DE4445765A1 - Schneidwerkzeug aus einem gesinterten Material auf Diamantbasis und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Schneidwerkzeug aus einem gesinterten Material auf Diamantbasis und Verfahren zu dessen Herstellung

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schneidwerkzeug, das aus einem unter Ultrahochdruck gesinterten Material auf Diamantbasis hergestellt ist.
Aus dem Stand der Technik ist ein Schneidwerkzeug bekannt, das aus einem derartigen Material hergestellt ist, wobei dieses Material eine Zusammensetzung im wesentlichen bestehend aus 0,1 bis 15 Gew.-% von wenigstens einem der Carbonate von Barium (nachfolgend BaCO₃) und Magnesium (nachfolgend MgCO₃) und als Rest im wesentlichen Diamant hat, wobei der Diamant eine Matrix mit einer Struktur bildet, in der der oben genannte Gehalt von wenigstens einem von BaCO₃ und MgCO₃ fein und gleichmäßig ver­ teilt ist und die eine Dichte von mehr als 99% der theoreti­ schen Dichte hat.
Derartige Schneidwerkzeuge werden zum Beispiel bei der schneidenden Endbearbeitung von zementierten Carbiden auf WC- Basis oder von Titan-Legierungen eingesetzt, wobei in diesem Zusammenhang ein starkes Bedürfnis in der Herabsetzung des für Schneidarbeiten notwendigen Arbeitsaufwands besteht. Aus diesem Grund strebt man immer höhere Schneidgeschwindigkeiten an. Bei einer solchen Schneidbearbeitung der oben genannten Materialien mit den bekannten, aus unter Ultrahochdruck gesintertem Material auf Diamantbasis hergestellten Schneidwerkzeugen bei hohen Schneidgeschwindigkeiten treten leicht winzige Abbrüche (Mikro­ brüche oder chipping) in der Schneidkante auf, so daß die Ver­ wendungsdauer des Schneidwerkzeugs vergleichsweise kurz ist. Diese Erscheinung wird durch die beigefügte Figur erläutert, die einen großen Ausbruch (Fraktur) und kleine Kantenabbrüche eines solchen Schneidwerkzeugs schematisch zeigt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Schneidwerkzeug aus einem unter Ultrahochdruck gesinterten Mate­ rial auf Diamantbasis bereitzustellen, das die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile vermeidet, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Schneidwerkzeugs anzugeben.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Schneidwerkzeug gemäß den beigefügten Ansprüchen 1 und 2 sowie durch ein Ver­ fahren zur Herstellung eines solchen Schneidwerkzeugs gemäß den beigefügten Ansprüchen 3 und 4 gelöst. Bevorzugte Ausführungs­ formen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei Untersuchungen an Schneidwerkzeugen aus dem oben be­ schriebenen unter Ultrahochdruck gesinterten Material auf Dia­ mantbasis, welche angesichts der dargestellten Situation auf eine Erhöhung der Abbruchfestigkeit (chipping resistance) ge­ richtet waren, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung festgestellt, daß, wenn ein aus dem oben beschriebenen unter Ultrahochdruck gesinterten Material auf Diamantbasis hergestell­ tes Schneidwerkzeug im Vakuum oder bei reduziertem Druck einem Aufheizen auf 800 bis 1400°C, vorzugsweise 1000 bis 1400°C, unterworfen wird, sich BaCO₃, MgCO₃, ein Mischcarbonat von Calci­ um und Magnesium (nachfolgend CaMg(CO₃)₂) und Calciumcarbonat (nachfolgend CaCO₃) durch chemische Reaktion in die entsprechen­ den Oxide umwandeln. Das heißt sie wandeln sich in Bariumoxid (nachfolgend BaO), Magnesiumoxid (nachfolgend MgO) und Calcium­ oxid (nachfolgend CaO) um, wobei gleichzeitig mit dieser Umwand­ lung feine Poren gebildet werden. Als eine Folge dieser Poren­ bildung wird eine Dichte von 96 bis 99,5% der theoretischen Dichte erreicht. Das aus dem resultierenden, unter Ultrahoch­ druck gesinterten Material auf Diamantbasis hergestellte Schneidwerkzeug hat eine überraschend hohe und bemerkenswert verbesserte Abbruchfestigkeit, da die Ausdehnung von Brüchen, die während des Schneidvorgangs entstehen, in dem Material durch die gebildeten, fein und gleichmäßig in der Diamantmatrix ver­ teilten Poren zusammen mit dem enthaltenen BaO, MgO und/oder CaO vermieden wird. Darüberhinaus verfügen die oben genannten Oxide über eine größere Härte als die Carbonate und tragen damit gleichzeitig und im Zusammenwirken mit der Diamantmatrix zur deutlich verbesserten Verschleißbeständigkeit bei.
Es ist dabei allerdings nicht notwendig, daß die Carbonate vollständig in die entsprechenden Oxide umgewandelt werden, solange der Anteil der nicht umgewandelten Carbonate so klein ist, daß die vorteilhaften Eigenschaften der Merkmale der vor­ liegenden Erfindung nicht beeinträchtigt werden.
Die erfindungsgemäß zahlenmäßige Eingrenzung des in dem Schneidwerkzeug enthaltenen BaO und/oder MgO auf 0,05 bis 13 Gew.-% und/oder des in einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ebenfalls enthaltenen CaO auf 0,02 bis 5 Gew.-%, Rest Diamant, der eine Matrix bildet, wird nachfolgend, genau wie die Eingrenzung des bevorzugten Temperaturbereichs des Herstellungs­ verfahrens auf 800 bis 1400°C und des besonders bevorzugten Temperaturbereichs auf 1000 bis 1400°C, näher erläutert.
Gehalt an Oxiden und Carbonaten und Dichte
Die Erfinder haben bei ihren bereits erwähnten Untersuchun­ gen herausgefunden, daß ein Gehalt von weniger als 0,1% an Carbonaten in dem Rohling des Schneidwerkzeugs, was einem Gehalt von weniger als 0,05% an Oxiden in dem fertigen Schneidwerkzeug entspricht, die Bindung der Diamantpulver-Partikel beim Sintern des Schneidwerkzeug-Rohlings nicht in einem ausreichenden Maß fördert und die Anzahl der gebildeten Poren gering ist, was sehr nachteilig ist. Hieraus resultiert eine übermäßig hohe Dichte von über 99,5% der theoretischen Dichte des Schneidwerkzeugs, womit der gewünschte Effekt der Erhöhung der Abbruchfestigkeit nicht erreicht werden kann.
Andererseits werden bei einem Carbonatgehalt von mehr als 20% in dem Schneidwerkzeugrohling, was einem Oxidgehalt von mehr als 13% in dem fertigen Schneidwerkzeug entspricht, über­ mäßig viele Poren während der Erhitzung gebildet und es tritt eine relativ große Verringerung der Dichte auf unter 96% der theoretischen Dichte ein, wobei auch die Verschleißbeständigkeit der Diamantmatrix deutlich herabgesetzt ist. Dasselbe Ergebnis erhält man, wenn der Schneidwerkzeugrohling 99,5% oder mehr der theoretischen Dichte aufweist. Wenn der Gehalt an Carbonaten besonders hoch ist, kann man nicht 99,5% der theoretischen Dichte im Schneidwerkzeug erhalten.
Aus diesem Grund wird der Gehalt an Oxiden in dem Schneid­ werkzeug erfindungsgemäß innerhalb des Bereichs von 0,05 bis 13 Gew.-% gehalten.
Die Dichte des Schneidwerkzeugs wird dementsprechend erfin­ dungsgemäß in einem Bereich von 96 bis 99,5% der theoretischen Dichte und sein Gehalt an Oxiden bei 0,05 bis 13% gehalten. Der Gehalt an Carbonaten in dem Rohling des Schneidwerkzeugs wird daher erfindungsgemäß in dem Bereich von 0,1 bis 20 Gew.-% gehalten, während dessen Dichte erfindungs­ gemäß mit wenigstens 99,5% der theoretischen Dichte bestimmt wird.
Das in der besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung neben dem BaO und/oder MgO vorliegende CaO dient zur weiteren Verstärkung der Bindung zwischen den Diamantpartikeln. Hierbei ist jedoch zu berücksichtigen, daß dieser Effekt nicht eintritt, wenn der Gehalt an CaO unter 0,02 Gew.-% beträgt. Beträgt der Gehalt an CaO in dem Schneidwerkzeug mehr als 5 Gew.-%, verringert sich die Hochtemperatur-Stabilität des gesinterten Körpers.
Aus diesem Grund wird der Gehalt an CaO in der besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfindungsgemäß in dem Bereich zwischen 0,02 und 5 Gew.-% gehalten, was einem Ge­ halt von 0,05 bis 10 Gew.-% an CaCO₃ in dem Rohling des Schneid­ werkzeugs entspricht.
Die Dichte des Schneidwerkzeugs wird aufgrund der oben bereits durchgeführten Überlegungen auch bei der besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ebenfalls in dem Bereich von 96 bis 99,5% der theoretischen Dichte gehalten.
Temperatur
Bei einer ungenügenden Aufheizung, das heißt wenn 800°C nicht erreicht werden, ist das Ausmaß der chemischen Umwand­ lungsreaktion zu gering, während die Diamantmatrix bei Temperau­ ren von über 1400°C leicht mit den gebildeten Oxiden reagiert.
Aufgrund dieser Tatsache wird bei dem Verfahren zur Herstellung des Schneidwerkzeugs die Temperatur erfindungsgemäß im Bereich von 800 bis 1400°C gewählt.
Es besteht bei Temperaturen unterhalb von 1000°C jedoch die Möglichkeit, daß ein Teil der Carbonate zurückbleibt, das heißt nicht in die entsprechenden Oxide umgewandelt wird. Eine aus­ reichend große Erhöhung der Abbruchfestigkeit wurde aber schon bei Temperaturen ab 800°C festgestellt.
Weil aber bei Temperaturen ab 1000°C praktisch keine Carbo­ nate in dem Schneidwerkzeug verbleiben, wird der Temperaturbe­ reich von 1000 bis 1400°C in einer besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens gewählt.
Beispiele
Das Schneidwerkzeug und das Herstellungsverfahren der vor­ liegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beispiele be­ schrieben.
Zuerst wurden zwanzig Schneidwerkzeug-Rohlinge mit einem Durchmesser von 7 mm und einer Dicke von 1 mm mit den in der Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzungen und Dichten aus bei Ultrahochtemperatur gesinterten Materialien auf Diamantbasis, wobei das Material jeweils eine Struktur aufwies, in der BaCO₃, MgCO₁ und/oder CaMg(CO₃)₂ oder CaCO₃ fein und gleichmäßig in einer Diamantmatrix verteilt waren, auf gleiche Weise wie in der japa­ nischen Offenlegungsschrift Nr. 74766/1092 beschrieben ist, hergestellt. Diese Schneidwerkzeug-Rohlinge wurden einer erfin­ dungsgemäßen Hitzebehandlung unter den in der Tabelle 1 angege­ benen Bedingungen unterzogen und die Schneidwerkzeuge durch maschinelle Bearbeitung der Rohlinge erhalten. Die Form der erhaltenen Schneidwerkzeuge entsprach dabei der Norm TNCA332.
Auf diese Weise wurden die erfindungsgemäßen Schneidwerk­ zeuge 1 bis 20 aus bei Ultrahochtemperatur gesinterten Materia­ lien auf Diamantbasis mit den in der Tabelle 2 angegebenen Zu­ sammensetzungen und Dichten hergestellt, wobei die Materialien eine Struktur aufwiesen, bei der BaO, MgO und/oder CaO fein und gleichmäßig in der Diamantmatrix verteilt waren.
Zu Vergleichszwecken wurden herkömmliche Schneidwerkzeuge aus bei Ultrahochtemperatur gesinterten Materialien auf Diamant­ basis aus den oben genannten 20 Schneidwerkzeug-Rohlingen durch maschinelles Schneiden von Stücken ohne Erhitzen der Rohlinge hergestellt.
Die verschiedenen so erhaltenen Schneidwerkzeuge wurden auf einem Träger aus zementierten Carbiden auf WC-Basis (6% Co enthaltend) mit Hartlot befestigt (brazed) und durch kontinuier­ liches, trockenes Schneiden einer Ti-Legierung mit hoher Schnit­ tgeschwindigkeit einem Test unterworfen. Die Testbedingungen waren dabei folgende:
zu schneidendes Werkstück: Eine runde Stange aus einer Ti- Legierung mit einer Zusammensetzung von 6% Al, 4% V, Rest Ti.
Schnittgeschwindigkeit: 300 in/min
Vorschub: 0,1 mm/Umdrehung, und
Schnittzeit: 30 min.
Anschließend wurde die Flankenbreite jeder Schnittkante gemes­ sen. In Tabelle 2 ist das Ergebnis dieser Messungen angegeben.
Wie aus den in den Tabelle 1 und 2 angegebenen Ergebnissen hervorgeht, wiesen die erfindungsgemäßen Schneidwerkzeuge keine Abbrüche in der Schneidkante auf und zeigten zudem noch eine verbesserte Verschleißbeständigkeit. Diese vorteilhaften Eigenschaften zeigten die erfindungsgemäßen Schneidwerkzeuge sogar beim Schneiden der Ti-Legierung als Beispiel für ein har­ tes Material, wobei leicht Sprünge entstehen können. Dies wird insbesondere auf den Umstand zurückgeführt, daß eine Aus­ dehnung der während der beim Schneiden entstandenen Sprünge aufgrund der in der Diamantmatrix verteilten Poren begrenzt war. Im Gegensatz dazu zeigten die herkömmlichen Schneidwerkzeuge 1 bis 10 und die Vergleichswerkzeuge 1 bis 10 nach Beginn des Schneidens Kantenabbruch, so daß die Nutzungsdauer vergleichs­ weise kurz war.
Entsprechend dem oben beschriebenen Verfahren der vorlie­ genden Erfindung kann ein Schneidwerkzeug aus einem bei Ultra­ hochtemperatur gesinterten Material auf Diamantbasis mit hervor­ ragender Abbruchfestigkeit hergestellt werden. Bei dem erfin­ dungsgemäßen Schneidwerkzeug entstehen keine Abbrüche in der Schneidkante und es kann über einen langen Zeitraum ein verbes­ sertes Schneidverhalten zeigen, auch wenn das erfindungsgemäße Schneidwerkzeug für das Schneiden von harten Materialien wie Ti- Legierungen oder zementierten Carbiden auf WC-Basis bei hohen Schnittgeschwindigkeiten verwendet wird. Dies ist von besonderem Vorteil, da es gerade beim Schneiden derartig harter Materialien zu Abbrüchen an der Schneidkante kommen kann. Die vorliegende Erfindung kann somit erheblich zur Arbeitseinsparung bei Schneidarbeiten bei tragen.

Claims (6)

1. Schneidwerkzeug, hergestellt aus einem unter Ultrahoch­ druck gesinterten Material auf Diamantbasis, wobei das Schneid­ werkzeug eine hervorragende Abbruchfestigkeit aufweist und aus einer Zusammensetzung von im wesentlichen 0,05 bis 13 Gew.-% von wenigstens einem der Oxide von Barium und Magnesium und als Rest im wesentlichen aus Diamant besteht, wobei der Diamant eine Matrix bildet und das Material eine derartige Struktur hat, daß der Gehalt an wenigstens einem der Oxide von Barium und Magnesi­ um sowie Poren in der Matrix verteilt sind und das Material eine Dichte von 96 bis 99,5% der theoretischen Dichte aufweist.
2. Schneidwerkzeug, hergestellt aus einem unter Ultrahoch­ druck gesinterten Material auf Diamantbasis, wobei das Schneid­ werkzeug eine hervorragende Abbruchfestigkeit aufweist und das Material wenigstens eins der Oxide von Barium, Magnesium und Calcium enthält, wobei der Gehalt an wenigstens einem der Oxide von Barium und Magnesium 0,05 bis 13 Gew.-%, der Gehalt an Calci­ umoxid 0,02 bis 5 Gew.-% beträgt und der Rest im wesentlichen aus Diamant besteht, wobei der Diamant eine Matrix bildet und das Material eine derartige Struktur hat, daß der Gehalt von wenig­ stens einem der Oxide von Barium, Magnesium und Calciumoxid sowie Poren in der Matrix verteilt sind und das Material eine Dichte von 96 bis 99,5% der theoretischen Dichte aufweist.
3. Verfahren zur Herstellung eines Schneidwerkzeugs nach Anspruch 1, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfaßt:
  • - Herstellen eines Rohlings eines Schneidwerkzeugs aus einem Material mit einer Zusammensetzung, die im wesentlichen aus 0,1 bis 20 Gew.-% von wenigstens einem der Carbonate von Barium und Magnesium und als Rest im wesentlichen aus Diamant besteht, wobei der Diamant eine Matrix bildet, und das Rohmate­ rial eine Struktur aufweist, in der der Gehalt an wenigstens einem der Carbonate von Barium und Magnesium verteilt ist und das Rohmaterial eine Dichte von mehr als 99,5% seiner theoreti­ schen Dichte hat; und
  • - Erhitzen des Rohlings des Schneidwerkzeugs in einem Vaku­ um oder einer Atmosphäre verminderten Drucks auf eine Temperatur von 800 bis 1400°C und beibehalten dieser Temperatur, so daß die Carbonate in der Matrix durch chemische Reaktion in ihre Oxide umgewandelt werden, und daß die in der Matrix verteilten Poren gebildet werden.
4. Verfahren zur Herstellung eines Schneidwerkzeugs nach Anspruch 1, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfaßt:
  • - Herstellen eines Rohlings eines Schneidwerkzeugs aus einem Material mit einer Zusammensetzung, die im wesentlichen aus 0,1 bis 20 Gew.-% von wenigstens einem der Carbonate von Barium und Magnesium und als Rest im wesentlichen aus Diamant besteht, wobei der Diamant eine Matrix bildet, und das Rohmate­ rial eine Struktur aufweist, in der der Gehalt an wenigstens einem der Carbonate von Barium und Magnesium verteilt ist und das Rohmaterial eine Dichte von mehr als 99,5% seiner theoreti­ schen Dichte hat; und
  • - Erhitzen des Rohlings des Schneidwerkzeugs in einem Vaku­ um oder einer Atmosphäre verminderten Drucks auf eine Temperatur von 1000 bis 1400°C und beibehalten dieser Temperatur, so daß die Carbonate in der Matrix durch chemische Reaktion in ihre Oxide umgewandelt werden, und daß die in der Matrix verteilten Poren gebildet werden.
5. Verfahren zur Herstellung eines Schneidwerkzeugs nach Anspruch 2, wobei das Verfahren folgend Verfahrensschritte um­ faßt:
  • - Herstellen eines Rohlings eines Schneidwerkzeugs aus einem Material mit einer Zusammensetzung, die im wesentlichen aus 0,1 bis 20 Gew.-% von wenigstens einem der Carbonate von Barium und Magnesium und 0,05 bis 10 Gew.-% von wenigstens einem gemischten Carbonat von Calcium und Magnesium und Calciumcarbo­ nat und als Rest im wesentlichen aus Diamant besteht, wobei der Diamant eine Matrix bildet und das Rohmaterial eine Struktur aufweist, in der der Gehalt an wenigstens einem der Carbonate von Barium und Magnesium und Magnesiumcarbonat verteilt ist und das Rohmaterial eine Dichte von mehr als 99,5% seiner theoreti­ schen Dichte hat; und
  • - Erhitzen des Rohlings des Schneidwerkzeugs in einem Vaku­ um oder einer Atmosphäre verminderten Drucks auf eine Temperatur von 800 bis 1400°C und beibehalten dieser Temperatur, so daß die Carbonate in der Matrix durch chemische Reaktion in ihre Oxide umgewandelt werden und die in der Matrix verteilten Poren gebildet werden.
6. Verfahren zur Herstellung eines Schneidwerkzeugs nach Anspruch 2, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfaßt:
  • - Herstellen eines Rohlings eines Schneidwerkzeugs aus einem Material mit einer Zusammensetzung, die im wesentlichen aus 0,1 bis 20 Gew.-% von wenigstens einem der Carbonate von Barium und Magnesium und 0,05 bis 10 Gew.-% von wenigstens einem gemischten Carbonat von Calcium und Magnesium und Calciumcarbo­ nat und als Rest im wesentlichen aus Diamant besteht, wobei der Diamant eine Matrix bildet und das Rohmaterial eine Struktur aufweist, in der der Gehalt an wenigstens einem der Carbonate von Barium und Magnesium und Magnesiumcarbonat verteilt ist und das Rohmaterial eine Dichte von mehr als 99,5% seiner theoreti­ schen Dichte hat; und
  • - Erhitzen des Rohlings des Schneidwerkzeugs in einem Vaku­ um oder einer Atmosphäre verminderten Drucks auf eine Temperatur von 1000 bis 1400°C und beibehalten dieser Temperatur, so daß die Carbonate in der Matrix durch chemische Reaktion in ihre Oxide umgewandelt werden und die in der Matrix verteilten Poren gebildet werden.
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