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 HerstellungInfo
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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.
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.
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.
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.
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.
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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