Die Erfindung betrifft ein Objekt, insbesondere Schneidwerkzeug wie beispielsweise eine Schneidplatte, aufweisend einen Grundkörper und eine darauf aufgebrachte Beschichtung, wobei der Grundkörper aus einem Hartmetall gebildet ist.

Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Verwendung eines derartigen Objektes.

Für die spanende Bearbeitung von Gegenständen aus metallischen Werkstoffen, worunter insbesondere Metalle und Legierungen fallen, werden Schneidwerkzeuge sowie Schneidplatten eingesetzt, welche einen Grundkörper aus einem Hartmetall aufweisen. In der Regel sind auf die entsprechenden Grundkörper auch Beschichtungen aufgebracht, welche dazu dienen sollen, eine Standzeit des Schneidwerkzeuges oder einer Schneidplatte zu verlängern.

Der Grundkörper aus Hartmetall für ein Schneidwerkzeug oder eine Schneidplatte besteht üblicherweise aus einem Hartstoff und Bindemetall. Als Hartstoffe kommen insbesondere Wolframcarbid (WC) und Titancarbid (TiC) infrage. Häufig eingesetzte Bindemetalle sind Cobalt, Nickel und Eisen. Die Hartstoffe, welche den überwiegenden Anteil des Grundkörpers ausmachen und in der Regel in einem Anteil von mehr als 80 Gewichtsprozent (Gew.-%) vorliegen, verleihen dem Grundkörper eine hohe Härte. Das Bindemetall dient einerseits dazu, den partikelförmig vorliegenden Hartstoff zu binden. Andererseits verleiht das Bindemetall dem Grundkörper eine gewisse Zähigkeit. Durch entsprechende Einstellungen können Eigenschaften des Grundkörpers in gewissen Grenzen eingestellt werden.

Der Einsatz von Bindemetallen ist nicht zwingend auf die genannten Elemente Cobalt, Nickel und Eisen beschränkt. Diese Bindemetalle werden häufig eingesetzt, insbesondere Cobalt, weil sich diese über Jahrzehnte bewährt haben und darüber hinaus im Vergleich mit weiteren Metallen auch relativ kostengünstig sind. Es wurden jedoch auch Bestrebungen unternommen, zur erwähnten Eigenschaftseinstellung andere Metalle alternativ oder zusätzlich einzusetzen. Hierzu zählt gemäß dem Stand der Technik beispielsweise ein Einsatz von Rhenium als zusätzlichem Bindemetall neben Cobalt, wie dies beispielsweise aus WO 2004/065645 A1 bekannt geworden ist. Schneidwerkzeuge und insbesondere Schneidplatten aus einem Hartmetall sind in der Regel mit einer Beschichtung versehen, welche für eine Standzeiterhöhung sorgen soll. Entsprechende Beschichtungen werden üblicherweise mittels Chemical Vapor Deposition (CVD) oder Physical Vapor Deposition (PVD) abgeschieden. Die Beschichtungen oder Beschichtungssysteme sollten so ausgelegt sein, dass für den jeweiligen Einsatz eine Standzeiterhöhung gegeben ist. Dies ist Gegenstand ständiger Weiterentwicklung.

Auch für die Schwerzerspanung durch Fräsen wurden Schneidplatten entwickelt, welche gattungsgemäß und mit einer Beschichtung ausgebildet sind. Bei entsprechenden Operationen der Schwerzerspanung, beispielsweise beim Fräsen von Kurbelwellen, ist der Wunsch gegeben, eine Standzeit von Schneidwerkzeugen wie Schneidplatten noch weiter zu erhöhen, sodass insgesamt weniger Schneidplatten pro Zeit erforderlich sind, was zu mehr Materialeffizienz führt. Dies ist ein herausforderndes Ziel, da bei entsprechenden Fräsoperationen ein intermittierender Schnitt gegeben ist, also die Schneidplatte nicht dauerhaft im Schneideinsatz ist, sondern wiederholt unter entsprechender Druckbelastung, insbesondere der Schneidkanten und angrenzender Bereiche wie einer Spanfläche, an den zu bearbeitenden und ab- oder auszufräsenden Körper angestellt wird.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Objekt anzugeben, welche im Einsatz eine erhöhte Standzeit erbringen kann.

Des Weiteren ist es ein Ziel der Erfindung, eine Verwendung eines derartigen Objektes darzustellen.

Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst, wenn bei einem Objekt der eingangs genannten Art

- der Grundkörper mit einem Metallcarbid und einem Bindemetall gebildet ist, das Rhenium und/oder Ruthenium umfasst, und

- die Beschichtung mit zumindest einer Lage aus Aluminiumtitannitrid und/oder Aluminiumchromnitrid gebildet ist.

Ein mit der Erfindung erzielter Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass durch die kombinierte Abstimmung der materialchemischen Zusammensetzung des Grundkörpers sowie der Beschichtung ein optimiertes System geschaffen ist, mit welchem Objekte für dauerhafte, insbesondere aber auch wechselnde Belastungsszenarien bei Kontakt mit metallischen Werkstoffen optimiert ausgebildet werden können. Dies betrifft insbesondere Schneidwerkzeuge wie Schneidplatten, die bei spanabhebenden Operationen, insbesondere einem Fräsen, zum Einsatz kommen. Sind die Schneidplatten entsprechend ausgebildet, ergibt sich auch bei einem intermittierenden Schnitt, beispielsweise bei der Bearbeitung von Kurbelwellen, eine erhöhte Standzeit. Dies kann, ohne daran wissenschaftlich gebunden zu sein, darauf zurückgeführt werden, dass die Präsenz von Rhenium und/oder Ruthenium zu einem etwas zäheren Grundkörper führt, welcher Stöße besser aufnehmen kann. Damit in Zusammenhang erweist sich die vorgesehene Beschichtung als optimal in Bezug auf eine direkte Anbindung an einen entsprechenden Grundkörper, sodass auf zusätzliche Anbindungsschichten verzichtet werden kann. Die vorgesehene Beschichtung ist äußerst verschleißfest, haftet aber zudem ausgezeichnet am Grundkörper, insbesondere wenn die unterste Lage aus Aluminiumtitannitrid (AITiN) gebildet ist. Somit ist durch die spezielle Ausbildung des Grundkörpers und das Beschichtungssystem auf der einen Seite, aber auch das Wechselspiel zwischen Grundkörper und Beschichtungssystem auf der anderen Seite ein optimiertes Objekt gegeben.

Das Objekt ist bevorzugt so ausgebildet, dass das Bindemetall einen ersten Bindemetallanteil umfasst, der aus Cobalt, Nickel und/oder Eisen ausgewählt ist, und einen zweiten Bindemetallanteil, der aus Rhenium und/oder Ruthenium ausgebildet ist. Es können somit an sich übliche und kostengünstige Metalle wie Cobalt, Nickel und/oder Eisen als Bindemetalle eingesetzt werden, wobei Rhenium und/oder Ruthenium daneben zusätzlich vorhanden sind, um die Eigenschaften des Grundkörpers abzustimmen. Hierfür ist es in der Regel ausreichend, dass der zweite Bindemetallanteil geringer ist als der erste Bindemetallanteil oder umgekehrt der erste Bindemetallanteil den zweiten Bindemetallanteil überwiegt. Ein Verhältnis von erstem Bindemetallanteil zu zweitem Bindemetallanteil kann beispielsweise im Bereich der Verhältnisse von 20:1 bis 10:1, insbesondere 17:1 bis 7:1 , bevorzugt 10:1 bis 3:1 , liegen. In den Verhältnisbereichen kann die gewünschte Eigenschaftsabstimmung bei relativ geringem Einsatz der teuren Elemente Rhenium und/oder Ruthenium erreicht werden. Wenngleich der erste Bindemetallanteil aus den genannten Elementen Cobalt, Nickel und/oder Eisen gebildet sein kann, ist es bevorzugt, dass der erste Bindemetallanteil im Wesentlichen aus Cobalt gebildet ist oder aus Cobalt besteht. Dies vereinfacht das Bindemittelgemisch, zumal ohnedies noch Rhenium und/oder Ruthenium vorliegen.

Bevorzugt ist vorgesehen, insbesondere wenn es sich um Cobalt handelt, dass der erste Bindemetallanteil 6 Gew.-% bis 15 Gew.-%, vorzugsweise 7,5 Gew.-% bis 14,5 Gew.-%, insbesondere 9 Gew.-% bis 13,5 Gew.-%, Cobalt aufweist. In diesen Bereichen können die Hartstoffpartikel effektiv gebunden sein und ist zudem mit zunehmenden Cobaltgehalt auch eine erhöhte Zähigkeit gegeben. Dies kann weiter optimiert werden, wenn der zweite Bindemetallanteil 0,3 Gew.-% bis 2,5 Gew.-% vorzugsweise 0,5 Gew.-% bis 2,0 Gew.-%, insbesondere 1,25 Gew.-% bis 1,75 Gew.-%, Rhenium und/oder Ruthenium umfasst oder daraus besteht.

Darüber hinaus kann im Bindemetall Chrom vorliegen, sodass mehr als 0,0 Gew.-% Chrom gegeben sind. Chrom dient bei einem feinen Hartstoffkorn (beispielsweise Wolframcarbid mit einer durchschnittlichen Korngröße von 2,5 pm oder weniger) als Kornwachstumshemmer und führt darüber hinaus zu einer Verfestigung des Bindemetalls. Maximalgehalte von Chrom sollten allerdings nicht mehr als 1 ,5 Gew.-%, vorzugsweise nicht mehr als 1,0 Gew.-%, betragen.

Als Hartstoff kommt bevorzugt ein Metallcarbid zum Einsatz. Das Metallcarbid kann ein oder mehrere Metalle ausgewählt aus der Gruppe Wolfram, Titan, Vanadium, Tantal, Niob, Chrom und Molybdän umfassen. In der Regel wird das Hartmetall nur aus Partikeln mit Wolframcarbid bestehen, es sind aber auch Mischungen von Hartstoffen möglich, insbesondere Mischungen von Wolframcarbid mit Titancarbid, wobei vorzugsweise das Wolframcarbid gewichtsmäßig in Relation zum Titancarbid überwiegt. Zur Abstimmung spezieller Eigenschaftsprofile können aber auch andere Metallcarbide wie Wolframcarbid und/oder Molybdäncarbid, vorzugsweise ebenfalls in geringeren gewichtsmäßigen Anteilen als Wolframcarbid, vorgesehen, sein. Insbesondere Chromcarbid hat sich in geringen Anteilen von bis zu etwa 1 ,5 Gew.-%, vorzugsweise etwa 1 ,0 Gew.-%, als besonders vorteilhaft in der synergetischen Abstimmung der Eigenschaften erwiesen. Bevorzugt ist es, dass der Grundkörper 80 Gew.-% bis 95 Gew.-%, vorzugsweise 82 Gew.-% bis 90 Gew.-%, Wolframcarbid aufweist. Ein besonders günstiger Bereich liegt im Gehaltsbereich von 85 Gew.-% bis 90 Gew.-%.

Die Beschichtung kann einlagig ausgebildet sein, insbesondere wenn es sich um eine einzelne Lage aus Aluminiumtitannitrid handelt. Besonders bevorzugt kann jedoch eine Beschichtung zur Anwendung kommen, die mehrlagig ausgebildet ist. Hierbei hat sich eine mehrlagige Beschichtung mit Lagen aus Aluminiumtitannitrid und Aluminiumchromnitrid als besonders bevorzugt erwiesen. Vor allem bei Fräsoperationen erbringt eine derartige Beschichtung im Zusammenhang mit den speziell ausgebildeten Grundkörper ausgezeichnete Ergebnisse in Bezug auf eine Standzeitverlängerung, also die Lebensdauer einer Schneidplatte.

Die Beschichtung wird vorzugsweise in einem PVD-Verfahren abgeschieden. Dies trifft sowohl zu, wenn es sich um eine einlagige Beschichtung handelt, beispielsweise aus Aluminiumtitannitrid, als auch ein Beschichtungssystem aus mehreren Lagen wie wechselweise aufgebrachten Lagen von Aluminiumtitannitrid und Aluminiumchromnitrid. In beiden Fällen ist keine Anbindungsschicht an den Grundkörper erforderlich, sondern kann die einzige Lage oder die erste Lage von mehreren unmittelbar auf den Grundkörper abgeschieden werden.

Die Beschichtung weist bevorzugt eine Gesamtschichtdicke von 2 pm bis 15 pm, vorzugsweise 3 pm bis 10 pm, insbesondere 3,5 pm bis 8,5 pm, auf. Eine Mindestschichtdicke scheint in Bezug auf Fräsoperationen oder andere spanabhebende Bearbeitungsvorgänge als zweckmäßig, um eine gewisse Standzeit zu erreichen. Auf der anderen Seite erbringen zu dicke Beschichtungssysteme keinen Mehrwert im Einsatz, erfordern aber einen höheren Produktionsaufwand. Aus den entsprechenden Betrachtungen ergeben sich die erwähnten bevorzugten Gesamtschichtdicken.

Das erfindungsgemäße Objekt kann vielfältig eingesetzt werden, insbesondere bei diversen spanabhebenden Prozessen, aber auch im Bereich der Umformtechnik. Besonders bevorzugt ist es allerdings, wenn das Objekt eine Schneidplatte, insbesondere eine Wendeschneidplatte, ist. Entsprechend den vorstehend dargestellten Vorteilen eines Objektes wird das weitere Ziel der Erfindung durch eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Objektes zum Fräsen von metallischen Werkstoffen, insbesondere zur Schwerzerspanung erreicht.

Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen. In den Zeichnungen, auf welche dabei Bezug genommen wird, zeigen:

Fig. 1 eine sekundärelektronenmikroskopische Aufnahme eines Grundkörpers mit einem darauf aufgebrachten Beschichtungssystem;

Fig. 2 ein Bild darstellend verschiedene Bereiche der Analyse einer chemischen Zusammensetzung;

Fig. 3a bis Fig. 3c Messergebnisse der spektroskopischen Bestimmung einzelner Elemente in Positionen gemäß Fig. 2 in den eingezeichneten Bereichen;

Fig. 4a und Fig. 4b Messergebnisse zur Verschleißfestigkeit durch Schlagbeanspruchung.

Es wurden Schneidplatten mit Geometrien erstellt, wie diese gemäß dem Stand der Technik für Fräsoperationen eingesetzt werden, insbesondere zur Bearbeitung von Kurbelwellen, Bandkanten von Stahlbändern oder ähnlichen Schwerzerspanungsaufgaben.

In einer ersten Variante wurde ein Grundkörper mit 88,5 Gew.-% Wolframcarbid (durchschnittliche Korngröße der Wolframcarbidpartikel von 2,5 pm), 10 Gew.-% Cobalt und 1 ,5 Gew.-% Rhenium gebildet. Die Herstellung erfolgte wie dem Fachmann geläufig durch Pressen und Sintern entsprechender Rohlinge.

In einer zweiten Variante wurde der Grundkörper mit 85 Gew.-% Wolfram, 13 Gew.-% Cobalt, 1 ,5 Gew.-% Rhenium und 0,5 Gew.-% Chromcarbid (C^Cs) gebildet.

Des Weiteren wurden zu den ersten beiden Varianten analoge Substitute gebildet, wobei das Chrom in analogen Anteilen durch Ruthenium ersetzt wurde. Die so erstellten Schneidplatten mit den Grundkörpern aus Hartmetall wurden anschließend beschichtet. Die Beschichtung erfolgte ausschließlich mit PVD-Verfahren. Für Beschichtungslagen aus Aluminiumtitannitrid wurde ein AITi-Target mit einer ungefähren Zusammensetzung von 60 Gew.-% Aluminium und 40 Gew.-% Titan eingesetzt. Für Beschichtungslagen aus Aluminiumchromnitrid wurde ein AICr-Target eingesetzt, welches zu 70 Gew.-% aus Aluminium und 30 Gew.-% aus Chrom bestand.

Als Beschichtungssysteme wurden auf den einzelnen Grundkörpern einerseits einlagige Beschichtungen aus Aluminiumtitannitrid und andererseits mehrlagige Beschichtungen aus abwechselnden Lagen von Aluminiumtitannitrid und Aluminiumchromnitrid untersucht. Für das letztere, mit abwechselnden Beschichtungslagen gebildete Beschichtungssystem ist in Fig. 1 eine sekundärelektronenmikroskopische Aufnahme im Querschnitt gezeigt. In Fig. 1 ist unten der Grundkörper ersichtlich, auf den die einzelnen Beschichtungslagen aus Aluminiumtitannitrid und Aluminiumchromnitrid folgen. Entsprechende Schichtwechsel können beliebig alternierend aufgebaut werden. Es hat sich gezeigt, dass etwa zehn Schichtwechsel zweckmäßig sind. Eine höhere Anzahl von Schichtwechseln, beispielsweise 20 Schichtwechsel, führt zu keiner Verbesserung der Eigenschaften im Einsatz. In Fig. 2 ist ein Bild gezeigt, welches unterschiedliche Messpositionen für eine spektroskopische Analyse der chemischen Zusammensetzung zeigt. Die entsprechenden Ergebnisse sind in Fig. 3a bis Fig. 3c dargestellt. Aus den entsprechenden Figuren ergibt sich, dass das Beschichtungssystem abwechselnd wie intendiert aus Aluminiumtitannitrid und Aluminiumchromnitrid gebildet ist. Schneidplatten der ersten Variante (88,5 Gew.-% Wolframcarbid, 10 Gew.-% Cobalt und 1 ,5 Gew.-% Rhenium), beschichtet mit zehn Lagen Aluminiumtitannitrid im Wechsel mit zehn Lagen Aluminiumchromnitrid erbrachten bei der Bearbeitung von Kurbelwellen eine Standzeit für 2183 Teile. Im Vergleich dazu erbringt eine bislang übliche Schneidplatte bei gleicher Schneidplattengeometrie und Zusammensetzung (Grundkörper aus Wolframcarbid und Cobalt sowie Beschichtung aus Aluminiumtitannitrid) eine Standzeit für 750 bis 800 Teile.

Im Weiteren wurden Varianten mit Rhenium und Ruthenium einem Bolzenschlagtest unterzogen. Hierfür wurde ein Bolzen aus vergütetem Stahl DIN 1.7225 mit V2 = 250 m/min und a _p = 3 mm wiederholt mit Schneidplatten in Kontakt gebracht. Dies soll einen intermittierenden Schnitt, wie dieser insbesondere bei der Bearbeitung von Kurbelwellen auftritt, simulieren. In Fig. 4a und Fig. 4b sind entsprechende Versuchsergebnisse dargestellt. Wie aus Fig. 4a ersichtlich ist, erbringen jene Hartmetallsorten, welche Rhenium oder Ruthenium enthalten, hierbei wesentlich bessere Ergebnisse im Vergleich mit einer ansonsten gleich gestalteten Schneidplatte. Aus Fig. 4b ist ersichtlich, dass Ergebnisse für Ruthenium im Vergleich mit der bloßen Beimengung von Chrom vorteilhaft sind, eine Beimengung von Chrom durch die Bildung von Chromcarbid aber ebenfalls zu einer deutlichen Leistungssteigerung führt.

In weiteren Versuchen wurde bei gleicher Schneidplattengeometrie und gleicher Zusammensetzung des Grundkörpers ein Vergleich zwischen Beschichtungssystemen aus Aluminiumtitannitrid und einem kombinierten Beschichtungssystem mit Aluminiumtitannitrid und Aluminiumchromnitrid vorgenommen. Für das erste System zeigt sich eine Standzeitverlängerung von 111 %, wohingegen mit dem Beschichtungssystem mit alternativen Lagen eine Standzeiterhöhung auf 122 % erreicht werden konnte.

Zusammenfassend ergibt sich somit, dass die spezielle Kombination der Gestaltung des Grundkörpers in materialchemischer Hinsicht zusammen mit dem Beschichtungssystem für eine maximierte Standzeit sorgt.

Die Beschichtungssysteme können grundsätzlich mit beliebiger Dicke ausgebildet werden, für Schwerzerspanungsprozesse ist aber eine Schichtdicke von etwa 7 pm bis etwa 10 pm zweckmäßig. Für Standardfräsoperationen mit geringeren Belastungen im Einsatz können Schichtdicken bis zu 5 pm, beispielsweise 2,5 pm bis 4,5 pm, ausreichend sein.