DE60133833T2

DE60133833T2 - Bearbeitungswerkzeug und verfahren zur herstellung desselben

Info

Publication number: DE60133833T2
Application number: DE60133833T
Authority: DE
Inventors: Mitsuo HONDA ENGINEERING KABUSHIKI K Sayama-shi KUWABARA; Masanori HONDA ENGINEERING KABUSHIKI Sayama-shi OHTSUKA
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2000-12-19
Filing date: 2001-12-12
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2021-12-13
Also published as: JP2004517207A; US20040028488A1; EP1345869A2; CN1486288A; AU2002222612A1; EP1345869B1; WO2002049988B1; CN100500613C; US6918943B2; JP3861056B2; WO2002049988A3; DE60133833D1; WO2002049988A2

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bearbeitungswerkzeug und ein Verfahren zur Herstellung desselben. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Bearbeitungswerkzeug aus einem Gradientenkompositmaterial gebildet, in dem sich die Zusammensetzungsverhältnisse von Metall und Keramik von der Oberfläche des Bearbeitungswerkzeugs her einwärts verändern.
Technischer Hintergrund
Bei der Herstellung eines Lochs oder einer Bohrung in einem Werkstück wird zuerst mittels eines Bohrers eine grobe Bohrbearbeitung an dem Werkstück durchgeführt und dann wird mittels einer Räumahle eine Schneidbearbeitung durchgeführt.
Die Baumaterialien, die für den Bohrer oder die Räumahle verwendet werden, enthalten zum Beispiel SK-Material, SKD-Material oder SKH-Material, wie durch die japanische Industrienorm definiert (sogenannter Hochgeschwindigkeitswerkzeugstahl), die Hoch-Kohlenstoffstahl als Hauptkomponente, Superlegierungsmaterial wie etwa Nickel-basierende Legierung und Cobalt-basierende Legierung und superharte Materialien wie etwa Kompositmaterial aus Keramik und Metall enthalten. Um die Abrasionsbeständigkeit zu verbessern, ist die Oberfläche des Bohrers oder der Räumahle manchmal mit einem Beschichtungsfilm aus Hartkeramik wie etwa TiC oder TiN beschichtet.
Der Hochgeschwindigkeitswerkzeugstahl und das Superlegierungsmaterial haben eine hohe Festigkeit und hohe Zähigkeit. Jedoch haben der Hochgeschwindigkeitswerkzeugstahl und die Superlegierung keine ausreichende Abrasionsbeständigkeit, Kompressionsfestigkeit und Steifigkeit. Das superharte Material hat eine hohe Abrasionsbeständigkeit, Kompressionsfestigkeit und Steifigkeit. Jedoch hat das superharte Material keine ausreichende Zähigkeit und tendiert zu Rissen und Brüchen. Das heißt, die Charakteristika des Hochgeschwindigkeitsstahls und des Superlegierungsmaterials sind entgegengesetzt zu den Charakteristika des superharten Materials. Daher wird das Baumaterial für den Bohrer oder die Räumahle im Hinblick auf das Baumaterial eines Werkstücks und die Höhe einer Vielzahl von Belastungen ausgewählt, die auf den Bohrer oder die Räumahle einwirken, wenn die Bohrbearbeitung oder die Schneidbearbeitung durchgeführt wird. Solche Belastungen beinhalten Kompressionsbelastung, die ausgeübt wird, wenn die Druckkraft auf das Werkstück ausgeübt wird, Zugbelastung, die auf das führende Teil und das Schneidteil einwirkt, und Zugbelastung, die zwischen dem zu bearbeitenden Abschnitt und dem nicht zu bearbeitenden Abschnitt einwirkt.
Es ist wünschenswert, dass der Bohrer oder die Räumahle eine hohe Härte, hohe Festigkeit und hohe Zähigkeit haben. Hohe Härte, d. h. hohe Abrasionsbeständigkeit, ist für eine hohe Lebensdauer wesentlich. Hohe Festigkeit hilft, eine Verformung des Bohrers oder der Räumahle zu verhindern, selbst wenn darauf die oben beschriebenen Belastungen einwirken. Ferner treten an dem Bohrer oder der Räumahle mit hoher Festigkeit kaum Brüche und Risse auf. Jedoch haben herkömmliche Bohrer oder Räumahlen nicht alle der oben beschriebenen Charakteristiken.
Zum Beispiel ist es im Falle des Bohrer oder der Räumahle, die aus superhartem Material zusammengesetzt ist, möglich, die Zähigkeit zu verbessern, indem der Zusammensetzungsanteil des Metalls erhöht wird. Jedoch hat das superharte Material mit hohem Metallzusammensetzungsanteil keine hohe Härte und Festigkeit. Daher könnte die Lebensdauer des Bohrers oder der Räumahle nicht lang sein. Im Gegensatz hierzu ist es möglich, die Härte und Festigkeit zu verbessern, indem der Zusammensetzungsanteil des Metalls verringert wird, unter Einbußen der Zähigkeit. Jedoch treten Brüche und Risse tendenziell häufiger auf.
Wie oben beschrieben, hat das superharte Material mit hoher Härte und Festigkeit keine hohe Zähigkeit. Das superharte Material mit hoher Zähigkeit hat keine hohe Härte und Festigkeit. Daher wird es schwierig, alle Charakteristiken (Härte, Festigkeit und Zähigkeit) des Bohrers oder der Räumahle zu verbessern.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist gemacht worden, um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, und eine Aufgabe davon ist es, ein Bearbeitungswerkzeug bereitzustellen, das eine lange Lebensdauer hat, worin Verformung, Risse und Brüche kaum auftreten, sowie ein Verfahren zur Herstellung des Bearbeitungswerkzeugs.
Um die obige Aufgabe zu lösen, ist, gemäß der vorliegenden Erfindung, ein Bearbeitungswerkzeug aus einem Kompositmaterial zusammengesetzt, das Keramik und Metall enthält, wobei die für das Bearbeitungswerkzeug verwendeten Keramikmaterialien zumindest eines enthalten, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Carbid, Nitrid und Carbonitrid von W, Cr, Mo, Ti, V, Zr, Hf und Lanthanoid besteht, wobei die für das Bearbeitungswerkzeug verwendeten Metallmaterialien zumindest eines enthalten, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Fe, Ni, Co und einer Legierung, die aus zwei oder mehr dieser Metalle zusammengesetzt ist, besteht, wobei das Metall ferner mindestens eines von Cr, Mn, V und Ti enthält, worin der Gewichtszusammensetzungsanteil der Keramik zum Gewichtszusammensetzungsanteil des Metalls 85:15 bis 95:5 beträgt, und worin, einwärts von einer Oberfläche des Bearbeitungswerkzeugs, ein Zusammensetzungsanteil der Keramik erhöht ist und ein Zusammensetzungsanteil des Metalls verringert ist.
Das wie oben beschrieben aufgebaute Bearbeitungswerkzeug hat die Zähigkeit von Metall und die Härte und Festigkeit von Keramik. Daher treten die Brüche und Risse kaum auf, ist die Abrasionsbeständigkeit verbessert und tritt kaum Verformung auf.
Wenn das Metall weniger als 5 Gewichtsteile hat, treten tendenziell Brüche und Risse auf, weil die Zähigkeit schlecht ist. Wenn das Metall 15 Gewichtsteile übersteigt, sind die Härte und Festigkeit und die Abrasionsbeständigkeit schlecht. Daher tritt tendenziell die Verformung auf, wenn ein Werkstück bearbeitet wird.
Es ist bevorzugt, dass die Bearbeitungsoberfläche des Bearbeitungswerkzeugs eine Vickers-Härte von nicht weniger als 1700 hat, um die Lebensdauer des Bearbeitungswerkzeugs zu verlängern und um die Bearbeitungsgenauigkeit des Werkstücks zu verbessern.
Bevorzugte Beispiele des Bearbeitungswerkzeugs sind Bohrer und Räumahlen.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bearbeitungswerkzeugs angegeben, worin, einwärts von einer Oberfläche des Bearbeitungswerkzeugs, ein Zusammensetzungsanteil von Keramik erhöht ist und ein Zusammensetzungsanteil von Metall verringert ist. Das Verfahren umfasst die Schritte:
Bilden eines Presslings unter Verwendung eines Mischpulvers, das Keramikpulver und Metallpulver enthält;
Sintern des Presslings zur Herstellung eines porösen Elements (primärer Sinterungsschritt);
Imprägnieren des porösen Elements mit einer Katalysator-haltigen Lösung; und
Nachsintern des porösen Elements, das mit der Katalysator-haltigen Lösung imprägniert ist, in einer Nitriergasatmosphäre zur Herstellung eines dicht gesinterten Produkts (sekundärer Sinterungsschritt),
worin das Nitriergas in einen Ofen zu Beginn des Temperaturanstiegs des Ofens im Nachsinterungsschritt eingeleitet wird.
Bei dieser Prozedur beginnen, in dem sekundären Sinterungsschritt, die Metallkörner, die sich in der Nähe der Oberfläche des porösen Elements befinden, früher mit dem Kornwachstum als die Keramikkörner. Ferner wird das Kornwachstum der Keramikkörner, die sich in der Nähe der Oberfläche des porösen Elements befinden, durch das Nitriergas wie etwa Stickstoff unterdrückt, weil das Nitriergas allgemein das Kornwachstum der Keramikkörner unterbindet. Das Kornwachstum der Keramikkörner, die sich in der Mitte des porösen Elements befinden, wird nicht unterdrückt, weil das Nitriergas in der Mitte des porösen Elements kaum vorhanden ist. Ferner wird das Kornwachstum der Keramikkörner in dem porösen Element durch den Katalysator beschleunigt.
Aus dem oben beschriebenen Grund konzentrieren sich die Metallkörner in der Nähe der Oberfläche. Auf diese Weise wird es möglich, ein Gradientenkompositmaterial zu erhalten, worin, einwärts von der Oberfläche her, der Zusammensetzungsanteil des Metalls verringert ist und der Zusammensetzungsanteil der Keramik erhöht ist.
Um das Bearbeitungswerkzeug bereitzustellen, das eine ausreichende Härte, Festigkeit und Zähigkeit zum Bohren und Schneiden eines Werkstücks hat, ist es bevorzugt, dass die Keramikkörner aus zumindest einem Material zusammengesetzt sind, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Carbid, Nitrid und Carbonitrid von W, Cr, Mo, Ti, V, Zr, Hf und Lanthanoid besteht, und die Metallkörner aus zumindest einem Material zusammengesetzt sind, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Fe, Ni, Co und einer Legierung besteht, die zwei oder mehr dieser Metalle aufweist. Ferner ist zumindest eines von Cr, Mn, V und Ti zu den Metallkörnern hinzugefügt.
In diesem Falle beträgt das Gewichtszusammensetzungsverhältnis von Keramik und Metall 81:15 bis 95:5. Wenn das Metall weniger als 5 Gewichtsteile hat, treten tendenziell Risse und Brüche auf, weil die Zähigkeit schlecht ist. Wenn das Metall 15 Gewichtsteile überschreitet, sind die Härte und Festigkeit und Abrasionsbeständigkeit schlecht. Daher tritt tendenziell die Verformung auf, wenn ein Werkstück bearbeitet wird.
Fe, Ni, Co, Mn, Cr, Mo, Ti oder Lanthanoid sind bevorzugte Beispieles des Katalysators in der Katalysator-haltigen Lösung.
Das Nitriergas ist bevorzugt zum Beispiel Stickstoff, da das Gas leicht zu handhaben ist und es sehr einfach ist, die Reaktionsgeschwindigkeit zu steuern.
Die obigen und anderen Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher ersichtlich, worin eine bevorzugte Ausführung der Erfindung anhand eines illustrativen Beispiels gezeigt ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Ansicht, die schematisch, mit teilweisem Längsschnitt, die Gesamtstruktur eines Bearbeitungswerkzeugs (Bohrers) gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine Querschnittsansicht bei Betrachtung entlang Linie II-II, die in 1 mit den Pfeilen angegeben ist;
3 ist eine Ansicht, die schematisch die Gesamtstruktur eines Bearbeitungswerkzeugs (Räumahle) gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 ist eine Querschnittsansicht bei Betrachtung entlang Linie IV-IV, die in 3 mit den Pfeilen angegeben ist;
5 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung eines Bearbeitungswerkzeugs gemäß den Ausführungen der vorliegenden Erfindung darstellt; und
6 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Anzahl von bearbeiteten Löchern und dem VB-Abrasionsbetrag darstellt, bei Erhalt mittels des Bohrers gemäß der Ausführung und handelsüblichen Bohrer.
Beste Art der Ausführung der Erfindung
Nun werden bevorzugte Ausführungen des Bearbeitungswerkzeugs und des Verfahrens zur Herstellung desselben gemäß der vorliegenden Erfindung im Bezug auf die beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben.
1 zeigt schematisch, mit teilweisem Längsschnitt, die Gesamtstruktur eines Bohrers 10 als Bearbeitungswerkzeug gemäß einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Der Bohrer 10 ist ein Spiralbohrer mit einem Kantenabschnitt 12 und einem Schaftabschnitt 14. Der Kantenabschnitt 12 und der Schaftabschnitt 14 sind integral in einer Einheit ausgebildet. Der Kantenabschnitt 12 enthält zwei Schneidkanten 18, die sich von einer spitzen Kante 16 in der axialen Richtung (in Richtung vom Pfeil A) mit einem vorbestimmten Spiralwinkel erstrecken.
2 ist eine Querschnittsansicht bei Betrachtung entlang Linie II-II, die in 1 mit den Pfeilen angegeben ist. Wie in 2 gezeigt, umfasst der Bohrer 10 drei Abschnitte mit unterschiedlichen Zusammensetzungsverhältnissen. In einem inneren Keramik-angereicherten Abschnitt 20 ist der Zusammensetzungsanteil von Keramik relativ groß. In einem äußeren Metall-angereicherten Abschnitt (Oberfläche des Bohrers 10) 22 ist der Zusammensetzungsanteil des Metalls relativ groß. Ein Gradientenabschnitt 24 ist zwischen dem Keramik-angereicherten Abschnitt 20 und dem Metall-angereicherten Abschnitt 22 angeordnet. In dem Gradientenabschnitt 24 nimmt der Zusammensetzungsanteil des Metalls von dem Keramik-angereicherten Abschnitt 20 zum Metall-angereicherten Abschnitt 22 nach außen allmählich zu.
Im Bohrer 10 ist der Zusammensetzungsanteil des Metalls in dem Metall-angereicherten Abschnitt 22, welcher die Bearbeitungsoberfläche darstellt, am höchsten, und der Anteil nimmt einwärts ab. Im Gegensatz hierzu ist der Zusammensetzungsanteil von Keramik in dem Metall-angereicherten Abschnitt 22, der die Bearbeitungsoberfläche darstellt, am niedrigsten, und der Anteil nimmt einwärts zu. Das heißt, der Bohrer 10 ist aus dem Gradientenkompositmaterial aufgebaut, worin, einwärts von der Oberfläche her, der Zusammensetzungsanteil des Metalls abnimmt und der Zusammensetzungsanteil der Keramik zunimmt.
Geeignete Keramikmaterialien, die für den Bohrer 10 verwendet werden, enthalten zumindest eines, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Carbid, Nitrid und Carbonitrid von W, Cr, Mo, Ti, V, Zr, Hf und Lanthanoid besteht.
Geeignete Metallmaterialien, die für den Bohrer 10 verwendet werden, enthalten zumindest eines, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Fe, Ni, Co und einer Legierung besteht, die aus zwei oder mehreren dieser Metalle zusammengesetzt ist. Zusätzlich enthält das Metall ferner zumindest eines von Cr, Mn, V und Ti. Wenn die Keramik und das Metall wie oben beschrieben als die Zusammensetzungsmaterialien verwendet werden, wird es möglich, den Bohrer 10 mit ausreichender Festigkeit, Härte und Zähigkeit auszubilden, um die Bohrbearbeitung durchzuführen.
Wenn die obige Keramik und das Metall als die Baumaterialien für den Bohrer 10 verwendet werden, beträgt das Zusammensetzungsverhältnis von Keramik und Metall 85:15 bis 95:5 (Gewichtsverhältnis). Wenn das Metall weniger als 5 Gewichtsteile hat, treten tendenziell Brüche und Risse auf, weil die Zähigkeit schlecht ist. Wenn das Metall 15 Gewichtsteile übersteigt, sind die Härte und Festigkeit und die Abrasionsbeständigkeit schlecht. Daher tritt tendenziell die Verformung auf, wenn ein Werkstück bearbeitet wird.
Es ist bevorzugt, dass die Bearbeitungsoberfläche des Bohrers 10 eine Vickers-Härte (Hv) von nicht weniger als 1700 hat. Wenn Hv weniger als 1700 ist, könnte die Lebensdauer des Bohrers 10 nicht lang sein, weil die Härte schlecht ist. Ferner ist in diesem Fall der Reibungskoeffizient (μ) zwischen dem Werkstück und dem Bohrer 10 hoch. Im Ergebnis nehmen die Wärme und Belastung, die während der Bohrbearbeitung erzeugt werden, zu. Daher besteht die Tendenz, dass die Oberfläche des Werkstücks ungenau bearbeitet wird. Um die Bearbeitungsgenauigkeit der Oberfläche des Werkstücks und die lange Lebensdauer des Bohrers herzustellen, ist es bevorzugt, dass Hv nicht weniger als 1750 ist.
Als nächstes zeigt 3 schematisch die Gesamtstruktur einer Räumahle 30 als Bearbeitungswerkzeug gemäß einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung.
Die Räumahle 30 umfasst einen Kantenabschnitt 32 und einen Schaftabschnitt 34. Der Kantenabschnitt 32 und der Schaftabschnitt 34 sind integral zu einer Einheit ausgebildet. Der Kantenabschnitt 32 enthält sechs Schneidkanten 36, die sich in der axialen Richtung erstrecken (Richtung vom Pfeil B).
4 ist eine Querschnittsansicht bei Betrachtung entlang Linie IV-IV, die in 3 mit den Pfeilen gezeigt ist. Wie in 4 gezeigt, umfasst die Räumahle 30 drei Abschnitte (einen inneren Keramik-angereicherten Abschnitt 38, einen Gradientenabschnitt 42 und einen äußeren Metall-angereicherten Abschnitt 40) mit unterschiedlichen Zusammensetzungsverhältnissen.
In dem Gradientenabschnitt 42 nimmt der Zusammensetzungsanteil des Metalls von dem Keramik-angereicherten Abschnitt 38 zum Metall-angereicherten Abschnitt 40 nach außen allmählich zu. Das heißt, die Räumahle 30 ist aus dem Gradientenkompositmaterial zusammengesetzt, worin, einwärts von der Oberfläche, der Zusammensetzungsanteil des Metalls abnimmt und der Zusammensetzungsanteil der Keramik zunimmt, wie oben in Verbindung mit dem Bohrer 10 beschrieben.
Die Keramik und das Metall, die für die Räumahle 30 verwendet werden, können durch die Nicht-Oxidkeramik und das Metall, wie oben beschrieben, exemplifiziert werden. Auch in diesem Fall ist es, wenn das Zusammensetzungsverhältnis von Keramik und Metall 85:15 bis 95:5 ist, möglich, die Räumahle 30 mit ausreichender Festigkeit, Härte und Zähigkeit auszubilden, um die schneidende Bearbeitung durchzuführen. Wie oben in Verbindung mit dem Bohrer 10 beschrieben, ist es bevorzugt, dass Hv der Bearbeitungsoberfläche nicht weniger als 1750 ist.
In dem Bohrer 10 und der Räumahle 30, wie oben beschrieben, ist die Zähigkeit an der Oberfläche (im äußeren Abschnitt) hoch und sind die Härte und Festigkeit im inneren Abschnitt hoch. Das heißt, alle von Härte, Festigkeit und Zähigkeit sind ausreichend, wenn das Werkstück der Bohrbearbeitung oder der Schneidbearbeitung unterzogen wird. Daher ist die Lebensdauer lang, tritt kaum eine Verformung auf und treten kaum die Risse und Brüche auf.
Der Bohrer 10 und die Räumahle 30 können gemäß einem Verfahren hergestellt werden, das in einem Flussdiagramm in 5 gezeigt ist. Wie in 5 gezeigt, umfasst das Herstellungsverfahren einen Sinterungsschritt S1 zum Erhalt eines Presslings, einen primären Sinterungsschritt S2 zum Sintern des Presslings zur Herstellung eines porösen Elements, sowie einen Imprägnierschritt S3 zum Imprägnieren des porösen Elements mit einer Katalysator-haltigen Lösung, sowie einen sekundären Sinterungsschritt S4 zum Nachsintern des porösen Elements zur Herstellung eines dicht gesinterten Produkts.
Aus dem oben beschriebenen Grund ist es bevorzugt, Keramikpulver zu verwenden, von zumindest einem, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Carbid, Nitrid und Carbonitrid von W, Cr, Mo, Ti, V, Zr, Hf und Lanthanoid zusammengesetzt ist. Ferner ist es bevorzugt, Metallpulver von zumindest einem zu verwenden, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Fe, Ni, Co und einer Legierung, die zwei oder mehr dieser Metalle enthält, besteht. Ferner wird zumindest eines von Cr, Mn, V und Ti hinzugefügt. Das Zusammensetzungsverhältnis von Keramikpulver und Metallpulver (Keramikpulver: Metallpulver) in dem Mischpulver liegt im Bereich von 85:15 bis 95:5.
Auf das Pulvergemisch wird eine Formlast ausgeübt, um den Pressling mit einer Form herzustellen, die dem Bohrer 10 oder der Räumahle 30 entspricht. In diesem Prozess wird die Formlast derart bestimmt, dass das Metallpulver keinerlei plastische Verformung verursacht, um das poröse Element in dem primären Sinterungsschritt zu erhalten, wie später beschrieben wird. Insbesondere ist es bevorzugt, dass die Formlast etwa 100 bis 300 MPa beträgt. In diesem Fall wird das Auftreten von plastischer Verformung des Metallpulvers erfolgreich vermieden, und daher werden offene Poren des Presslings nicht geschlossen.
Anschließend wird in dem primären Sinterungsschritt S2 der Pressling zu dem porösen Element gesintert, so dass die Poren offen bleiben. Wenn in dieser Stufe ein dicht gesintertes Produkt hergestellt wird, dann ist es schwierig, das dicht gesinterte Produkt in dem Imprägnierschritt S3 mit der Katalysator-haltigen Lösung zu imprägnieren.
Daher werden die Sinterungstemperatur und die Zeit in dem primären Sinterungsschritt S2 so bestimmt, dass nur die Metallkörner miteinander verschmolzen werden, und der Sinterungsprozess wird beendet, wenn zwischen den Metallkörnern Hälse gebildet werden. In dem primären Sinterungsschritt S2 werden die Keramikkörner nicht miteinander verschmolzen. Dementsprechend wird in dem Prozess, in dem der Pressling zu dem porösen Element umgewandelt wird, das Volumen nicht signifikant verändert.
Anschließend wird in dem Imprägnierschritt S3 das poröse Element mit der Katalysator-haltigen Lösung imprägniert. Insbesondere wird das poröse Element in die Katalysator-haltige Lösung eingetaucht. Als Ergebnis des Eintauchens dringt die Katalysator-haltige Lösung in das poröse Element durch die offenen Poren.
In dem sekundären Sinterungsschritt S4 kann jeder Katalysator verwendet werden, der das Wachstum der Keramikkörner ausreichend erleichtert, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Fe, Ni, Co, Mn, Cr, Mo, Ti und Lanthanoid. Jene, die als die Katalysator-haltige Lösung verwendbar sind, enthalten eine Lösung, die durch Lösen eines Metallsalzes, das das oben beschriebene Metall enthält, in einem Lösungsmittel und einer organischen Metalllösung erhalten wird.
In dieser Prozedur wird der Katalysator in dem Lösungsmittel verteilt oder gelöst und in einzelne Moleküle oder Ionen dissoziiert. Daher wird in dem Imprägnierschritt S3 der Katalysator, der in einzelne Moleküle oder Ionen dissoziiert ist, in dem porösen Element gleichzeitig verteilt. Dementsprechend wird das Kornwachstum der Keramikkörner in dem sekundären Sinterungsschritt S4 in dem porösen Element von der Oberfläche her einwärts erleichtert.
Nach dem Imprägnierschritt S3 wird die Katalysator-haltige Lösung stehen gelassen und natürlich getrocknet.
Alternativ kann das poröse Element erhitzt werden, um die Katalysator-haltige Lösung zu trocknen.
Schließlich wird in dem sekundären Sinterungsschritt S4 das poröse Element in einer Stickstoffatmosphäre nachgesintert, um das dicht gesinterte Produkt herzustellen. Das Nitriergas, das als die Atmosphäre benutzt wird, wird zu Beginn des Temperaturanstiegs des Ofens in dem sekundären Sinterungsschritt S4 in den Ofen eingeleitet. Dementsprechend wird das dicht gesinterte Produkt (Gradientenkompositmaterial), d. h. der Bohrer 10 oder die Räumahle 30 als das Produkt, worin das Zusammensetzungsverhältnis von Keramik und Metall 85:15 bis 95:5 beträgt, erhalten.
In dem sekundären Sinterungsschritt S4 wird das Kornwachstum der Keramikkörner, die sich in der Nähe der Oberfläche des porösen Elements befinden, durch das Nitriergas als der Atmosphäre unterbunden. Das Nitriergas wird kaum in das poröse Element eingeleitet. Daher ist der Grad der Hemmung des Kornwachstums der Keramikkörner, die sich in dem porösen Element befinden, durch das Nitriergas, im Vergleich zur Oberfläche, gering. Ferner wird das Kornwachstum der Keramikkörner, die sich in dem porösen Element befinden, durch den Katalysator erleichtert.
Demzufolge wird in dem sekundären Sinterungsschritt S4 das Kornwachstum der Keramikkörner in der Nähe der Oberfläche des porösen Elements unterdrückt und das Kornwachstum wird in dem porösen Material erhöht. Im Ergebnis werden die Metallkörner derart umgeordnet, dass sich die Metallkörner in der Nähe der Oberfläche konzentrieren. In dem resultierenden Gradientenkompositmaterial ist deshalb der Zusammensetzungsanteil des Metalls in der Nähe der Oberfläche des porösen Elements hoch und ist der Zusammensetzungsanteil der Keramik in dem porösen Element hoch.
Wie oben beschrieben ist es möglich, den Grad des Kornwachstums der Keramikkörner, die sich in dem porösen Element befinden, das mit der Katalysator-haltigen Lösung imprägniert ist, im Vergleich zu dem Abschnitt zu erhöhen, der in der Nähe der Oberfläche angeordnet ist, in dem sekundären Sinterungsschritt S4, in dem die Nitriergasatmosphäre zu Beginn des Temperaturanstiegs eingeleitet wird. Somit tritt die Umordnung der Metallkörner auf. Dementsprechend wird es möglich, das Gradientenkompositmaterial (den Bohrer 10 oder die Räumahle 30) zu erhalten, worin, einwärts von der Oberfläche, der Zusammensetzungsanteil des Metalls verringert ist und der Zusammensetzungsanteil der Keramik erhöht ist.
Da der Zusammensetzungsanteil des Metalls in der Nähe der Oberfläche des Bohrers 10 oder der Räumahle 30, die wie oben beschrieben erhalten werden, relativ hoch ist, ist es möglich, die Oberfläche des Bohrers 10 oder der Räumahle 30 zu schleifen, um die Dimensionsgenauigkeit zu verbessern. Das heißt, die Dicke des Keramik-angereicherten Abschnitts 20, 38, der eine hohe Härte und hohe Festigkeit hat, ist in dem Bohrer 10 oder der Räumahle 30 nach der Schleifbearbeitung merklich erhöht. Andererseits bleibt der Metall-angereicherte Abschnitt 22, 40 in der Nähe der Oberfläche des Bohrers 10 oder der Räumahle 30. Daher ist es möglich, den Bohrer 10 oder die Räumahle 30 mit ausreichender Zähigkeit, Härte und Festigkeit zu erhalten.
In der Ausführung der vorliegenden Erfindung werden der Formungsschritt S1 und der primäre Sinterungsschritt S2 separat ausgeführt. Alternativ können beide Schritte S1, S2 gleichzeitig ausgeführt werden, zum Beispiel durch isostatische Heißpressung (HIP).
BEISPIELE
Ein Pulvergemisch wurde hergestellt durch Nassvermischen von 90 Gewichtsteilen Wolframcarbid (WC)-Pulver mit einer durchschnittlichen Korngröße von 1 μm, 2 Gewichtsteilen von Tantalcarbid (TaC) mit einer durchschnittlichen Korngröße von 2 μm, 1 Gewichtsteil Niobcarbid (NbC) mit einer durchschnittlichen Korngröße von 3,5 μm und 7 Gewichtsteile Cobalt (Co) mit einer durchschnittlichen Korngröße von 1,4 μm mit Hexan. Anschließend wurde das Pulvergemisch auf eine Gestalt geformt, die einem Bohrer 10 entspricht, mit einer Druckkraft von 120 MPa mittels des isostatischen Pressverfahrens in einer Form. Der erhaltene Pressling wurde für 30 Minuten bei 900°C gehalten, um ein poröses Element herzustellen.
Anschließend wurde das poröse Element für 3 Minuten in eine Ni-Ionenlösung mit einer Konzentration von 10% eingetaucht. Somit wurde das Ni-Ion in dem porösen Element verteilt. Dann wurde das poröse Element für 1 Stunde bei 90°C belassen und getrocknet.
Anschließend wurde das poröse Element für 1 Stunde und 20 Minuten bei 1400°C in einer Stickstoffatmosphäre nachgesintert. Somit erhielt man den Bohrer 10 (Gradientenkompositmaterial) mit einem Durchmesser von 12 mm, einer Gesamtlänge von 100 mm, einer Länge eines Kantenabschnitts 12 von 60 mm, als ein dicht gesintertes Produkt. Der Stickstoff wurde zu Beginn des Temperaturanstiegs des Ofen in den Ofen eingeleitet.
Der erhaltene Bohrer 10 wurde durchschnitten, um ihn mit einem Elektronenmikroskop zu betrachten. Es stellte sich heraus, dass die an der Oberfläche befindlichen Keramikkörner rund und fein waren, während die mittig in dem Bohrer 10 vorhandenen Keramikkörner starkem Kornwachstum ausgesetzt waren.
Löcher mit einer Tiefe von 40 mm wurden nacheinander mit einer Bohrgeschwindigkeit von 500 m/Minute für ein AC8B-Material (Hoch-Siliciumaluminiumlegierung) unter Verwendung des Bohrers 10, eines handelsüblichen Bohrers, der aus einem Superfein-Partikel-gesinterten Produkt mit einem Keramikkorndurchmesser als Rohmaterial von etwa 0,6 bis 0,8 μm zusammengesetzt war, und einem Bohrer, der aus Ultrasuperfein-Partikel-gesintertem Produkt mit einem Keramikkorndurchmesser als Rohmaterial von weniger als 0,4 μm zusammengesetzt war, um die Beziehung zwischen der Anzahl der hergestellten Löcher und dem VB-Abrasionsbetrag zu beobachten. Ein Ergebnis der Beobachtung ist in 6 gezeigt. In 6 ist klar, dass der Bohrer 10 eine extrem gute Abrasionsbeständigkeit hat, und der Bohrer 10 eine lange Lebensdauer, im Vergleich zu den beiden handelsüblichen Produkten.
Im Falle beider handelsüblicher Produkte baute sich vor der Herstellung von 10000 Löchern ein Rand auf. Im Ergebnis sank auch die Dimensionsgenauigkeit des Lochs. Andererseits fand sich im Fall des Bohrers 10 eine Bildung eines aufgebauten Rands, auch nachdem 60000 Löcher hergestellt worden waren. Die Löcher wurden erfolgreich genau geformt.
In der gleichen Weise wurde eine Räumahle 30 (Gradientenkompositmaterial) mit einem Durchmesser von 15 mm, einer Gesamtlänge von 90 mm und einer Länge eines Kantenabschnitts 32 von 30 mm erhalten. Wenn die Schnittfläche der Räumahle 30 mit einem Elektronenmikroskop beobachtet wurde, stellte sich auch heraus, dass bei der Räumahle 30 die an der Oberfläche vorhandenen Keramikkörner fein und rund waren und die in der Räumahle 30 vorhandenen Keramikkörner starkem Kornwachstum ausgesetzt waren. Ein Keramik-angereicherter Abschnitt 30 wurde über einen Tiefenbereich von 5 mm von der Oberfläche her ausgebildet.
Die in dem AC8B-Material ausgebildeten Löcher wurden einer Schneidbearbeitung unterzogen, unter Verwendung der Räumahle 30, einer handelsüblichen Räumahle, die aus einem Superfein-Partikel-gesinterten Produkt zusammengesetzt war, und einer Räumahle, die aus einem Ultrasuperfein-Partikel-gesinterten Produkt zusammengesetzt war, um die Beziehung zwischen der Anzahl von bearbeiteten Löchern und dem VB-Abrasionsbetrag zu beobachten. Im Falle beider handelsüblicher Produkte war der Abrasionsbetrag etwa mehr als 0,2 mm, wenn 30000 Löcher bearbeitet worden waren. Im Falle der Räumahle 30 war der VB-Abrasionsbetrag weniger als 0,15 mm, auch nachdem 60000 Löcher eingestellt worden waren. Ferner wurde in den handelsüblichen Produkten ein hochstehender Rand ausgebildet, bevor 10000 Löcher hergestellt wurden. In der Räumahle 30 fand sich die Bildung des aufgebauten Rands nicht, auch nachdem 60000 Löcher hergestellt worden waren. Die Löcher wurden erfolgreich genau geformt.
Wie oben beschrieben, ist klar, dass der Bohrer 10 und die Räumahle 30 die extrem exzellente Abrasionsbeständigkeit haben, im Vergleich zu den handelsüblichen Produkten, und daher haben der Bohrer 10 und die Räumahle 30 lange Lebensdauern.
Der aufgebaute Rand wurde in dem Bohrer 10 und der Räumahle 19 nicht ausgebildet, weil ihre Bearbeitungsoberflächen aus den Keramik-angereicherten Abschnitten 20, 38 zusammengesetzt sind. Das heißt, der Zusammensetzungsanteil des Metalls ist in der Nähe der Bearbeitungsoberfläche klein, und daher ist die gegenseitige Reaktion zwischen dem AC8B-Material als dem Werkstück während der Bohrbearbeitung oder Schneidbearbeitung merklich unterdrückt.
Wie oben beschrieben, ist das Bearbeitungswerkzeug gemäß der vorliegenden Erfindung aus dem Gradientenkompositmaterial zusammengesetzt, worin, einwärts von der Oberfläche, der Zusammensetzungsanteil des Metalls verringert ist und der Zusammensetzungsanteil der Keramik erhöht ist. Daher hat das Bearbeitungswerkzeug gemäß der vorliegenden Erfindung eine hohe Härte und Festigkeit sowie auch hohe Zähigkeit.
Dementsprechend hat das Bearbeitungswerkzeug eine lange Lebensdauer und es tritt kaum eine Verformung auf, da das Bearbeitungswerkzeug eine exzellente Abrasionsbeständigkeit hat. Ferner treten kaum Risse und Brüche auf. Ferner ist es auch möglich, die Verarbeitungsgenauigkeit zu verbessern.
In dem Verfahren zur Herstellung des Bearbeitungswerkzeugs gemäß der vorliegenden Erfindung wird das poröse Element, das mit der Katalysator-haltigen Lösung imprägniert ist, in der Stickstoffatmosphäre nachgesintert, um das Schneidbearbeitungswerkzeug (das Gradientenkompositmaterial) herzustellen. In dieser Prozedur wird das Kornwachstum der Keramikkörner, die sich in der Nähe der Oberfläche des porösen Elements befinden, mit dem Stickstoff unterdrückt, während das Kornwachstum der Keramikkörner, die sich in dem porösen Element befinden, mit dem Katalysator erleichtert wird. Dementsprechend konzentrieren sich die Metallkörner an der Oberfläche. Daher wird es möglich, das Bearbeitungswerkzeug zu erhalten, worin, einwärts von der Oberfläche, der Zusammensetzungsanteil des Metalls verringert ist und der Zusammensetzungsanteil der Keramik erhöht ist, d. h. das Bearbeitungswerkzeug an der Oberfläche eine hohe Zähigkeit und im Inneren eine hohe Härte hat.

Claims

Bearbeitungswerkzeug, das aus einem Keramik und Metall enthaltenden Kompositmaterial zusammengesetzt ist, wobei die Keramik zumindest eine enthält, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Carbid, Nitrid und Carbonitrid von W, Cr, Mo, Ti, V, Zr, Hf, und Lanthanoid besteht, wobei das Metall zumindest eines enthält, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Fe, Ni, Co und einer Legierung, die zwei oder mehr von Fe, Ni und Co enthält, besteht, wobei das Metall ferner zumindest eines enthält, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Cr, Mn, V und Ti besteht, worin ein Gewichts-Zusammensetzungsverhältnis der Keramik zu einem Gewichts-Zusammensetzungsverhältnis des Metalls 85:15 bis 95:5 beträgt, und worin, einwärts von einer Oberfläche des Bearbeitungswerkzeugs, ein Zusammensetzungsverhältnis der Keramik erhöht ist und ein Zusammensetzungsverhältnis des Metalls verringert ist.
Bearbeitungswerkzeug nach Anspruch 1, worin die Vickers-Härte der Oberfläche des Bearbeitungswerkzeugs nicht weniger als 1700 ist.
Bearbeitungswerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, worin das Bearbeitungswerkzeug ein Bohrer (10) oder eine Räumahle (30) ist.
Verfahren zum Herstellen eines Bearbeitungswerkzeugs, worin, einwärts von einer Oberfläche des Bearbeitungswerkzeugs, ein Zusammensetzungsverhältnis von Keramik erhöht ist und ein Zusammensetzungsverhältnis von Metall verringert ist, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Bilden eines Presslings unter Verwendung eines Mischpulvers, das Keramikpulver und Metallpulver enthält; Sintern des Presslings zur Herstellung eines porösen Elements; Imprägnieren des porösen Elements mit einer Katalysator-haltigen Lösung; und Nachsintern des porösen Elements, das mit der Katalysator-haltigen Lösung imprägniert ist, in einer Nitriergasatmosphäre, um ein dicht gesintertes Produkt herzustellen, worin das Nitriergas in einen Ofen zu Beginn des Temperaturanstiegs des Ofens in dem Nachsinterungsschritt eingeleitet wird.
Verfahren zum Herstellen des Bearbeitungswerkzeugs nach Anspruch 4, worin zumindest ein Pulver, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Carbid, Nitrid und Carbonitrid von W, Cr, Mo, Ti, V, Zr, Hf und Lanthanoid besteht, für das Keramikpulver verwendet wird, und zumindest ein Pulver, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Fe, Ni, Co und einer Legierung, die zwei oder mehr dieser Metalle enthält, besteht, für das Metallpulver verwendet wird, um Mischpulver herzustellen, worin das Keramikpulver und das Metallpulver in einem Gewichtsverhältnis von 85:15 bis 95:5 gemischt werden.
Verfahren zum Herstellen des Bearbeitungswerkzeugs nach Anspruch 5, worin ferner zumindest eines von Cr, Mn, V und Ti mit dem Metallpulver vermischt wird.
Verfahren zum Herstellen des Bearbeitungswerkzeugs nach Anspruch 4, 5 oder 6, worin ein Katalysator in der Katalysator-haltigen Lösung Fe, Ni, Co, Mn, Cr, Mo, Ti oder Lanthanoid ist.
Verfahren zum Herstellen des Bearbeitungswerkzeugs nach Anspruch 4, 5 oder 6, worin Stickstoff als das Nitriergas verwendet wird.