DE4035997C2

DE4035997C2 - Keramik-Schneidwerkzeug

Info

Publication number: DE4035997C2
Application number: DE4035997A
Authority: DE
Inventors: David Moskowitz; Reuven Porat
Original assignee: Iscar Ltd
Current assignee: Iscar Ltd
Priority date: 1990-04-11
Filing date: 1990-11-12
Publication date: 1999-06-17
Anticipated expiration: 2010-11-13
Also published as: JPH03294101A; DE4035997A1; US5017524A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Keramik-Schneidwerkzeug für die zerspanende Werkzeugbearbeitung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Viele bekannte Keramik-Zerspanungswerkzeuge enthalten Alu miniumoxid als Hauptbestandteil. Die meisten dieser Schneid werkzeuge können Eisenmetalle bei hohen Drehzahlen nur während der Feinbearbeitung bearbeiten, bei dem die Vorschubgeschwin digkeit des Werkzeugs und die Schneidtiefe relativ gering sind. Bei höheren Vorschubgeschwindigkeiten und Schneidtiefen zerbre chen und zersplittern sie frühzeitig.

Es ist ebenfalls eine Reihe keramischer Schneidwerkzeuge be kannt, die Titancarbid als Zusatz enthalten. Diese Zerspanungs werkzeuge sind wegen ihrer Farbe unter dem Namen "schwarze Keramik" bekannt. Die "schwarze Keramik" besitzt wegen der besseren Wärmeleitfähigkeit des Titancarbids gegenüber dem Aluminiumoxid eine höhere Temperaturschockbeständigkeit als die nur aus Aluminiumoxid gefertigten Werkzeuge.

Während solche "schwarzen Keramiken" aufgrund ihrer höheren Wärmeleitfähigkeit größere Vorschubgeschwindigkeiten als Werk zeuge aus Aluminiumoxid zulassen, besitzen die "schwarzen Keramiken" allerdings den Nachteil einer begrenzten Standzeit.

Aus der JP 51-5216 A ist ein Material für Schneidwerkzeuge bekannt, das 50-95 Gew.-% Al₂0₃ und 5-50 Gew.-% einer "festen Lösung" aus Titancarbid und Titannitrid enthält. Der Titannitridanteil an der "festen Lösung" beträgt 5-50 Mol-%, der Rest ist Titancarbid.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Keramik-Schneid werkzeug anzugeben, das bei hoher Vorschubgeschwindigkeit eine längere Standzeit erreicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein keramisches Schneidwerkzeug, einen Schneideinsatz für die spangebende Werkzeugbearbeitung, gelöst, das aus 60-80 Gew.-% Alpha- Aluminiumoxid (Al₂O₃) und 20-40 Gew.-% Titancarbonitrid (TiCN) besteht, wobei der Anteil Titancarbonitrid aus 30-50 Gew.-% Titancarbid und 50-70 Gew.-% Titannitrid besteht. Diese Mischung wird zu einem Pul verpreßkörper verdichtet und heiß gepreßt, gesintert oder druckgesintert, um das Werkzeug zu formen.

Das erfindungsgemäße Schneidwerkzeug weist im Vergleich zu den bekannten Schneidwerkzeugen eine längere Standzeit auf.

Eigenschaften eines Keramik-Schneidwerkzeuges gemäß der Erfin dung sind anhand von Diagrammen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 die Werkzeugstandzeit, aufgetragen gegen den Ge wichtsanteil an Titancarbonitrid im Aluminiumoxid;

Fig. 2 die Bearbeitungsgeschwindigkeit, aufgetragen gegen die Standzeit für das erfindungsgemäße Schneidwerk zeug und für ein herkömmliches keramisches Schneid werkzeug mit Titancarbidzusatz;

Fig. 3 die Schneidflächenabnutzung, aufgetragen gegen die Betriebsdauer für das erfindungsgemäße Schneidwerk zeug und für vier herkömmliche Keramik-Schneid werkzeuge einschließlich solcher mit Titancarbidzu satz und

Fig. 4 die Schneidflächenabnutzung, aufgetragen gegen die Betriebsdauer, ähnlich Fig. 3, hier jedoch bei der Bearbeitung von Vergütungsstahl mit zwei verschiede nen Bearbeitungsgeschwindigkeiten.

Die Zusammensetzung des Keramikwerkstoffs des erfindungsgemäßen Zerspannungswerkzeugs besteht im wesentlichen aus 60-80 Gew.-% Alpha-Aluminiumoxid (Al₂O₃) und der übrigbleibende Anteil aus Titancarbonitrid (TiCN). Vorzugsweise besteht es aus 70 Gew.-% Aluminiumoxid und 30 Gew.-% Titancarbonitrid.

Das Titancarbonitrid ist eine Mischung aus 30-70 Gew.-% Titancarbid und Titannitrid als übriger Anteil. Eine Mischung aus 30-50 Gew.-% Titancarbid und 50-70 Gew.-% Titannitrid hat sich als bevorzugte Mischung für das Titancarbonitrid erwiesen.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das Material des Schneidwerkzeuges aus 70 Gew.-% Alumi niumoxid und 30 Gew.-% Titancarbonitrid, wobei das Titancarboni trid aus 50 Gew.-% Titancarbid und 50 Gew.-% Titannitrid besteht. Aus diesem besonders bevorzugten Material bestehende Schneidwerkzeuge wurden für alle weiteren beschriebenen und in den Figur dargestellten Versuche verwendet, mit Ausnahme von Fig. 1, in der Schneidwerkzeuge verschiedener Zusammensetzung vergli chen sind. Diese Schneidwerkzeuge werden im folgenden als erfindungsgemäße Schneidwerkzeuge bezeichnet.

Zur Herstellung werden reines Aluminiumoxidpulver und reines Titancarbonitridpulver in den entsprechenden Gewichtsanteilen in eine Kugelmühle gegeben und gründlich mit einem Mittel, etwa Ethylalkohol, gemischt. Eine Mischzeit von 20 Stunden in der Kugelmühle hat sich als ausreichend erwiesen.

Das Mittel wird dann aus dem Slurry abgedampft und das übrig bleibende Pulvergemisch durch ein 840 µm-Sieb gesiebt. Das ge siebte Pulver wird dann in eine Graphitform gegeben und bei 7 MPa gepreßt. Der entstehende Preßling wird dann über 3 Stunden auf etwa 1600°C erhitzt, während gleichzeitig der Druck von 7 auf 21 MPa erhöht wird, und dann auf diesem Temperatur- und Druckniveau gehalten, bis die Verdichtung beendet ist. Das dauert typischerweise etwa 1 1/2 Stunden und ergibt einen ge formten Preßling.

Der Preßling wird dann der Form entnommen, woraufhin Schneid plättchen vom Preßling abgetrennt werden. Herkömmliche Werk zeuge, wie z. B. harzgebundene Diamantschleifscheiben dienen zur weiteren Formgebung der Schneidwerkzeugplättchen.

Um erfindungsgemäße Schneidwerkzeuge mit handelsüblichen Schneidwerkzeugen zu vergleichen, die aus Aluminiumoxid mit Titancarbidzusatz bestehen, wurden Versuche durchgeführt. Die Versuche wurden mit einer Bearbeitungsgeschwindigkeit von 610 m/min und einer Schneidtiefe von 1,5 = an einem 1045-Stahl durchgeführt. Die Versuchsergebnisse sind untenstehend aufge führt:
Ergebnisse beim Drehen eines 1045-Stahls mit einem erfindungs gemäßen Werkzeug gegenüber einem handelsüblichen Al₂O₃-TiC- Werkzeug.

Aus obiger Tabelle lassen sich mehrere wichtige Ergebnisse ersehen. Zum einen splitterte das handelsübliche Werkzeug nach 5,24 Minuten bei einer mäßigen Vorschubgeschwindigkeit von 0,2 mm pro Umdrehung, wohingegen bei den aus dem erfindungsge mäßen Material gefertigten Werkzeugen kein Splittern auftrat. Des weiteren funktionierte das erfindungsgemäße Schneidwerkzeug sogar bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten von 0,31 = pro Um drehung ohne zu splittern, wohingegen das handelsübliche Werk zeug bei der sehr viel gemäßigteren Vorschubgeschwindigkeit von 0,2 mm pro Umdrehung splitterte.

Es wurden ebenfalls Versuche durchgeführt, in denen erfindungs gemäße Schneidwerkzeuge mit einem handelsüblichen Werkzeug ver glichen wurden, das aus Aluminiumoxid mit Zirkonoxidzusatz be stand. Die Versuche wurden mit einer Bearbeitungsgeschwindig keit von 610 m/min und einer Schneidtiefe von 1,5 = an einem 1045-Stahl durchgeführt. Die Ergebnisse des Versuchs sind un tenstehend gezeigt.

Ergebnisse beim Drehen eines 1045-Stahls mit einem erfindungs gemäßen Werkzeug gegenüber einem handelsüblichen Al₂O₃-ZrO₂- Werkzeug.

Es ist hervorzuheben, daß das handelsübliche Werkzeug nach nur 1,67 Minuten brach, während das erfindungsgemäße Schneidwerk zeug doppelt so lange ohne Bruch einsatzfähig war.

Fig. 1 zeigt die Wirkung des Titancarbonitridgehaltes auf die Schneidwerkzeug-Standzeit. Das eingesetzte Titancarbonitrid be stand im wesentlichen aus 50 Gew.-% Titancarbid und 50 Gew.-% Titannitrid. In Fig. 1 ist die Zeit wiedergegeben, die benötigt wird, um eine Schneidflächenabnutzung von 2,54 mm bei einer Bearbeitungsgeschwindigkeit von 457 m/min, einem Vorschub von 0,31 mm/u und einer Schneidtiefe von 1,25 mm zu erreichen.

Bezüglich Fig. 1 sind mehrere Gesichtspunkte wesentlich. Zum einen nimmt die Standzeit mit zunehmendem Titancarbonitrid gehalt ab. Obwohl die Mischung 80 Gew.-% Aluminiumoxid/ 20 Gew.-% Titancarbonitrid die längste Standzeit aufwies, konnte dieses Material wegen seines Hangs zum plötzlichen Ver sagen, insbesondere unter harten Schneidbedingungen, nicht ver wendet werden. Die Mischung aus 70 Gew.-% Aluminiumoxid und 30 Gew.-% Titancarbonitrid zeigte jedoch kaum solches Versagen und ist wegen ihrer langen Standzeit das bevorzugte Material.

Fig. 2 zeigt die Wirkung der Bearbeitungsgeschwindigkeit auf die Stand zeit wiederum im Vergleich mit einem bekannten Alu miniumoxid/Titancarbid-Schneidwerkzeug. Die Vorschubgeschwin digkeit wurde bei 2,5 mm/U gehalten, um sicherzustellen, daß kein Bruch des handelsüblichen Werkzeuges auftritt. Die Bear beitungsgeschwindigkeit des Schneidwerkzeuges lag im Bereich von 701-1190 m/min und die Schneidtiefe betrug 2 mm.

Fig. 2 zeigt, daß das erfindungsgemäße Werkzeug bei allen Bear beitungsgeschwindigkeiten eine längere Standzeit aufweist.

Fig. 3 zeigt die Schneidflächenabnutzung für das erfindungsge mäße Werkzeuge im Vergleich zu vier handelsüblichen Werkzeugen, aufgetragen gegen die Bearbeitungszeit. Die in Fig. 3 gezeigten Versuche wurden an Grauguß mit einer Bearbeitungsgeschwindig keit von 396 m/min, einem Vorschub vom 0,5 mm/U und einer Schneidtiefe von 1,5 mm durchgeführt. Die Werkzeugabnutzung, extrapoliert auf eine Schneidflächenabnutzung von 0,25 mm, ist in der folgenden Tabelle zusammengefaßt.

Schneidwerkzeug
Berechnete Standzeit
Zeit für 0,25 mm Schneidflächenabnutzung (Min.)
bekanntes Werkzeug 1	13,0
bekanntes Werkzeug 2	6,1
bekanntes Werkzeug 3	15,6
bekanntes Werkzeug 4	17,3
diese Erfindung	20,2

Diese in der obigen Tabelle zusammengefaßten Versuche zeigen, daß ein Schneidwerkzeug gemäß der Erfindung eine Standzeit auf weist, die 16,8% größer ist als das beste handelsübliche Schneidwerkzeug.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Werkzeuges gegenüber herkömmlich eingesetzten Schneidwerkzeugen aus "schwarzer Kera mik" ist seine Eignung zur Bearbeitung von Grauguß mit hoher Abtraggeschwindigkeit. In dem untenstehend beschriebenen Zer spanungstest drehten ein erfindungsgemäßes Werkzeug und ein handelsüblicher Keramikeinsatz aus "schwarzer Keramik" jeweils perlitischen Grauguß bei einer Bearbeitungsgeschwindigkeit von 610 m/min, einem Vorschub von 0,617 mm/U und einer Schneidtiefe von 1,5 mm, was einer Abtragrate von 590 cm³/min entspricht. Die folgende Tabelle zeigt die Ergebnisse dieses zweimal durch geführten Versuchs.

Es ist festzustellen, daß der erfindungsgemäße Einsatz nach ei ner Betriebsdauer von 6,61 Minuten und 7,94 Minuten unter die sen Bedingungen eine sehr geringe Schneidflächenabnutzung zeig te. Im Gegensatz dazu versagte die handelsübliche "schwarze Keramik" in beiden Fällen in weniger als 2 Minuten.

Die Eigenschaft einer wesentlich längeren Standzeit im Ver gleich zu einer handelsüblichen Al₂O₃-ZrO₂-Keramik bei der Be arbeitung von Vergütungsstahl ist ein weiterer Vorteil der Erfin dung. Fig. 4 zeigt die Schneidflächenabnutzung als Funktion der Betriebsdauer beim Drehen von AISI 4340-Stahl einer Härte von 480 Brinell für beide oben genannten Einsätze. Wie aus dem Dia gramm zu erkennen, ist die Abnutzungsrate des erfindungsgemäßen Materials bei Geschwindigkeiten von 150 und 200 m/min erheblich niedriger als die des handelsüblichen Keramikeinsatzes, wodurch sich eine 2 bis 2 1/2 mal längere Standzeit ergibt.

Die genauen Ursachen der unerwartet langen Standzeit eines Schneidwerkzeuges mit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung sind nicht völlig geklärt. Es wird jedoch angenommen, daß die Verbesserung teilweise auf der erhöhten Temperaturschockbestän digkeit des erfindungsgemäßen Aluminiumoxid/Titancarbonitrids gegenüber den Aluminiumoxid/Titancarbid-Werkzeugen beruht.

Claims

1. Keramik-Schneidwerkzeug für die spangebende Werkstoffbear beitung, bestehend aus einem Pulverpreßkörper aus 60-80 Gew.-% Alpha-Aluminiumoxid (Al₂O₃)und 20-40 Gew.-% Titancarbonitrid (TiCN), dadurch gekennzeichnet, daß das Titancarbonitrid aus 30-50 Gew.-% Titancarbid und 50-70 Gew.-% Titannitrid zusammengesetzt ist.

2. Keramik-Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulverpreßkörper aus 70 Gew.-% Aluminiumoxid und 30 Gew.-% Titancarbonitrid (TiCN) besteht.

3. Keramik-Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulverpreßkörper heißgepreßt, gesintert oder druckgesintert ist.