CN1012061B - 氧化铝涂覆的碳化硅晶须-氧化铝 - Google Patents

氧化铝涂覆的碳化硅晶须-氧化铝

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Abstract

本发明提供一种具有SiC晶须强化氧化铝基质的之基体的机械产品，其外表面还具有一氧化铝涂层。现以发现，这些制品可用作钢的高速粗加工刀片。

Description

本发明涉及涂覆复合体，该复合体包括分布于氧化铝基体中的碳化硅晶须，而且在其表面具有氧化铝涂层。特别是，本发明涉及由该复合体制成的金属切削刀片。
在现有技术中，已有多种材料被用于黑色及有色金属的切削加工。其中，用于钢的切削加工的材料一直是采用涂覆及未涂覆的硬质合金。典型的涂覆硬质合金在美国专利US-4610931中给予了描述，而且，现有技术的市售KC950（牌号）亦给出了实例，该牌号的产品是根据前述专利所生产（KC950是凯纳金属联合公司（Ken-nametal    Inc.）用于其涂覆切削刀片的商标）。
此外，还有利用TiC-TiN金属陶瓷材料，诸如美国专利US-3971656中所描述的金属陶瓷，来进行钢的切削加工。还大量地使用陶瓷材料（诸如氧化铝和氧化铝-碳化钛陶瓷）进行钢的切削加工。氧化铝一碳化钛切削刀具的一个已有实例是K090（牌），其含有大约30%（体积）的碳化钛（K090是凯纳金属联合公司（Kennametal    Inc.）用于其氧化铝一碳化钛切削刀具的商标）。
尽管上述复合体在钢材切削加工上是成功的，但是硬质合金通常是在高进刀量与低速结合条件下使用，而陶瓷材料则在高速与低进刀量的条件下使用。但我们并不清楚在高速与高进刀量相配合的情况 下，工业上大量采用什么类型的切削刀具材料对钢进行切削加工。
业已开发出由氧化铝一碳化硅晶须复合体制成的切削刀具（参见美国专利US-4543345）。尽管这类刀片在镍基耐高温合金的切削加工上具有工业实用性，但由于所达到的刀具寿命短，它们並没有实际地应用于钢的切削加工。人们相信，刀具寿命短是由于在机加工过程中，在切削刃口处所产生的高温条件下刀片中的碳化硅与钢中的铁发生了强烈的化学反应。
现有技术在镍基耐高温合金的切削加工中所采用的工业型氧化铝一碳化硅晶须复合体含30到大约36V/O的碳化硅晶须，因为人们发现在这一成分范围其机加工性能最佳。在这一SiC晶须水平下其断裂韧性亦为最高。
申请人现已出人预料地发现，通过在含有氧化铝及特定水平（量）的SiC晶须的基体上施加一层氧化铝涂层，可产生一种新的切削刀具，这不仅使氧化铝-SiC晶须复合体可被实际应用于钢的切削加工，而且还使得这些材料在高进刀量与高速结合条件下适用于钢的高速粗加工。
根据本发明提供了一种产品，该产品具有由分布于氧化铝基基体中的SiC晶须所构成的基体（基体至少含50V/O的氧化铝）並带有一层结合于该基体上的氧化铝涂层。该基体含有至少5，且小于30V/O（体积百分比）的碳化硅晶须。並含有小于大约95，且最好大于70V/O的氧化铝。最好产品是一种由上述材料构成的刀片，並且具有一切削刀刃，该刀刃形成于其前倾面与侧面的交界处。根据机加工应用，对于软钢SiC晶须的有量以至少大约5到小于大约20V/O为宜，最好为大约10～大约18V/O之间;对于硬钢，以20到小于30V/O为宜，最好为大约22～大约 28V/O之间。
氧化铝涂层的厚度以约1.5～10微米为宜，最好是约3～7微米。尽管氧化铝涂层可被直接结合于基体上。但也可在基体与氧化铝涂层间施以中间涂层，以使氧化铝涂层粘结于基体上。在一有体实例中，一种氮化钛涂层可被结合于氧化铝涂层的外面。
下面借助附图对本发明的详细描述，将能更清楚地了解本发明及其优点。
图1是在AISI1045钢车削加工期间，刀具寿命与SiC晶须（SiCw）含量（以体积百分比V/O示之）的函数关系图。
图2是在AISI4340钢车削加工期间，刀具寿命与SiC晶须含量的函数关系图。
申请人业已发现，通过用氧化铝涂层涂覆特定的SiC晶须一氧化铝基体材料，可生产新的刀片。该刀片与未涂覆基体的切削性能相比，在对钢进行高速粗加工中具有显著提高的刀具寿命。出人预料的是，在那些具有较低的SiC晶须含量的基体复合材料，即所含SiC晶须量低于现有技术中用于加工镍基合金的工业型SiC晶须强化未涂覆刀片所含之SiC晶须量的基体材料，表现出了最佳的刀具寿命特征。正如前述，这些现有技术的复合材料含30～大约36V/O的分布于氧化铝基质中的SiC晶须。这一晶须含量水平也使材料的断裂韧达到最大。
然而，根据本发明，基体的SiC晶须含量被限制在大于5V/O且小于30V/O，与现有技术的工业用刀片组成相比，这一组成范围会引起裂断韧性的降低。事实上，如今业已发现，对于如AIST1045钢这样的软钢，基体的SiC晶须含量至少大约5 到小于大约20V/O。
尽管不希望被理论所约束，但申请人仍相信本发明所获得的意外结果及优点可借助下述理论来解释：
我们认为，为在钢的高速粗加工中使刀具的寿命达到最高，应在由分布具SiC晶须的氯化铝基质所构成的基体的断裂韧性与其化学反应性之间取得平衡。虽然在30～36V/O的SiC晶须范围内，这些材料的断裂韧性增长到最大，但我们相信在对钢进行机加工时，该基体的化学反应性是随着SiC晶须含量的增加而增加。尽管在本发明中，基体被氧化铝涂层所涂覆以防止基体与钢相接触，但在使用期间，由于基体与高速通过其前倾面的热钢屑是处于压紧接触状态，故而氧化铝涂层被磨蚀掉。在此情况下，我们相信，SiC晶须的含量愈高，基体的化学反应性也就愈大，由于裂纹扩展所引起的刀具早期损坏的几率也就愈高。由此得出结论：为使刀具寿命达到最高，在有氧化铝涂层之条件下，必须在基体的断裂韧性与化学反应性之间建立一个平衡。可进一步推知，该平衡出现时的SiC晶须含量依据钢的成分和硬度变化。例如，我们相信，软钢（如低碳和中碳钢）对SiC晶须具有比硬钢更高的化学反应性。此外，我们还相信，刀片的断裂韧性不必象切削软铜时那么高。这样，在对低碳和中碳钢进行高速粗加工时，通过较低的SiC晶须含量来获得最佳的刀具使用寿命。
现在，结合下述实施例对本发明进行进一步的阐述。这些实施例仅仅是本发明的示范。
表Ⅰ给出了五种混合材料成分（NO.1～5）。每一种成分的材料均取量大约725～750克。上述材料是通过下述步骤制备 的：首先，利用超声振动对SiC晶须（直径0.3～0.7微米，长20～50微米）进行大约1.5小时的松团处理，然后添加合适量的高纯度氧化铝，3.2～3.5升的异丙醇及2.3千克的1/4英寸氧化铝园片。在磨罐中对这些材料进行完全的混合处理（操作应轻缓）大约1小时，以使SiC晶须基本均匀地分布于氧化铝中且不引起SiC晶须的过渡破断。所说的高纯氧化铝（ALCOA级A16SG）已先经磨处理以使其平均尺寸为大约0.5-0.6微米。混合处理后，将粉末混合体干燥，过100目筛以除去大的聚团体。各种混合体粉末均分别置于1.75英吋（直径）的石墨模中，在1800℃，4000Psi的压力条件下热压1小时，以产生完全致密的（即：至少98%的理论密度）坯，且晶须的组织形态未发生显著的变化。热压过程中，使用大约1个大气压的氩气作为保护气体。
热压坯经切割磨制，制成SNG-453T型刀片。T代表K刃棱面或切面。在本刀片中，所用的切面在前面表面和平面上有一个突出的0.008吋的宽度並且在它向刃口和后面延伸时，从前面表面的平面倾斜20°。然后，利用常规化学气相沉积技术，于大约950℃下将各种成分的刀片的一部分涂覆以3～5微米厚的氧化铝涂层，使涂层结合于基体之上。
表Ⅰ
混合组合物（材料）
混合物序号    标准组成
SiC晶须V/O Al2O3V/O
1    15    85
2    20    80
3    25    75
4    30    70
5    35    65
把由各种混合体制成的刀片（包括涂覆和未涂覆的）在机加工条件下用于对AISI1045及4340钢进行高速粗车削，结果示于表Ⅱ和Ⅲ。
表Ⅱ
AISI1045钢的高速粗加工
刀片    刀片寿命    平均值    断裂模式
材料    （分）    （分）
混合物序号
1    6.61，5.02    5.8    DOCN，CH
2    ＜0.5，4.0    2.25    DOCN，BK
3    9.5，1.0    5.25    CCH，CR-BK
4    0.6，1.4    1.0    CR，BK
5    ＜0.5，0.3    0.4    CR，BK
1（涂覆）8.8    7.0    7.9    DOCN，BK
2（涂覆）4.0    8.0    6.0    CH，DOCN
3（涂覆）4.0    0.5    2.25    CH，BK
4（涂覆）4.8    6.0    5.4    DOCN，FW（CH）
5（涂覆）3.8    4.0    3.9    DOCN，DOCN（CH）
注1.第一栏中的刀片寿命是对布氏硬度为192～202的1045钢进行车削时的数据，条件为：每分钟1000表面呎，每转进刀量0.025吋，切削深度0.1吋。
注2.第二栏的刀片寿命的测定条件除了采用不同车床及0.024吋/转的进刀量外，其余均与第一栏的相同。
DOCN＝刀片缺口深度;（衡量）标准≥0.03″
CH＝崩裂：（衡量）标准≥0.03″
BK＝破碎
CR＝月牙形磨损：（衡量）标准≥0.004″
FW＝侧为磨损：（衡量）标准≥0.015
表Ⅲ
AISI4340钢的高速粗加工
刀片    刀片寿命    破坏模式
材料    （分）
混合体序号
1    1    CH
2    0.7    BK
3    0.5    BK
4    0.4    BK
5    0.25    BK
1（涂覆）    0.7    CH
2（涂覆）    0.5    BK
3（涂覆）    8.25    角部BK
4（涂覆）    2.5    BK
5（涂覆）    1.75    BK
注1：除了所用的被加工材料是具有布氏硬度为295的AISI4340钢以外，所有的未经涂覆的刀片均是在表Ⅱ注1的条件下被检测的，而涂覆的刀片是在表Ⅱ注2的条件下被检测的。
正如上述各表及图1和图2所示（该图将刀具寿命归纳为SiC晶须含量之间的函数关系），通过用氧化铝涂覆具有特定成分的SiC晶须强化氧化铝刀片，可使刀具寿命获得显著的且出人预料的改善。对于1045钢-一种相对较软的，布氏硬度192～202材料，寿命最高的刀具是带有氧化铝涂层的一号基体（15V/O的SiC晶须）。随着SiC晶须含量增加，寿命下降。我们认为，这是由于基体对于钢的化学反应性增加。尽管没有进行对SiC晶须含量低于15V/O的刀具的试验，但我们相信，含少于5V/O的SiC晶须的基体将不具有加工这种材料所必需的断裂韧性。因而，我们的观点是，对于加工诸如1045钢这样的中碳钢，基体中的SiC晶须含量应在5～20V/O，最好是10～18V/O（体积百分数），以便在高速粗加工时获得最高的刀具寿命。
对于4340钢（其一般具有295BHN的硬度），在所试验的氧化铝涂覆材料中，大约25V/OSiC晶须含量（3号材料）达到了最高的刀具寿命。随着SiC晶须含量增加到30和35V/O，观察到了刀具寿命的显著降低。刀具寿命的降低被认为是由于基体化 学反应性的增加。随着SiC晶须含量降低到20和15V/O，刀具寿命再次显著下降。然而，这时的寿命降低被认为是由于断裂韧性的降低，这种断裂韧性的降低是由较低的SiC晶须含量所致。因此，我们认为，对于加工低合金钢（如4340钢），基体的SiC晶须含量应低于30而高于20V/O，最好是低于28且大于22V/O，以便在高速粗加工期间获得最高的刀具寿命。
现在可清楚地看到，在5到小于30V/OSiC晶须的含量范围内，可生产一系列的可被用于多种钢，如低碳、中碳和高碳钢，低合金钢及不锈钢的高速粗加工的氧化铝涂覆型产品。所需的特定基体材料将取决于基体对钢的化学反应性及钢的硬度或强度。
我们相信，当氧化铝涂层的厚度在1.5～10微米，最好是3～7微米时，可获得令人满意的结果。我们预料，如果在氧化铝涂层上再施加一层TiN涂层，刀具的寿命可获得进一步的改善。目前考虑的方法是，直接将TiN涂层施于氧化铝涂层上，或借助中间层（如TiCN）将TiN层结合在氧化铝层上。TiN涂层比氧化铝涂层具有更低的摩擦系数，这一点在本领域是为人熟知的。假如施以TiN涂层，其厚度应在0.5～10微米范围内，最好是0.5～5微米。
另外，为改善氧化铝涂层的粘结特性，可在氧化铝涂层与基体之间施加中间层。目前考虑的中间层可以是碳化钛，氮化钛或碳氮化钛涂层。
此外，我们还考虑添加烧结辅助剂以改善这些材料的可烧结性。目前考虑的辅助剂为氧化锆，氧化镁，和/或稀土氧化物，如氧化钇。其总用量为少量的，大约2V/O或更少。然而，可添加较大量 的氧化锆（不超过基体总量的20V/O）以进一步改善基体的断裂韧性。
我们还相信，如果本发明中所用的将基体完全致密化的热压步骤被下述文献中的致密化方法取代，则本发明的制造成本可望降低，该文献是P.K.Mehrotra等人于本申请同期递交的待批美国专利申请，申请号092118。在092118号申请中，含晶须的陶瓷材料的基体被烧结以基本完全致密（化），所用的方法包括下列步骤：（a）将可烧结的陶瓷材料形成压坯;（b）采用气相沉积的方法在压坯上形成一层陶瓷材料涂层，该陶瓷材料在随后的（热）等压制之前或期间不会成为玻璃状;及（c）在特定气氛中加热並等压压制经涂覆处理的压坯以使该压坯接近理论密度，所说的气氛在（热）压温度及压力条件下可与覆层和/或压坯反应的一种气氛。该092118号申请及其它所有在此引用的申请及专利均以参考文献的形式收于本文。
在此公开的本发明之说明书和实例，本发明的其它实施对本领域一般技术人员来说是显而易见的，我们希望本说明书及实例仅仅被认为是示范，本发明的真正范围及设计思想由下述权利要求指明。

Claims (3)

1、一种涂覆的复合产品，包括：
含有至少5%且小于30%(体积比)的碳化硅晶须及小于95%且大于70%(体积比)的氧化铝的基质；
其特征在于结合于所述基体上的氧化铝涂层。
2、根据权利要求1的涂覆复合产品，其中所述的氧化铝涂层的厚度为1.5～10微米。
3、根据权利要求1的涂覆复合产品，其中所述的氧化铝涂层的厚度为3～7微米。
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