DE68919382T2 - Keramisches Schneidwerkzeug und Verfahren zu seiner Herstellung. - Google Patents

Keramisches Schneidwerkzeug und Verfahren zu seiner Herstellung.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein keramisches Schneidwerkzeug mit hervorragenden Eigenschaften hinsichtlich Zähigkeit und Verschleißfestigkeit sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.
  • Al&sub2;O&sub3;-Keramikmaterialien stellen ideale Stoffe für Schneidwerkzeuge dar, insbesondere aufgrund ihrer ausgezeichneten Oxidationsbeständigkeit, hohen Hitzebeständigkeit, höchster Härte bei Hochtemperaturen und niedrige Reaktivität in Verbindung mit Eisen, wenn sie bei höchster Geschwindigkeit eingesetzt werden. Al&sub2;O&sub3;-Keramiken bringen jedoch den fatalen Nachteil mit sich, daß seine Bruchfestigkeit in Verbindung mit einem Schneidwerkzeug gering ist, da sie über eine nur unzureichende Festig- und Zähigkeit verfügen, so daß ihr Anwendungsbereich beträchtlich eingeschränkt ist.
  • Bei der Entwicklung von Schneidwerkzeugen auf Al&sub2;O&sub3;-Keramikbasis ist daher das Problem von größter Bedeutung, wie man die Bruchfestigkeit verbessern kann. Erstens wurde bereits vorgeschlagen, zur Verbesserung der thermischen Zähigkeit TiC zu Al&sub2;O&sub3;-Keramiken hinzuzusetzen, wobei die so erhältlichen Zusammensetzungen bei der Hochgeschwindigkeits- Spanabhebung sowie bei der spanabhebenden Bearbeitung von höchstgehärteten Materialien, wie beispielsweise gehärteten Stählen, zum Einsatz gebracht wurden.
  • Ferner wurde in der DE-A-2 744 700 wurde offenbart, daß das Verfestigen und Zähmachen von spanabhebenden Keramikwerkzeugen unter Benutzung des Rißausbreitungseffektes von Haarrissen aufgrund der Volumenausdehnung durchgeführt wird, welche im Anschluß an die Modifizierung des tetragonalen Systems in Richtung auf das monokline System von ZrO&sub2;, welches in einer Al&sub2;O&sub3;-Matrix dispergiert wurde, erfolgt; weiterhin ist in der DE-A-2 549 652 offenbart, daß die Matrixverfestigung in ZrO&sub2; enthaltenden keramikmaterialien in der Weise ausgeführt wird, daß man mittels Phasenmodifikation von ZrO&sub2; die durch vorherige Rißbildung eingetretene Rißausbreitungsenergie absorbiert.
  • Gemäß der Offenbarung in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 19391/1987 und Re 32843 wurde bereits vorgeschlagen, Keramikmaterialien mittels Abschwächen der Konzentration der Spannung an den Rißausgangspunkten infolge Übergreifens der oberen und unteren Rißflächen bei der Ausbreitung der Risse dadurch zu festigen, daß man SiC-Whiskers in einer Al&sub2;O&sub3;-Matrix, d. h. mittels des sogenannten Whisker-Auszieheffekts, dispergiert. In der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 174165/1986 und dem U.S.-Patent Nr. 4 789 277 wurde die Verwendung von Al&sub2;O&sub3;-SiC-Whisker-Keramikmaterialien als Schneidwerkzeug vorgeschlagen.
  • Die japanische Offenlegungsschrift Nr. 270266/1986 beschreibt den Erhalt von Keramikmaterialien mit einer erhöhten Festigkeit und höherem KIC mittels Zusatz von SiC-Whiskers und ZrO&sub2; zu Al&sub2;O&sub3;, wobei eine synergistische Verfestigung erzielt wird; ferner offenbart die japanische Offenlegungsschrift Nr. 45182/1988 keramikmaterialien mit erhöhter Festigkeit und Härte, welche Sinterkörper darstellen, die aus Al&sub2;O&sub3;-SiC-Whisker-ZrO&sub2;-Keramikmaterialien bestehen, worin Al&sub2;O&sub3; und ZrO&sub2; eine Volumenverteilung von 62 : 38 bis 72 : 28 und die Al&sub2;O&sub3;-Körnchen eine Korngröße von höchstens 1,0 um aufweisen.
  • Spanabhebende Al&sub2;O&sub3;-TiC-Keramikwerkzeuge sind in bezug auf Zähigkeit und insbesondere in bezug auf thermische Schockresistenz im Vergleich zu Al&sub2;O&sub3;-Keramikwerkzeugen bis zu einem gewissen Grad verbessert, so daß diese zum gegenwärtigen Zeitpunkt als Standardmaterialien für spanabhebende Keramikwerkzeuge betrachtet werden. Diese Verbesserung ist jedoch unzureichend, denn Al&sub2;O&sub3;-TiC-Keramikschneidwerkzeuge sind lediglich auf ganz beschränkten Gebieten einsetzbar, d. h. bei der spanabhebenden Bearbeitung von Materialien mit niedrigem Schneidwiderstand, wie beispielsweise von Formgußstücken, oder bei der spanabhebenden Endbearbeitung bei geringer Schneidfluktuationstiefe im Falle von Materialien höchster Härte, wie beispielsweise hitzebeständigen Stählen.
  • Spanabhebende Al&sub2;O&sub3;-ZrO&sub2;-Keramikwerkzeuge weisen eine viel stärkere Verbesserung, beispielsweise eine ungefähr 1,5- fache Verbesserung in bezug auf KIC auf als Al&sub2;O&sub3;-Keramikschneidwerkzeuge, so daß jene teilweise für das Hochgeschwindigkeitsschneiden von Stählen eingesetzt werden. Die Verschleißbeständigkeit von Al&sub2;O&sub3;-ZrO&sub2;-Keramikschneidwerkzeugen ist jedoch jener von spanabhebenden Al&sub2;O&sub3;-TiC- Keramikwerkzeugen aufgrund der Tatsache unterlegen, daß der Zusatz von ZrO&sub2; zu Al&sub2;O&sub3; eine Herabsetzung von dessen Härte bewirkt, so daß dementsprechend spanabhebende Al&sub2;O&sub3;- ZrO&sub2;-Keramikwerkzeuge keinen Einsatz bei der spanabhebenden Bearbeitung von schwierigen Materialien, wie beispielsweise hitzebeständigen Stählen, finden. Im Falle des Zusatzes von ZrO&sub2; wird zwar der KIC-Wert verbessert, die Querbruchfestigkeit ist jedoch erniedrigt.
  • Andererseits weisen Al&sub2;O&sub3;-SiC-Whisker-Keramikmaterialien im Vergleich zu Al&sub2;O&sub3;-TiC-Keramikschneidwerkzeugen eine stärkere Verbesserung in bezug auf die Härte, KIC und die Querbruchfestigkeit auf; sie werden deshalb für den Einsatz bei der spanabhebenden Bearbeitung hitzebeständiger Materialien wie beispielsweise Inconel in Betracht gezogen. Im Fall eines tatsächlichen Einsatzes dieser spanabhebenden Werkzeuge, beispielsweise insbesondere bei Inconel, bei einer hohen Geschwindigkeit, wie beispielsweise bei mindestens 100 m/min, schreitet jedoch die Schartigkeit der Schneidgrenzflächen in bemerkenswerter Weise voran, so daß daraus eine äußerst kurze Lebenszeit resultiert. Dies ist vermutlich darauf zurückzuführen, daß die Al&sub2;O&sub3;-SiC-Whisker-Keramikmaterialien in spanabhebenden Werkzeugen in bezug auf KIC eine Verbesserung zeigen, die an jene von spanabhebenden Al&sub2;O&sub3;-TiC- Keramikwerkzeugen nicht heranreicht.
  • In bezug auf diesen Punkt wird den spanabhebenden Al&sub2;O&sub3;- SiC-Whisker-ZrO-Keramikwerkzeugen mit Sicherheit eine höhere Härte und höherer KIC-Wert verliehen als den Al&sub2;O&sub3;-TiC- Keramikschneidwerkzeugen, was jedoch für den Einsatz unter strengeren Bedingungen, beispielsweise beim Schneiden hitzebeständiger Materialien, z. B. Inconel, noch nicht zufriedenstellt. Dies bedeutet, das Fortschreiten der Schartigkeit an den Schneidgrenzflächen wird bei den Keramikmaterialien nicht in zufriedenstellender Weise unterbunden, so daß ihre Standzeit so kurz ist, daß die Werkzeuge nicht zum praktischen Einsatz gelangen.
  • Im Falle der Verwendung von Al&sub2;O&sub3;-SiC-Whisker-Keramikschneidwerkzeugen und spanabhebenden Werkzeugen auf Basis von Al&sub2;O&sub3;-SiC-Whisker-ZrO&sub2;-Keramikmaterialien bei der spanabhebenden Bearbeitung von Formgußstücken, ist eine ausreichende Bruchfestigkeit im Sinne des zu erreichenden Standards zu verzeichnen; deren Verschleißbeständigkeit erreicht jedoch nicht das optimal Mögliche.
  • Die US-A-4 657 877 offenbart Keramikerzeugnisse für Bauteile in Wärmemaschinen, welche aus Al&sub2;O&sub3; und SiC-Whiskers in Verbindung mit ZrO&sub2; hergestellt sind. Es heißt darin, daß ein Gehalt von mehr als 12 Vol.-% ZrO&sub2;, typischerweise Vol.-% benötigt werden, um eine Erhöhung der Bruchzähig keit zu zeigen.
  • Die US-A-4 749 667 beschreibt Keramikerzeugnisse, welche aus Al&sub2;O&sub3; und SiC-Whiskers zusammen mit ZrO&sub2; hergestellt wurden, worin zwischen 35 und 40 Vol.-% SiC-Whiskers zum Erhalt einer Härte und Zähigkeit enthalten sein müssen, die als gut gelten können.
  • Die EP-A-0 208 910 offenbart einen weiten Bereich von Alumina-Keramikmaterialzusammensetzungen, welche durch SiC-Whiskers für spanabhebende Werkzeuge verstärkt wurden. ZrO&sub2; wird als eines der möglichen Materialadditive aus einem breiten Spektrum offenbart, welches im wesentlichen SiC-Whiskers, Al&sub2;O&sub3; sowie Sinterhilfssubstanzen umfaßt. Insbesondere ist darin ein Beispiel offenbart, welches aus 60 Gew.-% Al&sub2;O&sub3;, 25 Gew.-% MgO und 1 Gew.-% YB&sub6; besteht. In verallgemeinerter Form offenbart dieses Dokument Zusammensetzungen mit Additiven als Zusätze zu Sinterhilfssubstanzen, wobei diese Additive einen der Stoffe B, C, AlN, B&sub4;C sowie ein Borid von Si, Al, Y, einem Lanthanid, einem Übergangsmetall, welches zur Gruppe IVa, Va und VIa des Periodensystems der Elemente gehört, oder ein Oxid, Carbid, Nitrid, Borid davon einschließlich deren fester Lösungen umfassen.
  • Die EP-A-0 295 228 beschreibt ein spanabhebendes Werkzeug aus Al&sub2;O&sub3;-SiC-Whisker-ZrO&sub2; mit einem möglichen weiteren Zusatz an Cr&sub2;O&sub3;.
  • Die erfindungsgemäße Aufgabe besteht darin, spanabhebende Werkzeuge zu schaffen, welche eine hervorragende Zähigkeit als auch Verschleißbeständigkeit besitzen. Erfindungsgemäße Beispiele stellen ein spanabhebendes Keramikwerkzeug aus Al&sub2;O&sub3;-SiC-Whisker-ZrO&sub2; mit hervorragenden Eigenschaften zur Verfügung, bei denen sich das Keramikmaterial in einem Bereich so kompakt wie möglich erwiesen hat, bei dem das Al&sub2;O&sub3; nicht dem Kornwachstum unterliegt, indem man die Mengen an SiC-Whiskers und ZrO&sub2; auf ein Optimum einstellt und auf diese Weise exakt die Produktionsbedingungen unter Kontrolle hat.
  • Die Erfindung stellt ein spanabhebendes Keramikwerkzeug mit Al&sub2;O&sub3;-SiC-Whiskers-ZrO&sub2; zur Verfügung, welches 27 bis 33 Vol.-% SiC-Whiskers, 3 bis 7 Vol.-% teilweise stabilisiertes ZrO&sub2;, mindestens einen Sinterhilfsstoff, welcher aus der aus MgO, Y&sub2;O&sub3; und NiO bestehenden Gruppe einschließlich der zu ergänzenden Menge an Al&sub2;O&sub3; ausgewählt wird, wobei das Al&sub2;O&sub3; einen durchschnittlichen Korngrößendurchmesser von höchstens 1,5 um aufweist.
  • Die beigefügten Zeichnungen dienen zur Erläuterung der Vorteile und des Wesens der Erfindung im einzelnen.
  • Fig. 1 zeigt ein Diagramm, welches den Zusammenhang zwischen der Schartigkeit der Schneidkantengrenzflächen VN und der Menge an ZrO&sub2; in einem spanabhebenden Keramikwerkzeug gemäß dem Al&sub2;O&sub3;-SiC-Whiskers-ZrO&sub2;-System mit einem Gehalt an Vol.-% SiC-Whiskers im Falle der spanabhebenden Bearbeitung von Inconel 718.
  • Fig. 2 zeigt ein Diagramm, welches den Zusammenhang zwischen der Heißpreßtemperatur und der Schartigkeit der Schneidkantengrenzflächen VN im Falle der spanabhebenden Bearbeitung von Inconel 718 unter Verwendung eines Keramikschneidwerkzeugs mit 32 Vol.-% SiC-Whiskers, 5 Vol.-% ZrO&sub2; mit einem Gehalt an 3 Gew.-% Y&sub2;O&sub3; und der Restmenge an Al&sub2;O&sub3; aufzeigt.
  • Die Erfinder haben verschiedene Anstrengungen unternommen, ein verbessertes spanabhebendes Keramikwerkzeug auf Basis von Al&sub2;O&sub3;-SiC-Whisker-ZrO&sub2; zur Verfügung zu stellen, wodurch die Nachteile der spanabhebenden Keramikwerkzeuge des Standes der Technik überwindbar sind; als Folge davon fanden sie heraus, daß derartig verbesserte spanabhebende Keramikwerkzeuge durch eine exakte Kontrolle der Produktionsbedingungen herstellbar sind.
  • Dementsprechend sollte ein spanabhebendes Keramikwerkzeug mit Al&sub2;O&sub3;-Sic-Whisker-ZrO&sub2; 27 bis 32 Vol.-% SiC-Whiskers, 3 bis 7 Vol.-% teilweise stabilisiertes ZrO&sub2; sowie die zu ergänzende Menge an Al&sub2;O&sub3; mit einem durchschnittlichen Korngrößendurchmesser von höchstens 1,5 um umfassen. Dieses spanabhebende Keramikwerkzeug ist durch Heißpressen eines Pulvergemisches aus Al&sub2;O&sub3;, SiC-Whiskers, ZrO&sub2; und Sinterhilfssubstanzen bei einer Temperatur zwischen 1500 und 1750 ºC und einem Druck von 150 bis 500 kg/cm² über eine Zeitdauer von 30 Minuten bis zu 5 Stunden oder durch Heißpressen eines Pulvergemisches aus Al&sub2;O&sub3;, SiC-Whiskers, ZrO&sub2; sowie Sinterhilfsstoffen bei einer Temperatur zwischen 1450 und 1750 ºC bei einem Druck von 10 bis 500 kg/cm² während einer Zeitdauer von 30 Minuten bis zu 5 Stunden herstellbar, wonach das Gemisch einer hydrostatischen Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 1500 bis 1800 ºC und einem Druck von 10 bis 3000 atm (1 x 10&sup6; bis 3 x 10&sup8; Pa) während einer Zeitdauer von 30 Minuten bis 5 Stunden unterzogen wird. Vorzugsweise besitzen die SiC-Whiskers ein Längenverhältnis von 3 bis 200.
  • Im Falle eines SiC-Whisker-Anteils von weniger als 27 Vol.-% ist die Erhöhung der Festigkeit nicht ausreichend, insbesondere ist der Anteil an Al&sub2;O&sub3; im Falle der Whiskersmenge von mehr als 32 Vol.-% bei der spanabhebenden Bearbeitung von hitzebeständigen Materialien, wie beispielsweise Inconel, relativ weit herabgesetzt, was zu einer Minderung der Verschleißbeständigkeit führt. Diese Minderung ist zu vermeiden. Im Falle eines ZrO&sub2;-Anteils von weniger als 3 Vol.-% reicht die Erhöhung des KIC im Vergleich zur Al&sub2;O&sub3;-Keramik nicht aus, wogegen dann, wenn ein höherer Anteil als 12 Vol.-% vorliegt, die Festigkeit der Keramik verringert und die Verschleißbeständigkeit während der spanabhebenden Bearbeitung ebenfalls verschlechtert wird. In bevorzugterer Weise liegt der ZrO&sub2;-Anteil im Bereich zwischen 3 und 7 Vol.-%.
  • Die Al&sub2;O&sub3;-Korngröße bei der erfindungsgemäßen Keramik- Zusammensetzung weist einen mittleren Durchmesser von höchstens 1,5 um auf, da im Falle des Uberschreitens des Korngrößendurchmessers von 1,5 um die Verschleißbeständigkeit beträchtlich herabgesetzt wird, sofern die Zusammensetzung als spanabhebendes Werkzeug benutzt wird. Die Sintereigenschaften der Al&sub2;O&sub3;-SiC-Whisker-Keramik mit einer geringen Sinterneigung läßt sich durch den Zusatz von ZrO&sub2; zwecks Erniedrigung der Sintertemperatur verbessern. Auf diese Weise läßt sich der mittlere Korngrößendurchmesser von Al&sub2;O&sub3; auf höchstens 1,5 um begrenzen, um die Verschleißbeständigkeit bis zu einem höheren Grade zu verbessern.
  • Bei dem gewöhnlichen Sintervorgang bei Normaldruck ist die Kompaktierung derartiger Keramiken nicht ausreichend, um im praktischen Einsatz als spanabhebendes Werkzeug bestehen zu können. Andererseits wird im Zusammenhang mit erfindungsgemäßen Ausgestaltungen ein Gemisch aus Al&sub2;O&sub3;-Pulver, SiC-Whiskers, ZrO&sub2;-Pulver und Sinterhilfsstoff(en) heißverpreßt, oder aber nach dem Heißverpressen einer isostatischen Wärmepreßbehandlung (HIP) unterworfen.
  • Im Falle der Durchführung des Warmpressens ohne die isostatische Wärmepreßbehandlung bei einer Temperatur von weniger als 1500 ºC, erweist sich die Kompaktierung als unzureichend, wobei das Al&sub2;O&sub3; bei einer Temperatur von höher als 1750 ºC einem übermäßigen Korngrößenwachstum bei gleichzeitig herabgesetzter Verschleißbeständigkeit unterliegt. Falls der Sintervorgang über eine Dauer von mehr als 5 Stunden ausgeführt wird, unterliegt auch in diesem Fall das Al&sub2;O&sub3; einem übermäßigen Korngrößenwachstum, was die Verschleißbeständigkeit herabsetzt, wogegen bei einem Sintervorgang von weniger als 30 Minuten die Kompaktierung unzureichend ist. Die Kompaktierung ist auch dann unzulänglich, wenn der Druck beim Heißpressen weniger als 150 kg/cm² beträgt und selbst dann, wenn er höher als 500 kg/cm² ist, ist der Effekt nicht in dem Maße gesteigert, so daß sich ein industrieller Maßstab erübrigt.
  • Die isostatische Warmpreßbehandlung sollte nach der Umwandlung der Poren in der gesinterten Kompaktkeramik in Zellporen durch Verpressen und Sintern ausgeführt werden. Aus diesem Grund sollte das Warmpressen bei einer Temperatur von 1450 ºC oder höher stattfinden, denn in dem Fall, daß sie unterhalb von 1450 ºC liegt, werden die Poren in der gesinterten Kompaktkeramik nicht in die zelligen Poren umgewandelt, vielmehr als offene Poren beibehalten. Auf diese Weise ist die Kompaktierung durch die isostatische Warmpreßbehandlung in nur unzulänglicher Weise erzielbar. Sofern die Warmpressung bei einer Temperatur von höher als 1750 ºC ausgeführt ist, unterliegt das Al&sub2;O&sub3; einem übermäßigen Korngrößenwachstum. Dies ist nicht bevorzugt. Im Falle einer Dauer von weniger als 30 Minuten sind die Poren in der gesinterten Kompaktkeramik nicht in zellige Poren umwandelbar, werden vielmehr in Form offener Poren beibehalten, so daß eine nur unzureichende Kompaktierung durch die isostatische Warmpreßbehandlung erzielbar ist, wogegen im Falle von einer Dauer von mehr als 5 Stunden das Al&sub2;O&sub3; einem übermäßigen Korngrößenwachstum unterliegt.
  • Ein Druck von weniger als 10 kg/cm² ist im Zusammenhang mit der Umwandlung der Poren in der gesinterten Kompaktkeramik in zellige Poren durch Warmpressen unzureichend, wobei sogar ein Druck von mehr als 500 kg/cm² keine verbesserten Ergebnisse ergibt. Dies ist für den industriellen Maßstab ohne Bedeutung.
  • Eine Temperatur von weniger als 1500 ºC, ein Druck von weniger als 1 x 10&sup6; Pa (10 atm) und eine Dauer von weniger als 30 Minuten sind im Zusammenhang mit der isostatischen Warmpreßbehandlung zur Kompaktierung der Keramik unzureichend, wogegen eine Temperatur von höher als 1800 ºC über eine Zeitdauer von mehr als 5 Stunden auf ein übermäßiges Wachstum von Al&sub2;O&sub3; hinausläuft und ein Druck von mehr als 3 x 10&sup8; Pa (3000 atm) keine Verbesserung der Wirkung erwarten läßt.
  • Sinterhilfsstoffe in bezug auf Al&sub2;O&sub3;-Keramik, wie beispielsweise MgO, Y&sub2;O&sub3; und NiO, welche wohlbekannt sind, werden hinzugefügt. Teilweise mittels Y&sub2;O&sub3;, CaO, HfO&sub2;, teilweise stabilisiertes ZrO&sub2; wird als Pulverausgangsmaterial eingesetzt.
  • Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung im Detail erläutern, ohne sie zu beschränken, wobei Teile und Prozentangaben jeweils in Form des Gewichts zu verstehen sind, wenn nichts anderes angegeben ist.
    • Beispiel 1
  • Ein Pulvergemisch aus 63 Vol.-% α-Al&sub2;O&sub3; mit einem mittleren Korngrößendurchmesser von 1 um oder weniger, 5 Vol.-% ZrO&sub2;, welches teilweise mittels 3 % Y&sub2;O&sub3; stabilisiert wurde, sowie 32 Vol.-% SiC-Whiskers mit einem mittleren Durchmesser von 0,6 um bei einem Seitenverhältnis von 5 : 50 wurde in angemessener und gleichmäßiger Form in Ethanol unter Verwendung von Ultraschall dispergiert und anschließend getrocknet. Das so erhältliche Pulvergemisch wurde unter Verwendung eines Trockenbeutels auf eine Größe von etwa 100 mm (Durchmesser) x 6 mm geformt und danach 1 Stunde lang bei einer Temperatur von 1650 ºC und einem Druck von 400 kg/cm² unter Vakuum von 1 Pa unter Benutzung einer Warmpreßmetallform aus C/C-Komposit-Material warmverpreßt. Aus dem so erhaltenen Sinterkörper wurde ein Schneideinsatz (Probe A) der Form Nr. SNGN 120408 erhalten und anschließend dem Poliervorgang unterzogen. Als Vergleich wurde ein handelsübliches spanabhebendes Werkzeug aus Al&sub2;O&sub3;-TiC-Keramik (Handelsname: NB 90S, Erzeugnis der Firma X Co., Probe B) ein Schneidwerkzeug aus Al&sub2;O&sub3;-ZrO&sub2;-Keramik (Handelsname: SN 60, Erzeugnis der Firma Y Co., Probe C), ein Schneidwerkzeug aus Si&sub3;N&sub4;-Keramik (Handelsname: NS 130, Erzeugnis der Sumitomo Electric Industries, Ltd., Probe D) sowie ein Schneidwerkzeug aus Al&sub2;O&sub3;-SiC-Whisker-Keramik (Handelsname: WG 300, Erzeugnis der Z Co., Probe E) eingesetzt.
  • Die Proben wurden den Schneidversuchen unter den folgenden Bedingungen unterzogen:
    • Schneidbedingungen 1
  • zu bearbeitendes Werkstück Inconel 718 (Handelsname, nach Lösungsbehandlung gealtert)
  • Schneidgeschwindigkeit 100 m/min
  • Vorschubgeschwindigkeit 0,15 mm/U
  • Schneidtiefe 2 mm
  • Einsatzform Nr. SNGN 120408
  • Spannvorrichtung FN 11R-44A
  • Schneidemittel keines
  • Die Ergebnisse sind wie folgt:
  • Probe B: Kantenbruch nach Spanabheben über eine Dauer von 12 Sekunden
  • Probe C: Abschmelzen der Einsatzkante nach einer Schneidbearbeitung von 21 Sekunden
  • Probe D, E und A hielten der Spanabhebung 1 Minute lang stand, wobei die folgenden Ergebnisse erhalten wurden: Flankenverschleiß (Vn) (mm) Schnittkantenschartigkeit (Vn) (mm) Probe
  • In ähnlicher Weise wurden die vorstehend beschriebenen Proben spanabhebenden Testläufen unter den folgenden Bedingungen unterworfen:
    • Schneidbedingungen 2
  • Werkstück FC 30
  • Schneidgeschwindigkeit 350 m/min
  • Vorschubgeschwindigkeit 0, 15 mm/Zahn
  • Schneidtiefe 2 mm
  • Einsatzform Nr. SNGN 120408
  • Schneidwerkzeug DNF 4160 R (eine Kante)
  • Schneidemittel keines
  • Die Ergebnisse sind nachstehend zusammengefaßt
  • Probe A: VB (Durchschnittswert) 0,13 mm nach Spanabhebung über eine Dauer von 30 Minuten
  • Probe B: Bruch nach einem Schneidvorgang von 4 Minuten und 38 Sekunden
  • Probe C: Abschmelzen der Einsatzkante nach einer spanabhebenden Bearbeitung von 4 Minuten 18 Sekunden
  • Probe D: VB (Mittelwert) 0,31 mm nach 30-minütiger Spanabhebung
  • Probe E: VB (Mittelwert) 0,23 mm nach 30-minütiger Spanabhebung
    • Beispiel 2
  • Die in Tabelle 1 bezeichneten Keramikschneidwerkzeuge wurden auf dieselbe Weise hergestellt wie Probe A gemäß Beispiel 1, wonach sie den spanabhebenden Testläufen unter den Schneidebedingungen 1 gemäß Beispiel 1 unterzogen wurden. Tabelle 1 Probe SiC-Whisker Flankenverschleißbreite VB mm Kantenschartigkein VN mm Lebensdauer: max. 1 Sek.
  • Anmerkung: Probe J entspricht der Erfindung
    • Beispiel 3
  • Es wurden Keramikschneidwerkzeuge mit derselben Zusammensetzung wie Probe A gemäß Beispiel 1 unter Bedingungen hergestellt, wie sie in Tabelle 2 aufgezeigt sind, wonach sie den spanabhebenden Testläufen unter den Schneidebedingungen 1 gemäß Beispiel 1 unterzogen wurden, wobei die in Tabelle 2 dargestellten Ergebnisse halten wurden.
  • Zur Überprüfung des Effekts der hydrostatischen Warmpreßbehandlung wurde ein spanabhebendes Keramikwerkzeug von derselben Zusammensetzung wie Probe A verpreßt und bei 1600 ºC und 100 kg/cm² während 40 Minuten gesintert, wonach das Werkzeug den hydrostatischen Warmpreßbehandlungen unter variierenden Bedingungen unterworfen wurde. Die Behandlungsbedingungen und Testergebnisse unter den Schneidebedingungen 1 sind in der Tabelle 3 dargestellt.
  • Im Falle der Überprüfung der Warmpreßbedingungen vor der isostatischen Warmpreßbehandlung im Hinblick auf verschiedene Gesichtspunkte bei einer Temperatur von weniger als 1500 ºC, wurde dasselbe Ergebnis erhalten wie im Falle der Probe 10 sowie bei einem Druck von weniger als 10 kg/cm² bzw. bei einer Zeitdauer von weniger als 30 Minuten, wobei die Lebensdauer der Werkzeuge höchstens 30 Sekunden betrug. In dem Falle, daß die Temperatur höher als 1800 ºC lag oder die Zeitdauer länger als 5 Stunden betrug, ergab sich eine Werkzeuglebensdauer von höchstens 30 Sekunden, da das Al&sub2;O&sub3; einem übermäßigen Korngrößenwachstum nach der hydrostatischen Warmpreßbehandlung unterlag. Tabelle 2 Probe Warmpreßtemperatur (ºC) Warmpreßdruck (kg/cm²) Warmpreßzeit (Std.) Flankenverschleißbreite VB (mm) Kantenschartigkeit VN (mm) Lebensdauer: Sekunden
  • Anmerkung: Proben Q, R und X entsprechen der Erfindung Tabelle 3 Probe Temperatur (ºC) Druck Zeit (Std.) Flankenverschleißbreite VB (mm) Kantenschartigkeit VN (mm) keine Behandlung Lebensdauer: Sekunden
  • Anmerkung: Proben 2, 3 und 8 entsprechen der Erfindung.
    • Beispiel 4
  • Probe A und die Proben F bis X wurden weiteren spanabhebenden Testläufen unter den folgenden Bedingungen unterzogen:
    • Schneidebedingungen 3
  • Werkstück FC 25
  • Schneidgeschwindigkeit 300 m/min
  • Vorschubgeschwindigkeit 0,4 mm/U
  • Schneidtiefe 1,5 mm
  • Einsatzform Nr. SNGN 120408
  • Spannvorrichtung FN 11R - 44A
  • Schneideöl trocken
  • Schneidezeit 10 min
  • Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 dargestellt: Tabelle 4 Probe Flankenverschleißbreite VB (mm) Kantenschartigkeit VN (mm) Al&sub2;O&sub3;-mittlerer Korndurchmesser (um)
  • Anmerkung: Die Proben J, Q, R und X entsprechen der Erfindung; Al&sub2;O&sub3;/mittlerer Korngrößendurchmesser: gemessen anhand der Beobachtung von SEM
    • Beispiel 5
  • Keramikschneidwerkzeuge mit jeweils einer Zusammensetzung, welche 30 Vol.-% (als konstante Menge) SiC-Whiskers mit einem mittleren Korndurchmesser von 0,6 um bei einem Seitenverhältnis von 5 : 50, 0 bis 20 Vol.-% teilweise mit 3 % HfO&sub2; stabilisiertes ZrO&sub2; und der zu ergänzenden Menge an α-Al&sub2;O&sub3; gemäß Tabelle 5 umfaßt, wurden unter denselben Bedingungen, wie sie für Beispiel 1 gelten, hergestellt und anschließend unter den Schneidebedingungen 1 gemäß Beispiel 1 unterzogen, wobei die in Fig. 1 erhältlichen Ergebnisse dargestellt sind und die Beziehung zwischen der ZrO&sub2;-Menge und der Kantenschartigkeit angegeben ist. Tabelle 5 Probe SiC-Whiskers (Vol.-%) Kantenschartigkeit VN (mm)
  • Anmerkung: Die Proben 11 bis 13 entsprechen der Erfindung.
    • Beispiel 6
  • Es wurden spanabhebende Keramikwerkzeuge mit derselben Zusammensetzung wie Probe A gemäß Beispiel 1 unter den in Tabelle 6 angegebenen Bedingungen hergestellt und anschließend spanabhebenden Testläufen unter den Schneidebedingungen 1 gemäß Beispiel 1 unterzogen, wobei die in Fig. 2 gezeigten Ergebnisse, worin die Beziehung zwischen der Warmpreßtemperatur und der Kantenschartigkeit VN aufgezeigt ist, erhalten wurden.
  • Die so erhaltenen Sinterkörper wurden einer HIP-Behandlung in Ar bei 1600 ºC und einem Druck von 1500 atm 1 Stunde lang zur Herstellung der Schneideinsätze unterzogen, welche anschließend den spanabhebenden Testläufen zum Vergleich mit jenen vor der HIP-Behandlung in analoger Weise wie in Beispiel 1 unterworfen wurden. Die Ergebnisse sind in Tabelle 6 und Fig. 2 dargestellt.
  • Aus den Ergebnissen ist klar ersichtlich, daß die erfindungs gemäßen spanabhebenden Keramikwerkzeuge sowohl hinsichtlich ihrer Zähigkeit als auch Standfestigkeit hervorragende Eigenschaften besitzen. Tabelle 6 Probe Warmpreßtemperatur (ºC) Warmpreßdruck (kg/cm²) Warmpreßzeit (Std.) mittlerer Korngrößendurchmesser von Al&sub2;O&sub3; um Kantenschartigkeit VN (mm) Kantenschartigkeit VN nach HIP (mm) Werkzeuglebensdauer
  • Anmerkung: Die Proben 18 bis 24 entsprechen der Erfindung

Claims (4)

1. Spanabhebendes Al&sub2;O&sub3; - SiC-Whiskers - ZrO&sub2; - Keramikwerkzeug, welches 27 bis 32 Vol.-% SiC-Whiskers, 3 bis 7 Vol-% teilweise stabilisiertes ZrO&sub2; umfaßt, wobei mindestens ein Sinterhilfsmittel aus der aus MgO, Y&sub2;O&sub3; und NiO bestehenden Gruppe sowie der zu ergänzenden Restmenge an Al&sub2;O&sub3; ausgewählt ist, und das Al&sub2;O&sub3; einen mittleren Korngrößendurchmesser von höchstens 1,5 um aufweist.
2. Verfahren zur Herstellung des spanabhebenden Al&sub2;O&sub3; - SiC-Whiskers - ZrO&sub2; - Keramikwerkzeugs gemäß Anspruch 1, welches die Warmpressung eines Pulvergemisches aus Al&sub2;O&sub3;, SiC-Whiskers, ZrO&sub2; sowie einem Sinterhilfsmittel bei einer Temperatur von 1500 bis 1750 ºC und einem Druck von 150 bis 500 kg/cm² für eine Zeitspanne von 30 Minuten bis 5 Stunden umfaßt.
3. Verfahren zur Herstellung des spanabhebenden Al&sub2;O&sub3; - SiC-Whiskers - ZrO&sub2; - Keramikwerkzeugs gemäß Anspruch 1, welches die Warmpressung eines Pulvergemisches aus Al&sub2;O&sub3;, SiC-Whiskers, ZrO&sub2; sowie einem Sinterhilfsmittel bei einer Temperatur zwischen 1450 ºC und 1750 ºC und einem Druck von 10 bis 500 kg/cm² während einer Zeitspanne von 30 Minuten bis 5 Stunden und anschließendes Unterwerfen des Gemisches einer isostatischen Warmpreßbehandlung bei einer Temperatur zwischen 1500 ºC und 1800 ºC unter einem Druck von 10 bis 3000 Atmosphären während einer Zeitspanne von 30 Minuten bis 5 Stunden umfaßt.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 oder 3, bei dem das ZrO&sub2; teilweise mit mindestens einer Verbindung stabilisiert ist, welche aus der aus Y&sub2;O&sub3;, CaO und HfO&sub2; bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
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