DE9401629U1 - Schneid-, Bohr- und Zerspanwerkzeuge mit erhöhter Standfestigkeit - Google Patents
Schneid-, Bohr- und Zerspanwerkzeuge mit erhöhter StandfestigkeitInfo
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Description
Schneid- Bohr und Zerspanwerkzeuge mit erhöhter Standfestigkeit
Die Neuerung betrifft Schneid-, Bohr- und Zerspanwerkzeuge mit erhöhter
Standfestigkeit.
Die Standfestigkeit von Schneid-, Bohr- und Zerspanwerkzeugen wie z.B.
Bohrern und Reibahlen ist in der industriellen Fertigung ein wesentliches Kriterium. Abgesehen von den reinen Material kosten für verschlissene
Werkzeuge sind auch die Personal kosten sowie die Opportun itätskosten der Zeit bei Stillstand von Maschinen immens. Darüber hinaus ist das
Arbeitsergebnis von Werkzeugen, die an ihrer Verschleißgrenze angelangt sind, oft ungenügend und die Ausschußquote in der Produktion wächst
erheblich.
Seit jeher wird deshalb versucht, die Materialeigenschaften der Werkzeuge
dem jeweiligen Einsatzzweck möglichst optimal anzupassen. Werkzeuge, die tribologisch beansprucht werden, werden insbesondere mit
Beschichtungen und Härtungen der beanspruchten Oberfläche versehen. Neben diesen galvanisch oder durch Auftragsschweißen, Schmelztauchen
oder Aufdampfen erzeugten Schichten kann die Randschicht auch durch die Fusion, mechanische Oberflächenverfestigung oder auch laser- oder
elekronenstrahlgestützte Umschmelzverfahren modifiziert werden.
Die so hergestellten Werkzeuge weisen jedoch in der Anwendung einige
Nachteile auf, die insbesondere auf ungeeigneter Kombination zwischen Grundmaterial des Werkzeuges und modifizierter Oberflächenschicht
beruht. Die unterschiedlichen Anforderungen, die an das Grundmaterial des Werkzeugs gestellt werden, wie z.B. hohe Biegefestigkeit, und den
Anforderungen, die der Oberfläche abverlangt werden, wie große Härte, lassen sich meist nicht optimal kombinieren. Die Haftfestigkeit der an der
Werkzeugoberfläche aufgebrachten Schicht ist vielfach ungenügend und es
müssen Kompromisse bei der Auswahl der Materialien eingegangen werden. Unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten von Grundwerkstoff und
Beschichtung lassen die Beschichtung bei thermischer Beanspruchung frühzeitig abplatzen.
Unter der zusätzlich aufgebrachten Schicht leidet auch die Maßgenauigkeit
des Werkzeuges, was z.B. bei Reibahlen oder Bohrern ganz entschieden von Nachteil sein kann. Da auch die Dicke der aufgebrachten Schicht von
Werkzeug zu Werkzeug unterschiedlich ausfallen kann, kann die Maßveränderung durch die Schichtdicke nicht bereits im Vorwege bei der
Produktion des Werkstoffrohlings berücksichtigt werden, so daß sich eine ausreichende Maßhaltigkeit, insbesondere bei Kleinstwerkzeugen, auch auf
diesem Wege nicht gewährleisten läßt.
Ungleichmäßige Schichtverteilung führt zu schwankender Qualität der
beschichteten Werkzeuge. So muß entweder in Kauf genommen werden, daß Werkzeuge am oberen Rand der Qualitätsspanne zu früh ausgewechselt
werden, um die Ausschußquote in der Produktion möglichst niedrig zu halten oder aber, daß die Werkzeuge am unteren Rand der Qualitätsspanne
gegen Ende ihres Einsatzes über Gebühr viel Ausschuß produzieren. Beides ist mit erhöhten Kosten verbunden, die mit qualitativ besseren Werkzeugen
vermeidbar wären.
Weiterhin verursacht die zusätzlich aufgebrachte Schicht bei Schneidwerkzeugen eine Verrundung der Schneiden, die z.B. bei Bohrern
kleinen Durchmessers die Schneidleistung erheblich herabsetzt. Vor allem kleine Werkzeuge sind zudem durch die hohe thermische Belastung, der sie
während der Beschichtung ausgesetzt sind, gefährdet, da es zu unerwünschten Effekten, wie z.B. der Schädigung ihrer Festkörperstruktur
führen kann.
Insbesondere Kleinstwerkzeuge für die Präzisionsmechanik mit
beschichteten Oberflächen sind deshalb oft leistungsmäßig unbefriedigend, da sich die werkstofftechnisch möglichen optimalen Ergebnisse durch
geeignete Werkstoffkombination mit vertretbarem Aufwand nicht herstellen lassen.
Aufgabe der vorliegenden Neuerung ist also die Bereitstellung von Schneid-,
Bohr- und Zerspanwerkzeugen mit verbesserter Standfestigkeit, die die Nachteile von beschichteten Werkzeugen, insbesondere bei
Kleinstwerkzeugen, nicht aufweisen.
Neuerungsgemäß werden Schneid-, Bohr- und Zerspanwerkzeuge mit erhöhter Standfestigkeit vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet sind,
daß die tribologisch beanspruchten Flächen durch Ionenimplantation, insbesondere mit N- oder C-Ionen, verdichtet sind. Bei der an sich bekannten
Ionenstrahl Itechnik erfolgt die Oberflächenverdichtung durch einen gerichteten Strahl beschleunigter Ionen mit definierter Energie. Die zu
implantierenden Ionen werden mittels eines Teilchenbeschleunigers unter Hochvakuum in die zu modifizierende Werkstoffoberfläche eingeschossen.
Ergebnis ist eine dotierte oder legierte Materialschicht, in der chemische Umsetzungen stattfinden. Die Anzahl der implantierten Ionen und deren
Eindringtiefe ist exakt festlegbar und abhängig von den verwendeten Materialien und der Energie der Ionen. Die Tiefe der verdichteten Schicht
liegt typischerweise im Bereich bis etwa 1 &mgr;&igr;&tgr;&igr;.
Schneid-, Bohr- und Zerspanwerkzeuge mit durch Ionenimplantation verdichteter Oberfläche haben gegenüber den bisher üblichen beschichteten
Werkzeugen einige entscheidende Vorteile. Zunächst treten bei den neuerungsgemäßen Werkzeugen keine Probleme mit der Haftfestigkeit auf,
wie dies bei aufgebrachten Schichten der Fall ist. Es können annähernd beliebige Legierungskonzentrationen und Zusammensetzungen von
Werkstoffen erzielt werden, auch solche außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichts und der Lösungsgrenzen der Materialien. Da sich keine
zusätzliche Schicht auf dem Werkzeug befindet, sondern die Grenzschicht
des Werkzeuges modifiziert ist, ist auch die ausgezeichnete Maßhaltigkeit der behandelten Werkzeuge gewährleistet. Auch thermisch sind die
Werkzeuge während der Modifizierung der Oberfläche nur gering belastet worden, da die Temperatur während der Ionenimplantation unter 1000C
gehalten werden kann.
Die Güte der ursprünglichen Oberfläche vor der Ionenimplantation bleibt
erhalten und somit leidet auch die Qualität der Werkzeugschneiden nicht unter der Oberflächenbehandlung, wie dies bei praktisch allen
Beschichtungen der Fall ist. Darin liegt ein besonderer Vorteil für die Verbesserung von kleinen bis mittelgroßen Reibahlen, deren Schneiden
durch Beschichtungen stumpf werden und deren Maße sich ändern.
Die Schneid-, Bohr- und Zerspanwerkzeuge mit erhöhter Standfestigkeit
können aus allen Werkzeugkombinationen der Werkzeugindustrie hergestellt werden, nämlich aus Metallen und ihren Legierungen inkl.
Stählen und Titan- oder Aluminiumbasislegierungen als Grundwerkstoffe in Kombination mit Nitriden oder Carbiden der Übergangs meta I Ie,
insbesondere der Elemente in den Nebengruppen III bis VII des periodischen
Systems der Elemente, vorzugsweise Titan, Vanadium, Chrom und Molybdän. Bevorzugt wurden in die Oberfläche N- oder C-Ionen in titan-
oder chromhaltige Werkstoffe implantiert, so daß das Ergebnis qualitätsverbessernde Nitrid- oder Carbidverbindungen sind.
Ein weiterer Vorteil der so hergestellten Werkzeuge ist, daß ihre Produktion
mit der lonenstrahltechnik wesentlich besser umweltverträglich ist, als
insbesondere die Galvanik, da praktisch keine Abfälle anfallen.
Die sich nach der Ionenimplantation in der Materialrandschicht befindlichen
Defekte im lonenstoßkanal beseitigen sich selbständig bei der ersten Benutzung der Werkzeuge, da es bei thermisch beanspruchten Werkzeugen
wie Bohrern, Reibahlen und anderen Zerspanwerkzeugen automatisch bei
der ersten Erhitzung in Betrieb zu einer Annihilation der Defekte durch
thermische Elektron-Phonon-Wechelwirkung kommt.
Im Versuch hat sich gezeigt, daß Kleinstbohrer aus HSS-E-Stählen, die im
Vakuum mit Stickstoffionen mit einer Energie von 170 keV beschossen wurden und deren Oberfläche damit Veränderungen in Form von
physikalischer Verdichtung und chemischer Umsetzung der N-Ionen in Form von Nitriden erfahren hat, eine Standzeit von bis zum 1,8fachen der
herkömmlichen beschichteten Bohrer erreicht.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert:
Die Schneiden 2 eines Bohrers 1 wurden durch Ionenimplantation mit
Stickstoffionen verdichtet. Im vergrößerten Ausschnitt 1a ist zu erkennen,
daß das Grundmaterial des Bohrers 4 in der Randschicht 3 verdichtet wurde.
Claims (4)
1. Schneid-, Zerspan- oder Bohrwerkzeuge mit erhöhter Standfestigkeit,
dadurch gekennzeichnet, daß die triboligisch beanspruchten Flächen durch lonenimplatation, insbesondere mit N- oder C-Ionen, verdichtet
sind.
2. Schneid-, Zerspan- oder Bohrwerkzeuge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus Stählen wie Titan- oder Aluminiumwerkstoffen,
gegebenenfalls in Legierungen mit Elementen der Nebengruppen Il bis VII des Periodensystems, bestehen.
3. Schneid-, Zerspan- oder Bohrwerkzeuge nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die verdichteten Flächen zumindest
teilweise Nitride und/oder Carbide der Ausgangsmetalle aufweisen.
4. Schneid-, Zerspan- oder Bohrwerkzeuge nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Verdichtungen im Bereich
von etwa 1 //m liegt.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE9401629U DE9401629U1 (de) | 1994-02-01 | 1994-02-01 | Schneid-, Bohr- und Zerspanwerkzeuge mit erhöhter Standfestigkeit |
Applications Claiming Priority (1)
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| DE9401629U DE9401629U1 (de) | 1994-02-01 | 1994-02-01 | Schneid-, Bohr- und Zerspanwerkzeuge mit erhöhter Standfestigkeit |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE9401629U1 true DE9401629U1 (de) | 1994-07-07 |
Family
ID=6903981
Family Applications (1)
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| DE9401629U Expired - Lifetime DE9401629U1 (de) | 1994-02-01 | 1994-02-01 | Schneid-, Bohr- und Zerspanwerkzeuge mit erhöhter Standfestigkeit |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE9401629U1 (de) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102013204955A1 (de) * | 2013-03-20 | 2014-09-25 | Gühring KG | Bohrwerkzeug |
-
1994
- 1994-02-01 DE DE9401629U patent/DE9401629U1/de not_active Expired - Lifetime
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|---|---|---|---|---|
| DE102013204955A1 (de) * | 2013-03-20 | 2014-09-25 | Gühring KG | Bohrwerkzeug |
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