EP1778893B1

EP1778893B1 - Wendeschneidplatte mit einer mehrlagenbeschichtung

Info

Publication number: EP1778893B1
Application number: EP05762454.6A
Authority: EP
Inventors: Reinhard Pitonak; Ronald Weissenbacher
Original assignee: Boehlerit GmbH and Co KG
Current assignee: Boehlerit GmbH and Co KG
Priority date: 2004-08-02
Filing date: 2005-07-18
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2025-07-18
Also published as: WO2006012656A1; DE202004014494U1; US20080044242A1; PL1778893T3; ATA13232004A; US8105702B2; BRPI0514002A; ES2421443T3; EP1778893A1; AT413705B; MX2007001088A

Description

Die Erfindung betrifft eine Wendeschneidplatte aus Hartmetall oder Cermet mit einer Mehrlagen-Oberflächenbeschichtung für eine spanabhebende Bearbeitung von Gegenständen aus im Wesentlichen Metall.
Die Erfindung zielt insbesondere auf eine genannte Wendeschneidplatte für eine Bearbeitung von Teilen aus einem Mehrphasenwerkstoff, wie Gusslegierungen und dergleichen, ab.
Bei einer spanabhebenden Bearbeitung von Werkstücken aus im Wesentlichen metallischen Werkstoffen war mit der Einführung von Hartmetall- oder Cermet-Werkzeugen eine sprunghafte Leistungssteigerung verbunden und führte zur Entwicklung von Wendeschneidplatten in Klemmhaltem.
Die nächste sprunghafte Erhöhung der Werkzeugleistung, gegebenenfalls verbunden mit einer Verbesserung der Güte der Bearbeitungsfläche, erbrachte ein Beschichten der Oberflächen der Wendeschneidplatten mit Hartstoffen, wie Nitriden, Carbiden, Oxiden und deren Mischformen.
Um die Wirtschaftlichkeit und Oberflächengüte beim Spanen weiter zu erhöhen erfolgten Weiterentwicklungen in der Beschichtungstechnologie im Schichtaufbau und in der Schichtdickenoptimierung.
Die an die Oberflächenbeschichtung von Wendeschneidplatten gestellten Forderungen bestehen prinzipiell in einer hohen Haftung am Substrat und einer Reduzierung der mechanischen und thermischen Belastung des Hartmetallsubstrates.
Aus der EP-A-1 348 779 ist beispielsweise ein Hartmetall-Schneidwerkzeug bekannt geworden, bei welchem eine zähe oberflächennahe (Bindungs-)Zone am Hartmetallsubstrat erstellt ist. Auf dieser Zone aufgebracht ist eine Mehrlagenbeschichtung aus Titannitrid (TiN) und/oder Titancarbonitrid, α-Al₂O₃, Titancarbonitrid oder Titanoxicarbonitrid mit einer TiN-Außenschicht in jeweils bestimmten Dicken und Dickenrelationen um die hohe Verschleißfestigkeit und Zähigkeit des Werkzeuges zu erreichen.
Gemäß dem technischen Allgemeinwissen des Spezialisten auf dem Gebiet von beschichteten Wendeschneidplatten fördert eine zähe Oberflächen-Bindungszone am Substrat und eine Mehrlagenbeschichtung mit einer eine hohe Härte sowie Verschleißfestigkeit aufweisenden TiN-Deckschicht die Werkzeugqualität.
Das Dokument US 2002/0187370 A1 offenbart eine Schneidplatte mit einer Mehrlagenbeschichtung, die eine Schichtabfolge mit nach außen hin TiN, Al₂O₃ und TiN aufweisen kann. Im Bereich von Schneidkanten ist die äußerste TiN-Deckschicht durch Schleifen abgenommen, wobei sich die abgenommenen Bereiche, in denen Al₂O₃ eine äußerste Schicht bildet, maximal bis zu 2000 µm erstrecken.
Die Erfindung zielt nun darauf ab, die Güte des Werkzeuges und somit die Wirtschaftlichkeit der spanenden Bearbeitung weiter zu steigern. Insbesondere soll die Schneidhaltigkeit der Wendeschneidplatte bei einer Bearbeitung von Mehrphasen-Werkstoffen wie Gussstücken, zum Beispiel Graugusslegierungen, wesentlich erhöht sein.
Dieses Ziel wird durch eine Wendeschneidplatte gemäß Anspruch 1 erreicht.
Die mit der erfindungsgemäßen äußeren Schichtkombination erreichten Vorteile bestehen in einer wesentlich gesteigerten Standfestigkeit der Gesamtbeschichtung aus in erschwertem spanenden Betrieb einer Wendeschneidplatte.
Intensive Untersuchungen ergaben, dass eine Oxidschicht als Deckschicht chemische Reaktionen der darunterliegenden TiN-Schicht weitestgehend verhindert und diese hochharte Verschleißschicht schützt. Durch diese Oxid-Deckschicht, ausgebildet als glasige α-Al₂O₃-Schicht, werden, wie gefunden wurde, einerseits Reaktionen von TiN, wie oben festgestellt, mit Sauerstoff und insbesondere mit Kohlenstoff bei den durch eine Spanung entstehenden hohen Temperaturen an der Schneidplatte verhindert, anderseits erfolgt durch die abnehmende Wärmeleitfähigkeit mit steigender Temperatur der Oxidschicht eine Verminderung der Temperaturbelastung der Mehrlagenschicht und somit der Wendeschneidplatte.
Für einen erfahrenen Mann der Praxis auf diesem Gebiet ist die vorteilhafte Wirkung von glasigen α-Al₂O₃ Schichten höchst überraschend, weil diese durchwegs eine geringere Härte als die darunterliegende TiN-Schicht besitzt und doch, nach allgemeiner Fachmeinung, die äußerste Schicht die höchste Härte und Abriebfestigkeit haben sollte. Der konträre Verlauf der Wärmeleitfähigkeit bzw. Wärmeausdehnung mit steigender Temperatur der benachbarten Schichten legt auch dem Fachmann eine Tendenz eines Abplatzens der Deckschicht nahe.
Der wissenschaftliche Beweis steht noch aus, aber obigem Fachurteil entgegengerichtet, ist anzunehmen, dass die Struktur der Grenzfläche zwischen TiN-Schicht und einer α-Al₂O₃-Deckschicht, eine vorteilhafte Wirkung derselben begründet. TiN-Schichten haben herstellungsbedingt offenbar eine durch eine mikro- und/oder nanokristalline Ausformung gebildete strukturierte Oberfläche. Eine gemäß der Erfindung auf dieser aufgebrachte α-Al₂O₃-Decksicht legt sich vollflächig an, wobei eine verzahnte Bindungsfläche mit hoher Haftfestigkeit und hohem Scherwiderstand entsteht. Erfolgt nun im Zuge der Spanabnahme, insbesondere von Teilen aus einer Eisenbasis-Gusslegierung eine mechanische-thermische Belastung der Deckschicht, wird diese Deckschicht zwar durch Abrasion gedünnt, zeigt jedoch keine Risse und flächigen Ausbrüche.
Erfindungsgemäß wird durch eine sogenannte verbrauchbare oxidische Deckschicht aus α-Al₂O₃ auf einer TiN-Schicht die Spanleistung eines Werkzeuges bzw. einer Wendeschneidplatte wesentlich erhöht.
Von besonderem Vorteil ist dabei, wenn die oxidische Deckschicht eine Dicke von 0,5 µm bis 6,0 µm, insbesondere von 0,9 µm bis 5,0 µm aufweist.
Größere Schichtendicke fördern die Tendenz einer Oberflächen-Rissbildung und damit partielles Ausbrechen von Schichtbereichen, wohingegen eine geringere Dicke der Schicht nicht die erwartete Leistungssteigerung des Werkzeuges einbringen kann.
Wendeschneidplatten wurden versuchsweise gemäß EP-A-1 348 779 gleich gefertigt, wobei ein Teil von diesen mit einer Deckschicht aus α-Al₂O₃ mit einer Dicke von 2,1 µm versehen wurde.
Die praktischen Ergebnisse beim Ausdrehen von Gussbuchsen erbrachten eine im Durchschnitt 1,84-fache Standzeit der Werkzeuge mit α-AL₂O₃-Beschichtung.

Claims

Wendeschneidplatte aus Hartmetall oder Cermet mit einer Mehrlagen-Oberflächenbeschichtung für eine spanende Bearbeitung von Gegenständen aus im Wesentlichen Metall oder aus einer Legierung, insbesondere von solchen aus einem Mehrphasen-Werkstoff wie Gusseisenlegierungen und dergleichen, dadurch gekennzeichnet, dass eine aus TiN bestehende Schicht vorgesehen ist, auf der eine aus glasigem α-Al₂O₃ gebildete Schicht aufgebracht ist, die vollflächig anliegt und eine äußerste Schicht bildet.
Wendeschneidplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äusserste Schicht Al₂O₃ eine Dicke von 0,5 µm bis 6,0 µm, insbesondere von 0,9 µm bis 5,0 µm aufweist.