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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf ein diamantbeschichtetes Schneidwerkzeug für die spangebende
Bearbeitung sowie auf ein Verfahren zu seiner Herstellung.
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Hintergrund
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Solche Ansätze lassen die Herausforderung,
zwischen dem Überzug
und dem Substrat eine große Bindungsstärke zu erzeugen,
ungelöst.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch die Ansprüche 1 und
23 gelöst.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Das erfindungsgemäße Produkt wird vorzugsweise
nach einem ebenfalls erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt,
das folgende Schritte umfasst:
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- 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.
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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.
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Vorzugsweise werden die Oberflächen des
zu beschichtenden Substrats nach dem Sinterschritt mit Diamant verkratzt,
um Diamantenkeimbildungsstellen als Vorbereitung für die Diamantbeschichtung
zu erzeugen.
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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.
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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.
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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.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1A stellt
eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Schneidwerkzeugsubstrates
dar.
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1B stellt
einen Teilquerschnitt durch das Schneidwerkzeugsubstrat von 1A senkrecht zu einer Schneidkante
dar, nachdem dieses erfindungsgemäß beschichtet worden ist.
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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.)
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12 veranschaulicht
einen wahlweise durchzuführenden
Schwabbelschritt mittels einer mit Diamantstaub besetzten rotierenden
Bürste.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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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.
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Sind spanbrechende Strukturen zu
beschichten, können
sich einige oder all diese Strukturen in einem Zustand wie nach
dem Formen befinden (d. h. ungeschliffen).
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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.
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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.
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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.
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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:
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Entsteht die gewünschte Oberflächenrauhigkeit
nach der ersten erneuten Sinterbehandlung nicht, kann das Substrat
erneut wieder gesintert werden, bis die gewünschte Oberflächenrauhigkeit
entsteht.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Wirksamkeit des offenbarten Verfahrens
wird durch die nachfolgenden weiteren Beispiele zusätzlich veranschaulicht.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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TABELLE
III
WIRKUNG DES SCHWABBELNS AUF DIE OBERFLÄCHENRAUHIGKEITSPARAMETER DIAMANTBESCHICHTETER
WENDESCHNEIDPLATTEN
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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.
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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).
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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.
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TABELLE
IV
WIRKUNG DES SCHWABBELNS AUF DIE WERKSTÜCKOBERFLÄCHENBESCHAFFENHEIT DIAMANTBESCHICHTETER
WERKZEUGE
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Tabelle IV veranschaulicht, dass
der Bereich der Werkstückrauhigkeit
vor und nach dem Schwabbeln um 7-106 Ra reduziert
war.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die vorliegende Erfindung kann auch
für Verschleißteile bei
solchen Anwendungen wie automatischem Filmbonding für elektronische
Zwecke sowie bei Stempeln und Stanzgeräten verwendet werden.
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Die vorliegende Erfindung kann auch
bei Sinterhartmetallspitzen aus Wolframkarbid und Kobalt für Bergbau-
und Bauwerkzeuge sowie Erd- und Steinbohrwerkzeuge verwendet werden.
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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.