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PATENTAN SPRÜCHE
1. Schneidwerkzeug mit einem Grundkörper (1), der auf der Seite seiner Arbeitsfläche (2) eine Grundschicht (4) und darüber einen verschleissfesten Überzug (5) trägt, dessen Material mit dem Material der Grundschicht (4) gemeinsame Komponenten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass unter der Arbeitsfläche (2) des Grundkörpers (1) eine thermostabile Übergangsschicht (3) vorhanden ist, welche aus dem Material des Grundkörpers (1) und eindiffundierten Komponenten der Grundschicht (4) besteht, wobei die Konzentration des Materials der Grundschicht (4) mit zunehmendem Abstand von der Arbeitsfläche (2) abnimmt.
2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der thermostabilen Ubergangsschicht (3) 0.1 - 10 Mm beträgt.
3. Verfahren zur Herstellung des Schneidwerkzeugs nach Anspruch 1. bei welchem mindestens eine aus einem schwer schmelzbaren Material hergestellte Kathode bei Unterdruck mittels einer Bogenentladung verdampft und eine Spannung an das Schneidwerkzeug angelegt wird, um die Arbeitsfläche seines Grundkörpers durch Bombardierung mit Ionen von der verdampfenden Kathode zu reinigen und zu erwärmen, und bei welchem bei Unterdruck und abgesenkter Spannung in Anwesenheit eines Reaktionsgases ein verschleissfester Überzug auf dem Werkzeug ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet.
dass das Reaktionsgas in der Phase der Reinigung und Erwärmung der Arbeitsfläche (2) zugesetzt wird, sobald das Material des Grundkörpers (2) die Lösungstemperatur der Hauptkomponente des Reaktionsgases erreicht hat und dass die Arbeitsfläche (2) unter Ausbildung der Grundschicht (4) und der thermostabilen Übergangsschicht (3) weiter erwärmt wird, bis die Temperatur des Phasengleichgewichts zwischen deren Komponenten erreicht ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Reaktionsgas zugesetzt wird, bis der Unterdruck zwischen 667.10- und 800.10-5 Pa liegt.
BESCHREIBUNG
Die Erfindung bezieht sich auf ein Schneidwerkzeug gemäss Oberbegriff von Anspruch 1 und auf ein Verfahren zur Herstellung desselben.
Die neuste Entwicklung des Maschinenbaus und der metallverarbeitenden Industrie stellt immer höhere Anforderungen an die Verschleissfestigkeit und Lebensdauer von Schneidwerkzeugen. Jedoch ist die Lösung dieser Aufgaben durch traditionelle Methoden der Metallurgie, beispielsweise durch Legieren von für die Werkzeugfertigung bestimmten Materialien, wenig effektiv.
Zur Zeit liegt eine der Richtungen, die Verschleissfestigkeit des Schneidwerkzeuges zu erhöhen, in der Qualitätsverbesserung von auf dieses aufzubringenden verschleissfesten Überzügen.
Eine andere Richtung zur Erhöhung der Verschleissfestigkeit des Schneidwerkzeuges besteht in der Vervollkommnung der Qualität des Werkzeugs selbst und des Verfahrens zu seiner Herstellung.
Es ist ein Schneidwerkzeug bekannt (siehe z.B. die SE-PS Nr. 330 470, Klasse C 23 C 5/00, 1970), das einen Grundkörper. auf dessen Arbeitsfläche sich eine Grundschicht befindet. und einen verschleissfesten Überzug aufweist, dessen Material mit den Komponenten des Grundschichtmaterials gemeinsame Komponenten einschliesst und der auf der Oberfläche der Grundschicht angeordnet ist.
Bekannt ist auch ein Verfahren zur Herstellung dieses Schneidwerkzeugs (siehe dieselbe SE-PS Nr. 330 470, Klasse C 23 C 5/00, 1970), das in der Erwärmung der Arbeitsfläche des Grundkörpers, in der Zusetzung von Reaktionsgas bei Unterdruck und in der Wechselwirkung der Gaskomponenten untereinander bis zur Bildung einer Grundschicht und eines verschleissfesten Überzugs auf der Arbeitsfläche des Grundkörpers besteht.
Jedoch besteht bei diesem nach dem beschriebenen Verfahren hergestellten Schneidwerkzeug zwischen dem Grundkörper und dem Uberzug hauptsächlich ein mechanischer oder molekularer Zusammenhalt, was zur schichtenweisen Ablösung des Überzugs und folglich zur Verringerung der Standzeit des Werkzeuges führt.
Ausserdem wird bei diesem in der geschilderten Weise hergestellten Schneidwerkzeug das Material des Grundkörpers bis zu einer Temperatur erwärmt, bei der seine teilweise Entfestigung stattfindet, was die Standzeit des Werkzeuges ebenfalls herabsetzt.
Des weiteren ist ein Schneidwerkzeug bekannt (siehe z. B.
die Fachzeitschrift Fizika i khimia obrabotki materialov , Moskau, Verlag Nauka , 1979, Nr. 2, S. 169), welches einen Grundkörper, auf dessen Arbeitsfläche sich eine Grundschicht befindet, und einen verschleissfesten Überzug enthält, dessen Material mit den Komponenten des Grundschichtmaterials gemeinsame Komponenten einschliesst und der auf der Oberfläche der Grundschicht angeordnet ist.
Es ist auch ein Verfahren zur Herstellung des Schneidwerkzeuges bekannt (siehe dieselbe Fachzeitschrift Fizika i khimia obrabotki materialov , Moskau, Verlag Nauka ,
1979, Nr. 2, S. 169), das darin besteht, dass mindestens eine aus einem schwerschmelzbaren Material hergestellte Kathode im Vakuum mittels einer Bogenentladung verdampft wird, eine Spannung an das Schneidwerkzeug angelegt wird, die Arbeitsfläche des Grundkörpers des Schneidwerkzeuges gereinigt und durch Bombardierung mit Ionen von der Kathode im Unterdruck erwärmt wird und danach die Spannung abgesenkt und unter Unterdruck ein Reaktionsgas zur Bildung eines verschleissfesten Überzugs zugesetzt wird. Bei diesem Verfahren wird die Grundschicht durch die Kathodenbombardierung der Arbeitsfläche des Grundkörpers des Schneidwerkzeuges bei Unterdruck durch die Ionen des zu verdampfenden Materials gebildet.
Bei diesem Schneidwerkzeug aber, das nach dem beschriebenen Verfahren hergestellt ist, bleiben infolge hoher Kondensationsgeschwindigkeiten des verdampfenden Materials der Kathode bei einem Vakuumwert von 6,67.10-3 bis 6.67.10-5 Pa die an der Arbeitsfläche des Grundkörpers anliegenden Schichten praktisch kalt, was die Entwicklung von Diffusionsprozessen an der Grenze Grundkörper-Grundschicht erschwert und zur Abschwächung des Zusammenhaltes an der genannten Grenze und zu einem Gefälle in den physikalisch-mechanischen Eigenschaften führt, was wiederum eine Zerstörung des Schneidwerkzeuges und eine Verringerung seiner Standzeit während des Betriebes zur Folge hat.
Ausserdem gestattet bei diesem, in der beschriebenen Weise hergestellten Schneidwerkzeug die während der Reinigung und Erwärmung der Arbeitsfläche des Grundkörpers des Schneidwerkzeuges formierte Grundschicht es nicht, die hohe Diffusionsaktivität des eingeführten Reaktionsgases auszunutzen, was den Zusammenhalt an der Grenze des Grundkörpers mit der Grundschicht vermindert und folglich die Standzeit des Schneidwerkzeuges ebenfalls herabsetzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schneidwerkzeug zu schaffen, dessen Grundkörper so ausgeführt ist, dass es eine erhöhte Standzeit aufweist, sowie ein Verfahren zur Herstellung des Schneidwerkzeuges zu entwickeln, bei welchem die Einführung des Reaktionsgases in einem solchen Augenblick und bei einer solchen Temperatur erfolgt, dass der Zusammenhalt des Grundkörpers mit der Grundschicht verstärkt ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Schneidwerkzeug mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 3 gelöst.
Dabei beträgt die Dicke der thermostabilen Ubergangsschicht bei einer bevorzugten Ausführungsform des Werkzeugs 0,1 - 10 pm.
Weiter erfolgt bei dem Verfahren zur Herstellung des Schneidwerkzeugs die Zusetzung des Reaktionsgases vorzugsweise bis zu einem Unterdruck von 667.10-2 bis 800.10-5 Pa.
Während des Einsatzes des erfindungsgemässen Werkzeuges in einem Zerspannungsvorgang können hohe thermische, elastische und andere Spannungen in das plastischere Material des Grundkörpers übertragen werden, wo sie abgebaut werden, was die Standzeit des Werkzeuges erhöht.
Ausserdem ermöglicht es das erfindungsgemässe Verfahren, eine chemische Bindung zwischen dem Material des Grundkörpers und der Grundschicht des Schneidwerkzeugs herzustellen, was ebenfalls die Standzeit des Werkzeuges erhöht.
Überdies bietet die erfindungsgemässe Lösung die Möglichkeit, die Diffusionsprozesse an der Grenze Grundkörperthermostabile Übergangsschicht beim Betrieb des Schneidwerkzeuges abzuschwächen, was die Entwicklung seiner Entfestigung verhindert und zur Erhöhung der Standzeit desselben beiträgt.
Weiter wird ein Gefälle in den physikalisch-mechanischen Eigenschaften der Materialien an der Grenze Basis Grundschicht vermieden, was die Standzeit des Werkzeuges ebenfalls erhöht.
Im folgenden wird die vorliegende Erfindung durch Beschreibung von Beispielen ihrer konkreten Ausführung und anhand von Zeichnungen erläutert, in denen zeigen:
Fig. 1 im Querschnitt einen Abschnitt des erfindungsgemässen Schneidwerkzeugs, bestehend aus einem Teil des Grundkörpers mit den ihn bedeckenden Schichten; und
Fig. 2 die Verteilung der Grundschichtkomponente in der thermostabilen Übergangsschicht des Schneidwerkzeuges von Fig. 1.
Das nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellte Schneidwerkzeug besitzt einen Grundkörper 1 (Fig. 1), in dem auf der Seite seiner Arbeitsfläche 2 eine thermostabile Übergangsschicht 3 von 0,1 - 10 m Dicke ausgebildet ist.
Die Schicht 3 besteht aus den Komponenten der Materialien des Grundkörpers 1 und einer Grundschicht 4. Auf der Grundschicht 4 befindet sich ein verschleissfester Überzug 5.
In Fig. 2 ist eine Kurve der Verteilung der Komponente der Grundschicht 4 (Fig. 1), die aus Titankarbonitrid (TiCN) besteht, in der thermostabilen Übergangsschicht 3 dargestellt. Der Grundkörper 1 besteht aus Stahl. Auf der Abszissenachse ist der Abstand L (in ltm) von der Arbeitsfläche 2 des Grundkörpers 1 aufgetragen. Auf der Ordinatenachse ist die Konzentration N des Titans in Prozenten aufgetragen.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung des Schneidwerkzeugs besteht darin, dass man das schwerschmelzbare Material mindestens einer Kathode im Unterdruck mittels einer Bogenentladung verdampft und eine Spannung an das Schneidwerkzeug anlegt. Dabei reinigt und erwärmt man die Arbeitsfläche der Basis des Schneidwerkzeugs durch Kathodenbombardierung im Unterdruck mit Ionen des verdampfenden Materials. Während der Reinigung und Erwärmung der Arbeitsfläche des Grundkörpers wird ein Reaktionsgas zugesetzt, sobald das Material des Grundkörpers solch eine Temperatur erreicht hat, dass sich die Hauptkomponente des Gases in ihm löst.
Die weitere Erwärmung der Arbeitsfläche des Grundkörpers unter gleichzeitiger Formierung der Grundschicht und der thermostabilen Ubergangsschicht nimmt man bis zu derjenigen Temperatur vor, bei welcher sich ein Phasengleichgewicht zwischen den Komponenten der Schichten ausbildet, worauf man die Spannung absenkt und einen verschleissfesten Überzug auf der Grundschicht bildet.
Um den Prozess der Formierung der thermostabilen Übergangsschicht bei der Herstellung des Schneidwerkzeugs maximal zu initiieren, setzt man Reaktionsgas zu, bis ein Druck zwischen 667.10-2 und 800.10- Pa vorliegt.
Während der Metallbearbeitung entstehen in den Materialien des verschleissfesten Überzugs 5 (Fig. 1), der eine beträchtliche Härte besitzt, und der Grundschicht 4 hohe thermische, elastische und andere Spannungen. Mit Hilfe der thermostabilen Übergangsschicht 3, die eine stetige Verteilung der Komponente (Ti) (Fig. 2) über ihre Dicke aufweist, werden diese Spannungen zum plastischeren Material des Grundkörpers 1 übertragen, in welchem sie abgebaut werden. Dies führt zur Festigung der Grenze Grundkörper Grundschicht und zur Erhöhung der Standzeit des Werkzeuges.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung sind folgende konkrete Ausführungsbeispiele derselben angeführt.
Beispiel 1.
Als Schneidwerkzeug wurden Spiralbohrer aus einem Stahl der folgenden Zusammensetzung hergestellt: C Cr W Mo F Fe 0,80-0,88 3,8-4,4 5.5-6,5 5,0-5.5 1,7-2,1 Restmenge
Als Material der Kathode wurde Titan (Ti) verwendet.
Die von Verschmutzungen gereinigten Bohrer wurden in spezielle Kassetten eingesetzt und in die Kammer einer Anlage zum Auftragen eines Uberzugs eingebracht. Beim Erreichen eines Unterdrucks von 6,67.10-3 Pa wurde in der Kammer eine Bogenentladung gezündet, mit deren Hilfe die Ver dampfung und Ionisation des Titans erfolgte.
An die Bohrer wurde eine Spannung von 1500 V angelegt und ihre Arbeitsfläche durch Kathodenbombardierung mit Titanionen unter Erwärmung bis zur Temperatur von 200 CC gereinigt. Bei dieser Temperatur beginnt der Prozess der Lösung in Stahl der Hauptkomponente (N2) des Reaktionsgases, äls welches technischer Stickstoff verwendet wurde.
Beim Erreichen der genannten Temperatur, die mittels eines Infrarot-Pyrometers kontrolliert wurde, wurde in die Kammer Stickstoff bis zur Erreichung eines Unterdrucks von 400.10-3 Pa eingeführt und die Reinigung und Erwärmung der Arbeitsfläche der Bohrer durch gemeinsame Kathodenbombardierung mit Titan- und Stickstoffionen bis zur Temperatur von 520 - C weitergeführt. Bei dieser Temperatur stellte sich ein Phasengleichgewicht zwischen den Komponenten der thermostabilen Übergangsschicht und der Grundschicht ein.
Während der Ausführung der genannten Arbeitsoperationen wurden gebildet: im Material der Grundschicht eine thermostabile Übergangsschicht von 3 llm Stärke der folgenden Zusammensetzung: Stahl, Ti, TiC, TiN, Ti(CN), Fe4N, VN, TiFe2, TiFe, (Ti, W, V, Mo)C; eine Grundschicht der folgenden Zusammensetzung: (Ti, Mo, W, V)CN.
Danach wurde die an die Bohrer angelegte Spannung auf 250 V abgesenkt und eine Kondensation des Überzugs aus Titanllltrid (TiN)während einer Stunde durchgeführt, was eine Dicke des Überzugs von 5 - 6 pm gewährleistete.
Daraufhin wurde die Spannung von den Bohrern wegge scllaltet. die Bogenentladung ausgeschaltet und die Bohrer auf die Raumtemperatur abgekühlt.
Die Standzeitprüfungen der Bohrer wurden bei der Bear bettung eines Stahls der folgenden Zusammensetzung
C Fe 0.42-0.49 Festmenge unter nachstehenden Schnittbedingungen durchgeführt: - Schnittgeschwindigkeit V = 45 m min; - Vorschub S = 0.12 mm - Bohrtiefe 1 = 15mm
Beispiel 2.
Es wurden Spiralbohrer ähnlich dem Beispiel 1 mit der Ausnahme hergestellt. dass Stickstoff in die Kammer bis zum Erreichen eines Unterdrucks von 667.10-2 Pa eingeführt wurde.
Die Standzeitprüfungen wurden ebenfalls ähnlich dem Beispiel 1 durchgeführt.
Beispiel 3.
Es wurden Spiralbohrer ähnlich dem Beispiel 1 mit der Ausnahme hergestellt. dass Stickstoff in die Kammer bis zum Erreichen eines Unterdrucks von 800.10-5 Pa eingeführt wurde.
Die Standzeitprüfungen wurden ebenfalls ähnlich dem Beispiel 1 durchgeführt.
Beispiel 4.
Es wurden Spiralbohrer ähnlich dem Beispiel 1 mit der Ausnahme hergestellt, dass die Reinigung und Erwärmung der Arbeitsfläche der Bohrer durch Bombardierung mit Titan- und Stickstoffionen bis zur Temperatur von 450 CC weitergeführt und eine thermostabile Übergangsschicht von 0.1 tim Dicke formiert wurde.
Die Standzeitprüfungen wurden ähnlich dem Beispiel 1 durchgeführt.
Beispiel 5.
Es wurden Spiralbohrer ähnlich dem Beispiel 1 mit der Ausnahme hergestellt. dass die Reinigung und Erwärmung der Arbeitsfläche der Bohrer durch Bombardierung mit Titan- und Stickstoffionen bis zur Temperatur von 550 CC weitergeführt und eine thermostabile Übergangsschicht von 10 tam Dicke formiert wurde.
Die Standzeitprüfungen wurden ähnlich dem Beispiel 1 durchgeführt.
Beispiel 6.
Es wurden Schneidplatten hergestellt, deren Grundkörper aus einem Hartmetall der folgenden Zusammensetzung besteht: TiC Co wC
15 6 Restmenge
Das Auftragen des Überzugs erfolgte ähnlich dem Beispiel 1 mit der Ausnahme, dass die Reinigung und Erwärmung der Arbeitsfläche der Platten durch Kathodenbombardierung mit Titanionen bis zur Temperatur von 350 "C vorgenommen wurde. Hiernach wurde in die Kammer Stickstoff eingeführt, wobei in ihr ein Unterdruck von 267.10-3 Pa erzeugt wurde, und die Reinigung und Erwärmung der Arbeitsfläche wurde bis zur Temperatur von 620 C ähnlich dem Beispiel 1 durch gemeinsame Bombardierung mit Titan- und Stickstoffionen weitergeführt.
Hierbei wurden gebildet: - im Material der Platten eine thermostabile Übergangsschicht von 7 pm Dicke der folgenden Zusammensetzung:
Hartmetall, TiCo, TiN, (TiW) C; - auf der Arbeitsfläche der Platten eine Grundschicht der folgenden Zusammensetzung: (Ti, W) CN.
Die Standzeitprüfungen wurden bei der Bearbeitung eines Stahls. dessen Zusammensetzung im Beispiel 1 angeführt wurde, unter folgenden Schnittbedingungen durchgeführt: Schnittgeschwindigkeit V = 160m/min; - Vorschub S = 0,3 mm/U; - Schnittiefe 1 = 1 mm.
Beispiel 7.
Es wurden Schneidplatten ähnlich dem Beispiel 5 mit der Ausnahme hergestellt. dass Stickstoff in die Kammer bis zum Erreichen eines Unterdrucks von 667.10-2 Pa eingeführt wurde.
Die Standzeitprüfungen wurden ebenfalls ähnlich dem
Beispiel 6 durchgeführt.
Beispiel 8.
Es wurden Schneidplatten ähnlich dem Beispiel 6 mit der Ausnahme hergestellt. dass Stickstoff in die Kammer bis zum Erreichen eines Unterdrucks von 800.10-5 Pa eingeführt wurde.
Beispiel 9.
Es wurden Schneidplatten ähnlich dem Beispiel 6 mit der Ausnahme hergestellt. dass die Reinigung und Erwännung der Arbeitsfläche der Platten durch Bombardierung mit Titan- und Stickstoffionen bis zur Temperatur von 580 C weitergeführt und eine thermostabile Übergangsschicht von 0.1 ttm Dicke formiert wurde.
Die Standzeitprüfungen wurden ähnlich dem Beispiel 6 durchgeführt.
Beispiel 10.
Es wurden Schneidplatten ähnlich dem Beispiel 6 mit der Ausnahme hergestellt. dass die Reinigung und Erwärmung der Arbeitsfläche der Platten durch Bombardierung mit Titan- und Stickstoffionen bis zur Temperatur von 700 C weitergeführt und eine thermostabile Übergangsschicht von
10 tim Dicke formiert wurde.
Die Standzeitprüfungen wurden ähnlich dem Beispiel 6 durchgeführt.
Die Prüfungsergebnisse der Schneidwerkzeuge, deren Herstellung in den Beispielen 1, 2, 3, 4, 5 und 6, 7, 8, 9, 10 beschrieben wurde, sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst:
Tabelle Material der Grundschicht Vakuumwert Dicke der thermosta- Mittelwert der Standzeit des Werkzeuges (Pa) bilen Übergangs- (Anzahl von mit einer Platte oder einem schicht, (um) Bohrer bearbeiteten Einzelteilen), (St.) 2 2 3 4 Stahl 400.10-3 3 320
667.10-2 3 680
800.10-5 3 390
400.10-5 0,1 240
400.10-3 10 650 Hartmetall 267.10-3 2 36
667.10-2 2 52
800.10-5 2 30
267.10-3 0,1 39 267.10-3 10 51
Wie die Ergebnisse der in den Beispielen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 durchgeführten Prüfungen gezeigt haben,
bietet eine beliebige gewählte Kombination des Unterdruckwertes in der Kammer und der geeigneten Dicke der thermostabilen Ubergangsschicht die Möglichkeit, die Standzeit des Schneidwerkzeuges stark zu erhöhen.
Schneidwerkzeuge der erfindungsgemässen Art können in Dreh-, Bohr- und Fräsarbeiten sowie in andere Arten der Bearbeitung verschiedener Materialien eingesetzt werden.