WO2018162321A1 - Schneidelement für ein spanbearbeitungswerkzeug sowie verfahren zur herstellung eines solchen schneidelementes - Google Patents

Schneidelement für ein spanbearbeitungswerkzeug sowie verfahren zur herstellung eines solchen schneidelementes Download PDF

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WO2018162321A1
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layer
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cutting element
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    • B22F2003/241—Chemical after-treatment on the surface
    • B22F2003/244—Leaching

Definitions

  • the invention relates to a cutting element for a chip processing tool according to the preamble of claim 1 and to a method for producing such a cutting element according to claim 6.
  • Cutting elements are used in the milling of non-ferrous
  • Such PCD cutting elements have a sintered base body, in which a synthetically produced, extremely hard mass of diamond particles with random orientation in a metal matrix (hereinafter also called metallic binder) is embedded.
  • a metallic binder cobalt or a cobalt alloy is exemplified.
  • the grain size of the embedded in the metal matrix diamond grains can be exemplified in the ⁇ - range, approximately between 2 ⁇ to 100 ⁇ , lie.
  • a metal-graphite mixture is subjected to a very high process pressure as well as a high process temperature, forming a porous diamond network in which the diamond grains are relative to their grain size
  • Binder matrix gives the cutting element the required toughness.
  • the service life of a PCD cutting element depends on the material strength of the workpieces to be machined. With high material strength, the service life is correspondingly greatly reduced. From DE 10 2014 210 371 A1 discloses a cutting tool is known, the substrate surface not of PCD diamonds, but from
  • Carbide-based hard material particles which are embedded in a cobalt-containing binder matrix.
  • a diamond layer is applied. It has been shown that between the
  • Graphite layer can arise. In the machining process, this acts as a predetermined breaking point at which the diamond layer can chip off, which leads to a reduced service life.
  • the object of the invention is a cutting element for a
  • PCD polycrystalline diamond
  • the invention is based on the finding that in the milling of an aluminum workpiece by means of PCD cutting elements, a chemical affinity of cobalt, which is contained in the metal matrix, to the aluminum is present. This means that at a correspondingly high cutting temperature, cobalt diffuses out of the PCD cutting element into the aluminum material.
  • the chemical affinity increases with increasing cutting temperature. This reaction increases the friction between chip and cutting edge. The cutting edge is therefore exposed to increased mechanical stress, which requires increased cutting edge strength.
  • the removal of the metallic binder phase leads in addition to a Strength reduction of the cutting edge, due to the exposure of the porosity of the PCD structure. With increasing strength of the too
  • Claim 1 the sintered body to increase the Schneidelement- wear resistance on a layer structure with at least one cobalt-free or binder-free diamond layer of diamond grains, which covers the sintered body at least in the region of the cutting edge closed area.
  • a direct contact of the metallic binder with a material to be processed is thus avoided in the cutting process. Diffusion of the metallic binder from the cutting element into the material to be processed (due to chemical affinity) is therefore prevented, whereby the service life of the tool is substantially increased compared to the prior art.
  • Such a material order "diamond on diamond” has in comparison to the above prior art (that is, material deposition diamond on
  • Diamond layer and the substrate can be prevented. Rather, the material order "diamond on diamond” behaves like a consistent one material of the same material, whereby an extremely high adhesion of the diamond layer, without the risk of chipping, is achieved.
  • the diamond grains applied in the application step show a high tendency to completely fill in the remaining free spaces of the diamond pore structure, which further increases the layer adhesion strength. Furthermore, a substantially completely uniform layer thickness of
  • Diamond layer achieved, which reduces the extent of post-processing.
  • Compressive residual stress of the diamond layer which also has a positive effect on the layer adhesion.
  • the low compressive residual stress enables a significantly increased layer thickness of the diamond layer compared to the prior art, without the risk of chipping.
  • the penetration of the diamond layer into the pores between the PCD diamond grains leads to a multiplication of the diamond grain boundaries, which leads to a significant increase in strength.
  • the average grain size of the diamond bodies in the sintered base body is considerably larger than the grain size of the diamond grains in the sintered body Diamond layer.
  • the diamond pore structure of the sintered body in this case is composed of diamond coarse grains, while in the
  • the diamond layer is composed of diamond fine grains whose
  • average grain size in the lower ⁇ range or especially even in the nm range can be.
  • average grain size of the diamond coarse grains in the ⁇ range can be average grain size in the lower ⁇ range or especially even in the nm range.
  • Layer structure of the sintered body additionally has a binder-free (that is, cobalt-free) intermediate layer which is disposed between the base body and the outer diamond layer.
  • a binder-free (that is, cobalt-free) intermediate layer which is disposed between the base body and the outer diamond layer.
  • the diamond bodies of the sintered base body form the already mentioned diamond pore structure whose interstices are filled with the metallic binder.
  • the method for producing a cutting element can be carried out as follows: For example, in a sintering process step known from the prior art, a sintered base body can be produced in which diamond grains are embedded in the metallic binder. It is important that a sufficient number of diamond-diamond grain boundaries are formed in the sintering process, so that after the Wegforden the metallic binder (that is, the binder / filler phase) is still a certain strength of the remaining PCD composite exists.
  • an etching step can take place in which the metallic binder is removed from the near-surface region of the base body to form a near-surface open pore structure in the sintered base body.
  • Diamond layer is applied in particular by a chemical vapor deposition (CVD) on the sintered body.
  • CVD chemical vapor deposition
  • the applied diamond grains are first infiltrated as filler in the near-surface open pore structure of the sintered body, whereby the intermediate layer is formed.
  • the applied diamond grains build up the outer diamond layer.
  • the application of the intermediate layer and the diamond layer may optionally be carried out a post-processing step in which, for example, by a grinding process material is removed to a final dimension of the cutting element.
  • a post-processing step in which, for example, by a grinding process material is removed to a final dimension of the cutting element.
  • Diamond layer is preferably dimensioned such that the in
  • Layer thickness of the outer diamond layer is.
  • FIG. 1 shows a side view of a milling tool
  • Figure 2 is a greatly enlarged sectional view through a
  • Figures 3 to 6 are views corresponding to the figure 2, the
  • a milling tool 1 is shown by way of example, the
  • the milling tool 1 has
  • Milling tool 1 formed with end cutting, which are facing the workpiece surface 3.
  • the milling tool 1 is driven with a rotational movement R about the tool axis W.
  • the milling tool 1 is driven with a feed movement V (FIG. 1) transversely to the tool axis W and along the workpiece surface 3. In this way, the milling tool 1 cuts the material mainly with the peripheral blades 7, while the end cutting scrape only the machined workpiece surface 9.
  • FIG. 2 shows the material structure of one of the cutting elements 5, specifically along the sectional plane A-A from FIG. 1. Accordingly, the cutting element 5 a leading in the direction of rotation R of the milling tool 1 rake face 9 and a trailing in the tool rotation R free space 1 1, which at a cutting edge 13 of
  • Peripheral cutting 7 converge.
  • the cutting element 5 formed of a sintered base body 15, are embedded in the diamond coarse grains 17 in a metallic, cobalt-containing binder 19.
  • the diamond coarse grains 17 are in point contact with each other, thereby forming a porous diamond network (hereinafter also diamond pore structure) in which the diamond grains are chemically bonded by sintering necks small in area relative to their grain size.
  • the porous diamond network hereinafter also diamond pore structure
  • a double layer structure 20 ( Figure 2) is applied, which consists of a cobalt-free or binder-free outer
  • Diamond layer 21 and an intermediate layer 23 which is disposed between the outer diamond layer 21 and the sintered base body 15.
  • the diamond layer 21 has a layer thickness S3 in FIG. 2, which includes the sintered base body 15 and the intermediate layer 23
  • the diamond layer 21 is formed of fine diamond grains 25 whose average grain size is much smaller than the average grain size of the diamond coarse grains 17 in the sintered base body 15.
  • the binder-free (that is cobalt-free) intermediate layer 23 is in view of an increased adhesive strength of the diamond layer 21 and for a
  • the base body 15 Increasing the strength of the PCD composite (that is, the base body 15) provided.
  • the diamond pore structure in the near-surface region of the sintered base body 15 is no longer filled with the metallic binder 19, but rather is replaced by the diamond fine grains 25 of the diamond layer 21.
  • the diamond Fine grains 25 of the diamond layer 21 are therefore infiltrated as Feedbackmate al in the near-surface diamond pore structure of the sintered body 15.
  • Sintering process forms a metal-graphite mixture, which is exposed to a very high process pressure and a very high process temperature.
  • the diamond pore structure is formed with the diamond coarse grains 17, which are completely embedded in the metallic binder 19.
  • an etching step takes place.
  • Base 15 formed by the metallic binder 19 is etched away from a near-surface region of the sintered body 15.
  • the open diamond pore structure 27 has a layer thickness s1 in FIG.
  • WO 2004/031437 A1 discloses such an etching step (in order to produce a sufficient layer adhesion of the diamond layer to hard metal). From DE 195 22 371 A1 it is likewise known to provide a cobalt-selective etching step with subsequent cleaning of the etched substrate surface prior to the application of a diamond layer. In the same way, a method for diamond coating of a cemented carbide substrate is known from US 6 096 377 A1, in which a
  • Cobalt selective etching step is used. From WO 2004/031437 A1, moreover, a chemical etching step is known in which the metallic binder, in particular the cobalt contained therein, is removed. This is followed by an application step ( Figure 5), in which the sintered
  • Base body 15 with the binder-free, that is cobalt-free diamond layer 21 is coated.
  • the application step is carried out by depositing a polycrystalline diamond film by chemical vapor deposition (CVD).
  • CVD chemical vapor deposition
  • Such a method is known, for example, from US Pat. No. 5,082,359 A.
  • WO 98/35071 A1 likewise discloses depositing a polycrystalline diamond film on a cemented carbide substrate made of a tungsten carbide embedded in a cobalt matrix (WO 2004/031437 A1).
  • the application step according to FIG. 5 is carried out in two stages: First, the diamond fine grains 25 are infiltrated as filling material into the open pore structure 27 of the sintered base body 15, whereby the intermediate layer 23 is formed. In the further course of the CVD application, the diamond layer 21 is then built up with a layer thickness S2 by the diamond fine grains 25.
  • Post-processing step carried out in which a material removal ⁇ takes place in a grinding process in order to produce the cutting element 5 to a final dimension.
  • the material removal ⁇ is smaller in FIG. 6 than the layer thickness S3 of the diamond layer 21. In this way, it is ensured that a residual layer thickness S3 of the diamond layer 21 remains even after the finishing, in order to reliably prevent a diffusion of cobalt into the aluminum material of the workpiece 3.
  • an adhesive preferably sub- ⁇ crystalline diamond layer 21 on the PCD cutting element
  • the layer thickness of the diamond layer 21 can be, for example, 7 ⁇ m, a perfect layer connection being achieved without the risk of spalling. Due to the material identity between the diamond layer 21 and the diamond pore structure in the intermediate layer 23 and in the sintered base body 15 results in the diamond layer 21 an extremely low compressive residual stress, whereby the diamond layer 21 can be applied significantly thicker than in a comparable sintered body made of hard metal without this being critical for the stability of the cutting edge.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schneidelement für ein Spanbearbeitungswerkzeug, insbesondere ein Fräswerkzeug (1), das zumindest eine spanabhebende Schneidkante (13) aufweist, wobei das Schneidelement (5) einen gesinterten Grundkörper (15) aufweist, bei dem Diamantkörner (17) in einem metallischen Binder (19), insbesondere aus Kobalt oder einer Kobaltlegierung, eingebettet sind. Erfindungsgemäß weist der gesinterte Grundkörper (15) einen Schichtaufbau (20) mit zumindest einer kobaltfreien oder binderfreien äußeren Diamantschicht (21) aus Diamantkörnern (25) auf, die zumindest im Bereich der Schneidkante (13) den Grundkörper (15) geschlossenflächig überdeckt.

Description

Schneidelement für ein Spanbearbeitungswerkzeug sowie Verfahren zur Herstellung eines solchen Schneidelementes
Die Erfindung betrifft ein Schneidelement für ein Spanbearbeitungswerkzeug nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Schneidelementes nach dem Patentanspruch 6.
Aus PKD (polykristalliner Diamant) hergestellte Schneidplatten oder
Schneidelemente werden bei der Fräsbearbeitung von Nichteisen-
Werkstücken, insbesondere aus Aluminiumlegierungen, verwendet. Derartige PKD-Schneidelemente weisen einen gesinterten Grundkörper auf, bei dem eine synthetisch hergestellte, extrem harte Masse von Diamantpartikeln mit Zufallsorientierung in einer Metallmatrix (nachfolgend auch metallischer Binder genannt) eingebettet ist. Als metallischer Binder wird beispielhaft Kobalt oder eine Kobaltlegierung verwendet. Die Korngröße der in der Metallmatrix eingebetteten Diamantkörner kann exemplarisch im μιτι- Bereich, etwa zwischen 2 μιτι bis 100 μιτι, liegen. Im Sinterprozess wird ein Metall-Graphit-Gemisch einem sehr hohen Prozessdruck sowie einer hohen Prozesstemperatur ausgesetzt, wodurch sich ein poröses Diamantnetzwerk bildet, bei dem die Diamantkörner durch relativ zu ihrer Korngröße
kleinflächige Sinterhälse chemisch gebunden sind. Die verbliebenen Poren sind mit dem metallischen Binder gefüllt. Die Diamantkörner bewirken eine gesteigerte Härte des Schneidelementes, während die kobalthaltige
Bindermatrix dem Schneidelement die erforderliche Zähigkeit verleiht.
Die Standzeit eines PKD-Schneidelements hängt von der Material-Festigkeit der zu bearbeitenden Werkstücke ab. Bei hoher Material-Festigkeit ist die Standzeit entsprechend stark reduziert. Aus der DE 10 2014 210 371 A1 ist ein spanabhebendes Werkzeug bekannt, das eine Substratoberfläche nicht aus PKD-Diamanten, sondern aus
Hartstoffpartikeln auf Carbid-Basis aufweist, die in einer kobalthaltigen Bindermatrix eingebettet sind. Unmittelbar auf der Substratoberfläche ist eine Diamantschicht aufgetragen. Es hat sich gezeigt, dass zwischen der
Diamantschicht und den Hartstoffpartikeln auf Carbid-Basis eine
Graphitschicht entstehen kann. Diese wirkt im Zerspanungsprozess als Sollbruchstelle, an der die Diamantschicht abplatzen kann, was zu einer reduzierten Standzeit führt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Schneidelement für ein
Spanbearbeitungswerkzeug bereitzustellen, das aus einem polykristallinen Diamant (PKD) aufgebaut ist und dessen Standzeiten speziell bei der Bearbeitung von NE-Metallen, insbesondere Aluminiumwerkstoffen, in einfacher Weise erhöht ist.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 oder 6 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bei der Fräsbearbeitung eines Aluminium-Werkstückes mittels PKD-Schneidelementen eine chemische Affinität von Kobalt, das in der Metallmatrix enthalten ist, zum Aluminium vorliegt. Das heißt dass bei entsprechend hoher Zerspanungstemperatur Kobalt aus dem PKD-Schneidelement in den Aluminiumwerkstoff diffundiert. Die chemische Affinität steigt bei zunehmender Zerspanungstemperatur. Diese Reaktion erhöht die Reibung zwischen Span und Schneidkante. Die Schneidkante ist daher einer erhöhten mechanischen Belastung ausgesetzt, was eine erhöhte Schneidkanten-Festigkeit erforderlich macht. Der Abtrag der metallischen Binderphase führt jedoch zusätzlich zu einer Festigkeitsminderung der Schneidkante, und zwar aufgrund der Freilegung der Porosität der PKD-Struktur. Bei steigender Festigkeit des zu
bearbeitenden Werkstoffs steigt also die Neigung zu Kantenbrüchen am Werkzeug.
Vor diesem Hintergrund weist gemäß dem kennzeichnenden Teil des
Anspruches 1 der gesinterte Grundkörper zur Erhöhung der Schneidelement- Verschleißfestigkeit einen Schichtaufbau mit zumindest einer kobaltfreien oder binderfreien Diamantschicht aus Diamantkörnern auf, die zumindest im Bereich der Schneidkante den gesinterten Grundkörper geschlossenflächig überdeckt. Mit Hilfe der Diamantschicht wird somit im Zerspanungsprozess ein direkter Kontakt des metallischen Binders mit einem zu bearbeitenden Werkstoff vermieden. Ein Diffundieren des metallischen Binders aus dem Schneidelement in den zu bearbeitenden Werkstoff (aufgrund chemischer Affinität) wird daher verhindert, wodurch die Standzeit des Werkzeugs im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich erhöht ist.
Erfindungsgemäß wird somit in völliger Abkehr zur bisherigen Lehrmeinung ein völlig neuer Lösungsweg beschritten, bei dem unmittelbar„Diamant auf Diamant" aufgetragen wird, das heißt die Diamant-Porenstruktur des gesinterten Schneidelement-Grundkörpers in einem zusätzlichen
Applikationsschritt nochmals mit Diamantkörner beaufschlagt wird.
Ein solcher Materialauftrag„Diamant auf Diamant" hat im Vergleich zum obigen Stand der Technik (das heißt Materialauftrag Diamant auf
Hartstoffpartikel-Substrat auf Carbid-Basis) entscheidende Vorteile:
So kann erfindungsgemäß eine Graphitschicht-Bildung zwischen der
Diamantschicht und dem Substrat verhindert werden. Vielmehr verhält sich der Materialauftrag„Diamant auf Diamant" wie ein durchgängig materialeinheitlicher Werkstoff, wodurch eine äußerst hohe Haftfestigkeit der Diamantschicht, ohne Gefahr von Abplatzern, erzielt wird.
Zudem zeigen die im Applikationsschritt aufgetragenen Diamantkörner eine hohe Neigung, noch freie Zwischenräume der Diamant-Porenstruktur komplett auszufüllen, was die Schichthaftfestigkeit weiter erhöht. Ferner wird eine im Wesentlichen komplett gleichmäßige Schichtdicke der
Diamantschicht erzielt, wodurch sich das Ausmaß der Nachbearbeitung reduziert.
Darüber hinaus resultiert der Materialauftrag„Diamant auf Diamant" in einer - im Vergleich zum Stand der Technik - äußerst geringen
Druckeigenspannung der Diamantschicht, was sich ebenfalls positiv auf die Schichthaftfestigkeit auswirkt. Die geringe Druckeigenspannung ermöglicht eine im Vergleich zum Stand der Technik deutlich erhöhte Schichtdicke der Diamantschicht, und zwar ohne die Gefahr von Abplatzern. Zudem führt das Eindringen der Diamantschicht in die Poren zwischen den PKD- Diamantkörnern zu einer Vervielfachung der Diamant-Korngrenzen, was zu einer deutlichen Festigkeitssteigerung führt.
Nachfolgend sind weitere Aspekte der Erfindung beschrieben: So ist in einer technischen Umsetzung das Diamantmaterial der Diamantschicht
materialidentisch mit dem Diamantmaterial des gesinterten Grundkörpers. Auf diese Weise wird Schichthaftung der Diamantschicht auf dem gesinterten Grundkörper verbessert.
Zur weiteren Steigerung der Schichthaftung sowie zur Ausbildung einer möglichst geschlossenflächigen Beschichtung ist es bevorzugt, wenn die durchschnittliche Korngröße der Diamantkörper im gesinterten Grundkörper beträchtlich größer ist als die Korngröße der Diamantkörner in der Diamantschicht. Die Diamant-Porenstruktur des gesinterten Körpers ist in diesem Fall aus Diamant-Grobkörnern aufgebaut, während im
Applikationsschritt Diamant-Feinkörner aufgetragen werden. Entsprechend ist die Diamantschicht aus Diamant-Feinkörnern aufgebaut, deren
durchschnittliche Korngröße im unteren μηη-Bereich oder insbesondere sogar im nm-Bereich liegen kann. Demgegenüber kann die durchschnittliche Korngröße der Diamant-Grobkörner im μηη-Bereich liegen.
Zur weiteren Steigerung der Haftfestigkeit ist es bevorzugt, wenn der
Schichtaufbau des gesinterten Grundkörpers zusätzlich eine binderfreie (das heißt kobaltfreie) Zwischenschicht aufweist, die zwischen dem Grundkörper und der äußeren Diamantschicht angeordnet ist.
Die Diamantkörper des gesinterten Grundkörpers bilden die bereits erwähnte Diamant-Porenstruktur, deren Zwischenräume mit dem metallischen Binder ausgefüllt sind. Im Hinblick auf eine einfache Ausbildung der oben erwähnten Zwischenschicht ist es bevorzugt, wenn im oberflächennahen Bereich der Diamant-Porenstruktur der metallische Binder durch ein Füllmaterial ersetzt ist, um eine weitere zusätzliche Trennung zwischen dem metallischen Binder und dem zu bearbeitenden Werkstoff zu erzielen. Im Hinblick auf eine einfache Herstellung der Zwischenschicht ist es bevorzugt, wenn das
Füllmaterial unmittelbar durch die Diamantkörner der Diamantschicht gebildet wird. In diesem Fall kann das Verfahren zur Herstellung eines Schneidelementes wie folgt durchgeführt werden: So kann zunächst in einem aus dem Stand der Technik bekannten Sinterprozessschritt ein gesinterter Grundkörper hergestellt werden, bei dem Diamantkörner im metallischen Binder eingebettet sind. Hierbei ist wichtig, dass eine ausreichende Anzahl von Diamant-Diamant-Korngrenzen im Sinterprozess entstehen, damit nach dem Wegätzen des metallischen Binders (das heißt der Binder-/Füllerphase) noch eine gewisse Festigkeit des verbleibenden PKD-Verbundes vorhanden ist.
Nachfolgend kann ein Ätzschritt erfolgen, bei dem unter Bildung einer oberflächennahen offenen Porenstruktur im gesinterten Grundkörper der metallische Binder aus dem oberflächennahen Bereich des Grundkörpers entfernt wird.
Anschließend kann ein Applikationsschritt erfolgen, bei dem die
Diamantschicht insbesondere durch eine chemische Phasenabscheidung (CVD) auf den gesinterten Grundkörper aufgetragen wird. In diesem Fall werden die aufgetragenen Diamantkörner zunächst als Füllmaterial in die oberflächennahe offene Porenstruktur des gesinterten Grundkörpers infiltriert, wodurch sich die Zwischenschicht bildet. Im weiteren Verlauf der CVD-Applikation bauen die aufgetragenen Diamantkörner die äußere Diamantschicht auf.
Nach erfolgter Applikation der Zwischenschicht sowie der Diamantschicht kann gegebenenfalls ein Nachbearbeitungsschritt durchgeführt werden, bei dem zum Beispiel durch einen Schleifprozess Material bis auf ein Endmaß des Schneidelementes abgetragen wird. Die Schichtdicke der
Diamantschicht ist bevorzugt derart bemessen, dass der im
Nachbearbeitungsschritt erfolgende Materialabtrag kleiner als die
Schichtdicke der äußeren Diamantschicht ist.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben:
Es zeigen Figur 1 in einer Seitenansicht ein Fräswerkzeug;
Figur 2 eine stark vergrößerte Schnittdarstellung durch ein
Schneidelement entlang der Schnittebene A-A aus der Figur 1 ;
Figuren 3 bis 6 jeweils Ansichten entsprechend der Figur 2, die
Prozessschritte zur Herstellung eines in der Figur 2 gezeigten Schneidelementes veranschaulichen.
In der Figur 1 ist exemplarisch ein Fräswerkzeug 1 gezeigt, dessen
Werkzeugachse W senkrecht zu einer zu bearbeitenden
Werkstückoberfläche 3 ausgerichtet ist. Das Fräswerkzeug 1 weist
umfangsseitig gleichmäßig verteilte Schneidelemente 5 auf. Diese sind am Außenumfang mit Umfangsschneiden 7 (Figur 2) sowie stirnseitig am
Fräswerkzeug 1 mit Stirnschneiden ausgebildet, die der Werkstückoberfläche 3 zugewandt sind. Im dargestellten Fräsbetrieb wird das Fräswerkzeug 1 mit einer Rotationsbewegung R um die Werkzeugachse W angetrieben. Zudem wird das Fräswerkzeug 1 mit einer Vorschubbewegung V (Figur 1 ) quer zur Werkzeugachse W sowie entlang der Werkstückoberfläche 3 angetrieben. Auf diese Weise zerspant das Fräswerkzeug 1 den Werkstoff hauptsächlich mit den Umfangsschneiden 7, während die Stirnschneiden lediglich die bearbeitete Werkstückoberfläche 9 glattschaben.
In der Figur 2 ist der Materialaufbau eines der Schneidelemente 5 dargestellt, und zwar entlang der Schnittebene A-A aus der Figur 1 . Demzufolge weist das Schneidelement 5 eine in Drehrichtung R des Fräswerkzeugs 1 vorauseilende Spanfläche 9 sowie eine in der Werkzeug-Drehrichtung R nacheilende Freifläche 1 1 auf, die an einer Schneidkante 13 der
Umfangsschneide 7 zusammenlaufen. In der Figur 2 ist das Schneidelement 5 aus einem gesinterten Grundkörper 15 ausgebildet, bei dem Diamant- Grobkörner 17 in einem metallischen, kobalthaltigen Binder 19 eingebettet sind. Die Diamant-Grobkörner 17 sind zueinander in Punktkontakt, wodurch sich ein poröses Diamantnetzwerk (nachfolgend auch Diamant- Porenstruktur) bildet, bei dem die Diamantkörner durch relativ zu ihrer Korngröße kleinflächige Sinterhälse chemisch gebunden sind. Die
verbliebenen Poren (oder Zwischenräume) sind mit dem metallischen Binder 19 gefüllt. Auf dem gesinterten Grundkörper 15 ist ein Doppelschichtaufbau 20 (Figur 2) aufgebracht, der aus einer kobaltfreien bzw. binderfreien äußeren
Diamantschicht 21 sowie einer Zwischenschicht 23 besteht, die zwischen der äußeren Diamantschicht 21 und dem gesinterten Grundkörper 15 angeordnet ist. Die Diamantschicht 21 weist in der Figur 2 eine Schichtdicke S3 auf, die den gesinterten Grundkörper 15 sowie die Zwischenschicht 23
geschlossenflächig überdeckt. Auf diese Weise wird im Zerspanungsprozess ein direkter Kontakt des im metallischen Binder 19 enthaltenen Kobalts mit dem zu bearbeitenden Aluminium-Werkstoff des Werkstückes 3 vermieden. Die Diamantschicht 21 ist aus Diamant-Feinkörnern 25 gebildet, deren durchschnittliche Korngröße wesentlich geringer ist als die durchschnittliche Korngröße der Diamant-Grobkörner 17 im gesinterten Grundkörper 15.
Die binderfreie (das heißt kobaltfreie) Zwischenschicht 23 ist im Hinblick auf eine gesteigerte Haftfestigkeit der Diamantschicht 21 sowie für eine
Steigerung der Festigkeit des PKD-Verbundes (das heißt des Grundkörpers 15) vorgesehen. In der Zwischenschicht 23 ist die Diamant-Porenstruktur im oberflächennahen Bereich des gesinterten Grundkörpers 15 nicht mehr mit dem metallischen Binder 19 aufgefüllt, sondern ist dieser vielmehr durch die Diamant-Feinkörner 25 der Diamantschicht 21 ersetzt. Die Diamant- Feinkörner 25 der Diamantschicht 21 sind daher als Füllmate al in die oberflächennahe Diamant-Porenstruktur des gesinterten Körpers 15 infiltriert.
Nachfolgend sind anhand der Figuren 3 bis 6 die Prozessschritte zur
Herstellung des in der Figur 2 gezeigten Schneidelement-Materialaufbaus erläutert: Zunächst wird in der Figur 3 der gesinterte Grundkörper 15 in einem Sinterprozess bereitgestellt. Die Ausgangskomponente für den
Sinterprozess bildet ein Metall-Graphit-Gemisch, das einem sehr hohen Prozessdruck sowie einer sehr hohen Prozesstemperatur ausgesetzt wird. Auf diese Weise bildet sich die Diamant-Porenstruktur mit den Diamant- Grobkörnern 17, die in dem metallischen Binder 19 vollständig eingebettet sind.
Anschließend erfolgt in der Figur 4 ein Ätzschritt. Im Ätzschritt wird eine oberflächennahe offene Diamant-Porenstruktur 27 im gesinterten
Grundkörper 15 gebildet, indem der metallische Binder 19 aus einem oberflächennahen Bereich des gesinterten Grundkörpers 15 weggeätzt wird. Die offene Diamant-Porenstruktur 27 weist in der Figur 4 eine Schichtdicke s1 auf.
Beispielhaft ist aus der WO 2004/031437 A1 ein derartiger Ätzschritt bekannt (um eine ausreichende Schichthaftung der Diamantschicht auf Hartmetall herzustellen). Aus der DE 195 22 371 A1 ist ebenfalls bekannt, vor dem Aufbringen einer Diamantschicht einen kobaltselektiven Ätzschritt mit anschließender Reinigung der geätzten Substratoberfläche bereitzustellen. In gleicher Weise ist auch aus der US 6 096 377 A1 ein Verfahren zur Diamant- Beschichtung eines Hartmetallsubstrates bekannt, bei dem ein
kobaltselektiver Ätzschritt eingesetzt wird. Aus der WO 2004/031437 A1 ist zudem ein chemischer Ätzschritt bekannt, bei dem der metallische Binder, insbesondere das darin enthaltene Kobalt, entfernt wird. Danach folgt ein Applikationsschritt (Figur 5), bei dem der gesinterte
Grundkörper 15 mit der binderfreien, das heißt kobaltfreien Diamantschicht 21 beschichtet wird. Der Applikationsschritt wird durch Aufbringen eines polykristallinen Diamantfilmes mittels chemischer Dampfphasenabscheidung (CVD) durchgeführt. Ein derartiges Verfahren ist beispielhaft aus der US 5 082 359 A bekannt. Aus der WO 98/35071 A1 ist ebenfalls ein Abscheiden eines polykristallinen Diamantfilms auf einem Hartmetallsubstrat aus einer in eine Kobaltmatrix eingebetteten Wolframcarbid bekannt (WO 2004/031437 A1 ).
Der Applikationsschritt gemäß der Figur 5 wird zweistufig durchgeführt: Zunächst werden die Diamant-Feinkörner 25 als Füllmaterial in die offene Porenstruktur 27 des gesinterten Grundkörpers 15 infiltriert, wodurch sich die Zwischenschicht 23 bildet. Im weiteren Verlauf der CVD-Applikation wird anschließend durch die Diamant-Feinkörner 25 die Diamantschicht 21 mit einer Schichtdicke S2 aufgebaut.
Gegebenenfalls kann nachfolgend ein in der Figur 6 gezeigter
Nachbearbeitungsschritt erfolgen, bei dem in einem Schleifprozess ein Materialabtrag Δχ erfolgt, um das Schneidelement 5 auf ein Endmaß zu fertigen. Der Materialabtrag Δχ ist in der Figur 6 kleiner als die Schichtdicke S3 der Diamantschicht 21 bemessen. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass auch nach der Endbearbeitung eine Restschichtdicke S3 der Diamantschicht 21 verbleibt, um ein Diffundieren von Kobalt in das Aluminium-Material des Werkstückes 3 zuverlässig zu verhindern.
Zusammenfassend wird erfindungsgemäß eine haftfähige, bevorzugt sub- μηη-kristalline Diamantschicht 21 auf das PKD-Schneidelement
abgeschieden, um die Festigkeit des Schneidelements an den Schneidkanten zu erhöhen. Die Schichtdicke der Diamantschicht 21 kann beispielhaft 7 μιτι betragen, wobei eine einwandfreie Schichtanbindung ohne die Gefahr von Abplatzen erzielt wird. Aufgrund der Material Identität zwischen der Diamantschicht 21 und der Diamant-Porenstruktur in der Zwischenschicht 23 sowie im gesinterten Grundkörper 15 ergibt sich in der Diamantschicht 21 eine äußerst geringe Druckeigenspannung, wodurch die Diamantschicht 21 deutlich dicker aufgetragen werden kann als bei einem vergleichbaren gesinterten Grundkörper aus Hartmetall, ohne dass dies für die Stabilität der Schneidkante kritisch ist.

Claims

Patentansprüche
Schneidelement für ein Spanbearbeitungswerkzeug, insbesondere ein Fräswerkzeug (1 ), das zumindest eine spanabhebende Schneidkante (13) aufweist, wobei das Schneidelement (5) einen gesinterten
Grundkörper (15) aufweist, bei dem Diamant-Grobkörner (17) in einem metallischen Binder (19), insbesondere aus Kobalt oder einer
Kobaltlegierung, eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit der gesinterte Grundkörper (15) einen Schichtaufbau (20) mit zumindest einer kobaltfreien oder binderfreien äußeren Diamantschicht (21 ) aus Diamant-Feinkörnern (25) aufweist, die zumindest im Bereich der Schneidkante (13) den Grundkörper (15) geschlossenflächig überdeckt, und dass mittels der Diamantschicht (21 ) bei der Spanbearbeitung ein direkter Kontakt des metallischen Binders (19) mit einem zu bearbeitenden Werkstoff vermieden wird, dass die durchschnittliche Korngröße der Diamant- Grobkörner (17) im gesinterten Grundkörper (15) größer ist als die durchschnittliche Korngröße der Diamant-Feinkörner (25) in der Diamantschicht (21 ), und dass der Schichtaufbau (20) des
Grundkörpers (15) eine binderfreie oder kobaltfreie Zwischenschicht (23) aufweist, die zwischen dem Grundkörper (15) und der
Diamantschicht (21 ) angeordnet ist, und dass die binderfreie oder kobaltfreie Zwischenschicht (23) sowohl aus den Diamant- Grobkörnern (17) des gesinterten Grundkörpers (15) als auch aus den Diamant-Grobkörnern (25) der Diamantschicht (21 ) besteht.
Schneidelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Diamantmaterial der Diamantschicht (21 ) materialidentisch mit dem Diamantmaterial des gesinterten Grundkörpers (15) ist, und dass insbesondere das Diamantmaterial PKD ist. Schneidelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Diamant-Grobkörner (17) des gesinterten Grundkörpers (15) eine Diamant-Porenstruktur bilden, deren Zwischenräume mit dem metallischen Binder (19) ausgefüllt sind, und dass zur Bildung der Zwischenschicht (23) im oberflächennahen Bereich der Diamant- Porenstruktur der metallische Binder (19) durch ein Füllmaterial ersetzt ist, und dass das Füllmaterial die Diamant-Feinkörner (25) der Diamantschicht (21 ) sind.
Verfahren zur Herstellung eines Schneidelements (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Sinterprozessschritt, bei dem ein Grundkörper (15) gesintert wird, in dem Diamant-Grobkörper (17) in einem metallischen Binder (19), insbesondere aus Kobalt bzw. Kobaltlegierung, eingebettet sind, und mit einem nachfolgenden Applikationsschritt, bei dem der gesinterte Grundkörper (15) mit einer kobaltfreien oder binderfreien Diamantschicht (21 ) aus Diamant- Feinkörnern (25) beschichtet wird, wobei vor Durchführung des Applikationsschritts ein Vorbehandlungsschritt, insbesondere
Ätzschritt, erfolgt, bei dem unter Bildung einer oberflächennahen offenen Porenstruktur (27) der metallische Binder (19) aus einem oberflächennahen Bereich des Grundkörpers (15) entfernt wird, wobei nach dem Vorbehandlungsschritt ein Füllschritt erfolgt, bei dem die offene Porenstruktur (27) des Grundkörpers (15) mit einem
Füllmaterial aufgefüllt wird, und zwar unter Bildung einer
Zwischenschicht (23), und wobei der Füllschritt und der
Applikationsschritt gemeinsam durchgeführt werden, wobei die
Diamant-Feinkörner (25) der Diamantschicht (21 ) zunächst als
Füllmaterial in die offene Porenstruktur (27) des Grundkörpers (15) infiltriert werden, und zwar unter Bildung der Zwischenschicht (23), und anschließend im weiteren Verlauf der Applikation der Diamant- Feinkörner (25) die äußere Diamantschicht (21 ) aufbauen.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Applikationsschritt Diamantkörner, insbesondere Diamant-Feinkörner (25), unter Bildung der Diamantschicht (21 ) durch eine chemische Gasphasenabscheidung (CVD) auf den gesinterten Grundkörper (15) aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch
gekennzeichnet, dass in einem Nachbearbeitungsschritt eine Nachbearbeitung des Schneidelements (5), insbesondere ein
Schleifen, mit einem Materialabtrag (Δχ) bis auf ein Endmaß des Schneidelements (5) erfolgt, und dass insbesondere der
Materialabtrag (Δχ) kleiner als die Schichtdicke (S3) der
Diamantschicht (21 ) ist.
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