DE3830525A1

DE3830525A1 - Mit hartstoff beschichtete hartmetallschneidplatte und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE3830525A1
Application number: DE3830525A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Ing Christoffel
Original assignee: August Beck GmbH and Co KG
Current assignee: August Beck GmbH and Co KG
Priority date: 1988-09-08
Filing date: 1988-09-08
Publication date: 1990-03-22
Also published as: ES2014868A6; GB2224515B; GB8918777D0; SE8902605D0; US5431072A; FR2635996B1; JPH02109608A; FR2635996A1; SE8902605L; IT8983468A0; GB2224515A; IT1235129B; CH680988A5

Description

Die Erfindung betrifft eine Hartmetall-Schneidplatte gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung gemäß Anspruch 23.

Eine solche Hartmetall-Schneidplatte ist z. B. in der Deutschen Patentschrift 30 20 929 beschrieben. Jedoch muß gemäß dieser Literaturstelle die aufgebrachte Hartstoffschicht wieder - zum Beispiel durch Schleifen - beseitigt werden, damit der für die Feinbearbeitung notwendige Schneidkantenradius erreicht wird. Durch das seither ausgeübte CVD-Verfahren (chemical vapour deposition) werden nämlich die Schneidkanten zu sehr verrundet. Vom CVD-Verfahren beim Beschichten von Hartmetallen ist man bislang wohl deshalb nicht abgegangen, weil man glaubte, daß dieses Verfahren die beste Schichthaftung ergibt. Hartmetall kann die relativ hohen Beschichtungstemperaturen von ca. 1000°C ohne Härteverlust überstehen. Ein Nachteil dabei ist jedoch die Schneidkantenverrundung.

Aufgabe der Erfindung ist es, Hartmetall-Schneidplatten, insbesondere für die Feinbearbeitung von Bohrungen anzugeben, die - ohne den Hartstoff nachträglich wieder abnehmen zu müssen - trotzdem zu sehr kleinen Schneidkantenradien führen und standfester sind als die bislang hergestellten Hartmetall-Schneidplatten mit ihrer teilweise wieder entfernten Hartstoffschicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs ersichtlichen Merkmale gelöst.

Untersuchungen haben gezeigt, daß die Angaben in der Patentschrift 30 20 929 und in Prospekten des Patentinhabers nicht zutreffen, denn durch das Abschleifen der Hartstoffschicht wird der Schneidenbereich wieder verrundet, und zwar erhält man Schneidkantenradien von 20 µm. Die Verrundung ist also nach dem Abtragen des Hartstoffs genauso groß wie die durch das Beschichten hervorgerufene Verrundung mit dem Nachteil, daß die vom Hartstoff "befreite" Spanfläche eine geringere Standzeit hat, einen schlechteren Spanfluß ergibt, höhere Schnittkräfte erfordert und eine hohe Neigung zur Aufbauschneidenbildung hat.

Die Erfindung bringt folgende, sprungartige Verbesserungen mit sich:

1. Versuche haben eine statistisch 100% höhere Standzeit ergeben.
2. Der Spanfluß ist besser.
3. Die Neigung zur Aufbauschneidenbildung ist geringer.
4. Die Schnittkräfte sind geringer.
5. Die Oberflächenrauhigkeit ist kleiner.
6. Die Schneide ist trotz Beschichtung wesentlich scharfkantiger als diejenige, die vom Hartstoff "befreit" wurde.
7. Man kann beim PVD-Verfahren die Schichtdicke von beispielsweise 1,5 bis 2 µm genau einhalten, was beim CVD-Verfahren nicht möglich ist.
8. Beim PVD-Verfahren kann man nicht nur dünnere Schichten herstellen sondern auch sehr enge Schichtdickentoleranzen einhalten. Diese ist in dem Sinne gut, als eine Kette niemals stärker ist als ihr schwächstes Glied.
9. Wenn oben gesagt wurde, daß Hartmetalle beim CVD-Beschichtungsverfahren keine Veränderungen bei Temperaturen von ca. 10 000°C aufweisen, so stimmt dies nur bedingt: es bildet sich nach wie vor eine Sprödphase (in der Fachsprache "Eta-Phase" genannt) aus, auch wenn neuerdings die Größe dieser Phase nicht mehr so extrem ist wie zu Beginn der Einführung des CVD-Verfahrens. Die nach wie vor vorhandene Sprödphase kann gerade im Bereich scharfer Kanten zu Stabilitätsproblemen führen. Diese Phase vermeidet die Erfindung aufgrund der niedrigeren Prozeßtemperaturen von weniger als 500°C beim PVD-Verfahren.
10. Die PVD-Schicht weist eine kleinere Eigenspannung auf als die CVD-Schicht. Verantwortlich hierfür dürfte die niedrigere Prozeßtemperatur sein, weshalb Unterschiede in den Ausdehnungskoeffizienten von Grundwerkstoff zum Beschichtungsstoff nicht so sehr zum Tragen kommen.
11. Generell sind Rißbildungen in dünneren Schichten seltener festzustellen als in dickeren, was wiederum auf die geringeren Eigenspannungen zurückzuführen ist. Die dünneren erfindungsgemäßen Schichten sind jedoch eine Eigenschaft der Erfindung sowohl beim fertigen Produkt als auch im Verfahren.
12. Da gemäß der Erfindung die Freiflächen und Spanflächen beschichtet bleiben tritt auch eine kleinere Wärmeentwicklung auf, was sich wiederum positiv auf die maßliche Konstanz der Bohrung auswirkt.
13. Die Vorteile der Erfindung machen sich insbesondere bei Einmesser- Reibahlen-Schneidplatten bemerkbar. Bei diesen ist wegen der relativ niederen Schneidgeschwindigkeit der Freiflächenverschleiß größer als der Spanflächenverschleiß. Je höher die Schnittgeschwindigkeit ist, desto dicker ist die Hartstoffschicht auf der Spanfläche auszubilden.
14. Es hat sich gezeigt, daß noch weniger Schneidenausbrüche auftreten, wenn auf die sonst übliche Ultraschall-Reinigung verzichtet wird.

Eine sehr gute Darstellung über das PVD-Verfahren, das hier angewendet werden kann findet sich in der VDI-Zeitung, Band 127 (1985) Nr. 17 S. 691 bis 696.

Die Erfindung wird nunmehr anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben. In der maßstäblichen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 Das Schliffbild einer konventionellen, im CVD-Verfahren beschichteten Wendeplatte,

Fig. 2 die Wendeplatte nach Fig. 1, bei der jedoch der Hartstoff von der Spanfläche entfernt wurde,

Fig. 3 das Schliffbild einer erfindungsgemäßen Schneidplatte,

Fig. 4 ein Rückstreubild der Schneidkante von Fig. 3 von der Spanfläche aus gesehen,

Fig. 5 das Schliffbild eines Hartmetallmessers, erfindungsgemäß beschichtet, wobei in allen Fig. 1 bis 5 ein 10 µm-Maßstab die Abmessungen angibt.

In Fig. 1 erkennt man den Schneidenbereich einer Hartmetall-Schneidplatte mit einem Spanwinkel von 6°. Die Schneidplatte 11 hat eine Spanfläche 12, eine Freifläche 13 und eine Schneide 14. Auf der Schneidplatte 11 befindet sich eine Hartstoffschicht 16, die aus TiN besteht und eine gleichmäßige, dem Maßstab entnehmbare Schichtdicke hat. Die Hartstoffschicht hat dort einen Radius 17, der erheblich größer als 5 µm ist. Gemäß Fig. 2 ist die Hartstoffschicht 16 abgeschliffen. Da es aus schleiftechnischen Gründen nicht gelingt, genau in Fortsetzung der Spanfläche 12 zu schleifen, fehlt hier nicht nur die Schneide 14. Vielmehr ist der Radius 18 noch größer als der Radius 17 geworden wie man dem maßstäblichen Schliffbild entnehmen kann.

Gemäß Fig. 3 ist erfindungsgemäß eine Schneidplatte 19 aus Hartmetall vorgesehen, die einen Spanwinkel von 15° hat. Auf ihre Spanfläche 12 ist eine Hartstoffschicht 21 im PVD-Verfahren aufgebracht, die etwa 3,5 µm dick ist. Die Schneide 14 ist komplett erhalten. Auf die Freifläche 13 ist eine Hartstoff schicht 22 aufgebracht, die 2,6 µm dick ist. Beide Hartstoffschichten 21, 22 be stehen aus TiCN. Ihre Oberflächen 23, 24 sind sehr eben, was Fig. 3 nicht besonders gut zeigt, jedoch aus Fig. 4 hervorgeht. Die Oberflächen 23, 24 stoßen nicht so spitzwinklig zusammen, wie dies die darunter liegende Span fläche 12 und die Freifläche 13 annehmen lassen würden. Vielmehr erkennt man eine Fase 26, die etwa von 2 Uhr nach 8 Uhr sehr schwach gekrümmt verläuft und die Schneide 14 tangiert, so daß die Schneide 14 gemäß Fig. 4 teilweise freiliegt.

Wird die Schneidplatte 19 als Wendeplatte für Einschneiden-Reibahlen zur Feinbearbeitung von Bohrungen verwendet, dann ist die Hartstoffschicht 22 dicker hergestellt als die Hartstoffschicht 21. Im Ausführungsbeispiel wird die Schneidplatte 19 zeitlich gleich lang in einer PVD-Anlage behandelt. Nur lag die Freifläche 13 mehr im Bedampfungsschatten als die Spanfläche 12, so daß die Hartstoffschicht 21 dicker als die Hartstoffschicht 22 wurde. Sorgt man dafür, daß die Spanfläche 12 im Bedampfungsschatten liegt, dann wird die Hartstoffschicht 22 dicker als die Hartstoffschicht 21.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 bleibt die Schneide 27 eines Hartmetall messers 28 ebenfalls erhalten. Die nach links schauende Hartstoffschicht ist deutlich dicker als die nach rechts oben schauende Hartstoffschicht, was ebenfalls von den Beschattungsverhältnissen herrührt. Hier bildet sich - wohl weil das Hartmetallmesser 28 wesentlich spitzer als 15° ist - keine ausgesprochene Fase aus. Jedoch erkennt man, daß auch hier von der dickeren zur dünneren Schicht hin eine Einziehung vorhanden ist, so daß die Schneide 27 nur sehr dünn mit TiCN-Material überdeckt ist. Hier bildet - wie Fig. 5 zeigt - die dickere Schicht eine nach oben gerichtete Nase, deren Radius im wesentlichen gleich dem Radius der Schneide 27 ist.

Bei der Ausübung des Verfahrens macht man den in der VDI-Zeitung, Band 127, (1985) Nr. 17, S. 691, Bild 1 gezeigten Werkstückhalter rotierbar um seine senkrechte Achse. Zusätzlich sieht man auf dem Werkstückhalter Planetenantriebe vor, die um sich selbst noch einmal rotieren, ähnlich einem Volksfestkarussell, dessen Gondeln während der Gesamtrotation sich für sich selbst nochmals mehrmals drehen. Auf der zu jedem Planetengetriebe gehörigen Plattform wird die Schneidplatte magnetisch festgespannt, so daß ihre Spanfläche 12 und Freifläche 13 parallel zur Rotationsachse stehen. Die vorauseilende Fläche fängt dann aus dem Plasma mehr TiCN als die nacheilende Fläche, im Aus führungsbeispiel von Fig. 3 die Freifläche 13.

Mit TiCN beschichtete Schneidplatten haben sich als besser erwiesen als mit TiN beschichtete Schneidplatten.

Claims

1. Hartmetall-Schneidplatte,
mit einer Freifläche,
mit einer Spanfläche,
mit einer am Ubergang von Freifläche und Spanfläche vorgesehenen Schneide,
mit einer dünnen Hartstoff-Schicht, die Titan und Stickstoff umfaßt und die auf der Freifläche, der Spanfläche und im Bereiche der schneide nieder geschlagen ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Die Hartstoffschicht ist eine im PVD-Verfahren niedergeschlagene Schicht.
b) Die Hartstoffschicht ist nicht nachträglich abgetragen.

2. Schneidplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hartmetall eine K-Qualität nach ISO-Einteilung hat.

3. Schneidplatte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Hartmetall eine K05 bis K20-Qualität hat.

4. Schneidplatte nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Hartmetall eine K10-Qualität hat.

5. Schneidplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Freifläche und/oder Spanfläche eine Oberflächenqualität von R _z kleiner als 0,5 hat.

6. Schneidplatte nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Freifläche und/oder Spanfläche eine Oberflächenqualität von gleich/kleiner als 0,3 hat.

7. Schneidplatte nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Freifläche und/oder Spanfläche eine Oberflächenqualität von gleich/kleiner als 0,1 hat.

8. Schneidplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Bohrungs- Feinbearbeitungs-Schneidplatte ist.

9. Schneidplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einmesser-Reibahlen-Schneidplatte ist.

10. Schneidplatte nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Wendeplatte ist.

11. Schneidplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Oberfläche mehrfach chemisch gereinigt ist.

12. Schneidplatte nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Oberfläche nicht mit Ultraschall gereinigt ist.

13. Schneidplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartstoff schicht auf der Spanfläche dünner als auf der Freifläche ist.

14. Schneidplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartstoff schicht auf der Freifläche dünner als 4 µm ist.

15. Schneidplatte nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß sie dünner als 3 µm ist.

16. Schneidplatte nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß sie 2,5 bis 1,5 µm ist.

17. Schneidplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartstoff schicht auf der Spanfläche dünner als 4 µm ist.

18. Schneidplatte nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß sie dünner als 3 µm ist.

19. Schneidplatte nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß sie 1,5 bis 2,5 µm ist.

20. Schneidplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Übergang von Freifläche zur Spanfläche im Bereich der Schneide die Schichtdicke der Hartstoffschicht gegenüber der angrenzenden Schichtdicke der Freifläche/ Spanfläche erheblich vermindert ist.

21. Schneidplatte nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Hartstoffschicht am Übergang etwa die Gestalt einer Fase hat.

22. Schneidplatte nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Fase ungefähr senkrecht auf der Winkelhalbierenden von Freifläche/Spanfläche steht.