CN1032152A - 氧化铝包覆的碳化硅须晶-氧化铝复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有SiC须晶强化氧化铝基体 之基底的机械产品，其外表面还具有一氧化铝覆层。 现已发现，这些制品可用作钢的高速粗加工刀具镶 片。

Description

本发明涉及经过包覆（处理的复合材料，该复合材料为氧化铝基之基体，在该基体中分布有碳化硅须晶，而且其表面具有氧化覆层。特别是，本发明是涉及由该复合材料所制备的金属切削刀具镶片。
在现有技术中，已有多种材料被用于黑色及有色金属的机加工。其中，用于钢的机加工的材料一直是采用经包覆及未经包覆的硬质合金。典型的包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.）用于其经包覆切削刀具镶片的商标）。
此外，还有利用TiC-TiN合金陶瓷材料，诸如美国专利US-3971656中所描述的合金陶瓷，来进行钢的机加工。还大量地使用陶瓷材料（诸如氧化铝和氧化铝-碳化钛陶瓷）进行钢的机加工。氧化铝-碳化钛镶片类切削刀具的一个已有实例是KO90（牌），其含有大约30%（体积）的碳化钛（KO90是凯纳金属联合公司（Kennametal    Inc.）用于其氧化铝-碳化钛切削刀具镶片的商标）。
尽管前述的复合材在钢材机加工上一直是成功的，当高进刀量与低速相配合时，大量采用硬质合金（来加工钢），而在高速与低进刀量相配合时却采用陶瓷型材料。但我们並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机加工。
由氧化铝-碳化硅须晶复合材料制成的切削刀具镶片业已问世（参见美国专利US-4543345）。尽管这类嵌片在镍基高温合金的机加工上具有工业适用性，但由于所得到的刀具寿命低，它们並没有实际地应用于钢的机加工。人们相信，刀具寿命低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具镶片中的碳化硅与钢中的铁发生了强烈的化学反应。
现有技术在镍基高温合金的机加工中所采用的工业型氧化铝-碳化硅须晶复合材料含30到大约36V/O的碳化硅须晶，因为人们发现这一成分范围其机加工性能最佳。在这一SiC须晶水平下，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须晶的基底上施加一层氧化铝覆层，可产生一种新的切削刀具，这不仅使氧化铝-SiC须晶复合材料可被实际应用于钢的机加工，而且还使得这些材料在高进刀量与高速相配合的条件下适用于钢的高速粗加工。
根据本发明提供的一种产量具有由分布于氧化铝基基体中的SiC须晶所构成的基底，並带有一层结合于该基底上的氧化铝覆层（基体至少含50V/O的氧化铝）。该基底含有至少5，且小于30V/O（体积百分比）的碳化硅须晶。並含有小于大约95，且最好大于70V/O的氧化铝。最好产品是一种刀具镶片，其由上述材料构成並其有一切削刃口，该刃口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须晶的含量以至少大约5到少于大约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。
氧化铝覆层的厚度以1.5～10微米为宜，最好是3～7微米。尽管氧化铝覆层可被直接结合于基底上，但也可在基底与氧化铝覆层间施以中间覆层，以将氧化铝覆层粘结于基底上。在一具体实例中，一种氮化钛覆层可被结合于氧化铝覆层的外面。
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须晶（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须晶含量的函数关系图。
申请人业已发现，通过用氧化铝覆层包覆特定的SiC须晶-氧化铝基底材料，可生产新的刀具镶片。该镶片与未包覆基底的切削性能相比，在对钢进行高速粗加工可显著地提高刀具的寿命。出人预料的是，在那些具有较低的SiC须晶含量的基底复合材料，即所含SiC须晶量低于现有技术中用于加工镍基合金的工业型SiC须晶强化未包覆刀具镶片所含之SiC须晶量的基底材料，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的分布于氧化铝基体中的SiC须晶。这一须晶含量水平也使材料的断裂韧到达到最大。
然而，根据本发明，基底的SiC须晶含量被限制在大于5V/O且小于30V/O，与现有技术的工业用刀具镶片成份相比，这一成分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，基底的SiC须晶含量应至少大约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：
应该认识到，为在钢的高速粗加工状态下使刀具的寿命达到最高，应在由分布有SiC须晶的氧化铝基体所构成的基底之断裂韧性与其化学活性之间的取得一个平衡。虽然在30～36V/O的SiC须晶范围内，这些材料的断裂韧性增长到最大，但在对钢进行机加工时，该基底的化学活性据信是随着SiC须晶含量的增加而增加。尽管在本发明中，基底被氧化铝覆层所包覆以防止基底与钢相接触，但在使用期间，由于基底与高速通过其前倾面的热钢屑是处于压紧接触状态，故而氧化铝覆层被磨蚀掉。在此情况下，我们相信，SiC须晶的含量愈高，基底的化学活性也就愈大，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，在有氧化铝覆层之条件下，必须在基底之断裂韧性与化学活性之间建立一个平衡。可进一步推知，该平衡出现时的SiC须晶含量依据钢的成分和硬度移动。例如，我们相信，软钢（如低碳和中碳钢）对SiC须晶具有比硬钢更高的化学活性。此外，我们还相信，在车削软材料时（刀具）镶片的断裂韧性亦无需太高＊。这样，在对低碳和中碳钢进行高速粗加工时，通过较低的SiC须晶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须晶（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英寸氧化铝园鳞片。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须晶基本均匀地分布于氧化铝中且不引起SiC须晶的过渡破断。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，且须晶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型刀具镶片。T代表K刃棱面或切面。在本镶块中，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℃下将各种成分的镶片之一部分包覆以3～5微米厚的氧化铝覆层，使覆层结合于基底之上
表Ⅰ
混合组物（材料）
混合物序号    标准成分
SiC须晶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具嵌片（包括包覆和未包覆的）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
刀具嵌片    镶片寿命    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    CH，CR-BK
4    0.6，1.4    1.0    CR，BK
5    ＜0.5，0.3    0.4    CR，BK
1（包覆）    8.8    7.0    7.9    DOCN，BK
2（包覆）    4.0    8.0    6.0    CH，DOCN
3（包覆）    4.0    0.5    2.25    CH.BK
4（包覆）    4.8    6.0    5.4    DOCN，FW（CH）
5（包覆）    3.8    4.0    3.9    DOCN，DOCN（CH）
注1.第一栏中的镶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.第二栏的镶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
刀具镶片    镶卡寿命    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（包覆）    0.7    CH
2（包覆）    0.5    BK
3（包覆）    8.25    角部BK
4（包覆）    2.5    BK
5（包覆）    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，所有的未经包覆的镶片均是在表Ⅱ注1的条件下被检测的，而包覆的镶片是在表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须晶含量之间的函数关系），通过用氧化铝包覆具有特定成分的SiC须晶强化氧化铝刀具嵌片，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覆层的一号基底（15V/O的SiC须晶）。随着SiC须晶含量增加，寿命下降。我们认为，这是由于基底对于钢的化学活性增加。尽管没有进行对SiC须晶含量低于15V/O的刀具的试验，但我们相信，含少于5V/O的SiC须晶的基底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，基底中的SiC须晶含量应在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），在所试验的氧化铝包覆材料中，大约25V/O    SiC须晶含量（3号材料）达到了最高的刀具寿命。随着SiC须晶含量增加到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底化学活性的增加。随着SiC须晶含量降低到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须晶含量所致。因此，我们认为，对于加工低合金钢（如4340钢），基底的SiC须晶含量应低于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/O    SiC须晶的含量范围内，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包覆型产品。所需的特定基底材料将取决于基底对钢的化学活性及钢的硬度或强度。
我们相信，当氧化铝覆层的厚度在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，如果在氧化铝覆层上再施加一层TiN覆层，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覆层施于氧化铝覆层上，或借助中间层（如TiCN）将TiN层结合在氧化铝层上。TiN覆层比氧化铝覆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覆层，其厚度应在0.5～10微米范围内，最好是0.5～5微米。
另外，为改善氧化铝覆层的粘结特性，可在氧化铝覆层与基底之间施加中间层。目前考虑的中间层可以是碳化钛，氮化钛或碳氮化钛覆层。
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（不超过基底总量的20V/O）以进一步改善基底的断裂韧性。
我们还相信，如果本发明中所用的将基底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，含须晶的陶瓷材料的基底被烧结以基本完全致密ɑ玫姆椒òㄏ铝胁街瑁海╝）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覆层，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包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 (40)

1、一种包覆的复合产品，包括：
含有至少5%且小于30%(体积比)的碳化硅须晶及小于95%且大于70%(体积比)的氧化铝的基底；
以及结合于所说基底上的氧化铝覆层。
2、根据权利要求1的包覆复合产品，其中，所说的SiC须晶的体积是所说的基底体积的至少5%到小于20%。
3、根据权利要求1的包覆复合产品，其中，所说的SiC须晶的体积是所说的基底体积的20%到小于30%。
4、根据权利要求1的包覆复合产品，其中，所说的氧化铝覆层的厚度为大约1.5～大约10微米。
5、根据权利要求2的包覆复合产品，其中，所说的氧化铝覆层的厚度为大约1.5～大约10微米。
6、根据权利要求3的包覆复合产品，其中，所说的氧化铝覆层的厚度为大约1.5～大约10微米。
7、根据权利要求1的包覆复合产品，其中，所说的氧化铝覆层的厚度为大约3～大约7微米。
8、根据权利要求2的包覆复合产品，其中，所说的氧化铝覆层的厚度为大约3～大约7微米。
9、根据权利要求3的包覆复合产品，其中，所说的氧化铝覆层的厚度为大约3～大约7微米。
10、一种刀具镶片，包括：
形成于所说镶片之前倾面与后面交界处的切削刃口（缘）。
所说的刀具镶片具有基底和结合于该基底上的氧化铝覆层，所说的基底由大于5%且小于30%（体积）的碳化硅须晶和小于95%且大于70%（体积）的氧化铝构成。
11、根据权利要求10的刀具镶片，其中，所说的碳化硅须晶的体积是基底为至少5%到小于大约20%。
12、根据权利要求10的刀具镶片，其中，所说的碳化硅须晶的体积是基底体积的20%到小于30%。
13、根据权利要求10的刀具镶片，其中，所说的氧化铝覆层的厚度为大约1.5～大约10微米。
14、根据权利要求11的刀具镶片，其中，所说的氧化铝覆层的厚度为大约1.5～大约10微米。
15、根据权利要求12的刀具镶片，其中，所说的氧化铝覆层的厚度为大约1.5～大约10微米。
16、根据权利要求10的刀具镶片，其中，所说的氧化铝覆层的厚度为大约3～大约7微米。
17、根据权利要求11的刀具镶片，其中，所说的氧化铝覆层的厚度为大约3～大约7微米。
18、根据权利要求12的刀具镶片，其中，所说的氧化铝覆层的厚度为大约3～大约7微米。
19、根据权利要求10的刀具镶片，其中，所说的碳化硅须晶的体积是基底体积的大约22%到28%。
20、根据权利要求10的刀具镶片，其中，所说的碳化硅须晶的体积是基底体积的大约10～18%。
21、根据权利要求10的刀具镶片，进一步包括结合于氧化铝覆层上的TiN覆层。
22、一种刀具镶片，包括：
形成于所说刀具镶片之前倾面与后面交界处的刃口（缘），
所说的刀具镶片具有基底和结合于基底上的氧化铝覆层。
所说的基底含有大于5%且小于30%（体积）的SiC须晶，分布于氧化铝基的基体中。
23、根据权利要求2的包覆复合产品，其中所说的基底进一步还含有一种烧结辅助剂。
24、根据权利要求3的包覆复合产品，其中所说的基底进一步还含有一种烧结辅助剂。
25、根据权利要求11的刀具镶片，其中所说的基底进一步还含有一种烧结辅助剂。
26、根据权利要求12的刀具镶片，其中所说的基底进一步还含有一种烧结辅助剂。
27、根据权利要求22的刀具镶片，其中所说的基底进一步还含有一种烧结辅助剂。
28、根据权利要求2的包覆复合产品，其中，所说的基底中还含有大于约2%，且不超过20%（所说的基底体积）的氧化锆。
29、根据权利要求3的包覆复合产品，其中，所说的基底中还含有大于约2%，且不超过20%（所说的基底体积）的氧化锆。
30、根据权利要求11的刀具镶片，其中，所说的基底中还含有大于约2%，且不超过20%（所说的基底体积）的氧化锆。
31、根据权利要求12的刀具镶片，其中，所说的基体中还含有大于约2%，且不超过20%（所说的基底体积）的氧化锆。
32、根据权利要求22的刀具镶片，其中，所说的基底中还含有大于约2%，且不超过20%（基底体积）的氧化锆。
33、根据权利要求22的刀具镶片，其中，所说的基底含有大于5%且小于20%（体积）的碳化硅须晶。
34、根据权利要求32的刀具镶片，其中，所说的基底含有大于5%且小于20%（体积）的碳化硅须晶。
35、一种刀具镶片，包括：
形成于所说刀具镶片之前面与后面交界处的刃口（缘），
所说的刀具镶片具有基底和结合于该基底上的氧化铝覆层，
及所说的基底复合材料包括大于5%且小于30%（体积）的分布于氧化铝基体中的SiC须晶。
36、根据权利要求35的刀具镶片，其中，所说的基底复合材料含有大于5%且小于20%（体积）的分布于氧化铝基体中SiC须晶。
37、根据权利要求35的刀具镶片，其中，所说的基底材料进一步含有一种烧结辅助剂。
38、根据权利要求36的刀具镶片，其中，所说的基底材料进一步含有一种烧结辅助剂。
39、根据权利要求35的刀具镶片，其中，所说的基底材料还含有大于约2%，但不超过20%（基底体积）的氧化锆。
40、根据权利要求36的刀具镶片，其中，所说的基底复合材料还含有大于约2%，但不超过20%（基底体积）的氧化锆。
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