DE69432642T2 - Diamantbeschichtete werkzeuge und verfahren zur herstellung - Google Patents

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein diamantbeschichtetes Schneidwerkzeug für die spangebende Bearbeitung sowie auf ein Verfahren zu seiner Herstellung.
  • Hintergrund
  • In den letzten Jahren wurden mittels chemischer Dampfabscheidung (CVD) erzeugte Diamantüberzüge bei einer Vielzahl von Substratmaterial-Schneidwerkzeugen angewandt, die für dieselben Anwendungszwecke wie Werkzeuge mit einer einzigen aufgelöteten Spitze aus polykristallinem Diamant (PCD) vorgesehen waren (siehe "Advanced Cutting Tool Materials", Kennametal Inc. (1988), Seiten 1, 2, 77–86, 94–98, 101 und 102). Während CVD- diamantbeschichtete Werkzeuge dem Bediener eine Vielzahl von Schneidkanten auf Wendeschneidplatten mit oder ohne spänezerkleinernde Strukturen zur Verfügung stellen, führten ihre inkonsistenten Bearbeitungsergebnisse aufgrund der schlechten Haftung des Überzugs dazu, dass die CVD-diamantbeschichteten Werkzeuge bei den meisten handelsüblichen Anwendungszwecken nicht mit PCD-Werkzeugen konkurrieren können.
  • Es gab verschiedene Ansätze, mittels CVD-Verfahren (z. B. Heizfaden, Gleichstrom-Plasmajet und Mikrowellenplasma), bei denen Gase wie Methan (CH4) mittels Wärme zersetzt werden, Diamantüberzugsschichten auf verschiedenen Oberflächen zu bilden. Bei niedrigem Druck mittels Dampfphasen-Syntheseverfahren erzeugte Diamantüberzugsschichten besitzen jedoch im Allgemeinen eine geringe Haftfestigkeit an dem Substrat. Dementsprechend ist ein beschichtetes Substrat erwünscht, bei dem die Haftung des Überzugs an dem Substrat ausreicht, den Überzug so lange auf dem Substrat zu halten, bis der Überzug allmählich durch Abrieb während der Bearbeitung eines Werkstückmaterials verschleißt. Ein frühes oder verfrühtes Abblättern des Überzugs vor dem Verschleiß des Überzugs bewirkt eine unvorhersagbare und inkonsistente Werkzeugstandzeit, was für die meisten Benutzer von Werkzeugen mit PCD-Spitze inakzeptabel ist. Darüber hinaus sollte die Dicke des Diamantüberzuges so dick sein, dass alle Schneidkanten mindestens 40 Prozent der Verschleißzeit von PCD-Werkzeugen aufweisen, um mit diesen Werkzeugen konkurrieren zu können.
  • Eine Ansatzmöglichkeit für dieses Problem wird in der US-A-5068148 offenbart, die den nächstkommenden Stand der Technik definiert. Dieses Patent offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines diamantbeschichteten Werkzeugelementes, bei dem ein Sinterhartmetallsubstrat chemisch geätzt wird, um in dem äußersten Abschnitt des Substrats vorliegendes Kobalt zu entfernen. Solche Ätzschritte können eine interne, untereinander verbundene Porosität erzeugen, die die Zähigkeit und Verschleißfestigkeit der Wendeschneidplatte des Schneidwerkzeuges verringert; erfolgt kein chemisches Ätzen, kann die Leistung des Werkzeuges aufgrund einer Delaminierung des Überzugs, die durch schlechte Präparation der Substratoberfläche bewirkt wird (z. B. zu viel Kobalt auf der Oberfläche), verringert sein. Die US-A-5068148 erfordert vor dem chemischen Ätzen eine Wärmebehandlung eines geschliffenen Substrats bei einer Temperatur zwischen 1000 und 1600°C über 30 bis 90 Minuten in einem Vakuum oder einer nicht-oxidierenden Atmosphäre. Übersteigt die Wärmebehandlungstemperatur 1600°C, werden die harten Körner des Substrates sperrig und die Oberfläche des Substrates wird außerordentlich rauh, so dass das Substrat nicht zur Herstellung eines Werkzeugelementes verwendet werden kann.
  • Bei einem anderen, in der EP-A-0518587 offenbarten Ansatz werden die Oberflächen eines Wolframkarbid-Sinterhartmetallsubstrates ebenfalls zum Zwecke der Verbesserung der Haftung des Diamantüberzuges geätzt.
  • Nach Überprüfung der derzeit im Handel erhältlichen Sinterhartmetallwerkzeuge mit Diamantüberzug glauben die Erfinder, dass das Ätzen dann, wenn ein Ätzschritt zur Verbesserung der Diamanthaftung (auf 60 bis 100 kg in dem Rockwell A-Eindruckhaftversuch) eingesetzt wird, vorzugsweise signifikante Mengen Ko balt von der Oberfläche und direkt unter der Oberfläche entfernt. Dies führt zu einer untereinander verbundenen Porosität direkt unter der Substratoberfläche, was eine geschwächte Struktur erzeugt, die die Fähigkeit des Diamantüberzugs, während der Bearbeitungsvorgänge an dem Werkzeug zu haften, unterminiert und zu einem Abblättern des Überzugs, insbesondere während unterbrochener Bearbeitungsvorgänge, führt.
  • Die US-A-5204167 offenbart einen diamantbeschichteten Sinterkörper, bei dem die durchschnittliche Größe des umkristallisierten Wolframkarbids in der Oberflächenschicht feiner ist als dir des Wolframkarbids in den inneren Abschnitten des Substrats. Dieses Patent lehrt, dass es zu einer erhöhten Haftung zwischen dem Diamantfilm und dem Substrat kommt, weil das in einem Anfangsstadium der Diamantabscheidung erzeugte Graphit für die erneute Aufkohlung einer an der Oberfläche dekarburierten Schicht des Substrats verwendet wird, so dass das an der Grenzfläche zwischen der Oberflächenschicht und dem Film gebildete Graphit reduziert wird.
  • Solche Ansätze lassen die Herausforderung, zwischen dem Überzug und dem Substrat eine große Bindungsstärke zu erzeugen, ungelöst.
  • Die derzeitige Praxis bei der Konstruktion eines herkömmlichen PCD-Schneidwerkzeuges erfordert es, dass das Werkzeug eine scharfe Schneidkante sowohl für Dreh- als auch für Fräsanwendungszwecke bei nicht-eisenhaltigen und nicht-metallischen Werkstücken besitzt. Die Verwendung scharfer Kanten bewirkt geringere Schneidwerkzeug-Kräfte während der Bearbeitung und eine Oberflächenbeschaffenheit des Werkstückes, die die erforderlichen Eigenschaften, z. B. eine geringe Oberflächenrauhigkeit, besitzt.
  • Diamantbeschichtete Wendeschneidplatten für Schneidwerkzeuge sollten idealerweise dieselben Werkstückoberflächen-Eigenschaften aufweisen, um mit den herkömmlichen PCD-Werkzeugen im Handel konkurrieren zu können. Ein anderer der Faktoren, die die Akzeptanz diamantbeschichteter Werkzeuge derzeit be schränken, ist die Schwierigkeit, eine akzeptable Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks, insbesondere bei der Endbearbeitung, bereitzustellen. Herkömmliche PCD-Werkzeuge enthalten häufig einen metallischen Binder wie Kobalt, der die Diamantteilchen zusammenhält. Sorgfältig geschliffen stellt der PCD eine im Wesentlichen glatte Schneidfläche bereit und verleiht dem Werkstücke eine im Wesentlichen glatte Oberfläche. Im Gegensatz dazu enthalten Diamantüberzüge keine Binderphase. Sie besitzen typischerweise eine im mikroskopischen Maßstab rauhe, facettierte Oberfläche. Eine solche mikroskopische Rauhigkeit führt zu einer rauben Oberflächenbeschaffenheit des Werkstückes bei Schneidvorgängen. Bei Ansätzen aus dem Stand der Technik galt, je reiner (oder perfekter) der Diamantüberzug ist, d. h. je mehr von der sp3- und je weniger von der sp2-gebundenen (Graphit)komponente vorliegt, um so stärker facettiert wird der Überzug. Solche Überzüge können durch Erhöhung der Menge der Graphitkomponente glatter gemacht werden; dabei verringern sich jedoch Verschleißfestigkeit und Werkzeugstandzeit. Zwar kann zur Erzeugung einer glatten Diamantoberfläche ein chemisches Polieren mit reaktiven Materialien und Verbindungen oder ein mechanisches Polieren mit Diamantstaub erfolgen, der Weg hin zu verbesserten Ansatzmöglichkeiten blieb jedoch offen.
  • Dementsprechend wäre es wünschenswert, einen sehr reinen Diamantüberzug auf einem Schneidwerkzeugsubstrat bereitzustellen, der bei Gebrauch stark haftet und vorzugsweise eine Oberflächenbeschaffenheit des Werkstückes bewirkt, die mit der herkömmlicher PCD-Werkzeuge vergleichbar ist.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einfache und doch effektive Techniken zur konsistenten Bereitstellung eines stark haftenden Diamantüberzuges und zur Bereitstellung einer glatten Oberfläche eines hochreinen, stark facettierten Diamantüberzuges auf einer dreidimensionalen Form, z. B. einer Wendeschneidplatte eines Schneidwerkzeuges, zu finden.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird durch die Ansprüche 1 und 23 gelöst.
  • Das Werkzeug weist ein Cermet-Substrat auf, an das ein Diamantüberzug haftend gebunden ist. Das Cermet-Substrat besitzt durch einen metallischen Binder miteinander verbundene harte Körner. An der Substratoberfläche gibt es große harte Körner. Diese großen harten Körner verleihen dem Substrat eine unregelmäßige Oberfläche. Der Diamantüberzug haftet stark an der unregelmäßigen Substratoberfläche. Handelt es sich bei dem Werkzeug um ein Schneidwerkzeug für die spangebende Bearbeitung eines Materials, besitzt das Substrat eine Freifläche und eine Spanfläche sowie eine Schneidkante am Zusammentreffen von Span- und Freifläche. Der Diamantüberzug ist haftend an all diese Oberflächen gebunden. Das Substrat ist erfindungsgemäß außerdem vorzugsweise durch die Abwesenheit einer untereinander verbundenen Porosität in den Substratbereichen, die an die unregelmäßigen Substratoberflächen, an die der Diamantüberzug gebunden ist, angrenzen, gekennzeichnet.
  • Bei dem Cermet-Substrat handelt es sich um ein Sinterhartmetall auf Wolframkarbid-Grundlage (d. h. >50 Gew.-% WC), und die harten Körner schließen Wolframkarbidkörner ein.
  • Vorzugsweise bildet der metallische Binder etwa 0,2 bis 20 Gew.-% des Sinterhartmetalls auf Wolframkarbid-Grundlage, und der metallische Binder ist aus der Gruppe von Kobalt, Kobaltlegierungen, Eisen, Eisenlegierungen, Nickel und Nickellegierungen ausgewählt.
  • In einer bevorzugteren Ausführungsform handelt es sich bei dem metallischen Binder um Kobalt oder eine Kobaltlegierung; Kobalt bildet etwa 0,5 bis etwa 7 Gew.-% und am bevorzugtesten etwa 1,0 bis etwa 7 Gew.-% des Sinterhartmetalls auf Wolframkarbid-Grundlage.
  • Die durchschnittliche Haftfestigkeit des Diamantüberzuges an der Substratoberfläche beträgt in Rockwell A-Eindruckversuchen mindestens 45 kg, vorzugsweise mindestens 60 kg und noch bevorzugter mindestens 80 kg.
  • Der Diamantüberzug auf der Spanfläche der Schneidwerkzeuge besitzt vorzugsweise eine durchschnittliche Dicke von etwa 5 bis etwa 100 μm, wobei bei Werkzeugen, die beim kontinuierlichen und unterbrochenen Fertigdrehen von Aluminiumlegierungen wie A380 und A390 verwendet werden sollen, etwa 22 bis etwa 50 bevorzugt werden, um eine akzeptable Werkzeugstandzeit bei angemessenen Herstellungskosten zu erzielen.
  • Bei einer bevorzugten Option speziell für Anwendungszwecke der Fertigbearbeitung wird der an die Spanfläche haftend gebundene Diamantüberzug im Wesentlichen in seiner rauhen Oberflächenbeschaffenheit, wie sie nach der Abscheidung besteht, belassen, vorzugsweise mit einer Oberflächenrauhigkeit Ra von mehr als 0,889 μm (35 Mikroinch), während der an die Freifläche haftend gebundene Diamantüberzug glatter gemacht wird.
  • Das erfindungsgemäße Produkt wird vorzugsweise nach einem ebenfalls erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt, das folgende Schritte umfasst:
    • 1. Sintern eines Cermet-Substrates während einer Zeit, bei einer Temperatur und in einer Atmosphäre zur Erzeugung eines Kornwachstums auf den Substratoberflächen, das ausreichend ist, um die Spanfläche des Substrats mit einer Oberflächenrauhigkeit Ra zu versehen, die größer als 0,635 μm (25 Mikroinch) ist, während die Konzentration des metallischen Binders auf dieser Oberfläche verringert wird. Vorzugsweise ist die in dem Sinterschritt erzeugte Oberflächenrauhigkeit Ra größer als 0,762 μm (30 Mikroinch) und beträgt noch bevorzugter mindestens 1,016 μm (40 Mikroinch). Die verwendete Atmosphäre ist vorzugsweise Stickstoff, bei einem Partialdruck von etwa 0,3 bis etwa 50 Ton, vorzugsweise etwa 0,3 bis 5 Ton, noch bevorzugter etwa 0,3 bis 2,0 Ton und am bevorzugtesten etwa 0,3 bis 0,7 Ton.
    • 2. Diese Oberflächen werden dann diamantbeschichtet, indem darauf mittels Aufdampfen ein Diamantüberzug haftaufgetragen wird. Die Substrattemperatur beträgt während des Diamantabscheidungsverfahrens vorzugsweise 700°C bis 875° C und noch bevorzugter etwa 750°C bis etwa 850°C.
  • Dieses Verfahren wird gesteuert, um, bestimmt durch die Rockwell A-Eindrucktechnik, eine durchschnittliche Haftfestigkeit zwischen dem Diamantüberzug und dem Substrat von mehr als 45 kg, vorzugsweise mindestens 60 kg und noch bevorzugter mindestens 80 kg zu erzeugen.
  • Vorzugsweise werden die Oberflächen des zu beschichtenden Substrats nach dem Sinterschritt mit Diamant verkratzt, um Diamantenkeimbildungsstellen als Vorbereitung für die Diamantbeschichtung zu erzeugen.
  • In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt der Schritt des Glättens der Oberflächenrauhigkeit des Diamanten an der Freifläche des Werkzeugs vorzugsweise durch Schwabbeln der Freifläche.
  • In wieder einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Cermet-Substrat vor dem zuvor beschriebenen Sinterschritt zumindest im Wesentlichen vollständig verdichtet (d. h. es wurde zuvor gesintert) und besitzt eine Oberfläche, die sich im geschliffenen Zustand befindet.
  • Diese und andere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden bei Durchsicht der detaillierten Beschreibung der Erfindung in Kombination mit den Zeichnungen, die nachfolgend kurz beschrieben werden, deutlicher.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1A stellt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schneidwerkzeugsubstrates dar.
  • 1B stellt einen Teilquerschnitt durch das Schneidwerkzeugsubstrat von 1A senkrecht zu einer Schneidkante dar, nachdem dieses erfindungsgemäß beschichtet worden ist.
  • Die 2-11 stellen rasterelektronenmikroskopische (SEM) Mikrophotographien dar, die Sekundärelektronenbilder (SEI) eines Schneidwerkzeuges in verschiedenen Stadien bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und Produktes zeigen. (Alle Figuren sind 2000-fach vergrößert, mit Ausnahme von 10, die 1000-fach vergrößert ist.)
  • 12 veranschaulicht einen wahlweise durchzuführenden Schwabbelschritt mittels einer mit Diamantstaub besetzten rotierenden Bürste.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß stellt 1A eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäß mit Diamant zu beschichtenden Substrates eines Wendeschneidplatten-Schneidwerkzeuges dar. Das Werkzeugsubstrat besitzt eine Spanfläche 30 und eine Freifläche 50. Am Zusammentreffen der Spanfläche 30 und der Freifläche 50 befindet sich eine Schneidkante 70. Die Schneidkante 70 kann je nach den Anforderungen des Anwendungszweckes entweder scharf, gehont, abgeschrägt oder abgeschrägt und gehont sein. Der Honstein kann von einer beliebigen Art und Größe sein, wie sie in der Schneidwerkzeugindustrie verwendet werden. Die Schneidkante besitzt vorzugsweise einen Honradius, vorzugsweise von etwa 0,0127 mm bis 0,0381 mm (0,0005 bis 0,0015 Inch). Das Schneidwerkzeugsubstrat kann auch in einer der Standardformen und -größen hergestellt werden (z. B. SNGN-422 und TPGN-322 (siehe ANSI B212.4-1986)). Wendeschneidplatten können ebenfalls verschiedene spanbrechende Strukturen (nicht dargestellt) auf ihrer Spanfläche besitzen, um ein Zerbrechen und Entfernen der Späne zu erleichtern.
  • Sind spanbrechende Strukturen zu beschichten, können sich einige oder all diese Strukturen in einem Zustand wie nach dem Formen befinden (d. h. ungeschliffen).
  • Erfindungsgemäß stellt 1B einen Teilquerschnitt durch das beschichtete Schneidwerkzeug 80 dar, das aus dem in 1A dargestellten Cermet-Substrat 10 besteht, wobei ein Diamantüberzug 90 haftend an die Spanfläche 30, die Freiflächen 50 und die Schneidkanten 70 gebunden ist. Die Unterseite des Substrates 10 kann mit Diamant beschichtet sein oder nicht.
  • Das in der vorliegenden Erfindung verwendete Substrat ist ein Cermet mit harten Körnern und einem metallischen Binder, der die harten Körner zusammenhält. Die Cermet-Zusammensetzung basiert auf Wolframkarbid. Der bei diesen Zusammensetzungen verwendete metallische Binder schließt Kobalt, Kobaltlegierungen, Nickel, Nickellegierungen, Eisen und Eisenlegierungen ein.
  • Für das Substrat wird ein Sinterhartmetall auf Wolframkarbid-Grundlage (>50 Gew.-% WC) verwendet. Eine solche Zusammensetzung sollte etwa 0,5 bis etwa 20 Gew.-%, vorzugsweise 1,0 bis 7 Gew.-% metallischen Binder aus Kobalt oder einer Kobaltlegierung besitzen. Eine solche Zusammensetzung würde harte Wolframkarbidkörner enthalten und kann auch andere harte Körner wie Karbide, Nitride und Karbonitride anderer Elemente sowie Mischkristallkarbide und Mischkristallkarbonitride von Wolfram und anderen Elementen enthalten. Solche Elemente können Ti, Hf, Zr, Ta, Nb, V, Mo und Cr einschließen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Gegenwart von Ti, Hf Zr, Ta, Nb, V, Mo und Cr auf weniger als insgesamt 1 Gew.-% und noch bevorzugter auf weniger als insgesamt 0,6 Gew.-% beschränkt, so dass das Sinterhartmetallsubstrat im Wesentlichen aus Wolframkarbid und Kobalt oder einer Kobaltlegierung (wie z. B. einer Co-W-Legierung) besteht.
  • Die Anmeldet haben beispielsweise herausgefunden, dass die vorliegende Erfindung besonders gute Haftergebnisse aufweist, wenn die zwei folgenden Sinterhartmetallzusammensetzungen auf Wolframkarbid-Grundlage für das Ausgangsmaterial des Substrates verwendet werden:
  • Legierung A: W + C + 5,7 bis 6,3 Gew.-% Co, bis zu 0,1 Gew.-% Ta, bis zu 0,1 Gew.-% Ti, bis zu 0,1 Gew.-% Nb, 0,3 bis 0,5 Gew.-% Cr, Rest andere Verunreinigungen, Rockwell A-Härte 92,6 bis 93,4, Koerzitivkraft He 250–320 Oersted, magnetische Sättigung 83 bis 95%, durchschnittliche WC-Korngröße 1–5 μm, Porositätsbewertung A04, B00, C00 oder besser, Dichte 14,80 bis 15,00 g/cc.
  • Legierung B: W + C + 2,3 bis 2,9 Gew.-% Co, bis zu 0,4 Gew.-% Ta, bis zu 0,1 Gew.-% Ti, bis zu 0,1 Gew.-% Nb, Rest andere Verunreinigungen, Rockwell A-Härte 92,8 bis 93,6, Koerzitivkraft He 290–440 Oersted, magnetische Sättigung ausreichend, um eine Eta-Phase zu vermeiden, durchschnittliche WC-Korngröße 1–6 μm, Porositätsbewertung A08, B00, C00 oder besser, Dichte 15,10 bis 15,50 g/cc.
  • 2 stellt eine SEM-Mikrophotographie einer Freifläche aus einem Substrat aus dem Ausgangsmaterial Legierung B in 2000-facher Vergrößerung dar. 3 stellt eine SEM-Mikrophotographie eines Teilquerschnittes desselben Materials in 2000-facher Vergrößerung dar. Beide Mikrophotographien zeigen das Substrat im gesinterten Zustand. Bei den Mikrophotographien ist zu beachten, dass die durchschnittliche Größe der harten Körner (hier WC) auf der Oberfläche des Substrates etwa dieselbe ist wie im Inneren.
  • Zwar wurde dieses Material durch Kaltpress- und Vakuumsintertechniken (10–2 bis 10–3 Ton) hergestellt, es ist jedoch davon auszugehen, dass auch herkömmliche Techniken eingesetzt werden können, um das Ausgangsmaterial für die vorliegende Erfindung zu erhalten, z. B. Kaltpressen, Kaltpressen und Sintern (Vakuum-, Druck- oder heißisostatisches Pressen oder eine Kombination davon) oder Heißpressen. Die Oberfläche eines vakuumgesinterten Sinterhartmetallsubstrats auf Wolframkarbid-Grundlage besteht aus harten Wolframkarbidkörnern, die durch Kobalt oder eine Kobaltlegierung miteinander verbunden sind. Das Kobalt befindet sich nicht nur zwischen den Wolframkarbidkörnern, sondern bedeckt aufgrund der Benetzungseigenschaften von Co und WC unter Vakuumsinterbedingungen auch einen Teil der Wolframkarbidkörner auf der Substratoberfläche.
  • Typischerweise wird das gesinterte Substrat ganz oder teilweise geschliffen (spänezerkleinernde Strukturen auf der Spanfläche können z. B. in einem Zustand wie nach dem Formen belassen werden), um das Substrat größenmäßig genau steuern zu können. Vorgänge wie Schleifen und Honen (die ebenfalls in diesem Stadium der Herstellung erfolgen können) dienen dazu, das Kobalt über die Oberflächen des Substrates zu verstreichen. 4 stellt eine geschliffene Spanfläche aus Legierung B dar. 5 stellt einen Teilquerschnitt durch eine geschliffene Wendeschneidplatte aus Legierung B dar, bei der zu beachten ist, dass das Schleifen die Oberflächenrauhigkeit des Substrats im Vergleich zu der in den 2 und 3 dargestellten geglättet hat.
  • Erfindungsgemäß wird das zuvor beschriebene Substrat nun unter den Zeit-, Temperatur- und atmosphärischen Bedingungen gesintert (oder erneut gesintert), was bewirkt, dass die Körner wachsen und der Binder auf deren Oberflächen reduziert wird. Zeit und Temperatur werden so ausgewählt, dass es zu einem ausreichend anomalen oder übertriebenen Kornwachstum auf der Oberfläche des Substrates kommt und eine Oberflächenrauhigkeit Ra von mehr als 25 Mikroinch, vorzugsweise mehr als 0,762 μm (30 Mikroinch) und noch bevorzugter von mindestens 1,016 μm (40 Mikroinch) entsteht.
  • Die 6 und 7 veranschaulichen die Ergebnisse dieses erneuten Sinterschrittes mittels Mikrophotographien (2000-fach vergrößert) der Oberflächenmorphologie (6) und eines Teilquerschnitts (7) einer Spanfläche einer erneut gesinterten Wendeschneidplatte aus Legierung B. Die 6 und 7 zeigen, dass die Oberfläche eine Mischung aus großen und kleinen Körnern aufweisen kann. Die großen Körner an der Oberfläche schließen vorzugsweise Körner einer größeren Abmessung ein, mit einer Größe von mindestens 10 μg und noch bevor zugter mindestens 15 μg, so, dass der gewünschte Grad der Oberflächenrauhigkeit entsteht.
  • Die energiedispersive SEM-Linienraster-Röntgenspektroskopie (EDS) polierter Querschnitte von Substraten aus Le gierung B im gesinterten und geschliffenen Zustand und im erneut gesinterten Zustand haben gezeigt, dass Kobalt während des erneuten Sinterns von den Substraten verdampft wird. Vor dem erneuten Sintern zeigten EDS und optische Metallographie, dass die gesinterten und geschliffenen Substrate (die Substrate schlossen eine spänezerkleinernde Struktur (nicht geschliffen) wie nach dem Formen ein, z. B. CPGM-21.51) durchwegs einen Kobaltgehalt von etwa 2,7 bis 2,8 Gew.-% (etwa 2,9 Gew.-% mittels Röntgenfluoreszenz) aufwiesen, mit verstreuten Kobaltpools in allen Proben, einer A06- bis A10-Porositätsbewertung und einer typischen Wolframkarbidkörnergröße von etwa 1 bis 6 μm, wobei alle Proben ein paar verstreute Körner von bis zu etwa 10 μm enthielten.
  • Nach dem erfindungsgemäßen erneuten Sintern waren Kobaltgehalt und Größe der Kobaltpools reduziert, die Porositätsbewertung war verbessert und die Größe der Wolframkarbidkörner war vergrößert. Die Porositätsbewertung lautete A02 bis A06 (weder nahe den Oberflächenbereichen der Proben noch an anderen Stellen in den Proben wurde eine untereinander verbundene Porosität beobachtet). Die Größe der Wolframkarbidkörner war nicht einheitlich und reichte von etwa 1 bis 11 μm, wobei die größeren Körner und/oder die Häufigkeit größerer Körner auf den Oberflächen der Proben größer waren. Größere Körner einer Größe von bis zu 16 bis 28 μm wurden beobachtet. In der CPGM-21.51-Probe wurden sowohl auf Oberflächen, die sich in einem Zustand wie nach dem Formen befanden, als auch auf geschliffenen Oberflächen große Körner erzeugt. In einer CPGN-422-Probe war der Kobaltgehalt im Wesentlichen überall einheitlich auf etwa 2 Gew.-% reduziert (EDS und Röntgenfluoreszenz). In einer CPGM-21.51-Probe war der Kobaltgehalt im Wesentlichen überall einheitlich auf etwa 0,5 Gew.-% reduziert. In beiden Proben war die Variabilität des Kobaltgehaltes um das Mittel ebenfalls reduziert, was auf eine Reduktion der Größe der Kobaltpools deutete (d. h. eine gleichmäßigere Verteilung des Kobalts). Die Differenz bezüglich der Menge des von den CPGN-422- und CPGM-21.51-Proben verdampften Kobalts deutet darauf hin, dass die Menge des verdampften Kobalts auch eine Funktion des Verhältnisses der Oberfläche der Wendeschneidplatte zu ihrem Volumen ist. Wenn dieses Verhältnis größer wird, sollte die Menge des verdampften Kobalts für eine erneute Sinterbehandlung steigen.
  • Das erneute Sintern erfolgte bei 1510°C (2750°F) über 3 Stunden in einer Stickstoffatmosphäre von etwa 0,5 Ton. Die Zeiten, die notwendig sind, um die erforderliche Oberflächenrauhigkeit zu erzielen, hängen von dem Ausgangsmaterial und den Sinterbedingungen ab. Mit steigender Temperatur sollten die Sinterzeiten zunehmen. Bei gesinterten und geschliffenen Substraten aus Legierung B stellten sich die Zeiten eines erneuten Sinters von 2 bis 3 Stunden bei 1510°C (2750°F) als ausreichend für die Bereitstellung der erforderlichen Oberflächenrauhigkeit heraus. Bei Legierung A erwiesen sich längere Sinterzeiten als notwendig.
  • Entsteht die gewünschte Oberflächenrauhigkeit nach der ersten erneuten Sinterbehandlung nicht, kann das Substrat erneut wieder gesintert werden, bis die gewünschte Oberflächenrauhigkeit entsteht.
  • Man glaubt, dass die erfindungsgemäße Atmosphäre während der Sinter- (oder erneuten Sinter-) Behandlung für die Erzielung einer guten Haftung des Diamantüberzugs an dem Substrat ebenfalls wichtig ist. Man glaubt, dass die Kobaltmenge auf der entstandenen rauhen Oberfläche auf ein Minimum reduziert wird, wenn während dieser Behandlung eine Stickstoffatmosphäre eingesetzt wird. Der Stickstoff-Partialdruck sollte gesteuert werden, um ein Verdampfen des Kobalts von der Oberfläche zu ermöglichen; gleichzeitig wird die erneute Benetzung der Oberfläche durch zusätzliches Kobalt von der Hauptmasse des Substrats minimiert und eine beachtenswerte Bildung einer Nitridschicht auf der Substratoberfläche vorzugsweise verhindert.
  • Der günstigste Stickstoff-Partialdruck kann daher eine Funktion der Substratzusammensetzung sein. Der Stickstoff-Partialdruck kann während der erneuten Sinterzyklen auch gesteuert oder variiert werden, um die Menge und Geschwindigkeit der Kobaltverdampfung von der Hauptmasse des Substrats zu steuern.
  • Man glaubt, dass eine Stickstoffatmosphäre von 0,3 bis 50 Torr, vorzugsweise 0,3 bis 5 und noch bevorzugter 0,3 bis 2 Torr eingesetzt werden sollte. Die Anmelder erzielten in ihrem Ofen die besten Ergebnisse für ein Substrat der Legierung B bei einer Stickstoffatmosphäre von 0,3 bis 0,7 Torr. Man geht von der Theorie aus, dass die Stickstoffatmosphäre es dem Kobalt auf den Außenflächen der Körner auf der Substratoberfläche ermöglicht zu verdampfen, während genügend Kobalt zwischen den Wolframkarbidkörnern auf der Oberfläche verbleibt, um diese fest an das restliche Substrat zu binden. Die Verdampfung des Kobalts an der Oberfläche geht mit dem Wachstum der Wolframkarbidkörner auf der Oberfläche einher und führt zu einer Aufrauhung der Oberfläche.
  • Die Span- und Freiflächen des Schneidwerkzeugsubstrates können dann günstigerweise mit Hilfe eines beliebigen herkömmlichen Mittels (z. B. Diamantstaub oder Diamantpaste) verkratzt werden, um zur Vorbereitung der Diamantbeschichtung Keimbildungsstellen zu erzeugen.
  • Die Diamantbeschichtung der Substrate erfolgt dann mittels einer Dampfabscheidungstechnik (z. B. Heizfaden, Gleichstrom-Plasmajet oder Mikrowellenplasma). Bei der Durchführung der Diamantbeschichtung wird die Substrattemperatur während des Beschichtens vorzugsweise zwischen 700 und 875°C gehalten. Unterhalb von etwa 700°C bildet sich zu viel Graphit in dem Diamantüberzug, was die Verschleißfestigkeit signifikant reduziert. Des weiteren ist die Beschichtungsgeschwindigkeit ebenfalls verringert. Oberhalb von etwa 875°C diffundiert während der Beschichtung zu viel Kobalt von dem Substrat und die Haftung des Diamanten an dem Substrat ist beeinträchtigt. Es hat sich herausgestellt, dass die Diamantbeschichtung bevorzugter bei etwa 750°C bis etwa 850°C durchgeführt wird. Bei diesen Temperaturen können die zuvor erwähnten nachteiligen Bedin gungen auf ein Minimum reduziert und eine angemessene Beschichtungsgeschwindigkeit erzielt werden.
  • 8 (2000-fach vergrößert) stellt die Oberflächenmorphologie eines Diamantüberzugs im abgeschiedenen Zustand auf der Freifläche eines erfindungsgemäßen Schneidwerkzeuges dar. Die dargestellte raube, facettierte Oberfläche deutet auf einen hochreinen Diamantüberzug, der, wenn überhaupt, nur eine minimale sp2-Phase (Graphit) und Binder von dem Substrat besitzt. Dieser Diamantüberzug wurde in einem CVD-Heizfaden-System erzeugt.
  • 9 (2000-fach vergrößert) veranschaulicht eine diamantbeschichtete Oberfläche auf einer Freifläche einer Wendeschneidplatte nach dem Schwabbeln. Durch Vergleich der 8 und 9 kann man die glättende Wirkung, die das Schwabbeln auf die Oberflächenmorphologie des Diamantüberzuges hat, gut sehen. Das Schwabbeln erfolgt, um höhere Oberflächenunebenheiten auf der Oberfläche des Diamantüberzuges auf der Freifläche zu eliminieren und so die Oberflächenbeschaffenheit, die dem bearbeiteten Werkstück verliehen wird, zu verbessern. Vorzugsweise wird ausreichend geschwabbelt, so dass die Oberflächenrauhigkeit Ra der Freifläche nahe den Ecken der Wendeschneidplatte um mindestens 10 Mikroinch reduziert wird.
  • Die 10 und 11 sind jeweils Teilquerschnitte einer Spanfläche einer diamantbeschichteten/erneut gesinterten Grenzfläche einer Wendeschneidplatte eines Schneidwerkzeugs. 10 ist 1000-fach vergrößert, 11 2000-fach. Diese Figuren zeigen die mechanische Verschränkung des Überzugs mit der unregelmäßigen Spanfläche des Substrats, die durch die großen Wolframkarbid-Oberflächenkörner entsteht. Man geht von der Theorie aus, dass die Minimierung des Kobalts auf den Oberflächen der Wolframkarbidkörner die direkte Keimbildung des Diamanten auf dem Wolframkarbid verstärkt. Sowohl die verbesserte Keimbildung als auch die mechanische Verschränkung verbessern die Haftung des Diamantüberzuges.
  • Die Haftfestigkeit der Diamantüberzüge auf Cermet-Wendeschneidplatten ist eine komplexe Funktion intrinsischer und extrinsischer Parameter. Sie schließen Oberflächenrauhigkeit, chemische Kompatibilität der Oberflächen, Kompatibilität der Wärmeausdehnungskoeffizienten, Oberflächenpräparation, Keimbildungsdichte und Beschichtungstemperatur ein. Bei polykristallinen Diamantüberzügen auf Carbid-Wendeschneidplatten ist die Haftfestigkeit durch die Binderkonzentration auf der Cermet-Oberfläche wesentlich verringert. Man glaubt, dass man mit dem erfindungsgemäßen Schritt des erneuten Sinterns das Ziel, eine ausreichende Reduktion des Binders (z. B. Kobalt) zu erzeugen, erreicht, um eine gute Bindung zwischen Diamant und Substrat zu erzielen, das Kobalt jedoch nicht soweit zu reduzieren, dass die Bindung der Oberflächen-WC-Körner an dem restlichen Substrat signifikant geschwächt wird. Die Notwendigkeit, die Substratoberfläche zu ätzen, um das Kobalt davon zu entfernen, sowie die damit einher gehende Bildung einer untereinander verbundenen Porosität in den an die Substratoberfläche angrenzenden Bereichen wurden vermieden.
  • Die Wirksamkeit des offenbarten Verfahrens wird durch die nachfolgenden weiteren Beispiele zusätzlich veranschaulicht.
  • In einem anderen Experiment wurden aus einer Pulvermischung von Legierung B bei 30.000 psi pillenförmige SPGN-422-Formlinge gepresst. Die Formlinge wurden anschließend bei 1496°C (2725°F) über 30 Minuten in einem herkömmlichen Sinterhartmetall-Vakuumsinterzyklus gesintert. Dann wurden sie auf die SPGN-422-Abmessungen geschliffen und in einem erneuten Sinterzyklus, wie in Tabelle I erneut aufgeführt, erwärmt. Der Partialdruck der Stickstoffatmosphäre, in der der Schritt des erneuten Sinterns erfolgte, betrug an der Last in einer gasdurchlässigen Graphitbox mit direkter Vakuumhaltung, durch die kontinuierlich etwa 2,5–3,0 Liter/Minute Stickstoff strömte, etwa 0,5 Ton. Stickstoff wurde zunächst während der Erwärmung auf die Temperatur des erneuten Sinterns bei etwa 538°C (1000°F) eingeleitet und dann dort gehalten, bis während des Abkühlens 1149°C (2100°F) erreicht wurden. Zu diesem Zeitpunkt wurde der Stickstoff durch Helium ersetzt.
  • Nach dem erneuten Sintern wurde die Oberflächenrauhigkeit der erneut erwärmten Wendeschneidplatten mit Hilfe einer Standard-Sheffield-Proficorder-Spectre-Einheit gemessen. Die Messungen erfolgten an zwei Stellen der Wendeschneidplatten. Anschließend wurden die Wendeschneidplatten (1) mittels Ultraschall gereinigt (in einer mikroreinen Lösung in Wasser beschallt, mit Wasser gespült, in Aceton beschallt und schließlich in Methanol), (2) mit Diamanten geimpft (entweder per Hand durch Verkratzen mit einer 0,25 μm-Diamantpaste oder durch Beschallen in einer Aufschlämmung aus 0,5 bis 3 μm großem Diamantpulver in 100 ml Aceton) und (3) in einem CVD-Heizfaden-System mit Diamanten beschichtet (in einem Gemisch aus 1% Methan und 99% Wasserstoff bei einem Gesamtgasdruck von 10 Ton und einer Substrattemperatur von etwa 775 bis etwa 850°C), so dass eine Diamantüberzugsdicke von etwa 5 bis 10 μm entstand.
  • Die Haftung zwischen dem Diamantüberzug und der Carbidoberfläche wurde mittels eines Eindruckhaftversuchs unter Verwendung eines Rockwell-Härte-Testgeräts mit einem kegelförmigen Brale-Diamantstempel mit Rockwell A-Skala in einem ausgewählten Lastbereich: 15 kg, 30 kg, 45 kg, 60 kg und 100 kg bestimmt. Die Haftfestigkeit wurde als Minimallast, bei der der Überzug sich löste und/oder abblätterte, definiert. Die Messungen erfolgten an zwei Stellen auf den Wendeschneidplatten.
  • Typische Bedingungen für das erneute Sintern, die entstandene Substratoberflächenrauhigkeit und die entsprechenden Haftungswerte sind in Tabelle I zusammengefasst. Veränderungen des Substratgewichts (Verluste) während des erneuten Sinterns bestätigen, dass Kobalt während des erneuten Sinterns von den Proben verdampft wird. Je höher das Gewichtsveränderungsverhältnis, um so größer der Kobaltverlust. Bei diesen Beispielen wurden akzeptable Haftergebnisse bei einem Gewichtsverhältnis von 1,0030 bis 1,0170 in Kombination mit einer Oberflächenrauhigkeit von 0,686 μm bis 1,549 μm (27 bis 61 Mikroinch) erzielt. Diese Gewichtsveränderungsverhältnisse deuten darauf hin, dass der Kobaltgehalt in Substraten mit etwa 2,7 Gew.-% Kobalt vor dem erneuten Sintern nach dem erneuten Sintern auf etwa 2,4 bis 1,0 Gew.-% reduziert war. Zwar ist es wünschenswert, die Oberflächenrauhigkeit zu erhöhen, um eine verbesserte Verschränkung zwischen der Substratoberfläche und dem Diamantüberzug zu erreichen, doch das Gewichtsveränderungsverhältnis sollte vorzugsweise so klein wie möglich sein, so dass man das gewünschte Niveau der Oberflächenrauhigkeit erreichen kann, das notwendig ist, um eine gute Bindung an dem Überzug zu erzielen.
  • Im Allgemeinen weisen Proben mit einer höheren Substratoberflächenrauhigkeit eine höhere Haftfestigkeit auf. Proben, die nur eine Stunde lang bei 1454°C (2650°F) gesintert wurden, besaßen eine unzureichende Oberflächenrauhigkeit, eine ungenügende Haftung zwischen Überzug und Substrat und wiesen einen wesentlich geringeren Gewichtsverlust (d. h. Kobaltverlust) auf als die Proben, die erfindungsgemäß länger gesintert wurden.
  • In einem anderen Experiment wurden beschichtete Wendeschneidplatten, die ähnlich wie in dem vorherigen Experiment hergestellt worden waren, in einem Metallschneidetest bewertet. Im Allgemeinen wiesen Proben mit einer höheren Substratoberflächenrauhigkeit eine bessere Leistung auf. In weiteren Beispielen, dargestellt in Tabelle II, wurden weitere Proben gesinterter und geschliffener Substrate aus Legierung B und Proben gesinterter und geschliffener Substrate aus Legierung A, wie in Tabelle II dargestellt, mittels einer Stickstoffatmosphäre von 0,5 Torr wie zuvor erneut gesintert. Das Gewichtsveränderungsverhältnis des Substrats bei den Proben 608A3 und 608A4 betrug 1,0088 bzw. 1,0069. Die Gewichtsveränderungen aufgrund des erneuten Sinterns in den anderen, in Tabelle I aufgeführten Proben wurden nicht gemessen. Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, wurden die Substrate aus Legierung A erneut zweimal gesintert, um die gewünschten Oberflächenrauhigkeiten und die gewünschten Eindruckshaftwerte zu erhalten. Man glaubt, dass längere Sinterzeiten notwendig sind, um Oberflächenrauhigkeiten und Eindruckhaftwerte zu erreichen, die denen entsprechen, die aufgrund der Zugabe von Chrom (einem Kornwachstumshemmer) in Legierung B und/oder des höheren Kobaltgehaltes von Legierung A erzielt werden. Die Diamantüberzüge auf diesen Proben besaßen eine Dicke von etwa 25 μm in den Ecken der Spanfläche (einer Gewichtsveränderung von 21 mg entspricht einer Überzugsdicke auf der Wendeschneidplatte vom SPGN-422-Typ von etwa 25 μm).
  • Die Erfinder fanden überraschenderweise heraus, dass erfindungsgemäße diamantbeschichtete Wendeschneidplatten beim Drehen von A380- und A390-Aluminiumlegierungen eine Verschleißdauer von mindestens 40 und noch bevorzugter etwa 60% der Werkzeuge mit PCD-Spitze aufweisen, aufgrund von Abriebverschleiß (nicht Abblättern) versagen und auch ähnliche Standzeiten und Versagensmodi beim unterbrochenen Drehen dieser Materialien besitzen. Dies ist nach Wissen der Erfinder das erste Mal, dass ein diamantbeschichtetes Schneidwerkzeug hergestellt wurde, das beim unterbrochenen Drehen dieser Materialien gegenüber Abblättern kontinuierlich beständig ist. Dies macht es möglich, dass eine konsistente Werkzeugstandzeit erzielt und vorausgesagt werden kann – ein Schritt, der notwendig ist, wenn diamantbeschichtete Werkzeuge mit Werkzeugen mit PCD-Spitze im Handel konkurrieren sollen. Die zuvor beschriebenen Bearbeitungstestergebnisse wurden mit einer Diamantüberzugsdicke von etwa 25 μm, gemessen an der Spanfläche nahe den Ecken eines Wendeschneidplattensubstrats aus Legierung B, erzielt.
  • Figure 00200001
  • Figure 00210001
  • Figure 00220001
  • Das wahlweise durchführbare, aber bevorzugte Schwabbeln der erfindungsgemäßen Freifläche wird durch die Verwendung einer rotierenden Bürste erreicht, deren Borsten mit Diamantstaub besetzt sind (z. B. Staub der Siebnummer 400). Geeignete Bürsten können von Osborn Manufacturing/Jason, Inc., Cleveland, Ohio erworben werden.
  • In 12 treffen die Borsten 100 der Bürste, sofern ein Schwabbeln erwünscht ist, auf die Freiflächen 190 des Schneidwerkzeuges 200. Das Werkzeug 200 kann, während es mit den Borsten der Bürste in Kontakt steht, rotieren. Wie in 12 dargestellt, kann dies erfolgen, indem man die Wendeschneidplatte 200 auf einem rotierenden Sockel 210 so anbringt, dass sich die Wendeschneidplatte um eine Achse dreht, die zu der Rotationsachse der Borsten 100 senkrecht ist, und die Borsten 100 so nach oben über die Freiflächen 190 streichen können (Position A). Alternativ (nicht dargestellt) können die Freiflächen oder Ecken der Wendeschneidplatten nacheinander geschwabbelt werden, indem man die Ausrichtung der Wendeschneidplatte während des Schwabbelns konstant (nicht drehend) hält und die Wendeschneidplatte nach Beendigung des Schwabbelns zur nächsten Ecke, die geschwabbelt werden soll, dreht.
  • Bei einer anderen Alternative (dargestellt als Position B von 12) kann die Wendeschneidplatte 200 mit der Oberseite nach unten in den unteren rechten Quadranten der im Uhrzeigersinn rotierenden Bürste eingesetzt werden. Auf diese Weise können die Freiflächen 190 der Wendeschneidplatte geschwabbelt werden, ohne dass die beschichtete Schneidkante 220 abgerundet wird.
  • Als Beispiel wurden verschiedene diamantbeschichtete Wendeschneidplatten 15 Minuten lang mit Hilfe einer Bürste eines Durchmessers von 0,2 m (8 Inch), die mit Diamantstaub der Siebnummer 400 besetzt war und sich mit einer Drehzahl von 1000 UpM drehte, geschwabbelt. Die Oberflächenrauhigkeitsparameter des Diamantüberzugs wurden mit einem Sheffield-Proficorder-Spectre-Instrument im abgeschiedenen und im geschwabbelten Zustand gemessen. Die Rauhigkeitsdaten sind in der nachfolgenden Tabelle III aufgeführt und zeigen, dass die Rauhig keitsparameter der Freiflächen für die Überzüge duch das Schwabbeln signifikant gesenkt werden. Während Ra die durchschnittliche Rauhigkeit misst, misst Rtm den maximalen Wert vom höchsten bis zum tiefsten Punkt; letzterer wird durch das Schwabbeln noch signifikanter reduziert.
  • TABELLE III WIRKUNG DES SCHWABBELNS AUF DIE OBERFLÄCHENRAUHIGKEITSPARAMETER DIAMANTBESCHICHTETER WENDESCHNEIDPLATTEN
    Figure 00240001
  • Versuche, mit Siliziumcarbidteilchen besetzte Bürsten zu verwenden, waren nicht erfolgreich. Die Rauhigkeitsparameter waren nach dem Schwabbeln unverändert. Das offenbarte Diamantschwabbelverfahren kann bei Einsatz aggressiverer Bedingungen, z. B. gröberer PCD-Teilchen in den Bürsten, höherer Drehgeschwindigkeiten, usw. in kürzerer Zeit erfolgen.
  • Die günstigen Auswirkungen des Schwabbelns auf die Metallschneideleistung werden weiterhin durch die folgenden Experimente belegt. Eine Ecke von drei diamantbeschichteten Wendeschneidplatten vom SPGN-422-Typ wurde jeweils wie zuvor beschrieben geschwabbelt (die Wendeschneidplatten wurden während des Schwabbelns nicht gedreht). Der Diamantüberzug auf den übrigen Ecken wurde im abgeschiedenen Zustand intakt belassen. Zum Vergleich wurde in demselben Metallschneidetest ein herkömmliches PCD-Werkzeug verwendet. Die Metallschneidebedingungen in diesem Drehtest waren wie folgt: Werkstückmaterial A390-Aluminium (etwa 18% Silizium), Umfangsgeschwindigkeit 2500 ft/min, Vorschub 0,127 mm (0,0005 Inch) pro Umdrehung, Schnitttiefe 0,635 mm (0,025 Inch). Die Werkzeuge wurden nacheinander verwendet, um zweiminütige Schnitte durchzuführen, bis das Werkzeug versagte, d. h. sich ein Schneidrückenverschleiß von 0,254 mm (0,010 Inch) entwickelte oder der Diamantüberzug bis auf das Substrat verschlissen war. Nach dem zweiminütigen Schneiden wurde die Oberflächenrauhigkeit des Werkstückes jeweils mit einem tragbaren Oberflächenmessgerät gemessen (Modell Pocket Surf® EAS-2632 von Federal Products Corp., das zum Aufspüren der Oberflächenmikrorauhigkeit einen Diamanttaster verwendet).
  • Die Ergebnisse sind in Tabelle IV zusammengefasst und führen den während des Tests bis zum Werkzeugversagen gemessenen Bereich der Werkstückrauhigkeiten auf. Die Werkstückoberflächenbeschaffenheit der geschwabbelten, diamantbeschichteten Werkzeuge sind eindeutig überlegen und kommen der Oberflächenbeschaffenheit der PCD-Werkzeuge nahe. Diese diamantbeschichteten Werkzeuge eignen sich für die Fertigbearbeitung, bei der im Allgemeinen Oberflächenrauhigkeiten von weniger als 2,032 μm (80 Mikroinch) erforderlich sind. Wie in Tabelle IV, Werkzeugmaterial C dargestellt, kann das Schwabbeln jedoch gesteuert werden, um, wenn nötig, eine Oberflächenrauhigkeit des Werkstückes von weniger als 1,270 μm (50 Mikroinch) zu erreichen, die der eines PCD-Werkzeugs entspricht.
  • TABELLE IV WIRKUNG DES SCHWABBELNS AUF DIE WERKSTÜCKOBERFLÄCHENBESCHAFFENHEIT DIAMANTBESCHICHTETER WERKZEUGE
    Figure 00260001
  • Tabelle IV veranschaulicht, dass der Bereich der Werkstückrauhigkeit vor und nach dem Schwabbeln um 7-106 Ra reduziert war.
  • In einem anderen Experiment entstanden bei einem diamantbeschichteten Werkzeug im abgeschiedenen Zustand bei Versagen (der Überzug war nach 46 Minuten Gesamtschneidezeit bis auf das Substrat verschlissen, mit einer Verschleißzone von 0,414 mm (0,0163 Inch)) Werkstückrauhigkeiten (Ra) im Bereich von 184 bis 221 Mikroinch. Die Verschleißzone dieses Werkzeuges wurde wie zuvor beschrieben geschwabbelt. Nach dieser Behandlung entstanden bei dem Werkzeug Werkstück-Oberflächenbeschaffenheiten (Ra) im Bereich von 1524 mm bis 1702 mm (60 bis 67 Mikroinch). Auch hier wirkte sich das Schwabbeln positiv auf die Werkzeugleistung aus.
  • Die Erfinder haben festgestellt, dass, um eine glatte Oberflächenbeschaffenheit mit einer Bürste der Siebnummer 400 zu erzeugen, die Schwabbelzeit in einer Größenordnung von nur einigen Minuten liegen kann. Ist eine rauhere Oberflächenbeschaffenheit akzeptabel (z. B. Siebnummer 120), kann die Schwabbelzeit reduziert werden. Das Schwabbeln kann auch in zwei oder mehr Schritten erfolgen, einer ersten, schnellen Phase mit einer rauben (z. B. Siebnummer 120) Bürste, um die signifikantesten Unebenheiten zu entfernen, und einer zweiten, langsamen Phase mit einer feinen Bürste (z. B. Siebnummer 400), um den diamantbeschichteten Oberflächen den endgültigen gewünschten Grad der Oberflächenglätte zu verleihen.
  • Zwar wurde die Erfindung im Detail mit Blick auf die bevorzugteste Ausführungsform beschrieben, d. h. diamantbeschichtete Wendeschneidplatten zur Verwendung beim Metallschneiden wie z. B. Drehen und Fräsen, doch sie ist nicht nur auf Wendeschneidplatten für das Metallschneiden beschränkt.
  • Die vorliegende Erfindung kann zum Abrunden von Werkzeugen (wie Bohrern oder Schaftfräsern) und anderen Schneidwerkzeugen, die sich unter Umständen nicht wenden lassen, eingesetzt werden. Erfindungsgemäße Schneidwerkzeuge können auch zur Bearbeitung anderer Materialien als Aluminium und seinen Legierungen, wie z. B. Kupfer-, Zink- und Messinglegierungen, Holz, Spanplatten, Nylonmaterialien, Acrylmaterialien, Phenolharzen, Kunststoffen, Verbundstoffen, nicht gebrannten Keramikmaterialien und Cermets, Knochen und Zähnen verwendet werden.
  • Die vorliegende Erfindung kann auch für Verschleißteile bei solchen Anwendungen wie automatischem Filmbonding für elektronische Zwecke sowie bei Stempeln und Stanzgeräten verwendet werden.
  • Die vorliegende Erfindung kann auch bei Sinterhartmetallspitzen aus Wolframkarbid und Kobalt für Bergbau- und Bauwerkzeuge sowie Erd- und Steinbohrwerkzeuge verwendet werden.
  • Zwar wurde die beste Art, die Erfindung auszuführen, im Detail beschrieben, doch der Fachmann erkennt verschiedene alternative Konstruktionen und Ausfüh rungsformen zur Durchführung der Erfindung, wie sie in den nachfolgenden Ansprüchen definiert sind.

Claims (32)

  1. Verfahren zur Herstellung eines diamantbeschichteten Schneidwerkzeugs (80) mit einem Sinterhartmetallsubstrat auf Wolframkarbid-Grundlage, welches Wolframkarbidkörner und einen metallischen Binder umfaßt und eine Spanfläche (30), eine Freifläche (50) und eine Schneidkante (70) am Zusammentreffen der Spanfläche (30) und der Freifläche (50) aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Sintern des Substrats während einer Zeit, bei einer Temperatur und in einer Atmosphäre zur Erzeugung eines Wolframkarbid-Kornwachstums an der Span- und der Freifläche (30, 50) des Substrats, das ausreichend ist, um die Spanfläche (30) des Substrats mit einer Oberflächenrauhigkeit Ra zu versehen, die größer als 0,635 μm (25 Mikroinch) ist, während die Konzentration des metallischen Binders auf der Fläche verringert wird; sowie ein anschließendes Haftauftragen einer Diamantbeschichtung auf die Span- und die Freifläche (30, 50) des Substrats mittels Aufdampfen; wobei die Atmosphäre eine Stickstoffatmosphäre mit einem Stickstoff-Partialdruck ist, der so gesteuert wird, daß der Binder von der Span- und der Freifläche (30, 50) des Substrats verdampfen kann, während ein erneutes Benetzen der Substratoberflächen (30, 50) durch zusätzlichen Binder aus dem Hauptteil des Substrats minimiert wird; und wobei die Diamantbeschichtung (90) eine durchschnittliche Haftfestigkeit auf der Substratoberfläche von mehr als 45 kg, bestimmt durch die Rockwell A-Eindrucktechnik, aufweist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Stickstoff-Partialdruck in einem Bereich zwischen 0,3 und 50 Ton liegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Stickstoff-Partialdruck in einem Bereich zwischen 0,3 und 5 Ton liegt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Stickstoff-Partialdruck in einem Bereich zwischen 0,3 und 2 Torr liegt.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Stickstoff-Partialdruck in einem Bereich zwischen 0,3 und 0,7 Torr liegt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem die Stickstoffatmosphäre kontinuierlich mit 2,5 bis 3,0 Litern/Minute strömt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem das Sintern zu einem Gewichtsänderungsverhältnis des Substrats führt, das in einem Bereich zwischen 1,0030 und 1,0170 liegt, und die Oberflächenrauhigkeit zwischen 0,686 und 1,549 μm (27 und 61 Mikroinch) beträgt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem die Zeit und die Temperatur so gesteuert werden, daß die Spanfläche (30) des Substrats mit einer Ra von mehr als 0,889 μm (30 Mikroinch) versehen wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem Ra einen Wert von wenigstens 40 Mikroinch aufweist.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welchem das Substrat im wesentlichen vollständig verdichtet ist und vor dem Sinterschritt eine Oberfläche in einem geschliffenen Zustand aufweist.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei welchem der metallische Binder etwa 0,2 bis etwa 20 Gew.-% des Sinterhartmetalls auf Wolframkarbid-Grundlage bildet und der metallische Binder aus der aus Kobalt, Kobaltlegierungen, Eisen, Eisenlegierungen, Nickel und Nickellegierungen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem der metallische Binder aus der aus Kobalt und Kobaltlegierungen bestehenden Gruppe ausgewählt ist und bei welchem Kobalt etwa 0,5 bis etwa 7 Gew.-% des Sinterhartmetalls auf Wolfram- karbid-Grundlage bildet.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei welchem das Aufgingen der Diamantbeschichtung (90) bei einer Temperatur von über 700°C, jedoch unter 875°C durchgeführt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, welches ferner den Schritt umfaßt, die Oberflächenrauhigkeit der Diamantbeschichtung (90) auf der Freifläche (50) zu glätten.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem der Glättschritt durch Schwabbeln der Diamantbeschichtung (90) auf der Freifläche (50) erfolgt.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei welchem der Gesamtgehalt von Ti, Hf Zr, Ta, Nb, V, Mo und Cr in dem Sinterhartmetall auf Wolframkarbid-Grundlage weniger als 1 Gewichtsprozent beträgt.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei welchem die durchschnittliche Haftfestigkeit der Diamantbeschichtung (90) auf der Substratoberfläche wenigstens 60 kg beträgt.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, bei welchem die durchschnittliche Haftfestigkeit der Diamantbeschichtung (90) auf der Substratoberfläche wenigstens 80 kg beträgt.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei welchem die haftend an die Spanfläche (30) gebundene Diamantbeschichtung (90) eine Oberflächenrauhigkeit Ra von mehr als 0,889 μm (35 Mikroinch) hat und die haftend an die Freifläche (50) gebundene Diamantbeschichtung (90) eine Oberfläche aufweist, die geglättet worden ist.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, bei welchem die Diamantbeschichtung (90), die an die Spanfläche (30) gebunden ist, eine durchschnittliche Dicke von etwa 5 bis etwa 100 μm aufweist.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, bei welchem die Dicke etwa 22 bis etwa 100 μm beträgt.
  22. Verfahren nach Anspruch 20, bei welchem die Dicke etwa 22 bis etwa 50 μm beträgt.
  23. Diamantbeschichtetes Schneidwerkzeug zur spangebenden Bearbeitung von Werkstoffen, mit: einem Sinterhartmetallsubstrat auf Wolframkarbid-Grundlage, das durch einen metallischen Binder miteinander verbundene Wolframkarbidkörner aufweist; wobei der Gesamtgehalt von Ti, Hf, Zr, Ta, Nb, V, Mo und Cr in dem Sinterhartmetall auf Wolframkarbid-Grundlage weniger als 1 Gewichtsprozent beträgt; wobei das Substrat, verglichen mit den Wolframkarbidkörnern in den inneren Bereichen des Substrats, eine Substratoberfläche mit relativ großen Körnern darauf aufweist, um eine ungleichmäßige Oberfläche auf dem Substrat zu schaffen; einer auf der ungleichmäßigen Substratoberfläche aufgebrachten und eine hohe Fähigkeit zur Haftung darauf aufweisenden Diamantbeschichtung (90); wobei die ungleichmäßige Substratoberfläche eine Oberflächenrauhigkeit Ra von mehr als 0,635 μm (25 Mikroinch) hat; und wobei die Diamantbeschichtung (90) mit einer durchschnittlichen Haftfestigkeit von mehr als 45 Kilogramm bei Rockwell A-Eindruckversuchen auf der ungleichmäßigen Substratoberfläche haftet; wobei das Substrat eine Freifläche (50) und eine Spanfläche (30) sowie eine Schneidkante (70) aufweist, die am Zusammentreffen der Frei- und der Spanfläche (50 bzw. 30) gebildet ist; wobei die Diamantbeschichtung (90) an die Spanfläche (30) und die Freifläche (50) haftend gebunden ist.
  24. Diamantbeschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 23, bei welchem der metallische Binder etwa 0,2 bis etwa 20 Gew.-% des Sinterhartmetalls auf Wolframkarbid-Grundlage bildet und der metallische Binder aus der aus Kobalt, Kobaltlegierungen, Eisen, Eisenlegierungen, Nickel und Nickellegierungen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
  25. Diamantbeschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 23, bei welchem der metallische Binder aus der aus Kobalt und Kobaltlegierungen bestehenden Gruppe ausgewählt ist und bei welchem Kobalt etwa 0,5 bis etwa 7 Gew.-% des Sinterhartmetalls auf Wolframkarbid-Grundlage bildet.
  26. Diamantbeschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 23 bis 25, bei welchem die durchschnittliche Haftfestigkeit der Diamantbeschichtung (90) auf der Substratoberfläche wenigstens 60 kg beträgt.
  27. Diamantbeschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 26, bei welchem die durchschnittliche Haftfestigkeit der Diamantbeschichtung (90) auf der Substratoberfläche wenigstens 80 kg beträgt.
  28. Diamantbeschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 23 bis 27, bei welchem die haftend an die Spanfläche (30) gebundene Diamantbeschichtung (90) eine Oberflächenrauhigkeit Ra von mehr als 0,889 μm (35 Mikroinch) hat und die haftend an die Freifläche (50) gebundene Diamantbeschichtung (90) eine Oberfläche aufweist, die geglättet worden ist.
  29. Diamantbeschichtetes Schneidwerkzeug nach einem der Ansprüche 23 bis 28, bei welchem die Diamantbeschichtung (90), die an die Spanfläche (30) gebunden ist, eine durchschnittliche Dicke von etwa 5 bis etwa 100 μm aufweist.
  30. Diamantbeschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 29, bei welchem die Dicke etwa 22 bis etwa 100 μm beträgt.
  31. Diamantbeschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 29, bei welchem die Dicke etwa 22 bis etwa 50 μm beträgt.
  32. Diamantbeschichtetes Schneidwerkzeug nach Anspruch 23, welches durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22 hergestellt ist.
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