DE10120046B4

DE10120046B4 - Schneideinsatz zur Bearbeitung von schwer zerspanbaren Metalllegierungswerkstücken und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE10120046B4
Application number: DE2001120046
Authority: DE
Inventors: Udo Dr.rer.nat. König; Ralf Dipl.-Phys. Tabersky
Original assignee: Widia GmbH
Current assignee: Widia GmbH
Priority date: 2001-04-24
Filing date: 2001-04-24
Publication date: 2009-10-29
Anticipated expiration: 2021-04-25
Also published as: WO2002085563A3; DE10120046A1; WO2002085563A2

Abstract

Schneideinsatz zur Bearbeitung von schwer zerspanbaren Metallegierungswerkstücken, bestehend aus einem Feinkorn- oder Feinstkorn-Hartmetall-Substratkörper, dessen Hartstoff-Partikel eine mittlere Korngröße ≤ 1,5 μm, vorzugsweise ≤ 1,2 μm, besitzen, und mindestens einer hierauf abgeschiedenen Hartstoff-Schicht, die aus den atomaren Komponenten Bor, Stickstoff und mindestens einem der Metalle der Gruppe Ti, Zr und Hf, vorzugsweise Ti, besteht.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schneideinsatz zur Bearbeitung von schwer zerspanbaren Metallegierungswerkstücken, bestehend aus einem Hartmetall-Substratkörper, auf dem mindestens eine Hartstoffschicht abgeschieden worden ist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Schneideinsatzes, bei dem zunächst auf pulvermetallurgischem Weg ein gesinterter Hartmetall-Substratkörper gefertigt und dieser anschließend mittels eines plasmaunterstützten CVD-Verfahrens beschichtet wird.
Soweit nicht bei Werkstück-Zerspanungsarbeiten, wie dem Drehen, Fräsen oder Bohren, unbeschichtete, aus Hartmetallen, Cermets oder Keramiken bestehende Schneideinsätze in hinreichendem Maße ihren Gebrauchszweck erfüllen, ist es gängiger Stand der Technik, beschichtete Schneideinsätze zu verwenden. Je nach Art der Zerspanungsoperation, den Bearbeitungsparametern und der Werkstückbeschaffenheit, insbesondere der Werkstück-Materialzusammensetzung, haben sich spezifische Material-Zusammensetzungen des Substratkörpers und der Hartstoff-Beschichtung im Hinblick auf die Werkzeug-Standzeiten als günstig erwiesen. So werden beispielsweise Maschinenbaustähle mit Wendeschneidplatten aus Hartmetallen bearbeitet, die zur Verschleißminderung mit dünnen Schichten aus den Hartstoffen Titancarbid, Titannitrid, Titancarbonitrid und/oder Aluminiumoxid beschichtet sind. Erfahrungsgemäß ist die zerspanende Bearbeitung von Werkstücken um so schwieriger, je härter das Werkstück ist. Sehr harte Stähle, z. B. Wälzlagergehäuse, die gehärtete Randschichten besitzen, können mit den vorgenannten, eine Beschichtung aufweisenden Schneideinsätzen nicht mehr bearbeitet werden, weshalb zumindest der letzte Bearbeitungsschritt durch Schleifen mit Diamantschleifscheiben erfolgt.
Als hartes und verschleißbeständiges Material ist neben dem Diamant kubisches Bornitrid (cBN) bekannt, das synthetisch in einem aufwendigen und komplizierten Prozeß bei sehr hohen Temperaturen und Drücken durch Verdichtung von hexagonalem Bornitrid herstellbar ist. Neben der Härte besitzt cBN auch den Vorteil, daß es auch bei hohen Temperaturen nicht mit Eisenlegierungen reagiert und daher zur Stahlbearbeitung gut geeignet erscheint. Die Kosten für die Herstellung eines cBN-Körpers sind jedoch relativ hoch, weshalb man in der Praxis hergestellte cBN-Partikel in einem weiteren Hochdruckprozeß mit metallischen oder keramischen Bindestoffen zu kleinen Körpern aus polykristallinem kubischen Bornitrid zusammenfügt, die mit einem Träger aus Hartmetall durch Löten verbunden werden. Nach dem Löten sind jedoch mehrere Schleifvorgänge notwendig, die nicht nur zu einer weiteren Verteuerung des derart gefertigten Werkzeuges führen, sondern auch nur einfache Werkzeugformen zulassen. Erreichbare Zerspanungsergebnisse hängen jedoch nicht nur von der Materialzusammensetzung des Schneideinsatzes, sondern auch von dessen geometrischer Gestaltung ab. Im einfachsten Fall werden zur besseren Spanabfuhr, zur Optimierung des Spanbruches, der zur Vermeidung von gefährlichen Wirrspänen erforderlich ist, und zur Erhöhung der Standzeit durch Verminderung des Verschleißes an den Schneidkanten und auf der Spanfläche Mulden und/oder Erhebungen, insbesondere auf der Spanfläche vorgesehen. In weiteren geometrischen Gestaltungsmöglichkeiten können nicht lineare Schneidkanten, verdrallte Flanken oder Fasen weitere Vorzüge liefern, die jedoch nur dann herstellungstechnisch realisierbar sind, wenn der Schneideinsatz-Grundkörper auf pulvermetallurgischem Weg durch Pressen eines Grünlinges, in den die späteren Schneideinsatz-Formgestaltungen unter Berücksichtigung des Sinterschwundes bereits eingeprägt sind, durch Sintern des Grünlinges sowie abschließendes Beschichten hergestellt wird. Schichten auf einen Substratkörper lassen sich vorzugsweise durch physikalische oder chemische Abscheidung aus der Dampfphase (PVD oder CVD) erzeugen. Die Aufbringung von Carbiden, Nitriden oder Carbonitriden eines der Elemente der IVa bis VIa des Periodensystemes und/oder von Aluminium- oder Zirkonoxid kann zwischenzeitlich als zufriedenstellend gelöst angesehen werden. Die Abscheidung von BN-Schichten mittels CVD oder PVD brachte jedoch bisher keine zufriedenstellenden Ergebnisse. Je nach Beschichtungsbedingungen wird nämlich BN nur in hexagonaler Form abgeschieden, somit als eine zu weiche und für Zerspanungszwecke unbrauchbaren Schicht. Durch Änderung der Abscheidebedingungen in CVD-Prozessen, insbesondere bei plasmaunterstützten CVD-Abscheidungen gelingt es zwar BN-Schichten abzuscheiden, die kubische Bornitrid-Anteile aufweisen, jedoch ist die erreichbaren Härte solcher Schichten ebenso unbefriedigend wie deren geringe Haftfestigkeit auf dem Substratkörper oder einer hierauf abgeschiedenen Zwischenschicht. Bereits bei Härteprüfungen mit einem Diamant kam es zu lokalen Abplatzungen der aufgetragenen BN-Schicht. In vielen Fällen mußte auch festgestellt werden, daß die abgeschiedenen BN-Lagen Stickstoff in einem unterstöchiometrischen Anteil enthielten, so daß die bisherigen Bemühungen, dünne cBN-Schichten mittels PVD oder CVD zu erzeugen, im Ergebnis weit hinter den gesteckten Erwartungen zurückgeblieben sind.
Die DE 44 25 796 A1 beschreibt ein beschichtetes Werkzeug, das aus einem Cermetgrundkörper und einer Verschleißschutzschicht aus (Ti, Me)N besteht, wobei Me ein Metall ist, das bei einer Temperatur über 700°C ein stabiles Oxid bildet. Dieses Metall kann beispielsweise Aluminium sein.
Bei der Zielsetzung, mit einer Beschichtung versehene Schneideinsätze zur Bearbeitung von schwer zerspanbaren Metallegierungswerkstücken zu erzeugen, ist überraschenderweise gefunden worden, daß sowohl erhöhte Härtewerte als auch verbesserte Standzeiten bei Zerspanungsoperationen mit Schneideinsätzen gemäß Anspruch 1 erreichbar sind.
Erfindungsgemäß wesentlich ist die Kombination eines Feinkorn- oder Feinstkornhartmetall-Substratkörpers mit einer mittleren Hartstoff-Partikel-Korngröße ≤ 1,5 μm, vorzugsweise ≤ 1,2 μm, mit einer Hartstoffschicht, welche aus den atomaren Komponenten Bor, Stickstoff und mindestens einem der Metalle der Gruppe Ti, Zr und Hf, vorzugsweise Ti, besteht.
Vorzugsweise weist der Hartmetall-Substratkörper 3 Massen% bis 25 Massen% Co als Binder, Rest WC auf, wobei die WC-Partikel eine mittlere Korngröße ≤ 1,2 μm, vorzugsweise 0,2 bis 0,8 μm, und insbesondere ≤ 0,5 μm aufweisen. Gute Zerspanungsergebnisse ließen sich insbesondere mit Schneideinsätzen erzielen, deren Substratkörper eine Vickers-Härte ≥ 1600 HV30, vorzugsweise ≥ 1800 HV30, besitzen. Entsprechendes gilt für solche Schneideinsätze mit einem Substratkörper, deren mit einem Kleinlastprüfgerät bestimmte Vickers-Härte ≥ 2400 HV0,05 bzw. ≥ 2600 HV0,05 beträgt.
In einer Weiterentwicklung der Erfindung besitzt mindestens eine auf dem Substratkörper abgeschiedene Schicht die analytische Zusammensetzung 15 bis 65 Atom% Bor, 10 bis 45 Atom% Titan, Rest Stickstoff, wobei der Stickstoffanteil insbesondere zwischen 3 Atom% und 45 Atom% liegen soll. Gute Zerspanungsergebnisse konnten mit den genannten, Titan, Bor und Stickstoff enthaltenen Schichten erzielt werden, wenn die Schicht amorph, nanokristallin oder feinkristallin ist und/oder eine Dicke von 0,1 μm bis 5 μm aufweist. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann der Substratkörper mit einer mehrlagigen Beschichtung versehen sein, bei der die äußerste Schicht die Komponenten Ti, B und N enthält. Die unmittelbar auf dem Hartmetall-Substratkörper aufgetragene Schicht sollte zur Vermeidung von Diffusionen des Bors in das Hartmetall aus TiN oder TiCN bestehen. Vorzugsweise wird eine Schichtfolge TiN-TiCN-(Ti-B-N) von innen nach außen auf dem Substratkörper gewählt.
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Schneideinsatzes wird das im Anspruch 10 beschriebene Verfahren verwendet, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die für die Hartstoffphase und für die Binderphase erforderlichen feinkörnigen oder feinstkörnigen Pulver so aufbereitet, zu einem Grünling gepreßt und anschließend gesintert werden, daß die mittlere Korngröße der Hartstoffphase im Sinterkörper ≤ 1,5 μm, vorzugsweise ≤ 1,2 μm, beträgt. Der derart gefertigte Sinterkörper wird anschließend mittels eines plasmaunterstützten CVD-Verfahrens beschichtet, bei dem die Bor, Titan und Stickstoff enthaltende Schicht unter Verwendung eines Gasgemisches aus Bor- und Titan-Wasserstoffen oder -halogeniden, vorzugsweise aus BCl₃ und TiCl₄, sowie N₂ oder NH₃ und einem Trägergas, vorzugsweise H₂, besteht. Die Beschichtungstemperatur liegt zwischen 400°C und 800°C, vorzugsweise bei maximal 700°C. Der Gasdruck liegt unter 10⁴ Pa. Die Plasmaaktivierung wird an dem als Kathode geschalteten Substratkörper durch eine gepulste Gleichspannung herbeigeführt. Das vorstehend angesprochene Puls-Plasma-CVD-Verfahren ist bereits im Zusammenhang mit der Abscheidung von Titancarbid oder Titannitrid grundsätzlich aus der DE 38 41 731 A1 , der EP 0 373 412 A1 oder der DE 42 39 234 A1 bekannt und dort näher beschrieben, so daß auf entsprechende Ausführungen Bezug genommen wird.
Weiterbildungen dieses Verfahrens bestehen in der Verwendung einer gepulsten Gleichspannung mit maximalen Spannungswerten zwischen 200 V und 900 V und/oder einer Periodendauer zwischen 20 μs und 20 ms.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand von konkreten Ausführungsbeispielen geschildert.
Schneideinsätze mit einem Substratkörper aus einem Feinstkorn- oder Ultrafeinstkorn-Hartmetall bestehend aus einer WC-Co-Legierung mit durchschnittlichen WC-Durchmessern von 0,5 μm bis 0,8 μm bzw. 0,2 μm bis 0,5 μm, haben im Vergleich zu konventionellen Hartmetallen, deren durchschnittliche Wolframcarbiddurchmesser mehr als 1,5 μm betragen, eine größere Härte und Biegefestigkeit. Feinstkorn- oder Ultrafeinstkorn-Hartmetalle haben Härtegrade von mehr als 1800 HV30 (Bestimmung der Härtezahl nach DIN/ISO 3878). Der Substratkörper kann mit der bekannten Herstellungstechnologie durch Pressen mittels eines Ober- und eines Unterstempels und anschließender Sinterung hergestellt werden. Hierbei können viele, an die unterschiedlichen Zerspanungsaufgaben angepaßte Formvarianten produziert werden. Beispielsweise kann eine Wendeschneidplatte des Typs SNMG120408-XX der Reihe nach einsetzbare Schneidecken und ein mittleres Loch zur Durchführung einer Befestigungsschraube besitzen. Die Zusatzbezeichnung-XX steht stellvertretend für die Hersteller-spezifischen Angaben zur Gestaltung der Spanfläche, mit der ein kontrollierter Spanbruch erzielt werden soll. Aus eingangs genannten Gründen können derart geformte Wendeschneidplatten nicht aus polykristallinem kubischen Bornitrid hergestellt werden.
Die Beschichtung der beschriebenen Wendeschneidplatte kann aus einlagigen oder mehrlagigen Hartstoffschichten bestehen, von denen mindestens eine Schicht aus 10 bis 45 Atom% Titan, 15 bis 65 Atom% Bor, 3 bis 45 Atom% Stickstoff besteht (wobei die Gesamtsumme aller Bestandteile 100 Atom% betragen muß). Die durch ein Kleinlasthärteprüfgerät bestimmten Härtezahlen betragen abhängig von der Zusammensetzung 3000 bis 4000 HV0,05. Die Gesamtdicke der Beschichtung liegt zwischen 2 μm und 10 μm, vorzugsweise zwischen 3 μm bis 8 μm. Mit den vorgenannten Härtegraden werden annähernd Härtezahlen von polykristallinem kubischen Bornitrid erreicht. Die Ti-B-N-Schicht kann amorph, nanokristallin oder feinkristallin sein. Im ersten Fall ist weder durch Röntgenstrahlbeugung noch durch Elektronenstrahlbeugung eine Kristallinität feststellbar, im zweiten Fall zeigt das Elektronenbeugungsbild auf Kristallinität im Nanometerbereich zurückzuführende Reflexe. Im feinkristallinen Fall können auch Röntgenstrahlen (mit im Vergleich zu Elektronenstrahlen längeren Wellenlängen) Interferenzlinien erzeugen. Die Resultate der Beugungsuntersuchungen lassen annehmen, daß die Härteschicht mit atomaren Gehalten von Ti, B und N möglicherweise aus einem Gemenge der Phasen TiB, TiB₂, Ti(N, B) und BN besteht, auch wenn dies mit den vorbeschriebenen Untersuchungen im Hinblick auf eine N-Bestimmung nur mit großer Unsicherheit quantitativ bestimmt werden kann. In Einzelfällen konnte ein Atomverhältnis Ti/B in der betreffenden Schicht von etwa 4/3 ermittelt werden.
In einem konkreten Ausführungsbeispiel sind verschiedene Typen von Wendeschneidplatten zum Drehen in bekannter Weise aus Ultrafeinstkorn-Hartmetall durch Pulveraufbereitung, Pressen und Sintern hergestellt worden. Die Zusammensetzung bestand aus 93 Massen% WC, 6,1 Massen% Co und 9 Massen% Zusatzcarbiden (beispielsweise der Elemente Titan, Hafnium, Vanadium, Tantal und Chrom). Die gemessene Vickers-Härte des fertiggesinterten Substratkörpers nach ISO 3878 betrug 2050 HV30.
Anschließend sind die Substratkörper mittels eines Puls-Plasma-CVD-Verfahrens beschichtet worden, wie dies beispielsweise in der DE 38 41 731 A1 oder der EP 0 373 412 A1 beschrieben wird. Konkret ist eine Gasphase bei etwa 650°C und einem Druck von etwa 300 Pa eingestellt worden, in der ein Gasgemisch aus BCl₃, TiCl₄, N₂ und H₂ enthalten war. Der CVD-Prozeß wurde durch ein Glimmentladungsplasma aktiviert, das durch eine gepulste Gleichspannung von etwa 500 V erzeugt wurde. Die abgeschiedenen, Bor, Titan und Stickstoff enthaltenen Schichten waren feinkörnig und glatt. Schichten mit Bargehalten von etwa 15% besaßen Schichthärten von 3200 HV0,05, die bei einer Steigerung des Bargehaltes auf 61 Atom% zu Mikrohärten von 3900 HV0,05 erhöht werden konnten. Die abgeschiedenen Ti-B-N-Schichten besaßen Dicken von bis zu 5 μm, welche eine gute Haftung und Schichtstabilität direkt auf dem Hartmetall-Substratkörper oder auf einer zuvor aufgebrachten Zwischenschicht aus TiN oder TiCN abgeschieden worden sind. Eine bevorzugt unmittelbar auf dem Hartmetall abgeschiedene dünne TiN-Schicht dient zur Verhinderung der Diffusion von Bor in den Hartmetall-Substratkörpern, die ansonsten bei schon relativ niedrigen Beschichtungstemperaturen zu beobachten ist.

Das Schneidhaltigkeitsverhalten von verschiedenen Ausführungsformen der nach vorbeschriebenem Verfahren hergestellten Wendeschneidplatten im Vergleich zu nach dem Stand der Technik bekannten Wendeschneidplatten wurde durch Plandrehen eines Werkstückes aus gehärtetem Wälzlagerstahl 100Cr6 (1.2067) geprüft. Bei den durchgeführten Zerspanungsarbeiten wurden die Endflächen von Rohrstücken mit einem Außendurchmesser von 143 mm und einem Innendurchmesser von 112 mm im Trockenschnitt bearbeitet. Die Schnittgeschwindigkeit betrug 100 m/min, die Schnittiefe 0,2 mm und der Vorschub 0,06 mm pro Umdrehung. Die folgende Tabelle gibt eine Übersicht über die eingesetzten Schneidstoffe und die erzielten Standzeiten:

Lfd. Nr.	Ausführungsform	Beschichtung	Standzeit (min)
1	CNMA120408 gefast, PBN in eine Schneidecke eingelötet	keine	23 min, 1 SE
2	CNMA120408 gefast, Substrat konventionelles WC-6Co Hartmetall	1.5 μm TiN und 3.5 μm Ti-B-N	0.9 min, 1 SE 3.2 min, 4 SE
3	CNMA120408 gefast, Substrat Ultrafeinstkornhartmetall WC-6.1Co	keine	2.5 min, 1 SE 8 min, 4 SE
4	CNMA120408 gefast, Substrat Ultrafeinstkornhartmetall WC-6.1Co	1.5 μm TiN und 3.5 μm Ti-B-N	6 min, 1 SE 22 min, 4 SE
5	CNMA120408 Schneidkante gerundet, Substrat Ultrafeinstkornhartmetall WC-6.1Co	1.5 μm TiN und 3.5 μm Ti-B-N	10 min, 1 SE 35 min, 4 SE
6	CNMG120408-23 Schneidkante gerundet, Substrat Ultrafeinstkornhartmetall WC-6.1Co	1.5 μm TiN und 3.5 μm Ti-B-N	16 min, 1 SE 52 min, 4 SE

Bei der unter der lfd. Nr. 1 aufgeführten Wendeschneidplatte ist nur eine Schneidecke (SE) der bei dieser Type vorgesehenen 80°-Schneidecken mit einem etwa 6 mm × 6 mm großen und 1 mm dicken Plättchen aus polykristallinem kubischen Bornitrid (PBN) ausgestattet; dieses Plättchen ist in eine zuvor in die Wendeschneidplatte aus Hartmetall eingearbeitete Vertiefung eingelötet worden. Es ist in der Praxis nicht möglich, mehr als eine Ecke in dieser Weise mit PBN zu bestücken, so daß nach Verschleiß dieser Schneidecke der Schneideinsatz unbrauchbar ist. Mit dieser einen nutzbaren Schneidecke ist eine Standzeit von 23 min erreicht worden.
Die Ausführungsbeispiele lfd. Nr. 2, 4, 5 und 6 betreffen einheitlich Hartmetall-Substratkörper, die erfindungsgemäß mit einer ersten Schicht aus TiN (Dicke 1,5 μm) sowie einer äußeren, 3,5 μm dicken Ti-B-N-Schicht versehen worden ist. Diese äußere Schicht besaß eine Vickers-Härte, die zwischen 3700 und 3800 HV0,05 lag. Allerdings ist bei der Wendeschneidplatte nach lfd. Nr. 2 als Substratkörper ein konventionelles Hartmetall (WC-Co) mit Wolframcarbid-Korndurchmessern von etwa 3 μm bis 6 μm verwendet worden. Trotz der aufgetragenen Doppelschicht wird mit einer Schneidecke lediglich eine maximale Standzeit von 0,9 min erreicht; die Standzeiten der übrigen Schneidecken lagen darunter. Durch Verwendung der vier nutzbaren Schneidecken ergab sich insgesamt eine Standzeit von 3,2 min, wonach die Wendeschneidplatte unbrauchbar war. Bereits die Wendeschneidplatte nach lfd. Nr. 3, die überhaupt keine Beschichtung aufwies, sondern lediglich aus einem Ultrafeinstkorn-Hartmetall bestand, hatte demgegenüber eine Gesamtgebrauchsdauer (aller vier Schneidecken) von 8 min; mit der verschleißfestesten Schneidecke konnte eine Standzeit von 2,5 min erzielt werden.
Die Wendeschneidplatten gemäß lfd. Nr. 4, 5 und 6 gemäß der vorliegenden Erfindung lassen hingegen pro Schneidecke Standzeiten von 6, 10 oder 16 min bzw. Gesamtstandzeiten unter Nutzung aller vier zur Verfügung stehenden Schneidecken von 22, 35 und 52 min erreichen. In jedem Fall wird die Gebrauchsdauer deutlich verbessert. Unterschiedliche, gesteigerte Standzeiten lassen sich zusätzlich dadurch erreichen, daß bei dem Ausführungsbeispiel nach lfd. Nr. 5 die Schneidkante geringfügig abgerundet worden ist (Radius ca. 30 μm). Hierdurch vermindern sich die Schnittkräfte sowie als Folge hiervon die verbesserte Standzeit.
Auffällig ist auch, daß die Gesamtstandzeit der Wendeschneidplatte nach lfd. Nr. 1 durch die Wendeschneidplatte nach lfd. Nr. 5 noch erheblich gesteigert werden konnte. Zwar wurde die Standzeit von 23 min bei der Wendeschneidplatte nach lfd. Nr. 1 mit nur einer Schneidecke erreicht, jedoch kann aus fertigungstechnischen Gründen auch nur eine Schneidecke mit einem PBN-Einsatz versehen werden. Diese Schneidecke besitzt aus fertigungstechnischen Gründen eine Fase, die bei PBN-Schneidplättchen auch zur Vermeidung von Ausbröckelungen der Schneidkante zwingend erforderlich ist. Wird die Schneidkante gemäß Ausführungsbeispiel lfd. Nr. 5 verrundet, vermindern sich die Schnittkräfte und die Gebrauchsdauer der Wendeschneidplatte wird auf 35 min erhöht. Eine weitere Standzeiterhöhung konnte dadurch erzielt werden, daß auf der Spanfläche Spanformelemente vorgesehen waren. Zwar liegt die Standzeit einer Schneidecke im Ausführungsbeispiel bei 16 min, jedoch konnten unter der möglichen Ausnutzung von vier Schneidecken insgesamt 52 min erreicht werden. Insgesamt ergibt sich hierdurch eine deutlich verbesserte Gebrauchsdauer bei wesentlich geringeren Herstellungskosten. Aus den eingangs erwähnten Gründen lassen sich bei PBN-Einsätzen auch keine Oberflächen-Relief-Strukturen und damit auch keine Spanformelemente einbringen, so daß durch solche Maßnahmen die Standzeit einer PBN-Schneidecke nicht erhöht werden kann. Dies ist jedoch bei erfindungsgemäßen Schneideinsätzen möglich, deren Substratkörper auf pulvermetallurgischem Weg alle hiermit möglichen Formgestaltungen einer Oberfläche gestattet, die auch bei der Beschichtung erhalten bleibt.
Die Vergleichsbeispiele belegen ferner, daß erst die erfindungsgemäße Kombination des Substratwerkzeuges und der Ti-B-N-Schicht gemäß Patentanspruch 1 die außerordentlichen Standzeitverbesserungen bewirkt.

Claims

Schneideinsatz zur Bearbeitung von schwer zerspanbaren Metallegierungswerkstücken, bestehend aus einem Feinkorn- oder Feinstkorn-Hartmetall-Substratkörper, dessen Hartstoff-Partikel eine mittlere Korngröße ≤ 1,5 μm, vorzugsweise ≤ 1,2 μm, besitzen, und mindestens einer hierauf abgeschiedenen Hartstoff-Schicht, die aus den atomaren Komponenten Bor, Stickstoff und mindestens einem der Metalle der Gruppe Ti, Zr und Hf, vorzugsweise Ti, besteht.
Schneideinsatz nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Hartmetall-Substratkörper 3 Massen% bis 25 Massen% Co als Binder, Rest WC aufweist und daß die WC-Partikel eine mittlere Korngröße ≤ 1,2 μm, vorzugsweise 0,2 μm bis 0,8 μm, weiterhin vorzugsweise bis 0,5 μm aufweisen.
Schneideinsatz nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vickers-Härte des Substratkörpers ≥ 1600 HV30, vorzugsweise ≥ 1800 HV30, beträgt.
Schneideinsatz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mit einem Kleinlastprüfgerät bestimmte Vickers-Härte des Substratkörpers ≥ 2400 HV0,05, vorzugsweise ≥ 2600 HV0,05, beträgt.
Schneideinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine auf dem Substratkörper abgeschiedene Schicht die analytische Zusammensetzung 15 bis 65 Atom% Bor, 10 bis 45 Atom% Titan, Rest Stickstoff von mindestens 3 Atom% besitzt.
Schneideinsatz nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stickstoffanteil zwischen 3 Atom% und 45 Atom% liegt.
Schneideinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht, welche die atomaren Komponenten Titan, Bor und Stickstoff enthält, amorph, nanokristallin oder feinkristallin ist und/oder eine Dicke von 0,1 μm bis 5 μm aufweist.
Schneideinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet, durch einen Substratkörper mit einer mehrlagigen Beschichtung, bei der die Schicht mit den Komponenten Ti-B-N die äußerste ist, wobei die Gesamtdicke aller Schichten vorzugsweise unter 10 μm liegt.
Schneideinsatz nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die unmittelbar auf dem Hartmetall-Substratkörper aufgetragene Schicht aus TiN oder TiCN besteht, wobei vorzugsweise die auf dem Substratkörper (von innen nach außen) aufgetragene Schichtfolge aus TiN-TiCN-(Ti-B-N) besteht.
Verfahren zur Herstellung eines Schneideinsatzes nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei zunächst auf pulvermetallurgischem Weg ein gesinterter Hartmetall-Substratkörper gefertigt und dieser anschließend mittels eines plasmaunterstützten CVD-Verfahrens beschichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Hartstoffphase und für die Binderphase erforderlichen feinkörnigen Pulver so aufbereitet, zu einem Grünling gepreßt und dieser anschließend gesintert wird, daß die mittlere Korngröße der Hartstoffphase im Sinterkörper ≤ 1,5 μm ist und daß anschließend mindestens eine Schicht unter Verwendung eines Gasgemisches aus Bor- und Titan-Wasserstoffen oder -Halogeniden, vorzugsweise aus BCl₃ und TiCl₄, sowie N₂ oder NH₃ und einem Trägergas, vorzugsweise H₂, bei einer Temperatur zwischen 400°C und 800°C, vorzugsweise 400°C bis 700°C, unter einem Gasdruck unter 10⁴ Pa abgeschieden wird, die aus den atomaren Komponenten Titan, Bor und Stickstoff besteht, wobei die Plasmaaktivierung an dem als Kathode geschalteten Substratkörper durch eine gepulste Gleichspannung herbeigeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine gepulste Gleichspannung mit Spannungswerten, deren Maximum zwischen 200 V und 900 V liegt und/oder deren Periodendauer zwischen 20 μm und 20 ms beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Puls-Plasma-CVD-Verfahrens mehrere Schichten durch Wechsel der Gaszusammensetzung abgeschieden werden, wobei vorzugsweise unmittelbar auf dem Substratkörper eine aus TiN und/oder TiCN bestehende diffusionshemmende erste Schicht und als äußerste Schicht die Titan, Bor und Stickstoff enthaltende Schicht abgeschieden werden.