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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein beschichtetes Hartmetall, insbesondere
eines das besonders für Schneidwerkzeuge
geeignet ist, welches eine hohe Beständigkeit gegen Verschleiß, Abplatzen,
Zusammenschweißen
und Absplittern aufweist, und welches die überragenden Eigenschaften über einen
ausgedehnten Zeitraum beibehalten kann.
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Beschreibung des Standes der
Technik
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Werkzeuge,
welche aus einem beschichteten Hartmetall bestehen, sind kommerziell
geeignet und werden weitverbreitet verwendet. Das Werkzeug weist
eine Hartmetalloberfläche
auf, welche beschichtet ist, um die Schneideigenschaften zu verbessern.
Die Beschichtung besteht aus einer oder mehreren Schichten, z.B.
aus Titancarbid, Titannitrid, Titancarbonitrid oder Aluminiumoxid.
Die Beschichtung wird durch chemische Dampfabscheidung oder physikalische
Dampfabscheidung abgeschieden.
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Da
es sich um nicht-oxidische Schichten handelt, sind solche Beschichtungen
auf Titanbasis geeignet, um die Beständigkeit gegenüber Verschleiß und Absplittern
zu verbessern. Oxidschichten, wie eine Aluminiumoxidschicht und
eine Zirkoniumoxidschicht, werden als geeignet betrachtet, um in
einem Temperaturbereich verwendet zu werden, welcher 700°C überschreitet,
(Bereich des Hochgeschwindigkeitsschneidens), an der Ecke eines
Schneidwerkzeuges verwendet zu werden, da sie eine ausgezeichnete
chemische Stabilität
und Beständigkeit
gegenüber
Wärme aufweisen.
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Das
Schneiden wurde in den letzten Jahren in Hinblick auf die Geschwindigkeit
und Wirksamkeit verbessert, angetrieben durch Fortschritte der Maschinenwerkzeuge
und in Reaktion auf Forderungen, die Herstellungskosten zu reduzieren
und die Produktivität
zu erhöhen.
Von dem Gesichtspunkt des Umweltschutzes aus, ist das Trockenbearbeiten
eine wichtige Forderung, um den Verbrauch an Schneidöl zu reduzieren.
In Reaktion auf solch eine Bewegung des Marktes nimmt die Verwendung
eines Eckbereichs bzw. Winkelbereichs eines Schneidwerkzeuges im
Hochtemperaturbereich zu.
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Um
die Anforderungen des Marktes zu erfüllen und um die Lebensdauer
eines Werkzeuges zu erhöhen,
wurde eine Oxidschicht, welche eine ausgezeichnete chemische Stabilität bei hohen
Temperaturen und Beständigkeit
gegenüber
Wärme aufweist,
wie eine Aluminiumoxidschicht oder eine Zirkoniumoxidschicht, verwendet,
um die Oberfläche
eines Schneidwerkzeuges zu beschichten, und die Dicke der Oxidschicht
wurde erhöht.
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Wenn
die Dicke der Oxidschicht (insbesondere der Aluminiumoxidschicht)
jedoch auf 1,5 μm
oder mehr erhöht
wird, werden die Kristallkörner
der Oxidschicht, welche die Beschichtung bildet, grob, und entwickeln
eine Ungleichmäßigkeit
auf der Oberfläche
des Werkzeugs in Reaktion auf die Korngröße. Diese Ungleichmäßigkeit
ermöglicht,
dass die Späne
des Arbeitsmaterials lokale Spannungen auf der Oberfläche des Werkzeuges
ausüben
und den Verschleiß beschleunigen
und die Zähigkeit
bzw. die Belastbarkeit verringern. Zusätzlich schweißen die
Späne selbst
mit dem ungleichmäßigen Bereich
zusammen. Der geschweißte
Bereich wiederum wird ein Ausgangspunkt für das Anlegen von Spannungen,
die bewirken, dass die Schicht abplatzt oder absplittert. Als ein
Ergebnis wird die Lebensdauer des Schneidwerkzeuges verringert.
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Um
dieses Problem zu lösen,
bietet die veröffentlichte
japanische Patentanmeldung, Tokukouhei 5-49750 ,
ein Verfahren, um das Vergröbern
von Kristallkörnern
zu verhindern, indem die Aluminiumoxidschicht in eine Vielzahl von
Schichten aufgeteilt wird. Dieses Verfahren verringert unzweifelhaft
die Korngröße des Aluminiumoxids.
Auf der anderen Seite erhöht
dieses Verfahren die Anzahl von Zwischenflächen zwischen einer Aluminiumoxidschicht
und einer Schicht aus einer anderen Substanz, wodurch das Abplatzen
leicht an der Zwischenfläche
auftreten kann. Das Abplatzen führt
zu einer schnellen Zerstörung,
welche die Lebensdauer des Werkzeuges verringert.
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Eine
weitere veröffentlichte
japanische Patentanmeldung, Tokukaihei
5-57507 , verlängert
die Lebensdauer eines Werkzeuges, indem die Ungleichmäßigkeit
der Fläche
der Oxidschicht durch Polieren nur an der Schneidkante des Werkzeuges
entfernt wird. Obwohl dieses Verfahren die Lebensdauer der Schneidkante
erhöhen
kann, bleibt die zuvor genannte Flächenungleichmäßigkeit
der Oxidschicht jedoch als eine Wölbung der Schneidfläche zurück, welche
nicht durch Polieren bearbeitet werden kann. Diese zurückbleibende
Flächenungleichmäßigkeit
beschleunigt den Kolkverschleiß und
andere Arten von Verschleiß,
und verringert die Lebensdauer des Werkzeuges.
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Noch
eine andere veröffentlichte
japanische Patentanmeldung, Tokukaihei
11-124672 , verwendet ein Aluminiumoxid vom α-Typ für eine Außenschicht
als eine hochfeste Schicht und spezifiziert die Texturorientierung.
Dieses Verfahren erzeugt jedoch auf der Oberfläche des Werkzeuges eine Ungleichmäßigkeit
entsprechend der Größe der Kristallkörner des
Aluminiumoxids in der Außenschicht,
und bewirkt eine Verringerung der Lebensdauer des Werkzeugs.
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Eine
weitere veröffentlichte
japanische Patentanmeldung, Tokukaihei
8-158052 , offenbart eine ähnliche Schichtstruktur wie
die der vorliegenden Erfindung. In der Tokukaihei
8-158052 wird die Flächenrauhigkeit einer
Zwischenschicht jedoch ohne Verbesserung auf eine Außenschicht übertragen.
Die vorliegenden Erfinder haben jedoch fortgesetzt eine weitere
Verbesserung der Lebensdauer eines Werkzeuges zu untersuchen, insbesondere
in dem Fall des Schneidens mit Hochgeschwindigkeit und des Trockenschneidens,
und die vorliegende Erfindung vervollständigt.
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Im
Hinblick auf die vorgenannten Umstände ist es der Hauptgegenstand
der vorliegenden Erfindung, ein Schneidwerkzeug aus beschichtetem
Hartmetall bereitzustellen, welches eine Außenschicht aufweist, wobei
die Flächenungleichmäßigkeit,
die für
eine Oxidschicht spezifisch ist, verringert wird, und welche eine
verbesserte Verschleißbeständigkeit,
Beständigkeit
gegenüber
Absplittern, Verschweißen
und Abplatzen über das
ganze Werkzeug aufweist, und welches die überragenden Eigenschaften für einen
verlängerten
Zeitraum beibehalten kann.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bietet ein beschichtetes Hartmetall mit einer
Beschichtung auf der Oberfläche.
Die Beschichtung umfasst eine Innenschicht, Zwischenschicht und
Außenschicht,
in dieser Reihefolge von der Seite des Hartmetalls aus. Die einzelnen
Schichten weisen den folgenden Aufbau und die spezifischen Flächenrauhigkeiten
auf.
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Die
Innenschicht enthält
eine Schicht, umfassend wenigstens ein Mitglied der Gruppe bestehend
aus (a) den Carbiden, Nitriden, Boriden und Oxiden der Elemente,
welche zu den Gruppen IVa, Va und VIa des Periodensystems gehören, und
(b) den festen Lösungen
dieser.
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Die
Zwischenschicht umfasst eine Schicht umfassend wenigstens ein Mitglied,
gewählt
aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid und deren
festen Lösungen.
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Die
Außenschicht
umfasst eine Schicht aus Titancarbonitrid mit einer säulenartigen
Struktur und eine Schicht, umfassend wenigstens ein Mitglied, gewählt aus
der Gruppe bestehend aus (a) den Carbiden, Nitriden, Boriden und
Oxiden der Elemente, welche zu den Gruppen IVa, Va und VIa des Periodensystems
gehören,
(b) den festen Lösungen
dieser, und (c) Aluminiumoxid.
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Bezüglich der
Flächenrauhigkeit,
welche in einem Querschnitt erhalten wird, der die Struktur des
beschichteten Hartmetalls zeigt, erfüllt die Beziehung zwischen "Amax", welches die maximale
Rauhigkeit an der Außenfläche (Zwischenfläche) der
Zwischenschicht angibt, und "Bmax", welches die maximale
Rauhigkeit in der Außenfläche (der
Zwischenfläche)
der Schicht aus Titancarbid, welche eine säulenartige Struktur an der Außenschicht
aufweist, angibt, die Gleichung 1. Es ist wünschenswerter, dass die Beziehung
die Gleichung 2 erfüllt. (Bmax/Amax) < 1 Gleichung 1,wobei
0,5 μm < Amax < 4,5 μm, und 0,5 μm ≦ Bmax ≦ 4,5 μm. (Bmax/Amax) < 0,8 Gleichung 2.
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Die
Flächenrauhigkeit
wird durch das folgende Verfahren gemessen: Ein Querschnitt senkrecht
zu der Flanke des Werkzeuges wird spiegelpoliert. Eine Aufnahme,
wie in 1 dargestellt, wird mit einem optischen Mikroskop
mit einer Leistung von 1500 aufgenommen. Die Einheitsbewertungslänge in einem
Messbereich beträgt
0,02 mm. Der Unterschied zwischen der maximalen Peakhöhe und der
minimalen Peakhöhe
in der Einheitsbewertungslänge
wird in der vorliegenden Erfindung als die maximale Rauhigkeit definiert.
Die maximale Rauhigkeit an der Außenfläche der Zwischenschicht und
die maximale Rauhigkeit an der Außenfläche der Schicht aus TiCN mit
einer säulenartigen
Struktur in der Außenschicht,
wird in fünf
unterschiedlichen Gesichtsbereichen gemessen, um die jeweiligen
Mittelwerte zu erhalten. Der Mittelwert wird als der Wert der maximalen Rauhigkeit
verwendet, um die Gleichung 1 zu berechnen. Da das herkömmliche
Testverfahren nicht geeignet ist, um die Flächenrauhigkeit an der Zwischenfläche zu messen,
wird das oben beschriebene Verfahren in der vorliegenden Erfindung
eingesetzt.
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Wenn
Titancarbonitrid, welches eine hohe Verschleißbeständigkeit aufweist, als Außenschicht
verwendet wird, wird die Temperatur des gesamten Werkzeugs hoch,
wenn das Werkzeug zum Schneiden in einem Hochtemperaturbereich verwendet
wird, wie beim Schneiden mit hoher Geschwindigkeit, da Titancarbonitrid
eine hohe thermische Leitfähigkeit
aufweist. Als ein Ergebnis verformt sich das Hartmetall als das
Basismaterial plastisch, erhöht
die Schneidbeständigkeit
und führt
daher zum Bruch. Um dieses Problem zu lösen, ist es möglich, eine
dicke Zwischenschicht, welche aus Aluminiumoxid oder Zirkoniumoxid
hergestellt ist, die beide eine niedrige thermische Leitfähigkeit
aufweisen, zwischen dem Hartmetall und dem Titancarbonitrid bereitzustellen.
Das vorgenannte Oxid und das Titancarbonitrid weisen jedoch eine
niedrige Festigkeit für
das bzw. beim gegenseitigen Binden auf. Wird daher ein herkömmliches
Beschichtungsverfahren verwendet, wird die Zwischenschicht während der
Verwendung abplatzen. Eine dicke Zwischenschicht weist eine höhere Größenordnung
der Flächenrauhigkeit
auf und diese große
Größenordnung
neigt dazu, an die Außenschicht übertragen
zu werden, wodurch das beschichtete Hartmetall eine Außenschicht
mit einer hohen Flächenrauhigkeit aufweist.
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Die
vorliegenden Erfinder haben Mittel untersucht, um dieses Problem
zu lösen
und schließlich
die vorliegende Erfindung vervollständigt. Um in der vorliegenden
Erfindung die Bindefestigkeit zwischen der Zwischenschicht und der
Außenschicht
zu erhöhen,
wird die Flächenrauhigkeit
der Zwischenschicht erhöht.
Der Bereich für
das Verbinden mit der Außenschicht
wird daher erhöht
und die Ankerwirkung gesteigert. Zusätzlich wird, um die Flächenrauhigkeit
der Außenschicht
zu reduzieren, ein Titancarbonitrid mit einer säulenartigen Struktur mit einer
spezifischen Kristallorientierung in der Außenschicht verwendet.
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Die
Erfinder haben herausgefunden, dass, wenn Aluminiumoxid in der Zwischenschicht
nach der Bildung abgekühlt
wird, Risse in der Zwischenschicht in einer senkrechten Richtung
zu der Schicht auftreten. Die Risse reduzieren die Zugspannungen
in der Zwischenschicht und ermöglichen,
dass z.B. TiN in der Außenschicht
in die Risse eindringt, so dass eine stärkere Ankerwirkung erzielt
werden kann.
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Wie
aus 1 deutlich wird, ist die maximale Rauhigkeit an
der Zwischenfläche
zwischen dem Aluminiumoxid in der Zwischenschicht und dem Titancarbonitrid
in der Außenschicht
groß.
Auf der anderen Seite ist die maximale Rauhigkeit an der Oberfläche der
Außenschicht
gering. Dieses Phänomen
wird in den Gleichungen 1 und 2 ausgedrückt. Die Titancarbonitridschicht
mit solch einer spezifischen Eigenschaft kann nicht durch herkömmliche Verfahren
erhalten werden. Die Schicht kann nur erzielt werden, wenn die Verwendung
einer organischen Verbindung mit einer CN-Basis die Wachstumsrate
der Kristalle beschleunigt, und eine spezifische Kristallorientierung
erzeugt.
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Bezüglich der
Innenschicht können
verschiedene Verbindungen verwendet werden, die eine höhere Bindefestigkeit
mit dem Oxid, welches die Zwischenschicht bildet, aufweisen, als
das Hartmetall besitzt. Diese Praxis ist nicht ungewöhnlich.
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Die
obige Aussage kann wie folgt zusammengefasst werden:
- (a) Zunächst
wird die Oberfläche
eines Hartmetalls mit einer Innenschicht beschichtet. Zweitens wird
die Innenschicht mit einer Zwischenschicht beschichtet, bestehend
aus einer Oxidschicht, welche eine ausgezeichnete chemische Stabilität und Wärmebeständigkeit
aufweist und eine grobe Korngröße besitzt.
Drittens wird die Zwischenschicht mit einer Außenschicht beschichtet, einschließlich einer
Schicht aus Titancarbonitrid mit einer säulenartigen Struktur (eine
Kristallstruktur mit einem säulenartigen
Aufbau) auf solch eine Weise, dass die Flächenungleichmäßigkeit
der Zwischenschicht durch die Außenschicht absorbiert werden
kann. 2 zeigt die säulenartige
Struktur in der Außenschicht.
Diese Aufnahme zeigt einen gebrochenen Bereich eines geschichteten
Hartmetalls.
- (b) Die Flächenungleichmäßigkeit
wird absichtlich auf der Oberfläche
der Oxidschicht in der Zwischenschicht gebildet, so dass die Bindefestigkeit
zwischen dem Aluminiumoxid in der Zwischenschicht und der Außenschicht
erhöht
wird. Das herkömmliche
Verfahren war nicht geeignet, um eine hohe Bindefestigkeit zwischen
den beiden Schichten bereitzustellen.
- (c) Eine Verringerung der Flächenungleichmäßigkeit
der Außenschicht
kann die Verschleißbeständigkeit, Beständigkeit
gegen Absplittern und Anschweißen
der gesamten Schicht verbessern, wobei die ausgezeichneten Eigenschaften
für einen
langen Zeitraum beibehalten werden.
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Die
einzelnen Schichten weisen die folgenden Beschränkungen hinsichtlich der Dicke
auf: Es ist wünschenswert,
dass die Innenschicht eine Dicke von 0,1 bis 10 μm aufweist. Ist sie dicker als
10 μm, verringert sich
die Festigkeit. Ist die Dicke geringer als 0,1 μm, kann keine Wirkung erwartet
werden. Es ist wünschenswert,
dass die Zwischenschicht eine Dicke von 1,5 bis 20 μm aufweist.
Ist die Dicke geringer als 1,5 μm,
kann die thermische Leitfähigkeit
nicht unterdrückt
werden. Beträgt
die Dicke mehr als 20 μm,
neigt die Festigkeit dazu, sich zu verringern, und verkürzt die
Lebensdauer des Werkzeuges. Es ist wünschenswerter, dass die Zwischenschicht
eine Dicke von 5 bis 15 μm
aufweist. Es ist wünschenswert,
dass die Außenschicht
eine Dicke von 2 bis 30 μm
besitzt. Beträgt
die Dicke weniger als 2 μm,
kann die Flächenungleichmäßigkeit
der Zwischenschicht nicht wirksam verringert werden. Beträgt die Dicke
mehr als 30 μm,
wird die Flächenungleichmäßigkeit der
Außenschicht
selbst größer als
die Ungleichmäßigkeit
der Zwischenschicht. Es ist wünschenswert,
dass die Außenschicht
eine Dicke von 5 bis 20 μm
aufweist.
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Um
die Flächenungleichmäßigkeit
der Zwischenschicht zu verringern, ist es wünschenswert, dass die Schicht
aus Titancarbonitrid, welche eine säulenartige Struktur in der
Außenschicht
aufweist, den größten Wert des
orientierten Texturkoeffizienten TC an einer der (220)-, (311)-,
(331)- und (422)-Ebenen aufweist, und dass der größte Wert
nicht weniger als 1,3 und nicht mehr als 3,5 beträgt. Es ist
noch wünschenswerter,
dass die TCs an der (311) und (422) Ebene gleichzeitig nicht weniger
als 1,3 und nicht mehr als 3,5 betragen. In der obigen Aussage wird
der orientierte Texturkoeffizient TC durch die Gleichung 3, welche
nachfolgt, definiert.
wobei
I(hkl)
und I(h
xk
yl
z): die gemessenen Beugungsintensitäten an den
(hkl)- bzw. I(h
xk
yl
z)-Ebenen,
I
0(hkl) und I
0(h
xk
yl
z):
der Mittelwert der Pulverbeugungsintensitäten von TiC und TiN an den
(hkl)- und (h
xk
yl
z)-Ebenen gemäß des ASTM-Standard, und
(hkl)
und (h
xk
yl
z): acht Ebenen von (111), (200), (311),
(331), (420), (422) und (511).
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Der
orientierte Texturkoeffizient TC der Schicht aus Titancarbonitrid,
welche eine säulenartige
Struktur aufweist, wird aus dem Beugungspeak der Röntgenbeugung
erhalten. In diesem Fall überlappt
sich der Beugungspeak an der (311)-Ebene von TiCN mit dem der (111)-Ebene
von WC in dem Basismaterial. Daher wird der Wert durch das folgende
Verfahren korri giert: Es ist bekannt, dass die Peakintensität der (111)-Ebene
von WC 25% von der der (101)-Ebene von WC beträgt, dem höchsten Peak in WC. (Der Peak
der (101)-Ebene von WC wird als (A) in 3 dargestellt.)
Demzufolge wird die wahre Peakintensität der (311)-Ebene von TiCN erhalten, indem der Wert
abgezogen wird, welcher aus einer Multiplikation der Peakintensität der (101)-Ebene von
WC mit 0,25 (der abgeleitete Wert entspricht der Peakintensität der (111)-Ebene
von WC) von der scheinbaren Peakintensität der (311)-Ebene von TiCN erhalten wird. 3 zeigt
ein Bild der Beugungspeaks, welche an dem Werkzeug Nr. 10 der Beispiele
erhalten wurde.
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Wenn
der orientierte Texturkoeffizient der Schicht aus Titancarbonitrid,
welcher eine säulenartige Struktur
aufweist, so festgelegt wird, dass er in die vorgenannten Grenzen
fällt,
kann ein beschichtetes Hartmetall, welches die in Gleichung 1 ausgedrückte Beziehung
erfüllt,
einfach erhalten werden, mit verbesserter Beständigkeit gegen Verschleiß, Absplittern
und Verschweißen
und mit ausgezeichneten Eigenschaften.
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Die
Titancarbonitridschicht kann z.B. unter Verwendung von TiCl4, organischem Carbonitrid, Wasserstoffgas
und Stickstoffgas durch ein Verfahren bei einer Temperatur von 700
bis 1000°C
und einem Druck von nicht mehr als 667 kPa gebildet werden. Insbesondere,
wenn CH3CN als eine Quelle von Kohlenstoff
und Stickstoff verwendet wird, wird die Erzeugung von säulenartigen
Kristallkörnern
des TiCN erleichtert. In diesem Fall ist ein wünschenswertes Verfahren wie
folgt: Das Herstellungsverfahren wird in zwei Verfahren unterteilt: die
erste Hälfte
und die zweite Hälfte.
In der ersten Hälfte
wird das Verhältnis "(TiCl4 +
CH3CN)/gesamtes Gasvolumen" so gesteuert, dass
es kleiner ist als das der zweiten Hälfte, und das Verhältnis "N2/totales
Gasvolumen" wird
gesteuert, so dass es das Zweifache oder Mehrfache von dem der zweiten
Hälfte
beträgt.
Es ist wünschenswert,
dass die Titancarbonitridschicht eine Dicke von weniger als 10 μm aufweist.
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Es
ist wünschenswert,
dass die Zwischenschicht praktisch auf einem Aluminiumoxid vom α-Typ besteht,
um die mechanische Festigkeit zu erhöhen. Es ist des Weiteren wünschenswert,
dass das Aluminiumoxid vom α-Typ
einen orientierten Texturkoeffizienten TCa(012) von mehr als 1,3
aufweist. In diesem Fall wird der orientierte Texturkoeffizient
TCa in der nachfolgenden Gleichung 4 definiert.
wobei
I(hkl)
und I(h
xk
yl
z): die gemessenen Beugungsintensitäten an den
(hkl)- bzw. I(h
xk
yl
z)-Ebenen,
I
0(hkl) und I
0(h
xk
yl
z):
die Pulverbeugungsintensitäten
des Aluminiumoxids vom α-Typ
an den (hkl)- bzw. (h
xk
yl
z)-Ebenen gemäß des ASTM-Standards, und
(hkl)
und (h
xk
yl
z): sechs Ebenen von (012), (104), (110),
(113), (024) bzw. (116).
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In 3 können die
Beugungspeaks von Aluminiumoxid kaum bemerkt werden. Wenn die Außenschicht
jedoch entfernt wird, treten sie deutlich auf.
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Es
ist des Weiteren wünschenswert,
dass TCa(104) und TCa(116) gleichzeitig 1,3 überschreiten. Solch eine Spezifizierung
des orientierten Texturkoeffizienten kann die folgenden Wirkungen
erzeugen, welche die Beständigkeit
des Werkzeuges gegenüber
Abplatzen verbessern:
- (a) Verbesserung der
mechanischen Festigkeit der Oxidschicht in der Zwischenschicht;
- (b) Beschleunigung des Vergröberns
der Kristallkörner
der Zwischenschicht; und
- (c) Verbesserung der Festigkeit der mechanischen Verbindung
zwischen der Zwischenschicht und der Außenschicht.
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Diese
Wirkungen ermöglichen,
dass das Werkzeug die ausgezeichneten Eigenschaften der chemischen
Stabilität
bei hohen Temperaturen und der Wärmebeständigkeit
zeigt, wodurch die Lebensdauer des Werkzeuges erhöht wird.
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Die
Kontrolle des orientierten Texturkoeffizienten des Aluminiumoxids
kann z.B. auf die folgende Weise durchgeführt werden: zunächst werden
einzelne Schichten bis zu der Schicht unmittelbar unter dem Aluminiumoxid
gebildet. Zweitens wird die Beschichtung einer CO2-Atmosphäre bei einem
Druck von 0,4 bis 0,8 hPa ausgesetzt, um einen Teil der Oberfläche der
Beschichtung leicht zu oxidieren. Drittens wird die Aluminiumoxidschicht
bei 1000 bis 1200°C,
vorzugsweise bei 1050 bis 1150°C,
auf der Oberfläche
der Beschichtung gebildet. Durch dieses Verfahren wird eine Aluminiumoxidschicht
vom α-Typ
unabhängig
von der Herstellungstemperatur der Aluminiumoxidschicht gebildet.
Bei diesem Verfahren ermöglicht
die Auswahl der Oxidierbedingungen für die Oberfläche der
Schicht unmittelbar unter der Aluminiumoxidschicht die Kontrolle
des orientierten Texturkoeffizienten des Aluminiumoxids.
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Der
orientierte Texturkoeffizient kann auch gesteuert werden, indem
die Dicke der Aluminiumoxidschicht unter den gleichen Oxidationsbedingungen
geändert
wird.
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Zusätzlich zu
der oben beschriebenen Ausführung
hinsichtlich des Aufbaus der einzelnen Schichten kann die Lebensdauer
des Werkzeuges weiter verlängert
werden, wenn die Beschichtung poliert wird, um die Oberflächenrauhigkeit
weiter zu verringern, so dass die Oberflächenrauhigkeit "Cmax" der äußersten
Oberfläche
der Beschichtung die Gleichung 5 erfüllt. Auch wenn diese Oberflächenverbesserung
nur auf die Schnittkante ausgeübt
wird, kann die Lebensdauer des Werkzeuges weiter verlängert werden. Cmax/Bmax < 0,5 Gleichung 5.
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Es
ist bevorzugt, dass das Hartmetall als das Basismaterial aus einem
Hartmetall hergestellt wird, welche umfasst (a) eine harte Phase,
umfassend Wolframcarbid als Hauptbestandteil und wenigstens ein
Mitglied, gewählt
aus der Gruppe bestehend aus den Carbiden, Nitriden und Carbonitriden
der Metalle, welche zu der Gruppe IVa, Va und VIa des Periodensystems
gehören,
und (b) eine Bindemittelphase, umfassend wenigstens ein Mitglied
der Metalle, welche zu der Eisengruppe gehören.
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Zusätzlich zu
dem vorgenannten Hartmetall kann eine Thermet-Legierung, welche
umfasst (a) eine harte Phase, umfassend Titancarbonitrid als Hauptbestandteil
und wenigstens ein Mitglied, gewählt
aus der Gruppe bestehend aus (a1) den Carbiden, Nitriden und Carbonitriden
der Metalle, welche zu der Gruppe IVa, Va und VIa des Periodensystems
gehören,
und (a2) den festen Lösungen
dieser und (b) eine Bindemittelphase, umfassend wenigstens ein Mitglied
der Metalle, welche zu der Eisengruppe gehören, ohne Probleme als das
Hartmetall verwendet werden.
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Diese
Hartmetalle können
eine Eigenschaft bereitstellen, wobei die Beständigkeit gegenüber Verschleiß und die
Beständigkeit
gegenüber
Absplittern besonders gut ausgeglichen sind, wodurch die Lebensdauer
des Werkzeuges erhöht
wird.
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In
dem Fall, dass das Hartmetall, welches Wolframcarbid als Hauptbestandteil
aufweist, als Basismaterial verwendet wird, kann, wenn das Hartmetall
in dem Oberflächenbereich
eine Schicht aufweist, in welcher die harte Phase mit Ausnahme von
Wolframcarbid reduziert wird oder entfernt wird (eine Schicht mit
verringerter Hartphase) und wenn die Schicht ge scheuert wird, um
eine Dicke von 50 μm
oder weniger aufzuweisen, kann die Beständigkeit gegenüber Absplittern
weiter erhöht
werden.
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Wenn
die Dicke der Schicht mit reduzierter Hartphase 50 μm überschreitet,
neigt der Oberflächenbereich
des Basismaterials dazu, sich während
der Schneidarbeit plastisch oder elastisch zu verformen. Die Schicht
mit reduzierter Hartphase kann entweder durch ein gut bekanntes
Verfahren gebildet werden, unter Verwendung eines stickstoffhaltigen
Hartphasenmaterials oder durch ein anderes Verfahren, wobei eine
Atmosphäre
mit zugegebenem Stickstoff für
die Periode mit ansteigender Temperatur des Sinterverfahrens bereitgestellt
wird. Nach dem Auftreten einer flüssigen Phase in der Hartphase
wird die Atmosphäre
in eine denitrierte und decarbonisierte Atmosphäre geändert.
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Einfache Erläuterung
der Zeichnungen
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In
den Zeichnungen zeigt:
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1 eine
Aufnahme, welche einen polierten Querschnitt des Hartmetalls der
vorliegenden Erfindung darstellt;
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2 eine
Aufnahme, welche einen gebrochenen Bereich des beschichteten Hartmetalls
der vorliegenden Erfindung darstellt; und
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3 eine
Röntgenbeugungsaufnahme
des beschichteten Hartmetalls der vorliegenden Erfindung.
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Beste Weise zur Durchführung der
Erfindung
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Die
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird im Detail an den nachfolgenden Beispielen
erläutert.
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Ausführungsform
1
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Ein
Hartmetallwerkzeug (Typ: CNMG120408), bestehend aus 92 Gew.-% WC,
2 Gew.-% TiC und 6 Gew.-% Co, wurde als das Hartmetallbasismaterial
hergestellt. Das Basismaterial wurde in eine CVD-Vorrichtung eingeführt. Die
Vorrichtung wurde evakuiert und auf eine Temperatur von 900°C erwärmt. Ein
gemischtes Gas aus 3% TiCl4, 20% Stickstoff
und Wasserstoff als Rest in Bezug auf das Volumen wurde in die Vorrichtung eingeführt, um
eine TiN-Schicht mit 3 μm
Dicke auf dem Basismaterial zu bilden. Anschließend wurde ein gemischtes Gas
aus 1,5% AlCl4, 0,2% H2S,
4% CO2 und Wasserstoff als Rest in Bezug
auf das Volumen in die CVD-Vorrichtung, welche auf 1000°C erwärmt wurde,
eingeführt
um eine Aluminiumoxidschicht als eine Zwischenschicht mit einer
Dicke 5 μm
zu bilden.
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Die
direkte Bildung einer Titancarbonitridschicht auf der Zwischenschicht
neigt dazu, das Abplatzen zu erleichtern. Um diese Tendenz zu vermeiden,
wurde zunächst
eine Titannitridschicht mit 0,5 μm
Dicke gebildet, indem ein gemischtes Gas aus 1,5% TiCl4,
20% N2 und Wasserstoff als Rest, in Bezug
auf das Volumen, bei 950°C
in die CVD-Vorrichtung eingeführt
wurde. Auf diese Schicht wurde eine 6 μm dicke Schicht aus Titancarbonitrid
mit einer säulenartigen
Struktur gebildet. Die Schicht wurde gebildet, indem ein gemischtes
Gas aus 2,5% TiCl4, 0,5% Acetonitril, 25%
N2 und Wasserstoff als Rest in Bezug auf
das Volumen bei einem Druck von 70 hPa und einer Temperatur von
900°C behandelt
wurde. Anschließend
wurde eine 1 μm
dicke TiN-Schicht auf dieser Schicht, unter den gleichen Bedingungen
wie in dem Fall der inneren Schicht, gebildet. In der vorliegenden
Erfindung ist es wünschenswert,
dass die Art der Schicht geändert
wird, indem die CVD-Vorrichtung evakuiert wird, um den Einfluss
des Gases auszuschließen,
welches in der vorangehenden Stufe verwendet wurde. Sobald sie der
Atmosphäre
ausgesetzt ist, absorbiert die Oberflächenschicht Sauerstoff und
andere Gase in der Atmosphäre,
und ein bevorzugtes Ergebnis kann nicht erhalten werden. Die innere
Schicht, Zwischenschicht und die Außenschicht wurden daher ohne
Unterbrechung gebildet.
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Ein
beschichtetes Hartmetall, welches so erhalten wurde, wurde zerbrochen,
und die Struktur an dem gebrochenen Bereich ist in 2 dargestellt.
Eine Schicht, einschließlich
einer säulenartigen
Struktur, kann in der Außenschicht
festgestellt werden. Die Probe wurde geschnitten und poliert, um
die maximale Rauhigkeit an der Außenfläche in den spezifischen Schichten
zu messen. Die gemessenen Ergebnisse zeigten, dass Amax 2 μm betrug
und Bmax 1,5 μm
betrug.
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Ausführungsform
2
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Ein
Hartmetallwerkzeug (Typ: WNMG120408), bestehend aus 85 Gew.-% WC,
5 Gew.-% TiCN und 10% Co, mit einer Schicht mit einer reduzierten
Hartphase an der Oberfläche,
wurde als ein Hartmetalibasismaterial hergestellt. Das Basismaterial
wurde in eine CVD-Vorrichtung
eingeführt.
Die Vorrichtung wurde evakuiert und auf eine Temperatur von 1050°C erwärmt. Ein
gemischtes Gas aus 2,5% ZrCl4, 25% Stickstoff
und Wasserstoff als Rest in Bezug auf das Volumen wurde in die Vorrichtung
eingeführt,
um eine ZrN-Schicht mit 0,5 μm
Dicke auf dem Basismaterial zu bilden. Anschließend wurde ein gemischtes Gas
aus 1% AlCl4, 0,5% ZrCl4,
0,2% H2S, 4% CO und Wasserstoff als Rest
in Bezug auf das Volumen in die CVD-Vorrichtung, welche auf 1000°C erwärmt wurde,
eingeführt,
um eine Zwischenschicht zu bilden, welche aus einer festen Lösung aus
Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid bestand, mit einer Dicke von 10 μm.
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Die
direkte Bildung einer Titancarbonitridschicht auf der Zwischenschicht
neigt dazu, das Abspalten zu erleichtern. Um diese Tendenz zu vermeiden,
wurde zunächst
eine Zirkoniumcarbidschicht mit 1,5 μm Dicke gebildet, indem ein
gemischtes Gas aus 1,5% ZrCl4, 3,5% CH4 und Wasserstoff als Rest in Bezug auf das
Volumen in eine schichtbildende Kammer bei 1100°C eingeführt wurde. Auf dieser Schicht
wurde eine 15 μm
dicke Schicht aus Titancarbonitrid mit einer säulenartigen Struktur gebildet.
Die Schicht wurde gebildet, indem ein gemischtes Gas aus 2,5% TiCl4, 0,5% Tolunitril, 25% N2 und
Wasserstoff als Rest in Bezug auf das Volumen bei einem Druck von
150 hPa und einer Temperatur von 850°C behandelt wurde.
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Das
erhaltene beschichtete Hartmetall wies eine Außenschicht mit einer säulenartigen
Struktur aus Titancarbonitrid auf. Die Oberfläche der Außenschicht wies eine maximale
Rauhigkeit Bmax von 1,5 μm
auf; die Außenfläche der
Zwischenschicht wies eine maximale Rauhigkeit Amax von 2,2 μm auf. Zusätzlich zu
diesem Werkzeug wurden andere Werkzeuge hergestellt, deren Außenschicht
mit VN oder CrN beschichtet war. Die erhaltenen Ergebnisse waren
den oben beschriebenen Ergebnissen ähnlich.
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Ausführungsform
3
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Als
ein Material für
ein Hartmetallbasismaterial wurde ein Pulver für ein Hartmetall, bestehend
aus 84 Gew.-% WC, 4 Gew.-% TiC, 2 Gew.-% ZrC, 2 Gew.-% NbC und 8
Gew.-% Co, gepresst. Der gepresste Körper wurde in einem Vakuum
bei einer Temperatur von 1400°C
für eine
Stunde gesintert. Der gesinterte Körper wurde einem Oberflächenpolieren
und einer Schnittkantenbehandlung unterworfen. Auf diese Weise wurde
ein Hartmetallbasismaterial hergestellt, bestehend hauptsächlich aus
Wolframcarbid und mit einer Form gemäß ISO CNMG120408. Auf der Oberfläche dieses
Basismaterials wurde eine harte Beschichtung unter Verwendung des
CVD-Verfahrens gebildet.
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Tabelle
I zeigt die herkömmlichen
Herstellungsbedingungen für
die Beschichtungen, welche in der vorliegenden Erfindung verwendet
wurden. In den nachfolgenden Beispielen wurden die Schichten gebildet,
wobei nur die Beschichtungsdauer gemäß den in Tabelle I dargestellten
Bedingungen gesteuert wurde, es sei denn, es ist anders angegeben. Tabelle I
| Probe Nr. | Zusammensetzung
der harten Beschichtung | Zusammensetzung
des Reaktionsgases (Vol.-%) | Druck
(hPa) | Temperatur
(°C) |
| 1 | TiN | TiCl4: 2%; N2: 25%; H2: Rest | 133 | 950 |
| 2 | TiCN | TiCl4: 2%; CH4: 4%; N2: 20%; H2: Rest | 200 | 950 |
| 3 | TiCN
mit säulenartiger
Struktur | TiCl4: 2%; CH3CN: 0,6%;
N2: 20%; H2: Rest | 67–200 | 800–950 |
| 4 | TiC | TiCl4: 2%; CH4: 5%; H2: Rest | 133 | 1050 |
| 5 | TiBN | TiCl4: 2%; BCl3: 5%;
N2: 5%; H2: Rest | 133 | 950 |
| 6 | TiCNO | TiCl4: 2%; CO: 3%; N2:
5%; H2: Rest | 133 | 950 |
| 7 | Al2O13 | AlCl4: 2%; CO2: 5%; H2: Rest | 67 | 1050 |
| 8 | ZrO2 | ZrCl4: 2%; CO2: 4%; H2: Rest | 200 | 1100 |
| 9 | αAl2O13 | AlCl4: 1%; H2S: 0,3%;
CO2: 3,5%; H2: Rest | 67–200 | 1050–1150 |
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Tabelle
II zeigt den Aufbau und die Dicke der inneren Schichten der verschiedenen
Proben. Tabelle III zeigt den Aufbau, die Dicke und die orientierten
Texturkoeffizienten der Aluminiumoxide vom α-Typ der Zwischenschichten.
Tabelle IV zeigt den Aufbau, die Dicke und die orientierten Texturkoeffizienten
der Titancarbonitride der Außenschichten.
In der Spalte "Zusammensetzung
und mittlere Schichtdicke" in
den Tabellen II bis IV liegt die Schicht auf der linken Seite auf
der Seite des Basismaterials; die Schicht auf der rechten Seite
liegt auf der Oberflächenseite.
Tabelle V zeigt die Werkzeugproben, hergestellt durch kontinuierliches
Laminieren der Innenschicht, der Zwischenschicht und der Außenschicht,
jeweils mit verschiedenen Arten des Aufbaus. Eine Aufnahme eines
Beispiels eines Querschnittes ist in 1 dargestellt. 1 ist
eine Aufnahme eines Querschnitts des Werkzeugs Nr. 10 in Tabelle
V. Tabelle IV zeigt, dass sich die Oberflächenrauhigkeit der Werkzeugproben
durch mechanisches Polieren der Oberfläche einiger der beschichteten
harten Metallproben der vorliegenden Erfindung, welche in Tabelle
V aufgelistet sind, verringerte. Die Arten der Verfahren des Polierverfahrens
umfassen Trommelpolieren, Polieren, Glätten unter Verwen dung eines
elastischen Mahlsteines, Bürstenhonen
und Läppen
unter Verwendung von schleifenden Diamantkörnern.
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Die
Oxidschicht (die Aluminiumoxidschicht) in der Zwischenschicht der
vorliegenden Erfindung wurde unter Verwendung von Aluminiumchlorid
und Kohlenstoffdioxid als Hauptmaterialgase gebildet und Verarbeiten
dieser bei 1050°C.
Auf diese Weise wurden der orientierte Texturkoeffizient und die
Korngröße der Aluminiumoxidschicht
kontrolliert.
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Die
Schicht aus Titancarbonitrid mit einer säulenartigen Struktur in der
Außenschicht
wurde gebildet unter Verwendung einer organischen CN-Verbindung,
wie Acetonitril, Tolunitril, Acrylonitril und Butylnitril, und Titantetrachlorid
als Hauptreaktionsgase und durch Verarbeiten dieser bei 890°C. Auf diese
Weise wurden Titancarbonitridschichten mit säulenartigen Strukturen, unterschiedlichen
orientierten Texturkoeffizienten und verringerter Oberflächenrauhigkeit
gebildet. Tabelle II
| Probe
Nr. | Aufbau der
Innenschicht |
| Zusammensetzung
und mittlere Schichtdicke (Schichtdicke jeder Zusammensetzung: μm) | Gesamte
Dicke der Schichten (μm) |
| I | TiN
(1) | 1,0 |
| II | TiN
(2)/TiCN mit säulenartiger
Struktur (3)/TiCNO (1) | 6,0 |
| III | TiN
(1)/TiCN mit säulenartiger
Struktur (2)/TiCNO (1) | 4,0 |
| IV | TiN
(1)/TiCN (5)/TiCNO (1) | 8,0 |
Tabelle III
| | | Aufbau der
Innenschicht |
| Probe Namen | Zusammensetzung und mittlere Schichtdicke
(Schichtdicke
jeder Zusammensetzung: μm) | Gesamte Dicke der Schichten
(μm) | Orientierter
Texturkoeffizient des α-Al2O3-Typs |
| (012) | (104) | (116) |
| ※1 | A | α-Typ Al2O3 (2) | 2,0 | 1,5 | 0,8 | 1,0 |
| B | α-Typ Al2O3 (5) | 5,0 | 1,2 | 2,0 | 1,8 |
| C | α-Typ Al2O3 (3)/ZrO2 (10) | 13,0 | 1,8 | 0,9 | 1,5 |
| D | Al2O3 (10) | 10,0 | – | – | – |
| E | ZrO2 (18) | 18,0 | – | – | – |
| ※2 | F | α-Typ Al2O3 (8) | 8,0 | 0,9 | 0,7 | 1,2 |
| G | α-Typ Al2O3 (25) | 25,0 | 1,4 | 0,8 | 1,4 |
| H | ZrO2 (1) | 1,0 | – | – | – |
- ※1: Schichtaufbau, welcher in
den Proben der vorliegenden Erfindung verwendet wurde (Probe A bis
E)
- ※2: Schichtaufbau, welcher in den Vergleichsproben
(Probe F bis H) verwendet wurde.
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Die
oben beschriebenen Proben wurden einer Überprüfung der Leistung unterworfen
unter den folgenden Schneidbedingungen:
Werkstück: Ein
SCM415-runder Stab mit Nuten
Schneidgeschwindigkeit: 400 m/min
Zuführung: 0,30
mm/U
Tiefe des Schnitts: 1,5 mm
Schneidöl: nicht
verwendet
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Die
Ergebnisse der Überprüfung sind
in Tabellen V und VI dargestellt. Unter der Spalte "Zustand des Kolkverschleißes" in diesen Tabellen
sind das Maß des
Schweißens
und der Zustand der Beschädigung
auf der "Fläche" des Werkzeuges dargestellt.
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Die
Ergebnisse zeigen, dass die Proben der vorliegenden Erfindung eine überragende
Beständigkeit gegenüber Verschleiß und gegenüber Schweißen (Kolkverschleiß) aufweisen,
eine erhöhte
Beständigkeit
gegenüber
Absplittern und Abplatzen zeigen und daher eine lange Lebensdauer
als ein Werkzeug, im Vergleich mit den Vergleichsproben zeigen.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Wie
oben beschrieben, wenn das beschichtete Hartmetall der vorliegenden
Erfindung für
ein Schneidwerkzeug verwendet wird, zeigt das Werkzeug ausgezeichnete
Beständigkeit
gegenüber
Verschleiß,
gegenüber
Absplittern, gegenüber
Schweißen
und gegenüber
Abplatzen, wodurch gezeigt wird, dass das Werkzeug für sehr wirkungsvolle
Arbeit und Trockenverarbeitung geeignet ist. Als ein Resultat kann
die Lebensdauer des Werkzeuges dramatisch ohne Veränderung
verlängert
werden.
