DE2725874C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schneidplatte, insbesondere Wendeschneidplatte, für die Zerspanung schwer zerspanbarer Werkstücke mit positivem Spanwinkel, die mindestens im Bereich der Schneidkante aus heißgepreßtem Siliziumnitrid oder heißgepreßtem keramischen Material besteht.

Die DE-OS 24 13 160 beschreibt eine feinkörnige keramische Überzugsschicht auf der Schneidkante eines Schneidwerkzeugs. Auf eine Schneidplatte aus heißgepreßtem Al₂O₃ wird aus der Dampfphase eine dünne Überzugsschicht aus Aluminiumoxyd abgeschieden. Dieses Überzugsverfahren garantiert eine feinkörnige Struktur des Überzugs. In der DE-OS wird auch eine Zwischenschicht in Betracht gezogen, die aus einem Karbid und/oder Nitrid eines der Metalle Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Silizium und/oder Bor besteht. Abgesehen davon, daß Siliziumnitrid nur als eine unter zahlreichen anderen Verbindungen genannt ist, soll die Zwischenschicht nur die Haftung der feinkörnigen Überzugsschicht auf dem grobkörnigen Grundmaterial verbessern. Durch Siliziumnitrid wird die Schneidfähigkeit jedoch nicht verbessert. Die aus der DE-OS bekannten Schneidplatten sind daher nicht zur Zerspanung schwer zerspanbarer Werkstücke geeignet.

Die CH-PS 6 15 852 betrifft Schneidwerkzeuge aus Stahl oder Hartmetall, auf denen aus der Dampfphase, durch Plasmaspritzen oder dergleichen eine Überzugsschicht abgeschieden wird. Die Überzugsschicht besteht dabei aus harten Materialien, wie denen aus der Gruppe II bis VI des periodischen Systems der Elemente mit Kohlenstoff und/oder Stickstoff und/oder Bor und/oder Silizium. Es handelt sich also um Boride, Nitride, Karbide oder Silizide, die unter dem Begriff Hartstoffe zusammengefaßt werden. Siliziumnitrid ist nicht ausdrücklich erwähnt und schon gar nicht als Grundmaterial für die Schneidplatte. Die aus der CH-PS bekannten Schneidplatten haben den Nachteil, daß das Aufbringen der Über­ zugsschicht einen zusätzlichen Aufwand erfordert und daß die Stand­ zeit der Schneidplatte nur bis zur Abnutzung der Überzugsschicht reicht. Es ist aus der CH-PS nicht entnehmbar, daß eine vollständig aus Siliziumnitrid oder überwiegend aus substituiertem Siliziumnitrid mit dem angegebenen Anteil an Glas eine ausreichende Standzeit beim Zerspanen schwer zerspanbarer Werkstücke besitzen würde.

Die US-PS 38 37 896 betrifft ähnlich wie die DE-OS 24 43 160 eine Schneidplatte aus gesintertem Hartmetall mit einer dünnen Überzugsschicht aus Karbid oder Nitrid. Die Über­ zugsschicht ist wiederum durch Abscheiden aus der Dampfphase ge­ bildet. Die Schneidplatte verhält sich jedoch ebenso wie eine aus Hartmetall bestehende Schneidplatte mit dem zusätzlichen Vorteil einer verbesserten Verschleißfestigkeit durch den gebildeten Über­ zug. Sobald die Überzugsschicht jedoch abgeschliffen ist, fällt dieser zusätzliche Vorteil fort.

Aus "Sonderdruck" CZ-Chemie-Technik, Heft 4, 1973, S. 3 bis 7 ist ferner bekannt, daß der in Siliziumnitrid enthaltene Stickstoff dazu neigt, die Gläser zu diffundieren, die in Kontakt mit dem Siliziumnitrid gebracht werden. Dieser Entgegenhaltung ist also zu entnehmen, daß, wenn heißgepreßtes Siliziumnitrid mit Glas als Bindemittel als Schneidplatte für schwer bearbeitbare Werkstücke eingesetzt wird, durch die bei der Bearbeitung erreichten hohen Temperaturen der Stickstoff sogar noch stärker aus dem Siliziumnitrid in das Glas diffundieren würde, so daß zu erwarten ist, daß das aus Siliziumnitrid bestehende Material kein geeignetes Schneidmaterial mehr ist. Dies gilt insbesondere bei Bearbeitung von gehärteten EN31-Stählen, die überhaupt nicht mit bekannten Schneidplatten spanend überarbeitet werden können, sondern mit Diamantpulver geschliffen werden.

Bekannte Spitzen zum Einpunkt-Drehen von Werkstücken aus Hartmetallen und Hartlegierungen sind normalerweise aus Wolframkarbid-Werkstoffen gefertigt. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß diese bekannten Spitzen sich nicht zufriedenstellend verhalten, wenn sie beim Einpunktdrehen von bestimmten Hartstahl-Werkstücken benutzt werden. Als Folge von Untersuchungen, die durchgeführt worden sind, um diesen Nachteil zu beseitigen, ist nun festgestellt worden, daß Spitzen für Einpunkt-Drehwerkzeuge mit einer verbesserten Schnittdauer im Vergleich zu den bekannten Spitzen auf Wolframkarbidbasis dadurch entstehen, daß mindestens die Schnittkante der Spitzen aus heißgepreßtem Siliziumnitrid oder heißgepreßtem Keramikmaterial gebildet sind, das mindestens 90 Gew.-% eines substituierten Siliziumnitrids enthält. Es hat sich also herausgestellt, daß Spitzen für Einpunkt-Drehwerkzeuge aus heißgepreßtem Siliziumnitrid und substituiertem Siliziumnitrid benutzt werden können, um mit gutem Erfolg Stahl-Werkstücke spangebend zu bearbeiten, die sich mit herkömmlichen Stählen auf Wolframkarbidbasis als spangebend unbearbeitbar erwiesen haben. Ferner ist festgestellt worden, daß diese Spitzen für Werkzeuge, heißgepreßt, zur Herstellung einer feinbearbeiteten Fläche an den spangebend bearbeiteten Werkstücken benutzt werden können, vorausgesetzt, daß die Spitzen eine solche Form haben, daß sie im Einsatz einen positiven oberen Ansatzwinkel haben. Das entspricht der Bildung der Schnittkante der Spitze zwischen zwei Flächen, die unter einen spitzen Winkel geneigt sind, und das steht im Gegensatz zu der Tatsache, daß Keramik-Drehwerkzeug-Spitzen zum spangebenden Bearbeiten von Hartteilen bisher immer einen negativen oberen Ansatzwinkel haben mußten, um Festigkeits- und Wärmesenkvorteile zu bieten. Überraschenderweise hat sich in der Praxis jedoch herausgestellt, daß heißgepreßte Werkzeugspitzen mit einem positiven oberen Ansatzwinkel eine gute Werkzeugeinsatzdauer zeigen. Es versteht sich, daß der Begriff "substituiertes Siliziumnitrid", wie er in diesem Zusammenhang benutzt wird, eine Einphasen-Verbindung bedeutet, die ein Siliziumnitridgitter hat, in dem die Silizium- und Stickstoffatome im Gitter partiell durch andere Elemente ersetzt worden sind, besonders, wenn auch nicht ausschließlich durch Aluminium bzw. Sauerstoff. Ferner versteht es sich, daß der Begriff "heißgepreßtes Siliziumnitrid" in diesem Zusammenhang in seinem üblicherweise benutzten Sinn verwendet wird, um sich auf das Keramikprodukt zu beziehen, das entsteht, wenn Siliziumnitridpulver zusammen mit einem Flußmittel zur Unterstützung der Verdichtung der gleichzeitigen Einwirkung von Wärme und Druck unterzogen wird. Ferner versteht es sich, daß der Begriff "Spitze" Einsätze mit erfaßt, die mechanisch in einem Werkzeughalter gehalten sind, ebenso Teile, die metallurgisch mit einem Werkzeugschaft verbunden sind.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Schneidplatte, insbesondere Wendeschneidplatte, für die Zerspanung schwer zerspanbarer Werkstücke mit positivem Spanwinkel, die mindestens im Bereich der Schneidkante aus heißgepreßtem Siliziumnitrid oder heißgepreßtem keramischen Material besteht, zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das heißgepreßte Siliziumnitrid oder heißgepreßte keramische Material einen Anteil von wenigstens 90 Gew.-% substituiertem Siliziumnitrid und ein Glas enthält, welches aus einer bis zu 5 Gew.-% eines glasbildenden Metalloxids enthaltenen Ausgangsmischung stammt.

Vorzugsweise ist das heißgepreßte Siliziumnitrid oder das heißge­ preßte Keramikmaterial so eingerichtet, daß es eine mittlere Biege­ spannung bei 1000°C von mindestens 589 N/mm² hat.

Vorzugsweise ist das substituierte Siliziumnitrid ein Einphasen- Silizium-Aluminium-Oxynitrid, das der Formel:

Si_{6 - z} Al _z O _z N_{8 - z}

gerecht wird, wobei z größer als Null und kleiner als oder gleich 5 ist.

Die Erfindung ist nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugsnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeich­ nung ist

Fig. 1 eine Seitenansicht auf die Spitze eines Einpunkt-Drehwerk­ zeugs beim Drehen eines zylindrischen Werkstücks und

Fig. 2 eine Draufsicht dieser Spitze.

Das Werkzeug weist eine Schneidspitze 11 auf, die allgemein den Stumpf einer Rechteck-Pyramide bildet, welche eine Basislänge von 12,7 mm und eine Höhe von 3,18 mm hat. Die Basis 23 der Spitze ist an ihren vier Ecken gerundet, um vier gebogene Schnittkanten zu bil­ den, die jeweils auf einem Kreis mit einem Radius von 0,8 mm lie­ gen. Im Einsatz ist die Spitze 11 also zwischen vier im Winkelab­ stand angeordneten Schnittlagen umstufbar, in der jeweils eine der Schnittkanten zum Werkstück gerichtet ist, das spangebend bearbei­ tet wird. Ferner hat die Pyramide, die zum Teil durch die Spitze 11 gebildet wird, einen eingeschlossenen Winkel von 22°, und folg­ lich ist jede Schnittkante zwischen der Basis 12 und einer Seiten­ fläche der Spitze mit einem Neigungswinkel von 79° zur Basis 12 ge­ bildet. Eine solche Werkzeugspitze entspricht der Bezeichnung SPGN 120 312 der International Standards Organisation.

Die Spitze entsteht durch Heißpressen von Siliziumnitridpulver, das mindestens 75 Gew.-% des Alpha-Phasen-Matrials enthält und mit bis zu 5 Gew.-% eines herkömmlichen Metalloxid-Flußmittels gemischt ist. Das Gemisch wird eine Stunde lang bei 1750°C mit 2060 N/cm² heißgepreßt und nach dem Heißpressen flächengeschlif­ fen und dann gehont, um eine zufriedenstellende Flächengüte zu erge­ ben. Um sicherzustellen, daß die Spitze 11 den Spannungen widerste­ hen kann, die bei den während der Spangebung entstehenden hohen Tem­ peraturen auftreten, hat die heißgepreßte Spitze vorzugsweise eine mittlere Biegespannung von mindestens 584 N/mm² bei 1000°C. Es hat sich herausgestellt, daß die erforderliche Festigkeit dadurch erreicht werden kann, das dem Heißpreßplan gefolgt wird, der vor­ stehend beschrieben ist, und in einem praktischen Ausführungsbei­ spiel hatte die entstandene Spitze eine mittlere Biegespannung bei Raumtemperatur von 892,7 N/mm² und 686,7 N/mm² bei 1000°C.

Wenn das beschriebene Werkzeug dazu benutzt wird, ein Drehen an einem rotierenden Werkstück vorzunehmen, wie es beispielsweise bei 13 in der Zeichnung dargestellt ist, sind die Basis 12 und die ge­ genüberliegende Hauptfläche der Spitze 11 in den Backen eines her­ kömmlichen Werkzeughalters eingespannt. Der Halter wird dem Werk­ stück 13 gegenüber so gehalten, daß eine Schnittkante der Spitze 11 gegen das Werkstück gedrückt wird, um einen Einlaufwinkel von 60° dem Werkstück gegenüber zu bilden. Ferner zeigt der Halter so zum Werkstück, daß die Spitze einen positiven oberen Ansatzwinkel von 5° und eine vordere Hinterschneidung von 6° hat, wobei diese Anordnung des Halters der Bezeichnung CSBPR 2525 M12 des Internatio­ nal Standards Organisation entspricht.

Um die Eigenschaften des vorstehend beschriebenen Werkzeugs zu de­ monstrieren, wurde die Spitze 11, die in dem einem praktischen Aus­ führungsbeispiel hergestellt worden ist, in der vorstehend beschrie­ benen Orientierung eingesetzt, um ein zylindrisches Werkstück span­ gebend zu bearbeiten, das aus N-31-Stahl bestand (d. h. 0,9 bis 1,2 Gew.-% Kohlenstoff, 0,1-0,35 Gew.-% Silizium, 0,3 bis 0,75 Gew.-% Mangan und 1,0-1,6 Gew.-% Chrom, Rest Eisen), der auf ene Härte von 66 Rockwell C gebracht worden ist, wobei ein solcher Werkstoff für die Kalanderwalzen von Stahlwalzwerken benutzt wird. Das Werkstück hatte eine Länge von 200 mm und einen Durchmesser von 100 mm und eine ra­ diale Dicke von 3,175 mm wurde erfolgreich spangebend von der gesam­ ten Länge des Werkstücks abgehoben, wenn die Oberflächen-Drehgeschwin­ digkeit des Werkstücks während der spangebenden Bearbeitung 50 m/min betrug und der Vorschub 0,1118 mm/Umdrehung betrug. Das spangebend bearbeitete Werkstück hatte eine Oberflächengüte von 50 Mikrozoll, und das war die Oberflächengüte, die für das fertige Teil erforder­ lich war, so daß es nicht nötig war, das spangebend bearbeitete Werk­ stück einem Schleifen zu unterziehen. Ferner stellte sich nach der spangebenden Bearbeitung heraus, daß die Schnittkante der Spitze 11 unbeschädigt war, wobei der einzige feststellbare Nachweis für die spangebende Bearbeitung eine leichte Verfärbung der Spitze war. Das gleiche wurde mit keinem oder keinem feststellbaren Unterschied wie­ derholt, wenn ein herkömmliches Kühlmittel während der spangebenden Bearbeitung benutzt wurde, und auch dann, wenn die Oberflächen-Dreh­ geschwindigkeit des Werkstücks auf 120 m/min erhöht wurde. Im Gegen­ satz dazu entstanden bei Verwendung einer herkömmlichen Werkzeug­ spitze mit Titannitridbeschichtung auf Wolframkarbidbasis zum span­ gebenden Bearbeiten von gehärteten Stählen, d. h. derjenigen, die als Kennometal SPGN 120 312 KC 810 geliefert wird, Funken während der ersten Wegstrecke von 6,35 mm der Spitze, und die Schnittkante der Spitze wurde schnell zerstört.

In einer Abwandlung des vorstehenden Beispiels wurde die Spitze 11 aus einem heißgepreßten Keramikmaterial hergestellt, das etwa 90 Gew.-% eines Einphasen-Silizium-Aluminiumoxidnitrids enthielt und die folgende Formel erfüllte:

Si_{6 - z} Al _z O _z N_{8 - z}

Dabei betrug z etwa 0,8. Das Material wurde aus einem Gemisch her­ gestellt, das aus 82,75 Gew.-% Siliziumnitrid, 10 Gew.-% Aluminium­ nitrid, 6 Gew.-% Siliziumoxid, 1 Gew.-% Triamangantetroxid, und 0,25 Gew.-% Magnesiumoxid bestand. Im Gemisch bestand das Siliziumnitrid­ pulver aus 89 Gew.-% des Alpha-Phasen-Materials und hatte eine mitt­ lere Partikelgröße von 3 Mikron. Das Aluminiumnitridpulver war jenes, das von Koch Light als Type "8006H" geliefert wird, das im Lieferzu­ stand eine mittlere Partikelgröße von 11,5 Mikron hatte, jedoch vor der Verwendung in einer Kolloidalmühle auf eine mittlere Partikelgrö­ ße von 7 Mikron gebracht wurde. Die Siliziumoxid-, Magnesiumoxid- und Manganoxidpulver wurden alle von der Firma Hopkins & Williams Limited geliefert, wobei es sich bei dem Siliziumoxid um jenes handelte, das reines gefälltes Siliziumoxid verkauft wird, während das Mangan­ oxid das war, das als "Light" (leicht) verkauft wird. Von den vorste­ henden Stoffen zeigte die Analyse, daß das Siliziumnitridpulver 2,6 Gew.-% Siliziumoxid als eine naturbedingte Unreinheit enthielt, und das Aluminiumnitridpulver enthielt 4,25 Gew.-% Aluminiumoxid. Aus diesen Zahlen läßt sich ohne weiteres zeigen, daß während des an­ schließenden Heißpressens zur Herstellung der Spitze 11 eine reaktions­ fähige Zusammenstellung entstand, die aus Silizium, Aluminium, Stick­ stoff und Sauerstoff im erforderlichen Atomverhältnis von 6 - z : z : 8 - z : z bestand, wobei z etwa 0,8 betrug, zusammen mit etwa 5 Gew.-% glas­ bildender Metalloxide.

Um die benötigte Werkzeugspitze herzustellen, wurden die Bestandtei­ le des vorstehend beschriebenen Ausgangsgemisches in eine Kolloidal­ mühle geschüttet und in Isopropylalkohol gemischt, bis die mittlere Partikelgröße des Gemisches 3 Mikron betrug. Danach wurde das Gemisch getrocknet und dann gesiebt, um alle Pulverzusammenballungen zu ent­ fernen. Anschließend wurde das Gemisch in einen geeignet ausgebilde­ ten Formraum eines Graphitformwerkzeugs gefüllt, und ein Graphit­ stempel verschloß ein offenes Ende des Formraums. Ein Graphitstem­ pel wurde dann auf die Pulverfüllung gesetzt, wobei alle Graphitflä­ chen in Kontakt mit dem Pulver zuvor mit Bornitrid auf eine Tiefe in der Größenordnung von 0,25 mm sprühbeschichtet worden waren. Das Ganze wurde dann in eine Presse gesetzt, wo die Temperatur und der Druck gleichzeitig erhöht wurden, und zwar während einer Dauer von 30 Minuten, auf 1800°C bzw. 2060 N/cm². Das Gemisch wurde dann eine Stunde lang auf dieser Temperatur und diesem Druck gehalten, und danach ließ man das heißgepreßte Produkt abkühlen, ehe es aus dem Formwerkzeug entformt wurde. Das entstandene Produkt wurde wie­ derum flächengeschliffen und gehont, um die benötigte Schneidspitze herzustellen, die eine mittlere Biegespannung von 783 N/mm² bei Raumtemperatur und mehr als 584 N/mm² bei 1000°C hatte. Dieses eine praktische Ausführungsbeispiel wurde dann mit einem weiteren gehärte­ ten E.N.-31-Stahl-Werkstück eingesetzt, und es wurde gleich erfolg­ reich gearbeitet wie bei der Siliziumnitrid-Schneidspitze. Nach dem Spangeben war die Silizium-Aluminium-Oxynnitrid-Schneidspitze sogar frei von der Flächenverfärbung, die bei dem Siliziumnitrid-Gegen­ stück festgestellt worden war, und darüber hinaus zeigte sie ein reduziertes Maß an Kraterverschleiß und ein blankes Verschleißband geringeren Ausmaßes im Vergleich zu den Siliziumnitrid-Gegenstücken.

Claims (3)

1. Schneidplatte, insbesondere Wendeschneidplatte, für die Zerspanung schwer zerspanbarer Werkstücke mit positivem Spanwinkel, die mindestens im Bereich der Schneidkante aus heißgepreßtem Siliziumnitrid oder heißgepreßtem keramischen Material besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das heißgepreßte Siliziumnitrid oder heißgepreßte keramische Material einen Anteil von wenigstens 90 Gew.-% substituiertem Siliziumnitrid und ein Glas enthält, welches aus einer bis zu 5 Gew.-% eines glasbildenden Metalloxids enthaltenen Ausgangsmischung stammt.

2. Schneidplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das heißgepreßte Siliziumnitrid oder das heißgepreßte keramische Material bei 1000°C eine Biegespannung von mindestens 584 N/mm² besitzt.

3. Schneidplatte nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das substituierte Siliziumnitrid ein Einphasen-Silizium-Aluminium-Oxynitrid ist, das die Formel Si_6-z Al_z O_z N_8-zerfüllt, wobei z größer als Null und kleiner als oder gleich 5 ist.