DE4313305A1 - Schneidwerkzeug - Google Patents

Schneidwerkzeug

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schneidwerkzeug.
Zum Schneiden von Gewebekanten und Fäden werden immer häufiger keramische Schneidklingen eingesetzt. Sie sind insbesondere dann unentbehrlich, wenn Hochmodulfasern verarbeitet werden, wie z. B. Glasfasern, Kohlefasern, Metallfäden oder Aramidfasern. Die Klingen der Schneidwerkzeuge unterliegen einem Verschleiß aufgrund gegenseitiger Reibung. Für die Werkstoffe der Schneidklingen ergibt sich daher die Anforderung einer hohen Härte, hohen Festigkeit und großen Bruchzähigkeit.
Insbesondere mit Yttriumoxid (Y₂O₃) stabilisierte Zirkoniumdioxid (ZrO₂)-Keramiken (Y-TZP) können als Werkstoffe für keramische Schneidklingen verwendet werden. So wird in der europäischen Offenlegungsschrift 0 218 853 ein keramischer ZrO₂-Werkstoff und dessen Herstellung offenbart, der aus mindestens 50 Mol-% ZrO₂ in tetragonaler Modifikation (stabilisiertes ZrO₂) und 1,5 bis 5 Mol-% Y₂O₃-Stabilisator besteht. Als mögliche Verwendungen werden Klingen hochtemperaturbeständiger Messer für Fasern, Papier, Filme oder Magnetbänder, Klingen für Rasiermesser oder Haarschneidemaschinen sowie Scheren- und Messerklingen im Bereich der Medizintechnik aufgeführt.
Ferner wird in der PCT-Offenlegungsschrift WO 92/02470 die Verwendung eines Sinterformkörpers als Schneidwerkzeug zum Schneiden von Papier, Textilgut und von Folien offenbart, der aus einem aus Aluminiumoxid-/Chromoxid-Mischkristall gebildeten Matrixwerkstoff besteht und bis 40 Vol.-% stabilisiertes ZrO₂ enthält (ZrO₂- und platelet-verstärkte Aluminiumoxid-Keramik (ZPTA)).
Von A.G. Lisin wurde der paarweise Einsatz von Werkzeugstahl und Hartmetall für die Aktivteile von Schneidwerkzeugen beschrieben. Versuche ergaben eine wesentliche Erhöhung der Standmenge durch den paarweisen Einsatz von Werkzeugstahl und Hartmetall, vorzugsweise besteht die Matrize aus Hartmetall, und der Schneid- und Lochstempel besteht aus Werkzeugstahl (Gerhard Gentzsch, Blechbearbeitung Band 2, Ausschneiden und Trennen, Scheren und Pressen, VDI-Verlag Düsseldorf 1962).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schneidwerkzeug bereitzustellen, das hinsichtlich Verschleißfestigkeit den bisher verwendeten Schneidwerkzeugen überlegene Eigenschaften aufweist.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Schneidwerkzeug aus Schneidklingen unterschiedlicher Härte besteht, wobei mindestens eine Schneidklinge aus einem keramischen Werkstoff besteht. Die erfindungsgemäße Verwendung von Schneidklingen aus Werkstoffen mit unterschiedlicher Härte führt zu höheren Standzeiten, da eine Verrundung der Schneidkanten aufgrund eines deutlich günstigeren Reibungs- und Verschleißverhaltens weitestgehend vermieden wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Schneidklinge(n) aus keramischem Werkstoff eine Härte größer 750 HV0,5, eine Biegebruchfestigkeit größer 450 MPa und eine Bruchzähigkeit (KIC) größer 4,5 MPa· auf.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht/bestehen die keramische(n) Schneidklinge(n) aus teilstabilisierter ZrO₂-Keramik (TZP), vorzugsweise Y₂O₃-stabilisierter ZrO₂-Keramik (Y-TZP) oder CeO₂-stabilisierter ZrO₂-Keramik (Ce-TZP), und/oder aus Si₃N₄-Keramik, und/oder aus ZrO₂- und platelet-verstärkter Aluminiumoxid-Keramik (ZPTA).
Gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung weist die Y₂O₃-stabilisierte ZrO₂-Keramik (Y-TZP) eine Härte von 1100 bis 1300 HV0,5, eine Biegebruchfestigkeit von 700 bis 1200 MPa und eine Bruchzähigkeit (KIC) von 6 bis 14 MPa· auf; die CeO₂-stabilisierte ZrO₂-Keramik (Ce-TZP) weist eine Härte von 800 bis 1100 Hv0,5, eine Biegebruchfestigkeit von 450 bis 900 MPa und eine Bruchzähigkeit (KIC) von 10 bis 20 MPa· auf; die Si₃N₄-Keramik weist eine Härte von 1400 bis 1800 HV0,5, eine Biegebruchfestigkeit von 500 bis 1000 MPa und eine Bruchzähigkeit (KIC) von 4,5 bis 10 MPa·√m auf; die ZrO₂- und platelet-verstärkte Aluminiumoxid-Keramik (ZPTA) weist eine Härte von 1500 bis 2200 HV0,5, eine Biegebruchfestigkeit von 500 bis 1000 MPa und eine Bruchzähigkeit (KIC) von 5 bis 15 MPa· auf.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß anstatt TZP-Keramik (Y-TZP- oder Ce-TZP-Keramik) und/oder Si₃N₄-Keramik und/oder ZPTA-Keramik Whisker- und/oder platelet-verstärkte keramische Werkstoffe oder Hartmetalle als Werkstoff für die Schneidklingen verwendet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bestehen die Whisker- und/oder platelet-verstärkten keramischen Werkstoffe aus Al₂O₃-, Al₂O₃/ZrO₂-, Si₃N₄- oder ZrO₂-Matrix und den darin eingelagerten Hartstoffen SiC, TiC, TiN und/oder Ti(C,N) in Form von Platelets und/oder Whiskern in einer Konzentration von 2-40 Vol.-%.
Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.
Die Zeichnung zeigt die beweglichen Scherenteile einer Schußfadenschere.
In der Zeichnung sind die beweglichen Scherenteile (I) und (II) der Schußfadenschere einer Webmaschine dargestellt. An den beweglichen Scherenteilen befinden sich die beiden Schneidkanten (1) und (2).
Die im folgenden dargestellten Ausführungsbeispiele dienen der näheren Beschreibung der Erfindung.
Ausführungsbeispiel 1
Bei einer Schußfadenschere einer Webmaschine, die aus zwei beweglichen Scherenteilen (I) und (II) besteht, wurde ein Scherenteil aus Y-TZP-Keramik mit
einer Härte von 1250 HV0,5,
einer Biegebruchfestigkeit von 950 MPa,
einem kritischen Spannungsintensitätsfaktor (KIC) von 10,5 MPa·
und mit der Zusammensetzung
4,8 Gew.-% Y₂O₃,
Rest ZrO₂
gefertigt.
Das andere Scherenteil wurde aus einer ZPTA-Keramik mit
einer Härte von 1950 HV0,5,
einer Biegebruchfestigkeit von 810 MPa,
einem kritischen Spannungsintensitätsfaktor (KIC) von 7,3 MPA·
und mit der Zusammensetzung
74,1 Gew.-% Al₂O₃,
0,9 Gew.-% Cr₂O₃,
21,0 Gew.-% ZrO₂,
4,0 Gew.-% CeO₂
hergestellt.
Ausführungsbeispiel 2
Bei einer Schußfadenschere einer Webmaschine, die aus zwei beweglichen Scherenteilen (I) und (II) besteht, wurde ein Scherenteil aus Si₃N₄-Keramik mit
einer Härte von 1500 HV0,5,
einer Biegebruchfestigkeit von 600 MPa,
einem kritischen Spannungsintensitätsfaktor (KIC) von 7,3 MPa·
und mit der Zusammensetzung
3,0 Gew.-% Y₂O₃,
3,0 Gew.-% Al₂Q₃,
Rest Si₃N₄ (und unvermeidliche Spurenverunreinigungen)
gefertigt.
Das andere Scherenteil wurde aus einer ZPTA-Keramik mit
einer Härte von 1950 HV0,5,
einer Biegebruchfestigkeit von 810 MPa,
einem kritischen Spannungsintensitätsfaktor (KIC) von 7,3 MPa·
und mit der Zusammensetzung
74,1 Gew.-% Al₂O₃,
0,9 Gew.-% Cr₂O₃,
21,0 Gew.-% ZrO₂,
4,0 Gew.-% CeO₂
hergestellt.
Für einen Vergleich mit Schneidwerkzeugen, die dem Stand der Technik entsprechen, wurden für eine weitere Schußfadenschere beide Scherenteile aus einer Y-TZP- Keramik mit der oben beschriebenen Zusammensetzung und den oben beschriebenen Eigenschaften gefertigt.
Die Schußfadenschere mit beweglichen Scherenteilen aus Keramiken unterschiedlicher Härte (Y-TZP- bzw. Si₃N₄-Keramik und ZPTA-Keramik) zeigten eine bessere Schnittleistung gegenüber der Schußfadenschere mit beweglichen Scherenteilen aus nur einem keramischen Werkstoff (Y-TZP-Keramik). Während bei der Schußfadenschere mit Scherenklingen aus Y-TZP-Keramik das Standzeitende nach 3 Mio Schnitten erreicht war, betrug die Standzeit der Schußfadenschere mit Scherenklingen aus Y-TZP-Keramik und ZPTA-Keramik bis zu 15 Mio Schnitte.
Auch bei Anwendung der erfindungsgemäßen Kombination von Keramiken gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 (Si₃N₄-Keramik und ZPTA-Keramik) bei Splicer-Scheren in Spulenmaschinen konnte eine bedeutende Verbesserung der Schnittleistung erreicht werden. Während herkömmliche Hartmetallscheren eine Standzeit von kleiner 2 Mio Schnitte haben und bei Verwendung von Y-TZP-Keramik (beide Klingen) das Standzeitende nach 8 Mio Schnitten erreicht ist, wurden mit Scherenklingen aus Si₃N₄-Keramik und ZPTA-Keramik Standzeiten bis zu 12 Mio Schnitte erzielt. Die Anwendung von Si₃N₄-Keramik und ZPTA-Keramik bietet einen besonderen Vorteil beim Naß-Splicen, da diese Scherenklingen einen hohen Widerstand gegen den zusätzlichen korrosiven Angriff besitzen.

Claims (9)

1. Schneidwerkzeug bestehend aus Schneidklingen unterschiedlicher Härte, wobei mindestens eine Schneidklinge aus einem keramischen Werkstoff besteht.
2. Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidklinge(n) aus keramischem Werkstoff eine Härte größer 750 HV0,5, eine Biegebruchfestigkeit größer 450 MPa und eine Bruchzähigkeit (KIC) größer 4,5 MPa· aufweisen.
3. Schneidwerkzeug nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische(n) Schneidklinge(n) aus teilstabilisierter ZrO₂-Keramik (TZP), vorzugsweise Y₂O₃-stabilisierter ZrO₂-Keramik (Y-TZP) oder CeO₂-stabilisierter ZrO₂-Keramik (Ce-TZP), und/oder aus Si₃N₄-Keramik, und/oder aus ZrO₂- und platelet-verstärkter Aluminiumoxid-Keramik (ZPTA) besteht/bestehen.
4. Schneidwerkzeug nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Y₂O₃-stabilisierte ZrO₂-Keramik (Y-TZP) eine Härte von 1100 bis 1300 HV0,5, eine Biegebruchfestigkeit von 700 bis 1200 MPa und eine Bruchzähigkeit (KIC) von 6 bis 14 MPa· aufweist.
5. Schneidwerkzeug nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die CeO₂-stabilisierte ZrO₂-Keramik (Ce-TZP) eine Härte von 800 bis 1100 HV0,5, eine Biegebruchfestigkeit von 450 bis 900 MPa und eine Bruchzähigkeit (KIC) von 10 bis 20 MPa· aufweist.
6. Schneidwerkzeug nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Si₃N₄-Keramik eine Härte von 1400 bis 1800 HV0,5, eine Biegebruchfestigkeit von 500 bis 1000 MPa und eine Bruchzähigkeit (KIC) von 4,5 bis 10 MPa· aufweist.
7. Schneidwerkzeug nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ZrO₂- und platelet­ verstärkte Aluminiumoxid-Keramik (ZPTA) eine Härte von 1500 bis 2200 HV0,5, eine Biegebruchfestigkeit von 500 bis 1000 MPa und eine Bruchzähigkeit (KIC) von 5 bis 15 MPa· aufweist.
8. Schneidwerkzeug nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß anstatt TZP- und/oder Si₃N₄- und/oder ZPTA-Keramik Whisker- und/oder platelet­ verstärkte keramische Werkstoffe oder Hartmetalle als Werkstoff für die Schneidklingen verwendet werden.
9. Schneidwerkzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Whisker- und/oder platelet­ verstärkten keramischen Werkstoffe aus einer Al₂O₃-, Al₂O₃/ZrO₂-, Si₃N₄- oder ZrO₂-Matrix und den darin eingelagerten Hartstoffen SiC, TiC, TiN und/oder Ti(C,N) in Form von Platelets und/oder Whiskern in einer Konzentration von 2-40 Vol.-% bestehen.
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Date Code Title Description
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D2 Grant after examination
8380 Miscellaneous part iii

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