Heramisehes Hartwerkzeug. Es ist bekannt, dass Werkzeuge, insbeson dere Schneidwerkzeuge, wie Hobel, Fräser, Bohrer. und dergleichen, welche üblicherweise aus Stahl bestehen, gewisse Nachteile besit zen, z. B. nach der Richtung hin, dass sie für die Bearbeitung gewisser Stoffe, z. B. sehr zäher, gegebenenfalls zäher und zugleich har ter Stoffe, wenig geeignet sind.
Weitere Nachteile bestehen unter anderem darin, dass die Stähle bei Durchführung der Arbeits gänge leicht sehr heiss werden und hierdurch ihre Wirksamkeit vorzeitig verlieren.
Eingehende Versuche haben ergeben, dass es möglich ist, Werkzeuge, welche sich durch ausgezeichnete Eigenschaften, insbesondere hohe Kantenfestigkeit, auszeichnen, aus kera mischem Material herzustellen. Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein keramisches Hartwerkzeug aus feuerfestem Material, be stehend aus einem durch Sintern verfestigten Gemisch, das Aluminiumoxyd und einen 15 der Gesamtmenge nicht übersteigenden Ge halt an das Kornwachstum vermindernden Stoffen aufweist.
Es ist bekannt, dass man durch Sintern von möglichst reinem Aluminiumoxyd bei hohen Temperaturen hochfeuerfeste kerami sche Gegenstände, z. B. Tiegel und derglei chen, herstellen kann.
Es ist auch bereits vor geschlagen worden, möglichst reinem calci- niertem Aluminiumoxyd geringe Mengen von ebenfalls ealcinierten Metalloxyden, nämlich Berylliumoxyd, Magnesiumoxyd, Zirkonoxyd oder Mischungen dieser Oxyde zuzusetzen und die Mischungen durch Farmen und Bren nen in hochfeuerfeste Gegenstände, wie Zünd kerzen, Tiegel und :
dergleichen, überzuführen, wobei die Zusatzstoffe eine Erniedrigung der Sintertemperatur bezw. eine Abkürzung des Sintervorganges bewirken und Gegenstände von guter Temperaturwechselbeständigkeit liefern sollen.
Schliesslich ist auch bereits vorgeschlagen worden, Ziehsteine und der gleichen aus Carbiden, Siliziden, Boriden, Aluminiumoxyd oder Gemischen von diesen durch Erhitzen des fein gepulverten Aus gangsmaterials in hochfeuerfesten Pressfor- men bei hohen mechanischen Drucken, z. B. von 100 bis 300 kg/cm\, und bei Temperatu ren, bei welchen die Masse bildsam und pla stisch wird, z. B. bei Temperaturen von 1500 his 2000 , herzustellen.
Aus diesen bekannten Verfahren konnten Schlüsse auf die Ver wendbarkeit von durch Sintern verfestigten Gemischen von Aluminiumoxyd mit unter geordneten,<B>15%</B> der Gesamtmenge nicht übersteigenden Zusätzen an das Kornwachs tum vermindernden Stoffen für Werkzeuge, wie Hobel, Fräser, Bohrer und dergleichen, nicht gezogen werden. Dies um so weniger, als beim Sintern von Aluminiumoxyd mit bekannten und üblichen Zusatzstoffen zu meist erhebliche Kornvergröberungen und so mit Strukturverschlechterungen stattfinden.
Als strukturverbessernde Zusatzstoffe ge mäss vorliegender Erfindung kommen unter anderem in Betracht Chromoxyd (Cr.0,), Ma- gnesiumfluorid (MgF2) und Aluminiumphos phat (AIP03). Es liegen zwar bereits wissen schaftliche Arbeiten vor, bei welchen Mi schungen von Aluminiumoxyd mit Magne- siumoxyd, Chromoxyd, Berylliumoxyd, Zir- konoxyd,
Oxyde der Cerit- oder Yttererden durch fünfstündiges Erhitzen auf 1900 dicht gebrannt wurden. Aus diesen Versuchen, wel che ein weitgehendes Schwinden des Alumi niumoxyds durch die Zusatzstoffe beim Bren nen bezwecken sollten, wurde der Schluss ge zogen, dass die genannten Zusatzstoffe ohne besondere Wirkung geblieben seien.
Aus der Mitverwendung von Chromoxyd bei diesen Versuchen konnte bestimmt nicht geschlossen werden, dass Chromoxyd einen Stoff darstellt, der bei Zugabe in bestimmten Mengen zu Aluminiumoxyd das Kornwachstum der l1Zi- schung beim Sintern so weit hintanzuhalten vermag, dass Produkte entstehen, die als Werkzeuge, insbesondere Schneidwerkzeuge, verwendbar sind. Für die Herstellung keramischer Hart werkzeuge gemäss Erfindung wird vorteilhaft Aluminiumoxyd von hohem Reinheitsgrad verwendet.
Man kann aber auch in gegebenen Fällen Aluminiumoxyd von geringerem Rein heitsgrad verarbeiten, sofern die vorhandenen Beimengungen störende Wirkungen nicht entfalten, Evas leicht durch Vorversuche er mittelt werden kann. Das Zumischen der strukturverbessernden Stoffe zu dem Alumi niumoxyd kann in üblicher Weise erfolgen. Vorteilhaft werden die Stoffe in fein gemah lenem Zustand trocken vermischt und die Mi schung nach üblichen Methoden, z. B. durch Anfeuchten, Formen, Pressen und Brennen der Formkörper, verarbeitet. Man kann aber auch den Zusatzstoff bezw. die Zusatzstoffe dem bereits nach üblichen Methoden plastifi- zierten Aluminiumoxyd beimischen.
Das Sin tern kann bei Temperaturen zwischen 1500 bis 2000 , vorzugsweise bei etwa 1800 , er folgen. Die Mengenverhältnisse richten sich nach den jeweils gewünschten besonderen Eigenschaften der keramischen Werkzeuge. Im allgemeinen hat es sich als vorteilhaft er wiesen, nicht mehr als 10% und vorzugs weise nicht mehr als 5 % an Zusatzstoffen anzuwenden. Vielfach genügen Zusatzmen gen von etwa 2 bis 3 % und weniger, z. B. 1 %. Es können auch mehrere strukturverbes- sernde Zusatzstoffe gemeinschaftlich ange wendet werden.
Die Anwendung von dem Kornwachs tum entgegenwirkenden, strukturverbessern den Zusatzstoffen gemäss der Erfindung ge stattet die Herstellung von Erzeugnissen, die sich durch sehr dichtes, feinkörniges Gefüge auszeichnen, grosse Härte. Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Ein flüsse, wie z. B. Druck oder Schlag, besitzen, glatte Oberflächen und gute Kantenfestig keit aufweisen, also Eigenschaften besitzen, welche für Werkzeuge von besonderer Wich tigkeit sind. Ein weiterer Vorzug der Erfin dung besteht darin, da.ss die Formkörper beim Sintern nur eine verhältnismässig geringe Schwindung erfahren, wodurch die Gefahr unerwünschter Deformierung weitgehend ver- mieden ist, während trotzdem Erzeugnisse von grosser Dichte erhalten werden.
Schliess lich besitzen die Erzeugnisse auch noch aus gezeichnete Widerstandsfähigkeit gegen che mische, insbesondere korrodierende Einflüsse, z. B. von Dämpfen, Säuren und dergleichen, und grosse Widerstandsfähigkeit gegen hohe, auch sehr hohe Temperaturen. <I>Beispiel;</I> Reines Aluminiumoxyd wird unter Zu satz eines Plastifizierungsmittels, z. B. Salz säure, mit 3 Gewichtsprozent reinem Chrom oxyd innig vermischt, die Mischung wird in Formkörper übergeführt, die der Gestalt des gewünschten Werkzeuges entsprechen, wobei die Formkörper gegebenenfalls einer Pres sung unterworfen werden.
Die Formkörper werden bei etwa 1800 , je nach Grösse, etwa 1/s bis 2 Stunden gesintert. Die gesinterten Körper besitzen rote Farbe. Wenn man dem Aluminiumoxyd an Stelle von Chromoxyd etwa 3 Gewichtsprozent reines Aluminium phosphat oder Magnesi.umfluorid einverleibt und die Mischung in der vorstehend beschrie benen Weise verarbeitet, erhält man Werk zeuge von weisser Farbe, deren Eigenschaften im wesentlichen denen der roten Sinterkörper entsprechen.
Die Erfindung gestattet die Herstellung von Werkzeugen, insbesondere Schneidwerk zeugen und spanabhebenden Werkzeugen, welche an Stelle von Stahlwerkzeugen ver wendet werden können und vor diesen ge wisse Vorteile besitzen. Stahlwerkzeuge, wie Bohrer, Drehwerkzeuge und dergleichen, wer den bekanntlich bei Durchführung des Ar beitsvorganges sehr heiss und verlieren hier durch vorzeitig ihre Wirksamkeit. Diese Nachteile treten bei vorliegenden keramischen Werkzeugen nicht in Erscheinung. Stahl werkzeuge sind für die Bearbeitung mancher Stoffe, z .B. sehr zäher sowie zäher und zu gleich harter Stoffe, wie Kunstharz und an dern Kunststoffen, schlecht geeignet.
Dagegen haben sich die vorliegenden keramischen Werkzeuge gerade für die Bearbeitung der artiger Kunststoffe gut bewährt.
Heramisehes hard tool. It is known that tools, in particular cutting tools such as planes, milling cutters, drills. and the like, which are usually made of steel, have certain disadvantages zen, z. B. in the direction that they are used for the processing of certain substances, e.g. B. very tough, possibly tough and at the same time hard materials, are not very suitable.
Other disadvantages include the fact that the steels easily become very hot when the work is carried out and thereby lose their effectiveness prematurely.
In-depth tests have shown that it is possible to produce tools with excellent properties, particularly high edge strength, from ceramic material. The present invention is a ceramic hard tool made of refractory material, be standing from a solidified by sintering mixture, the aluminum oxide and a 15 of the total amount not exceeding Ge content of the grain growth-reducing substances.
It is known that by sintering the purest possible aluminum oxide at high temperatures, refractory ceramic objects such. B. crucible and derglei chen, can produce.
It has also already been proposed to add small amounts of likewise ealined metal oxides, namely beryllium oxide, magnesium oxide, zirconium oxide or mixtures of these oxides to the purest possible calcined aluminum oxide, and the mixtures by farming and burning in highly refractory objects such as spark plugs, crucibles and :
the like to transfer, the additives BEZW a lowering of the sintering temperature. bring about a shortening of the sintering process and should provide objects with good thermal shock resistance.
Finally, it has also already been proposed that drawing dies and the like made of carbides, silicides, borides, aluminum oxide or mixtures of these can be formed by heating the finely powdered starting material in highly refractory press molds at high mechanical pressures, e.g. B. from 100 to 300 kg / cm \, and at Temperatu ren, in which the mass is malleable and pla stic, z. B. at temperatures of 1500 to 2000 to produce.
From these known processes, conclusions could be drawn about the usability of mixtures of aluminum oxide solidified by sintering with subordinate <B> 15% </B> of the total amount of substances that reduce grain growth for tools such as planes, milling cutters, drills and the like, not to be drawn. This is all the less so since when aluminum oxide is sintered with known and customary additives, the grains are usually considerably coarsened and so with structural deterioration.
Structure-improving additives according to the present invention include chromium oxide (Cr.0,), magnesium fluoride (MgF2) and aluminum phosphate (AlP03). There is already scientific work in which mixtures of aluminum oxide with magnesium oxide, chromium oxide, beryllium oxide, zirconium oxide,
Oxides of cerite or ytter earths were dense burned by heating for five hours at 1900. From these tests, which were intended to achieve a substantial shrinkage of the aluminum oxide by the additives during firing, it was concluded that the additives mentioned had no particular effect.
From the use of chromium oxide in these experiments it could certainly not be concluded that chromium oxide is a substance which, when added in certain amounts to aluminum oxide, is able to prevent the grain growth of the mixture during sintering to such an extent that products are created that are used as tools, in particular Cutting tools, are usable. For the production of ceramic hard tools according to the invention, aluminum oxide of a high degree of purity is advantageously used.
In certain cases, however, aluminum oxide of a lower degree of purity can also be processed, provided that the existing admixtures do not develop disruptive effects, Evas can easily be determined by preliminary tests. The structure-improving substances can be added to the aluminum oxide in the usual way. Advantageously, the substances are mixed dry in fine gemah lenem state and the mixture according to conventional methods, eg. B. processed by moistening, shaping, pressing and firing the molded body. But you can also bezw the additive. add the additives to the aluminum oxide which has already been plasticized by conventional methods.
The sintering can take place at temperatures between 1500 to 2000, preferably at about 1800. The proportions depend on the particular properties desired in the ceramic tools. In general, it has proven to be advantageous not to use more than 10% and preferably not more than 5% of additives. In many cases, additional quantities of about 2 to 3% and less, z. B. 1%. Several structure-improving additives can also be used together.
The use of the additive according to the invention, which counteracts the grain growth and improves the structure, enables the production of products which are characterized by a very dense, fine-grain structure and great hardness. Strength and resistance to mechanical influences, such as B. pressure or impact, have smooth surfaces and good edge strength, that is, have properties that are of particular importance for tools. Another advantage of the invention is that the shaped bodies experience only a relatively small amount of shrinkage during sintering, so that the risk of undesired deformation is largely avoided, while products of high density are nevertheless obtained.
Finally, the products also have excellent resistance to chemical, especially corrosive influences, such. B. of vapors, acids and the like, and great resistance to high, even very high temperatures. <I> Example; </I> Pure aluminum oxide is added with a plasticizer, e.g. B. hydrochloric acid, intimately mixed with 3 percent by weight of pure chromium oxide, the mixture is converted into shaped bodies which correspond to the shape of the desired tool, the shaped bodies optionally being subjected to a press solution.
The shaped bodies are sintered at about 1800, depending on the size, about 1 / s to 2 hours. The sintered bodies are red in color. If you incorporate about 3 percent by weight of pure aluminum phosphate or Magnesi.umfluorid in the aluminum oxide instead of chromium oxide and the mixture is processed in the manner described above, you get tools of white color, the properties of which essentially correspond to those of the red sintered body.
The invention allows the production of tools, especially cutting tools and cutting tools, which can be used in place of steel tools ver and have certain advantages before these ge. Steel tools, such as drills, turning tools and the like, who are known to be very hot when performing the Ar work process and lose their effectiveness here prematurely. These disadvantages do not appear in the present ceramic tools. Steel tools are used for processing some materials, e .g. Very tough as well as tough and equally hard materials such as synthetic resin and other plastics, poorly suited.
On the other hand, the present ceramic tools have proven their worth especially for processing such plastics.