete Schneid werkzeug zwar eine hohe Festigkeit, jedoch fehlt ihm die Schneidpräzision und die geschnittene Oberfläche wird grob. Vorteilhafterweise liegt der Teilchendurchmesser von cBN im Bereich von 1 bis 5 µm. wBN ist in Bezug auf Teilchenfestig keit dem cBN unterlegen, das aus Einkristallen besteht, und es besitzt keine Spaltungseigenschaft, da es ein Aggregat aus kleineren Kristallen von einigen 10 nm als Primärparti kel besitzt.

Dadurch, daß wBN-Teilchen mit kleinem Durchmesser gleichför mig verteilt sind, kann ein gesinterter Gegenstand erzielt werden, der einen hohen Widerstand gegen Abblättern oder Spänebildung zeigt, eine rauhe Fertigfläche erzeugt und eine Bearbeitung eines Werkstückrohlings mit hoher Genauigkeit er möglicht. Bei dieser Erfindung besitzen die wBN-Teilchen Durchmesser, die 1 µm nicht überschreiten. Falls die Durchmesser diese obere Grenze überschreiten, können die polykristallinen wBN-Teilchen mit niedriger Fe stigkeit nicht leicht in der erwünschten Verteilung disper giert werden, und der Widerstand gegen Spanbildung wird unzu reichend.

Das Hochdruckphasen-Bornitrid zeichnet sich dadurch aus, daß es hohe Härte und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Diese Eigenschaften sind bei einem Schneidwerkzeug sehr erwünscht. Da das Schneiden ein Phänomen der plastischen Ver formung an einem Werkstückrohling ist, ist die primäre Anfor derung an das Schneidwerkzeug eine hohe Härte. Eine hohe Wär meleitfähigkeit hilft, die Wärmeansammlung an der Spitze des Schneidwerkzeugs zu verringern und verlängert damit die Le bensdauer des Schneidwerkzeugs. Um für ein Schneidwerkzeug geeignet zu sein, sollte deswegen der gesinterte Gegenstand aus Hochdruckphasen-Bornitrid eine Binderphase aufweisen, die die hervorragenden beschriebenen Eigenschaften voll aus zunützen gestattet. Die Verbindungen, die hohe Härte und hohe Wärmeleitfähigkeit zeigen und die genannte Anforderung befriedigen, sind Carbide, Nitride und Boride der Elemente der Gruppen 4a, 5a und 6a im periodischen System der Elemen te, und Gemische oder gegenseitige Feststofflösungen dersel ben. Beispielsweise erweisen sich keramische Substanzen wie Titannitrid, Titancarbid, Zirkonnitrid, Tantalcarbid und Ti tanborid als außerordentlich vorteilhaft.

Wenn die Binderphase nur aus der erwähnten keramischen Sub stanz gebildet wird, fehlt dem aus dem gesinterten Gegen stand mit Verwendung dieser Binderphase gebildeten Schneid werkzeug Zähigkeit, es erweist sich als gefährdet abzublät tern und ist in gewisser Weise brüchig. Es hat sich gezeigt, daß dieser Nachteil beseitigt werden kann durch Benutzung einer intermetallischen Verbindung zwischen einem bestimmten Metall und einer Keramiksubstanz als Binderphase. Die für diese intermetallische Verbindung geeigneten Metalle sind Al, Co, Ni, Si, Cr und W. Eines oder mehrere dieser Metalle können zum Reagieren mit der keramischen Substanz gebracht werden oder diese Reaktion kann während des Sintervorgangs auftreten. Die Auswahl des einen oder der mehreren Metalle sollte aufgrund der Temperatur getroffen werden, der das aus dem erzeugten gesinterten Gegenstand gebildete Schneidwerk zeug wahrscheinlich ausgesetzt sein wird.

Bei der vorliegenden Erfindung liegt der Anteil der Binder phase in dem gesinterten Gegenstand im Bereich von 20 bis 90 Vol.-%. Der Anteil des einen Teiles oder eines Gemischs oder gegenseitiger Feststofflösungen von zwei oder mehreren Teilen, die aus den Carbiden, Nitriden und Boriden der Ele mente der Gruppen 4a (Ti, Zr, Hf), 5a (V, Nb, Ta) und 6a (Cr, Mo, W) in der Periodischen Tafel der Elemente in der Binderphase enthalten sind, liegt allgemein im Bereich von 99,9 bis 50 Vol.-%. Der Anteil des Metalls liegt deshalb all gemein im Bereich von 0,1 bis 50 Vol.-%, und vorzugsweise im Bereich von 5 bis 40 Vol.-%. Wenn der Anteil des Metalls zu klein ist, ermangelt es dem aus dem gesinterten Gegenstand gebildeten Schneidwerkzeug an Zähigkeit. Falls der Anteil zu hoch ist, neigt das Schneidwerkzeug dazu, bei erhöhter Tempe ratur weich zu werden.

Das Schneidwerkzeug erhält erhöhte Spitzenfestigkeit und erhöhten Widerstand gegen Abblättern oder Spanbildung, wenn der cBN-Gehalt erhöht wird. Es erwirbt erhöhte Verschleißfe stigkeit, wenn der cBN-Gehalt erniedrigt wird auf ein in einem bestimmten vorteilhaften Bereich fallenden Pegel. Bei einem erhöhten cBN-Gehalt nimmt die Spitzenfestigkeit zu wegen des Auftretens von cBN-cBN-Bindungen. Die verbesserte Verschleißfestigkeit bei herabgesetztem cBN-Gehalt ergibt sich aus der Tatsache, daß in der Dispersion immer weniger Berührung zwischen benachbarten cBN-Teilchen auftritt. Das gleiche kann bezüglich der Dispersion des Gemischs aus cBN und wBN gesagt werden, da der gesinterten Gegenstand der Er findung nicht nur cBN sondern auch wBN in dem Hochdruckpha sen-Bornitrid enthält. Der tatsächliche Schneidvorgang ist nicht nur kontinuierlich, sondern tritt auch unterbrochen auf. Deswegen ist es notwendig, ein für den tatsächlichen Schneidvorgang geeignetes Verhältnis des cBN- zum wBN-Gehalt zu finden und zu benutzen, der eine optimale Dispersion dieser Bestandteile ergibt. Bei der Auswahl des erwähnten ge eigneten Verhältnisses muß die Tatsache in Betracht gezogen werden, daß die beiden BN-Arten in verschiedenen unterschied lichen Weisen dispergieren. Falls der Gehalt an Hochdruckpha sen-Bornitrid unter 10 Vol.-% liegt, kann die ausgezeichnete Eigenschaft, die durch das Hochdruckphasen-Bornitrid erhal ten wird, beim Verhalten des Schneidwerkzeugs nicht vollstän dig realisiert werden. Wenn dieser Gehalt 80 Vol.-% über steigt, wandelt sich das Hochdruckphasen-Bornitrid in seine Niederdruckphase, und deswegen ist der gesinterte Gegenstand als Schneidwerkzeug nicht mehr verwendbar. Zur alleinigen Verwendung als Allgemeinzweck-Schneidwerkzeug sollte dieser Gehalt im Bereich von 40 bis 60 Vol.-% liegen.

Nun wird das Verfahren beschrieben, das zur Herstellung des gesinterten Gegenstand benutzt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert den Ablauf des Mischvorgangs in der Weise, daß im möglichst erreichbaren Ausmaß das Ansammeln von wBN-Teilchen unterdrückt wird. Das Verfahren beginnt mit dem Mischen einer Binderphase kleine rer Teilchen mit wBN. In diesem Fall sollten die Partikel der Binderphase vorteilhafterweise gleichmäßigen Durchmesser aufweisen, da die wBN-Teilchen einen Durchmesser von nicht mehr 1 µm besitzen.

In diesem Fall werden Binderphase und wBN in jeweiligen Mengen gemischt, die so berechnet sind, daß sie das nachfol gende Volumenverhältnis ergeben:

20 bis 90 Volumenteile der Binderphase und ((100 - Anzahl der erwähnten Volumenteile der Binderphase) x (0,001 bis 0,05)) Volumenteile wBN werden gemischt. Dann wird das vorher zubereitete Gemisch aus Binderphase und wBN so be trachtet, als wäre es ein homogenes Pulver, und wird mit cBN gemischt. In diesem Fall wird cBN in solcher Menge verwen det, daß die Gesamtmenge der Binderphase, die Menge wBN und die Menge cBN zusammen 100 Volumenteile ergeben.

Die cBN-Teilchen sind größer als die wBN-Teilchen und die Teilchen der Binderphase. Wenn sie in einem Mischgefäß mit den wBN-Teilchen und den Binderphasenteilchen, die beide kleiner sind, gemischt werden, werden die Teilchen mit klei nerem Durchmesser in weniger zufriedenstellender Weise dis pergiert. Das erwähnte Mischen kann auf irgendeine bekannte Weise ausgeführt werden, die für die bestimmten Teilchen durchmesser geeignet ist. Es sind für diesen Zweck geeignet z. B. die Verwendung einer Kugelmühle oder einer Vibrations mühle. Wenn zwei Pulverarten, die beide kleine Teilchendurch messer besitzen, zu mischen sind, ist das Naßmischverfahren unter Benutzung eines organischen Lösungsmittels ohne Wasser anteil vorzuziehen.

Durch die Erfindung kann ein gesinterter Gegenstand für Schneidwerkzeuge geschaffen werden, der den üblichen gesin terten Gegenständen in der Qualität überlegen ist durch das Verfahren, das ein homogenes Mischen der kleineren polykri stallinen wBN-Teilchen mit der Binderphase und darauf Hinzu fügen der cBN-Teilchen zu dem entstandenen Gemisch umfaßt. Der übliche gesinterte Gegenstand ermangelt einer vollständi gen Erzielung einer hohen Härte und hoher Thermoleitfähig keit, die bei dem Hochdruckphasen-Bornitrid für das Schneid werkzeug vorhanden sein sollen. Die vorliegende Erfindung ergibt dagegen eine perfekte Lösung für dieses Problem. Ins besondere sind die wBN-Teilchen in der Binderphase homogen dispergiert, wodurch alle Probleme, die sich auf Härte und Zähigkeit beziehen, beseitigt sind.

Ein typisches Gefügebild eines gesinterten, nach der Erfindung hergestellten Gegenstands, wird mit dem 1500 mal vergrößerten Mikrobild in Fig. 1 gegeben.

In dem Bild sind die verschiedenen Bestandteile bezeichnet mit 1 für cBN, 2 für wBN und 3 für Binderphase. Dieses Dia gramm bildet ein Gefüge ab, bei dem die wBN-Teilchen nicht aggregiert sind, sondern in der Binderphase gleichförmig dis pergiert, und die cBN-Teilchen sich in gleicher Weise in einem hocherwünschten dispergierten Zustand befinden.

Der durch die Erfindung erzeugte gesinterte Gegenstand aus Hochdruckphasen-Bornitrid zur Verwendung bei Schneidwerkzeu gen erreicht damit eine bisher unerreichbare Qualität, die sich durch Verschleißfestigkeit und Abblätter- oder Spanbil dungswiderstand auszeichnet durch Begrenzung des Teilchen durchmessers der leicht aggregierbaren kleineren wBN-Teil chen auf einen Pegel unter 1 µm, wobei der Teilchendurchmes ser der cBN-Teilchen entsprechend der Art des kontinuierli chen oder intermittierenden Schneidens ausgesucht wird und die beiden ausgesuchten Teilchendurchmesser kombiniert wer den. Insbesondere wird der Erfolg der Verbesserung sowohl der Festigkeit wie auch der Zähigkeit erreicht infolge der Dispergierung der kleineren wBN-Teilchen in der Binderphase, so daß die bei der üblichen Binderphase enthaltenen Nachtei le beseitigt werden können.

Die vorliegende Erfindung wird nun insbesondere nachstehend mit Bezug auf Arbeitsbeispiele und Vergleichsexperimente dar gestellt.

ARBEITSBEISPIEL 1

In einer Sintercarbid-Kugelmühle wurden 55 Vol.-% Titankar bid (TiC_0,65 mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmes ser von 1,8 µm), 15 Vol.-% Titannitrid (TiN_0,65 mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1,5 µm) und 30 Vol.-% Aluminium mit einem durchschnittlichen Teilchendurch messer von 10 µm) in Ethylether gemischt, zum Austreiben des Ethylethers behandelt, dann pelletisiert, bei 1200°C während 20 min reagieren gelassen und in Teilchen mit einem durch schnittlichen Teilchendurchmesser von 1,2 µm pulverisiert, um eine Binderphase zu erhalten. In einem Sintercarbid-Vibra tionsmühlentopf wurden 97 Vol.-% dieser Binderphase und 3 Vol.-% wBN-Teilchen mit einem Durchmesser von nicht mehr als 1 µm in Methanol gemischt, zum Austreiben des Methanols be handelt und durch ein Sieb mit 0,044 mm Maschenweite gefiltert. Die durch das Sieb hindurchtretenden Teilchen wurden als ein wBN-Gemisch behandelt. In einer Sintercarbid-Kugelmühle wurden 45 Vol.-% des wBN-Gemischs und 55 Vol.-% cBN-Teilchen mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 3 µm in Ethylether gemischt und dann zum Austreiben des Ethers behan delt.

Das sich ergebende Probengemisch wurde in Form einer Scheibe mit 40 mm Durchmesser und 2 mm Dicke druckgeformt. Getrennt wurden 6 Gew.-% Sintercarbidpulver in Form einer Scheibe mit 40 mm Durchmesser und 3 mm Dicke druckgeformt. Diese Schei ben wurden in eine Kapsel aus Zirkon mit einer Wandstärke von 0,5 mm dicht eingebracht und in einer Anordnung aufge baut, die wie die in Fig. 2 mit 5 bezeichnete aufgebaut war. Es ist hier ein zylindrischer Heizkörper 6 vorgesehen. Diese Anordnung 5 wurde in ein in Fig. 3 dargestelltes Bandtyp- Hochdruckgerät eingesetzt, durch Vorschieben der vertikal einander entgegengesetzt liegenden Amboßkerne 7 gegeneinan der auf einen Druck von 48 kbar komprimiert und gleichzeitig durch Beaufschlagen des zylindrischen Heizers 6 auf eine Tem peratur von 1530°C erhitzt, und in diesem Zustand 15 min ge halten. Dann wurden Hitze und Druck weggenommen und danach die Kapsel aus dem Gerät entfernt. Die scheibenartigen zusam mengesetzten gesinterten Gegenstände wurden erhalten durch Abscharren der Zirkonplatte von der Kapsel mit einem Schleif stein aus Siliziumkarbid.

Die Hochdruckphasen-Bornitridoberfläche des gesinterten Ge genstands aus Hochdruckphasen-Bornitrid/Hartmetall besaß eine Vickers-Härte (belastet mit 9,8 N) von 31 382 N/mm². Der zusammengesetzte gesinterte Gegenstand wurde in einer Ultra schallmaschine unter Benutzung von Diamant-Schleifpartikeln mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 5 µm bei einer Ausgangsleistung von 1 kW zerschnitten. Ein Sektor wurde auf ein Sintercarbidsubstrat als Schneidspitze aufge lötet, in der Form von SNMA 431 fertigbearbeitet, auf einen vorgeschriebenen handelsüblichen Klemmhalter aufgesetzt und einem Schneidtest unterzogen. Bei diesem Test wurde ein auf einen Härtewert von 55 Rockwell C wärmebehandelter runder Stab aus Stahl SKD 11 mit 40 mm Durchmesser als Rohwerkstück benutzt und einem Trockenschneidtest unterzogen mit den Be dingungen 150 m/min Umfangsgeschwindigkeit, 0,5 mm Kerbtiefe und und 0,1 mm/U Zustellgeschwindigkeit. Nachdem der Test 40 min lang durchgeführt wurde, zeigte sich, daß der Schneidvor gang eine sehr zufriedenstellende Schneidfläche an dem Werkstückrohling ergab mit einer Verschleißbreite an der Schneidwerkzeugflanke von 0,30 mm.

Ein anderer gleichartig vorbereiteter zusammengesetzter ge sinterter Gegenstand wurde mit dem gleichen beschriebenen Schneidverfahren in 6 Sektoren zerschnitten. Ein Sektor wurde auf ein Hartmetallsubstrat als Schneidspitze aufge lötet, in der Form nach TNMA 331 fertigbearbeitet, auf einen vorgeschriebenen handelsüblichen Klemmenhalter aufgesetzt und einem Schneidtest unterzogen. Die zusammengesetzte Schneidspitze wurde dabei einem trockenen unterbrochenen Schneidtest mit einem Werkstück unterworfen, das eine durch Wärmebehandlung auf eine Härte von 58 Rockwell C gebrachte Stahlplatte vom Typ SCM 420 (mit den Maßen 600 mm×200 mm× 30 mm) war, mit den Schneidbedingungen 125 m/min Umfangsge schwindigkeit, 0,5 mm Kerbtiefe und 0,1 mm/U Zustellgeschwin digkeit. Nach 60 min Schneiddauer zeigte die Schneidspitze einen Flankenverschleiß in der Breite von 0,15 mm und es ergab sich eine außerordentlich gute Schneidfläche an dem Werkstück ohne Auftreten von Abblättern oder Langspanbildung.

ARBEITSBEISPIEL 2

Eine Binderphase wurde gebildet durch Kombinieren von 35 Vol.-% Titancarbid (TiC_0,73 mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 3,0 µm), 30 Vol.-% Tantalcarbid (TaC_0,98 mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1,5 µm), 20 Vol.-% Aluminium (mit einem durchschnittli chen Teilchendurchmesser von 8 µm) und 15 Vol.-% Silizium (mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1,2 µm). Es wurde ein gesinterter Gegenstand erzeugt durch Mi schen dieser Binderphase mit wBN und darauffolgendes Mischen des erhaltenen Gemischs mit cBN in der gleichen Weise wie in Arbeitsbeispiel 1. Bei diesem Beispiel wurden die durch kon tinuierliche Veränderung der Teilchendurchmesser des cBN von 0,1 bis 15 µm erhaltenen Proben einem Schneidtest unterwor fen entsprechend dem Vorgang in Arbeitsbeispiel 1. Der Test wurde fortgesetzt, um festzustellen, wie lang es dauert, bis die Flankenverschleißbreite 0,20 mm erreicht (als "Schneid zeit" bezeichnet). Die Ergebnisse sind in Fig. 4 zusammenge faßt. Es ist aus diesem Schaubild zu ersehen, daß die besten Ergebnisse mit Proben erreicht wurden, die cBN-Teilchen mit weniger als 5 µm Durchmesser besitzen.

ARBEITSBEISPIEL 3

Verschiedene gesinterte Gegenstände wurden erzeugt entspre chend dem Vorgang nach Arbeitsbeispiel 1, jedoch wurde die gleiche Binderphase wie in Arbeitsbeispiel 2 benutzt und die Teilchendurchmesser des wBN wurden kontinuierlich von 0,1 bis 7 µm variiert. Die verschiedenen Proben gesinterter Ge genstände wurden einem trockenen unterbrochenen Schneidtest in der gleichen Weise wie im Arbeitsbeispiel 1 unterworfen, um festzustellen, wie lang es dauert, bis aufeinanderfolgen des Abblättern auftritt. Die Ergebnisse sind in Fig. 5 ge zeigt, und daraus ist zu ersehen, daß die besten Ergebnisse mit Teilchendurchmessern unter 1 µm erhalten wurden.

ARBEITSBEISPIEL 4

Die gleichen gesinterten Gegenstände wie in Arbeitsbeispiel 3 wurden einem kontinuierlichen Schneidtest in der gleichen Weise wie in Arbeitsbeispiel 3 unterzogen. Die Ergebnisse sind in Fig. 6 zusammengefaßt und es ist daraus zu ersehen, daß die besten Ergebnisse durch die Probe mit wBN-Teilchen von 1 µm Durchmesser erhalten wurden, gefolgt von der Probe mit wBN-Teilchen von 0,5 µm Durchmesser.

ARBEITSBEISPIEL 5

Gesinterte Gegenstände wurden gemäß dem Vorgang nach Arbeits beispiel 1 erzeugt, jedoch wurde der Anteil (in Vol.-%) von cBN und wBN variiert. In gleicher Weise wurden mit den gesin terten Gegenständen Schneidspitzen hergestellt und einem Schneidtest unterworfen. Bei dem Test wurde eine runde Stange aus SCM-440-Stahl (40 mm Durchmesser×600 mm Länge) auf eine Härte 55 Rockwell C wärmebehandelt und als Werk stückrohling einem kontinuierlichen Trockenschneidtest unter worfen mit den Bedingungen 118 m/min Umfangsgeschwindigkeit, 0,4 mm Kerbtiefe und 0,1 mm/U Zustellgeschwindigkeit, um zu bestimmen, wie lange es dauert, bis die Flankenverschleiß breite 0,25 mm erreicht. Die Probenspitzen wurden einem un terbrochenen Trockenschneidtest unterworfen unter Benutzung einer SKD-11 Stahlplatte (600 mm×200 mm×25 mm), die auf eine Härte 57 Rockwell C wärmebehandelt war, und bearbeitet wurde mit den Bedingungen 155 mm/min Umfangsgeschwindigkeit, 0,5 mm Kerbtiefe und 0,1 mm/U Zustellgeschwindigkeit, um zu bestimmen, wie lange es dauert, bis die Flankenverschleiß breite 0,1 mm erreicht.

Es ist aus den beiden Reihen von Testresultaten zu ersehen, daß der optimale wBN-Anteil 3 Vol.-% beträgt. Die Ergebnisse sind in Fig. 7 zusammengefaßt. In dem Schaubild bezeichnen die ausgefüllten Kreise (.) die Daten des unterbrochenen und die nicht ausgefüllten Kreise (°) die Daten des konti nuierlichen Schneidtests.

ARBEITSBEISPIELE 6 bis 9

Unterschiedlich zusammengesetzte gesinterte Gegenstände wurden erhalten durch Befolgung des Vorgangs nach Arbeitsbei spiel 1, jedoch wurde die Zusammensetzung der Einzelbestand teile und die Sinterbedingungen gemäß Tabelle 1 variiert.

Die zusammengesetzten gesinterten Gegenstände wurde auf ihre Vickershärte (mit einer Belastung von 9,8 N) geprüft. Die Er gebnisse sind ebenfalls in Tabelle 1 enthalten.

Die zusammengesetzten gesinterten Gegenstände wurden einem Ultraschall-Schneidvorgang unterworfen, in der gleichen Weise, wie bei Arbeitsbeispiel 1 beschrieben, um gleicharti ge Schneidspitzen zu erzeugen. Diese Schneidspitzen wurden einem trockenen kontinuierlichen Schneidtest unterworfen mit den gleichen Bedingungen wie in Arbeitsbeispiel 1, um den Flankenverschleiß der zusammengesetzten gesinterten Gegen stände zu bestimmen. Die Ergebnisse sind ebenfalls in Tabel le 1 gezeigt.

Bemerkung zur Tabelle 1:

Das Mischverhältnis ist in Vol.-% angegeben. Die rechte Spalte unter der Kopfzeile zeigt das Mischverhältnis des Hochdruckphasen-Bornitrids zur Summe aus Binderphase und Metall an.

Tabelle 1

VERGLEICHSEXPERIMENT 1

Die gleichen Bestandteile Binderphase, wBN und cBN wie im Ar beitsbeispiel 1 wurden in eine Sintercarbid-Kugelmühle einge geben, und diese Bestandteile wurden in ihrer inhärenten pul verisierten Form in Äther gemischt. Die Spitze, die aus dem so erhaltenen Gemisch mit der gleichen Behandlung wie vorher erzielt wurde, wurde einem kontinuierlichen Trockenschneid test und einem unterbrochenen Trockenschneidtest in der glei chen Weise wie in Arbeitsbeispiel 1 unterworfen. Bei dem ersten Test zeigte die Schneidspitze eine Flankenverschleiß breite von 0,40 und einen bedenklichen Kraterverschleiß nach 25 min Schneiden. Im zweiten Test unterhielt die Schneidspit ze ein Abblättern nach 30 min Schneiden. Es erwies sich, daß das Gefüge des gesinterten Gegenstands ein Hochdruckphasen- Bornitrid, insbesondere wBN, enthielt, das jedoch in einem schlechteren Zustand darin dispergiert war.

VERGLEICHSEXPERIMENT 2

Ein gesinterter Gegenstand wurde in der gleichen Zusammenset zung wie im Arbeitsbeispiel 1 erhalten, jedoch wurde der Anteil des Hochdruckphasen-Bornitrids auf 8 Vol.-% geändert. Die Vickershärte (Belastung 9,8 N) der Hochdruckphasen-Borni tridfläche dieses gesinterten Gegenstands betrug 20 100 N/mm². Wenn eine in der gleichen Weise wie im Arbeitsbei spiel 1 erzeugte Schneidspitze dem gleichen Schneidtest un terzogen wurde, unterhielt sie Abblättern nach 5 min konti nuierlichem Schneiden und nach 3 min unterbrochenem Schnei den.

VERGLEICHSEXPERIMENT 3

Ein gesinterter Gegenstand wurde in der gleichen Zusammenset zung wie in Arbeitsbeispiel 1 erzeugt, jedoch wurde der Anteil des Hochdruckphasen-Bornitrids auf 83 Vol.-% geän dert. Die Vickershärte (Belastung 9,8 N) der Hochdruckphasen- Bornitridfläche dieses gesinterten Gegenstands betrug 18 633 N/mm². Bei Röntgenstrahl-Beugungsanalyse zeigte der gesin terte Gegenstand Anzeichen einer Umwandlung des Hochdruckpha sen-Bornitrids in Niederdruckphase.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Gegenstands aus Hochdruckphasen-Bornitrid zur Verwendung bei Schneid werkzeugen, dessen Hauptbestandteil ein Hochdruckphasen- Bornitrid ist, das sich aus Wurtzit-Bornitrid und kubischem Bornitrid zusammensetzt, bei dem eine intermetallische Verbindung, die
aus mindestens einer anorganischen Verbindung aus der Gruppe der Carbide, Nitride und Boride der Elemente der Gruppe 4a (Ti, Zr, Hf), der Gruppe 5a (V, Nb, Ta) und der Gruppe 6a (Cr, Mo, W) des Periodensystems und der gegenseitigen festen Lösung dieser anorganischen Verbindungen sowie
aus mindestens einem Element aus der Gruppe: Al, Ni, Si, Co, Zr und W gebildet ist,
in einem Anteil von 20 bis 90 Volumenteilen mit Wurtzit- Bornitridpartikeln mit einem maximalen Durchmesser von 1 µm in einem Anteil im Bereich von [(100 - der Anzahl von Volumenteilen der intermetallischen Verbindung) × (0,001 bis 0,05)] gemischt wird
und dem Gemisch kubisches Bornitrid mit einem maximalen Durchmesser von 5 µm in einem Anteil, der den Rest zu 100 Volumenteilen ausmacht, hinzugefügt wird
und das erhaltene Gemisch unter einem Druck von mindestens 20 kbar bei einer Temperatur von mindestens 1000°C gesintert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das volumetrische Verhältnis der anorganischen Verbindung zu dem Metall in der intermetallischen Verbindung im Bereich von 99,9 : 0,1 bis 50 : 50 liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das volumetrische Verhältnis der anorganischen Verbindung zu dem Metall in der intermetallischen Verbindung im Be reich von 95 : 5 bis 60 : 40 liegt.