DE3751689T2

DE3751689T2 - Material für Schneidvorrichtungen, dessen Anwendung und Schneidvorrichtungen

Info

Publication number: DE3751689T2
Application number: DE3751689T
Authority: DE
Inventors: Shoji Sakakibara; Junichiro Suzuki
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1986-05-28
Filing date: 1987-05-29
Publication date: 1996-07-04
Anticipated expiration: 2007-05-30
Also published as: EP0247630B1; EP0247630A2; EP0247630A3; DE3751689D1

Description

Diese Erfindung betrifft Materialien für zerspanungswerkzeuge, die Verwendung derselben zum Zerspanen und Zerspanungswerkzeuge.
Als Zerspanungswerkzeuge für das Hochgeschwindigkeitszerspanen von Eisen- und anderen metallischen Werkstücken sind im allgemeinen jene bekannt, die sich aus den folgenden Materialien zusammensetzen: (Keramiksinterkörper vom Al&sub2;O&sub3;&submin; oder Si&sub3;N&sub4;-TVP; (2) anorganisch-metallisches Verbundmaterial vom TiC-Typ; (3) Sintercarbide, die mit Keramikmaterialien, beispielsweise mit Al&sub2;O&sub3;, usw. beschichtet sind; usw. Von diesen verschiedenen Materialien weist der Keramiksinterkörper vom Al&sub2;O&sub3;&submin; oder Si&sub3;N&sub4;-Typ selbst keine ausreichende mechanische Festigkeit auf, weshalb er nicht zum spanabhebenden Bearbeiten von Stahl verwendet werden konnte, wenngleich er in der Praxis zum spanabhebenden Bearbeiten von Gußeisen verwendet wurde. Was das anorganisch-metallische Verbundmaterial vom TiC-Typ betrifft, so besitzt dieses zwar eine größere mechanische Festigkeit als der oben genannte Keramiksinterkörper, jedoch kommt es bei erhöhten Zerspanungsgeschwindigkeiten zu einer beträchtlichen Reduktion seiner Verschleißfestigkeit, so daß das Material nur eine begrenzte Zerspanungsgeschwindigkeit zuläßt. Das keramikbeschichtete Sintercarbid zieht wiederum den Nachteil nach sich, daß die Keramikbeschichtung aufgrund der schlechten chemischen Affinität zwischen der Keramikbeschichtung und dem Substrat, aufgrund von Unterschieden im thermischen Ausdehnungskoeffizienten, usw. zu Abblättern neigt, wenn die Zerspanungsgeschwindigkeit erhöht oder eine Schlagkraft auf das Werkstück übertragen wird, was gleichzeitig die Reduktion ihrer Verschleißfestigkeit oder das Auftreten eines Schadens an ihr nach sich zieht, was dem Material hinsichtlich seines Anwendungsspektrums ebenfalls eine Grenze setzt.
Aus GB 2157282 A ist ein Sinterkeramikmaterial auf Nitridbasis bekannt, dessen Hauptbestandteile ein Polytyp aus Si-Al-O-N zusammen mit Beta- und/oder Alpha-Si-Al-O-N sind. Das Material enthält auch eine intergranulare Phase und, je nach der Zusammensetzung, kristallines AlN oder Al&sub2;O&sub3;. Die Eigenschaften des Materials, beispielsweise Verschleißfestigkeit und Zähigkeitsverhalten, können durch Zugeben harter Refraktorhauptkörper und/oder feiner whiskerähnlicher Fasern verbessert werden. Beschichten mit harten, trägen und verschleißfesten Lagen stellt eine weitere Alternative dar. Das Material kann für Zerspanungswerkzeuge verwendet werden, jedoch sind auch andere Anwendungen möglich, beispielsweise für Motorkomponenten, Verschleißteile, Wärmetauscher oder als Substratwerkstoff in der Elektronikindustrie.
Demzufolge ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Material für Zerspanungswerkzeuge vorzusehen, welche einen breiten Anwendungsbereich für verschiedenste Eisenwerkstücke ermöglichen und in der Lage sind, diese mit hoher Geschwindigkeit zu zerspanen. Diese Aufgabe wird durch das Material der unabhängigen Ansprüche 1, 10, 11 und 12 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale dieser Materialien werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Die Erfindung sieht auch die Verwendung dieser Materialien und aus diesen Materialien gefertigte Zerspanungswerkzeuge vor.
Die vorliegende Erfindung sieht Zerspanungswerkzeuge oder dafür geeignete Materialien vor, welche eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen, hervorragende Dauerhaftigkeit besitzen, besonders wärmebeständig und verschleißfest sind und Schmelzhaftung mit dem Werkstück zu verhindern imstande sind.
Andere Details und Vorzüge gehen aus der gesamten Offenbarung hervor.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Material für Zerspanungswerkzeuge vorgesehen, das in Kombination folgendes umfaßt:
a) ein Substrat auf der Basis einer Matrix, zusammengesetzt aus mindestens einem Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Al&sub2;O&sub3;, AlN, ALON, 3Al&sub2;O&sub3; . 2 SiO&sub2; (Mullit) und TiC, wobei das Substrat 5 bis 50 Gew.% SiC-Whisker, bezogen auf das Substrat, aufweist, wobei die Whisker gleichmäßig darin verteilt sind; und
b) eine oder mehrere Beschichtungslagen, zusammengesetzt aus mindestens einer Verbindung ausgewählt aus Oxiden, Nitriden, Carbiden, Boriden und Oxynitriden voh mindestens einem Element ausgewählt aus Aluminium, Elementen der Gruppe IVa und Va des internationalen Periodensystems, wobei die Beschichtungslage auf der Oberfläche des Substrats bis zu einer Dicke von etwa 0,3 bis etwa 20 µm ausgebildet ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Material für Zerspanungswerkzeuge vorgesehen, das in Kombination folgendes umfaßt:
a) ein Substrat auf der Basis einer Al&sub2;O&sub3;-Matrix mit 5 bis 70 Gew.% SiC-Whiskern, und
b) eine oder mehrere Beschichtungslagen, zusammengesetzt aus Oxiden, Nitriden, Carbiden, Carbonitriden, Oxycarbiden oder Oxycarbo-Nitriden von Elementen der Gruppe IVa oder Va des internationalen Periodensystems, oder Oxid, Nitrid oder Oxynitrid von Aluminium, wobei die Beschichtungslage auf der Oberfläche des Substrats bis zu einer Dicke im Bereich von etwa 0,3 bis etwa 20 µm ausgebildet ist.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Material für Zerspanungswerkzeuge vorgesehen, das in Kombination folgendes umfaßt:
a) ein Substrat auf der Basis einer Al&sub2;O&sub3;-Matrix mit 5 bis 50 Gew.% SiC-Whiskern,
b) 1 bis 35 Gew.% mindestens eines Substituentenbestandteils ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Metallen der Elemente der Gruppe IVa, Va oder VIa des internationalen Periodensystems, Oxiden, Nitriden, Carbiden oder Boriden dieser metallischen Elemente, oder festen Lösungen dieser Verbindungen, sowie SiC; und
c) eine oder mehrere Beschichtungslagen, zusammengesetzt aus Oxiden, Nitriden, Carbiden, Carbonitriden, Oxycarbiden oder Oxycarbo-Nitriden von Elementen der Gruppe IVa oder Va des internationalen Periodensystems, oder Oxid, Nitrid oder Oxynitrid von Aluminium, wobei die Beschichtungslage auf der Oberfläche des Substrats bis zu einer Dicke im Bereich von etwa 0,3 bis etwa 20 µm ausgebildet ist.
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Material für Zerspanungswerkzeuge vorgesehen, das in Kombination folgendes umfaßt:
a) ein Substrat auf der Basis einer AlN-Matrix mit 5 bis 50 Gew.% SiC-Whiskern, und
b) eine oder mehrere Beschichtungslagen, zusammengesetzt aus mindestens einer Verbindung ausgewählt aus Oxiden, Nitriden, Carbiden, Carbonitriden, Oxycarbiden oder Oxycarbo-Nitriden von Elementen der Gruppe IVa oder Va des internationalen Periodensystems, oder Oxid, Nitrid und Oxynitrid von Aluminium, wobei die Beschichtungslage auf der Oberfläche des Substrats bis zu einer Dicke im Bereich von etwa 0,3 bis etwa 20 µm ausgebildet ist.
Gemäß einem weiteren (fünften) Aspekt der vorliegenden Erfindung werden Zerspanungswerkzeuge vorgesehen, welche aus den oben genannten Materialien der verschiedenen vorhin erwähnten Aspekte der vorliegenden Erfindung bestehen.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Hochgeschwindigkeitszerspanen eines Eisenwerkstücks durch Verwendung der Zerspanungswerkzeuge vorgesehen.
Wird ein Eisenwerkstück mit einer hohen Geschwindigkeit zerspant, kann ein erheblicher Anstieg der Zerspanungstemperatur festgestellt werden, weshalb die Verschleißfestigkeit und die mechanische Festigkeit in der Folge nachzulassen beginnen und eine Beschädigung des Zerspanungswerkzeugs verursacht werden kann. Es wird demnach als vorteilhaft erkannt, ein Keramikmaterial mit ausgezeichneter Wärmebeständigkeit als Hauptbestandteil des Materials für die Zerspanungswerkzeuge zu verwenden. Allerdings weist die Keramik selbst im allgemeinen eine geringe Zähigkeit auf, wobei hier unter anderem eine Lösung dieses Punktes vän Bedeutung ist. Unter diesem Gesichtspunkt haben die betreffenden Erfinder festgestellt, daß die Verwendung von Al&sub2;O&sub3;, AlON, AlN, 3Al&sub2;O&sub3; 2SiO&sub2; ("Mullit") oder TiC als Hauptbestandteil besonders zweckmäßig ist. Die Keramik aus diesen Materialien als solche ist jedoch nicht geeignet, was ihre mechanische Festigkeit betrifft.
Mit dem Ziel, dieses Problem zu lösen, haben die betreffenden Erfinder verschiedene Untersuchungen und Forschungsarbeiten durchgeführt, um die mechanische Festigkeit des Keramikwerkstoffes zu erhöhen, ohne dabei seine Wärmebeständigkeit und Verschleißfestigkeit zu verringern. In diesem Zusammenhang sind sie zu dem Ergebnis gelangt, daß eine Verbesserung der Zähigkeit des Materials ohne Verlust seiner Wärmebeständigkeit wirksam erreicht werden kann, wenn Siliziumcarbid(SiC)-Whisker von hoher mechanischer Festigkeit, hoher Wärmebeständigkeit und hoher Wärmeleitfähigkeit gleichmäßig im Keramikmaterial verteilt werden (Anmerkung: das Verfahren des Einbindens der Whisker im Keramikmaterial wird in den Japanischen Kokai-Patentveröffentlichungen Nr. 59-102862 und Nr. 59-102861 offenbart, für den Zweck, dem Material hohe elektrische Leitfähigkeit zu verleihen, und in US-A-4.543.345 für den Zweck, ihm Zähigkeit zu verleihen; in diesen Veröffentlichungen findet sich jedoch keinerlei Erwähnung hinsichtlich der Effizienz derartiger Verfahren zum Herstellen von Zerspanungswerkzeugen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften, Wärmebeständigkeit und Verschleißfestigkeit) . Es wurde jedoch erkannt, daß SiC selbst (sogar SiC-Whisker) als seine grundlegende Eigenschaft eine hervorragende Affinität auf Eisen aufweist, was während des Hochgeschwindigkeitszerspanens zur Verschweißhaftung zwischen einem Eisenwerkstück und jenem Material führt, welches das Zerspanungswerkzeug bildet (insbesondere SiC-Whisker), wodurch es zum Entfernen der SiC-Whisker aus dem Keramikkörper kommt und die Verschleißfestigkeit des Zerspanungswerkzeugs erheblich verringert wird, welches dadurch seine Eignung für die praktische Verwendung verliert.
Infolgedessen haben die betreffenden Erfinder weitere und wiederholte Untersuchungen und Forschungen angestellt, um dieses Problem zu bewältigen, und im Zuge dieser Arbeiten haben sie erkannt, daß, um die Reaktion zwischen den SiC-Whiskern und dem Eisenwerkstück zu hemmen, das Material für das Zerspanungswerkzeug, welches SiC als Verstärkungskomponente enthält, mit Oxiden, Nitriden, Carbiden von Aluminium (Al) oder den Übergangsmetallelementen der Gruppe IVa des internationalen Periodensystems oder festen Lösungen dieser Verbindungen beschichtet werden kann.
Andererseits ist das Verfahren zum Verbessern der Verschleißfestigkeit der Matrix durch Vorsehen einer Beschichtungslage auf einem Sintercarbid bestens bekannt, wie bereits zuvor erwähnt wurde. Allerdings weist ein gebranntes Produkt des Sinterkarbids und der Keramikbeschichtung im allgemeinen eine geringe Haft(oder Binde-)Festigkeit zwischen diesen beiden auf, weshalb beide stark zum Abblättern neigen. Von Bedeutung ist auch ein Punkt, an dem das Sintercarbid zu plastischer Verformung neigt, die auf Wärme und Druck, welche zum Zeitpunkt des Hochgeschwindigkeitszerspanens erzeugt werden, zurückzuführen ist, wodurch die Schneidkante stumpf wird.
Ebenso wurde ein Verfahren zum Beschichten eines Al&sub2;O&sub3;-Keramikkörpers mit einer Lage aus Al&sub2;O&sub3; bereits offenbart, beispielsweise in der Japanischen Kokoku- Patentveröffentlichung Nr. 53-13276. Durch dieses Verfahren soll jedoch der Oberfläche des Al&sub2;O&sub3;-Keramikkörpers eine äußerst feine Korngröße von Al&sub2;O&sub3; verliehen werden, so daß die Verschleißfestigkeit von Al&sub2;O&sub3; durch seine erhöhte mechanische Festigkeit aufgrund seiner Reduktion zu der äußerst feinen Korngröße verbessert werden kann. Diesbezüglich ist der Stand der Technik im besonderen auf die äußerst feine Korngröße von Al&sub2;O&sub3; auf der Oberfläche des Al&sub2;O&sub3;- Substrats als seine wesentliche Ausführungsform beschränkt. Gemäß der vorliegenden Erfindung besteht hingegen für derartige Zwecke keine Notwendigkeit, die Oberfläche des Substrats zu beschichten, wie es im Stand der Technik erfolgte, da die mechanische Festigkeit durch Einbinden der Whisker erreicht wird.
In dieser gesamten Patentanmeldung werden die verwendeten Elemente gemäß dem internationalen Periodensystem definiert. Der Begriff "feste Lösung" bezieht sich auf Substanzen wie TiCO, TiCN, TiCNO usw. Allerdings ist AlON keine feste Lösung; vielmehr stellt "AlON" einen sammelbegriff dar, der Al&sub2;&sub7;O&sub3;&sub9;N, Al(8/3 + x/3)O4-xNx (0< x< 0.5), Al&sub1;&sub9;&sub6;O&sub2;&sub8;&sub8;N&sub4; und dergleichen umfaßt, wobei die AlON-Verbindungen infolge jedes einzelnen Verhältnisses von Al, O und N unterschiedlich sind.
Für die für den Zweck der vorliegenden Erfindung zu verwendende Matrix wird gemäß einem Aspekt der Erfindung (1) ein Material von Al-Tvp, beispielsweise Al&sub2;O&sub3;, AlN, ALON oder 3Al&sub2;O&sub3; 2SiO&sub2; (Mullit); oder (2) vom Ti-Typ, beispielsweise TiC; oder (3) Verbundstoffe aus den oben genannten Materialien (1) und (2), beispielsweise Al&sub2;O&sub3;-TiC, verwendet. Die Matrix schafft im wesentlichen den Bilanzausgleich zu den SiC-Whiskern im Substrat. Mit einem Substituentenbestandteil oder einem Sinterhilfsmittel, welche in der Folge erwähnt werden, umfaßt die Matrix mindestens 50 Gew.% dieser Bilanz. Des weiteren können für eine derartige Matrix Mischungen aus zwei oder mehreren der oben genannten Verbindungen und Substanzen zweckmäßig sein, wobei Kombinationen aus Al&sub2;O&sub3;-TiC, Al&sub2;O&sub3;-AlON, Al&sub2;O&sub3;-AlON- AlN, AlON-AlN, 3Al&sub2;O&sub3; 2SiO&sub2;-TiC und dergleichen vorzuziehen sind.
Die Menge der in die Matrix einzubindenden SiC- Whisker sollte im allgemeinen im Bereich von 5 bis 50 Gew.% oder vorzugweise von 5 bis 30 Gew.%, insbesondere von 15 bis 30 Gew.%., liegen. Wenn der Gehalt an SiC- Whiskern unter 5 Gew.% liegt, kann keine zufriedenstellende Zähigkeit erreicht werden; wenn hingegen der Whiskergehalt 50 Gew.% überschreitet, wird die Matrix im allgemeinen eine schlechte Sinterfähigkeit aufweisen, woraus folgt, daß es unmöglich ist, einen dicht gesinterten Körper herzustellen. Allerdings kann im Falle einer Al&sub2;O&sub3;-Matrix der Whiskergehalt bis zu 70 Gew.% ausmachen, wogegen bis zu 50 Gew.% für die praktische Herstellung vorgezogen werden (zweiter Aspekt).
Die SiC-Whisker können ausgewählt werden wie folgt:
a) der Durchmesser liegt in einem Bereich von 0,1 bis 2,0 µm, insbesondere von 0,5 bis 1,0 µm;
b) die Länge beträgt 200 µm oder weniger, vorzugsweise 100 µm oder weniger, insbesondere 30 µm oder weniger;
c) das Längenverhältnis liegt in einem Bereich von 50 bis 300; und
d) die Dichte beträgt etwa 3,2 g/cm³ (d.h. die relative Dichte beträgt 95% oder mehr). Vorzugsweise sind Whisker mit einer Länge von 1 bis 20 µm gleichmäßig im Sinterkörper verteilt. Das Längenverhältnis beträgt vorzugsweise 2 bis 30, insbesondere 2 bis 10, die Kristallstruktur kann entweder vom α-Typ oder vom β -Typ sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Matrix in einem Ausmaß von 50 Gew.& oder weniger (oder je nach Substituent von 35 Gew.% oder weniger oder 10 Gew. oder weniger) mit zumindest einer Art von Substanz, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus metallischen Elementen von Al, Si und den Gruppen IVa, Va und VIa des internationalen Periodensystems oder Oxiden, Nitriden, Carbiden und Boriden dieser metallischen Elemente, substituiert werden, wodurch es möglich wird, verschiedene Eigenschaften der Matrix, beispielsweise Sinterfähigkeit, Wärmebeständigkeit, Härte, Zähigkeit usw. im Vergleich zur Grundmatrix zu verstärken. Beispielsweise führt ZrO&sub2; zu einer größeren Zähigkeit. (Bitte beachten Sie, daß sich SiG hier nicht auf Whisker sondern auf pulveriges SiC bezieht) . Wenn der Substituent mehr als 50 Gew.% ausmacht, können die grundlegenden Eigenschaften der Matrix selbst nicht genutzt werden. Daraus folgt, daß es akzeptabler ist, wenn das Ausmaß an Matrixfraktion, das mit den oben genannten metallischen Elementen und ihren verschiedenen Verbindungen substituiert werden soll, 35 Gew.% oder weniger beträgt. Das Zugeben von Elementen der Gruppen IVa (Ti, Zr, Hf), Va (V, Nb, Ta) und VIa (Cr, Mo, W) oder von Verbindungen derselben zur Matrix würde zur Hemmung des Kornwachstums der Matrix während des Sinterns und zur Bildung eines hochverdichteten Sinterkörpers beitragen. Bevorzugte Substituierungsbeispiele sind die Proben Nr. 5, 8, 12 und 16 aus Beispiel A2, Probe Nr. 1 aus Beispiel 1 , Probe Nr. 1 aus Beispiel , Proben Nr. 3 und 4 aus Beispiel E und dergleichen. Bestimmte Substituentenbestandteile stellen einen Teil der Matrixbestandteilgruppe dar. Unter derartigen Bedingungen können die Substituenten mitunter 50 Gew.% der gesamten Matrix oder mehr betragen. An dieser Stelle wird bemerkt, daß der Substituentenbestandteil gleichzeitig eine Funktion als Sinterhilfsmittel ausüben kann, was in der Folge erwähnt wird. Beispielsweise erfüllt die Substituierung der Al&sub2;O&sub3;-Matrix mit AlN oder ZrO&sub2; oder die Substituierung der TiC-Matrix mit Al&sub2;O&sub3; oder Verbindungen aus Elementen der Gruppen IVa, Va oder VIa zwei Funktionen, d.h. jene als Substituierungskomponente und jene als Sinterhilfsmittel.
Das Substrat, welches sich aus den oben genannten Matrizen, den SiC-Whiskern und weiters den Substituentenbestandteilen zusammensetzt, sollte vorzugsweise eine relative Dichte (zur theoretischen Dichte) von 97% oder mehr, insbesondere von 98% oder mehr, aufweisen. Außerdem sollte die durchschnittliche Kristallkorngröße der Matrix vorzugsweise 5 µm oder weniger, insbesondere 3 µm oder weniger, betragen.
Was die Beschichtungslage betrifft, sollte die durchschnittliche Dicke einer harten Beschichtungslage im Bereich von etwa 0,3 bis etwa 20 µm liegen. Ist sie dünner als 0,3 µm, kann keine wesentliche Wirkung einer derartigen Beschichtungslage erzielt werden. Ist sie hingegen dicker als 20 µm, so wird sie mit einer Verbesserung der Verschleißfestigkeit nichts zu tun haben, da sie nicht nur unwirtschaftlich ist, sondern auch zu unerwünschtem Absplittern neigen wird.
Für Einzel- und Mehrschichtlagen gilt, daß eine Dicke von 0,5 µm bis 15 µm vorgezogen wird. Bei Einzellagen beträgt sie vorzugsweise zwischen 1 und 10 µm. Bei Mehrschichtlagen ist die erste (innerste) Lage vorzugsweise 0,2-5 µm dick, insbesondere 0,2-3 µm; während die äußere Lage vgrzugsweise 1-10 µm (insbesondere 1-5 µm) dick ist.
Materialien für die Beschichtungslage können auf geeignete Weise in Relation zu jenem Material festgelegt werden, welche die Substratmatrix bildet. Das heißt, daß jene Beschichtungslage, welche direkt am Substrat anhaftet (d.h. im Falle einer Einzellage, die Einzellage selbst; und im Falle einer Vielzahl von Lagen, die innerste, welche am nächsten beim Substrat angeordnet wird), aus demselben metallischen Bestandteil wie jene bestehen kann, welche die Substratmatrix bildet, wodurch die Haftfestigkeit zwischen der Substratmatrix und der Beschichtungslage auch bei einer hohen Temperatur in einem guten Zustand gehalten werden kann. Konkreter gesagt kann, wenn die Matrix für das Substrat eine Aluminiumverbindung, beispielsweise Al&sub2;O&sub3;, AlN, AlON oder 3Al&sub2;O&sub3; 2SiO&sub2; (Mullit) ist, die anhaftende Lage ebenfalls aus der auf Aluminium basierenden Substanz, beispielsweise aus Al&sub2;O&sub3;, AlN, AlON, bestehen. Andererseits sollte, wenn die Matrix aus TiC besteht, die anhaftende Lage vorzugsweise aus einer Substanz auf Ti-Basis bestehen, beispielweise aus TiC, TiN, TiON, TiCO, TiON, TiCON, TiO&sub2; oder TiB&sub2;.
Von den Beschichtungslagen kann sich diejenige, welche in direktem Kontakt mit einem Werkstück stehen soll (die äußerste Lage, welche im Falle einer Einzellage, die Einzellage selbst sein kann; und im Falle einer Vielzahl von Lagen, eine Lage sein kann, welche am weitesten vom Substrat entfernt ist), aus Bestandteilen auf Aluminiumbasis oder Übergangsmetallen der Gruppe IVa zusammensetzen. Ist das Werkstück Gußeisen, so sollte die Beschichtungslage vorzugsweise aus Al&sub2;O&sub3;, AlON oder TiC, insbesondere aus TiC, sein. Ist das Werkstück hingegen aus einem legierten Stahl im allgemeinen, sollte die Beschichtungslage vorzugsweise aus Al&sub2;O&sub3;, AlON oder TiC, insbesondere aus Al&sub2;O&sub3;, sein.
Was nun das Verfahren zum Herstellen derartiger Zerspanungswerkzeuge betrifft, wird das dafür verwendete Substrat durch Sintern erzeugt. Für das Sinterverfahren können verschiedene Verfahren, beispielsweise normales Sintern oder Preßsintern wie Heißpressen (HP) oder isostatisches Heißpressen (HIP), herangezogen werden. Was die Sinterbedingungen betrifft, so wird vorgezogen, einen Preßling bei 1600 - 1950ºC 15 Minuten bis 1 Stunde lang zu sintern. Beim HP-Verfahren kann der Druck 100 - 400 kg/cm² betragen. Für das Sintern kann ein geeignetes Sinterhilfsmittel zugegeben werden. Insbesondere können im Falle der Matrix von Al&sub2;O&sub3;-Typ vorzugsweise MgO, CaO, ZrO&sub2;, NiO, SiO&sub2;, Y&sub2;O&sub3;, Oxide von Seltenerdenelementen oder Mischungen aus diesen Verbindungen zugegeben werden. Im Falle der Matrix vom AlN-Typ können vorzugsweise unter anderem CaO, Y&sub2;O&sub3;, SiO&sub2;, Al&sub2;O&sub3;, Mo, W, MO&sub2;C, WC, Oxide der Seltenerdenelemente oder eine Mischung aus diesen Verbindungen zugegeben werden. Ein derartiges Sinterhilfsmittel sollte im allgemeinen unter dem Aspekt der Wärmeleitfähigkeit, der mechanischen Festigkeit bei hohen Temperaturen und anderen Aspekten vorzugsweise 10 Gew.% oder weniger, insbesondere 5 Gew.% oder weniger, ausmachen.
Die Beschichtungslage kann auf der Oberfläche des Substrats auf verschiedene Arten angeordnet werden, beispielsweise durch chemisches Aufdampfen (CVD), physikalisches Aufdampfen (PVD) oder physiko-chemisches Aufdampfen. Das CVD-Verfahren eignet sich zum Mehrfachbeschichten, während sich das PVD-Verfahren zum Einfachbeschichten, insbesondere mit einer großen Dicke, eignet. Gemäß dem PVD-Verfahren bleibt in der Beschichtungslage eine Kompressionsspannung zurück, was eine überlegene Bruchfestigkeit zur Folge hat.
Die Zerspanungswerkzeuge gemäß der vorliegenden Erfindung sind für Hochgeschwindigkeitszerspanen (im allgemeinen mit 500 m/min oder mehr, oder mit 800 m/min. oder mehr) von Eisenwerkstücken bestens geeignet. Allerdings hängt die anwendbare Zerspanungsgeschwindigkeit von der Art des Werkstücks ab und liegt in einem Bereich von etwa 300m/min oder mehr für hartes Material (z.B.: Testbeispiel 2) oder von etwa 700m/min oder mehr für relativ weiches Material. Der Bereich der Eisenwerkstücke, welche mit Erfolg spanabhebend bearbeitet werden können, ist weitreichend, und die Zerspanungswerkzeuge weisen nicht nur für Gußeisen sondern auch für Stahl hervorragende Zerspanungseigenschaften auf. Mit anderen Worten weist das Zerspanungswerkzeug gemäß der vorliegenden Erfindung einen äußerst geringen Verschleiß hinsichtlich der Flanke und der Zerspanungsfläche des Werkstücks auf und führt überdies zu keinem Absplittern, Bruch usw. Insbesondere eignet sich das Zerspanungswerkzeug aus einer Matrix auf Aluminiumbasis zum Zerspanen des Werkstücks aus legiertem Stahl im allgemeinen, und das Zerspanungswerkzeug aus einer Matrix auf TiC-Basis eignet sich zum Zerspanen des Werkstücks aus Kugelgraphitgußeisen (einem Eisenwerkstoff, der, wie Fachleuten bekannt sein wird, unter verschiedenen Gußeisenarten einer ist, der sehr schwer zu zerspanen ist).
Um es Fachleuten zu ermöglichen, die vorliegende Erfindung problemlos in der Praxis anzuwenden, werden die folgenden bevorzugten Beispiele gemeinsam mit einigen Zerspanungstestbeispielen beschrieben.

BEISPIELE A1 UND A2

Pulverausgangsmaterial aus Al&sub2;O&sub3; mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0,7 µm, SiC- Whisker mit einem Durchmesser von 0,1 bis 1,0 µm (wobei ihr Durchmesser meistens zwischen 0,2 und 0,5 µm beträgt), einer Länge von 50 bis 200 µm, einem Längenverhältnis von 50 bis 300 und einer Dichte von 3,19 g/cm³ sowie ein Additiv (Additive) mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0,5 bis 3,0 µm wurden gemäß den Verhältnissen aus der untstehenden Tabelle 1 oder 2 gemischt. Diese Mischung des Ausgangsmaterials wurde in einer Kugelmühle während eines Zeitraums von 2 bis 48 Stunden gemischt, wonach sie getrocknet wurde, um ein Grundstoffpulver für das Substrat zu gewinnen.
Daraufhin wurde dieses Grundstoffpulver in einer Graphitform anhand des Heißpreß- (HP) -Verfahrens bei einer Temperatur von 1600ºC bis 1950ºC während eines Zeitraums von 15 Minuten bis einer Stunde und unter einem Druck von 200 kg/cm² gesintert. Der auf diese Weise gewonnene gesinterte Körper wurde spanabhebender Bearbeitung und Schleifen auf der Grundlage von "SNGN 432" unterzogen, um dadurch ein Substrat herzustellen. Im folgenden Schritt wurde eine Beschichtungslage, wie ebenfalls aus Tabelle 1 oder 2 hervorgeht, anhand eines chemischen Aufdampfverfahrens (CVD) auf der Oberfläche dieses Substrats angeordnet und somit das Zerspanungswerkzeug hergestellt. Tabelle 1 Substrat Beschichtunslage Proben Nr. Al&sub2;O&sub3; (Gew.%) SiC-Whisker (Gew.%) erste zweite dritte durchschn. Dicke (µm) Beispiel Vergleich Einfachsystem * Aufgrund unzulänglichen Sinterns war es unmöglich, den KIC-Wert zu ermitteln ** Hochgradig reines Al&sub2;O&sub3; wurde mittels HIP gesintert, um das Substrat herzustellen. Tabelle 2 Proben Nr. Substrat Beschichtungslage Al&sub2;O&sub3; (Gew.%) SiO-Whisker (Gew.%) Substituent (Gew.%) erste zweite dritte durchschn. Dicke (µm) Beispiel Vergleich Einfach-system

BEISPIELB

Die Zerspanungswerkzeuge wurden hier auf dieselbe Weise wie bei den oben angeführten Beispielen A1 und A2 hergestellt, mit der Ausnahme, daß AlN-Pulver (mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 1,0 µm) als Matrixmaterial für das Substrat verwendet wurde.
Die Bedingungen zur Herstellung derselben gehen aus der nachstehenden Tabelle 3 hervor. Tabelle 3 Subtrat Beschichtungslage Proben Nr. AlN (Gew.%) SiC-Whisker (Gew.%) Sinterhilfsmittel (Gew.%) erste zweite dritte durchschn Dicke (µm) relative Dichte (%) Beispiel Vergleich * Substituent ** Aufgrund unzulänglichen Sinterns war es unmöglich, den KIC-Wert zu ermitteln

BEISPIELE C, D UND E

Die Zerspanungswerkzeuge wurden hier auf dieselbe Weise wie bei den oben angeführten Beispielen A1 und A2 hergestellt, mit der Ausnahme, daß AlON-Pulver (mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0,8 µm), 3Al&sub2;O&sub3;-2SiO&sub2;-Pulver (mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0,7 µm) oder TiC-Pulver (mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0,8 µm) als Matrixmaterial für das Substrat verwendet wurde.
Die Bedingungen zur Herstellung derselben gehen aus der nachstehenden Tabelle 4 hervor. Tabelle 4 Proben Nr. Substrat Beschichtungslage Matrix (Gew.%) SiC-Whisker (Gew.%) dritte (Gew.%) Komponente erste zweite dritte durchschn. Dicke (µm) Beispiel Vergleich
* Die dritte Komponente (a) ist ein Substituentenbestandteil, und die dritte Komponente (b) ist ein Sinterhilfsmittel.

TESTBEISPIEL 1

Unter Verwendung der im oben angeführten Beispiel A hergestellten Zerspanungswerkzeuge wurden Zerspanungstests durchgeführt, um den Verschleiß der Werkzeuge auf der Flanke und der Stirnfläche eines Werkstücks zu untersuchen.
Die Testbedingungen sind wie folgt:
Werkstück: aufgekohltes "SCR 420"-Material
Zerspanungsgeschwindigkeit: 500 m/min.
Vorschubgeschwindigkeit: 0, 31 mm/U
Zerspanungstiefe: 1 mm
Verschleiß: Ausmaß nach Ablauf von 1 min und 15 sek. Die Testergebnisse gehen aus der nachstehenden Tabelle 5 hervor.

TESTBEISPIEL 2

Unter Verwendung der im oben angeführten Beispiel A2 hergestellten Zerspanungswerkzeuge wurden Zerspanungstests durchgeführt, um den Verschleiß der Werkzeuge auf der Flanke und der Stirnfläche eines Werkstücks zu untersuchen.
Die Testbedingungen sind wie folgt:
Werkstück: "SNCM 8" (HB 300)
Zerspanungsgeschwindigkeit: 350 m/min.
Vorschubgeschwindigkeit: 0,3 mm/U
Zerspanungstiefe: 1 mm
Verschleiß: Ausmaß nach Ablauf von 1 min und 15 sek. Die Testergebnisse gehen aus der nachstehenden Tabelle 6 hervor. Tabelle 5 Probe Nr. Verschleiß Flanke (mm) Stirnfläche (mm) Beispiel Vergleich Absplittern Bruch Tabelle 6 Probe Nr. Verschleiß Flanke (mm) Stirnfläche (mm) Beispiel Vergleich Bruch Absplittern
* Es kam zu ungewöhnlichem Verschleiß infolge von Absplitterungen.

TESTBEISPIEL 3

Unter Verwendung der in den oben angeführten Beispielen A bis E hergestellten Zerspanungswerkzeuge wurden Zerspanungstests durchgeführt, um den Verschleiß der Werkzeuge auf der Flanke und der Stirnfläche eines Werkstücks zu untersuchen.
Die Testbedingungen sind wie folgt:
Werkstück: "SNCM 8" (HB 300)
Zerspanungsgeschwindigkeit: 450 m/min.
Zerspanungstiefe: 1 mm
Vorschubgeschwindigkeit: 0 15 mm/U
Zerspanungszeitraum: 1 min.
Die Testergebnisse gehen aus den nachstehenden Tabellen 7 und 8 hervor. Tabelle 7 Probe Nr. Verschleiß Flanke (mm) Stirnfläche (mm) Beispiel Vergleich Bruch Absplittern Tabelle 8 Probe Nr. Verschleiß Flanke (mm) Stirnfläche (mm) Beispiel Vergleich Bruch nach 23 Sekunden
* teuweises Absplittern
** Es kam zu ungewöhnlichem Verschleiß infolge von Absplitterungen.

TESTBEISPIEL 4

Unter Verwendung der in den oben angeführten Beispielen A1, A2, B und E sowie der in den Vergleichsbeispielen hergestellten Zerspanungswerkzeuge wurden Zerspanungstests durchgeführt, um den Verschleiß der Werkzeuge auf der Flanke und der Stirnfläche eines Werkstücks zu untersuchen.
Die Testbedingungen sind wie folgt:
Werkstück: "FCD 45" (HB 180)
Zerspanungsgeschwindigkeit: 500 m/min.
Zerspanungstiefe: 0,5 mm
Vorschubgeschwindigkeit: 0,2 mm/U
Zerspanungszeitraum: 20 min.
Die Testergebnisse gehen aus der nachstehenden Tabelle 9 hervor.
Wie aus Tabelle 9 hervorgeht sind die in Beispiel E (d.h. aus TiC-Substrat) hergestellten Zerspanungswerkzeuge für Hochgeschwindigkeitszerspanen von Kugelgraphitgußeisens besonders geeignet.

TESTBEISPIEL 5

Unter Verwendung der in den oben angeführten Beispielen A1, A2 und B hergestellten Zerspanungswerkzeuge wurden Zerspanungstests durchgeführt, um den Verschleiß der Werkzeuge auf der Flanke und der Stirnfläche eines Werkstücks zu untersuchen.
Die Testbedingungen sind wie folgt:
Werkstück: "SNM 415"
Zerspanungsgeschwindigkeit: 800 m/min.
Zerspanungstiefe: 3 mm
Vorschubgeschwindigkeit: 0, 31 mm/U
Zerspanungszeitraum: 5 min.
Die Testergebnisse gehen aus der nachstehenden Tabelle 10 hervor.
Dieser Test ist ein Beispiel für das spanabhebende Bearbeiten eines Werkstücks mit einer relativ hohen Geschwindigkeit. Tabelle 9 Probe Nr. Verschleiß Flanke (mm) Stirnfläche (mm) Beispiel Vergleich Mikroabnach splitterungen Sekunden Tabelle 10 Probe Nr. Verschleiß Flanke (mm) Stirnfläche (mm) Beispiel Vergleich Absplittern
Bisher wurde die vorliegende Erfindung mit Bezugnahme auf die bevorzugten Beispiele der Zerspanungswerkzeuge und die Resultate der damit durchgeführten Zerspanungstests beschrieben. Es sollte jedoch angemerkt werden, daß die Erfindung nicht nur auf diese Beispiele beschränkt ist.

Claims

1. Für zerspanungswerkzeuge verwendetes Material, das in Kombination folgendes umfaßt:

a) ein Substrat auf der Basis einer Matrix, zusammengesetzt aus mindestens einem Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Al&sub2;O&sub3;, AlN, AlON, 3Al&sub2;O&sub3; 2 SiO&sub2; (Mullit) und TiC, wobei das Substrat 5 bis 50 Gew.% SiC-Whisker, bezogen auf das Substrat, aufweist, wobei die Whisker gleichmäßig darin verteilt sind; und

b) eine oder mehrere Beschichtungslagen, zusammengesetzt aus mindestens einer Verbindung ausgewählt aus Oxiden, Nitriden, Carbiden, Boriden und Oxynitriden von mindestens einem Element ausgewählt aus Aluminium, Elementen der Gruppe IVa und Va des internationalen Periodensystems, wobei die Beschichtungslage auf der Oberfläche des Substrats bis zu einer Dicke von etwa 0,3 bis etwa 20 µm ausgebildet ist.

2. Material für zerspanungswerkzeuge gemäß Anspruch 1, bei dem die Menge der SiC-Whisker im Bereich von 5 bis 30 Gew.%, vorzugsweise 15 bis 30 Gew.%, liegt.

3. Material für Zerspanungswerkzeuge gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem eine in direktem Kontakt mit dem Substrat stehende Lage unter den Beschichtungslagen aus dem gleichen metallischen Bestandteil zusammengesetzt ist wie jenem der Matrix für das Substrat.

4. Material für zerspanungswerkzeuge gemäß Anspruch 3, bei dem der metallische Bestandteil der Matrix für das Substrat Alumininium ist und mindestens die direkt mit dem Substrat in Kontakt stehende Lage Aluminium umfaßt.

5. Material für zerspanungswerkzeuge gemäß Anspruch 4, bei dem die Matrix für das Substrat aus einem Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Al&sub2;O&sub3;, AlN, AlON, 3Al&sub2;O&sub3; 2 SiO&sub2; zusammengesetzt ist und die direkt mit dem Substrat in Kontakt stehende Lage aus einem Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Al&sub2;O&sub3;, AlN und AlON zusammengesetzt ist.

6. Material für Zerspanungswerkzeuge gemäß Anspruch 3, bei dem der metallische Bestandteil der Matrix für das Substrat aus einem der Elemente, welche zur Gruppe IVa des Periodensystems gehören, zusammengesetzt ist, und mindestens die direkt mit dem Substrat in Kontakt stehende Lage aus einem der Elemente, welche zur Gruppe IVa des Periodensystems gehören, zusammengesetzt ist.

7. Material für Zerspanungswerkzeuge gemäß Anspruch 6, bei dem die Matrix für das Substrat TiC ist, und die direkt mit dem Substrat in Kontakt stehende Lage eines der Elemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus TiC, TiN, TiCN, TiCO, TiON und TiCON ist.

8. Material für zerspanungswerkzeuge gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der metallische Bestandteil einer mit einem Werkstück in Kontakt stehenden Lage unter den Beschichtungslagen ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium und den Elementen der Gruppe IVa des Periodensystems ist.

9. Material für Zerspanungswerkzeuge gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem nicht mehr als 50 Gew.% der Substratmatrix mit mindestens einem Substituentenbestandteil ausgewählt aus den Gruppen bestehend aus Metallen, Oxiden, Nitriden, Carbiden und Boriden der Elemente Al, Si und Gruppen IVa, Va und VIa des internationalen Periodensystems substituiert sind.

10. Material für zerspanungswerkzeuge, das in Kombination folgendes aufweist:

a) ein Substrat auf der Basis einer Al&sub2;O&sub3;-Matrix mit 5 bis 70 Gew.% SiC-Whiskern, und

b) eine oder mehrere Beschichtungslagen, zusammengesetzt aus Oxiden, Nitriden, Carbiden, Carbonitriden, Oxycarbiden oder Oxycarbo-Nitriden von Elementen der Gruppe IVa oder Va des internationalen Periodensystems, oder Oxid, Nitrid oder Oxynitrid von Aluminium, wobei die Beschichtungslage auf der Oberfläche des Substrats bis zu einer Dicke im Bereich von etwa 0,3 bis etwa 20 µm ausgebildet ist.

11. Material für zerspanungswerkzeuge, das in Kombination folgendes aufweist:

a) ein Substrat auf der Basis einer Al&sub2;O&sub3;-Matrix mit 5 bis 50 Gew.% SiC-Whiskern,

b) 1 bis 35 Gew.% mindestens eines Substituentenbestandteils ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Metallen der Elemente der Gruppe IVa, Va oder VIa des internationalen Periodensystems, Oxiden, Nitriden, Carbiden oder Boriden dieser metallischen Elemente, oder festen Lösungen dieser Verbindungen, sowie SiC; und

c) eine oder mehrere Beschichtungslagen, zusammengesetzt aus Oxiden, Nitriden, Carbiden, Carbonitriden, Oxycarbiden oder Oxycarbo-Nitriden von Elementen der Gruppe IVa oder Va des internationalen Periodensystems, bder Oxid, Nitrid oder Oxynitrid von Aluminium, wobei die Beschichtungslage auf der Oberfläche des Substrats bis zu einer Dicke im Bereich von etwa 0,3 bis etwa 20 µm ausgebildet ist.

12. Material für Zerspanungswerkzeuge, das in Kombination folgendes aufweist:

a) ein Substrat auf der Basis einer AlN-Matrix mit 5 bis 50 Gew.% SiC-Whiskern, und

b) eine oder mehrere Beschichtungslagen, zusammengesetzt aus mindestens einer Verbindung ausgewählt aus Oxiden, Nitriden, Carbiden, Carbonitriden, Oxycarbiden oder Oxycarbo-Nitriden von Elementen der Gruppe IVa oder Va des internationalen Periodensystems, oder Oxid, Nitrid und Oxynitrid von Aluminium, wobei die Beschichtungslage auf der Oberfläche des Substrats bis zu einer Dicke im Bereich von etwa 0,3 bis etwa 20 µm ausgebildet ist.

13. Material für Zerspanungswerkzeuge gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Beschichtungslage eine Einzellage mit einer Dicke von 1 - 10 µm ist.

14. Material für Zerspanungswerkzeuge gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die Beschichtungslage eine Mehrschichtlagenstruktur aufweist, wobei die Dicke einer innersten Lage 0,2 - 5 µm und einer äußeren Lage 1 - 10 µm beträgt.

15. Verwendung eines Materials gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zur spanabhebenden Bearbeitung eines Eisenwerkstücks.

16. Zerspanungswerkzeug, das das Material gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 umfaßt.

17. Verfahren zur spanabhebenden Bearbeitung eines Eisenwerkstücks durch das Zerspanungswerkzeug gemäß Anspruch 16.

18. Verfahren gemäß Anspruch 17, bei dem der zerspanungsvorgang mindestens bei einer zerspanungsgeschwindigkeit von etwa 300 m/minute ausgeführt wird.

19. Verfahren zur spanabhebenden Bearbeitung von Kugelgraphitgußeisen, das die Verwendung eines Zerspanungswerkzeugs umfaßt, welches aus dem Material gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9 zusammengesetzt ist.