DE102005032331A1

DE102005032331A1 - Mischkeramik mit hoher Bruchzähigkeit

Info

Publication number: DE102005032331A1
Application number: DE102005032331A
Authority: DE
Inventors: Kilian Dr. Friedrich; Wolfgang Dr. Burger; Siegbert Lehmann
Original assignee: Ceramtec GmbH
Current assignee: Ceramtec GmbH
Priority date: 2005-07-08
Filing date: 2005-07-08
Publication date: 2007-01-11
Anticipated expiration: 2025-07-09
Also published as: WO2007006627A1; DE102005032331B4

Abstract

Zur Bereitstellung einer Mischkeramik auf Al¶2¶O¶3¶-Basis mit hoher Verschleißbeständigkeit, geringer Sprödigkeit und Ausbruchempfindlichkeit wird erfindungsgemäß eine Mischkeramik mit 20 bis 50 Gew.-% Hartstoffen und 0,01 bis 5 Ge.w-% ZrO¶2¶ vorgeschlagen, wobei sich die Hartstoffe zusammensetzen aus Metallcarbiden oder Metallcarbonitriden und die Al¶2¶O¶3¶-Partikel eine mittlere Korngröße von 0,5 mum und die Hartstoffpartikel eine mittlere Korngröße von 0,4 mum nicht überschreiten und der Anteil an Ceroxid als Sinterhilfsmittel 0,05 bis 1 Gew.-% beträgt, wobei die Al¶2¶O¶3¶-Basis einen üblichen Anteil von maximal 0,5 Gew.-% anderer Sinterhilfsmittel enthalten kann.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Mischkeramik auf Al₂O₃-Basis, Verfahren zu deren Herstellung sowie deren Verwendung.
Mischkeramiken aus Al₂O₃ und etwa 30 Gew.-% TiC, TiN oder Ti(C,N) sind bekannt. Ihr Vorteil im Vergleich zu rein oxidischen Schneidstoffen ist die bessere Wärmeleitfähigkeit und die größere Härte sowie die damit verbundene bessere Verschleißbeständigkeit. Nachteilig ist jedoch die durch den Hartstoffzusatz bewirkte erhöhte Sprödigkeit und Ausbruchsempfindlichkeit, die die Bearbeitung von beispielsweise gehärteten Stahlteilen mit Schnittunterbrechungen verhindert.

In der US-A-5,342,564 werden Mischkeramiken auf Al₂O₃-Basis mit Hartstoffpartikeln aus TiC oder Ti(C,N) beschrieben, bei denen die mittlere Korngröße der Hartstoffpartikel 1 bis 5 μm beträgt.

In der US-A-4,490,319 werden Mischkeramiken auf Al₂O₃-Basis mit Hartstoffpartikeln beschrieben, bei denen 1:1 Pulvermischungen aus WC mit TiC (-325 mesh) eingesetzt wurden.

In der JP-A-4300241 werden Mischkeramiken auf Al₂O₃-Basis mit Hartstoffpartikeln aus TiC oder Ti(C,N) beschrieben, bei denen die mittlere Korngröße der Hartstoffpartikel mindestens 1 μm betragen.

Aus der EP 0755904 B1 ist eine Mischkeramik auf Al₂O₃-Basis, ein Verfahren zu seiner Herstellung sowie deren Verwendung bekannt. Der Anteil der Hartstoffe aus Metallcarbiden oder Metallcarbonitriden liegt zwischen 20 und 50 Gew.-%, der Anteil von Zirkonoxid kann bis zu 5 Gew.-% betragen. Die Al₂O₃-Partikel haben eine mittlere Korngröße von 0,5 μm und die Korngröße der Hartstoff-Partikel übersteigt nicht 0,4 μm. Es können bis zu 0,5 Gew.-% eines Sinterhilfsmittels, ausgewählt aus wenigstens einem Oxid der Elemente Y, Mg, Cr, Ni, Co und den seltenen Erden, zugesetzt werden.

Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe war die Bereitstellung einer Mischkeramik auf Al₂O₃-Basis mit hoher Verschleißbeständigkeit, geringer Sprödigkeit und Ausbruchsempfindlichkeit.

Gelöst wird die Aufgabe durch eine neue Mischkeramik gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen charakterisiert.

Die erfindungsgemäße Mischkeramik ist weniger spröde als die bekannten Keramik-Schneidstoffe und kann eingesetzt werden, um gehärtete Stahlteile mit Schnittunterbrechungen spanend zu bearbeiten. Die erfindungsgemäße Mischkeramik besteht im wesentlichen aus einem extrem feinkörnigen, maßgeschneiderten Gefüge auf der Basis von Al₂O₃, das 20 bis 50 Gew.-% Hartstoffe und 0,01 bis 5 Gew.-% ZrO₂ enthält. Die Hartstoffe setzen sich zusammen aus Metallcarbiden oder Metallcarbonitriden und entsprechen der Formel M¹M²(C,N); M¹ steht für Titan und M² für Wolfram. Die Al₂O₃-Partikel weisen eine mittlere Korngröße von nicht größer als 0,5 μm und die Hartstoff-Partikel eine mittlere Korngröße von nicht größer als 0,4 μm auf. Wolframcarbid ist in Mengen von 0,01 bis 10 Gew.-%, vorzugsweise von 0,01 bis 8 Gew.-%, bezogen auf die Titankomponente, in den Metallcarbiden oder Metallcarbonitriden der Formel M¹M²(C,N) enthalten. Das eingesetzte Titancarbonitrid entspricht der Formel Ti(C_XN_Y), mit 95/5 ≤ x/y ≤ 30/70. Vorzugsweise enthält das erfindungsgemäße Gefüge Al₂O₃-Partikel mit einer mittleren Korngröße von 0,1 bis 0,4 μm, besonders bevorzugt mit einer mittleren Korngröße von 0,2 μm. Die Korngröße wurde nach dem Linienschnittverfahren ermittelt, das bei Bildanalysesystemen verwendet wird. Beim Schnitt einer Messstrecke mit den Grenzlinien eines polyedrischen Gefüges entstehen Schnittsehnen. Die Korngröße ist in diesem Fall definiert als der Mittelwert der Länge der Schnittsehnen.

Die Hartstoff-Partikel weisen eine mittlere Korngröße von vorzugsweise 0,2 bis 0,4 μm auf. Sie können auch als globulare Körner mit einem Verhältnis von Länge L zu Durchmesser D von L/D < 2 in dem Gefüge enthalten sein. Von besonderer Bedeutung in den Hartstoffpartikeln ist der Wolframcarbid-Bestandteil. Es muss gewährleistet sein, dass sich das Wolframcarbid vollständig im Titancarbid bzw. dem Titancarbonitrid lösen kann. Hierfür sollte die mittlere Korngröße des Wolframcarbids im Submikronbereich liegen. Besonders bevorzugt sind mittlere Korngrößen von « 0,4 μm.

Bei der erfindungsgemäßen Mischkeramik wird als besonders wirksames Sinterhilfsmittel Ceroxid mit einem Anteil von 0,05 bis 1 Gew.-% eingesetzt. Die Al₂O₃-Basis kann bereits einen üblichen Anteil von höchstens 0,5 Gew.-% anderer Sinterhilfsmittel enthalten.

Die Verwendung von Ceroxid hat sich in neueren Arbeiten überraschenderweise gezeigt, dass in der Mirkostruktur Besonderheiten auftreten, die bei Verwendung von den bisher verbreiteten Sinterhilfsmitteln MgO oder Y₂O₃ oder Dy₂O₃ nicht zu beobachten sind. Diese Besonderheiten üben einen bedeutenden Einfluss auf das Rissausbreitungsverhalten unter Belastung der Komponenten aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff aus.

Beim Sintern, das bei Temperaturen zwischen 1450°C und 1650°C ablaufen kann, entstehen bei der Anwesenheit von Ceroxid relativ große, plättchenförmige Bereiche, so genannte Domänen, die aus kristallisiertem CeAl₁₁O₁₈ bestehen, einem Phasenbestandteil, der in den bekannten Mischkeramiken nicht auftritt. Unter Belastung wird ein sich ausbreitender Riss durch diese Domänen stark abgelenkt. Die 1 und 2 zeigen einen polierten Querschliff des erfindungsgemäßen Werkstoffs. Die hellen Bereiche sind die beschriebenen Domänen aus der CeAl₁₁O₁₈-Phase. Deutlich zu erkennen ist ein von links nach rechts verlaufender Riss, der durch eine Domäne abgelenkt wird. 2 zeigt eine Vergrößerung der Domäne von 1, in der der Riss abgelenkt wird.

Die Rissablenkung erfordert zusätzliche Energie und trägt so wesentlich zur Steigerung der Bruchzähigkeit des Materials bei.

Hergestellt werden können die erfindungsgemäßen Gefüge dadurch, dass 20 bis 50 Gew.-% einer Mischung aus Titancarbid oder Titancarbonitrid mit einer spezifischen Oberfläche von > 10 m²/g und, bezogen auf die Titankomponente, 0,01 bis 10 Gew.-% Wolframcarbid im Submikronbereich, vorzugsweise mit einer mittleren Partikelgröße von ≤ 0,4 μm, mit 50 bis 80 Gew.-% feinkörnigem Al₂O₃-Pulver, gegebenenfalls unter Zusatz von bis zu 5 Gew.-% Zirkonoxid und/oder bis zu 1 Gew.-% Ceroxid als erfindungsgemäß wirksames Sinterhilfsmittel unter organischem Medium oder Wasser in einer Attritorkugelmühle feingemahlen, vermischt und mit einem temporären organischen Binder versetzt wird. Das feinkörnige Al₂O₃-Pulver erhält man beispielsweise durch Vormahlen eines Al₂O₃-Pulvers mit einer spezifischen Oberfläche von 5 m²/g mit TZP-Kugeln in einer Rührwerkskugelmühle. Auf diese Weise erhält man ein Al₂O₃-Pulver mit einer spezifischen Oberfläche von 7 bis 14 m²/g. Die Mahlflüssigkeit wird anschließend beseitigt und das trockene Pulvergemisch durch ein 250 μm-Sieb gesiebt. Das gesiebte Pulvergemisch wird in einer Form nach vorgegebenem Druck- und Temperaturverlauf uniaxial oder isostatisch heißgepresst. Auf Grund der hohen spezifischen Oberfläche kann dieser Werkstoff auch drucklos gesintert werden oder durch Gasdrucksintern mit Drücken ≤ 100 bar, entsprechend 10 MPa.

Feingemahlen und vermischt werden die Komponenten vorzugsweise in einer Attritormühle mit Kugeln aus Zirkonoxid.

Als organisches Medium wird ein Lösungsmittel aus der Gruppe der niederen Alkohole, der niederen Ketone, der Kohlenwasserstoffe mit bis zu acht C-Atomen, der Benzine oder deren Mischungen ausgewählt, vorzugsweise wird Isopropanol eingesetzt.

Heißgepresst wird vorzugsweise in einem 1-stündigen Zyklus bei Drücken unterhalb 35 MPa und Temperaturen zwischen 1450°C und 1650°C.

Nach dem Heißpressen wird der Pressling der Form entnommen und in an sich bekannter Weise durch Schleifen oder Läppen bzw. Polieren endgeformt.

Die erfindungsgemäßen Werkstoffe sind besonders zur Zerspanung gehärteter Stahlteile geeignet, die Schnittunterbrechungen wie beispielsweise Nuten oder Verzahnungen aufweisen.

Die nachfolgenden Beispiele sollen die Erfindung erläutern, ohne sie einzuschränken.

Beispiel 1 bis 8:
Ti(C,N)-Pulver (> 10 m²/g), WC-Pulver (> 10 m²/g), Al₂O₃-Pulver (> 8 m²/g) und ZrO₂-Pulver (> 9 m²/g) werden zusammen mit dem Sinterhilfsmittel Ceroxid in den in der Tabelle 1 angegebenen Gewichtsteilen in einer Rührwerkskugelmühle (Attritor) unter organischem Medium 30 Minuten gemahlen und gleichzeitig homogen untereinander gemischt. Das organische Medium wird aus der Mischung abgedampft und das übrige Pulvergemisch durch ein 250 μm-Sieb abgesiebt. Für die Beispiele 2 und 3, mit „hp" für Heißpressen bezeichnet, wird das gesiebte Pulver in einer Graphitform in einem 1-stündigen Zyklus nach vorgegebenem Druck und Temperaturverlauf heißgepresst. Der Druckbereich liegt unterhalb 35 MPa und der Temperaturbereich zwischen 1450°C und 1650°C. Die Proben 1 bis 6, die mit „gds" bezeichnet sind, wurden mittels Gasdrucksintern hergestellt.
Der Temperatur- und Druckverlauf der Sinterverfahren ist in 3 als Diagramm dargestellt und in Tabelle 2 gegenübergestellt, wobei „T-HP" den Temperaturverlauf und „p-HP" den Druckverlauf beim Heißpressen sowie „T-gds" den Temperaturverlauf und „p-gds" den Druckverlauf beim Gasdrucksintern bezeichnen.
Die Presslinge werden nach dem Erkalten der Form entnommen und mit Diamantschleifscheiben zur weiteren Formgebung zu Schneidplättchen verarbeitet. Mit diesen Schneidplättchen werden im Vergleich zu kommerziell verfügbaren Plättchen die in der Tabelle aufgeführten Ergebnisse erzielt. In dieser Tabelle steht GG25 für einen Grauguß, wie er üblicherweise für Bremstrommeln verwendet wird, 100CrMo6 für einen Kugellagerstahl und 20CrMo5 für einen auf HRC60 gehärteten Stahl. Die Welle aus letztgenanntem Stahl weist eine Längsnut auf, so dass es sich hier beim Zerspanen um einen unterbrochenen Schnitt handelt. Die Messgröße bei diesem Test mit vc = 140m/min (Schnittgeschwindikeit), f = 0,12 mm/U (Vorschub), ap = 0,20 mm (Schnitttiefe), ist die Anzahl n der Schnittunterbrechungen, die der Anzahl der Umdrehungen entspricht, bis erste Ausbrüche an der Schneide auftreten. Im GG25 wurde ein glatter Schnitt durchgeführt mit vc = 1000 m/min; f = 0,25 mm/u und ap = 0,5 mm. Die Messgröße dabei ist der Verschleiß VBR in mm nach 10 Minuten. Im 100CrMo6 wurde ebenfalls ein glatter Schnitt durchgeführt mit vc = 140 m/min, f = 0,12 mm/U und ap = 0,2 mm. Die Messgröße ist die Schnittlänge in m, bis die Verschleißmarkenbreite VB größer als 0,2 mm wird.

Claims

Mischkeramik auf Al₂O₃-Basis mit Hartstoffen aus Metallcarbiden oder Metallcarbonitriden, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischkeramik 20 bis 50 Gew.-% Hartstoffe und 0,01 bis 5 Gew.-% ZrO₂ enthält, wobei sich die Hartstoffe zusammensetzen aus Metallcarbiden oder Metallcarbonitriden und der Formel M¹M²(C,N) entsprechen, in der M¹ für Titan und M² für Wolfram steht, die Al₂O₃-Partikel eine mittlere Korngröße von 0,5 μm und die Hartstoff-Partikel eine mittlere Korngröße von 0,4 μm nicht überschreiten, dass das Sinterhilfsmittel Ceroxid ist, dessen Anteil 0,05 bis 1 Gew.-% beträgt, und dass die Al₂O₃-Basis einen üblichen Anteil von maximal 0,5 Gew.-% anderer Sinterhilfsmittel enthalten kann.
Mischkeramik gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gesinterte Werkstoff plättchenförmige Bereiche, so genannte Domänen, aus kristallisiertem CeAl₁₁O₁₈ enthält.
Mischkeramik gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das eingesetzte Titancarbonitrid der Formel Ti(C_xN_y), mit 95/5 ≤ x/y ≤ 30/70, entspricht.
Mischkeramik gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Al₂O₃-Partikel eine mittlere Korngröße von 0,1 bis 0,4 μm, vorzugsweise eine mittlere Korngröße von 0,2 μm, und die Hartstoff-Partikel eine mittlere Korngröße von 0,2 bis 0,4 μm aufweisen.
Mischkeramik gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffe aus globularen Körnern mit einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser von < 2 enthalten sind.
Verfahren zur Herstellung einer Mischkeramik auf Basis von Al₂O₃ mit Hartstoffen aus Metallcarbiden oder Metallcarbonitriden, dadurch gekennzeichnet, dass a) 20 bis 50 Gew.-% einer Mischung aus Titancarbid oder Titancarbonitrid, mit einer spezifischen Oberfläche von > 10 m²/g und 0,01 bis 10 Gew.-%, bezogen auf die Titankomponente, Wolframcarbid einer mittleren Partikelgröße von < 0,4 μm mit 50 bis 80 Gew.-% feinkörnigem Al₂O₃-Pulver, gegebenenfalls unter Zusatz von bis zu 5 Gew.-% Zirkonoxid und/oder mit bis zu 1 Gew.-% Ceroxid als Sinterhilfsmittel unter organischem Medium oder Wasser in einer Attritorkugelmühle feingemahlen, vermischt und mit einem temporären organischen Binder versetzt, b) die Mahlflüssigkeit beseitigt, c) das trockene Pulvergemisch durch ein 250 μm Sieb gesiebt und d) das gesiebte Pulvergemisch in einer Form drucklos oder nach vorgegebenem Druck- und Temperaturverlauf uniaxial, isostatisch heißgepreßt oder mittels Gasdruck gesintert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Feinmahlen und Vermischen unter Punkt a) bzw. c) in einer Attritormühle mit Kugeln aus Zirkondioxid durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass als organisches Medium mindestens ein Lösungsmittel aus der Gruppe niedere Alkohole, niedere Ketone, Kohlenwasserstoffe mit bis zu acht C-Atomen oder Benzine ausgewählt ist, vorzugsweise dass es Isopropanol ist.
Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Heißpressen in einem 1-stündigen Zyklus bei Drücken unterhalb 35 MPa und Temperaturen zwischen 1450°C und 1650°C durchgeführt wird.
Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Heißpressen der Pressling der Form entnommen und in an sich bekannter Weise endgeformt wird.
Verwendung der Mischkeramik gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 als Schneidstoff zur Zerspanung gehärteter Stahlteile.
Verwendung der Mischkeramik gemäß Anspruch 11 als Schneidstoff zur Zerspanung gehärteter Stahlteile mit Schnittunterbrechung.