DE4409384A1

DE4409384A1 - Schneidwerkzeug aus ultra-Hochdruck-gesintertem Material auf der Basis von kubischem Bornitrid mit ausgezeichneter Abnutzungs- und Bruchbeständigkeit

Info

Publication number: DE4409384A1
Application number: DE4409384A
Authority: DE
Inventors: Itsurou Tajima; Fumihiro Ueda
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1993-04-01
Filing date: 1994-03-18
Publication date: 1994-10-06
Anticipated expiration: 2014-03-19
Also published as: JP3146747B2; DE4409384C2; JPH06287067A; US5466642A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schneidwerkzeug aus einem ultra-Hochdruck- gesintertem Material auf der Basis von kubischem Bornitrid (im folgenden abge kürzt als "C-BN Basis" bezeichnet), das ausgezeichnete Abnutzungs- und Bruchbe ständigkeit hat und das demgemäß frei ist vom Abbrechen der Schneidkante oder Absplittern (kleine Brüche) ist, selbst wenn es sowohl zum intermittierenden als auch zum dauernden Schneiden benutzt wird. Als Ergebnis ist das Schneidverhal ten des Werkzeugs über eine lange Zeitspanne hinweg ausgezeichnet.

Bekanntlich wurden eine Anzahl von Schneidwerkzeugen, die aus ultra-Hochdruck gesintertem Material auf C-BN Basis hergestellt sind, für das Hochgeschwindig keitsschneiden von Gußeisen mit Kugelgraphit und dergleichen vorgeschlagen und verwendet.

Derzeit gibt es eine strenge Anforderung, daß Schneidvorgänge betrieblich automa tisiert und arbeitssparend durchgeführt werden. Dieses Erfordernis ist begleitet von einem starken Bedarf für die Ausbildung eines Schneidwerkzeugs, dessen Schneid verhalten nicht nur beim kontinuierlichen Schneiden sondern auch beim intermit tierenden Schneiden ausgezeichnet ist. Derzeit sind jedoch die meisten herkömm lichen Schneidwerkzeuge, die aus Hochdruck-gesintertem Material auf C-BN Basis hergestellt sind, ziemlich unzureichend, insbesondere hinsichtlich der Bruchfestig keit und sind anfällig für Bruch oder Absplittern der Schneidkante, so daß sie praktisch nicht eingesetzt werden können, um die obige Anforderung zu erfüllen.

Im Hinblick auf das obige Problem wurden Untersuchungen bezüglich der Entwick lung eines ultra-Hochdruck-gesinterten Materials auf C-BN Basis durchgeführt, das ausgezeichnete Bruchfestigkeit hat, wobei ein ultra-Hochdruck-gesintertes Material auf C-BN Basis gefunden wurde, das die folgende Zusammensetzung hat (im folgenden bedeutet "%" immer "Gew.%"):
10 bis 40 Gew.% eines oder mehrerer eines Carbids, Nitrids und Carbonitrids von Ti (im folgenden als TiC, TiN und TiCN und allgemein als "Ti-Carbid/Nitrid" be zeichnet),
5 bis 25% einer Verbindung von Ti und Al (im folgenden als Ti-Al Verbindung bezeichnet),
2 bis 10% an Aluminiumoxid (im folgenden als Al₂O₃ bezeichnet),
0,1 bis 2% an Wolframcarbid (im folgenden als WC bezeichnet), und
C-BN als Rest.

Es wurde gefunden, daß ein Schneidwerkzeug aus einem Material der obigen Zusammensetzung eine verbesserte Bruchbeständigkeit aufgrund der Korngrößen verfeinerung und der Unterdrückung des Kornwachstums zeigt, die durch das Vorliegen von Al₂O₃ und WC bewirkt werden, wobei die Korngröße dieser Sub stanzen und die von Ti-Carbid/Nitrid auf eine Größe beschränkt wird, die nicht größer ist als 0,5 µm. Weiterhin wird die Korngröße des C-BN auf eine Größe von nicht mehr als 4 µm beschränkt, was es gestattet, die Korngröße ebenso groß wie diejenige zu halten, die es hatte, bevor es zu den anderen Komponenten zugesetzt wurde. Somit ist das Schneidwerkzeug frei von Bruch oder Absplittern, selbst wenn es für intermittierendes Schneiden benutzt wird, und zeigt eine beträchtlich verbesserte Abnutzungsbeständigkeit, selbst beim intermittierenden Schneiden.

Die vorliegende Erfindung wurde aufgrund der obigen Ergebnisse erarbeitet. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Schneidwerkzeug bereitgestellt, das aus einem Hochdruck-gesinterten Material auf C-BN Basis hergestellt ist, das ausgezeichnete Abnutzungsbeständigkeit und Bruchbeständigkeit aufweist und die folgende Zusammensetzung hat:
10 bis 40% an einem oder mehreren eines Carbids, Nitrids und Carbonitrids von Ti;
5 bis 25% einer Verbindung von Ti und Al;
2 bis 10% an Al₂O₃;
0,1 bis 2% an WC; und
C-BN als Rest.

Im folgenden wird der Grund beschrieben, warum das ultra-Hochdruck-gesinterte Material auf C-BN Basis, welches das Schneidwerkzeug der vorliegenden Erfindung ausmacht, wie oben beschrieben zusammengesetzt ist.

(a) Ti-Carbid/Nitrid

Diese Komponente hat die Wirkung, die Zähigkeit zu verbessern. Wenn jedoch der Mengenanteil dieser Komponente im obigen Material geringer als 10% ist, kann dieser Effekt nicht in gewünschtem Ausmaß erhalten werden. Wenn andererseits der Mengenanteil mehr als 40% ist, muß der Anteil an C-BN in übermäßigem Ausmaß vermindert werden, was zur Verschlechterung in der ausgezeichneten Abnutzungsbeständigkeit und der Beständigkeit gegen plastische Deformation des Materials führt, die durch C-BN geliefert werden. Daher ist der Mengenanteil dieser Komponente 10 bis 40%.

(b) Ti-Al Verbindung

Diese Komponente wirkt als Sinterhilfsmittel zur Verbesserung der Sinterbarkeit und dadurch zur Verbesserung der Festigkeit des Werkzeuges. Es können alle möglichen Verbindungen von Ti-Al benutzt werden, z. B. TiAl₃, TiAl, Al₂Ti, AlTi₂, AlTi₃ usw . . Wenn jedoch der Mengenanteil dieser Komponente im Material weniger als 5% ist, liefert es nicht den gewünschten Effekt. Wenn andererseits dieser Mengenanteil über 25% liegt, wird eine große Menge an Ti-Borid und Al-Nitrid erzeugt, was zur Verschlechterung der Abnutzungsbeständigkeit des Materials führt. Daher ist der Mengenanteil dieser Komponente 5 bis 25%.

Statt der Ti-Al Verbindung kann auch ein Gemisch von 1 bis 5% Al-Nitrid und 3 bis 7% Ti-Borid verwendet werden, in welchem Falle dann der Gehalt an Al₂O₃ auf bis zu 15% erhöht werden kann.

(c) Al₂O₃ und WC

Diese Komponenten, wenn sie in gleichem Material vorliegen, üben die Wirkung auf die Korngrößenverfeinerung beim Ti-Carbid/Nitrid aus und unterdrücken das Kornwachstum des C-BN, wobei ihre eigene Korngröße ebenfalls am Wachsen gehindert wird. Somit tragen sie bei zur Verbesserung der Bruchbeständigkeit und der Abnutzungsbeständigkeit bei. Diese Wirkung kann jedoch nicht in gewünsch tem Ausmaß erreicht werden, wenn der Mengenanteil an Al₂O₃ im Material weni ger ist als 2% oder der Mengenanteil an WC geringer ist als 0,1%. Wenn ande rerseits der Mengenanteil an Al₂O₃ mehr als 10% ist oder der Mengenanteil an WC mehr als 2% ist, verschlechtert sich die Kristallinität des Materials, was es unmöglich macht, hohe Festigkeit zu erzielen. Daher sind die Mengenanteile dieser Komponenten: 2 bis 10% an Al₂O₃ und 0,1 bis 2% an WC.

Um weiter die ausgezeichnete Abnutzungsbeständigkeit und Beständigkeit gegen plastische Deformation des Materials aufgrund des Vorliegens von C-BN zu ge währleisten, ist es erwünscht, daß der Mengenanteil an C-BN 35% oder mehr beträgt.

Bei der schon erwähnten Ausführungsform, bei welcher die Verbindung von Ti und Al durch Aluminiumnitrid und Titanborid ersetzt wird, kann allgemein die Menge auch in Vol.% ausgedrückt werden, so daß das Material dann die folgende Zu sammensetzung hat:
20 bis 40 Vol.% von einem oder mehreren eines Carbids, Nitrids und Carbonitrids von Ti;
0,1 bis 2 Vol.% einer W-Verbindung mit einer Korngröße von 0,5 µm oder weni ger;
1 bis 5 Vol.% an Al-Nitrid;
3 bis 7 Vol.% an Ti-Borid;
5 bis 15 Vol.% an Aluminiumoxid; und
C-BN als Rest.

Ausführungsformen

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Schneidwerkzeug mehr im einzelnen unter Bezugnahme auf eine Ausführungsform davon beschrieben.

Die folgenden Pulvermaterialien wurden hergestellt: Verschiedene Ti-Carbid/Nitrid pulver mit einer Korngröße im Bereich von 0,5 bis 1 µm; verschiedene Pulver der TiAl-Verbindung mit einer Korngröße im Bereich von 0,3 bis 0,5 µm; verschiedene Al₂O₃-Pulver mit einer Korngröße im Bereich von 0,2 bis 0,5 µm; und verschiedene WC-Pulver mit einer Korngröße im Bereich von 0,3 bis 0,5 µm. Weiter wurden verschiedene C-BN Pulver mit den in Tabelle 1 und 2 angegebenen Korngrößen hergestellt. Diese Pulvermaterialien wurden miteinander in den in den Tabellen 1 und 2 angegebenen Mengenanteilen gemischt, indem sie 72 h in einer Kugelmühle naßgemischt wurden. Nach dem Trocknen wurden die Gemische einer Preßfor mung durch einen Druck von 3 t/cm² (3×10⁸ Pa) unterworfen und zu Grünpreßlin gen geformt, die jeweils einen Durchmesser von 20 mm ⌀ und einer Dicke von 1 ,5 mm hatten. Diese Grünpreßlinge wurden dann einem vorläufigen Sintern in einem Vakuum von 3 × 10^-4 Torr (0,04 Pa) bei einer Temperatur im Bereich von 1000 bis 1300°C für eine Zeitspanne von 30 min unterworfen. Dann wurden diese Grünpreßlinge aufzementierte Carbidunterlagen auf WC-Basis aufgelegt, die einen Durchmesser von 20 mm ⌀ und eine Dicke von 2 mm hatten und in diesem Zustand einer Sinterung unter den folgenden Bedingungen unterworfen: Druck: 5 GPa; Temperatur: 1200 bis 1 400°C; Zeit: 30 min. Danach wurden die oberen und unteren Oberflächen der Grünpreßlinge geschliffen. Jeder der Grünpreßlinge wurde dann durch Schneiden mit Draht in vier Stücke geteilt und an die zementierten Carbidunterlagen auf WC-Basis hartgelötet. Schließlich wurden die so erhaltenen Materialien bis auf eine vorbestimmte Größe poliert, wodurch die Beispiele 1 bis 9 des erfindungsgemäßen Schneidwerkzeuges und die Vergleichsbeispiele 1 bis 9 erhalten wurden.

Bei jedem der Vergleichsbeispiele 1 bis 9 wurde der Mengenanteil einer der Kom ponenten (in Tabelle 2 mit einem _* versehen), welche das ultra-Hochdruck-ges interte Material auf C-BN Basis ausmachten, abweichend von den Bereichen der vorliegenden Erfindung ausgewählt.

Die Korngröße jeder Komponente des ultra-Hochdruck-gesinterten Materials auf C- BN Basis, welche die so erhaltenen Schneidwerkzeuge ausmachten, wurde gemes sen. In den Schneidwerkzeugen der Beispiele 1 bis 9 der vorliegenden Erfindung reichte die Korngröße des C-BN von 1 bis 4 µm und die der anderen Komponenten von 0,2 bis 0,5 µm, und somit zeigt das erhaltene Material eine feinkörnige Textur, während im Schneidwerkzeug des Vergleichsbeispiels 6, das aus einem ultra- Hochdruck-gesintertem Material auf C-BN Basis gemacht war, das kein Al₂O₃ enthielt und im Schneidwerkzeug des Vergleichsbeispiels 8, das aus einem ultra- Hochdruck-gesinterten Material auf C-BN Basis gemacht war, das kein WC ent hielt, Kornwachstum erfolgte. In den Schneidwerkzeugen dieser Vergleichsbei spiele zeigte das C-BN eine Korngröße von 3 bis 6 µm und die anderen Komponen ten zeigten eine Korngröße von 4 bis 8 µm.

Ein kontinuierlicher Naß-Schneidtest an Gußeisen und ein intermittierender Naß- Schneidtest an Gußeisen wurden mit den so erhaltenen Schneidwerkzeugen durchgeführt. Die Testbedingungen für das Naß-Schneiden von Gußeisen waren wie folgt:
Geschnittenes Material: Runde Stangen aus Gußeisen mit Kugelgraphit (JlS, FCD70),
Schneidgeschwindigkeit: 400 m/min,
Vorschub: 0,2 mm/Umdrehung,
Schneidtiefe: 0,25 mm,
Schneidzeit: 30 min.

Die Testbedingungen für den intermittierenden Naß-Schneidtest an Gußeisen waren wie folgt:
Geschnittenes Material: Rundstäbe aus Gußeisen mit Kugelgraphit (JlS, FCD70) mit vier Längsnuten, die in gleichen Abständen entlang der Längenabmessung angeordnet waren,
Schneidgeschwindigkeit: 250 m/min,
Vorschub: 0,2 mm/Umdrehung,
Schneidtiefe: 0,2 mm,
Schneidzeit: 60 min.

In beiden Tests wurde die Breite der Flankenabnutzung der Schneidkante gemes sen. Die Meßergebnisse sind in Tabelle 3 angegeben.

Wie aus den Ergebnissen der Tabellen 1 bis 3 ersichtlich ist, zeigen alle Schneid werkzeuge der Beispiele 1 bis 9 gemäß der Erfindung ausgezeichnete Abnutzungs beständigkeit beim kontinuierlichen Schneidtest ohne Bruch oder Absplittern an der Schneidkante selbst beim intermittierenden Schneiden, während jedes der Schneid werkzeuge der Vergleichsbeispiele 1 bis 9, die aus ultra-Hochdruck-gesintertem Material auf C-BN Basis herstellt waren, bei dem eine Komponente außerhalb des Mengenbereichs der vorliegenden Erfindung lag, unzureichende Abnutzungsbestän digkeit und/oder Bruchbeständigkeit hatten.

Wie oben beschrieben, hat das Schneidwerkzeug der vorliegenden Erfindung, das aus ultra-Hochdruck-gesintertem Material auf C-BN Basis hergestellt ist, ausge zeichnete Abnutzungsbeständigkeit und ausgezeichnete Bruchbeständigkeit, so daß es frei von Bruch oder Absplittern an der Schneidkante nicht nur beim kon tinuierlichen Schneiden sondern auch beim intermittierenden Schneiden ist. Somit ist das Schneidverhalten des Werkzeugs über eine lange Zeitspanne hin ausge zeichnet. Demgemäß kann das Schneidwerkzeug bei automatisierten Betriebs- und arbeitssparenden Schneidoperationen gut angewandt werden.

Claims

1. Hochdruck-gesintertes Material, bestehend aus einer Keramik auf C-BN Basis mit ausgezeichneter Abnutzungsbeständigkeit und Bruchbeständigkeit, wobei das Materialfolgende Zusammensetzung hat:
10 bis 40 Gew. % an einem oder mehreren eines Carbids, Nitrids und Carbo nitrids von Ti;
5 bis 25 Gew.% einer Verbindung von Ti und Al;
0,1 bis 2, insbesondere 0,5 bis 2 Gew.% einer W-Verbindung;
2 bis 10 Gew.% an Aluminiumoxid; und
C-BN als Rest.

2. Hochdruck-gesintertes Material aus Keramik auf C-BN Basis gemäß An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die W-Verbindung eine Korngröße von 1 µm oder weniger und die Verbindung von Ti und Al eine Korngröße von 1 µm oder weniger hat.

3. Hochdruck-gesintertes Material aus Keramik auf C-BN Basis gemäß An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die W-Verbindung eine Korngröße von 0,5 µm oder weniger und die Verbindung von Ti und Al eine Korngröße von 0,5 µm oder weniger hat.

4. Hochdruck-gesintertes Material aus Keramik auf C-BN Basis, erhalten auf der Basis einer Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das Material die folgende Zusammensetzung hat:
20 bis 40 Vol.% von einem oder mehreren eines Carbids, Nitrids und Carbo nitrids von Ti;
0,1 bis 2 Vol.% einer W-Verbindung mit einer Korngröße von 0,5 µm oder weniger;
1 bis 5 Vol.% an Al-Nitrid;
3 bis 7 Vol.% an Ti-Borid;
5 bis 15 Vol.% an Aluminiumoxid; und
C-BN als Rest.