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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Schneidwerkzeug, dessen Werkzeuggrundkörper aus
einer Keramik gebildet ist und welches als eine Wendeschneidplatte,
ein Schaftfräser,
ein Bohrer oder ähnliches
verwendet werden kann, und insbesondere ein Schneidwerkzeug, bei
dem ein Oberflächenüberzug auf
dem aus Keramik gebildeten Werkzeuggrundkörper vorgesehen ist, um den
Verschleißwiderstand
zu erhöhen.
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Üblicherweise
sind harte Materialien wie zum Beispiel aufgekohlter und abgeschreckter
Stahl, Formstahl und Werkzeugstahl mittels eines Schleifsteins geschliffen
worden. Schleifen hat jedoch ein Problem geringer Bearbeitungseffizienz
zur Folge. Um daher eine Bearbeitung bei Hochgeschwindigkeit durchzuführen, sind
Versuche unternommen worden, das Schleifen durch Schneiden mittels
eines cBN (kubisches Bornitrid)-Werkzeuges
oder eines Keramikwerkzeuges, welches aus Aluminiumoxid-Titancarbid
Verbundkeramik gebildet ist, zu ersetzen. In letzter Zeit sind cBN-Werkzeuge
oft verwendet worden, weil eine Aluminiumoxid-Titancarbid Verbundkeramik
eine kurze Standzeit und eine geringe Zuverlässigkeit besitzt und mit einer
weiteren Zunahme der Schnittgeschwindigkeit nicht mithalten kann.
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Obgleich
cBN-Werkzeuge eine exzellente Schnittleistung erreichen, sind sie
sehr teuer, da cBN-Werkzeuge durch Verwendung einer Superhochdrucktechnik
wie im Falle von künstlichem
Diamant hergestellt werden, wodurch die allgemeine Verbreitung von
cBN-Werkzeugen gehemmt wird. Daher sind unterschiedliche Keramikwerkzeuge
vorgeschlagen worden, welche weniger teuer sind und eine Leistungsfähigkeit
schaffen, welche mit jener von cBN-Werkzeugen beim Hochgeschwindigkeitsschneiden
vergleichbar sind. Zum Beispiel offenbaren die japanischen Offenlegungsschriften
(Kokai) Nr. 4–289002,
5–69205
und 7-136810 Techniken zum
Verbessern des Verschleißwiderstandes
und des Bruchwiderstandes eines Keramikwerkzeuges, indem eine Überzugsschicht
aus Titancarbid oder Titannitrid auf der Oberfläche des Keramikgrundteiles
durch CVD (Chemical Vapour Deposition – Chemische Abscheidung aus
der Gasphase) gebildet wird.
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Bei
den in den oben erwähnten
Veröffentlichungen
offenbarten Techniken kann wegen einer unzureichenden Berücksichtigung
der Restspannung, welche bei dem Überzugsfilm während dessen
Herstellung aufgebaut wird, eine große Verbesserung in der Leistungsfähigkeit
jedoch nicht erwartet werden. Das heißt, beim CVD-Verfahren wird
eine Überzugsschicht
bildende Substanz auf der Oberfläche
eines Keramikbasisteiles abgeschieden, während es durch eine chemische
Reaktion eines gasförmigen
Ausgangsmaterials synthetisiert wird. Diese Reaktion wird typischerweise
bei einer hohen Temperatur von 1000 °C oder mehr durchgeführt, um
das Ausgangsmaterial zu aktivieren. Wenn die Differenz im Wärmeausdehnungskoeffizienten
zwischen einem keramischen Basisteil und einer darauf gebildeten Überzugsschicht
groß ist,
wird eine große
Restspannung in der Überzugsschicht
hergestellt, wenn die gebildete Schicht auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Wenn
darüber
hinaus die Überzugsschicht
aus einer Mehrzahl von Teilschichten aus unterschiedlichen Materialien
mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
zusammengesetzt ist, verursachen die Unterschiede im Wärmeausdehnungskoeffizienten
bei den Teilschichten eine Bildung von Restspannung. Obgleich keramische
Werkzeuge einen exzellenten Verschleißwiderstand besitzen im Vergleich
zu Werkzeugen, welche aus einem Hochgeschwindigkeits-Werkzeugstahl
oder einer Hartmetalllegierung gebildet sind, besitzen sie einen
unzureichenden Bruchwiderstand, insbesondere im Hinblick auf Widerstand
gegen Sprödbruch
(Abplatzen einer Schneidkante zu einer muschelartigen Form), welcher
während
der Bearbeitung der oben erwähnten harten
Materialien auftritt und die Standzeit eines keramischen Werkzeuges
verkürzt.
Sogar wenn die oben erwähnte Überzugsschicht
vorgesehen ist, kann daher eine befriedigende Leistungsfähigkeit
im Hinblick auf Bruchwiderstand nicht erwartet werden, wenn eine
große
Restspannung in der Überzugsschicht
geschaffen worden ist.
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Darüber hinaus
tritt das Problem der Restspannung nicht nur während der Bildung einer Überzugsschicht,
sondern auch während
der eigentlichen Bearbeitung auf. Da ein Werkzeug aufgrund der Kontaktreibung
zwischen dem Werkzeug und einem Werkstück während einer eigentlichen Bearbeitung
auf eine hohe Temperatur erwärmt
wird, wirkt, wenn das Werkzeug wiederholt verwendet wird, aufgrund
der wiederholten Zyklen des Aufwärmens
und Abkühlens
ein Temperaturschock wiederholt auf das Werkzeug. In einem typischen Fall,
in dem eine Überzugsschicht
aus Titannitrid auf der Oberfläche
des oben beschriebenen Verbundkeramik-Basisteils gebildet ist, besitzt
die Überzugsschicht
einen Wärmeausdehnungskoeffizienten,
welcher höher als
jener des Basisteiles ist, so dass eine Zugrestspannung in der Überzugsschicht
während
des Abkühlens aufgebaut
wird, welche nach der Bildung der Schicht mittels CVD erzeugt wird,
wobei die Zugrestspannung auch den Bruchwiderstand des Werkzeuges
verringert. Da insbesondere die Tendenz zu Arbeitsersparnis und hocheffizienter
Bearbeitung in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen hat, sind
Werkzeuge, welche unter Schneidbedingungen verwendet werden können, bei
denen große
thermische und mechanische Belastungen auf Werkzeuge einwirken,
entwickelt worden. Jedoch ist das oben beschrieben Problem bei einer
solchen Entwicklung ein Hindernis gewesen.
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EP-A-0653499
offenbart ein Schneidwerkzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein keramisches Schneidwerkzeug
zu schaffen, welches zu niedrigen Kosten hergestellt werden kann
und welches ein sicheres Schneidverhalten über einen langen Zeitraum sicherstellen
kann, sogar wenn das Werkzeug unter schweren Schneidbedingungen
verwendet wird, zum Beispiel wenn das Werkzeug zum Schneiden von
einem harten Material verwendet wird, bei dem große thermische
und mechanische Belastungen auf das Werkzeug wirken.
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Um
das obige Ziel zu erreichen, schafft die vorliegende Erfindung ein
Schneidwerkzeug, wie es in Anspruch 1 beansprucht ist. Der Werkzeuggrundkörper umfasst
ein keramisches Basisteil (auch als das keramische innere Teil bezeichnet),
welches aus einer Verbundkeramik gebildet ist, die in einer keramischen
Matrixphase eine Hartphase aufweist, wobei das keramische Basisteil
Aluminiumoxid als ein Hauptbestandteil (nachfolgend oft als "Aluminiumoxid-Matrixphase" bezeichnet) aufweist.
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Die
Hartphasen bildenden Metallelemente M weisen vorzugsweise auf: Ti
(Titan), Zr (Zirkon), Hf (Hafnium), V (Vanadium), Nb (Niob), Ta
(Tantal), Cr (Chrom), Mo (Molybdän),
W (Wolfram) und Si (Silizium).
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Der
Hauptpunkt bei der Entwicklung eines keramischen Schneidwerkzeuges
mit einer Überzugsschicht
gemäß der vorliegenden
Erfindung besteht darin, einen Weg zu finden, eine Reduktion des
Bruchwiderstandes zu unterdrücken,
während
die Festigkeit der Verbindung zwischen der Überzugsschicht und dem keramischen
Basisteil beibehalten wird. Vor diesem Hintergrund führten die
Erfinder der vorliegenden Erfindung unterschiedliche Versuche durch
und konnten feststellen, dass der Bruchwiderstand vorteilhaft verbessert
werden kann durch Verwendung, als das keramische Basisteil, einer
Verbundkeramik, welche eine Hartphase aufweist, die innerhalb einer
Aluminiumoxid-Matrixphase verteilt ist, und durch Verwendung, als
ein Material für
die Überzugsschicht,
eines Materials, das Titancarbonitrid oder Titannitrid als ein Hauptbestandteil enthält. Aufgrund
besonderer Untersuchungen haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung
darüber
hinaus festgestellt, dass, wenn die Durchschnittsgröße der Kristallkörner, welche
die gebildete Überzugsschicht
ausmachen, auf 0,1 μm
bis 0,5 μm
eingestellt ist, und die Durchschnittsdicke der Überzugsschicht auf 0,5 μm bis 2 μm eingestellt
ist, die Restspannung innerhalb der Überzugsschicht reduziert werden
kann, um dadurch ferner einen exzellenten Bruchwiderstand zu realisieren.
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Im
Falle einer Überzugsschicht,
welche Titancarbonitrid oder Titannitrid als ein Hauptbestandteil
enthält,
wird, wenn die Durchschnittsgröße der gebildeten
Kristallkörner
auf 0,5 μm
oder weniger reduziert ist, die Erzeugung einer Restspannung innerhalb
der Überzugsschicht
unterdrückt,
so dass der Bruchwiderstand eines Werkzeuges deutlich verbessert
werden kann. Die Untersuchungen, die von den Erfindern der vorliegenden
Erfindung durchgeführt
worden sind, haben gezeigt, dass die Größe der Kristallkörner in
der Überzugsschicht
in Abhängigkeit
von der Bildungstemperatur der Überzugsschicht
variiert, und, mit einer Abnahme in der Bildungstemperatur, ein
Wachstum der Kristallkörner
dazu tendiert, unterdrückt
zu werden, was eine verringerte Durchschnittsgröße zur Folge hat. Der Restspannungs-Unterdrückungseffekt,
der deutlich den Bruchwiderstand eines Werkzeuges verbessert, wird
bedeutend, wenn die Bildungstemperatur der Überzugsschicht auf solche Weise
begrenzt wird, dass die Durchschnittsgröße 0,5 μm oder weniger wird. Trotz Verwendung
der oben erwähnten
kostengünstigen
Verbundkeramik können
somit der oben erwähnte Sprödbruch und
andere Probleme wirksam unterdrückt
werden, so dass dadurch ein Bruchwiderstand erreicht werden kann,
welcher vergleichbar mit oder nahe jenem von cBN-Werkzeugen ist.
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Bei
der vorliegenden Beschreibung bezieht sich der Ausdruck "Hauptbestandteil" auf eine Komponente,
welche den höchsten
Massenanteil in der gesamten fraglichen Substanz darstellt. Demgemäß können andere
Kleinbestandteile in der Substanz enthalten sein, wenn das Ziel
der vorliegenden Erfindung erreicht wird und die Kleinbestandteile
den Effekt der vorliegenden Erfindung nicht behindern. Die Größe des Kristallkorns wird
auf folgende Weise bestimmt. Wie in 5 gezeigt
ist, grenzen unterschiedliche parallele Linien ein Kristallkorn
ein, welches auf der Mikrostruktur einer polierten Schnittoberfläche zu beobachten
ist. Die Größe des Kristallkorns
wird mit einem Durchschnittswert der Minimaldistanz dmin zwischen
solchen parallelen Linien und der Maximaldistanz dmax zwischen solchen
parallelen Linien beschrieben (das heißt, die Größe d = (dmin+dmax)/2).
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Wenn
die Durchschnittsgröße der Kristallkörner der Überzugsschicht
0,5 μm übersteigt,
wird der Restspannungs-Unterdrückungseffekt
unzureichend, und somit kann ein Bruchwiderstand nicht verbessert
werden. Wenn die Durchschnittsgröße der Kristallkörner der Überzugsschicht
weniger als 0,1 μm
beträgt,
zeigt dies an, dass die Bildungstemperatur der Überzugsschicht extrem niedrig
ist. In einem solchen Fall wird die Überzugsschicht inhomogen, und
wegen einer geringeren Festigkeit der Verbindung zwischen der Überzugsschicht
und dem keramischen Basisteil blättert
die Überzugsschicht
während
des Gebrauches des Werkzeuges leicht ab. Vorzugsweise wird die Durchschnittsgröße der Kristallkörner der Überzugsschicht
auf 0,1 bis 0,3 μm
gesetzt.
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Die
Höhe der
Restspannung der Überzugsschicht
wird durch die Dicke der Überzugsschicht
beeinflusst. Bei der vorliegenden Erfindung kann die Restspannung
wirksam durch Steuern der Durchschnittsdicke der Überzugsschicht
auf 0,5 μm
bis 2 μm
unterdrückt
werden, so dass dadurch der Bruchwiderstand des Werkzeuges verbessert
wird. Wenn die Durchschnittsdicke der Überzugsschicht weniger als
0,5 μm beträgt, wird der
Verschleißwiderstand
unzureichend. Wenn die Durchschnittsdicke der Überzugsschicht 2 μm übersteigt, nimmt
die Höhe
der Restspannung zu, wodurch der Bruchwiderstand beeinträchtigt wird.
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Die Überzugsschicht
wird vorzugsweise durch CVD gebildet, welche bei einer niedrigen
bis mittleren Temperatur innerhalb des Bereiches von 750 bis 900 °C durchgeführt wird.
Wenn die Bildungstemperatur der Überzugsschicht
(Reaktionstemperatur) 900 °C
oder mehr beträgt,
wird eine sehr hohe Restspannung in der Überzugsschicht erzeugt, was
zu einem Versagen im Hinblick darauf führt, einen ausreichend hohen
Bruchwiderstand des Werkzeuges sicherzustellen. Wenn im Gegensatz
dazu die Bildungstemperatur der Überzugsschicht
weniger als 750 °C
beträgt,
gelingt es nicht, dass eine chemische Reaktion zur Erzeugung eines
Materials für
die Überzugsschicht
ausreichend abläuft,
und somit wird die Überzugsschicht
inhomogen. Vorzugsweise wird die Bildungstemperatur der Überzugsschicht
auf 830 °C
bis 880 °C
gesetzt.
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Bei
der CVD-Filmbildung wird ein keramisches Basisteil mit einer gewünschten
Form in eine Reaktionskammer platziert, und das keramische Basisteil
wird auf die oben beschriebene Reaktionstemperatur erwärmt, und
ein Quellengas wird zusammen mit einem Trägergas (zum Beispiel Wasserstoffgas
(H2)) zugeführt, wodurch ein Überzugsschicht-Bildungsmaterial
aufgrund einer chemischen Reaktion des Quellengases erzeugt wird
und auf der Oberfläche
des keramischen Basiskörpers
abgeschieden wird. Wenn eine Überzugsschicht
aus Titannitrid gebildet ist, kann ein Gas, welches eine Titanquellen-Komponente (zum Beispiel
Titanchlorid wie zum Beispiel Titantetrachlorid (TiCl4))
und eine Stickstoffquellen-Komponente (zum Beispiel Stickstoffgas
(N2) oder Ammoniak (NH3))
enthält,
als ein Quellengas verwendet werden. Wenn eine Überzugsschicht aus Titancarbonitrid
gebildet wird, kann eine Mischung des oben erwähnten Quellengases zur Bildung einer
Titannitrid-Überzugsschicht
und einer Kohlenstoffquellen-Komponente (zum Beispiel Kohlenwasserstoff wie
zum Beispiel Methan oder ein Gas irgend eines anderen organischen
Verbundes) als ein Quellengas verwendet werden. Darüber hinaus
kann ein organischer Verbund, welcher Stickstoff enthält, als
ein Quellengas zur Bildung einer Überzugsschicht aus Titancarbonitrid
verwendet werden. Titancarbonitrid ist eine feste Lösung aus
Titancarbid (allgemeine Formel: TiC) und Titannitrid (allgemeine
Formel: TiN), und seine allgemeine Formel ist TiC1-xNx. Der Wert von x kann gemäß der Zusammensetzungs-Anteile
aus der Stickstoffquellen-Komponente und der Kohlenstoffquellen-Komponente im Quellengas
geändert
werden. Wenn die Zusammensetzungs-Anteile der Stickstoffquellen-Komponente
und der Kohlenstoffquellen-Komponente während eines Filmbildungsprozesses
kontinuierlich oder schrittweise geändert werden, kann eine Überzugsschicht
auf solche Weise gebildet werden, dass sich der Wert von x kontinuierlich
oder schrittweise in der Dickenrichtung ändert. Wenn der Wert von x
niedrig ist (zum Beispiel ist der Titancarbidgehalt hoch), ist der
Verschleißwiderstand
der Überzugsschicht
verbessert. Jedoch ist in einigen Fällen ein hoher Wert von x (das
heißt
der Titannitridgehalt ist hoch) vorteilhaft im Hinblick auf eine
Verbesserung der Verbindungsfestigkeit, in Abhängigkeit vom Material des keramischen
Basisteiles. In einem solchen Fall wird ein Filmbildungsprozess
durchgeführt, während das Verhältnis der
Kohlenstoffquellen-Komponente zur Stickstoffquellen-Komponente allmählich ansteigt.
Als Folge davon kann eine in ihrer Zusammensetzung gestufte Überzugsschicht
auf solche Weise gebildet werden, dass der Wert von x auf der Seite
des keramischen Basisteiles relativ hoch ist und auf der Seite der Überzugsoberfläche relativ
niedrig ist.
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Um
die Festigkeit der Verbindung mit dem keramischen Basisteil und
ferner den Bruchwiderstand des Werkzeuges zu erhöhen, wird vorzugsweise Titannitrid
als ein Material der Überzugsschicht
verwendet. Wenn Titancarbonitrid verwendet wird, wird das oben erwähnte x auf
einen Wert gesetzt, welcher so hoch wie möglich ist (zum Beispiel 0,6 < x < 1). Dies hat seine
Ursache darin, dass Titannitrid eine höhere Widerstandsfähigkeit
im Vergleich zu Titancarbid oder Titancarbonitrid aufweist und daher
einer Restspannung wirksam nachgeben kann. Wenn Titannitrid als
ein Material der Überzugsschicht
verwendet wird, besitzt die Überzugsschicht
vorzugsweise eine Durchschnittsdicke von 0,5 μm bis 1 μm.
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Die
Hartphase ist eine Hauptbildungsphase, welche den Verschleißwiderstand
der Verbundkeramik bestimmt, welche das keramische Basisteil bildet,
und enthält
als ein Hauptbestandteil eines oder mehrere Elemente, welche aus
den Hartphasen bildenden Metallelementen M ausgewählt sind,
welche Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo W und Si sind. Die Hartphase
enthält
das (die) ausgewählte(n)
Hartphasen bildende Metallelement(e) M in Form mindestens eines
Carbids, eines Nitrids oder eines Borids, oder in der Form einer
festen Lösung
aus mindestens zwei Stoffen, welche aus dem Carbid, dem Nitrid und
dem Borid ausgewählt
sind. Titancarbid, Titancarbonitrid, Tantalcarbid, Wolframcarbid,
Siliziumcarbid, Chromcarbid und Molybdäncarbid können bei der vorliegenden Erfindung
aufgrund ihrer hohen Härte
und exzellenter Effekte beim Sicherstellen eines Verschleißwiderstandes
vorzugsweise verwendet werden. Wenn Zr verwendet wird, kann ein
kleiner Betrag von Hf von Natur aus als eine unvermeidbare Verunreinigung
in die Hartphase hinzugemischt werden. Darüber hinaus kann die Hartphase
zusätzlich
zu den oben erwähnten
Metallkomponenten andere Metallkomponenten (zum Beispiel eine unvermeidbare
Metallverunreinigung in einer Menge, welche nicht größer als
1 Massen-% beträgt)
innerhalb des Bereiches enthalten, in dem der gewünschte Verschleißwiderstand
der Hartphase beibehalten wird.
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Der
Hartphasengehalt der Verbundkeramik beträgt vorzugsweise 5 bis 40 Vol.-%.
Wenn der Hartphasengehalt weniger als 5 Vol.-% beträgt, ist
die Härte
des keramischen Basisteiles unzureichend, und der Verschleißwiderstand
der Flanke des Werkzeuges wird unzureichend, was dazu führt, dass
die gewünschte
Leistungsfähigkeit
nicht erreicht wird. Wenn der Hartphasengehalt 40 Vol.-% übersteigt,
ist die chemische Stabilität der
Verbundkeramik beeinträchtigt
und der Verschleißwiderstand
der Spanfläche
des Werkzeuges wird unzureichend. Vorzugsweise beträgt der Hartphasengehalt
der Verbundkeramik 15 bis 35 Vol.-%. In der vorliegenden Beschreibung
wird der Volumen-Hartphasengehalt auf der Basis des Flächenverhältnisses
der Hartphase so geschätzt,
wie er auf einer polierten Schnittoberfläche der Verbundkeramik beobachtet
wird.
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Kristallkörner der
Hartphase besitzen vorzugsweise eine Durchschnittsgröße von 0,3 μm bis 1 μm. Wenn die
Durchschnittsgröße der Kristallkörner der
Hartphase 1 μm übersteigt,
ist die Festigkeit des keramischen Basisteiles unzureichend, was
möglicherweise
dazu führt,
dass ein ausreichender Widerstand gegen Sprödbruch nicht sichergestellt
ist. Eine Verringerung der Durchschnittsgröße der Kristallkörner auf
0,3 μm oder
weniger wird nicht bevorzugt, weil eine so kleine Durchschnittsgröße die Vorbereitungskosten
des Materialpulvers erhöhen.
Noch mehr bevorzugt beträgt
die Durchschnittsgröße der Hartphasenkristallkörner 0,4 μm bis 0,7 μm.
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Nachfolgend
werden Ausführungsformen
der Erfindung anhand nur von Beispielen mit Bezug auf die angehängten Zeichnungen
beschrieben, in welchen zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht und schematische Querschnitte eines Seitenflächenabschnittes und
vergrößerte perspektivische
Ansicht eines Teiles einer Wendeschneidplatte, welche das keramische Schnittwerkzeug
gemäß der vorliegenden
Erfindung (einschließlich
mehrerer Modifikationen) verkörpert;
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2 eine
perspektivische Ansicht, welche einen Zustand zeigt, in dem die
Wendeschneidplatte aus 1 an einem Schneidplattenhalter
angebracht ist;
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3 eine
perspektivische Ansicht und vergrößerte teilweise Seitenansicht,
welche ein Beispiel zeigen, bei dem das keramische Schneidwerkzeug
gemäß der vorliegenden
Erfindung in der Form eines Fräswerkzeuges
konstruiert ist;
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4 eine
Vorderansicht und eine Ansicht von unten, welche ein Beispiel zeigen,
bei dem das keramische Schneidwerkzeug gemäß der vorliegenden Erfindung
in der Form eines Bohrwerkzeuges konstruiert ist;
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5 eine
Ansicht mit einem Beispiel zur Erklärung der Definition der Korngröße;
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6 eine
Ansicht mit einem Beispiel, welches die Form eines in dem Schneidtest
verwendeten Werkstückes
und die Positionsbeziehung zwischen dem Werkstück und einem Werkzeug während des
Schneidens zeigt;
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7 REM-Aufnahmebilder
der Oberfläche
((a)) und Schnittoberfläche
((b)) der Überzugsschicht, welche
auf der Probe (Beispiel) Nr. 5 gebildet ist, die in dem Experiment
verwendet wurde;
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8 REM-Aufnahmebilder
der Oberfläche
((a)) und Schnittoberfläche
((b)) der Überzugsschicht, welche
auf der Probe (Beispiel) Nr. 21 gebildet ist, die in dem Experiment
verwendet wurde.
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Es
werden folgende Bezugszeichen verwendet, um Teile zu identifizieren,
welche in den Zeichnungen dargestellt sind:
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- 1
- Wendeschneidplatte
(Werkzeuggrundkörper)
- 1c
- Spanfläche
- 1e
- Flanke
- 1f
- Überzugsschicht
- 4
- keramisches
Basisteil
- 11
- Schneidplattenhalter
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In 1 ist
eine Ausführungsform
des keramischen Schneidwerkzeuges gemäß der vorliegenden Erfindung
dargestellt und zeigt eine Wendeschneidplatte, das heißt eine
austauschbare oder wegwerfbare Schneidplatte (nachfolgend einfach
als eine "Schneidplatte" bezeichnet) 1,
welche als ein Werkzeuggrundkörper
des Schneidwerkzeuges dient. Wie aus 1(a) ersichtlich
ist, besitzt die Schneidplatte 1 eine solche Struktur,
dass die gesamte äußere Oberfläche eines
keramischen Basisteiles 4, welche in Form eines ebenen, im
Wesentlichen rechteckigen Prismas ausgebildet ist, mit einer Überzugsschicht 1f bedeckt
ist, wie aus 1c ersichtlich ist. Eine
Hauptfläche 1c der
Schneidplatte 1 bildet eine Spanfläche (nachfolgend auch als eine "Spanfläche 1c" bezeichnet)
und jede Seitenfläche 1e bildet
eine Flanke (nachfolgend genauso auch als eine "Flanke 1e" bezeichnet). Jede Ecke 1a der
Schneidplatte 1 ist abgerundet, wie aus 1(b) ersichtlich ist, und eine Fase 1k ist
an einer zugehörigen
Schneidkante 1b gebildet, wie aus 1(c) ersichtlich
ist. Die Fase 1k schafft eine flache Oberfläche, wenn
dies entlang ihres Querschnittes betrachtet wird, und ist auf eine solche
Weise eingestellt, dass der zwischen der Fase 1k und der
Hauptfläche 1c,
welche als eine Spanfläche dient,
gebildete Winkel θ in
einem Bereich von 20 bis 35° liegt.
Vor allem, wie aus 1(d) ersichtlich
ist, kann die Fase 1k so gebildet werden, dass sie eine
nach außen
gekrümmte
Oberfläche
(abgerundete Oberfläche) besitzt,
wenn dies entlang ihres Querschnittes betrachtet wird. Alternativ
dazu, wie aus 1(e) ersichtlich ist, kann die
Fase 1k so gebildet sein, dass sie eine flache Oberfläche und
eine gekrümmte
Oberfläche
in einer Kombination miteinander besitzt, wenn dies entlang ihres
Querschnittes betrachtet wird.
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Das
keramische Basisteil 4 ist aus der oben beschriebenen Verbundkeramik
gebildet einschließlich Hartphasenkristallkörner, welche
innerhalb der Aluminiumoxid-Matrixphase
verteilt sind. Der Gehalt der Hartphasenkristallkörner in
der Verbundkeramik beträgt
5 bis 40 Vol.-%, und die Durchschnittsgröße der Hartphasenkristallkörner, wie
sie auf der Mikrostruktur einer Schnittoberfläche zu sehen sind, beträgt 0,3 bis
1 μm. die Überzugsschicht 1f enthält Titannitrid
oder Titancarbonitrid als ein Hauptbestandteil. Die Durchschnittsgröße der an
der Oberfläche
der Überzugsschicht
zu sehenden Kristallkörner beträgt 0,1 μm bis 0,5 μm, und die Durchschnittsdicke
der Überzugsschicht
beträgt
0,5 μm bis
2 μm.
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Als
nächstes
wird ein Beispielverfahren zur Herstellung der oben erwähnten Schneidplatte 1 erläutert.
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Aluminiumoxidpulver,
Hartphasenpulver und Sinterhilfspulver werden in vorbestimmten jeweiligen
Anteilen gemischt, und falls notwendig, wird ein Binder zum Gemisch
hinzugefügt,
welches dann vermischt wird. Aus dem resultierenden Gemisch wird
mittels eines bekannten Formenverfahrens wie zum Beispiel Druckformen
(einschließlich
kaltisostatischem Formen) ein Grünkörper gebildet,
welcher dann gebrannt wird, um ein keramisches Basisteil zu erzielen.
Anschließend
wird das keramische Basisteil 4 in eine Reaktionskammer platziert
und auf einen niedrigen bis mittleren Temperaturbereich von 750
bis 900 °C
mittels einer Heizquelle, welche innerhalb der Reaktionskammer angeordnet
ist, erwärmt.
In einem Beispielfall, bei dem eine Überzugsschicht aus Titannitrid
gebildet wird, werden bei dem so entstandenen Zustand Titantetrachlorid
und Stickstoff, welche als Quellengase dienen, in die Reaktionskammer
zusammen mit Wasserstoff, welches als Trägergas dient, zugeführt. Durch
Zersetzung und Reaktion der Quellengase wird Titannitrid synthetisiert
und auf der Oberfläche
des keramischen Basisteiles 4 abgeschieden, so dass dadurch
eine Überzugsschicht 1f wächst oder
sich bildet. Vor allem wird die Kristallkorngröße der Überzugsschicht 1f auf
den oben beschriebenen Bereich eingestellt, indem die Reaktionstemperatur
in den oben beschriebenen Bereich gesteuert wird, und die Dicke
der Überzugsschicht 1f wird
in den oben beschriebenen Bereich eingestellt, indem die Länge der Wachstumsdauer
gesteuert wird.
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Wie
aus 2 ersichtlich ist, ist die oben beschriebene Schneidplatte 1 lösbar an
einem Schneidplattenhalter 11 angebracht, damit dieser
benutzt werden kann. Insbesondere ist die Schneidplatte 1 in
einem konkaven Befestigungsabschnitt 12 eingepasst, welcher
an der Schneidplatte des Schneidplattenhalters 11 auf solche
Weise vorgesehen ist, dass die Außenumfangsoberfläche der
Schneidplatte 1 durch den konkaven Befestigungsabschnitt 12 gehalten
wird. Anschließend
wird ein Eingriffsteil 15 in Kontakt mit einer nach oben
gerichteten Seitenfläche
der Schneidplatte 1 gebracht und durch Verwendung eines
Bolzens 13 fixiert. Somit ist die Schneidplatte 1 mit
dem Schneidplattenhalter 11 fixiert.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass das keramische Schneidwerkzeug gemäß der vorliegenden
Erfindung auf andere Arten von Schneidwerkzeugen wie Fräswerkzeuge
und Bohrer angewendet werden kann. 3 zeigt
als ein Beispiel der anderen Arten von Schneidwerkzeugen einen Stirnfräser 30.
In der Außenumfangsoberfläche einer
Drehbasis 31 sind eine Mehrzahl von Schneidplatten 32 eingebettet.
Mit dem Bezugszeichen W ist ein zu bearbeitendes Werkstück bezeichnet.
Jede Schneidplatte 32 ist aus einem Material gebildet,
welches ähnlich
zu dem der oben beschriebenen Schneidplatte 1 ist, und
eine Überzugsschicht,
welche ähnlich
zu der Schicht der oben beschriebenen Schneidplatte 1 ist,
ist an der Spanfläche 33 und
einer Flanke 34 benachbart zur Schneidkante 35 gebildet.
In
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4 ist
ein Bohrer 40 dargestellt, welcher ein anderes Beispiel
der anderen Arten von Schneidwerkzeugen ist. Zwei Bohrerschneidplatten 42 sind
an der Schneidplattenendoberfläche
eines schaftförmigen Grundkörpers 41 angebracht.
Jede Bohrerschneidplatte 42 ist aus einem Material gebildet,
welches ähnlich
zu dem der oben beschriebenen Schneidplatte 1 ist, und
eine Überzugsschicht,
welche ähnlich
zu der Schicht der oben beschriebenen Schneidplatte 1 ist,
ist an der Spanfläche 43 und
einer Flanke 44 benachbart zur Schneidkante 45 gebildet.
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Als
nächstes
werden Beispiele gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben.
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Als
erstes wurde Aluminiumoxidpulver (Durchschnittsgröße 0,5 μm) als ein
Materialpulver vorbereitet; Pulver aus Titancarbid, Pulver aus Titancarbonitrid
(Zusammensetzung TiC0,5N0,5),
Pulver aus Tantalcarbid und Pulver aus Wolframcarbid (jeweils mit
einer Durchschnittskorngröße von 1,0 μm) wurden
als Hartphasenpulver vorbereitet; und Pulver aus Yttriumoxid und
Pulver aus Dysprosiumoxid (jeweils mit einer Durchschnittskorngröße von 0,9 μm) wurden
als Sinterhilfspulver vorbereitet. Diese Pulver wurden vermischt,
um jede der in Tabelle 1 aufgeführten
unterschiedlichen Zusammensetzungen zu erreichen, und das resultierende
Gemisch wurde zusammen mit einem organischen Lösungsmittel für 24 Stunden
nassvermischt und pulverisiert mittels einer Rührwerkskugelmühle, um
dadurch einen Materialschlamm zu erzielen. Nach dem Trocknen des
Materialschlamms wurde als ein Binder dienendes Paraffin hinzugefügt, und
das resultierende Material wurde einem Warmpressformen unterzogen,
welches bei einem Druck von 1 Tonne/cm2 durchgeführt wurde,
um dadurch einen Grünkörper oder
einen Presskörper
zu erzielen. Nach einem Debinderverfahren wurde der Grünkörper gemäß einem
Brennbedingungs-Satz (Temperatur und Zeit) gebrannt, welche r. aus
unterschiedlichen Sätzen
von Brennbedingungen, welche in Tabelle 1 aufgeführt sind, ausgewählt wurde,
wobei das Brennen unter Anwesenheit von Argon stattfand. Nach dem
Brennen, falls notwendig, wurde der gebrannte Körper einem heißisostatischen
Pressen (HIP) bei 1500 °C
und 1,5 GPa ausgesetzt (Tabelle 1 zeigt, ob das HIP jeweils durchgeführt wurde
oder nicht). Der so gebrannte Körper
wurde in die in 1 gezeigte Form geschliffen
(jedoch war die Ecke 1a nicht abgerundet), um dadurch ein
keramisches Basisteil 4 zu erzielen. Das keramische Basisteil 4 hatte
Abmessungen, welche in der ISO-Norm 1832/AM1 als TNGN 160412 beschrieben
sind (spezifiziert die Größe und Form
des Schneidwerkzeuges).
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Die
Hauptfläche 1c des
keramischen Basisteiles 4 wurde spiegelpoliert und unter
einem Rasterelektronenmikroskop (REM) untersucht. Mittels Bildanalysen
wurden die Größen der
auf dem untersuchten Bild identifizierten Hartphasenkristallkörner (als
schwarze Flächen
in der weißen
keramischen Aluminiumoxid-Matrixphase
zu erkennen) gemäß der in 5 gezeigten
Definition ausgemessen, und ihr Durchschnittswert (Durchschnittskorngröße) und
ein Flächenverhältnis (entsprechend
dem Volumengehalt der Hartphasenkristallkörner) wurde erzielt. HV steht
für Vickers-Härte. Die
Festigkeit wurde durch den Dreipunkt-Biegetest bestimmt, welcher
in JIS R1601 (1981) spezifiziert ist. Tabelle 2 zeigt die Messergebnisse.
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Das
so erzielte keramische Basisteil 4 wurde in einer Reaktionskammer
eines bekannten CVD-Gerätes
platziert und eine Überzugsschicht
wurde mit einem der folgenden Bedingungssätze gebildet, um dadurch eine
Schneidplattenprobe zu erzielen. Es wird darauf hingewiesen, dass
die Dicke der gebildeten Schicht durch eine Einstellung der Reaktionszeit
verändert
wird. Wie unten angedeutet ist, steht "MT" für "mäßige Temperatur". Daher steht zum
Beispiel "MT-TiCN" für TiCN,
welches bei einer mäßigen Temperatur
gebildet wurde; "1" steht für "Liter".
- (1)
MT-TiCN-Schicht (Beispiel)
Schichtbildungstemperatur: 870 °C;
Reaktionsdruck:
80 hPa (hecto Pascal)
Trägergasart
(Strömungsgeschwindigkeit):
H2 (18 l/min);
Quellengasart (Strömungsgeschwindigkeit):
N2 (10 l/min), TiCl4 (1,8
ml/min),
und CH3CN (0,3 ml/min).
- (2) MT-TiN-Schicht (Beispiel)
Schichtbildungstemperatur:
900°C;
Reaktionsdruck:
800 hPa;
Trägergasart
(Strömungsgeschwindigkeit):
H2 (13,5 l/min);
Quellengasart (Strömungsgeschwindigkeit):
N2 (5,6 l/min), und TiCl4 (0,8
ml/min).
- (3) TiN-Schicht (Vergleichsbeispiel)
Schichtbildungstemperatur:
980°C;
Reaktionsdruck:
800 hPa;
Trägergasart
(Strömungsgeschwindigkeit):
H2 (13 l/min);
Quellengasart (Strömungsgeschwindigkeit):
N2 (10 l/min), und TiCl4 (1,1
ml/min).
-
Wenn
die Struktur der gebildeten Überzugsschicht
mittels Röntgenbeugung
untersucht wurde, stellte man fest, dass jede der Überzugsschichten
(2) und (3) Titannitrid (TiN) als ein Hauptbestandteil enthält, und die Überzugsschicht
(1) enthält
als ein Hauptbestandteil Titancarbonitrid (TiCN). Wenn ferner die
Zusammensetzung der Überzugsschicht
(1) mittels Röntgenstrahlen-Photoelektronenspektroskopie
untersucht wurde, stellt man fest, dass die Zusammensetzung TiC0,3N0,7 betrug. Darüber hinaus
wurde die Oberfläche
der Überzugsschicht
jeder Probe mittels eines REM betrachtet, um die Größe der gebildeten
Kristallkörner
der Überzugsschicht
auf gleiche Weise zu messen, wie bei der oben beschriebenen Hartphase,
um dadurch ihren Durchschnittswert zu ermitteln. Ferner wurde nach
dem Durchführen
eines Schneidtests, welcher später
beschrieben wird, jede Probe entlang einer Ebene geschnitten, welche
die Hauptfläche
senkrecht durchtrennt, und die Durchschnittsdicke der Überzugsschicht
wurde aus dem Schnittbild gemessen. In Tabelle 3 sind die Messergebnisse
aufgeführt.
-
-
Als
nächstes
wurde die Schnittleistung jeder Probe (Werkzeug) unter den oben
beschriebenen Bedingungen evaluiert. Das heißt, ein stabförmiges Werkstück W mit
einer Form, welche in 6(a) gezeigt
ist, wurde um seine Achse gedreht, und eine Schneidplattenprobe
wurde in Kontakt mit der Außenumfangsoberfläche des
Werkstückes
W gebracht, wie es in 6(b) gezeigt
ist, um dadurch kontinuierlich die Außenumfangsoberfläche des
Werkstückes
W in einem trockenen Zustand zu zerspanen bzw. zu schneiden, während eine Hauptfläche 1c als
eine Spanfläche
verwendet wurde und eine Seitenfläche 1e als eine Flanke
bzw. Freifläche verwendet
wurde.
Material des Werkstückes:
aufgekohlter und abgeschreckter Stahl (SCM 415; Vickers-Härte HV =
70 bis 85 GPa);
Form: Rundstab (Außendurchmesser: 240 mm, Länge: 200
mm)
Schnittgeschwindigkeit V: 200 m/min;
Vorschubgeschwindigkeit:
0,1 mm/Umdrehung;
Schnitttiefe: 0,2 mm;
Schneidöl: nicht
verwendet (Trockenschneiden);
Behandlung der Schneidkante:
Fase (0,2 mm, 25°),
+ gekrümmte
Oberfläche (Radius:
0,02 mm), (Typ in 1(e) gezeigt). Evaluationsverfahren:
eine Schneiddistanz, bis die Schneidkante brach, wurde als ein Index
des Bruchwiderstandes gemessen.
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Tabelle
3 zeigt auch die gemessene Schneiddistanz. Aus Tabelle 3 ist ersichtlich,
dass Proben, die eine durchschnittliche Kristallkorngröße und eine
durchschnittliche Dicke besitzen, welche in den jeweiligen Zahlenbereichen
liegen, wie sie in den Ansprüchen
beschrieben sind, einen exzellenten Bruchwiderstand aufweisen. 7 zeigt
REM-Aufnahmebilder der Oberfläche
(7(a)) und Schneidoberfläche (7(b))
der Überzugsschicht,
welche auf der Probe (Beispiel) Nr. 5, welche in Tabelle 3 aufgeführt ist,
gebildet wurde. 8 zeigt REM-Aufnahmebilder der Oberfläche (8(a)) und Schneidoberfläche (8(b))
der Überzugsschicht,
welche auf der Probe (Beispiel) Nr. 21, welche in Tabelle 3 aufgeführt ist,
gebildet wurde.