DE2923213C3 - Verfahren zur Herstellung einer keramischen Schneidplatte - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer keramischen Schneidplatte

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Description

Die Erfindung geht aus von einem Gegenstand nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei der spanabhebenden Bearbeitung haben sich Schneidplatten auf der Basis von gesintertem Aluminiumoxid in den letzten Jahrzehnten in hervorragender Weise bewährt und einen immer stärker zunehmenden Anteil in der Palette der Schneidwerkstoffe gesichert, insbesondere bei Bearbeitungsvorgängen mit hohen Schnittgeschwindigkeiten und dadurch bedingt hohen Temperaturen. Trotz der hohen Härte und Verschleißfestigkeit von Schneidplatten aus Aluminiumoxid ist man jedoch bemüht, diesen Werkstoff weiter zu verbessern, da ihm eine gewisse Sprödigkeit eigen ist, auf Grund deren das Standvermögen der schneidenden Kanten der Schneidplatte nicht voll befriedigt.
Es sind deshalb bereits eine ganze Reihe von Vorschlägen gemacht worden, die verhältnismäßig spröden Schneidplatten auf der Basis von Aluminiumoxid durch Zusätze duktiler zu machen, d. h. ihre Bruchfestigkeit zu erhöhen. Solche Zusätze können einmal in Metallen bestehen und führen dann zu den sogenannten Cermets. Sehr bewährt haben sich auch Zusätze von Metallcarbiden, -nitriden und -boriden, wie beispielsweise Titancarbid, durch die insbesondere die Verschleißfestigkeit erhöht wird.
Ein älterer eigener, in der DE-AS 23 07 654 gemachter Vorschlag der Anmelderin schlägt als Schneidplattenwerkstoff Zirkonoxid vor - und zwar ein teilstabilisiertes Zirkonoxid mit einem kubischen Phasenanteil von 75-95%. In der DE-OS 27 41 295 ist diese Anregung erneut aufgegriffen und dahingehend abgewandelt worden, daß in eine Matrix aus &agr;-Aluminiumoxid 0,5 bis 35 Gew.-% solchen teilstabilisierten Zirkonoxids eingelagert werden. Dadurch hat sich die Formstabilität solcher Scb.neidplatten bereits vergrößern lassen. Durch den verhältnismäßig hohen Stabilisatorgehalt von 4 Gew.-% Calciumoxid wird aber die Warmfestigkeit dieser Schneidplatten so stark herabgesetzt, daß ihre Leistung bei hohen Schnittgeschwindigkeiten sogar unter der einer reinen Aluminiumoxidkeramik liegt.
Die Problematik, die hinsichtlich dieser mit Zusätzen versehenen Aluminiumoxid-Schneidkeramik besteht, hegt generell darin, daß bei zu geringen Mengen an Zusätzen der erwünschte Effekt, beispielsweise die Sprödigkeit zu verhindern, zu gering ist, bei größeren Zusatzmengen die Temperaturbelastbarkeit, wie sie durch hohe Schnittgeschwindigkeiten gegeben ist, wieder zurückgeht.
Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, diesen Teufelskreis zu durchbrechen und eine Schneidplatte zu schaffen, deren Leistung deutlich erhöht ist, d. h. die eine höhere Standmenge ermöglicht, also eine giößere Stückzahl pro Schneidplatte und
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, ein Verfahren zu entwickeln, mit dessen Hilfe eine Schneidplatte geschaffen werden kann, die über eine deutlich erhöhte Leistung verfügt, d. h. die eine höhere Standmenge ermöglicht, also eine größere Stückzahl pro Schneidplatte und Zeiteinheit. Ganz besonders tritt diese Notwendigkeit bei der Bearbeitung von Stahlteilen, insbesondere aus Einsatz- und Vergütungsstählen, wie Wellen, Achsen u. ä. zu bearbeitenden Werkstükken auf.
Diese Aufgabe wird bei einem Gegenstand nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen Merkmale im kennzeichnenden Teil gelöst.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist durch den Unteranspruch gekennzeichnet.
Sinterkörper mit einer Matrix aus den unterschiedlichsten Materialien, darunter auch Aluminiumoxid und eingelagerten Teilchen aus unstabilisiertem Zirkonoxid sind an sich bekannt, beispielsweise aus der DE-OS 25 49 652 und dort für Gasturbinenelemente vorgeschlagen worden, bei denen es auf hohe Temperaturwechselbeständigkeit ankommt. Es war aber gänzlich überraschend, daß durch das Zusammenwirken aller beanspruchten Merkmale bei einer Schneidplatte Eigenschaften erhalten werden, die insbesondere in der Bearbeitung von Stahl eine wesentlich höhere Leistung ermöglichen als alle bisher bekannten Schneidplatten und dies ganz besonders bei hohen Schnittgeschwindigkeiten, d. h. solchen von 500 m/min und mehr. Dies war insbesondere deshalb überraschend, weil bei Schneidplatten gänzlich anders geartete Beanspruchungen vorliegen als beispielsweise bei Gasturbinen und bei Schneidplatten insbesondere hoher Verschleiß sowie Kantenbelastungen auftreten und Wechselwirkungen zum bearbeiteten Werkstoff, die im allgemeinen durch erhebliche Zusätze duktilisierender Werkstoffe negativ beeinflußt werden.
Es läßt sich z. Z. im einzelnen noch nicht feststellen, welchem dieser Merkmale die größere Bedeutung zukommt. Von ganz erheblichem Einfluß ist, daß die einzelnen stofflichen Bestandteile jeweils in sehr reiner Form vorliegen und der Gehalt an Magnesiumoxid
einen bestimmten Wert nicht überschreitet. Die geringen Mengen von 0,1-0,5 Gew.-% Magnesiumoxid reichen aus, um in bekannter Weise ein ungezügeltes Kornwachstum zu verhindern. Andererseits liegt durch die geringe Menge an Magnesiumoxid und die ganz geringen Mengen sonstiger oxidischer Verunreinigungen das dem Aluminiumoxid zugefügte Zirkonoxid im Ausgangsmaterial in seiner monoklinen Form vor. Beim Sintervorgciig wandelt es sich in die tetragonale Phase um, die als solche beim Abkühlen an sich reversibei in die monokline zurückverwandelt wird. Von erheblichem Einfluß ist wahrscheinlich die Tatsache, daß durch die verhältnismäßig geringe Korngröße von weniger als 1 &mgr;&pgr;&igr;, bevorzugt sogar weniger als 0,5 &mgr;&pgr;&igr;, die Umwandlung in die monokline Phase zurückgehalten wird und dadurch latent Spannungen in das Kristallgefüge eingebaut werden, die geeignet sind, einen großen Teil der Kräfte, die bei der spanabhebenden Bearbeitung auftreten, abzufangen.
Ganz wesentliche Bedeutung für die erhöhte Schneidleistung und insbesondere die Kantenfestigkeit der Schneidplatte nach der Erfindung kommt dem Merkmal einer geringen Porosität von weniger als 2% zu, vorzugsweise ist diese sogar kleiner als 1,0%. Dabei wird durch geeignete Maßnahmen dafür gesorgt, daß diese Poren als solche möglichst klein sind, vorzugsweise im Medianwert <2 &mgr;&tgr;&eegr;.
Weiter von ganz entscheidendem Einfluß ist die Bruchzähigkeit Kk von mindestens 190 N/mrr3/2 bei Raumtemperatur und vor allem die Tatsache, daß bei 1000° C, also Temperaturen, die bei der spanabhebenden Bearbeitung unter hohen Schnittgeschwindigkeiten leicht auftreten, die Bruchzähigkeit Klc noch immer mindestens 140 N/mm3/2 beträgt. Vorzugsweise liegt die Bruchzähigkeit Kk bei Raumtemperatur sogar bei mehr als 200 N /mm3/2 und bei 1000° C mindestens bei 150 N/mm3/2.
Die erforderliche geringe Porosität der Schneidplatte nach der Erfindung geht Hand in Hand mit einer hohen Dichte des Materials, die mindestens ca. 98% der theoretischen Dichte ausmacht. Bei einem bevorzugten Anteil von 13 bis 17 Gew.-% an Zirkonoxid beträgt die Dichte vorzugsweise mindestens 4,1 bei einer in üblicher Weise gesinterten Schneidplatte.
Der hohe K,c-Wert garantiert, daß beim Schneidvorgang und deii dabei auftretenden hohen Kantenbelastungen auf die Schneidplatte kein Ausbrechen von Körnern aus dem Kristallverbund erfolgt und dadurch eine höhere Standzeit des Werkzeuges gegeben ist bzw. damit Materialien bei hohen Geschwindigkeiten bearbeitet werden können, die bisher der konventionellen Schneidkeraßiik nicht wirtschaftlich verfügbar waren.
Es war vollkommen überraschend, daß mit dem verhältnismäßig hohen Anteilen an Zirkonoxid, das an sich die Temperaturbelastbarkeit erniedrigt, höhere Standmengen erreicht werden, wenn in der beanspruchten Weise alle Merkmale kombiniert sind und dadurch ein Korngefüge erreicht ist, das gegenüber allen bisher bekannten Schneidplatten optimale Eigenschaftskombinationen aufweist. Von ganz besonderer Bedeutung ist dabei der dichte und feste Kornverbund, der so gut ist, daß selbst bei Überbelastungen nicht mehr ganze Ecken der Schneidplatte wegbrechen und damit zur Unbrauchbarkeit der Schneidplatte führen.
Ganz allgemein besteht eine Abhängigkeit zwischen der Sinterzeit und der Sintertemperatur dahingehend, daß bei tieferen Sinterten^.eraturen längere Sinterzeiten gewählt werden, bei höheren Temperaturen dagegen kürzere Sinterzeiten. Unterhalb 1500° C Sintertemperatur weist der Formkörper im allgemeinen aber nicht mehr die erforderliche geringe Porosität auf. Oberhalb von 1600° C dagegen nimmt das Kornwachstum merklich zu, die Korngröße im fertigen Sinterprodukt steigt in der mittleren Korngröße auf über 1,7 &mgr;&pgr;&igr;, der homogene Aufbau im Kristallgefüge geht zurück und damit verschlechtern sich die Eigenschaften der Schneidplatte, insbesondere bei den angestrebten hohen Schnittgeschwindigkeitenn, beträchtlich.
Auf die Notwendigkeit der Verwendung sehr reiner Ausgangsmaterialien war bereits weiter oben hingewiesen worden. Besonders günstige Ergebnisse, insbesondere hinsichtlich der Standzeit der Schneidplatten werden erhalten, wenn die Reinheit sowohl des verwendeten Aluminiumoxids als auch des Zirkonoxids noch höher liegt und der Al2O3-Gehalt bzw. ZrO2-Gehalt sogar den Wert von 99,9% überschreiten. Hinsichtlich des ZrO2-Gehaltes ist freilich darauf hinzuweisen, daß von diesem eventuelle Anteile an Hafniumoxid mit umfaßt werden. Bekanntlich sind beide Elemente und deren Verbindungen in ihren Eigenschaften so eng verwandt, daß sie in der Natur zusammen vorkommen und nur schwer voneinander zu trennen sind. Der Hafniumoxidanteil, der bis zu 2% betragen kann, wird deshalb üblicherweise nicht abgetrennt. Die Angaben 99 Gew.-% und 99,9 Gew.-% ZrO2 beziehen sich deshalb auf ZrO2 + HfO2 zusammen.
Dabei ist ganz wesentlich &mdash; und hier unterscheidet sich der Anmeldegegenstand von bisher vorbekannten Schneidplatten auf der Basis von Aluminiumoxid und Zirkonoxid -, daß die sonstigen oxidischen Verunreinigungen wie SiO2, Calciumoxid u. ä. in dem Ausgangspulvergemisch weniger als 0,6 Gew.-% ausmachen, bevorzugt liegen sie sogar noch eine Zehnerpotenz unter diesem Wert. Um das zu gewährleisten, muß natürlich auch das als Kornwachstumshemmer zugesetzte Magnesiumoxid sehr rein sein. Vorteilhafterweise wird ein Aluminiumoxidpulver eingesetzt, dem bereits bei der Herstellung die erforderliche Menge an reinem Magn- siumoxid beigegeben worden ist.
Von ganz wesentlichem Einfluß ist natürlich auch die Ausgangsgröße der pulverförmigen Ausgangsmaterialien. Um zu dem sehr feinen und gleichmäßigen Gefügeaufbau zu kommen, liegt der Medianwert des Aluminiumoxids und des Zirkonoxids unter 1,0 &mgr;&eegr;\, beim Zirkonoxid bevorzugt sogar unter 0,5 /im. Unter Medianwert wird dabei folgendes verstanden:
Die Teilchengrößenverteilung wird üblicherweise in einer Summenverteilung in der Weise dargestellt, daß die Größenparameter gegen die prozentuale Häufigkeit bis auf 100% aufgetragen werden. Entsprechende Summenverteilunskurven werden üblicherweise dadurch in vereinfachter Form gekennzeichnet, daß der Medianwert angegeben wird Der Medianwert ist definiert ais der Schnittpunkt der Summenkurve mit der 50%-Linie der Häufigkeitsfunktion und bezeichnet damit die durchschnittliche Größe (Teilchengröße oder Porengröße), bei der 50% größer und 50% kleiner als diese sind.
Das Verpressen des Ausgangspulvergemisches erfolgt zweckmäßig bei einem Preßdruck von mindestens 6000 N/cm2, bevorzugt bei einem solchen von 12 000 bis 16 000 N/cm2. Auch hier besteht eine gewisse Gesetzmäßigkeit dahingehend, daß bei niederem Preßdruck etwas höhere Sintertemperaturen gewählt werden, bei höherem Preßdruck etwas niedrigere Sintertemperaturen.
Als Preßhilfsmittel sind die verschiedensten Stoffe geeignet. Bewährt haben sich insbesondere Polyvinylalkohole, die zweckmäßig in l%iger Lösung angewendet werden. Die Preßfeuchte des Ausgangspulvers liegt bei ca. 4 Gew.-%.
Von erheblichem Einfluß auf die Güte der Schneidplatte, insbesondere ihre hohe Dichte und geringe Porosität, sind auch die Aufheiz- und Abkühlrate, d. h. die Zeit, in der der gepreßte Grünling auf die angegebene Sintertemperatur aufgeheizt wird und die Zeit, in der er wieder auf Raumtemperatur heruntergekühlt wird. Vorzugsweise beträgt diese Aufheiz- und Abkühlrate ca. 2003 C pro Stunde.
Die Schneidplatten werden in oxidierender Atmosphäre gebrannt und darin liegt gegenüber den vorbekannten Schneidplatten mit zugesetzten Carbiden bzw. Nitriden ein ganz erheblicher Vorteil. Durch den Gehalt an Carbiden und Nitriden können diese Schneidplatten lediglich in reduzierender bzw. inerter Atmosphäre oder in Vakuum gesintert werden, was natürlich einen viel größeren apparativen Aufwand erfordert und diese Schneidplatten sehr teuer macht. Selbstverständlich lassen sich aber die Schneidplatten gemäß dem Anmeldegegenstand auch nach anderen Verfahren sintern, beispielsweise im Heißpreßverfahren. In diesem Fall sind die Sinterzeiten wesentlich kürzer und die Temperaturen im Schnitt um ca. 100 C höher.
Wie bereits mehrfach ausgeführt, ist ein ganz wesentliches Merkmal der Schneidplatten der Erfindung der hohe /f,c-Wert, insbesondere der bei 100O1 C, d. h. bei den bei hohen Schnittgeschwindigkeiten auftretenden hohen Temperaturen. In der graphischen Darstellung sind die Kic-Werte einer ZrO2- und TiC-haltigen AI2O,-Sinterkeramik gemäß DE-ÖS 27 41295 (Kurve 1) gegenübergestellt einer solchen nach der Erfindung (Kurve 2). Dabei zeigt sich deutlich, daß die K,f-Werte bei Raumtemperatur weitgehend übereinstimmen, rrnt steigenden Temperaturen aber die des Standes der Technik sehr viel rascher sinken als die des Anmeldegegenstandes.
Nachfolgend wird die Bestimmung des /v/ir-Wertes (kritischer Spannungsintensitätsfaktor). der ein Maß für die Bruchzähigkeit ist, erläutert.
Probenabmessungen
Es werden prismatische Stäbchen der Breite B = 2,5 mm, der Höhe W = 3,5 mm und der Länge L = 12 mm aus Schneidplatten zurechtgeschnitten. Anschließend wird mit einer diamantbesetzten Kupferscheibe ein rißsimuilerender Sägeschnitt mit einer Breite d = 120 //m und einer Tiefe a = 0,8 ± 0,1 mm über die Breite B bei L/2 angebracht. Der Kerbradius beträgt zwischen 50 und 60 Mm.
Versuchsdurchführung
Die gekerbte Probe wird in einem Dreipunkt-Biegeversuch bis zum Bruch belastet. Sie ist dabei über einen Abstand 5=11 mm auf der Breite hochkant aufgelegt und wird mit der Prüflast an der dem Sägeschnitt gegenüberliegenden Seite beaufschlagt. Die Durchbiegungsgeschwindigkeit an der Stelle des größten Biegemoments beträgt 0,25 mm/min.
Der Bruchwiderstandswert Kic wird nach der Beziehung
A^-Wert = abB ■ y/ä · y
■ennitielt. Hierin bedeuten
-3SF«
die auf den Querschnitt (W ■ B) bezogene Biegebruchfestigkeit und y eine tabelliert Konstante, die nur vom a/W-Verhältnis abhängt, FB ist die Bruchlast.
Die Probenabmessungen und die Versuchdurchführung sind in Anlehnung an die ASTM-Vorschrift
E 399-72 für Standard-Testmethoden zur Bestimmung des Bruchwiderstandes an metallischen Werkstoffen festgelegt worden. Keramische Werkstoffe verhalten sich hinsichtlich der Einstellung des vorausgesetzten ebenen Dehnungszustandes und der Ausbildung plasti-
scher Zonen unkritisch. Die Simulation von scharfen Rissen durch feine Sägeschnitte stellt eine gebräuchliche Erleichterung bei Ktl -Wert-Messungen an keramischen Werkstoffen dar (siehe T. R. Wishaw et al.. Enc. Fract. Mech.. 1 [1968], 191, R. F. Pabst, Dissertation.
:ü Stuttgart, 1972, R. L. Bertolotti, 2. Amer. Ceram. Soc, 56 [1973]. 107).
Die Herstellung einer Schneidplatte nach der Erfindung wird nachfolgend an einem Beispiel beschrieben: 42 kg AKO, mit einem MgO-Gehalt von 0.2 Gew.-%
werden mit 7,5 kg unstabilisiertem ZrO2 in destilliertem Wasser dispergiert und zum Erreichen einer homogenen Durjhmischung 30 min in einer Kugelschwingmühle gemahlen. Nach der Mahlung wird unter Zusatz von 1% Polyvinylalkohol die Suspension 10 min mit 500
Vl U/min intensiv gerührt und über ein 40-Mm-Sieb abgesiebt. Die gesiebte Suspension wird in einem Sprühtrockner getrocknet und granuliert. Das granulierte und damit rieselfähige Pulver wird auf automatischen Pulverpressen bei einem Preßdruck von 12 000 N/cnv zu
Schneidplatten der gewünschten geometrischen Form gepreßt mit einer Gründichte von 2,52 g/cm'. Nach diesem Formgebungsvorgang werden die Formkörper bei 1550° C und einer Haltezeit von 8 Stunden gesintert. Die Aufheiz- und Abkühlrate beträgt 2007h. Nach dem
Sintern werden die Schneidplatten durch Bearbeitung mit Diamant-Schleifscheiben auf ihre endgültige Schneidplattengeometrie, entsprechend den Normvorschriften SNG, geschliffen und gefast.
Die Schneidplatte gemäß diesem Beispiel weist nach-
folgende Eigenschaften auf:
eine Dichte von 4.17 g/cm'.
eine Porosität von 0.5%,
eine mittlere Korngröße mit einem Medianwert von 1.45 um,
eine Härte nach Vickers von 19 700 N/mm:,
eine Biegebruchfestigkeit von 580 N/mnr.
eine Bruchzähigkeit von 201 N/mm3/2 bei Raumtemperatur und
eine Bruchzähigkeit von 150 N/mm'/1 bei 1000° C.
Sämtliche Korngrößenangaben in dieser Beschreibung sind bestimmt nach der Methode von Snvder-Graff.
Eine solche Schneidplatte hält eine wesentlich höhere spezifische Belastung der Schneidecken aus. Die Prüfung der Schneideckenbelastbarkeit erfolgt im sogenannten Vorschubtest.
Dieser besteht darin, daß bei vorgegebener Schnit-
tiefe a - in diesem Fall von 3 mm - und unter bestimmtem Anstellwinkel - in diesem Fall = 85° &mdash; und bei einer bestimmten Schneidplattengeometrie &mdash; in diesem
Fall Typ SNGN 120 816 T (0,2 &khgr; 20') - der Vorschubwert so lange gesteigert wird, bis die Schneidplatte gerade noch ohne Bruch eine Eingriffszeit von 10 min übersteht bei einer Schnittgeschwindigkeit von 500 m/ min.
Bei den obengenannten Testbedingungen ergab sich für die Schneidplatte gemäß dem Beispiel ein Vorschubwert von 0,70 mm/Umdrehung.
Ein so hoher Vorschubwert bedeutet gegenüber vorbekannten Schneidplatten auf Bais von AI2O, allein oder auf Basis von ZrO:- und TiC-haltiger Schneidkeramik gemäß DE-OS 27 41 295 in der Praxis eine ganz erhebliche Steigerung der mit einer Schneidplatte zu bearbeitenden Werkstücke. So hat sich gegenüber einer A1-.O, und gegenüber einer AI:O,-ZrO:-TiC-Keramik die Stückzahl auf das 6fache steigern lassen - ermittelt am Beispiel einer Hinterachswelle aus 41 Cr4V90.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
3Ii
65

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Herstellen einer Schneidplatte für die spanabhebende Bearbeitung von Werkstükken, wie Wellen, Achsen usw. aus Metall, insbesondere von Einsatz- und Vergütungsstählen, bevorzugt für den Einsatz bei Schnittgeschwindigkeiten >500 m/min, aus Aluminiumoxid mit Zusätzen von Zirkonoxid und Magnesiumoxid als Kornwachstumshemmer,
dadurch gekennzeichnet, daß
70 bis 90 Gew.-% Aluminiumoxid mit einem Al2O3-Gehalt von mindestens 99% und einem Medianwert < 1,0 &mgr;&pgr;&igr;,
10 bis 30 Gew.-% monoklines Zirkonoxid mit einem ZrO2-Gehalt von mindestens 99% und einem .Medianwert <1 &mgr;&ngr;&agr;
und 0.1 bis 0.5 Gew.-% reines Magnesiumoxid, wobei die oxidischen Verunreinigungen dieses Ausgangspulvergemisches weniger als 0,6 Gew.-% betragen,
unter Zusatz von Preßhilfsmitteln innig miteinander vermischt werden, aus dem Gemisch bei mindestens 6000 N/cm2 Schneidplatten der gewünschten geometrischen Form gepreßt und bei Temperaturen von 1500 bis 1600° C für eine Zeitdauer von mindestens 3 h in oxidierender Atmosphäre gesintert werden, wobei die Autneizrate auf die Sintertemperatur und die Abkühlrate nach irfolgtc; Sinterung bei ca. 200° Oh liegen.
2. Verfahren nach Anspruch , dadurch gekennzeichnet, daß die Formkörper bei einer Sintertemperatur von 1520 bis 1560" C für eine Zeitdauer von &oacgr; bis 10 Stunden gesintert werden.
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