DE602005000191T2

DE602005000191T2 - Schneidwerkzeugeinsatz zur Bearbeitung von Bimetall

Info

Publication number: DE602005000191T2
Application number: DE602005000191T
Authority: DE
Inventors: Ingemar Hessman
Original assignee: Sandvik Intellectual Property AB
Current assignee: Sandvik Intellectual Property AB
Priority date: 2004-02-17
Filing date: 2005-02-12
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2025-02-13
Also published as: SE527724C2; US20050181211A1; EP1563933B1; KR20060042066A; SE0400353L; EP1563933A1; SE0400353D0; ATE343446T1; DE602005000191D1; US7422805B2; JP2005231027A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft beschichtete Schneidwerkzeugeinsätze aus Hartmetall für die Bimetallbearbeitung unter Naßbedingungen bei mäßigen Schneidgeschwindigkeiten, die insbesondere für das Stirnfräsen von Motorblöcken, die Legierungen von Aluminium und/oder Magnesium und Gußeisen enthalten, geeignet sind.
In einem modernen Kraftfahrzeug ist der Motorblock eine der schwersten einzelnen Komponenten. Die Herstellung des Blocks aus zwei Metallen, wie durch Herstellen des Blocks aus einer Aluminiumlegierung und Einbringen von Gußeisenhülsen in die Zylinderbohrungen, reduziert das Gewicht des Blocks im Vergleich zu herkömmlichen Gußeisenblöcken wesentlich. Die Aluminiumlegierung enthält im allgemeinen 5–10 Gew.-% Si sowie geringe Mengen weiterer Zusätze. Das Gußeisen ist im allgemeinen Grauguß, jedoch wird auch Perlitguß verwendet. Die Bearbeitung eines zu seiner endgültigen Form und Abmessung gegossenen Blocks wird im allgemeinen in Transferstraßen oder flexiblen Bearbeitungszentren durchgeführt, und der Zeitdruck ist groß. Eine wichtige Stufe des Herstellungsvorgangs des Motorblocks besteht darin, den Block mit einer flachen oberen Oberfläche zu versehen, die zu dem Zylinderkopf paßt. Oft stellt dieser Vorgang bei der Produktion einen Engpaß dar. Die Bearbeitung konventioneller einmetallischer Motorblöcke (d.h. Gußeisen) wird im allgemeinen durch herkömmliche Bearbeitungsverfahren, wie Hochgeschwindigkeitsfräsen unter Verwendung keramischer Einsätze, wie mit Siliciumnitrid beschichtetem Hartmetall auf dem Fräskopf durchgeführt. Obwohl dieser Ansatz bei Verwendung für einmetallische Blöcke zufriedenstellend ist, erzeugt er tendenziell unerwünschte Ergebnisse, wenn er mit Blöcken angewendet wird, die aus zwei Metallen hergestellt wurden, von denen eines weich ist, d.h. Aluminium erfordert normalerweise eine recht hohe Schneidgeschwindigkeit, und das andere spröde ist, d.h. Gußeisen erfordert normalerweise eine geringere Schneidgeschwindigkeit, wenn beschichtetes Hartmetall verwendet wird. Für die Bearbeitung von Aluminium wird im allgemeinen polykristalliner Diamant (PCD) verwendet. Solche Werkzeuge sind jedoch relativ teuer und nutzen sich in Eisen enthaltenden Materialien, wie Gußeisen, schnell ab. Darüber hinaus ist das optimale Fräsen für weiche gegenüber spröden Materialien unterschiedlich. Beispielsweise funktionieren die meisten für weichere Materialien, wie Aluminium, ausgestalteten Hochgeschwindigkeitsfräser am effizientesten bei Spanwinkeln, die wesentlich größer sind als diejenigen, die für härtere Metalle, wie Gußeisen, verwendet werden. Freiwinkel oder der Winkel zwischen der Anschlußfläche und einer Tangente zu dem Fräser von der Spitze des Zahns sind auch von den verschiedenen Arbeitsmaterialien abhängig. Gußeisen erfordert typischerweise Werte von 4 bis 7 Grad, wohingegen weiche Materialien, wie Magnesium, Aluminium und Messing, mit Freiwinkeln von 10 bis 12 Grad in effizienter Weise geschnitten werden.
Fräsen mit engem Neigungswinkel werden verwendet, was zu einem Wechsel von etwa 30–40 Einsätzen führt, wenn sie abgenutzt sind. Ein typischer Abriebsmechanismus ist der Aufbau von Kanten, was zu einer schlechten Oberflächenbeschaffenheit und einer Fehlfunktion der Schneidkan te führt, was in raschem Verschleiß resultiert. Der Hauptgrund für den Werkzeugwechsel sind die Oberflächenbeschaffenheit und hohe Anforderungen, was zu häufigen Werkzeugwechseln führt.
Naßfräsen wird aufgrund der Oberflächenbeschaffenheit und zur Spanentfernung verwendet. Bei der Bearbeitung verwendete Emulsionen sind für Umwelt und Gesundheit problematisch und verursachen höhere Kosten.
Die EP-A-1335807 betrifft ein Verfahren zum Fräsen eines Materials, welches Aluminium und Gußeisen enthält. Unter Verwendung eines Schneidwerkzeugeinsatzes auf Siliciumnitridbasis bei einer Schneidgeschwindigkeit von mehr als 1000 m/Min. wurde eine unerwartete Verlängerung der Lebensdauer des Werkzeugs erzielt. Nicht alle Transferstraßen oder flexiblen Bearbeitungszentren haben jedoch Kapazitäten von Geschwindigkeiten > 600 m/Min.
Die EP-A-1205569 offenbart beschichtete Fräseinsätze, die insbesondere zum Fräsen von Grauguß mit oder ohne Verkleidung unter Naßbedingungen bei geringen und mäßigen Schneidgeschwindigkeiten und zum Fräsen von Kugelgraphitgußeisen und Gußeisen mit Vermiculargraphit mit oder ohne Verkleidung unter Naßbedingungen bei mäßigen Schneidgeschwindigkeiten geeignet sind. Die Einsätze sind gekennzeichnet durch ein Hartmetall aus WC-Co mit einem geringen Gehalt an kubischen Carbiden und einer hoch mit W legierten Bindephase und einer Beschichtung, einschließlich einer inneren Lage aus TiC_xN_y mit säulenförmigen Körnern, gefolgt von einer Lage aus ĸ-Al₂O₃ und einer obersten Lage aus TiN.
Es besteht ein extrem großes Erfordernis nach der Entwicklung von Werkzeuglösungen mit einer langen Werkzeuglebensdauer und weniger häufigen Werkzeugwechseln.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Schneidwerkzeugeinsatz bereitzustellen, der für die Bearbeitung von Bimetallmaterialien besonders geeignet ist.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Bearbeiten von Bimetallmaterialien mit einer langen Werkzeuglebensdauer, die weniger häufige Werkzeugwechsel erfordern, bereitzustellen.
Es wurde nun überraschend herausgefunden, daß eine verbesserte Leistung beim Bearbeiten von Bimetallmaterialien erzielt werden kann mit einem beschichteten Schneideinsatz, bestehend aus

– einem Substrat mit der folgenden Zusammensetzung: WC, 9–11 Gew.-%, vorzugsweise 10 Gew.-% Co und geeignete Mengen von herkömmlichem Kornverfeinerer oder herkömmlichen Kornverfeinerern, wie beispielsweise Cr oder V, vorzugsweise < 0,5 Gew.-% Cr, zum Erhalt einer mittleren WC-Korngröße von < 1 μm und
– einer Beschichtung mit
– einer ersten, innersten Lage aus TiC_xN_yO_z mit x + y + z = 1, y > x und z < 0,2, vorzugsweise y > 0,8 und z = 0 mit gleichachsigen Körnern mit einer Größe < 0,5 μm und einer Gesamtdicke von < 1,5 μm, vorzugsweise > 0,1 μm,
– einer Schicht aus TiC_xN_y mit x + y = 1, x > 0,3 und y > 0,3, vorzugsweise x ≥ 0,5, mit einer Dicke von 1–4 μm, vorzugsweise von 2–2,7 μm mit säulenförmigen Körnern mit einem mittleren Durchmesser von < 5 μm, vorzugsweise von 0,1–2 μm,
– einer Schicht aus einem glatten, feinkörnigen Al₂O₃ mit einer Korngröße von etwa 0,5–2 μm, das im wesentlichen aus der ĸ-Phase besteht. Die Schicht kann jedoch auch geringe Mengen (< 5 Vol.-%) anderer Phasen, wie der θ- oder der α-Phase, enthalten, bestimmt durch XRD-Messung. Die Al₂O₃-Schicht hat eine Dicke von 1–2,5 μm, vorzugsweise von 1,2–1,7 μm.
– einer weiteren Lage aus TiN mit einer Dicke von < 1 μm, vorzugsweise 0,5–1,0 μm. Diese äußerste Lage aus TiN hat eine Oberflächenrauhigkeit R_max ≤ 0,4 μm auf einer Länge von 10 μm. Die Einsätze haben einen Kantenradius von 10–25 μm, vorzugsweise von 15 μm, und eine TiN-Lage, die in ihrer Dicke entlang der Kantenlinie auf 50–90% auf der Dicke der Spanfläche reduziert ist.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen beschichteter Schneidwerkzeugeinsätze, bestehend aus einem Hartmetallkörper mit einer Zusammensetzung aus WC, 9–11 Gew.-%, bevorzugt 10 Gew.-% Co und einer geeigneten Menge von herkömmlichem Kornverfeinerer oder herkömmlichen Kornverfeinerern, wie Cr oder V, vorzugsweise < 0,5 Gew.-% Cr, zum Erhalt einer mittleren WC-Korngröße von < 1 μm. Die Einsätze werden entlang ihres Umfangs auf einen Kantenhon von 10–25 μm, vorzugsweise 15 μm, geschliffen.
Auf dem Hartmetallkörper wird folgendes abgeschieden:

– eine erste, innerste Lage aus TiC_xN_yO_z mit x + y + z = 1, y > x und z < 0,2, vorzugsweise y > 0,8 und z = 0, mit gleichachsigen Körnern mit einer Größe < 0,5 μm und einer Gesamtdicke von < 1,5 μm, bevorzugt > 0,1 μm, unter Verwendung bekannter CVD-Verfahren,
– eine Schicht aus TiC_xN_y mit x + y = 1, x > 0,3 und y > 0,3, vorzugsweise x ≥ 0,5, mit einer Dicke von 1–4 μm, vorzugsweise 2–2,7 μm, mit säulenförmigen Körnern und mit einem mittleren Durchmesser von < 5 μm, vorzugsweise 0,1–2 μm, bevorzugt mit einer MTCVD-Technik unter Verwendung von Acetonitril als Kohlenstoff- und Stickstoffquelle zur Bildung der Schicht im Temperaturbereich von 700–900°C. Die exakten Bedingungen hängen jedoch in gewissem Maße von der Ausgestaltung der verwendeten Ausrüstung ab.
– eine Lage aus glattem Al₂O₃, im wesentlichen bestehend aus ĸ-Al₂O₃, welche unter Bedingungen abgeschieden wurde, wie sie beispielsweise in der US 5,674,564 offenbart sind. Die Lage aus ĸ-Al₂O₃ hat eine Dicke von 1–2,5 μm, vorzugsweise von 1,2–1,7 μm.
– eine Lage aus TiN mit einer Dicke von < 1 μm, vorzugsweise von 0,5–1,0 μm mit einer Oberflächenrauhigkeit R_max ≤ 0,4 μm über eine Länge von 10 μm.

Die glatte Oberfläche der Beschichtung wird durch leichtes Naßstrahlen der Beschichtungsoberfläche mit feinkörnigem (Maschenzahl von 400–150) Aluminiumoxidpulver oder durch Bürsten der Kanten mit Bürsten auf Basis von z.B. SiC erhalten, wie es z.B. in der US 5,861,210 offenbart ist, um einen Kantenradius von 10–25 μm, vorzugsweise von 15 μm und eine Lage aus TiN, die in ihrer Dicke entlang der Kantenlinie auf 50–90% auf der Dicke der Spanfläche reduziert ist, zu erhalten.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung von Schneidwerkzeugeinsätzen, wie oben beschrieben, zur Bearbeitung, insbesondere zum Fräsen von Bimetallkörpern, umfassend Gußeisen, wie Grauguß, Gußeisen mit Vermiculargraphit und Kugelgraphitgußeisen, und Aluminium- und/oder Magnesiumlegierungen, bei einer Schneidgeschwindigkeit von 200–500 m/Min. und einem Vorschub von 0,1–0,4 mm/Zahn in Abhängigkeit von der Schneidgeschwindigkeit und der Geometrie des Einsatzes.
Beispiel 1
Bearbeitungseinsätze aus Hartmetall mit der Zusammensetzung 10 Gew.-% Co, 0,4 Gew.-% Cr und Rest WC mit einer mittleren Korngröße von 0,9 μm und einem Kantenhon von 15 μm wurden mit einer 0,5 μm dicken Lage aus gleichachsigem TiC_0,05N_0,95 (mit einem hohen Stickstoffgehalt, entsprechend einem geschätzten C/N-Verhältnis von 0,05), gefolgt von einer 2,0 μm dicken Lage aus TiC_0,54N_0,46 mit säulenförmigen Körnern unter Verwendung einer MTCVD-Technik (Temperatur 850–885°C und CH₃CN als Kohlenstoff/Stickstoff-Quelle) beschichtet. In nachfolgenden Stufen während des gleichen Beschichtungszyklus wurde eine 1,5 μm dicke Lage aus ĸ-Al₂O₃ unter Verwendung einer Temperatur von 970°C und einer Konzentration von H₂S als Dotiermittel von 0,4% abgeschieden, wie es in der US 5,674,564 offenbart ist. Eine 0,5 μm dicke Lage aus TiN wurde schließlich gemäß bekannter CVD-Techniken darüber abgeschieden. Die XRD-Messung zeigte, daß die Lage aus Al₂O₃ zu 100% aus der ĸ-Phase bestand.

Die beschichteten Einsätze wurden unter Verwendung einer Nylonstrohbürste, die SiC-Körner enthielt, gebürstet. Die Untersuchung der gebürsteten Einsätze in einem Lichtmikroskop ergab, daß die Dicke der äußersten TiN-Lage sich etwas reduziert hatte. Der Kantenradius betrug etwa 15 μm. Beispiel 2 Stirnfräsen von Motorblöcken wurde unter den folgenden Bedingungen durchgeführt:

Betrieb:	Stirnfräsen, Endbearbeitung unter Naßbedingungen
Werkstück:	4- bis 6-Zylinder-Motorblock, bestehend aus Aluminium mit 8% Si und Zylinderhülsen aus Perlitguß mit einem Durchmesser von etwa 10 cm und einer Wanddicke von etwa 10 mm.
Fräser:	Auto F 260.42 mit einem Durchmesser von 250 mm.
Schneidgeschwindigkeit:	360 m/Min.
Vorschubgeschwindigkeit/Zahn:	0,24 mm
Schneidtiefe:	0,5 mm
Einsatzform:	28 St. SBEX1203ZZ-11 und 4 St. SBEN1203ZZ
Qualität 1:	Erfindung (NAB).
Qualität 2:	kommerzielle Qualität K20W von Sandvik
Kriterium für Werkzeuglebensdauer:	Inakzeptable Oberflächenbeschaffenheit mit Schmelzen von Komponenten.

Ergebnisse (aufgrund der variierenden Anzahl von Zylindern in den Blöcken wird das Ergebnis in Einheiten, d.h. der Zahl der Zylinder, ausgedrückt):

Beispiel 3 Stirnfräsen der Grundplatte wurde unter den folgenden Bedingungen durchgeführt:

Betrieb:	Stirnfräsen, Endbearbeitung unter Naßbedingungen
Werkstück:	Grundplatte, bestehend aus Aluminium mit 8% Si und etwa 15–30 mm großen Barren aus Kugelgraphitgußeisen.
Fräser:	Sandvik R260.8–145-12 mit einem Durchmesser von 315 mm.
Schneidgeschwindigkeit:	350 m/Min.
Vorschubgeschwindigkeit/Zahn:	0,17 mm
Schneidtiefe:	0,7 mm
Einsatzform:	R245-12T3E-PL
Qualität 1:	Erfindung (NAT).
Qualität 2:	kommerzieller Grad K20W (beschichtet) von Sandvik
Kriterium für Werkzeuglebensdauer:	Inakzeptable Oberflächenbeschaffenheit mit Schmelzen von Komponenten.

Ergebnisse (aufgrund der variierenden Anzahl von Zylindern in den Blöcken wird das Ergebnis in Einheiten, d.h. der Zahl von Zylindern, ausgedrückt):

Claims

Schneidwerkzeugeinsatz, der insbesondere für die Bearbeitung von Bimetallkörpern, die Gußeisen und Aluminium- und/oder Magnesium-Legierungen enthalten, unter Naßbedingungen bei mäßigen Schneidgeschwindigkeiten geeignet ist und einen Hartmetallkörper und eine Beschichtung umfaßt, gekennzeichnet durch ein Substrat mit der folgenden Zusammensetzung: WC, 9–11 Gew.-%, vorzugsweise 10 Gew.-% Co und geeignete Mengen von herkömmlichem Kornverfeinerer oder herkömmlichen Kornverfeinerern zum Erhalt einer mittleren WC-Korngröße von < 1 μm und eine Beschichtung mit – einer ersten, innersten Lage aus TiC_xN_yO_z mit x + y + z = 1, y > x und z < 0,2, vorzugsweise y > 0,8 und z = 0 mit gleichachsigen Körnern mit einer Größe < 0,5 μm und einer Gesamtdicke von 0,1–1,5 μm, – einer Schicht aus TiC_xN_y mit x + y = 1, x > 0,3 und y > 0,3, vorzugsweise x ≥ 0,5, mit einer Dicke von 1–4 μm mit säulenförmigen Körnern mit einem mittleren Durchmesser von < 5 μm, – einer Schicht aus einem glatten, feinkörnigen ĸ-Al₂O₃ von 0,5–2 μm mit einer Dicke von 1–2,5 μm und – einer äußeren Lage aus TiN mit einer Dicke von < 1 μm, vorzugsweise 0,5–1,0 μm.
Einsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Kornverfeinerer Cr oder V, vorzugsweise < 0,5 Gew.-% Cr, umfaßt/umfassen.
Einsatz nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die äußerste TiN-Lage entlang der Schneidkante eine verminderte Dicke hat.
Einsatz nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz ein Einsatz zum Fräsen ist.
Verfahren zur Herstellung eines Schneidwerkzeugeinsatzes, der insbesondere für die Bearbeitung von Bimetallkörpern, die Gußeisen und Aluminium- und/oder Magnesiumlegierungen enthalten, unter Naßbedingungen bei mäßigen Schneidgeschwindigkeiten geeignet ist und einen Hartmetallkörper und eine Beschichtung umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Substrat mit der folgenden Zusammensetzung: WC, 9–11 Gew.-%, vorzugsweise 10 Gew.-% Co und geeignete Mengen von herkömmlichem Kornverfeinerer oder herkömmlichen Kornverfeinerern zum Erhalt einer mittleren WC-Korngröße von < 1 μm beschichtet wird mit – einer ersten, innersten Lage aus TiC_xN_yO_z mit x + y + z = 1, y > x und z < 0,2, vorzugsweise y > 0,8 und z = 0, mit gleichachsigen Körnern mit einer Größe < 0,5 μm und einer Gesamtdicke von 0,1–1,5 μm unter Verwendung bekannter CVD-Verfahren, – einer Lage aus TiC_xN_y mit x + y = 1, x > 0,3 und y > 0,3, vorzugsweise x ≥ 0,5, mit einer Dicke von 1–4 μm mit säulenförmigen Körnern mit einem mittleren Durchmesser von < 5 μm, abgeschieden mittels MTCVD-Technik unter Verwendung von Acetonitril als die Kohlenstoff- und Stickstoffquelle für die Ausbildung der Lage in einem Temperaturbereich von 700–900°C, – einer Lage aus einem glatten CVD-ĸ-Al₂O₃ mit einer Dicke von 1–2,5 μm und – einer Lage aus CVD-TiN mit einer Dicke von < 1 μm, vorzugsweise 0,5–1,0 μm.
Verfahren nach dem vorausgegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Kornverfeinerer Cr oder V, vorzugsweise < 0,5 Gew.-% Cr, umfaßt bzw. umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die äußerste TiN-Lage entlang der Schneidkante eine verminderte Dicke hat.
Verwendung eines Schneidwerkzeugeinsatzes nach einem der Ansprüche 1 bis 4 für die Bearbeitung eines Bimetallkörpers, der Gußeisen und Aluminium- und/oder Magnesium-Legierungen enthält, unter Naßbedingungen bei mäßigen Schneidgeschwindigkeiten.
Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Bearbeitungsvorgang Fräsen ist.
Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper ein Motorblock oder eine Grundplatte ist.