DE10332101A1

DE10332101A1 - Schneidwerkzeug und Verfahren zur Verringerung der Verschleißmarkenbreite bei einem Schneidwerkzeug

Info

Publication number: DE10332101A1
Application number: DE10332101A
Authority: DE
Inventors: Hans-Wilm Dr. Heinrich; Günter RODER; Günther HÄUPL
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2003-07-15
Filing date: 2003-07-15
Publication date: 2005-02-03
Anticipated expiration: 2023-07-16
Also published as: US7431747B2; WO2005014210A1; US20060194078A1; EP1644150A1; DE10332101B4; JP2007528795A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schneidwerkzeug aus Keramik, Cermet oder Hartmetall mit einer Spanfläche, einer Freifläche und mit einer Schneidkante am Zusammentreffen der Spanfläche mit der Freifläche sowie mit einem mehrschichtigen verschleißfesten Überzug, der eine Schicht aus Aluminiumoxid umfaßt, die auf einer Hartstoffschicht abgeschieden ist, bei dem zur Vermeidung eines Anstiegs der Verschleißmarkenbreite auf der Freifläche unter gleichzeitiger Beibehaltung der Kolkbeständigkeit der Spanfläche die Aluminiumoxidschicht des Überzugs auf der Freifläche entfernt ist und die darunterliegende Hartstoffschicht mindestens bereichsweise freigelegt ist. Die Aluminiumoxidschicht des Überzugs wird auf der Freifläche vorzugsweise mittels Laserstrahlbehandlung entfernt.

Description

Die Erfindung betrifft Schneidwerkzeuge aus Keramik, Cermet oder Hartmetall, wie z.B. Schneidplatten, Wendeschneidplatten, Vollhartmetallbohrer, -fräser, -meißel und dergleichen, die zur spanabhebenden Metallbearbeitung eingesetzt werden und eine Spanfläche, eine Freifläche und eine Schneidkante am Zusammentreffen der Spanfläche mit der Freifläche sowie einen mehrschichtigen verschleißfesten Überzug aufweisen. Der Überzug umfaßt mindestens eine Schicht aus Aluminiumoxid zur Verbesserung der Kolkbeständigkeit der Spanfläche und zur Verringerung der Aufbauschneidenbildung. Die Aluminiumoxidschicht des Überzugs wiederum ist vorzugsweise durch chemische oder physikalische Dampfabscheidung auf einer oder mehreren Hartstoffschichten abgeschieden, die dem Schneidwerkzeug die erforderliche Härte verleihen.
Schneidwerkzeuge, die solche mehrschichtigen verschleißfesten Überzüge aufweisen, sind beispielsweise aus EP-B1-0 463 000 bekannt. Ein dort beschriebener bevorzugter Schichtaufbau für den verschleißfesten Überzug besteht aus einer 5 bis 8 μm dicken Grundschicht aus Titancarbonitrid, über der nacheinander drei Aluminiumoxidschichten einer Stärke von 0,5 bis 1,5 μm abgeschieden sind, wobei sich zwischen den einzelnen Aluminiumoxidschichten jeweils noch eine dünne, 0,2 bis 1 μm starke Titannitridschicht zur Verbesserung der Haftung der Schichten befindet. Die oberste Aluminiumoxidschicht ist mit einer Deckschicht zur Verringerung der Oberflächenreibung und der Aufbauschneidenbildung versehen, die entweder aus Titannitrid allein oder aus einer Kombination aus Titannitrid und Titancarbonitrid besteht.
Aus Fertigngs- und Kostengründen wurden die mehrschichtigen, verschleißfesten Überzüge bisher auf allen Flächen der Schneidwerkzeuge gleich abgeschieden. Da aber die Beanspruchungen der Spanfläche und der Freifläche eines Schneidwerkzeugs dieser Gattung zwangsläufig sehr verschieden sind, kommen die vorteilhaften Eigenschaften bestimmter Überzugsschichten nur auf einer der beiden Flächen zur Wirkung, während sie sich auf der anderen Fläche als nachteilig erweisen.
Durch die nur auf der Spanfläche abfließenden Späne bilden sich in einem gewissen Abstand hinter der Schneidkante kraterförmige „Kolke", die die mechanische Festigkeit des Schneidwerkzeugs drastisch vermindern und schließlich zum Bruch führen. Um diese Auskolkung zu verlangsamen, werden die harten Überzüge mit Aluminiumoxidschichten versehen.
An der Freifläche dagegen führt die geringere Härte der Aluminiumoxidschicht im Vergleich zu den härteren Überzugsschichten, die vorzugsweise aus TiCN, TiC und/oder TiN bestehen, zu einem schnelleren Wachstum der Verschleißmarke unterhalb der Schneidkante und damit zu einer größeren Verschleißmarkenbreite, bezogen auf eine bestimmte Einsatzdauer.
Um einen Kompromiß zwischen diesen Vor- und Nachteilen der Aluminiumoxidschicht im Überzug zu finden, hat man auf die oberste Aluminiumoxidschicht eine zusätzliche harte Schicht aus TiCN/TiN aufgebracht. Eine gewisse Beeinträchtigung der positiven Auswirkungen der Aluminiumoxidschicht auf der Spanfläche mußte dabei zwangsläufig in Kauf genommen werden.
Die Verwendung von Titannitrid als oberster Schicht des Überzugs hat auch noch einen ästhetischen, verkaufsfördernden Aspekt, denn diese Schicht bekommt einen messingfarbenen oder goldschimmernden Glanz, Aluminiumoxidschichten sind dagegen grau oder schwarz.
Es sind bereits Schneidwerkzeuge im Handel, bei denen die obersten TiCN/TiN-Schichten, die über einer Aluminiumoxidschicht des Überzugs abgeschieden worden sind, nachträglich mechanisch entfernt wurden, um die vorteilhaften Wirkungen von Aluminiumoxid auf der Spanfläche in bezug auf die Kolkbeständigkeit und die Aufbauschneidenbildung vollständig zu erhalten. Die mechanische Entfernung der obersten Schichten über dem Aluminioumoxid behebt jedoch nicht die Nachteile des Aluminiumoxids auf der Freifläche.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, Schneidwerkzeuge der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei denen die Vorteile der Aluminiumoxidschichten im Überzug voll zur Geltung kommen, gleichzeitig aber an der Freifläche ein Anstieg der Verschleißmarkenbreite vermieden wird.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein automatisierbares, wirtschaftliches Verfahren zur Verringerung der Verschleißmarkenbreite bei einem Schneidwerkzeug der genannten Gattung vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Schneidwerkzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Aluminiumoxidschicht des Überzugs auf der Freifläche entfernt ist, so daß die darunterliegende Hartstoffschicht mindestens bereichsweise freigelegt ist, und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man die Aluminiumoxidschicht des Überzugs ggf. zusammen mit der (den) weiteren darüberliegenden Schichten) nur auf der Freifläche mindestens bereichsweise entfernt und dabei die darunterliegende Hartstoffschicht, die vorzugsweise aus Titancarbonitrid oder Titannitrid besteht, freilegt.
Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Schneidwerkzeugs sind durch die Merkmale der Patentansprüche 2 bis 6 gekennzeichnet, vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind durch die Merkmale der Patentansprüche 8 bis 13 gekennzeichnet.
Die durch Entfernung des Aluminiumoxids freigelegte Hartstoffschicht kann aus einem Carbid, Nitrid, Carbonitrid, Oxid oder Borid der Metalle Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo oder W bestehen; vorzugsweise bestehen die Hartstoffschichten der verschleißfesten Überzüge jedoch aus TiN oder TiCN.
Wenn die oberste Schicht des verschleißfesten Überzugs aus Aluminiumoxid besteht, wird erfindungsgemäß nur diese Schicht auf der Freifläche entfernt, wenn aber die oberste Aluminiumoxidschicht zusätzlich mit einer oder mehreren weiteren Hartstoffschichten überzogen ist, wird die oberste Aluminiumoxidschicht zusammen mit den darüberliegenden Schichten auf der Freifläche entfernt. Auch diese darüberliegenden Schichten können aus einem Carbid, Nitrid, Carbonitrid, Oxid oder Borid der Metalle der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems der Elemente bestehen. Die Entfernung kann mechanisch, beispielsweise durch Bürsten oder Polieren oder Schleifen erfolgen, sie kann mittels eines Fluidstrahls durch Trockenstrahlen oder Naßstrahlen oder durch eine Kombination aus Trocken- und Naßstrahlen erfolgen oder sie kann, was erfindungsgemäß besonders bevorzugt ist, mittels Laserstrahlbehandlung erfolgen.
Bei der zuletzt genannten Methode wird die Freifläche oder ein Teil der Freifläche mit einem Laserstrahl solange bestrichen, bis in dem gewünschten Bereich der Freifläche die unter der Aluminiumoxidschicht befindliche Hartstoffschicht freigelegt ist.
Die Breite des Laserstrahls ist dabei von untergeordneter Bedeutung. Wenn die Linienbreite des Laserstrahls nur etwa 150 bis 200 μm beträgt und die Freifläche zwischen 6 und 30 mm lang ist, benötigt die Laservorrichtung nur etwa 0,1 Sekunden, um eine Linie über die ganze Freiflächenlänge zu bestreichen. Wenn der Laserstrahl programmgesteuert 2 bis 30 Linien bestreicht, werden für die Bearbeitung einer handelsüblichen Wendeschneidplatte 0,2 bis 3 Sekunden benötigt.
Obwohl der behandelte Bereich, von dem die Aluminiumoxidschicht des Überzugs entfernt wird, vorzugsweise parallel zu einer Schneidkante verläuft, ist es mit Hilfe einer programmgesteuerten Laserführung ohne weiteres möglich, den von Aluminiumoxid befreiten Bereich der Freifläche in Form eines beliebig gestalteten Musters oder Designs zu gestalten.
Die Vorteile der Laserbehandlung waren für den Fachmann überraschend, weil nicht erwartet wurde, daß die Aluminiumoxidschicht mehr oder weniger vollflächig von der Oberfläche der darunterliegenden Hartstoffschicht abplatzt und somit abgehoben werden kann, ohne die darunterliegenden Schichten zu beschädigen oder wesentlich zu verändern. Die Gründe dafür werden in der unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeit bzw. im unterschiedlichen Wärmeausdehnungsverhalten der abgeschiedenen Schichten vermutet.
Es ist deshalb auch möglich, das erfindungsgemäße Verfahren bei Überzügen anzuwenden, die mehrere Aluminiumoxidschichten aufweisen, die durch zwischengeschobene Hartstoffschichten voneinander getrennt sind.
Der Bereich der Freifläche, von dem die Aluminiumoxidschicht erfindungsgemäß abgehoben wird, kann unterschiedlich groß und unterschiedlich breit sein. Vorzugsweise umfaßt er die zugehörige Schneidkante mit, ohne jedoch die Spanfläche jenseits der Schneidkante anzutasten. Der Bereich kann einen Streifen von bis zu einem Millimeter Breite umfassen, er kann aber auch, insbesondere bei Wendeschneidplatten, die gesamte Freifläche umfassen, die sich zwischen zwei oder mehr Schneidkanten erstreckt.
Da sich beim Abheben der Aluminiumoxidschicht von einem bestimmten Bereich der Freifläche eine Abbruchkante am Übergang zwischen dem laserbehandelten Bereich und dem nicht-laserbehandelten Bereich des Überzugs bilden kann, kann diese Abbruchkante durch eine Strahlbehandlung, durch Polieren oder Bürsten versäubert, gerundet oder geglättet werden.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile hinsichtlich der Verringerung der Verschleißmarkenbreite auf der Freifläche von Hartmetallschneidkörpern wurden durch Verschleißdrehtests an konventionellen und erfindungsgemäßen Schneidwerkzeugen verifiziert. Die Ergebnisse werden anhand der beigefügten Fotos und Zeichnungen erläutert:
1A, 1B sind im Maßstab 1 : 60 vergrößerte Freiflächenaufnahmen eines herkömmlichen Schneidkörpers (Stand der Technik), die die Verschleißmarken nach 10 bzw. 100 Plandrehzyklen zeigen;
2A, 1B sind im Maßstab 1 : 60 vergrößerte Freiflächenaufnahmen eines erfindungsgemäßen Schneidkörpers, die die Verschleißmarken nach 10 bzw. 100 Plandrehzyklen zeigen;
3 ist ein Diagramm, das den Freiflächenverschleiß in Abhängigkeit von der Standzeit sowohl für die bekannten als auch für die erfindungsgemäßen Schneidkörper wiedergibt.
Verschleißdrehtest
Ein Drehmeißel wurde mit Hartmetallschneidplatten des Typs CNMA 120408 bestückt, deren Kern aus Hartmetall P20 bestand und die einen verschleißfesten Multilayer-Überzug mit folgender Schichtfolge (von innen nach außen) aufwiesen: 0,5 μm TiN, 8 μm MT-TiCN, 1 μm HT-TiCN, 8 μm Al₂O₃. Bei einem Teil der Schneidplatten wurde die Aluminiumoxidschicht des Überzugs durch Laserbehandlung erfindungsgemäß an der Freifläche abgehoben, wodurch die darunterliegende TiCN-Schicht freigelegt wurde. Bei einem anderen Teil der Schneidplatten wurde der Überzug unverändert belassen (konventionelle Platten).
Ein Werkstück aus Chromstahl 1000r6 (1.2067) wurde mit dem entsprechend bestückten Drehmeißel unter folgenden Bedingungen bearbeitet:

Schnittgeschwindigkeit 200 m/min

Vorschub 0,2 mm/U

Schnittiefe 0,2 mm

Äußerer Drehdurchmesser 198 mm

Innerer Drehdurchmesser 100 mm

Kühlung Emulsion 5 %

Anstellwinkel 95 °
Mit den konventionellen Schneidplatten ergab sich nach 10 Plandrehzyklen (1A) eine Verschleißmarke (VB) von 0,185 mm Breite auf der Freifläche. Nach 100 Plandrehzyklen (1B) war die Verschleißmarke bereits auf eine Breite von 0,240 mm angewachsen.
Bei den erfindungsgemäßen, laserbehandelten Schneidplatten ergab sich nach 10 Plandrehzyklen (2A) eine Verschleißmarke (VB) mit einer Breite von 0,080 mm, nach 100 Plandrehzyklen (2B) war die Verschleißmarke auf 0,140 mm angewachsen. Der Bereich der Freifläche, von dem die Aluminiumoxidschicht abgehoben wurde, ist in 2B mit X gekennzeichnet.
Diese deutliche Reduzierung der Verschleißmarkenbreite, die einer entsprechenden Verlängerung der Lebensdauer (Standzeit) des Werkzeugs entspricht, ist auf die erfindungsgemäße Entfernung der Aluminiumoxidschicht des Überzugs an der Freifläche zurückzuführen.
Ein weiterer Satz von Schneidkörpern aus Hartmetall P10 vom Typ CNMG 120408 MN wurde wiederum auf herkömmliche Weise hergestellt und mit einem verschleißfesten Multilayer-Überzug versehen, dessen Schichtaufbau, von innen nach außen, wie folgt war: 0,5 μm TiN, 15 μm MT-TiCN, 1 μm HT-TiCN, 8 μm Al₂O₃. Ein Teil der Schneidkörper wurde so belassen (konventionelle Schneidkörper), bei einem anderen Teil wurde die Aluminiumoxidschicht des Überzugs durch Laserbehandlung auf der Freifläche entfernt.
Ein Werkstück aus Stahl der Sorte 42CrMo4 (1.7225) wurde unter Verwendung der konventionellen und der erfindungsgemäß behandelten Schneidkörper unter folgenden Bedingungen abgedreht:

Schnittgeschwindigkeit 180 m/min

Vorschub 0,3 mm/U

Schnittiefe 2,5 mm

Anstellwinkel 95 °

Kühlung Emulsion 5 %.
Der Freiflächenverschleiß wurde gemessen und in Abhängigkeit von der Standzeit des Werkzeugs aufgetragen. 3 zeigt die sich dabei ergebenden Graphen für die erfindungsgemäßen Schneidkörper (untere Kurve mit quadratischen Meßpunkten) und für die konventionell belassenen Schneidkörper (obere Kurve mit rautenförmigen Meßpunkten).
Wie 3 unmittelbar zu entnehmen ist, beträgt der Freiflächenverschleiß bei einer Standzeit von 20 Minuten bei einer erfindungsgemäßen Schneidplatte etwa 0,1 mm, bei einer konventionellen Schneidplatte dagegen etwa 0,27 mm. Bei einer Standzeit von 60 Minuten stellt man bei einer konventionellen Platte einen Freiflächenverschleiß von etwa 0,31 mm fest, bei einer erfindungsgemäßen Platte dagegen nur 0,18 mm.

Claims

Schneidwerkzeug aus Keramik, Cermet oder Hartmetall mit einer Spanfläche, einer Freifläche und mit einer Schneidkante am Zusammentreffen der Spanfläche mit der Freifläche sowie mit einem mehrschichtigen verschleißfesten Überzug, der eine Schicht aus Aluminiumoxid umfaßt, die auf einer Hartstoffschicht abgeschieden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumoxidschicht des Überzugs auf der Freifläche entfernt ist, sodaß die darunterliegende Hartstoffschicht mindestens bereichsweise freigelegt ist.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug eine oder mehrere Schichten aufweist, die über der Aluminiumoxidschicht abgeschieden sind, und daß diese weitere(n) Schichten) zusammen mit der Aluminiumoxidschicht entfernt ist (sind).
Schneidwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumoxidschicht des Überzugs nur auf der Freifläche mindestens bereichsweise entfernt ist.
Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumoxidschicht des Überzugs auf der Freifläche in einem Bereich entfernt ist, der die zugehörige(n) Schneidkante(n) mit umfaßt.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich parallel zu einer Schneidkante verläuft.
Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die freigelegte Hartstoffschicht und/oder die mindestens eine weitere Schicht über der Aluminiumoxidschicht ein Carbid, Nitrid, Carbonitrid, Oxid oder Borid eines Metalls der Gruppen IVB, VB oder VIB des Periodensystems der Elemente ist.
Verfahren zur Verringerung der Verschleißmarkenbreite bei einem Schneidwerkzeug aus Keramik, Cermet oder Hartmetall, das eine Spanfläche, eine Freifläche und eine Schneidkante am Zusammentreffen der Spanfläche mit der Freifläche sowie einen mehrschichtigen verschleißfesten Überzug aufweist, der eine Schicht aus Aluminiumoxid umfaßt, die auf einer Hartstoffschicht abgeschieden ist und ggf. mit einer oder mehreren weiteren Schichten) überzogen ist, dadurch gekennzeichnet, daß man die Aluminiumoxidschicht des Überzugs ggf. zusammen mit der (den) weiteren darüber liegenden Schichten) nur auf der Freifläche mindestens bereichsweise entfernt und dabei die darunterliegende Hartstoffschicht freilegt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung der Aluminiumoxidschicht und ggf. der darüber liegenden Schichten) mechanisch erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung der Aluminiumoxidschicht und ggf. der darüber liegenden Schichten) mittels eines Fluidstrahls erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung der Aluminiumoxidschicht und ggf. der darüber liegenden Schichten) mittels Laserstrahlbehandlung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß man die Aluminiumoxidschicht und ggf. die darüber liegenden Schichten) des Überzugs nur auf der Freifläche dadurch entfernt, daß man mit einem Laserstrahl die Freifläche oder Teile davon bestreicht, bis in dem gewünschten Bereich der Freifläche die unter der Aluminiumoxidschicht befindliche Hartstoffschicht freigelegt ist.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Abbruchkante, die sich am Übergang zwischen dem laserbehandelten Bereich und dem nicht-laserbehandelten Bereich des Überzugs bildet, durch eine Strahlbehandlung, durch Polieren oder Bürsten versäubert, rundet oder glättet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die freigelegte Hartstoffschicht und/oder die mindestens eine weitere Schicht über der Aluminiumoxidschicht ein Carbid, Nitrid, Carbonitrid, Oxid oder Borid eines Metalls der Gruppen IVB, VB oder VIB des Periodensystems der Elemente ist.