DE3335341C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Schneidwerkzeug aus einem bornitridhaltigen Sinterkörper hoher Dichte und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Der Sinterkörper enthält sowohl kubisches Bornitrid (im folgenden als CBN bezeichnet) als auch Wurtzit-strukturiertes Bornitrid (im folgenden als WBN bezeichnet).

CBN wird technisch nach einem Verfahren hergestellt, bei dem Bornitrid niederer Dichte (im folgenden als gBN bezeichnet) einmal in einem Schmelzmedium, wie einem Alkalimetall, geschmolzen wird; dann wird CBN unter statischem ultrahohem Druck ausgefällt. Im allgemeinen stellt CBN ein aus Einzelkristallen gebildetes Pulver dar, hat eine Teilchengröße von 1 µm bis mehreren Hunderten µm und besitzt eine hohe Festigkeit und Härte, weist jedoch Spaltbarkeitseigenschaften auf. WBN wird direkt aus gBN durch Phasenumwandlung ohne Verwendung des Schmelzmediums nach einem Verfahren hergestellt, bei dem ein Druck von mehreren Hundert Kbar, der durch Explosion eines Sprengstoffes gebildet wird, auf das gBN einwirkt. Es besteht aus Polykristallpulvern, die aus sekundären Teilchen mit einer Teilchengröße von 0,1 µm bis zu mehreren Zehn µm bestehen, und welche aus aggregierten primären Partikeln gebildet werden, die eine Größe von mehreren Zehn nm besitzen, und welches eine hohe Härte und Festigkeit, jedoch keine Spaltbarkeit aufweist.

Wenn ein Sinterkörper für Schneidwerkzeuge hergestellt wird, indem er CBN oder WBN mit den vorstehend beschriebenen Eigenschaften in dem Sinterkörper umfaßt, so zeigt der resultierende Sinterkörper die charakteristischen Eigenschaften der jeweiligen Pulver.

Im allgemeinen ist ein Sinterkörper, der CBN enthält, scharf, bildet jedoch aufgrund der Tatsache, daß CBN-Teilchen die Form eines spitzen Winkels bilden, eine grob geschnittene Oberfläche; zudem zeigt er die Tendenz, aufgrund der Spaltbarkeit der CBN-Teilchen leicht zu spalten. Ein Sinterkörper, der WBN enthält, ist im Hinblick auf die Schärfe dem CBN-haltigen Sinterkörper etwas unterlegen, was auf die unregelmäßig geformten Kristalle der WBN-Teilchen zurückzuführen ist; er liefert jedoch im Vergleich zu einem CBN-haltigen Sinterkörper eine geringe Oberflächenrauhigkeit bei einem Metall, das mit Hilfe des Sinterkörpers bearbeitet wurde; aufgrund des Fehlens der Spaltbarkeit der WBN-Teilchen kommt es kaum zu Spaltungen.

Um die jeweiligen Nachteile von CBN und WBN zu kompensieren, hat man Sinterkörper hergestellt, die sowohl CBN als auch WBN enthalten. Die JP-OS 97 448/80 offenbart einen Sinterkörper, der sowohl WBN als auch CBN enthält, wobei dieser Sinterkörper aus einem anfänglichen Materialgemisch aus WBN, Metall und Keramik durch teilweise Umwandlung von WBN in CBN während des Sinterns hergestellt wird. Die JP-OS 77 359/81 offenbart einen Sinterkörper, welcher durch Sintern eines Materialausgangsgemisches aus CBN, WBN, Metall und Keramik hergestellt wird, und aus 15 bis 60 Vol.-% Bornitrid hoher Dichte und der Rest aus Cermet (Metall und Keramik) besteht, wobei das Bornitrid hoher Dichte aus 4 bis 16 Vol.-% CBN und 96 bis 84 Vol.-% WBN besteht.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schneidwerkzeug aus einem bornitridhaltigen Sinterkörper zur Verfügung zu stellen, das in Kombination ausgezeichnete Schneideigenschaften und eine hohe Abriebbeständigkeit aufweist und auch zum Schneiden von Hartgußlegierungen oder Gußeisen, bei dem die bekannten Schneidwerkzeuge noch nicht zufriedenstellend waren, geeignet ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Schneidwerkzeug aus einem bornitridhaltigen Sinterkörper gemäß dem Anspruch 1 ge­ löst.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Schneidwerkzeugs aus einem bornitridhaltigen Sinterkörper, bei dem man

• (a) Bornitrid hoher Dichte aus
  • (a₁) Bornitrid im kubischen System und
  • (a₂) Bornitrid in der Wurtzitform
• mit
• (b) Metall und Keramik

bis zur Homogenität vermischt, und das erhaltene Gemisch bei einer Temperatur von nicht unter 1000°C bei einem Druck von 20 bis 70 Kb sintert, und ist dadurch gekennzeichnet, daß man als Ausgangsmaterial ein Gemisch aus

• (a) 60 bis 95 Vol.-%
  • (a₁) Bornitrid in der kubischen und
  • (a₂) Bornitrid in der Wurtzitform, wobei (a₁) eine durchschnittliche Teilchengröße, die mindestens das 5fache von (a₂) beträgt, aufweist und das Volumenverhältnis (a₁) zu (a₂) 60 zu 95 bis 40 zu 5 beträgt,
• und
• (b) 40 bis 5 Vol.-% Metall allein oder im Gemisch mit Keramik

verwendet.

Fig. 1 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Bereiches der Spitze eines Schneidwerkzeugs, welches aus einem üblichen Sinterkörper besteht, der aus CBN und Metall allein oder im Gemisch mit Keramik besteht, und zeigt die Textur der Werkzeugspitze; und

Fig. 2 ist eine vergrößerte Ansicht der Spitze eines Schneidwerkzeuges aus dem erfindungsgemäßen Sinterkörper und zeigt ebenfalls die Textur der Werk­ zeugspitze.

Es ist erforderlich, daß ein bornitridhaltiger Sinterkörper hoher Dichte, der zum Schneiden von Hartguß und anderen Materialien geeignet ist, mindestens 60 Vol.-% Bornitrid hoher Dichte enthält und eine Mikro-Vickers-Härte von mindestens 30 000 N/mm² aufweist, vorzugsweise mindestens 33 000 N/mm² (beide Werte werden bei Raumtemperatur unter einer Belastung von 1 kp bestimmt).

Wird Pulver mit verschiedenen Teilchengrößen in eine Kapsel gefüllt und gesintert und haben diese Pulver Teilchengrößen, die sich voneinander deutlich unterscheiden, so kann eine optimale Verteilung erreicht werden, wobei feine Pulver in den zwischen benachbarten groben Pulvern gebildeten Lücken dispergiert sind. Die Ladungsdichte wird dadurch erhöht. Außerdem verstärkt das feine WBN-Pulver in den zwischen benachbarten groben CBN-Pulvern gebildeten Lücken die zwischen den benachbarten CBN-Teilchen geformten Zwischenräume und verhindert einen Bruch der CBN-Teilchen. Wenn WBN nicht in den zwischen benachbarten CBN-Teilchen gebildeten Lücken verteilt ist, so findet man in diesen Lücken Metall oder Metall und Keramik verteilt, wodurch die Abriebbeständigkeit des erhaltenen Sinterkörpers nachteilig beeinflußt wird.

Wenn man lediglich die Teilchengröße der zu vermischenden Bornitride hoher Dichte berücksichtigt, so ergeben sich Kombinationen von groben CBN-Teilchen und feinen CBN-Teilchen; groben WBN-Teilchen und feinen WBN-Teilchen; und groben WBN-Teilchen und feinen CBN-Teilchen außer der Kombination von groben CBN-Teilchen und feinen WBN-Teilchen. Es hat sich jedoch bei den Versuchen gezeigt, daß die Kombination aus groben CBN-Teilchen und feinen WBN-Teilchen zu dem besten Ergebnis führt. Der Grund hierfür ist wahrscheinlich der folgende. Grobe CBN-Teilchen besitzen eine höhere Festigkeit als grobe WBN-Teilchen, und feine WBN-Teilchen weisen eine höhere Abriebsbeständigkeit auf als feine CBN-Teilchen. Dementsprechend erhält man mit der vorstehend genannten Kombination aus groben CBN-Teilchen und feinen WBN-Teilchen die besten Er­ gebnisse.

Der Effekt der Kombination aus groben CBN-Teilchen und feinen WBN-Teilchen liegt außerdem darin, daß das zu schneidende Material mit einer geringen Oberflächenrauhigkeit geschnitten werden kann. Dies läßt sich wie folgt erklären: Fig. 1 ist eine vergrößerte Ansicht der Spitze eines Schneidwerkzeuges das aus konventionellem Sinterkörper gefertigt wurde, der aus CBN und Metall allein oder im Gemisch mit Keramik besteht; diese Figur zeigt die Textur der Werkzeugspitze. In Fig. 1 bedeutet 1 ein CBN-Teilchen, 2 zeigt eine Textur, die aus einem Metall oder einem Metall und Keramik besteht, und die zwischen den CBN-Teilchen gebildeten Lücken füllt, und 3 ist das Profil der Spitze.

Wenn ein Sinterkörper mit der Textur, wie sie in Fig. 1 wiedergegeben wird, ein Material schneidet, so nutzt sich der Anteil der Textur 2, die aus Metall oder Metall+Keramik besteht, wobei Metall und Keramik weicher als CBN-Teilchen 1 sind, und die Lücken zwischen den CBN-Teilchen füllt, im Vergleich zu den CBN-Teilchen 1 wesentlich schneller ab und bildet ein Profil 3′, das ebenfalls in Fig. 1 wiedergegeben ist. Somit verändert sich das Profil der Spitze von der ursprünglichen, im wesentlichen linearen Form zu einer Form, die eine große Anzahl von Hervorhebungen bzw. Vertiefungen aufweist; diese Form mit den zahlreichen Vertiefungen wird während des Schneidvorganges auf die Oberfläche des zu schneidenden Materials übertragen, so daß die Oberfläche des zu schneidenden Materiales bald nach dem Schneidbeginn rauh wird.

Im Gegensatz dazu befinden sich bei dem Sinterkörper gemäß der Erfindung, welcher außer CBN auch WBN enthält, und welcher nicht nur eine Textur 2′ aus Metall oder Metall und Keramik aufweist, auch WBN-Teilchen 4 mit im wesentlichen der gleichen Härte wie CBN-Teilchen in den zwischen den CBN-Teilchen gebildeten Lücken. Dies geht aus Fig. 2 hervor. Aus diesem Grunde bildet sich in der Werkzeugspitze, die aus dem Sinterkörper gemäß der Erfindung hergestellt wurde, nicht ein Profil 3′ mit einer großen Anzahl von Hervorhebungen bzw. Vertiefungen infolge Abnutzung, wie dies in Fig. 1 gezeigt wird. Die Werkzeugspitze aus dem Sinterkörper gemäß der Erfindung zeigt einen einheitlichen Abrieb über die gesamte Spitze, wobei sie im wesentlichen die ursprüngliche Form bewahrt. Demzufolge ist es möglich, den Schneidvorgang bei dem zu schneidenden Material fortzusetzen, wobei die geringe Oberflächenrauhigkeit des Materiales beibehalten wird.

Wenn außerdem in der Werkzeugspitze, wie sie in Fig. 1 wiedergegeben wird, die Profillinie der Spitze auf die Profilposition 3′ zurückgeht, so stehen CBN-Teilchen aus der Spitze hervor, wodurch die Belastung auf die hervortretenden CBN-Teilchen konzentriert wird, so daß die CBN-Teilchen leicht abgerieben, gebrochen und geschiefert werden, wodurch das Werkzeug früh unbrauchbar wird. Wenn dagegen ein WBN-haltiger Sinterkörper verwendet wird, so treten solche Schwierigkeiten nicht auf, und die Beständigkeit des Werkzeuges ist wesentlich größer.

Bei der Herstellung des bornitridhaltigen Sinterkörpers hoher Dichte können als Ausgangsmaterialien nur CBN und WBN verwendet und gesintert werden. Es ist jedoch vorteilhaft, CBN und WBN zusammen mit Metall oder mit Metall und Keramik zu sintern, um einen Sinterkörper unter milden Sinterbedingungen herzustellen, und einen Sinterkörper mit guten Eigenschaften als Schneidwerkzeug zu erhalten.

Der Grund, warum Metall zu den Ausgangsmaterialien für den Sinterkörper zugegeben wird ist der folgende: CBN und WBN ergeben selbst unter hohem Druck von mehreren Zehntausend bar keinen plastischen Fluß, wenn sie nicht auf eine hohe Temperatur von ca. 2000°C erwärmt werden; aus diesem Grunde fließt Metall, das bei einer Temperatur unter 2000°C fließfähig ist, in die zwischen den CBN- und WBN-Teilchen gebildeten Lücken und füllt diese aus; gleichzeitig geht das Metall mit den Oberflächen von CBN und WBN eine Bindung ein, wodurch ein Sinterkörper hoher Festigkeit erzeugt wird.

Der Grund, warum Metall und Keramik zu den Ausgangsmaterialien CBN und WBN zugegeben werden, ist der folgende: Die Festigkeit der bindenden Phase, die durch das Metall gebildet wird, wird verbessert, wodurch die Festigkeit des Sinterkörpers als ganzes verbessert wird, ebenso wie die Abriebsbeständigkeit des Sinterkörpers beim Schneiden.

Als geeignete Metalle, die zu den Ausgangsmaterialien CBN und WBN zugegeben werden, sind zu nennen: Metalle der Gruppe A Nickel, Kobalt, Chrom, Mangan und Eisen; Metalle der Gruppe B Molybdän, Wolfram, Vanadium, Niob und Tantal; und Metalle der Gruppe C Aluminium, Magnesium, Silicium, Titan, Zirkonium und Hafnium. Die Metalle der Gruppe A besitzen selbst eine hohe Festigkeit und außerdem eine plastische Fluidität; somit eignen sich die Metalle dieser Gruppe zum Ausfüllen der Lücken. Die Metalle der Gruppe B besitzen eine Bindungswirkung und verhindern außerdem das Wachsen von Kristallteilchen des gebundenen Metalls zu groben Teilchen, und sie verbessern die Festigkeit des resultierenden Sinterkörpers. Die Gruppe C der Metalle besitzt eine hohe Affinität zu CBN und WBN und wird in wirksamer Weise zum Verbessern des Benetzens zwischen dem CBN und dem Metall oder Keramik oder zwischen WBN und Metall oder Keramik eingesetzt sowie zur Herstellung von Sinterkörpern hoher Festigkeit.

Gemäß der Erfindung kann zusätzlich zu dem Metall auch Keramik zu den Ausgangsmaterialien aus CBN und WBN, wie vorstehend beschrieben, zugegeben werden. Als Keramik, die zu den Ausgangsmaterialien zugegeben wird, sind zu nennen: Oxide, Carbide, Nitride und Boride der vorstehend beschriebenen Metalle sowie außerdem Borcarbid.

Die Art des Metalles oder die Art der Kombination aus Metall und Keramik, die zu dem Ausgangsmaterial aus CBN und WBN zugegeben wird, bestimmt sich nach der Art des mit dem resultierenden Sinterkörper zu schneidenden Materials, sowie der Schneidmethode oder den Sinterbedingungen. Die Art des Metalls oder die Art der Kombination aus Metall und Keramik kann vom Fachmann auf einfache Weise ausgewählt werden, wobei hier auf die nachfolgenden Beispiele gemäß der Erfindung Bezug genommen wird.

Bei der Herstellung des Sinterkörpers gemäß der Erfindung kann als Vorrichtung zum Einstellen eines hohen Druckes und einer hohen Temperatur, i. e. als sogenannte Ultrahoch-Druck- Vorrichtung jede beliebige Apparatur verwendet werden, mit welcher Sinterbedingungen von 20 bis 70 Kbar und eine Temperatur von nicht<1000°C, wie dies gemäß der Erfindung erforderlich ist, eingestellt werden können.

Beispiel 1

Ein Gemisch aus 90 Vol.-% pulverförmigem CBN mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 9 µm, 5 Vol.-% pulverförmigem WBN mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 1 µm, 3 Vol.-% pulverförmigem Aluminium mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 10 µm und 2 Vol.-% pulverförmigem Nickel mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 15 µm wurden 4 h lang in einer Kugelmühle aus Sintercarbid homogen vermischt. Die homogenen vermischten Pulver wurden in eine Kapsel aus rostfreiem Stahl mit einem Außendurchmesser von 16 mm, einer Höhe von 9 mm und einer Dicke von 0,5 mm bis zu einer Höhe von 2 mm vom Boden eingefüllt. Dann wurde dieses pulverfömige Gemisch mit einem anderen pulverförmigen Gemisch beschichtet, das aus 91 Gew.-% Wolframcarbid und 9 Gew.-% Kobalt bestand, wobei die Dicke der Beschichtung 6 mm betrug. Die Kapsel wurde mit einem Deckel aus rostfreiem Stahl mit einem Durchmesser von 15 mm und einer Dicke von 0,5 mm verschlossen, in eine Vorrichtung mit ultrahohem Druck gegeben und 10 Minuten lang bei Druck- und Temperaturbedingungen von 50 Kbar und 1200°C belassen, um die vermischten Pulver aus CBN, WBN, Aluminium und Kobalt zu sintern.

Der erhaltene Sinterkörper wies eine Mikro-Vickers-Härte von 38 000 N/mm² auf. Die mikroskopische Untersuchung der Textur ergab, daß WBN und Metalle in den zwischen den CBN-Teilchen gefüllten Lücken dispergiertem und daß diese Elemente fest zusammengesintert waren.

Daraufhin wurde der Sinterkörper zu eine Scheibe mit einem Durchmesser von 12,7 mm und einer Dicke von 4,76 mm mit Hilfe eines Diamantenschleifrades geschliffen; die Scheibe wurde dem folgenden Schneidtest unterworfen. Ein abgeschreckter Stahl mit einem Durchmesser von 300 mm und einer Länge von 2000 mm wurde im trockenen Zustand unter folgender Bedingung geschnitten: Schnittiefe 1,0 mm, Beschickung 0,3 mm/ Umdrehung und einer Umfangsgeschwindigkeit von 45,2 m/Min. Nach einstündiger Schnittzeit betrug die Seitenabnutzung 0,18 mm; es wurde keine Kraterabnutzung beobachtet. Der in diesem Schneidtest verwendete abgeschreckte Stahl besaß eine Rockwell-Härte der C-Skala (HRC) von 65-67.

Vergleichsbeispiel 1

Es wurde ein Experiment auf die gleiche Weise durchgeführt, wie dies in Beispiel 1 beschrieben ist, mit der Ausnahme, daß das gesamte Bornitrid hoher Dichte durch das gleiche CBN, das in Beispiel 1 verwendet wurde, ersetzt worden ist. Der erhaltene Sinterkörper wies eine Mikro- Vickers-Härte von 31 000 N/mm² auf. Im Verlauf des Schneidtestes brach der Sinterkörper, nachdem er 3 Minuten zum Schneiden verwendet worden war; ein nachfolgender Schneidtest konnte nicht durchgeführt werden.

Beispiel 2

Ein Gemisch aus 60 Vol.-% pulverförmigem CBN mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 12 µm, 20 Vol.-% pulverförmigem WBN mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 2 µm, 3 Vol.-% pulverförmigem Aluminium mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 10 µm, 4 Vol.-% pulverförmigem Magnesium mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 18 µm, 2 Vol.-% pulverförmigem Kobalt mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 20 µm und 11 Vol.-% pulverförmigem Titannitrid mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 2,3 µm wurden auf die gleiche Weise, wie dies in Beispiel 1 beschrieben ist, homogen vermischt.

Die homogen vermischten Pulver wurden auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 beschrieben, gesintert. Der erhaltene Sinterkörper wies eine Mikro-Vickers-Härte von 36 000 N/mm² auf. Mikroskopische Untersuchungen zur Textur ergaben, daß aus Aluminium, Magnesium und Kobalt gebildete Legierungsteilchen, Teilchen von Titannitrid und Teilchen von WBN in den Lücken zwischen benachbarten CBN-Teilchen dispergiert waren; es hatte sich eine festgebundene Textur gebildet.

Das in diesem Experiment verwendete Titannitrid enthielt Stickstoff in einem Gewichtsverhältnis von 0,68, auf der Basis der stöchiometrischen Stickstoffmenge, wie sie als TiN berechnet wird.

Der erhaltene Sinterkörper wurde auf die gleiche Weise bearbeitet, wie dies in Beispiel 1 beschrieben wird, und einem Schneidtest unterworfen, wobei das gleiche Material zu schneiden war, wie es in Beispiel 1 beschrieben ist. Wenn das Material im trockenen Zustand 1,5 h bei einer Schneidtiefe von 1,8 mm, einer Beschickung von 0,8 mm/Umdrehung und einer Umfangsgeschwindigkeit von 23 m/Min. geschnitten wurde, betrug die Seitenabnutzung 0,3 mm; es wurde keine kraterförmige Abnutzung beobachtet.

Vergleichsbeispiel 2

Es wurde ein Sinterkörper hergestellt, wie dies in Beispiel 2 beschrieben ist, mit der Ausnahme, daß 60 Vol.-% CBN und 20 Vol.-% WBN vollständig durch WBN ersetzt wurden, welches eine durchschnittliche Teilchengröße von 1 µm aufwies.

Der erhaltene Sinterkörper besaß eine Mikro-Vickers-Härte von 24 000 N/mm². Wenn man den Sinterkörper dem gleichen Schneidtest, wie er in Beispiel 2 beschrieben ist, unterwarf, so betrug die Flankenabnutzung bis zu 0,8 mm nach 5minütigem Schneiden. Ein nachfolgender Schneidtest konnte nicht durchgeführt werden.

Beispiel 3

Ein Gemisch aus 36 Vol.-% CBN mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 6 µm, 24 Vol.-% WBN mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 1 µm, 8 Vol.-% Aluminium, 4 Vol.-% Silicium und 0,5 Vol.-% Mangan (jedes Metall wies eine durchschnittliche Teilchengröße von nicht über 10 µm auf), 7,5 Vol.-% Aluminiumoxid mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von nicht mehr als 3 µm und 20 Vol.-% Titanborid mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von nicht mehr als 3 µm wurden homogen vermischt und dann auf die gleiche Weise, wie dies in Beispiel 1 beschrieben ist, gesintert, mit der Ausnahme, daß der Sinterdruck 25 Kbar und die Sintertemperatur 1300°C betrugen.

Der erhaltene Sinterkörper wies eine Mikro-Vickers-Härte von 33 000 N/mm² auf. Mikroskopische Untersuchungen zur Textur ergaben, daß CBN-Teilchen von Bestandteilen, die nicht CBN darstellten, umgeben waren.

Der Sinterkörper wurde kreuzweise in vier Sektoren mit einem Scheitelwinkel von 90° geschnitten. Einer der Sektoren wurde mit Silber an das Ende eines Schenkels aus S45C-Stahl gelötet, welcher vorher mittels Wärmebehandlung auf einen HRC- Wert von 53 gehärtet worden war, und eine Länge von 150 mm und einen quadratischen Querschnitt mit einer Seitenlänge von 25 mm aufwies; auf diese Weise wurde ein Werkzeug (Span) für den Schneidtest hergestellt. Im folgenden wurde der Schneidtest unter Anwendung dieses Spans durchgeführt. Ein SKH9(JIS)-Stahl, welcher AIFI M2 entspricht, und durch Wärmebehandlung auf eine Härte von HRC 63 gehärtet worden war, und einen Durchmesser von 100 mm und eine Länge von 450 mm aufwies, wurde im trockenen Zustand bei einer Schneidtiefe von 0,3 mm, einer Beschickung von 0,1 mm/rev und einer Umfangsgeschwindigkeit von 78 m/Min. geschnitten. Nach 16minütiger Anwendung im Schneidtest betrug die Flankenabnutzung 0,22 mm.

Vergleichsbeispiel 3

Das in Beispiel 3 beschriebene Experiment wurde wiederholt mit der Ausnahme, daß das gesamte Bornitrid hoher Dichte durch das gleiche CBN, wie es in Beispiel 3 verwendet worden war, ersetzt wurde.

Der erhaltene Sinterkörper wies eine Mikro-Vickers-Härte von 31 000 N/mm² auf. Mikroskopische Untersuchungen zur Textur ergaben, daß CBN-Teilchen von einer Textur umgeben waren, die aus Bestandteilen, die nicht CBN darstellten, gebildet war.

Wenn der Sinterkörper dem gleichen Schneidtest unterworfen wurde, wie in Beispiel 3 beschrieben ist, so brach dieser bereits nach einminütiger Anwendung im Schneidtest; ein nachfolgender Schneidtest konnte nicht mehr durchgeführt werden.

Beispiel 4

Ein Gemisch aus 80 Vol.-% pulverförmigem CBN mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 9 µm, 10 Vol.-% pulverförmigem WBN mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 1 µm, 3 Vol.-% pulverförmigem Aluminium mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 10 µm, 4 Vol.-% pulverförmigem Eisen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 15 µm, 2,5 Vol.-% pulverförmigem Chrom mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 20 µm, 0,5 Vol.-% pulverförmigem Molybdän mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 22 µm wurden homogen vermischt und auf die gleiche Weise, wie in Beispiel 1 beschrieben ist, gesintert, mit der Ausnahme, daß Sinterdruck und Sintertemperatur jeweils 42 Kbar und 1450°C betrugen.

Der erhaltene Sinterkörper wies eine Mikro-Vickers-Härte von 31 000 N/mm² auf. Wenn der Sinterkörper dem gleichen Schneidtest, wie er in Beispiel 1 beschrieben ist, unterworfen wurde, so betrug die Flankenabnutzung 0,17 mm nach einstündigem Schneiden; eine kraterförmige Abnutzung wurde nicht beobachtet.

Vergleichsbeispiel 4

Es wurde ein Sinterkörper hergestellt und einem Schneidtest auf die gleiche Weise unterworfen, wie dies in Beispiel 4 beschrieben ist, mit der Ausnahme, daß WBN im Ausgangsgemisch durch CBN der gleichen Teilchengröße wie von WBN ersetzt wurde. Der erhaltene Sinterkörper wies eine Mikro-Vickers-Härte von 36 000 N/mm² auf. Nach Durchführung des Schneidtestes für 1 h betrug die Flankenabnutzung 0,55 mm; außerdem wurde eine kraterförmige Abnutzung beobachtet.

Beispiel 5

Ein Gemisch aus 60 Vol.-% CBN mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 2 µm, 36 Vol.-% WBN mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0,3 µm, 2 Vol.-% Titan mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 15 µm, 1,5 Vol.-% Zirkonium mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 3 µm, 0,5 Vol.-% Vanadium mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von nicht über 10 µm wurden homogen vermischt, und auf die gleiche Weise, wie dies in Beispiel 1 beschrieben ist, gesintert. Der erhaltene Sinterkörper wies eine Mikro-Vickers-Härte von 39 000 N/mm² auf. Wenn der Sinterkörper dem gleichen Schneidtest, wie er in Beispiel 3 geschrieben ist, unterworfen wurde, so betrug die Flankenabnutzung 0,18 mm nach 16minütigem Schneiden.

Vergleichsbeispiel 5

Das in Beispiel 5 beschriebene Experiment wurde wiederholt mit der Ausnahme, daß das gesamte Bornitrid hoher Dichte durch WBN mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 1 µm ersetzt wurde.

Der erhaltene Sinterkörper wies eine Mikro-Vickers-Härte von 23 000 N/mm² auf. Als der Sinterkörper dem gleichen Schneidtest, wie er in Beispiel 3 beschrieben ist, unterworfen wurde, brach dieser bereits nach einer Minute.

Beispiel 6

Ein Gemisch aus 50 Vol.-% CBN mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 6 µm, 32 Vol.-% WBN mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0,5 µm, 8 Vol.-% Wolframcarbid, 3 Vol.-% Niobcarbid und 2 Vol.-% Tantalcarbid, wobei jedes Carbid eine durchschnittliche Teilchengröße von nicht über 3 µm aufwies, und 3 Vol.-% Hafnium und 2 Vol.-% Kobalt, wobei jedes Metall eine durchschnittliche Teilchengröße von nicht über 10 µm aufwies, wurden homogen vermischt, und auf die gleiche Weise, wie dies in Beispiel 1 beschrieben ist, gesintert, mit der Ausnahme, daß der Sinterdruck 65 Kbar und die Sintertemperatur 1580°C betrugen.

Der erhaltene gesinterte Körper wies eine Mikro-Vickers-Härte von 39 000 N/mm² auf. Als der Sinterkörper dem gleichen Schneidtest, wie in Beispiel 1 beschrieben, unterworfen wurde, betrug die Flankenabnutzung 0,19 mm nach einstündigem Schneiden; es konnte keine kraterförmige Abnutzung beobachtet werden.

Vergleichsbeispiel 6

Es wurde ein Sinterkörper auf die gleiche Weise, wie in Beispiel 6 beschrieben, hergestellt, mit der Ausnahme, daß das gesamte Bornitrid hoher Dichte, welches in Beispiel 6 verwendet wurde, durch CBN mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 6 µm ersetzt wurde. Der erhaltene Sinterkörper wies eine Mikro-Vickers-Härte von 37 000 N/mm² auf. Als der Sinterkörper dem gleichen Schneidtest unterworfen wurde, wie er in Beispiel 1 beschrieben ist, wurde die Oberflächenrauhigkeit des gesinterten Körpers nach 30minütigem Schneiden extrem hoch; ein nachfolgender Schneidtest konnte nicht durchgeführt werden. Die Flankenabnutzung erreichte 1 mm und darüber; außerdem wurde eine größere kraterförmige Abnutzung beobachtet.

Beispiel 7

Das in Beispiel 6 beschriebene Experiment wurde wiederholt mit der Ausnahme, daß das in Beispiel 6 verwendete Bornitrid hoher Dichte durch 50 Vol.-% CBN mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 15 µm, 20 Vol.-% WBN mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 2 µm und 12 Vol.-% WBN mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0,3 µm ersetzt wurde.

Der erhaltene Sinterkörper wies eine Mikro-Vickers-Härte von 41 000 N/mm² auf. Als der gesinterte Körper dem gleichen Schneidtest, wie er in Beispiel 1 beschrieben ist, unterworfen wurde, betrug die Flankenabnutzung nach einstündigem Schneiden 0,16 mm; es konnte keine kraterförmige Abnutzung beobachtet werden.

Vergleichsbeispiel 7

Das in Beispiel 7 beschriebene Experiment wurde wiederholt mit der Ausnahme, daß das gesamte in Beispiel 7 verwendete Bornitrid hoher Dichte durch CBN mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 15 µm ersetzt wurde.

Der erhaltene Sinterkörper wies eine Mikro-Vickers-Härte von 39 000 N/mm² auf. Als der Sinterkörper dem gleichen Schneidtest unterworfen wurde, wie er in Beispiel 1 beschrieben ist, brach dieser nach 40 Minuten.

Beispiele A-E

Die Bedingungen in diesen Beispielen sind die gleichen wie im Beispiel 1, wobei jedoch das Verhältnis der Teilchengrößen von CBN zu WBN verändert wurde.

Tabelle 1

Schneidtest

Zu schneidendes Material: abgeschreckte Stahlwalzen mit einem Durchmesser von 800 mm und einer Länge von 2000 mm.

Schneidbedingungen (Trockensystem): Schneidtiefe 1,0 mm, Beschickung 0,3 mm/Umdrehung, Umfangsgeschwindigkeit 45,2 m/Min., Schneidzeit 1 Stunde.

Das Mengenverhältnis von CBN zu WBN wird verändert.

Tabelle 2

Schneidtest

Zu schneidendes Material: abgeschreckte Stahlwalzen mit einem Durchmesser von 800 mm und einer Länge von 2000 mm.

Schneidbedingungen (Trockensystem): Schneidtiefe 1,0 mm, Beschickung 0,3 mm/Umdrehung, Umfangsgeschwindigkeit 45,2 m/Min., Schneidzeit 1 Stunde.

In der Tabelle 1 mit den Beispielen A, B, C, D und E wurden die gleichen Bedingungen wie im Beispiel 1 angewendet, wobei das Teilchengrößenverhältnis von CBN zu WBN 3 : 1, 4 : 1, 5 : 1, 6 : 1 und 8 : 1 betrug.

Die Mikro-Vickers-Härte bei den Versuchen A und B, die außerhalb des Schutzbegehrens liegen, ist erkennbar niedriger als bei den erfindungsgemäßen Versuchen C, D und E. Noch deutlicher kommt aber die vorliegende Erfindung bei einem Vergleich des Flankenabriebs zum Ausdruck. Der Flankenabrieb beträgt bei den erfindungsgemäßen Beispielen C, D und E nur ca. ein Drittel im Vergleich zu den nicht erfindungsgemäßen Versuchen A und B.

In der Tabelle 2 sind die Versuche F, G, H und I den erfindungsgemäßen Versuchen C, D und E gegenübergestellt. Bei den Versuchen in Tabelle 2 wurde das Mengenverhältnis von CBN zu WBN verändert. Es liegt bei den Versuchen F, G, H und I außerhalb der Erfindung (obwohl das Verhältnis der Teilchengrößen im erfindungsgemäßen Bereich liegt). Die Ergebnisse, nämlich die Mikro-Vickers-Härte und der Flankenabrieb, zeigen die erhebliche Überlegenheit der erfindungsgemäßen Versuche C, D, E im Vergleich zu den nicht erfindungsgemäßen Versuchen.

Die Erfindung ist eine Verbesserung der aus der DE-PS 30 44 945 bekannten Verbindung. Die dort offenbarten Sinterkörper sind zum Schneiden von Hartstahl, z. B. einem Stahl SKD 61 geeignet. Ein Nachteil der dort beschriebenen Sinterkörper ist aber darin zu sehen, daß diese bei der Bearbeitung von abgeschrecktem Stahl oder ultrawärmebeständigen Legierungen und Gußeisen manchmal brachen oder einen extremen Abrieb zeigten. Dieser Nachteil wird erfindungsgemäß vermieden, indem man sowohl das Mengenverhältnis von CBN zu WBN in einem bestimmten Bereich einstellt, als auch das Verhältnis der Teilchengrößen von CBN zu WBN.

Die Versuche F bis I zeigen somit, daß selbst dann, wenn das Verhältnis der Teilchengröße von CBN zu WBN im beanspruchten Bereich liegt, aber das Mengenverhältnis von CBN zu WBN außerhalb des beanspruchten Bereiches liegt, die erhaltenen Sinterkörper brechen oder einen sehr hohen Flankenabrieb beim Schneiden von abgeschrägtem Stahl zei­ gen.

In Beispiel 2 der DE-PS 30 44 945 wird ein CBN mit einer durchschnittlichen Teilchengröße gezeigt, die nur 1,5mal größer ist als die des WBN. Das Produkt gemäß Beispiel 2 weist eine Vickers-Härte von nur etwa 2480 kg/mm² (24 800 N/mm²) auf. Der Flankenabrieb bei dem dortigen Produkt beträgt 0,35 mm beim Schneiden eines SKD 61-Stahls. Beim Schneiden von abgeschrägtem Stahl ist der Flankenabrieb noch wesentlich größer.

Claims (5)

1. Schneidwerkzeug aus einem bornitridhaltigen Sinterkörper, enthaltend

• (a) Bornitrid hoher Dichte aus
  • (a₁) Bornitrid in der kubischen und
  • (a₂) in der Wurtzitform, sowie in der Bindephase
• (b) Metall und Keramik,

gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung:

• (a) 60 bis 95 Vol.-% Bornitrid hoher Dichte aus
  • (a₁) 60 bis 95 Vol.-% Bornitrid in der kubischen und
  • (a₂) 40 bis 5 Vol.-% Bornitrid in der Wurtzitform, wobei (a₁) eine durchschnittliche Teilchengröße, die mindestens das 5fache von (a₂) beträgt, aufweist
• (b) 40 bis 5 Vol.-% Metall allein oder im Gemisch mit Keramik.

2. Verfahren zur Herstellung eines Schneidwerkzeugs aus einem bornitridhaltigen Sinterkörper, gemäß Anspruch 1, bei dem man

• (a) Bornitrid hoher Dichte aus
  • (a₁) Bornitrid im kubischen System und
  • (a₂) Bornitrid in der Wurtzitform
• mit
• (b) Metall und Keramik,

bis zur Homogenität vermischt, und das erhaltene Gemisch bei einer Temperatur von nicht unter 1000°C bei einem Druck von 20 bis 70 Kb sintert, dadurch gekennzeichnet, daß man als Ausgangsmaterial ein Gemisch aus

• (a) 60 bis 95 Vol.-%
  • (a₁) Bornitrid in der kubischen und
  • (a₂) Bornitrid in der Wurtzitform, wobei (a₁) eine durchschnittliche Teilchengröße, die mindestens das 5fache von (a₂) beträgt, aufweist und das Volumenverhältnis (a₁) zu (a₂) 60 zu 95 bis 40 zu 5 beträgt,
• und
• (b) 40 bis 5 Vol.-% Metall allein oder im Gemisch mit Keramik

verwendet.