CH669757A5 - - Google Patents

Description

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PATENTANSPRUCH Schneidwerkzeug mit verschleissfestem Überzug in Form einander abwechselnder Schichten (3,4) von mindestens zwei schwerschmelzbaren Metallverbindungen, dadurch gekennzeichnet, dass die schwerschmelzbaren Verbindungen ein Kristallgitter (5) ein und desselben Gefügetyps aufweisen.

BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Schneidwerkzeug mit verschleissfestem Überzug gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches.

Dabei sind unter dem Begriff «schwerschmelzbare Metallverbindungen» solche Verbindungen zu verstehen, die Metalle mit einem hohen Schmelzpunkt mit Bor, Kohlenstoff, Stickstoff, Silizium und/oder Sauerstoff eingehen.

Die vorliegende Erfindung gelangt bei Schneidwerkzeugen wie Meissel, Bohrer, Fräser u. a. jeweils für die Dreh-, Bohr-, Fräsbearbeitung und sonstige Arten der Metallbearbeitung zum Einsatz.

Eine der Richtungen der Verlängerung der Standzeit eines Schneidwerkzeuges mit verschleissfestem Überzug bildet zur Zeit die Verlängerung der Nutzungsdauer des ver-schleissfesten Überzuges selbst.

Bekannt ist ein Schneidwerkzeug mit verschleissfestem Überzug (s. US-PS Nr. 3 900 592, NPK 427-39, bekanntgemacht im Jahre 1973, der aus einer schwerschmelzbaren Metallverbindung Titan- oder Zirkoniumnitrid oder -karbid besteht. Die Konzentration des nichtmetallischen Bestandteils, d.h. Stickstoff oder Kohlenstoff, nimmt bei der schwerschmelzbaren Verbindung, aus der der Überzug besteht, in Richtung von der Überzugsoberfläche her, die an die Oberfläche des Werkzeuggrundkörpers anliegt, zur Aussenfläche des Überzuges hin zu. Dabei steigt die Härte des Überzuges in Richtung seiner Aussenfläche. Bei diesem Überzug kann sich das Kristallgitter von Schichten, die unmittelbar an die Oberfläche des Werkzeuggrundkörpers anliegen, von dem der oberflächlichen Überzugsschichten unterscheiden. Innere Spannungen, die unter dem Einfluss der Schneidkräfte im Überzug auftreten, werden während des Betriebes in bildsameren Innenschichten des Überzuges gedämpft. Beim Betrieb verschleisst jedoch die Aussenschicht des Überzuges allmählich, und die mit Reinmetall, das dem Bearbeitungsmetall gegenüber reaktionsfreudiger ist als die schwerschmelzbaren Metallverbindungen angereicherten Innenschichten des Überzuges, kommen mit dem Bearbeitungsgut in Kontakt, wodurch der Adhäsionsverschleiss beschleunigt wird.

Bekannt ist ein Schneidwerkzeug mit verschleissfestem Überzug (s. FR-PS Nr. 2 454 903, NPK B23B 15/04, bekanntgemacht im Jahre 1980) in Form einander abwechselnder Schichten von mindestens zwei schwerschmelzbaren Metallverbindungen, bei dem kein Adhäsionsverschleiss vor-liegt.

Dieser verschleissfeste Überzug weist keine Metalle in freiem Zustand auf. Er besteht aus Schichten von schwerschmelzbaren Titanverbindungen mit Elementen von C und/ oder N, die ein Kristallgitter vom NaCl-Typ haben, und Schichten eines schwerschmelzbaren Aluminiumoxids AI2O3, das sich im Kristallgitter vom NaCl-Typ unabhängig von den Bildungsbedingungen nicht kristallisiert. Das bedeutet, dass die schwerschmelzbaren Verbindungen, die die abwechselnden Schichten des bekannten verschleissfesten Überzuges bilden, Kristallgitter von verschiedenem Gefügetyp aufweisen.

Die Anzahl der Überzugsschichten, deren Dicke, Reihenfolge können am verschiedensten sein und von den durch die Betriebsbedingungen an das Schneidwerkzeug gestellten Forderungen abhängen.

5 Das mehrschichtige Gefüge des verschleissfesten Überzuges bietet die Möglichkeit, in ein und demselben Überzug verschiedene Eigenschaften der die Einzelschichten bildenden schwerschmelzbaren Verbindungen zu vereinigen. Ein solcher Überzug hat jedoch eine kurze Standdauer, weil sich 10 der Überzug beim Betrieb des Werkzeuges unter dem Einfluss von thermischen und dynamischen Belastungen in Schichten zerlegt, da die abwechselnden Schichten des bekannten Überzuges Kristallgitter von unterschiedlichem Gefügetyp aufweisen.

15 Die Abschichtung des Überzuges ist durch zwei Faktoren bedingt. Erstens erweisen sich nicht alle an der Schich-tentrenngrenze befindlichen Atome der schwerschmelzbaren Verbindungen gegenseitig durch Valenzbindungen gekoppelt. Zweitens nimmt ein Teil der Atome eine für sie nicht 20 kennzeichnende Stellung in den Kristallgitterpunkten der die Nachbarschicht bildenden Verbindung ein. Dadurch wird der Pegel der inneren Spannungen im Kopplungsbereich der Gitter verschiedener Typen erhöht und die Kraft der interatomaren Bindungen an der Schichtentrenngrenze reduziert. 25 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schneidwerkzeug mit verschleissfestem Überzug mit einander abwechselnden Schichten von solchen schwerschmelzbaren Metallverbindungen zu schaffen die eine Zunahme der Kraft der interatomaren Bindungen an der Schichtentrenngrenze 30 des Überzuges ermöglichen und somit die Standzeit des Schneidwerkzeuges verlängern.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das vorgeschlagene Schneidwerkzeug mit verschleissfestem Überzug die im Kennzeichen des Patentanspruches umschriebenen 35 Merkmale aufweist.

Die Standzeit eines solchen Schneidwerkzeuges mit verschleissfestem Überzug nimmt um ein 1,6 bis 2faches zu. Das wird dadurch gewährleistet, dass sich alle Atome der schwerschmelzbaren Verbindungen mit ein und demselben Kristall-40 gittergefüge an der Schichtentrenngrenze gegenseitig durch Valenzbindungen gekoppelt erweisen, wodurch die Anzahl von Strukturfehlern an der Schichtentrenngrenze vermindert wird. Die Migration der Strukturfehler des Kristallgitters, die beim Schneiden unter dem Einfluss von thermischen und 45 dynamischen Belastungen intensiviert wird, kann bekanntlich zum Fehlerzusammenfluss und zur Bildung von Poren führen, deren Auftreten die Abschichtung des Uberzuges herbeiführt. Bei dem erfindungsgemässen Überzug nehmen alle Atome der vorhergehenden Schicht ihre eigenen Stellun-50 gen in den Kristallgitterpunkten der schwerschmelzbaren Verbindung der nachfolgenden Schicht ein, wodurch die Kraft der interatomaren Bindungen an der Schichtentrenngrenze erhöht und die Abschichtungsmöglichkeit für den Überzug geschmälert wird.

ss Nachstehend wird die Erfindung anhand konkreter Ausführungsbeispiele unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert; es zeigt:

Fig. 1 die Gesamtansicht eines erfindungsgemässen Schneidwerkzeuges mit verschleissfestem Überzug, insbeson-60 dere ein abnehmbares Schneidplättchen für einen Fräser (Teilquerschnitt);

Fig. 2 einen Verbindungsplan der Kristallgitter von ein und demselben Gefügetyp an der Trenngrenze von zwei benachbarten Überzugsschichten (isometrische Darstellung in 65 vergrössertem Massstab).

Das Schneidwerkzeug mit verschleissfestem Überzug, insbesondere das abnehmbare Schneidplättchen für den Fräser enthält einen Grundkörper 1 (Fig. 1) aus dem Werkstoff,

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aus dem das Werkzeug hergestellt worden ist: Schnellstahl, Hartlegierung, Keramik. Auf den Grundkörper 1 ist ein ver-schleissfester Überzug 2 aufgebracht, der in Form von vier einander abwechselnden Schichten 3,4 mindestens zweier schwerschmelzbarer Metallverbindungen ausgebildet ist. Als schwerschmelzbare Metallverbindungen, die die Nachbarschichten 3,4 bilden, gelangen schwerschmelzbare Verbindungen, deren Kristallgitter von ein und demselben Gefügetyp ist, zum Einsatz. So weisen bei der beschriebenen Variante die Nachbarschichten 3,4 der schwerschmelzbaren Verbindungen ein Kristallgitter 5 vom hexagonalen Typ auf.

Die schwerschmelzbaren Metallverbindungen, aus denen der verschleissfeste Überzug besteht, sind wohlbekannt. Zu ihnen gehören Karbide, Nitride, Oxide, Boride, Silizide, vorzugsweise von Übergangsmetallen. Der verschleissfeste Überzug 2 wird auf den Grundkörper 1, z.B. im Stoffkondensationsverfahren mit Ionenbeschuss aufgetragen.

Die Dicke des ganzen Überzuges, die Schichtenzahl dieses Überzuges, das Dickenverhältnis der Schichten, die Anzahl von schwerschmelzbaren Verbindungen, die die Überzugsschichten bilden und deren Reihenfolge sind auf dem gegebenen Gebiet der Technik bekannt und können am verschiedensten sein. Sie werden ausgehend von der Überzugsaufbringtechnologie und Betriebsbedingungen des Schneidwerkzeuges mit verschleissfestem Überzug gewählt.

Das Schneidwerkzeug arbeitet wie folgt. Während der Metallbearbeitung wirkt der verschleissfeste Überzug 2 (Fig. 1) unter Bedingungen von hohen Temperaturen und Drücken, die im Schneidbereich auftreten, mit dem Bearbeitungsmetall zusammen. Durch den gleichen Gefügetyp der Kristallgitter 5 (Fig. 2) der schwerschmelzbaren Metallverbindungen, die die Überzugsschichten 3,4 bilden, verursachen dabei die thermischen und dynamischen Belastungen beim Betrieb des Schneidwerkzeuges keinen Bruch der interatomaren Bindungen an der Schichtentrenngrenze des verschleissfesten Überzuges 2, wodurch keine Abschichtung des Überzuges 2 erfolgt.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung sind nachstehend folgende Ausführungsbeispiele von Bohrern mit 5 mm Durchmesser aus Stahl folgender Zusammensetzung in Gewichtsprozent angeführt:

C Cr W V Mo Fe

0,85 3,6 6,0 2,0 5,0 Rest

Bohrer in einer Menge von 15 Stück wurden beim Bohren von 15 mm tiefen Bohrungen in Stahl der Zusammensetzung von C = 0,42 bis 0,49 Gew.%, Fe Rest an einer Senkrechtbohrmaschine unter folgenden Schnittbedingungen erprobt;

Schnittgeschwindigkeit V = 45 m/min.

Bohrervorschub S = 0,18 mm/U.

Abstumpfungskennzeichen: Knarren des Bohrers.

Beispiel 1

Der Bohrer hat einen 6 (im dicken Überzug aus Schichten von drei schwerschmelzbaren Metallverbindungen: die erste, 1 (am dicke, sich an die Oberfläche des Werkzeuges anschliessende TiC-Schicht, die ein kubisches Kristallgitter vom NaCl-Typ aufweist, und 100 gleichdicke, einander abwechselnde Schichten von schwerschmelzbaren Verbindungen: TiN mit einem Kristallgitter vom NaCl-Typ und ZrN mit einem Kristallgitter von demselben Gefügetyp. Die Anzahl der mit jedem Bohrer gebohrten Bohrungen beträgt 380.

Beispiel 2

Der Bohrer hat einen 5 um dicken Überzug bestehend aus drei gleichdicken Schichten von schwerschmelzbaren Verbindungen: (TiZr)CN, (TiZr)C und (TiZr)N, aufgetragen in der angegebenen Reihenfolge. Die erwähnten schwerschmelzbaren Verbindungen weisen ein kubisches Kristallgitter vom NaCl-Typ auf. Die Anzahl der mit jedem Bohrer gebohrten Bohrungen beträgt 470.

Beispiel 3

Der Bohrer hat einen 5 um dicken Überzug aus 1500 gleichdicken, einander abwechselnden Schichten von drei folgenden schwerschmelzbaren Verbindungen: TaB2, NbB2, MoB2, aufgebracht in der angegebenen Reihenfolge. Die schwerschmelzbaren Verbindungen weisen ein kubisches Kristallgitter vom A1B2-Typ auf. Die Anzahl der mit dem Bohrer gebohrten Bohrungen beträgt 430.

Beispiel 4

Der Bohrer hat einen 5 um dicken Überzug aus 600 einander abwechselnden Schichten von schwerschmelzbaren Verbindungen: Ta5Si3, Nb5Si3, die ein tetragonales Kristallgitter vom Cr5B3-Typ aufweisen. Dabei beträgt das Schichtdickenverhältnis jeweils 2:1. Die Anzahl der mit dem Bohrer gebohrten Bohrungen beträgt 480.

Beispiel 5

Der Bohrer hat einen 5 um dicken Überzug aus 200 einander abwechselnden Schichten von schwerschmelzbaren Verbindungen TiO, ZrO, die ein kubisches Gitter vom NaCl-Typ aufweisen. Das Schichtdickenverhältnis beträgt jeweils 1:3, die Anzahl der mit dem Bohrer gebohrten Bohrungen 410.

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1 Blatt Zeichnungen