DE69522006T2

DE69522006T2 - PCD- ODER PcBN-WERKZEUGE FÜR DIE HOLZINDUSTRIE

Info

Publication number: DE69522006T2
Application number: DE69522006T
Authority: DE
Inventors: Stefan Ederyd
Original assignee: Sandvik AB
Current assignee: Sandvik AB
Priority date: 1994-11-18
Filing date: 1995-11-17
Publication date: 2001-11-15
Anticipated expiration: 2015-11-18
Also published as: SE516786C2; EP0784711B1; US6013117A; SE9404019D0; SE9404019L; JPH10510004A; DE69522006D1; ATE203782T1; WO1996016194A1; EP0784711A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft neue PCD (polykristalliner Diamant)- oder PcBN (polykristallines kubisches Bornitrid)-Werkzeuge mit ausgezeichneten Eigenschaften in Werkzeugen für die Holzindustrie. Spezieller befaßt sich die Erfindung mit PCD oder PcBN, worin eine korrosions- und oxidationsbeständige Phase in dem Gerüst von Diamant- oder cBN-Teilchen verteilt wurde, gekennzeichnet durch eine intensive Bindung zwischen den harten Teilchen. Diese korrosions- und oxidationsbeständige Phase beruht auf Kobalt und/oder Nickel und Chrom. Neugebildete Holzprodukte, wie Faserplatten mittlerer Dichte und Spanplatten, sind zusammen mit kompaktem Holz die Hauptrohmaterialien in der Möbelindustrie. Sie werden auch in einigem Umfang in der Haushaltswarenindustrie benutzt.
Diese Produkte werden mit unterschiedlichen Werkzeugmaterialien von Hochgeschwindigkeitsstahl bis Hartmetall und polykristallinem Diamant maschinell bearbeitet. Ein Beispiel solcher Werkzeuge ist in der WO-A-92/13 112 in bezug auf ein gesintertes Hartmetall angegeben, welches 70 bis 98 Gew.-% hartes Material umfaßt, welches aus WC in einer Bindephase von Ni und/oder Co besteht. Eine führende Rolle spielen Werkzeuge, die mit Hartmetall und PCD- oder PcBN-Werkzeugen hergestellt sind.
Die Zusammensetzung von PCD oder PcBN, die für holzbearbeitende Werkzeuge verwendet wird, besteht allgemein aus Diamanten oder cBN mit Kobalt als eine intergranuläre Phase. Manchmal werden kleine Mengen anderer Carbide, Nitride oder Carbonitride zugegeben.
Die Konstitution des PCD baut aus einer oder mehreren Schichten/Übergangsschichten mit unterschiedlichen Zusammensetzungen in bezug auf die Diamantgehalte und Kobalt auf.
Abrieb wurde als der primäre Mechanismus von Werkzeugverschleiß angesehen, wenn die neu aufgebauten Holzprodukte und kompaktes Holz maschinell bearbeitet wurden. Jüngste Arbeiten zeigten, daß chemische Mechanismen, wie Korrosion und Oxidation, eine signifikante Rolle bei der Zerstörung von Schneidkanten spielen, da die Temperatur während der maschinellen Bearbeitung drastisch ansteigt.
Der chemische Abbau bestehender PCD- und PcBN-Werkzeuge ist wenigstens ein zweistufiges Verfahren bei der maschinellen Bearbeitung von Holzprodukten.
Zunächst verläuft die Zerstörung bei einer niedrigen Temperatur (300 bis 500ºC) in der frühen Periode des Schneidens. Wenn die Werkzeugtemperatur ansteigt, zersetzen sich die Holzprodukte und werden zahlreiche Chemikalien in die Schneidumgebung eingeführt. Mehr als zweihundert verschiedene Verbindungen wurden bei der zersetzenden Destillation von Holz identifiziert. Die maschinelle Bearbeitung von Faserplatten mittlerer Dichte und Spanplatten produziert noch mehr Zersetzungsprodukte. Diese Produkte enthalten auch ein Bindemittel, wie Harnstoff, Formaldehyd, Wachs und Leimfüllstoffe sowie Streckmittel und gegebenenfalls Chemikalien, die als flammhemmende Stoffe zugegeben werden. Die gebildeten Zersetzungsprodukte sind stark korrodierend und greifen die Kobaltphase an, die die Hohlräume zwischen den harten Teilchen füllt. Wenn dies eintritt, verlieren die Diamantkörner die Stellen des Diamant- Diamant-Kontaktes infolge der hohen mechanischen Spannungen, und die Schneidkante verliert ihre Schärfe und ihre Schneidfähigkeit.
Wenn die Temperatur auf oberhalb 500ºC ansteigt, werden die Zersetzungsprodukte verflüchtigt und entfernt, aber der Abbau der Schneidkante setzt sich durch Oxidation der Kobaltphase in Luft fort. Die gebildeten Oxide werden leicht durch mechanische Wirkung entfernt, was zu einem schnellen Abbau der Schärfe der Schneidkante führt.
Die vorliegende Erfindung betrifft neue Typen von PCD mit ausgezeichneten Eigenschaften bezüglich der Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit, die besonders den unterschiedlichen Bedarf der Holzindustrie befriedigt.
Beständigkeit gegen Korrosion und Oxidation wurde erreicht, indem man Kobalt und/oder Nickel mit Chrom legierte und in dem PCD- oder PcBN-Gerüst verteilte.
Das Material nach der Erfindung umfaßt 3 bis 12 Vol.% Co und/oder Ni mit Zusätzen von Nitriden und/oder Carbonitriden von Zr, Ti, Cr, Ta und/oder V. Die Menge dieser Additive liegt bei 5 bis 40% der Bindephase. Die mittlere Korngröße beträgt 0,3 bis 4 um mit einer gleichmäßigen Verteilung in der Struktur.
Wenn bei einer Ausführungsform scharfe Kanten erforderlich sind, z. B. zur Nachbearbeitung von Hartholz, wie Hickory oder Teak, für feine Oberflächenglattheit, soll der Gehalt des Binders 5 bis 12, vorzugsweise 6 bis 11 Vol.% betragen.
Bei einer alternativen Ausführungsform sollte, wenn die Verschleißeigenschaften optimiert werden sollen, z. B. für maschinelle Bearbeitung von Faserplatten mittlerer Dichte und Spanplatten, die mittlere Korngröße der besagten Diamanten vorzugsweise zwischen 5 und 8 um liegen. Der Gehalt des Binders soll vorzugsweise 4 bis 8 Vol.% betragen.
Bei beiden Ausführungsformen kann die Diamantkorngrößenverteilung unimodal, bimodal, trimodal usw. sein.
Die Bindephase umfaßt in Lösung in Gewichtsprozenten Co maximal 95, Ni maximal 95 und Cr 5 bis 45 sowie zusätzlich W maximal 30, Mo maximal 15, Al maximal 2, Mn maximal 10, Si maximal 2, Cu maximal 10, Fe maximal 20, Ag maximal 5 und Au maximal 10. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Bindephase auf Nickelbasis und umfaßt in Lösung in Gewichtsprozenten Co maximal 30 und Mo 1 bis 6. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Bindephase in Lösung in Gewichtsprozenten Co 30 bis 70 und Mo 1 bis 6.
Die Materialien nach der Erfindung werden mit pulvermetallurgischen Methoden hergestellt, die an sich bekannt sind, nämlich Mischen, Verdichten und Sintern in dem diamantstabilen Bereich.
Das Material nach der Erfindung ist besonders brauchbar für maschinelle Bearbeitung von Teilchenplatten, Spanplatten, Faserplatten mittlerer Dichte und trockenem Holz. Zum Schneiden von Teilchenplatten, Spanplatten und Faserplatten mittlerer Dichte soll der Bindephasengehalt 3 bis 12 Vol.% betragen, und für das Schneiden von kompakten Hölzern soll der Bindephasengehalt 5 bis 12 Vol.% betragen.

Beispiel

PCD-Werkzeuge nach der Erfindung wurden mit einer Diamantzusammensetzung von 4 Vol.% Diamant mit einer Korngröße zwischen 1 und 3 um, 18 Vol.% Diamant mit einer Korngröße von 4 bis 7 um, 71 Vol.% Diamant mit einer Korngröße von 8 bis 12 um hergestellt. TiN wurde in einer Menge von 1 Vol.% des Gesamtgemisches zugegeben. Der Bindegehalt war 6 Vol.% mit einer Zusammensetzung von 66% Co, 25% Ni und 9% Cr. Das Pulvergemisch wurde in einer Kugelmühle mit Ethanol und Hartmetall-Mahlkugeln während 4 h vermahlen. Das zermahlene Pulver wurde in einem rotierenden Gefäß getrocknet und in einem Sieb mit einer Größe von 200 Maschen granuliert. Die Vorverdichtung des Pulvers erfolgte auf einer Scheibe einer Richtqualität von Hartmetall (6% Co). Das Sintern erfolgte unter solchen Bedingungen, die eine Temperatur und einen Druck berücksichtigten, wo die Diamanten stabil sind. Die PCDs wurden durch Laserschneiden in eine herkömmliche rechteckige Schneidwerkzeugform in einem Schneidwinkel von 65º geschnitten und zu der Endform geschliffen.

Beispiel 2

Ein PCD-Werkzeug gemäß dem Stand der Technik wurde im Vergleich mit einem PCD nach der Erfindung von Beispiel 1 getestet. Der Test wurde als ein Drehtest mit Faserplattenscheiden mittlerer Dichte durchgeführt.
Drehgeschwindigkeit 550 U/min
Schneidtiefe 0,13 mm
Die Span- und Freiwinkel 15 bzw. 10º
Drei Proben eines jeden Werkzeugmaterials wurden getestet. Der Kantenradius für alle Werkzeuge war 2 um.
Der Kantenverschleiß und die Oberflächennachbearbeitung der Spanplatten wurden nach jedem Probenschnitt, insgesamt fünfzehn Scheiben von 19 mm für eine Gesamtschnittlänge von etwa 6883 m gemessen. Das folgende Ergebnis wurde, ausgedrückt als parallele, Fp, und normale, Fn, Werkzeugkraftkomponenten in Newton als eine Funktion der geschnittenen Probe in der Anzahl der Scheiben, erhalten.
Das Werkzeug des Materials nach der Erfindung ergab eine bessere Glattheit der Oberfläche im Vergleich mit dem Werkzeug nach dem Stand der Technik.
Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf PCD-Werkzeuge beschrieben, doch liegt es auf der Hand, daß sie auch für Werkzeuge mit PcBN angewendet werden kann.

Claims

1. Werkzeug zum Schneiden von Holz mit einem Gehalt von polykristallinem Diamant oder polykristallinem Bornitrid in 3 bis 12 Vol.% Bindephase auf der Basis von Ni und/oder Co, wobei diese Bindephase in Lösung und in Gewichtsprozenten Co maximal 95, Ni maximal 95, Cr 5 bis 45 sowie Zusätzen von Nitriden und/oder Carbonitriden von Zr, Ti, Cr, Ta und/oder V in einer Menge von 5 bis 40% der Bindephase mit einer mittleren Korngröße von 0,3 bis 4 um und gleichmäßiger Verteilung in der Struktur umfaßt und die mittlere Korngröße des Diamanten oder Bornitrids zwischen 5 und 20 um liegt.

2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bindephase in Lösung und in Gewichtsprozenten W maximal 30, Mo maximal 15 umfaßt.

3. Werkzeug nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bindephase in Lösung und in Gewichtsprozenten Co maximal 30 und Mo 1 bis 6 umfaßt.

4. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bindephase in Lösung und in Gewichtsprozenten Co 30 bis 70 und Mo 1 bis 6 umfaßt.

5. Verwendung des Werkzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einem Bindephasengehalt von 3 bis 12 Vol.% zum Schneiden von Spanplatten, Faserplatten mittlerer Dichte und Teilchenplatten.