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Schneidstoffe und Beschichtungen - Schneidstoffe

Ultrahartstoffe (pcBN und PKD)

Auszug aus

Handbuch Spanen

Herausgeber: Günter Spur
10/2014, 1392 Seiten, € 239,99
ISBN: 978-3-446-43699-2
S. 102

Kubisches Bornitrid (pcBN) und polykristalliner Diamant (PKD) sind die härtesten bekannten Werkstoffe. PKD wird vor allem zum Schneiden von Holz, Kunststoffen, Graphit, Aluminium, gesättigten Karbiden oder oxidischen Keramiken eingesetzt. Kubisches Bornitrid weist gegenüber Diamant den Vorteil auf, dass es gegen karbidbildende Metalle eingesetzt werden kann.

Kubisches Bornitrid und Diamant sind die härtesten bekannten Kristalle. Daher lag es nahe, diese für die Verwendung in spanenden Werkzeugen mit bestimmter Schneide tauglich zu machen. Ihre kovalente Bindungsstruktur sorgt dafür, dass die Härte auch bei hohen Temperaturen weniger sinkt als bei anderen Werkstoffen.

Dies sorgt jedoch auch für eine sehr geringe Sinteraktivität, die die Herstellung von Formkörpern aus diesen Materialien erschwert. Die kubische Kristallstruktur ist bei beiden Materialien metastabil, was bei der Herstellung zu weiteren Schwierigkeiten führt.

Polykristalliner Diamant

Bei Drücken oberhalb von 60 kbar und Temperaturen ab 1.590 °C lässt sich Diamant durch Heißpressen zu einem Verbund sintern. Das meist noch hinzugegebene Cobalt dient nicht wie bei den Hartmetallen als Bindephase, sondern als Stützphase, die die Poren zwischen den Diamantkörnern füllt und somit die Festigkeit des Verbundes stärkt. In üblichen Schneidstoffen ist der Gehalt dieser Stützphase auf ca. 10 Vol.-% begrenzt. Über die Korngröße der Diamanten wird Festigkeit und Zähigkeit beeinflusst, wobei feinkörnigeres Material auf Grund der erhöhten Zahl von Diamant-Diamant-Bindungen fester und zäher ist, grobkörniges Material hingegen widersteht abrasivem sowie adhäsivem Verschleiß besser. Mischkornsorten verbinden die höhere mechanische Festigkeit der Feinkornsorten mit dem Verschleißwiderstand der Grobkornsorten.

Die grundlegenden Arbeiten zur Fertigung von entweder auf Hartmetallplatten aufgesinterten PKD-Plättchen oder auch monolithischen PKD-Plättchen wurden zwischen 1970 und 1975 erstmals veröffentlicht [1 - 5]. Durch den Heißpressprozess sind hier, wie auch bei den pcBN-Schneideinsätzen nur flache Platten erzeugbar. Etwa notwendige Spanleitgeometrien können durch Lasern oder Erodier- und Schleifprozesse nachträglich eingebracht werden [6, 7].

Das Haupteinsatzgebiet von PKD ist das Schneiden von Holz, Kunststoffen, Graphit, nichtkarbidbildenden Metallen (z. B. Aluminium), von gesättigten Karbiden (Hartmetalle, MMC mit SiC oder Si3N4 als Füller) oder oxidischen Keramiken. Titanlegierungen lassen sich mit PKDSchneiden ebenfalls bearbeiten. Es wird vermutet, dass die sich oberflächlich bildende TiC-Schicht passivierend bezüglich der Karbidbildung in die Tiefe wirkt. [8 - 10]. Auch in der Gesteinsbearbeitung kann PKD eingesetzt werden.

Polykristallines, kubisches Bornitrid

Kubisches Bornitrid als zweithärtestes bekanntes Material weist gegenüber Diamant den Vorteil auf, dass es gegen karbidbildende Metalle eingesetzt werden kann. Es ist für Werkzeuge mit geometrisch bestimmter Schneide nicht monolithisch herstellbar, sondern muss mit Bindephasen gesintert werden. Einerseits kann es wie bei Hartmetallen metallisch mit Kobalt gebunden werden. Meist wird dann noch WC als zweite Hartkomponente hinzugefügt. Diese Materialien weisen meist einen cBN-Anteil über 90 Vol.-% auf und sind vergleichsweise zäh, also für Schruppbearbeitungen gut geeignet. Durch die reaktive metallische Bindung sind Härte und chemische Beständigkeit dieser Schneidestoffe geringer.

Der andere Ansatz ist eine keramische Bindung. Hier werden Titan und Aluminium als Bindemetalle verwendet, die im Herstellprozess zu keramischen Komponenten TiN, TiB2, AlB2 oder AlN reagieren. Bei diesen Werkstoffen liegen die cBN-Anteile zwischen 50 und 90 Vol.-%, also niedriger als bei metallisch gebundenem cBN.

Keramisch gebundene cBN-Schneidstoffe sind härter, chemisch beständiger aber deutlich weniger zäh als metallisch gebundene. Da insgesamt die Zähigkeit der Verbunde mit steigender Anzahl der cBN-cBN-Bindungen steigt, sind diese eher für Schlichtbearbeitung geeignet, wobei jedoch zunehmend durch geeignete Binderzusammensetzungen die Zähigkeit erhöht wird, sodass Schruppbearbeitungen möglich werden. Mit steigendem cBN-Gehalt steigt zudem die Wärmeleitfähigkeit, sodass niedrigere Grenzflächentemperaturen im Schnitt erreicht werden und die Temperaturwechselbeständigkeit steigt. Niedrige cBN-Gehalte erhöhen die Härte der Verbunde.

Erhältlich sind cBN-Schneidplatten ähnlich wie PKD-Schneidplatten als auf Hartmetallgrundkörpern aufgesinterte flache Körper, die durch Schleifen, Lasern oder Erodieren mit Spanleitgeometrien versehen werden können. Weiterhin sind mittlerweile auch Voll-cBN-Platten erhältlich. Einsatzgebiete sind Gusseisen, gehärtete Stähle, pulvermetallurgische Eisenwerkstoffe, Kobalt- und Nickelbasislegierungen.

Auszug aus

Handbuch Spanen

Herausgeber: Günter Spur
10/2014, 1392 Seiten, € 239,99
ISBN: 978-3-446-43699-2
S. 102
Literaturhinweis

[1] Hall, H. T.: Science 169 (1970), S. 868 – 869.

[2] Stromberg, D.; Stephens, D. R.: J. Am. Ceram. Soc. 53 (1970) 12, S. 1030 – 1032.

[3] Katzman, H.; Libby, W. F.: Sintered Diamond Compacts with a Cobalt Binder. Science 172 (1971), S. 1132 – 1134.

[4] Wentorf, R. H.; Rocco, W. A: Diamond tool for Machining. SA 7315038, 1973.

[5] Verashagin, L. F.; Semerchan, A. A.: UK 1382080, 1975.

[6] Lach: EP1023961 B1 „Schneidwerkzeug“, 2000.

[7] Lach: EP1023962 B1 „Schneidwerkzeug mit Mitteln zur Spankontrolle“, 2001.

[8] Arrazola, P.-J.; Garay, A.; Iriarte, L.-M.; Armendia, M.; Marya, S.; Le Maître, F.: Machinability of titanium alloys (Ti6Al4V and Ti555.3). JMPT 209 (2009), S. 2223 – 2230.

[9] Nurul Amin A. K. M.; Ismail, A. F.; Nor Khairusshima, M. K.: Effectiveness of uncoated WC-Co and PCD insert in end milling of titanium alloy Ti -6Al-4V. Journal Mat Proc. Tech. 192-193 (2007), S. 147 – 158.

[10] Kramer, B. M.: On tool materials for high speed machining. ASME J. Eng. Ind. 109 (1987), S. 87 – 91.

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