DE4119878A1 - Verfahren zur oberflaechenbehandlung von keramik insbesondere schneidkeramik - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhö­ hung der Verschleißfestigkeit und Kantenschärfe von Kera­ mikschneidteilen insbesondere Wendeschneidplatten gemäß den Patentansprüchen.

Eine hohe Verschleißfestigkeit und Oberflächenqualität der Schneidteile sind wichtige Voraussetzungen für die Errei­ chung bzw. Einhaltung der Forderungen bzgl. der Maß- und Formgenauigkeit sowie der Oberflächengüte von spanend, mit geometrisch definierter Schneide, bearbeiteten Bauteilen.

Dabei werden vor allem an die Stabilität der Schneidkante und den Widerstand gegenüber Freiflächen- und Kolkver­ schleiß hohe Anforderungen gestellt.

Das Ultrapräzisionszerspanen fordert zusätzlich Werkzeuge hoher Kantenschärfe.

Bekannt ist das Ultrapräzisionszerspanen von NE-Metallen bei Verwendung von monokristallinem Diamant. Die Erzielung hochwertiger Funktionsflächen an Präzisionsstahlbauteilen wie z. B. Einspritzventilen, Lenkungen von Kraftfahrzeugen oder Bauteile aus der Büro- und Informationstechnik wird durch zusätzliche Arbeitsgänge wie Schleifen, Läppen oder Polieren gelöst (vgl. Beschreibung zum Verbundprojekt "Hochpräzisionszerspanen mit definierter Schneide", Kern­ forschungszentrum Karlsruhe, 1991).

In der Stahlzerspanung werden vorrangig Schneidteile aus Hartmetall oder Keramik angewandt.

Um die Verschleißfestigkeit der Oberfläche von Hartmetall­ wendeschneidteilen zu erhöhen, werden diese häufig mit spe­ ziellen Einfach- oder Mehrfachschichten z. B. aus TiN ver­ sehen. Nach DD 2 67 742 wird vorgeschlagen, die Oberflächen­ schicht im Bereich der Beanspruchungsfläche durch Bestrah­ lung mit einem Laserbündel, erzeugt durch einen CO₂­ Schweißlaser oder einen Nd : Yag-Laser, bei gleichzeitiger Tiefkühlung des Bestrahlungsfeldes in eine metallisch glas­ artige Struktur zu überführen. Derartige Oberflächenschich­ ten sollen eine hohe Verschleißfestigkeit aufweisen. Nach­ teilig wirkt sich die vorgeschlagene rasterförmige Bestrah­ lung aus, die keine durchgängig amorphe Schicht ermöglicht. Außerdem treten beim Drehen von Stählen höherer Härte Tem­ peraturen von 1100 bis 1300°C auf, die über der Rekristal­ lisationstemperatur bekannter metallischer Gläser liegen. Schneidkeramiken weisen gegenüber Hartmetallen bereits von Natur aus eine höhere Verschleißfestigkeit und damit Stand­ zeit auf. Sie sind oxidationsbeständig, zeigen eine geringe Diffusionsneigung und verfügen über eine hohe Warmfestig­ keit. Zudem erlauben sie höhere Schnittgeschwindigkeiten. Für die Präzisionszerspanung sind Schneidkeramiken bisher allerdings nur bedingt geeignet. Auf Grund ihres Gefügeauf­ baus kommt es an der Schneidkante leicht zu Ausbröcklungen. Die infolgedessen unstetige Verschleißentwicklung führt zu einem ungleichmäßigen Verlauf der über die Standzeit er­ zeugten Oberflächengüte (vgl. Wiendl, J.: Hochgeschwindig­ keitsfräsen von aramidfaserverstärkten Kunststoffen, Dis­ sertation, TH Darmstadt, 1987). Daher müssen Keramik­ schneidteile mit unterschiedlich großen Schutzfasen ver­ sehen werden. Diese aber erfordern größere Schnittiefen, als sie in der Feinzerspanung üblich sind und wirken sich negativ auf die erreichbare Oberflächengüte aus.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens, das eine verschleißfestere Oberfläche und hohe Kantenstabi­ lität der Keramikschneidteile, vorzugsweise Wendeschneid­ platten, ermöglicht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestal­ tungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Durch ein- oder mehrmalige Belichtung mit UV-Licht eines Excimerlasers können die, durch die poröse Struktur der Schneidkeramik gegebenen Nachteile, vermieden werden. Damit können ihre gegenüber Hartmetallen positiven Eigenschaften zum Tragen kommen.

Für die Modifizierung von Keramikoberflächen ist Strahlung der Wellenlänge 193 bis 351 nm, wie sie von Excimerlasern je nach Gasfüllung ausgesandt wird, geeignet. Es ist aber auch die Anwendung von frequenzverdoppelten Nd : Yag-Lasern, wie sie z. B. aus der DE-OS 37 18 323 bekannt sind., mög­ lich.

Bei geeigneter Wahl der Parameter Wellenlänge, Energiedich­ te, Pulsdauer und Pulsfrequenz, die je nach Zusammensetzung der verwendeten Schneidkeramik variieren, wird die belich­ tete Oberfläche geglättet. In Abhängigkeit der jeweiligen Keramiksorte, der Laserwellenlänge (z. B. 248, 308 nm) und der Pulsdauer kommen erfindungsgemäß Energiedichten von ca. 0,5 J/cm² bis max. 8 J/cm² zur Anwendung.

Die laserbeeinflußte Randschicht ist gegenüber dem gesin­ terten Substrat dichter und mechanisch festsitzend. Es wurde zudem ein verbessertes Abriebverhalten nachgewiesen (vgl. K.-J. Schmatjko: Lokal neue Funktionsoberflächen schaffen. In: Industrie-Anzeiger 99/1989, S. 39-43). Die Nutzung dieser in Grundlagenversuchen zum Verhalten von Keramikwerkstoffen unter Einwirkung von Laserstrahlung gemachten Beobachtungen ist dagegen weder aus der Literatur noch aus Patentschriften bekannt.

Wendeschneidplatten aus Keramik erhalten durch Bestrahlung mit einem Excimerlaser gemäß den Patentansprüchen eine verschleißfestere Oberfläche und eine erhöhte Kantenstabi­ lität. Auf Grund der kurzen Einwirkzeiten von nur ca. 30 bis 50 ns kommt es dabei nicht zu thermomechanischen Schä­ digungen, wie sie bei der Keramikbearbeitung mit CO₂-Laser (A = 10,6µm) oder Nd : Yag-Laser (λ = 1,06 µm) beobachtet werden.

Die Laserbehandlung kann erfindungsgemäß durch Kontaktbe­ strahlung mittels Maske oder Projektionsbestrahlung der Wendeschneidplatten erfolgen. Dabei wird im allgemeinen an Luft gearbeitet. Es kann aber auch zweckmäßig sein, im Vakuum oder in einer ausgewählten Atmosphäre zu arbeiten.

Eine Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl und dem Kera­ miksubstrat ist bei Anwendung des Excimerlasers aufgrund seines rechteckigen Strahlquerschnittes von ca. 10×20 mm² bis 40×50 mm² bei geeigneter Abbildung nicht notwendig, so daß auch großflächige Oberflächenbehandlungen wirt­ schaftlich durchführbar sind. Die Kombination mit einer Werkstückbewegung ist aber möglich und wird bei Anwendung frequenzverdoppelter Nd : Yag-Laser erforderlich.

Wird außer einer hohen Verschleißfestigkeit der Keramik­ schneidteile auch eine hohe Kantenschärfe gefordert, z. B. beim Präzisionszerspanen, sollte die Laserbehandlung durch eine mechanische Aufbereitung gemaß Patentanspruch 8 erwei­ tert werden.

Von feingeschliffenen Hartmetallschneiden ist bekannt, daß sie auf Grund verringerter Schneidenschartigkeit und höhe­ rer Schneidkantenschärfe bessere Oberflächengüten bei der Zerspanung von Stahlwerkstoffen ermöglichen und 50 bis 80% höhere Standzeiten erreichen. Ferner ist bekannt, Hartme­ tallschneidteile zur weiteren Qualitätssteigerung nach dem Schleifprozeß noch einem Läpp- und/oder Polierprozeß zu unterziehen.

Analoge Versuche zur mechanischen Aufbereitung von Keramik­ schneidteilen brachten bisher keine positiven Ergebnisse.

Die Ausbröcklung der Schneidkante konnte nicht verhindert werden. Sie trat bereits während der mechanischen Bearbei­ tung auf, so daß die gewünschte Kantenschärfe allein durch Schleifen, Läppen und/oder Polieren nicht erreichbar ist.

Durch die Kombination von mechanischer Feinbearbeitung und Laserbehandlung gemäß Patentanspruch 8 werden hohe Kanten­ schärfe und geringe Schneidenschartigkeit auch bei Keramik­ schneidteilen möglich.

Die Laserbehandlung kann je nach erforderlichem bzw. ge­ wünschtem Grad der Feinbearbeitung vor oder nach dem Schleifen und/oder Läppen erfolgen, unbedingt aber vor der letzten Bearbeitungsstufe. Sie sollte vorzugsweise zwischen den Verfahrensschritten Läppen und Polieren durchgeführt werden.

Die Schneidteile weisen nach der Laserbehandlung die be­ schriebene dichte verschleißfeste Oberfläche und damit auch eine erhöhte Stabilität der Kanten auf. Die Gefahr von Ausbröcklungen an der Schneidkante im nachfolgenden Läpp­ oder Polierprozeß wird erheblich vermindert bzw. gänzlich vermieden. Die Keramikschneidteile erhalten eine hohe Kan­ tenschärfe.

Die dargelegte Erfindung ermöglicht so das Präzisions- bzw. Ultrapräzisionszerspanen mit definierter Schneide aus Schneidkeramik. Damit können die Vorteile, die Schneidkera­ miken gegenüber Hartmetallen bieten (z. B. höhere Stand­ zeit), auch bei der Feinzerspanung genutzt werden.

Mit derart behandelten Keramikschneidteilen werden auch bei Stahlwerkstoffen höchste Oberflächengüten erreicht, so daß zusätzliche Arbeitsgänge wie das Schleifen entfallen kön­ nen.

Zudem werden durch die hohen Standzeiten weniger Werkzeug­ wechsel notwendig, wodurch Material und Zeit eingespart wird.

Als ein Beispiel sei die Oberflächenbehandlung von Wende­ schneidplatten aus Si₃N₄ mit der Strahlung eines 308 µm XeCl-Excimerlasers angegeben. Sie erfolgt nach dem Schlei­ fen und Läppen der Wendeschneidplatten.

Die Schneidplatten werden an der Span- und Freifläche puls­ weise für die jeweilige Dauer von 50 ns mit einer Energie­ dichte von 6 J/cm² beaufschlagt. Es würde mit Pulsfrequen­ zen von maximal 20 Hz gearbeitet. Die endgültige Oberflä­ chenqualität erhalten sie beim abschließenden Polieren.

Claims (8)

1. Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Keramik insbesondere Schneidkeramik mittels Laserstrahlung, dadurch gekennzeich­ net, daß die Oberfläche impulsweise ein- oder mehrmalig mit energiereicher UV-Strahlung beaufschlagt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die UV-Strahlung durch einen Excimerlaser erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß

• a) die Wellenlänge der erzeugten Strahlung vorzugsweise 193 nm, 308 nm oder 351 nm beträgt.
• b) ein rechteckiger Strahlquerschnitt von ca. 10×20 mm² bis 4O×50 mm² vorliegt.
• c) Pulslängen von ca. 30 bis 50 ns bei Pulsfolgefrequenzen von 10 bis 20 Hz gewählt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Behandlung der Keramikoberfläche durch Kontaktbestrahlung mittels Maske oder Projektionsbestrahlung erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß ein frequenzvervielfachter Nd : Yag-Laser mit Wellenlängen kleiner als etwa 360 nm verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß auf dem Keramiksubstrat je nach Zusammensetzung der Keramik Energiedichten von ca. 0,5 J/cm² bis max. 8 J/cm² eingestellt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß unter Schutzgasatmosphäre gearbeitet wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß die Laserbehandlung

• a) Teil einer Verfahrensfolge zum Aufbereiten von Schneid­ keramiken ist, die außerdem das Feinschleifen und/oder Läppen und/oder Polieren insbesondere von Wendeschneid­ platten vorsieht.
• b) je nach Anzahl der Verfahrensschritte vorzugsweise nach dem Feinschleifen oder Läppen aber vor dem Polieren er­ folgt.