EP1466710B1 - Beheizbares Schneidwerkzeug - Google Patents

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EP1466710B1
EP1466710B1 EP04000670A EP04000670A EP1466710B1 EP 1466710 B1 EP1466710 B1 EP 1466710B1 EP 04000670 A EP04000670 A EP 04000670A EP 04000670 A EP04000670 A EP 04000670A EP 1466710 B1 EP1466710 B1 EP 1466710B1
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EP
European Patent Office
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ceramic
cutting tool
cutting
matrix
mixed
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EP04000670A
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English (en)
French (fr)
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EP1466710A2 (de
EP1466710A3 (de
Inventor
Elmar Günther
Ulrike Dr. Kaufmann
Hans-Joachim Dr. Ritzhaupt-Kleissl
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Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B26—HAND CUTTING TOOLS; CUTTING; SEVERING
    • B26F—PERFORATING; PUNCHING; CUTTING-OUT; STAMPING-OUT; SEVERING BY MEANS OTHER THAN CUTTING
    • B26F3/00—Severing by means other than cutting; Apparatus therefor
    • B26F3/06—Severing by using heat
    • B26F3/08—Severing by using heat with heated members
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B26—HAND CUTTING TOOLS; CUTTING; SEVERING
    • B26D—CUTTING; DETAILS COMMON TO MACHINES FOR PERFORATING, PUNCHING, CUTTING-OUT, STAMPING-OUT OR SEVERING
    • B26D7/00—Details of apparatus for cutting, cutting-out, stamping-out, punching, perforating, or severing by means other than cutting
    • B26D7/08—Means for treating work or cutting member to facilitate cutting
    • B26D7/10—Means for treating work or cutting member to facilitate cutting by heating

Definitions

  • the invention relates to a cutting tool according to the first claim and its use according to claim 5.
  • Cutting tools with ceramic cutting edges are widely used in the art. First, they are cutting tools with a metallic core coated with one or more wear resistant ceramic layers. On the other hand, cutting tools, in particular knives, are known with full-ceramic cutting edges.
  • the EP-A-812 665 discloses a cutting tool consisting essentially of three different layers.
  • a meander-structured layer of an electrically conductive material is applied on a non-electrically conductive substrate 3 made of an oxide (SiO 2 , Al 2 O 3 ) or non-oxide ceramic.
  • This electrically conductive material may be a metal or a metal alloy.
  • the conductive material may include ruthenium dioxide or an electrically conductive double oxide complex such as lead ruthenium oxide.
  • the invention has for its object to propose a further cutting tool, which is well suited for tough and resistant materials, especially for those with high synthetic fiber content. Another object is to specify a purpose for the cutting tool.
  • the basic principle of the cutting tool according to the invention is that the material to be cut is divided by a heatable cutting edge.
  • the cutting tool should reach at the cutting edge a temperature of at least 400 ° C, but preferably from 800 ° C to 1200 ° C. These temperatures are achieved by resistance heating.
  • the cutting tool is in its use in the manner connected to the two poles of a voltage source, that at least the cutting edge is traversed by electric current and heated in this way.
  • the resistance of the cutting tool is preferably in the range of 6 to 14 Q. This resistance can be adjusted by a certain geometric shape and by a suitable choice of the material. Current and voltage are controlled when using the cutting tool via a control unit.
  • the cutting tool is homogeneously constructed and consists of a mixed ceramic, which is composed of at least two different components.
  • the first component is an electrically non-conductive matrix ceramic.
  • Suitable matrix ceramics are metal-oxide ceramics such as zirconium dioxide or aluminum oxide. The matrix ceramic gives the cutting tool the desired mechanical properties such as hardness, bending strength and wear resistance.
  • a conductive oxide ceramic is embedded in the matrix ceramic.
  • the known electrically conductive, non-oxide ceramics such as titanium or zirconium nitride as an example of the carbides, nitrides and diborides of the elements of IV. To VI. Subgroup of the periodic system are not suitable for the cutting tool according to the invention, because they can not be heated in contact with atmospheric oxygen without destruction to the required high temperatures.
  • suitable as a conductive oxide ceramic is an indium-tin oxide (often abbreviated to "ITO") of the general formula In 2-x Sn x O 3 , where x takes a value of 0 to 0.6.
  • the conductive oxide ceramic is at least 15 vol .-% of the mixed ceramic. With a smaller proportion of the resistance of the cutter is generally so high that the required conductivity is not guaranteed. On the other hand, the content of the conductive oxide ceramic may be up to 85% by volume. In general, however, proportions of the conductive oxide ceramic in the range of 25 to 60 vol .-% are chosen, because then determine the favorable chemical and mechanical properties of the matrix ceramic, the quality of the cutting tool significantly.
  • the cutting tool is particularly suitable for materials in which the division must be done on the one hand with a sharp, mechanical blade, but on the other hand are easier to cut at higher temperatures.
  • Such materials are, in particular, the above-mentioned textiles or textiles with a high synthetic fiber content, in particular automobile seat covers and interior linings of vehicles.
  • the mixed ceramic of the cutting tool can be varied. In general, it is particularly advantageous if the highest temperature occurs in the cutting edge and the remaining part of the cutting tool remains colder. This can be achieved by a targeted variation of the local electrical conductivity of the mixed oxide or by the choice of a specific cutting geometry. The conductivity of the mixed oxide is determined by the nature and the proportion of matrix ceramic and conductive oxide ceramic.
  • the particular suitability of the cutting tool according to the invention for cutting the mentioned industrial textiles results from the fact that the material to be cut is softened up to the local melting by the heat supply during the separation process, whereby the separation process greatly facilitated and the wear of the cutting tool is reduced accordingly.
  • the electrically conductive oxide ceramic ITO in the mixed ceramic, which makes up the cutting tool, is currently used as a coating, in particular as an antireflection coating or as a heat-insulating layer.
  • the processing takes place in the thin-film process, d. H. by dusting (sputtering).
  • ITO sputtering targets are produced by hot isostatic pressing of ITO powder since commercial ITO is not pressure-free sinterable.
  • ITO can be sintered without pressure, so that ceramic moldings can be prepared in this simple manner. This is especially true when alumina or zirconia is admixed.
  • the cutting tool can thus be produced by the following method:
  • a homogeneous mixture is produced from the matrix ceramic, such as alumina or zirconia, and the electrically conductive oxide ceramic.
  • the oxides are mixed together with the corresponding organometallic liquid precursors (precursor).
  • This homogeneous mixture is sprayed in a spray dryer.
  • the alcohol escapes from the liquid precursors and granules are formed, which consist of the respective matrix ceramics and are homogeneously covered with an organic ITO precursor.
  • Subsequent thermal treatment in a fluidized bed of air produces the homogeneous mixed ceramic.
  • the blanks of the cutting tools are then sintered in air to the final density.
  • the sintering temperatures are above 1000 ° C and up to 1600 ° C, but preferably from 1100 ° C to 1400 ° C.
  • the final geometric shaping and thus the fine tuning of the characteristic of the electrical resistance is carried out by grinding after the sintering process.
  • An alternative method of manufacture is hot or low pressure injection molding.
  • the powders are plasticized by mixing with a wax mass.
  • the flowable mass produced thereby can be poured without pressure into molds or molded by low-pressure injection molding.
  • compositions of the mixed ceramic in any desired concentration within the preferred mixing range.
  • Blade geometry plays an important role in cutting behavior. On the one hand, the quality of the cutting edge, which can be achieved by appropriate grinding, on the other, the type and location of the heat release of importance.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Schneidwerkzeug gemäß dem ersten Patentanspruch und seine Verwendung gemäß Anspruch 5.
  • Schneidwerkzeuge mit Keramikschneiden sind in der Technik weit verbreitet. Zum einen handelt es sich um Schneidwerkzeuge mit einem metallischen Kern, der mit einer oder mehreren verschleißfesten Schichten aus Keramik überzogen ist. Zum andern sind Schneidwerkzeuge, insbesondere Messer, mit Schneiden aus Vollkeramik bekannt.
  • Zum Zuschneiden von zähen und widerstandsfähigen Materialien, insbesondere solchen mit hohem Kunstfaseranteil wie z. B. Industrietextilien für Automobil-Sitzbezüge oder Innenauskleidungen von Fahrzeugen, sind solche Schneidwerkzeuge nicht geeignet. Zum einen wären durch die auftretende Abrasion Schutzschichten in kurzer Zeit abgerieben, zum andern besteht bei vollkeramischen Schneidwerkzeugen die Gefahr eines Bruches; außerdem sind die Trennstellen nicht immer einwandfrei.
  • Die EP-A-812665 offenbart ein Schneidwerkzeug, das im Wesentlichen aus drei verschiedenen Schichten besteht.
  • Auf einem elektrisch nicht leitenden Substrat 3 aus einer Oxid (SiO2,Al2O3)- oder Nichtoxidkeramik ist eine mäanderartig strukturierte Schicht aus einem elektrisch leitenden Material aufgebracht. Dieses elektrisch leitende Material kann ein Metall oder eine Metalllegierung sein. Alternativ kann das leitfähige Material Rutheniumdioxid oder einen elektrisch leitfähigen Doppeloxid-Komplex wie Blei-Ruthenium-Oxid enthalten. Darüber liegt wiederum eine elektrisch nicht leitende Schicht aus Keramik, Glas oder organischem Material.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein weiteres Schneidwerkzeug vorzuschlagen, das für zähe und widerstandsfähige Materialien, insbesondere für solche mit hohem Kunstfaseranteil, gut geeignet ist. Eine weitere Aufgabe besteht in der Angabe eines Verwendungszweckes für das Schneidwerkzeug.
  • Die Aufgabe wird durch das im ersten Patentanspruch beschriebene Schneidwerkzeug und die in Anspruch 5 angegebene Verwendung gelöst. Die weiteren Ansprüche geben bevorzugte Ausgestaltungen des Schneidwerkzeugs an.
  • Grundprinzip des erfindungsgemäßen Schneidwerkzeugs ist, dass das zu zerschneidende Gut durch eine heizbare Schneide zerteilt wird. Das Schneidwerkzeug soll an der Schneide eine Temperatur von mindestens 400°C, bevorzugt jedoch von 800°C bis 1200°C erreichen. Diese Temperaturen werden durch eine Widerstandsheizung erzielt. Somit ist das Schneidwerkzeug bei seinem Einsatz in der Weise mit den beiden Polen einer Spannungsquelle verbunden, dass zumindest die Schneide von elektrischem Strom durchflossen und auf diese Weise aufgeheizt wird. Der Widerstand des Schneidwerkzeugs liegt vorzugsweise im Bereich von 6 bis 14 Q. Dieser Widerstand kann durch eine bestimmte geometrische Formgebung und durch geeignete Wahl des Materials eingestellt werden. Strom und Spannung werden bei Verwendung des Schneidwerkzeugs über eine Regeleinheit geregelt.
  • Das Schneidwerkzeug ist homogen aufgebaut und besteht aus einer Mischkeramik, die aus mindestens zwei verschiedenen Komponenten zusammengesetzt ist. Die erste Komponente ist eine elektrisch nicht leitende Matrixkeramik. Als Matrixkeramik eignen sich Metalloxid-Keramiken wie Zirkondioxid oder Aluminiumoxid. Die Matrixkeramik verleiht dem Schneidwerkzeug die gewünschten mechanischen Eigenschaften wie Härte, Biegebruchfestigkeit und Verschleißbeständigkeit.
  • In die Matrixkeramik ist eine leitfähige oxidische Keramik eingelagert. Die bekannten elektrisch leitenden, nicht oxidischen Keramiken wie Titan- oder Zirkoniumnitrid als Beispiel für die als Hartstoffe bezeichneten Carbide, Nitride und Diboride der Elemente der IV. bis VI. Nebengruppe des Periodischen Systems sind für das erfindungsgemäße Schneidwerkzeug nicht geeignet, weil sie sich in Kontakt mit Luftsauerstoff nicht ohne Zerstörung auf die erforderlichen hohen Temperaturen erhitzen lassen. Geeignet als leitfähige oxidische Keramik ist dagegen ein Indium-Zinn-Oxid (häufig mit "ITO" abgekürzt) der allgemeinen Formel In2-xSnxO3, wobei x einen Wert von 0 bis 0,6 annimmt.
  • Die leitfähige oxidische Keramik beträgt mindestens mit 15 Vol.-% zu der Mischkeramik. Bei einem geringeren Anteil ist der Widerstand des Schneidgerätes im allgemeinen so hoch, dass die erforderliche Leitfähigkeit nicht gewährleistet ist. Der Anteil der leitfähigen oxidischen Keramik kann andererseits bis zu 85 Vol.-% betragen. Im allgemeinen werden jedoch Anteile der leitfähigen oxidischen Keramik im Bereich von 25 bis 60 Vol.-% gewählt, weil dann die günstigen chemischen und mechanischen Eigenschaften der Matrixkeramik die Qualität des Schneidwerkzeuges maßgeblich bestimmen.
  • Das Schneidwerkzeug eignet sich vor allem für Materialien, bei denen die Zerteilung einerseits mit einer scharfen, mechanischen Klinge erfolgen muss, die sich jedoch andererseits bei höheren Temperaturen leichter zu zerschneiden sind. Solche Materialien sind insbesondere die eingangs erwähnten Textilien oder Gewebe mit hohem Kunstfaseranteil, insbesondere Automobilsitzbezüge und Innenauskleidungen von Fahrzeugen. Je nach dem einzusetzenden Schneidgut kann die Mischkeramik des Schneidwerkzeuges variiert werden. Im allgemeinen ist es von besonderem Vorteil, wenn in der Schneide die höchste Temperatur auftritt und der übrige Teil des Schneidwerkzeugs kälter bleibt. Dies kann erreicht werden durch eine gezielte Variation der lokalen elektrischen Leitfähigkeit des Mischoxids oder durch die Wahl einer bestimmten Schneidengeometrie. Die Leitfähigkeit des Mischoxids wird bestimmt durch die Art und den Anteil von Matrixkeramik und leitfähiger oxidischer Keramik.
  • Die besondere Eignung des erfindungsgemäßen Schneidwerkzeugs zum Schneiden der erwähnten Industrietextilien ergibt sich daraus, dass durch die Wärmezufuhr beim Trennvorgang das zu zerschneidende Material bis hin zum lokalen Schmelzen erweicht wird, wodurch der Trennvorgang erheblich erleichtert und der Verschleiß des Schneidwerkzeugs entsprechend vermindert wird.
  • Die elektrisch leitfähige Oxidkeramik ITO in der Mischkeramik, aus der das Schneidwerkzeug besteht, wird derzeit als Beschichtung, insbesondere als Antireflexschicht oder als Wärmeschutzschicht verwendet. Die Verarbeitung erfolgt dabei im Dünnschichtverfahren, d. h. durch Abstäuben (Sputtern). ITO-Sputtertargets werden durch isostatisches Heißpressen von ITO-Pulver erzeugt, da kommerzielles ITO nicht drucklos sinterfähig ist.
  • Nach der Synthese durch den thermischen Zweistufenprozess, wie er in den Druckschriften DE 197 52 080 A1 und DE 100 02 232 A1 eingehend beschrieben ist, lässt sich ITO jedoch drucklos sintern, so dass auch keramische Formkörper auf diese einfache Weise hergestellt werden können. Dies gilt insbesondere dann, wenn Aluminiumoxid oder Zirkondioxid beigemischt ist.
  • Das Schneidwerkzeug lässt sich somit durch das folgende Verfahren herstellen:
  • Aus der Matrixkeramik, beispielsweise Aluminiumoxid oder Zirkondioxid, und der elektrisch leitenden Oxidkeramik wird eine homogene Mischung hergestellt. Hierzu werden die Oxide zusammen mit den entsprechenden metallorganischen Flüssigvorstufen (Precursor) gemischt. Diese homogene Mischung wird im Sprühtrockner versprüht. Dabei entweicht der Alkohol der Flüssigvorstufen und es entstehen Granulate, die aus der jeweiligen Matrixkeramik bestehen und homogen mit einer organischen ITO-Vorstufe bedeckt sind. Durch eine nachfolgende thermische Behandlung in einer Wirbelschicht an Luft entsteht die homogene Mischkeramik. Die Rohlinge der Schneidwerkzeuge werden anschließend an Luft bis zur Enddichte gesintert. Dabei liegen die Sintertemperaturen über 1000°C und bis zu 1600°C, bevorzugt jedoch von 1100°C bis 1400°C. Die endgültige geometrische Formgebung und damit die Feinabstimmung der Charakteristik des elektrischen Widerstands erfolgt durch Schleifen im Anschluss an den Sinterprozess.
  • Ein alternativer Herstellungsweg ist die Formgebung durch Heißgießen oder Niederdruck-Spritzgießen. Hierbei werden die Pulver durch Mischen mit einer Wachsmasse plastifiziert. Die dadurch hergestellte fließfähige Masse lässt sich drucklos in Formen gießen oder durch Niederdruck-Spritzgießen abformen.
  • Durch Verschneiden der - beispielsweise durch Sprühtrocknung hergestellten - Mischungen miteinander oder mit reiner Matrixkeramik oder mit der reinen elektrisch leitenden Oxidkeramik können Zusammensetzungen der Mischkeramik in beliebiger Konzentration innerhalb des bevorzugten Mischungsbereiches hergestellt werden.
  • Die Klingengeometrie spielt für das Verhalten beim Schneiden eine wichtige Rolle. Zum einen ist die Qualität der Schneide, die durch entsprechendes Schleifen erreicht werden kann, zum andern ist die Art und der Ort der Wärmefreisetzung von Bedeutung.
  • Die Figuren 1, 2 und 3 zeigen bevorzugte Gestaltungen der Klinge.
    • In Fig. 1 ist ein einfaches Schneidwerkzeug mit einer homogenen Mischkeramik dargestellt, die ein einheitliches Verhältnis von Matrixkeramik und elektrisch leitfähiger Oxidkeramik aufweist. Die dimensionslosen Zahlenangaben beziehen sich auf Millimeter.
    • Fig. 2 zeigt die Verwendung eines Gradientenmaterials mit Schneidenschliff. Die Wärme wird über die Veränderung des spezifischen Widerstands innerhalb des Werkzeugs erzeugt. Das Schneidwerkzeug hat eine geschliffene Schneide, die mindestens 1 cm lang ist. Der Winkel zwischen der Schneidekante und der Waagerechten bei vertikaler Stellung des Schneidwerkzeugs sollte zwischen 30 und 50 ° betragen; im gezeigten Beispiel beträgt der Winkel 40 °. Die Mischkeramik M1 weist einen geringeren spezifischen Widerstand als die Mischkeramik M2 auf.
    • In Fig. 3 ist eine ähnliche Ausführungsform wie in Fig. 2 dargestellt, bei der jedoch eine Gradientenmischkeramik mit einer Querschnittsänderung bei der Schneide kombiniert ist.

Claims (5)

  1. Schneidwerkzeug, das elektrisch durch Widerstandsheizung beheizbar ist, bestehend aus einer Mischkeramik, die
    aus einer elektrisch nicht leitenden Matrixkeramik und
    eine in die Matrixkeramik eingelagerte elektrisch leitfähigen Indium-Zinn-Oxidkeramik der allgemeinen Formel In2xSnxO3 mit x von 0 bis 0,6 zusammengesetzt ist, wobei der Anteil der elektrisch leitfähigen Indium-Zinn-Oxidkeramik an der Mischkeramik 15 bis 85 Volumen-Prozent beträgt.
  2. Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, bei dem die Matrixkeramik aus einem Metalloxid besteht.
  3. Schneidwerkzeug nach Anspruch 2, bei dem das Metalloxid Zirkondioxid oder Aluminiumoxid ist.
  4. Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einer Mischkeramik, die aus 40 bis 75 Volumen-Prozent der elektrisch nichtleitenden Matrixkeramik Zirkondioxid oder Aluminiumoxid und aus 25 bis 60 Volumen-Prozent der elektrisch leitfähigen Indium-Zinn-Oxidkeramik besteht.
  5. Verwendung des Schneidwerkzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zum Schneiden von Textilien oder Geweben mit hohem Kunstfaseranteil.
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