DE2225135C3

DE2225135C3 - Schneideinsatz

Info

Publication number: DE2225135C3
Application number: DE19722225135
Authority: DE
Inventors: Thomas Eugene Warren Mich. Hale
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: Carboloy Inc
Priority date: 1971-05-26
Filing date: 1972-05-24
Publication date: 1987-10-22
Also published as: DE2225135A1; FR2139192B1; IT955838B; SE453891B; DE2225135B2; FR2139192A1; JPS5328872B1; SE8504311D0; SE8003731L; DE2265603C2; SE445931B

Description

Die Erfindung betrifft einen Schneideinsatz hoher Festigkeit und Abnutzungsbeständigkeit aus einem Sinterkarbid-Grundkörper mit einer Aluminiumoxid enthaltenden Beschichtung.

Sinterkarbide sind wegen ihrer einzigartigen Kombination von Härte, Festigkeit und Abnutzungsbeständigkeit gut bekannt und sie werden demzufolge in hohem Maße für solche industriellen Anwendungen wie Schneidwerkzeuge, Ziehwerkzeuge und Abnutzungsteile verwendet. Die Abnutzungsbeständigkeit von Schneideinsätzen läßt sich durch das Aufbringen einer dünnen Schicht der Carbide verbessern, die zugleich Bestandteil des Hartmetalls sind. Die erhöhte Abnutzungsbeständigkeit solcher mit Titankarbid beschichteter Schneideinsätze geht jedoch auf Kosten der Festigkeit des Substrats, weil die Schicht bricht und sich die Risse dann in das Sinterkarbid des Schneidprodukts fortsetzen.

Wegen seiner großen Härte, Abnutzungsbeständigkeit und geringen Reaktionsfähigkeit mit den zu bearbeitenden metallischen Werkstücken ist auch schon versucht worden, Aluminiumoxid für Schneidwerkzeuge zu verwenden. Der Hauptnachteil für eine verbreitete Anwendung von Alumhiiumoxid-Werkzeugen ist ihre geringe Festigkeit, die selten 689,47 · 10⁶ Pa (7000 kg/cm²) übersteigt, wenn man den Standardbruch- oder Biegetest anwendet, verglichen mit einer Festigkeit von 1378,93-2068,4 10⁶ Pa (14 000-21 000 kg/cm^z) oder |

mehr für Schneidwerkzeuge aus Sinterkarbid. Die geringe Festigkeit der Aluminiumoxid-Werkzeuge begrenzt ä>

ihre Anwendung auf Schneidoperationen, bei denen das Werkzeug nicht hoch belastet ist, schließt die P

Verwendung bei Einsatzstücken aus, die in einem Werkzeughalter verriegelt sind. Deshalb ist es auch nicht

möglich, wegwerfbare Schneideinsätze, die mit Stiften in Haltern verriegelt werden, aus Aluminiumoxid als _t,

Schneidmaterial herzustellen.

Ausgehend von der Annahme, daß die bei der Zerspanung von Stählen beobachteten nichtmetallischen ₍

Ablagerungen auf den Werkzeugschneiden als Verschleißschutzschichten wirken und daß Schneidenwerkstoffe

aus Hartstofflegierungen mit Gehalten an Karbiden oder Boriden von Titan, Zirkon, Vanadium, Tantal und ⁽

Niob die Belagbildung begünstigen, sollen nach der AT-PS 2 68 003 und der US-PS 35 64 683 für diesen Zweck Zerspanungswerkzeuge verwendet werden, welche auf den auf Verschleiß beanspruchten Oberflächenzonen mit 0,01 bis 1 mm vorzugsweise 0,05 bis 0,5 mm starken Auflagen aus Hartstofflegierungen ausgestattet sind, die mindestens 15% der erwähnten Karbide oder Boride oder mindestens 50% Aluminiumoxyd enthalten. Wie Schneidplättchen aus Sinterkarbiden mit einer aluminiumoxidhaltigen Auflage hergestellt werden können, ist in beiden Patentschriften nicht beschrieben. Die einzige nach dem damaligen Stand der Technik durchführbare Herstellungsweise war das gemeinsame Verpressen übereinandergeschichteter verschieden zusammengesetzter Pulvermischungen, was aber zwangsläufig zu verhältnismäßig dicken Auflagen von 500 bis 1000 &mgr;&pgr;&igr; führt. Wenn mit den genannten Auflagen ausgestattete Zerspanungswerkzeuge zur Bearbeitung von Stählen eingesetzt wurden, die keine Neigung zur Belagbildung aufweisen, werden die warmverschleißfesten Oberflächenschichten

bald abgetragen. &igr; ■

Allgemeine Bedingungen und Vorrichtungen zum Aufbringen von hitzebeständigen Metallen, Karbiden, Nitriden, Boriden, Suiziden und Oxiden durch Abscheidung aus der Gasphase sind in einer Abhandlung von '<

I. E. Campbell et al »Deposition of refractory materials« Electrochem. Soc. Transactions Vol. 96, 1949, Nr. 5, ' f

S. 318 bis 333 beschrieben. Diese Beschichtungen werden als unbearbeitbar und von glasartiger Zerbrechlich- J

keit bezeichnet und sie waren zu porös, um eine Oxydation der metallischen Unterlage zu verhindern. Nach der ' J

auf dieser Veröffentlichung aufbauenden US-PS 31 78 308 reichen die Schichtdicken von einigen 25,4 &mgr;&pgr;&igr; bis 12,7 mm oder mehr. Die mit der Beschichtung eines bestimmten Grundkörpers mit einem bestimmten Oxid &iacgr;

vciuuiiuciicu &igr; IUUICiIiC UIiU line i^waUiig im &igr;^&igr;&igr;&idiagr;&iacgr;,&ngr;&igr;&igr;&agr;&igr;&igr; vYiiCi Ki CJlCSCn VCrGitCntilCr.lirigCr; HJCnI UiSiCUIlCr!. —

Wi Wenn in der erwähnten Abhandlung von Campbell et al. nur die Beschichtung von Metallen mit Nichtmetallen und umgekehrt, aber insbesondere nicht die Beschichtung von Sinterkarbiden mit einem Metalloxid, wie Al₂O,, beschrieben ist, so geschah das offenbar wegen der zu befürchtenden Reaktionen der für das Abscheiden üblichen Gasgemische mit dem Grundkörper. Es ist bekannt, daß Aluminiumoxid aus der Dampfphase bei 800 bis 1000° C aufgrund der Raktion

AICl₁ + CO, + H₂-* Al₂O₃ + HCl
abeeschieden werden kann. Aus Wasserstoff und Kohlendioxid wird dann durch die Wassergasreaktion

H, + CO₂ ?± CO + &Kgr;,&Ogr;

Wasserdampf gebildet, der das dampfförmige Aluminiumchlorid zu Aluminiumoxid und Chlorwasserstoff zersetzt. Dieses Gasgemisch wirkt aber zugleich stark entkohlend auf das Wolframkarbid des Grundkörpers und es war infolgedessen zu befürchten, daß es an der Oberfläche mit dem Sinterkarbid reagiert und hier das Wolframkarbid zu metallischem Wolfram oder der sogenannten eta-Phase W₃Co₃C abbaut.

Aufgrund dieses Sachverhalts und nachdem es bekannt war, daß aus der Dampfphase abgeschiedene Schichten aus Aluminiumoxid porös und spröde, bzw. zerbrechlich wie Glas sind, hat es für den Fachmann nicht nahegelegen, sie zur Verbesserung der Abnutzungsbeständigkeit von Sinterkarbiden zu versuchen, wo es auf festhaftende, nicht poröse, dichte Schichten ankommt, die beim Gebrauch nicht reißen oder absplittern dürfen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Abnutzungsbeständigkeit von Schneideinsätzen aus Sinterkarbiden zu verbessern, ohne ihre Festigkeit wesentlich zu verringern. Es soll ein hartes abnutzungsbeständiges Material geschaffen werden, das die hohe Abnutzungsbeständigkeit des Aluminiumoxids mit der relativ hohen Festigkeit und Härte von Sinterkarbid verbindet. Die Beschichtung muß festhaftend mit dem Sinterkarbidgrundkörper verbunden sein, um ein Absplittern oder Trennen beim Gebrauch zu verhindern und die Beschichtung muß hinsichtlich Dichte und Glätte gleichmäßig sein. Porosität oder Uneinheitlichkeit sind unerwünscht. Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein Verfahren zur Herstellung solcher festhaltenden, nicht porösen, dichten Schichten aus Aluminiumoxid auf dem Sinterkarbidsubstrat von Schneideinsätzen zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch Schneideinsätze aus einem Sinterkarbid-Grundkörper gelöst, die sich durch eine durch ein Dampfabscheidungsverfahren bei 900 bis 1150° C aus Aluminiumhalogeniddampf, Wasserdampf bei einem H₂O/H₂O-Verhältnis zwischen 0,025 und 2,0 erhaltene, vollständig dichte, mit dem Substrat fest verbundene Beschichtung aus alpha-Aluminiumoxid einer Dicke von 1 bis 10 &mgr;&khgr;&eegr; auszeichnen.

Angesichts der geringen Festigkeit und Sprödigkeit von Schneidwerkzeugen aus Aluminiumoxid und der schlechten Eigenschaften von aus der Dampfphase abgeschiedenen Schichten aus Aluminiumoxid ist es völlig überraschend, daß beim Überziehen der Oberfläche von Schneideinsätzen aus Sinterkarbid eine ausreichende Haftfestigkeit des Überzugs erzielt werden konnte, die eine dauerhafte Verbesserung der Abriebfestigkeit gewährleistet.

Die fest anhängend mit dem Grundkörper verbundene alpha-Aluminiumoxidschicht ist vollkommen dicht. Üblicherweise zu mehr als 99%. Die beschichteten Schneideinsätze haben eine Abnutzungsbeständigkeit, die im wesentlichen der von Schneidmaterialien auf Aluminiumoxid-Basis entspricht und eine Bruchfestigkeit von mindestens 10 342 · 10⁶ Pa (10 500 kg/cm²) und in den meisten Fällen von mehr als 1 378,93 · IO⁶ Pa (14 000 kg/ cm²). Bei sehr hohen Schneidgeschwindigkeiten von mehr als etwa 500 Oberflächenmeter pro Minute bei einigen Anwendungen und möglicherweise noch größeren bei anderen kann die höhere Hitzebeständigkeit des festen Aluminiumoxids zu höherer Abnutzungsbeständigkeit führen. Bei allen Schneidtests, ausgenommen denen oberhalb dieser Bereiche, ist die Abnutzungsbeständigkeit der beschichteten Produkte gemäß der vorliegenden Erfindung als im wesentlichen gleich hoch wie die von Aluminiumoxid-Schneidmaterialien gefunden worden. Innerhalb der beanspruchten Grenzen für die Dicke der Beschichtung erfordern einige Anwendungen noch engere Bereiche. Zum Beispiel haben sich 1 bis 3 &mgr;&pgr;&igr; als Optimum für die Bearbeitung von Hochtemperaturlegierungen und für das Fräsen erwiesen.

Die Bezeichnung »Sinterkarbid«, wie sie in dieser Anmeldung verwendet wird, umfaßt ein oder mehrere Karbide eines Übergangsmetalls der Gruppe IVa, Va und VIa des periodischen Systems der Elemente, die gesintert und durch ein oder mehrere Matrixmetalle, ausgewählt aus der Gruppe Eisen, Nickel und Kobalt verbunden sind. Ein typisches Sinterkarbid enthält WC in einer Kolbaltmatrix oder TiC in einer Nickelmatrix.

Das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Schneideinsätze besteht darin, daß man über einen Sinterkarbidgrundkörper bei einer Temperatur von 900 bis 1150° C Aluminiumhalogeniddampf, Wasserdampf und Wasserstoff leitet, wobei das Verhältnis von Wasserdampf zu Wasserstoff zwischen 0,025 und 2 und vorzugsweise zwischen 0,05 und 0,20 liegt.

Wegen der üblicherweise an ein Sinterkarbid-Schneidmaterial gestellten Forderungen sind die Eigenschaften irgendeiner Beschichtung, die Art in der die Beschichtung mit dem Grundkörpei verbunden ist und seine Wirkung auf dessen Festigkeit von außerordentlicher Bedeutung. Die Beschichtung muß eine hohe Dichte und Glätte haben, Porosität oder Uneinheitlichkeit sind unerwünscht. Die Beschichtung muß auch fest anhaftend mit dem Sinterkarbid-Grundkörper verbunden sein, um ein Absplittern oder Trennen beim Gebrauch zu verhindern. Weiter darf die Beschichtung die Festigkeit des Sinterkarbid-Grundkörpers nicht bedeutend verringern. Die Produkte der vorliegenden Erfindung sind außerordentlich gut untersucht worden und es wurde festgestellt, daß sie alle vorgenannten Bedingungen erfüllen. Die Beschichtungen sind gleichmäßig und vollständig dicht, sie sind fest mit dem Grundkörper verbunden und der beschichtete Verbundstoff behält einen hohen Anteil seiner Festigkeit, üblicherweise mehr als 85% der Bruchzähigkeit des unbeschichteten Grundkörpers. Das Erreichen dieser Eigenschaften durch das beschichtete Produkt ist völlig unerwartet, insbesondere im Hinblick auf die beträchtlichen Festigkeitsverringerungen, die durch die Aufbringung abnutzungsbeständiger Beschichtungen auf Sinterkarbid-Ürundkorper üblicherweise eintreten. Die beschichteten Maierialieii dci oo vorliegenden Erfindung stellen bei Bearbeitungsvorgängen auch einen Oberflächenzustand her, der hinsichtlich der Qualität vollkommen äquivalent zu solchen von festen Aluminiumoxid-Schneidmaterialien zu sein scheint, die dafür bekannt sind, daß sie die besten Oberflächenzustände hervorbringen.

Die außerordentlichen Eigenschaften des Aluminiumoxid-beschichteten Produktes der vorliegenden Erfindung hängen von einer sorgfältigen Steuerung der Parameter des Verfahrens zum Herstellen dieser Produkte ab. Das Verfahren umfaßt die Verwendung einer gasförmigen Mischung aus Wasserstoff, Wasser und einem Aluminiumhalogenid, wie Aluminiumtrichlorid, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid können gegebenenfalls hinzugegeben werden. Die Hauptablagerungsreaktion verläuft nach folgender Gleichung:

3 H₂O + 2 AlCl₃ -» Al₂O₃ + HCl.

Die bedeutendsten Bestandteile der gasförmigen Reaktionsmibchung sind daher Wasserdampf und Aluminiumchlorid-Dampf. Der Aluminiumchlorid-Dampf kann jedoch während der Ablagerungsreaktion in verschiedener Weise hergestellt werden, z. B. durch Erhitzen von festem AluminiumtrichloridpuSver oder durch Leiten von Chlorgas über Aluminiummetall. Der Wasserdampf wird am besten durch Umsetzen von Wasserstoff mit Kohlendioxid in der Ablagerungskammer hergestellt, wobei Kohlenmonoxid und Wasserdampf durch die Wassergas-Reaktion gemäß der folgenden Gleichung entsteht:

&kgr;&igr; H, + CO₂ ^ CO + H₂O.

Die auf diese Weise gebildete Menge Wasserdampf hängt von der Temperatur und den Ausgangskonzentrationen von Wasserstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Wasserdampf im Eingangsgasstrom ab. Um eine gute Qualität der Beschichtung von gewünschter Dicke im Temperaturbereich von 900 bis 1150° C zu erzeugen, sollte das Verhältnis von Wasser zu Wasserstoff nach der Wassergas-Reaktion zwischen 0,025 und 2,0 liegen.

Wasserstoff wurde bei dem Dampfabscheidungsverfahren als notwendig befunden, um eine dichte, haftende

Schicht zu erhalten. Wasserstoff scheint das Aluminium an der Karbidoberfläche gegen die Oxydation zu schützen. Oxydation in der Reaktionszone oberhalb des Karbid-Grundkörpers führt zu Bedingungen, die als Verstäuben bekannt sind, und die vermieden werden müssen. Die Abwesenheit von Wasserstoff führt zu einer porösen Schicht, die nicht vollkommen dicht ist. Es sind daher Aluminiumhalogeniddampf, Wasserdampf und Wasserstoff die drei notwendigen Bestandteile des Verfahrens. In seiner bevorzugten Form schließt das Verfahren die Verwendung von Aluminiumchloriddampf, Wasserstoff und Kohlendioxyd ein, wobei letzteres mit Wasserstoff unter Bildung von Wasserdampf reagiert.

Die Menge des anwesenden Wasserdampfes nach der Reaktion der bekannten Eingangskonzentrationen von Wasserstoff und CO₂ und CO und H₂O, wenn diese verwendet werden, kann mittels der folgenden Gleichung errechnet werden:

(H₂O)₇ =

a = 1-K ist und K die Gleichgewichtskonstante für die Wassergas-Reaktion ist,
b = (CO), - (H₂O)₁. + AT(H₂),- + (CO₂), + 2(H₂O)₁); und
c = Ki(H₂MCO₂), + (H₂O), + (H₂O)XCO₂), + (H₂O)₁).

Die Klammern bedeuten die Konzentration der jeweils darinnen stehenden Gasarten als Partialdruck und die kleinen Buchstaben / und &igr; bedeuten die End- oder Gleichgewichtskonzentrationen und die Eingangs- oder Einlaßkonzentrationen. Die Menge des anwesenden Wasserstoffes und auf diese Weise das Verhältnis von H₂O zu H₂ kann mit der folgenden Beziehung ermittelt werden:

(H₂), = (H₂), + (H₂O)₁ - (H₂OV

Eine Reihe beschichteter Produkte wurde gemäß der Erfindung hergestellt, indem man Aluminiumchloriddampf, Wasserstoff und Kohlendioxyd über Sinterkarbid-Einsätze leitete. Die Beispiele wurden bei verschiedenen Eingangsgas-Zusammensetzungen und bei verschiedenen Endkonzentrationen von H₂O zu H₂ hergestellt. In allen Fällen wurde die Abscheidung Jeweils 45 Minuten bei 1050° C ausgeführt, unter Verwendung von 2—3 g Aluminiumchlorid und einer Aluminiumchlorid-Generatortemperatur von etwa 200° C. Die Verwendung von mehr AlCl₃ verschiebt das gewünschte H₂O zu H₂ Verhältnis zu einem höheren Wert und umgekehrt. Beschichtungen wurden auf einem Sinterkarbid-Grundkörper niedergeschlagen, welches die folgende Zusammensetzung in Gew.-% hatte: WC 72, Co 8,5, TiC 8, TaC 11,5. Die nachfolgende Tabelle I zeigt den Einfluß der Gaszusammensetzung auf die Schichtdicke. Wenn die Beschichtung mit größeren oder kleineren Verhältnissen von H₂O zu H₂ (d. h. außerhalb des Bereiches von 0,025-2,0) ausgeführt wurde, war es nicht möglich, eine Schicht ausreichender Dicke zu erhalten, z. B. von mehr als 1 &mgr;&pgr;&igr;. Die Schichtqualität war für alle Beispiele mit einer Schichtdicke von mehr als 1 &mgr; gut. Die Schichtqualität wurde als gut bezeichnet, wenn die Beschichtung einem Abreißversuch standhielt, der darin bestand, daß man den beschichteten Einsatz unter einem Diamant-Eindruckgerät derselben Art, wie es für die Bestimmung der Rockwell-Härte verwendet wird, verschob, wobei eine Last von 2 kg auf den Diamenten gelegt wurde. Wenn die Beschichtung während dieses Tests nicht absplitterte oder abbröckelte, wurde sie als gut angesehen. Wenn dies doch der Fall war, wurde sie als schlecht

Tabelle I

Beispiel Partialdruck in der Eingangsmischung

Gleichgewichtspartialdrucke
der Wassergas-Rcaktion

Schichtdicke

(H₂)

(CO₂)

(CO)

(H₃O)

(H₂)+

(H₂O)+

(&mgr;&idiagr;&eegr;)

1.	0,978	0,022	0,000	0,000	0,956	0,0217	0,023	<1
2.	0,960	0,040	0,000	0,000	0,921	0,0391	0,043	2,5
3.	0,850	0,150	0,000	0,000	0,713	0,137	0,192	6
4.	0,750	0,100	0,150	0,000	0,665	0,085	0,127	6
5.	0,050	0,850	0,100	0,000	0,042	0,0085	0,205	3
6.	0,600	0,400	0,000	0,000	0,323	0,277	0,857	3
7.	0,450	0,250	0,300	0,000	0,307	0,143	0,466	9
8.	0,400	0,600	0,000	0,000	0,123	0,277	2,26	<1
9.	0,100	0,700	0,200	0,000	0,019	0,081	4,26	<1
10.	0,975	0,000	0,000	0,025	0,975	0,025	0,026	1

Die Art der erhaltenen Beschichtung wurde unter Verwendung der Röntgenstrahl-Beugungsanalyse und der Lichtmikroskopie bestimmt. Die Röntgenstrahlanalyse zeigte, daß die Beschichtung alpha-Al₂O₃ war. Die Lichtmikroskopie zeigte eine graue, durchscheinende. Schicht aus Aluminiumoxid, die vollständig dicht war und bei den Beispielen gut mit dem Substrat verbunden war, bei denen die Qualität der Beschichtung als gut festgestellt wurde.

Der Temperaturbereich für das Abscheiden der Beschichtung liegt zwischen 900 und 1150° C. Bei geringeren Temperaturen wird die Abscheidungsgeschwindigkeit sehr gering und die Beschichtung ist nur schlecht mit dem Grundkörper verbunden.

Die Festigkeit des Al₂O₃-beschichteten Sinterkarbid-Grundkörper wurde (wie alle anderen hierin beschriebenen Festigkeitsmessungen) unter Verwendung eines leicht modifizierten Standard-Bruchtestes (ASTM Nr. B4066-63T) gemessen, der eine Dreiwalzenladung einschloß, sowie eine Spannweite zu Dicke-Verhältnis von 3,5 : 1. Unter Verwendung einer Abscheidungstemperatur von 1050° C und eines Sinterkarbid-Grundkörpers der in den ersten 10 Beispielen der Tabelle I genannten Art wurde eine durchschnittliche Festigkeit der Stangen mit Beschichtungsdicken von 5-7 ,um (der bevorzugten Dicke für diese Grundkörper bezüglich der Abnutzungsbeständigkeit) von etwa 1661,6 · 10⁶ Pa erhalten. Dies ist nur eine leichte Verringerung (11%) gegenüber dem Festigkeitswert von 1861,5 · 10⁶ Pa, der bei dem unbeschichteten Sinterkarbid-Grundkörper gemessen wurde.

In der folgenden Tabelle Il wurde die Leistungsfähigkeit beschichteter Einsätze gemäß der vorliegenden Erfindung zum Metallschneiden zusammengefaßt und mit der entsprechenden Leistungsfähigkeit unbeschichteter Einsätze verglichen. Die Beispiele 11-17 waren wegwerbare Schneideinsätze von 12,7 x 12,7 x 4,7 mm Größe, die bei 1050° C mit Al₂O₁ gemäß dem Dampfbeschichtungsverfahren der Beispiele 1 bis 10 beschichtet worden waren. Es wurde ein Bereich von Schichtdicken von 1-10 &mgr;&pgr;&igr; verwendet. Diese Einsätze wurden dann dazu benutzt, SAE 1045-Stahl von der Härte 190 BHN zu bearbeiten, und zwar bei Oberflächengeschwindigkeiten von etwa 210, 300 und 450 m/min, einem Vorschub von 0,25 mm pro Umdrehung und einer Schneidtiefe von 2,5 mm. Die Schneidzeiten für eine Flankenabnutzung von etwa 0,25 mm sind in der Tabelle II gezeigt, ebenso wie die Kraterabnutzungstiefe bei der 0,25-mm-Flankenabnutzungszeit. Die Bruchfestigkeiten sind ebenfalls angegeben. Für Vergleichszwecke wurden die Schneidleistungsfähigkeit und die Festigkeiten unbeschichteter Grundkörper in den Beispielen 18 und 19 angegeben, ferner für einen Einsatz aus einem käuflich erhältlichen Aluminiumoxid (89% Al₂O₃, 11% TiO) in den Beispielen 20 bis 22 und für einen mit TiC beschichteten Sinterkarbid-Einsatz (Beispiele 23 und 24), wobei alle Einsätze unter den gleichen Bedingungen geprüft wurden.

Tabelle II

Beispiel	Beschich-	Schneid-	Zeit (min) bis zur	Kratertiefe bei der	Bruch
	tungsdicke	geschw.	Flankenabnutzung	0,25 mm-Flanken-	festigkeit
			von 0,25 mm	abnutzung
	(&mgr;™)	(m/s)			• 10⁶Pa

11	Al₂O₃-Beschichtung auf	1
	Sinterkarbid ')
12	desgl.	4
13	desgl.	7
14	desgl.	10
15	desgl.	7

0,075 mm

1792,6

16 Al₂O₃-Beschichtung auf Sinterkarbid ²I

210	32	0,050 mm	1723,7
210	51	0,025 mm	1620,2
210	51	0,2 mm	1447,9
450	4,2-0,1 mm	0,0075 mm bei 0,1 mm	1620,2
	Abnutzung	Flankenabnutzung
300	17	0,175 mm	1206,5

Beispiel	Beschich-	Schneid-	Zeit (min) bis zur	Kratertiefe bei der	Bruch
	tungsdicke	geschvv.	Flankenabnutzung	0,25 mnn-Flanken-	festigkeit
			von 0,25 mm	abnutzung
	(um)	(m/s)			• 10» Pa
17 desgl.	12	300	26	0,075 mm	1103,1
18 unbeschichtetes Karbid ')		210	4	0,1 mm	1861,5
19 unbeschichtetes Karbid ')		300	5	0,25 mm	1585,8
20 Al₂O₃	_	210	51	0,025 mm	620,5
21 desgl.	—	300	30	0,050 mm	620,5
22 desgl.		450	4,5 min—0,1 mm	0,0050 mm bei 0,1 mm	620,5
			Abnutzung	Flankenabnutzung
23 TiC Beschichtung auf	5	210	18	0,275 mm	1206,5
Sinterkarbid ²)
24 desgl.	5	300	4	0,275 mm	1206,5

') 72% WC, 8% TiC, 11,5% TaC, 8,5% Co; ²) 71% WC, 12,5% TiC, 12% TaC, 4,5% Co.

Wie aus dieser Tabelle entnommen werden kann, wird die Leistungsfähigkeit des Sinterkarbidwerkzeugmaterials zum Schneiden sehr wesentlich durch die Al₂O₃-Beschichtung verbessert und diese Verbesserung ist wesentlich größer als die einer TiC-Beschichtung auf dem gleichen Grundkörper. Es ist auch zu ersehen, daß bis zu einem Wert von etwa 7 &mgr;&pgr;&igr; die Verbesserung von der Schichtdicke abhängt und daß die Leistungsfähigkeit bei 10 &mgr;&pgr;&igr; abzufallen beginnt. Bei der optimalen Dicke von 7 &mgr;&pgr;&igr; für diese Grundkörper war die Leistungsfähigkeit des Al₂O₃-beschichteten Werkzeuges äquivalent der des festen Al₂O₃ bei allen drei untersuchten Geschwindigkeiten. Die Festigkeit der Al₂O₃-beschichteten Einsätze war jedoch beträchtlich höher, als die des festen Al₂O₃ und höher als die Festigkeit des gleichen Grundkörpers mit einer TiC-Beschichtung.

Es wird darauf hingewiesen, daß es wegen der Beschränkungen hinsichtlich der Festigkeit nicht möglich war, feste Aluminiumoxyd Schneidmaterialien in wegwerfbaren Schneideinsätzen derart zu verwenden, die mit Stiften in Haltern verriegelt werden.

Diese Einsätze weisen eine zentral angeordnete Öffnung für die Aufnahme eines Stiftes auf, welcher den Einsatz an Ort und Stelle verriegelt. Die Festigkeit solcher Einsätze muß ausreichen, um der Verriegelungsbelastung standzuhalten. Die Festigkeit der beschichteten Materialien der Erfindung reicht aus, deren Verwendung in solchen Einsätzen zu ermöglichen. Die Erfindung macht es daher möglich, bei solchen Anwendungen einen Einsatz zu benutzen, der eine höhere Abnutzungsbeständigkeit als die vergleichbaren, derzeit erhältlichen Einsätze aufweist.

Die folgende Tabelle III zeigt die Leistungsfähigkeit der beschichteten Einsätze der Erfindung beim Schneiden einer Hochtemperatur-Nickellegierung, speziell des Inconel 718, in vergüteter Form (Härte BNH 390). Die Ergebnisse des entsprechenden Beispiels 25 sind verglichen mit der Leistungsfähigkeit eines unbeschichteten Sinterkarbids der gleichen Zusammensetzung (Beispiel 26) und zusätzlich mit einem handelsüblichen Aluminiumoxyd-Werkzeug (Beispiel 27). Die Einsätze waren von der auswechselbaren Art mit negativer Neigung (einstellbar und umstellbar) und hatten Abmessungen von 12,7 x 12,7 x 4,7 mm. Die Sinterkarbidhartmetall-Grundkörper der Beispiele 25 und 26 bestanden aus 94% WC und 6% Co. Der Grundkörper wurde bei 1050° C nach dem Dampfabscheidungsverfahren, das im Zusammenhang mit den Beispielen 1-10 beschrieben wurde, mit Al₂O₃ beschichtet.

Tabelle III

50 Beispiel

Einsatzart

Schichtdicke

Zeit bis zu einer Flankenabnutzung von 0.5 mm (min)

Bemerkungen

25. Al₂O₃-Beschichtung auf Sinterkarbid

26. Unbeschichtetes Sinterkarbid

27. Al₂O₃

2,5

Rasche Zerstörung der Kanten

Die Leistungsfähigkeit des mit 2,5 &mgr;&pgr;&igr; AI₂O₃ beschichteten Einsatzes war eindeutig besser, als die des unbeschichteten Sinterkarbid-Einsatzes der gleichen Grundkörperzusammensetzung. Aus Untersuchungen mit anderen Schichtdicken wurde festgestellt, daß die optimale Dicke für diese Art der Bearbeitung (z. B. von Hochtemperaturlegierungen) im Bereich von 1-3 &mgr;&pgr;&igr; liegt. Dicken größer als 3 &mgr;&idiagr;&eegr; führen bei diesen Tests zu verringerter Lebensdauer des Werkzeuges. Die hervorragende Festigkeit des Al₂O₃-beschichteten Werkzeuges ist gut durch die rasche Zerstörung des aus Al₂O₃ bestehenden Werkzeuges nach Beispiel 27 demonstriert, während weder ein Bruch noch ein Zerspanen bei den Al₂O₃-beschichteten Werkzeugen des Beispiels 25 beobachtet wurde.

Claims

Patentansprüche:

1. Schneideinsatz hoher Festigkeit und Abnutzungsbeständigkeit aus einem Grundkörper aus Sinterkarbid-Hartmetall mit einer Aluminiumoxid enthaltenden aus der Gasphase abgeschiedenen Beschichtung, gekennzeichnet durch eine bei 900 bis 1150° C aus Aluminiumhalogeniddampf, Wasserstoff und Wasserdampf bei einem H₂OfH₂-Verhältnis zwischen 0,025 und 2,0 erhaltene, vollständig dichte, mit dem Grundkörper fest verbundene Beschichtung aus alpha-Aluminiumoxid einer Dicke von 1 bis 10 &mgr;&idiagr;&eegr;.

2. Verfahren zur Herstellung des Schneideinsatzes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man über einen Sinterkarbid-Grundkörper, bei einer Temperatur von 900 bis 1150° C Aluminiumhalogenid-

lü dampf, Wasserdampf und Wasserstoff leitet, wobei das Verhältnis von Wasserdampf zu Wasserstoff zwischen 0,025 und 2,0 liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminiumhalogenid Aluminiumchlorid ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserdampf während des Beschichtungsverfahrens durch die Umsetzung von Wasserstoff mit Kohlendioxid gebildet wird.