DE102017110163A1

DE102017110163A1 - Gesinterte keramikkörper und deren anwendungen

Info

Publication number: DE102017110163A1
Application number: DE102017110163.2A
Authority: DE
Inventors: Jason Goldsmith; Sheng Chao
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2016-05-23
Filing date: 2017-05-11
Publication date: 2017-11-23
Also published as: GB2579157A; US10730801B2; US20190106361A1; US9845268B2; US10173930B2; US20170334788A1; CA2965651A1; US20170334789A1; CA2965651C; GB2579157B; GB2553394A; GB201708150D0; CN107417279A; GB2553394B; GB202002268D0

Abstract

In einem Aspekt werden hierin gesinterte Keramikkörper beschrieben, die in einigen Ausführungsformen verbesserten Widerstand gegen Abnutzung und verbesserte Zerspanungslebensdauern aufweisen. Beispielsweise umfasst ein gesinterter Keramikkörper Wolframcarbid (WC) in einer Menge von 40–95 Gew.-%, Aluminiumoxid in einer Menge von 5–30 Gew.-% und Diwolframcarbid (W2C) in einer Menge von mindestens 1 Gew.-%.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf gesinterte Keramikkörper und insbesondere auf gesinterte Keramikkörper mit Zusammensetzungen und Eigenschaften, die für Metallzerspanungsanwendungen geeignet sind.
HINTERGRUND
Hartmetalle werden häufig als Zerspanungswerkzeugkörper zum maschinellen Bearbeiten verschiedener Metalle und Legierungen verwendet. Hartmetalle sind attraktive Materialien für Metallzerspanungsanwendungen, da Hartmetalleigenschaften an bestimmte Anforderungen der Zerspanungsumgebung angepasst werden können. Beispielsweise eignen sich Hartmetalle mit kleiner Korngröße und niedrigem Bindemittelgehalt für Anwendungen, bei denen hohe Härte und Abriebbeständigkeit erforderlich sind. Alternativ dazu weisen Hartmetalle mit einem hohen Bindemittelgehalt wünschenswerte Thermoschockbeständigkeit auf und werden im Allgemeinen bei unterbrochenen Zerspanungsanwendungen verwendet.
Jedoch eignen sich Hartmetalle nicht für alle Metallbearbeitungsanwendungen. In einigen Anwendungen können die Hartmetalle mit dem maschinell bearbeiteten Metall oder der maschinell bearbeiteten Legierung chemisch reagieren. Darüber hinaus können Hartmetalle für Anwendungen ungeeignet sein, die aufgrund hoher Vorschubgeschwindigkeiten und größerer Schneidtiefen hohe Warmhärte und überdurchschnittliche Wärmeabführung erfordern. Bei diesen Anwendungen werden gesinterte Keramikzusammensetzungen als Zerspanungswerkzeugkörper verwendet. Gesinterte Keramikkörper können chemische Trägheit, hohe Abriebbeständigkeit, hohe Warmhärte und überdurchschnittliche thermale Eigenschaften bei der Wärmeabfuhr aufweisen. Derzeit verwendete gesinterte Keramikkörper basieren weitgehend auf Aluminiumoxid (Al₂O₃) und/oder Siliciumnitrid (Si₃N₄). Solche Materialien stellen gegenüber den Hartmetallen verbesserte Eigenschaften bei hohen Temperaturen bereit und ermöglichen somit eine verringerte Betriebsdauer bis zu einem fertiggestellten Teil. Dennoch sind Verbesserungen bei gesinterten Keramiksubstraten notwendig, um die sich weiterentwickelnden Anforderungen bei Metallbearbeitungsanwendungen zu erfüllen, und es ist eine sorgfältige Abwägung zwischen konkurrierenden Eigenschaften erforderlich, wenn bei Bemühungen, Zerspanungswerkzeuge mit verbesserter Leistung bereitzustellen, Veränderungen in der Zusammensetzung von gesinterten Keramikkörpern vorgenommen werden.
ZUSAMMENFASSUNG
In einem Aspekt werden hierin gesinterte Keramikkörper beschrieben, die verbesserten Widerstand gegen Abnutzung und verbesserte Zerspanungslebensdauern aufweisen. Beispielsweise umfasst ein gesinterter Keramikkörper in einigen Ausführungsformen Wolframcarbid (WC) in einer Menge von 40–95 Gew.-%, Aluminiumoxid in einer Menge von 5–30 Gew.-% und Diwolframcarbid (W₂C) in einer Menge von mindestens 1 Gew.-%. In einigen Ausführungsformen liegt W₂C in einer Menge von mindestens 1–25 Gew.-% vor.
Alternativ dazu umfasst ein gesinterter Keramikkörper WC in einer Menge von 40–95 Gew.-%, Aluminiumoxid in einer Menge von 1–50 Gew.-% und eine oder mehrere Verbindungen, die Titan und Molybdän (Ti-Mo) umfassen. Eine (Ti-Mo) enthaltende Verbindung(en) liegt/liegen in einigen Ausführungsformen im gesinterten Keramikkörper in einer Gesamtmenge von 0,1 bis 20 Gew.-% vor. In einigen Ausführungsformen liegt W₂C auch in einer Menge von mindestens 0,1 Gew.-% vor.
In weiteren Ausführungsformen umfasst ein gesinterter Keramikkörper WC in einer Menge von 40–95 Gew.-% und Aluminiumoxynitrid (AlON).
Wie hierin weiter beschrieben, können die gesinterten Keramikkörper bei Metallzerspanungsanwendungen verwendet werden. Dementsprechend können die gesinterten Keramikkörper die Form eines Metallzerspanungswerkzeugs aufweisen. Beispielsweise kann ein gesinterter Keramikkörper der hierin beschriebenen Zusammensetzung eine Spanfläche und eine die Spanfläche schneidende Freifläche aufweisen, um eine Schneide zu bilden.
Diese und andere Ausführungsformen sind in der folgenden detaillierten Beschreibung ausführlicher beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Röntgendiffraktogramm (XRD) eines gesinterten Keramikkörpers, der WC und AlON umfasst, gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform.
2 ist ein XRD eines gesinterten Keramikkörpers gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform.
3 ist ein XRD eines gesinterten Keramikkörpers gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform.
4 veranschaulicht Metallzerspanungsergebnisse von hierin beschriebenen gesinterten Keramikkörpern im Verhältnis zu vergleichbaren gesinterten Keramikkörpern.
5 veranschaulicht Metallzerspanungsergebnisse von hierin beschriebenen gesinterten Keramikkörpern im Verhältnis zu vergleichbaren gesinterten Keramikkörpern.
6 ist ein XRD eines gesinterten Keramikkörpers gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform.
7 veranschaulicht Metallzerspanungsergebnisse eines hierin beschriebenen gesinterten Keramikkörpers im Verhältnis zu einem vergleichbaren gesinterten Keramikkörper.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Hierin beschriebene Ausführungsformen werden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung und der Beispiele und deren vorherigen und folgenden Beschreibungen leichter verständlich. Hierin beschriebene Elemente, Vorrichtungen und Verfahren sind jedoch nicht auf die speziellen Ausführungsformen beschränkt, die in der ausführlichen Beschreibung und in den Beispielen vorgestellt werden. Es sollte klar sein, dass diese Ausführungsformen lediglich die Prinzipien der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Zahlreiche Modifikationen und Anpassungen sind Fachleuten ohne Weiteres offensichtlich, ohne vom Grundgedanken und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
I. WC-W₂C-Al₂O₃ Gesinterte Keramikkörper
Hierin werden gesinterte Keramikkörper mit wünschenswerten Eigenschaften für Metallzerspanungsanwendungen beschrieben. In einem Aspekt umfasst ein gesinterter Keramikkörper WC in einer Menge von 40–95 Gew.-%, Aluminiumoxid in einer Menge von 5–30 Gew.-% und W₂C in einer Menge von mindestens 1 Gew.-%. In einigen Ausführungsformen liegt W₂C in dem gesinterten Keramikkörper in einer Menge vor, die aus Tabelle I ausgewählt ist. Tabelle I – W₂C-Gehalt (Gew.-%)

1–25

1,5–25

2–25

5–20

10–20

12–18

3–15
Darüber hinaus kann Aluminiumoxid in dem gesinterten Keramikkörper in einer Menge vorliegen, die aus Tabelle II ausgewählt ist. Tabelle II – Al₂O₃-Gehalt

10–25

15–30

20–30

10–20

5–15
Bei dem Aluminiumoxid des gesinterten Keramikkörpers handelt es sich in einigen Ausführungsformen ausschließlich um α-Aluminiumoxid. Alternativ dazu kann das Aluminiumoxid des gesinterten Keramikkörpers eine Mischung aus Polymorphen enthalten, wie etwa α + κ. Die kristalline Phase oder Struktur von Aluminiumoxid kann mittels analytischen Röntgendiffraktionsverfahren (XRD) bestimmt werden.
In einigen Ausführungsformen kann der gesinterte Keramikkörper ferner einen Oxidbestandteil umfassen, der eines oder mehrere Seltenerdmetalle enthält. Beispielsweise kann der Oxidbestandteil eines oder mehrere Seltenerdmetalle enthalten, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Ytterbium, Lanthan, Samarium, Dysprosium und Erbium. Bei der Herstellung des gesinterten Keramikkörpers kann der Oxidbestandteil als Seltenerdoxidpulver bereitgestellt werden, wie etwa Yb₂O₃, La₂O₃, Dy₂O₃, Sm₂O₃, Er₂O₃ oder Mischungen davon. Wenn der Oxidbestandteil mit den anderen den Körper bildenden Pulverbestandteilen (z. B. WC, W₂C und Al₂O₃) gesintert wird, kann er Mischoxide bilden. In einigen Ausführungsformen werden beim Sinterungsvorgang beispielsweise Mischoxide, die ein oder mehrere Seltenerdmetalle und Aluminium enthalten, gebildet. Solche Mischoxide können die der Formel RE₃Al₁₅0₁₂ enthalten, wobei RE für ein oder mehrere Seltenerdmetalle steht. Es können auch Mischoxide anderer Formeln gebildet werden. In einigen Ausführungsformen kann der Oxidbestandteil auch Oxide wie etwa Y₂O₃ und/oder MgO enthalten.
Der ein oder mehrere Seltenerdmetalle enthaltende Oxidbestandteil kann in der gesinterten Keramikzusammensetzung im Allgemeinen in einer Menge im Bereich von 0,1–20 Gew.-% vorliegen. In einigen Ausführungsformen liegt der Oxidbestandteil in einer Menge von 1–15 Gew.-% vor. Darüber hinaus liegen ein oder mehrere Seltenerdmetalle in dem gesinterten Keramikkörper in einer Gesamtmenge von 0,05–3 Gew.-% vor. Eine Elementaranalyse des gesinterten Keramikkörpers kann gemäß mehreren gut bekannten Techniken, einschließlich Röntgenfluoreszenz (XRF) oder Elektronenspektroskopie, erfolgen.
Der gesinterte Keramikkörper kann auch Zirkoniumdioxid umfassen. In einigen Ausführungsformen enthält Zirkoniumdioxid einen Stabilisator, wie Yttriumoxid, Ceroxid, Magnesiumoxid und/oder Calciumoxid. In solchen Ausführungsformen kann das Zirkoniumdioxid eine tetragonale kristalline Struktur oder eine Mischung aus tetragonalen und monoklinen kristallinen Strukturen aufweisen. Wie beim Aluminiumoxid kann die kristalline Struktur des Zirkoniumdioxids anhand von XRD-Techniken verdeutlicht werden. Zirkoniumdioxid kann im gesinterten Keramikkörper im Allgemeinen in einer Menge von 0,1–10 Gew.-% vorliegen. In einigen Ausführungsformen liegt Zirkoniumdioxid in einer Menge von 0,1–5 Gew.-% vor. Darüber hinaus kann Zirkonium (Zr) in der gesinterten Keramikzusammensetzung in einer Menge von 0,05–5 Gew.-% vorliegen.
Wie hierin ferner beschrieben, kann der gesinterte Keramikkörper auch eine oder mehrere Ti-Verbindungen, Mo-Verbindungen oder (Ti-Mo)-Verbindungen oder Mischungen davon umfassen. Bei solchen Verbindungen kann es sich um Carbide, Nitride, Carbonitride, Oxycarbonitride oder Oxide oder Mischungen davon handeln. Ti-Verbindungen, Mo-Verbindungen und/oder (Ti-Mo)-Verbindungen liegen in dem gesinterten Keramikkörper im Allgemeinen in einer Gesamtmenge von 0,1–20 Gew.-% vor. Beim Herstellen eines gesinterten Keramikkörpers können verschiedene Ti enthaltende und/oder Mo enthaltende Pulver vor dem Sintern in den Körper eingearbeitet werden. Geeignete Pulver sind unter anderem TiC, TiN, TiCN, MoC, MoO₃ und Mo-Metall. In einigen Ausführungsformen liegt Mo im gesinterten Keramikkörper in einer Menge von 0,05–5 Gew.-% vor. Wie bei anderen Elementen im gesinterten Keramikkörper, kann der Mo-Gehalt anhand von XRF- oder Elektronenspektroskopietechniken bestimmt werden.
In einigen Ausführungsformen kann der gesinterte Keramikkörper auch einen Zusatzelement enthalten. Das Zusatzelement kann ein oder mehrere Metallcarbide der Gruppe VB wie Vanadiumcarbid (VC), Tantalcarbid (TaC), Niobcarbid (NbC) und/oder NbZrC beinhalten. Das Zusatzelement umfasst in einigen Ausführungsformen zusätzlich zu Metallcarbiden der Gruppe VB oder getrennt davon Chromcarbid. Das im gesinterten Keramikkörper enthaltene Chromcarbid kann die Formel Cr₂C₃ oder andere Formeln aufweisen. Das Zusatzelement liegt in einigen Ausführungsformen im gesinterten Keramikkörper in einer Menge von 0,1–15 Gew.-% vor. Individuelle Arten des Zusatzelements können in Mengen vorliegen, die aus Tabelle III ausgewählt sind. Tabelle III – Arten des Zusatzelements (Gew.-%)

Art Menge

VC 0,05–1

Cr₂C₃ 0,05–1

TaC 0,05–5

NbC 0,5–5

ZrNbC 0,5–5
Der gesinterte Keramikkörper kann auch AlON beinhalten. In einigen Ausführungsformen liegt AlON in einer Menge von 0,1–20 Gew.-% vor. In Ausführungsformen, in denen AlON vorliegt, kann Aluminiumnitrid (AlN) während der Bildung des Grünlings zu der Pulvermischung zugegeben werden. Während des Sinterns der Pulvermischung wird AlN teilweise oder vollständig zu AlON umgewandelt. Das Sintern kann in einer Stickstoffatmosphäre erfolgen, um die Bildung der AlON-Phase zu erleichtern. Wenn das AlON teilweise umgewandelt wird, kann AlN ein Bestandteil des gesinterten Keramikkörpers bleiben. In einigen Ausführungsformen liegt AlN im gesinterten Keramikkörper beispielsweise in einer Menge von 0,05–5 Gew.-% vor. Alternativ dazu kann das AlON-Pulver während der Bildung des Grünlings in der gewünschten Menge zu der Pulvermischung zugegeben werden.

Wie hierin dargelegt, können gesinterte Keramikkörper mehrere Bestandteile umfassen. Tabelle IV fasst für gesinterte Keramikkörper erforderliche und optionale Bestandteile zusammen, die in diesem Abschnitt I behandelt werden. Spezifische Mengen an erforderlichen und optionalen Bestandteilen sind vorstehend angegeben. Tabelle IV – Erforderliche und optionale Bestandteile

Erforderlich	Optional
WC	Oxidbestandteil, der Seltenerdmetall(e) enthält
W₂C	Zirkoniumdioxid
Al₂O₃	Ti-Verbindungen, Mo-Verbindungen und/oder (Ti-Mo)-Verbindungen
	Zusatzelement – Carbid(e) der Gruppe VB, Chromcarbid
	AlON

In den folgenden Abschnitten werden hierin gesinterte Keramikkörper mit unterschiedlichen erforderlichen und optionalen Bestandteilen beschrieben.
II. WC-Al₂O₃-(Ti-Mo)-Verbindung(en) in gesinterten Keramikkörpern
In einem weiteren Aspekt werden hierin gesinterte Keramikkörper beschrieben, die WC, Aluminiumoxid und eine oder mehrere Verbindungen, die Ti und Mo (Ti-Mo) enthalten, umfassen. In einigen Ausführungsformen umfasst ein gesinterter Keramikkörper 40–95 Gew.-% WC, 1–50 Gew.-% Aluminiumoxid und (Ti-Mo) enthaltende Verbindung(en) in einer Gesamtmenge von 0,1–20 Gew.-%. Der Aluminiumoxidgehalt des gesinterten Keramikkörpers kann auch aus der hierin aufgeführten Tabelle II ausgewählt werden. Wie in Abschnitt I beschrieben, können verschiedene Ti enthaltende und/oder Mo enthaltende Pulver während der Bildung des Grünlings in den Körper eingearbeitet werden. Geeignete Pulver sind unter anderem TiC, TiN, TiCN, MoC, MoO₃ und Mo-Metall. Beim Sintern können (Ti-Mo) enthaltende Carbide, Nitride, Carbonitride, Oxycarbonitride und/oder Oxide gebildet werden. Die spezifische Zusammensetzung der einzelnen Elemente von (Ti-Mo)-Verbindung(en) im gesinterten Körper hängt von den im Grünling verwendeten Pulvern ab. In einigen Ausführungsformen können beispielsweise TiC, TiN und/oder TiCn im Grünkörper in Mengen bereitgestellt werden, die im Allgemeinen im Bereich zwischen 0,5–5 Gew.-% liegen, und Mo, MoC und/oder MoO₃ können im Grünkörper in Mengen von 0,5–20 Gew.-% bereitgestellt werden. In einigen Ausführungsformen liegt Mo im gesinterten Keramikkörper in einer Menge von 0,05–5 Gew.-% vor.

Der gesinterte Keramikkörper kann zusätzlich zu der/den WC, Aluminiumoxid und Ti-Mo enthaltenden Verbindung(en) auch W₂C enthalten. In einigen Ausführungsformen liegt W₂C im gesinterten Keramikkörper in einer Menge von mindestens 0,1 Gew.-% oder in einer aus der hierin dargelegten Tabelle I ausgewählten Menge vor. Zusätzliche optionale Bestandteile des gesinterten Keramikkörpers beinhalten Zirkoniumdioxid, wie YSZ, AlON, einen Oxidbestandteil, der eines oder mehrere Seltenerdmetalle enthält, und/oder ein Zusatzelement, das eines oder mehrere Metallcarbide der Gruppe VB und/oder Chromcarbid enthält. Spezifische Mengen dieser optionalen Bestandteile im gesinterten Keramikkörper sind in Abschnitt I hierin beschrieben. Tabelle V fasst die für gesinterte Keramikkörper erforderlichen und optionalen Bestandteile zusammen, die in diesem Abschnitt II behandelt werden. Tabelle V – Erforderliche und optionale Bestandteile

Erforderlich	Optional
WC	Oxidbestandteil, der Seltenerdmetall(e) enthält
Al₂O₃	Zirkoniumdioxid
	W₂C
(Ti-Mo) enthaltende Verbindung(en)	AlON
	Zusatzelement – Carbid(e) der Gruppe VB, Chromcarbid

III. WC-AlON in gesinterten Keramikkörpern
In einem weiteren Aspekt werden hierin gesinterte Keramikkörper beschrieben, die WC in einer Menge von 40–99,9 Gew.-% und AlON umfassen. In einigen Ausführungsformen liegt AlON im gesinterten Keramikkörper in einer Menge von 0,1 bis 50 Gew.-% vor. Der AlON-Gehalt des gesinterten Keramikkörpers kann auch aus Tabelle VI ausgewählt werden. Tabelle VI – AlON-Gehalt (Gew.-%)

0,5–25

1–15

2–10

10–25

1–40

1–30
Wie hierin beschrieben, kann AlN während der Bildung des Grünlings zu der Pulvermischung zugegeben werden. Während des Sinterns der Pulvermischung wird AlN teilweise oder vollständig zu AlON umgewandelt. Das Sintern kann in einer Stickstoffatmosphäre erfolgen, um die Bildung der AlON-Phase zu erleichtern. Darüber hinaus kann von einem oder mehreren Bestandteilen der Pulvermischung Sauerstoff bereitgestellt werden. Beispielsweise kann Sauerstoff von Aluminiumoxid und/oder anderen Oxiden in der
Pulvermischung stammen. Wenn das AlON teilweise umgewandelt wird, kann AlN ein Bestandteil des gesinterten Keramikkörpers bleiben. In einigen Ausführungsformen liegt AlN im gesinterten Keramikkörper in einer Menge von 0,05–5 Gew.-% vor. Alternativ dazu kann das AlON-Pulver während der Bildung des Grünlings in der gewünschten Menge zu der Pulvermischung zugegeben werden.

Der gesinterte Keramikkörper kann zusätzlich zu WC und AlON auch W₂C enthalten. In einigen Ausführungsformen liegt W₂C im gesinterten Keramikkörper in einer Menge von mindestens 0,1 Gew.-% oder in einer aus der hierin dargelegten Tabelle I ausgewählten Menge vor. Zusätzliche optionale Bestandteile des gesinterten Keramikkörpers enthalten Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid, wie YSZ, (Ti-Mo) enthaltende Verbindungen, einen Oxidbestandteil, der eines oder mehrere Seltenerdmetalle enthält, und/oder ein Zusatzelement, das eines oder mehrere Metallcarbide der Gruppe VB und/oder Chromcarbid enthält. Spezifische Mengen dieser optionalen Bestandteile im gesinterten Keramikkörper sind in Abschnitt I hierin beschrieben. Tabelle VII fasst die für gesinterte Keramikkörper erforderlichen und optionalen Bestandteile zusammen, die in diesem Abschnitt III behandelt werden. Tabelle VII – Erforderliche und optionale Bestandteile

Erforderlich	Optional
WC	Oxidbestandteil, der Seltenerdmetall(e) enthält
AlON	Zirkoniumdioxid
	Aluminiumoxid
	Zusatzelement – Carbid(e) der Gruppe VB, Chromcarbid
	W₂C
	Ti enthaltende Verbindungen Mo enthaltende Verbindungen (Ti-Mo) enthaltende Verbindungen
	AlN

1 ist ein XRD eines gesinterten Keramikkörpers, der WC und AlON umfasst, gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform.
Gesinterte Keramikkörper, die in den Abschnitten I–III hierin beschrieben sind, können wünschenswerte Eigenschaften für Metallzerspanungsanwendungen aufweisen, einschließlich hoher Härte, eines hohen Elastizitätsmoduls und geeigneter Bruchfestigkeit. In einigen Ausführungsformen können gesinterte Keramikkörper beispielsweise eine Härte von mindestens 18 GPa aufweisen. Gesinterte Keramikkörper können auch eine Härte im Bereich von 18–25 GPa oder 19–23 GPa aufweisen.
Hierin aufgeführte Härtewerte wurden anhand von Vickers-Eindrucktests bestimmt, die mit einem Vickershärte-Testgerät von Armstrong mit einer Last von 181 N (18,5 kg) gemäß ASTM C1327-15 durchgeführt wurden. Darüber hinaus können gesinterte Keramikkörper einer hierin beschriebenen Zusammensetzung einen Elastizitätsmodul (E) von 430–500 GPa aufweisen. In einigen Ausführungsformen weisen die gesinterten Keramikkörper einen Elastizitätsmodul von 450–500 GPa auf.
Zusätzlich zu Härte und Elastizitätsmodul können die in den Abschnitten I–III beschriebenen gesinterten Keramikkörper eine Bruchfestigkeit (K_1c) von mindestens 4,0 MPam^0,5 aufweisen. In einigen Ausführungsformen weisen die gesinterten Keramikkörper einen K_1c von 4–6 MPam^0,5 auf. Die Bruchfestigkeit der gesinterten Keramikkörper wird unter Verwendung des direkten Eindruck-Riss-Verfahrens bestimmt und mittels der Anstis-Gleichung berechnet [Siehe G. R. Anstis, P. Chantikul, B. R. Lawn, D. B. Marshall, A Critical Evaluation of Indentation Techniques for Measuring Fracture Toughness: I, Direct Crack Measurements, Journal of the American Chemical Society, Band 64, Nr. 9, S. 533–538 (1981)].
Die gesinterten Keramikkörper können eine durchschnittliche Feinkorngröße aufweisen, die im Allgemeinen im Bereich von 0,5 µm bis 5 µm liegt. In einigen Ausführungsformen weisen die gesinterten Keramikkörper eine durchschnittliche Korngröße von 0,5 µm bis 1,5 µm auf. Darüber hinaus können die gesinterten Keramikkörper vollständig dicht oder im Wesentlichen vollständig dicht sein.
Die hierin beschriebenen gesinterten Keramikkörper können im Allgemeinen hergestellt werden, indem man die Bestandteilpulver in der gewünschten Menge abwiegt und die Pulver mittels Zermahlen intensiv vermischt. Die intensiv gemischte Pulverzusammensetzung wird zum Heißpresssintern in eine Form gegeben. Die Form kann jede gewünschte Gestalt aufweisen. Da hierin beschriebene gesinterte Keramikkörper für Metallzerspanungsanwendungen geeignet sind, kann die Form eines Zerspanungswerkzeugs aufweisen, wie beispielsweise eines Schneideinsatzes. Die hierin beschriebenen gesinterten Keramikkörper können jegliche Schneideinsatzgeometrie gemäß ANSI oder ISO aufweisen. In zusätzlichen Ausführungsformen kann es sich bei den gesinterten Keramikkörpern auch um Zerspanungswerkzeuge wie Schaftfräser oder Bohrer handeln.
Heißpresssintern wird im Allgemeinen über einen Zeitraum von 45–120 Minuten bei einer Temperatur von 1600 °C–1800 °C und einem Druck von 20–50 MPa ausgeführt. Bei der Sinteratmosphäre kann es sich um Argon und/oder ein anderes inertes Gas handeln. Alternativ dazu kann Stickstoff in der Sinteratmosphäre enthalten sein, um die hierin beschriebene Bildung von AlON zu erleichtern. Die heißgepressten Keramiken können gegebenenfalls ferner in einem Temperaturbereich von 1600 °C–1800 °C und bei einem Druck von 100–300 MPa heißisostatisch gepresst werden, um verbleibende Porosität zu eliminieren oder zu verringern.
Diese und weitere Ausführungsformen werden in den nachfolgenden, nicht einschränkenden Beispielen weiter veranschaulicht.
Beispiel 1 – Gesinterte Keramikkörper
Die gesinterten Keramikkörper 1 und 2 der hierin beschriebenen Zusammensetzung wurden durch Abwiegen der Bestandteilpulver in der gewünschten Menge und intensives Vermischen der Pulver mittels Zermahlen hergestellt. Die intensiv gemischten Pulverzusammensetzungen wurden jeweils in eine Form gegeben und zu Schneideinsätzen mit einer ANSI-Geometrie RNG45E mit einem Honeradius im Bereich von 60–100 µm heißpressgesintert. Das Heißpresssintern erfolgte in einer Argonatmosphäre über einen Zeitraum von 60 Minuten bei 1750 °C und einem Druck von 25 MPa mit weiterem heißisostatischem Pressen bei 1700 °C und einem Druck von 200 MPa. Die Zusammensetzungsparameter der gesinterten Keramikkörper 1 und 2 sind in Tabelle VIII angegeben. Röntgendiffraktogramme der Proben 1 und 2 sind in 2 bzw. 3 angegeben. Tabelle VIII – Zusammensetzungsparameter der gesinterten Keramikkörper (Gew.-%)

Muster WC W₂C Al₂O₃ AlON AlN Zirkoniumdioxid* Yb₃Al₁₅O₁₂ TiCN + Mo

1 70 - 25 - - 4,2 - 0,6

2 56 14 24 - - 3 3 -

* mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ)

Die Zusammensetzung der Elemente der Proben 1 und 2 sind in Tabelle IX angegeben. Die Elementaranalyse wurde mittels Röntgenfluoreszenzanalyse mit einem Rest Kohlenstoff und Sauerstoff durchgeführt. Tabelle IX – Zusammensetzung der Elemente (Gew.-%)

Element	Probe 1	Probe 2
Aluminium	22,52	22,19
Titan	0,27	0,021
Vanadium	0,21	0,15
Chrom	0,25	0,017
Yttrium	0,16	0,09
Zirkonium	2,16	1,43
Molybdän	0,14	4,54
Wolfram	57,82	54,03
Kobalt	-	0,049
Ytterbium	-	1,71

Probe 1 und Probe 2 wurden Metallzerspanungstests unter den folgenden Bedingungen unterzogen:
Werkstück – ME16
Zerspanungsgeschwindigkeit – 3,6 mps (700 sfm)
Vorschub – 0,018 cmpr (0,007 ipr)
Zerspanungstiefe – 1,8 Millimeter (0,070 Zoll)
Vergleichsgütegrade von gesinterter Keramik KYS30 und KY4300, im Handel erhältlich von Kennametal Inc., wurden ebenfalls Metallzerspanungstests unterzogen. Die Ergebnisse der Metallzerspanungstests sind in 4 angegeben. Wie in 4 veranschaulicht, wiesen die gesinterten Keramikkörper der Probe 1 und Probe 2 mit den hierin beschriebenen Zusammensetzungen und Eigenschaften eine erhebliche Zunahme der Zerspanungslebensdauer im Vergleich zu den Gütegraden KYS30 und KY4300 vom Stand der Technik auf.
Beispiel 2 – Metallzerspanungstests
Schneideinsätze mit einer Zusammensetzung und Geometrie der Proben 1 und 2 wurden gemäß Beispiel 1 hergestellt. Probe 1 und Probe 2 wurden Metallzerspanungstests unter den folgenden Bedingungen unterzogen:
Werkstück – ME16
Zerspanungsgeschwindigkeit – 3,1 mps (600 sfm)
Vorschub – 0,025 cmpr (0,010 ipr)
Zerspanungstiefe – 1,8 Millimeter (0,070 Zoll)
Ein Vergleichsgütegrad von gesinterter Keramik KY4300, im Handel erhältlich von Kennametal Inc., wurde ebenfalls Metallzerspanungstests unterzogen. Die Ergebnisse der Metallzerspanungstests sind in 5 angegeben. Wie in 5 veranschaulicht, zeigten die Proben 1 und 2 eine erhebliche Zunahme der Zerspanungslebensdauer im Vergleich zu KY4300.
Beispiel 3 – Gesinterter Keramikkörper
Der gesinterte Keramikkörper 3 der hierin beschriebenen Zusammensetzung wurde durch Abwiegen der Bestandteilpulver in der gewünschten Menge und intensives Vermischen der Pulver mittels Zermahlen hergestellt. Die intensiv gemischte Pulverzusammensetzung wurde in eine Form gegeben und zu Schneideinsätzen mit einer ANSI-Geometrie RNG45E mit einem Honeradiusradius im Bereich von 60–100 µm heißpressgesintert. Das Heißpresssintern erfolgte in einer Argonatmosphäre über einen Zeitraum von 60 Minuten bei 1750 °C und einem Druck von 25 MPa mit weiterem heißisostatischem Pressen bei 1700 °C und einem Druck von 200 MPa. Die Zusammensetzungsparameter des gesinterten Keramikkörpers 3 sind in Tabelle X angegeben. Ein XRD von Probe 3 ist in 6 angegeben. Tabelle X – Zusammensetzungsparameter des gesinterten Keramikkörpers (Gew.-%)

Muster WC W₂C Al₂O₃ AlON AlN Zirkoniumdioxid* Yb₃Al₁₅O₁₂ TiCN + Mo

3 71,1 1,0 24,2 - - 2,4 - 1,3

* mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ)
Die Zusammensetzung der Elemente der Probe 3 ist in Tabelle XI angegeben. Die Elementaranalyse wurde mittels Röntgenfluoreszenzanalyse mit einem Rest Kohlenstoff und Sauerstoff durchgeführt. Tabelle XI – Zusammensetzung der Elemente (Gew.-%)

Element Probe 3

Aluminium 14,49

Titan 0,32

Vanadium 0,21

Chrom 0,014

Yttrium 0,17

Zirkonium 2,61

Molybdän 0,16

Wolfram 70,54

Kobalt -

Ytterbium -
Probe 3 wurde Metallzerspanungstests unter den folgenden Bedingungen unterzogen:
Werkstück – ME16
Zerspanungsgeschwindigkeit – 3,05 mps (600 sfm)
Vorschub – 0,025 cmpr (0,010 ipr)
Zerspanungstiefe – 1,8 Millimeter (0,070 Zoll)
Ein Vergleichsgütegrad von gesinterter Keramik KYS30, im Handel erhältlich von Kennametal Inc., wurde ebenfalls Metallzerspanungstests unterzogen. Die Ergebnisse der Metallzerspanungstests sind in 7 angegeben. Wie in 7 veranschaulicht, wies der gesinterte Keramikkörper der Probe 3 mit den hierin beschriebenen Zusammensetzungen und Eigenschaften eine erhebliche Zunahme der Zerspanungslebensdauer im Vergleich zum Gütegrad KYS30 vom Stand der Technik auf.
Es wurden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, die die verschiedenen Aufgaben der Erfindung erfüllen. Es sollte klar sein, dass diese Ausführungsformen lediglich die Prinzipien der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Zahlreiche Modifikationen und Anpassungen sind Fachleuten ohne Weiteres offensichtlich, ohne vom Grundgedanken und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

ASTM C1327-15 [0036]
G. R. Anstis, P. Chantikul, B. R. Lawn, D. B. Marshall, A Critical Evaluation of Indentation Techniques for Measuring Fracture Toughness: I, Direct Crack Measurements, Journal of the American Chemical Society, Band 64, Nr. 9, S. 533–538 (1981) [0037]

Claims

Gesinterter Keramikkörper, umfassend: Wolframcarbid (WC) in einer Menge von 40–95 Gew.-%, Aluminiumoxid (Al₂O₃) in einer Menge von 5–30 Gew.-% und Diwolframcarbid (W₂C) in einer Menge von mindestens 1 Gew.-%.
Gesinterter Keramikkörper nach Anspruch 1, worin W₂C in einer Menge von bis zu 25 Gew.-% vorliegt.
Gesinterter Keramikkörper nach Anspruch 1, worin W₂C in einer Menge von 5–20 Gew.-% vorliegt.
Gesinterter Keramikkörper nach Anspruch 1, worin W₂C in einer Menge von 12–18 Gew.-% vorliegt.
Gesinterter Keramikkörper nach Anspruch 1, der ferner Zirkoniumdioxid in einer Menge von 0,1–10 Gew.-% umfasst.
Gesinterter Keramikkörper nach Anspruch 1, der ferner eine oder mehrere Titanverbindungen (Ti), Molybdänverbindungen (Mo) oder (Ti-Mo)-Verbindungen umfasst.
Gesinterter Keramikkörper nach Anspruch 6, worin die eine oder die mehreren Ti-Verbindungen, Mo-Verbindungen oder (Ti-Mo)-Verbindungen oder Mischungen davon in einer Gesamtmenge von 0,1–20 Gew.-% vorliegen.
Gesinterter Keramikkörper nach Anspruch 1, der ferner einen Oxidbestandteil umfasst, der eines oder mehrere Seltenerdmetalle beinhaltet.
Gesinterter Keramikkörper nach Anspruch 8, worin der Oxidbestandteil in einer Menge von 0,1 bis 15 Gew.-% vorliegt.
Gesinterter Keramikkörper nach Anspruch 8, worin der Oxidbestandteil Ytterbium beinhaltet.
Gesinterter Keramikkörper nach Anspruch 1, der ferner Aluminiumoxynitrid (AlON) umfasst.
Gesinterter Keramikkörper nach Anspruch 11, worin das AlON in einer Menge von 0,1 bis 20 Gew.-% vorliegt.
Gesinterter Keramikkörper nach Anspruch 1, der ferner ein Zusatzelement umfasst, der eine oder mehrere Metallcarbide der Gruppe VB, Chromcarbid, ZrNbC oder Mischungen davon umfasst.
Gesinterter Keramikkörper, umfassend: Wolframcarbid (WC) in einer Menge von 40–95 Gew.-%, Aluminiumoxid (Al₂O₃) in einer Menge von 1–40 Gew.-% und eine oder mehrere Verbindungen, die Titan (Ti) und Molybdän (Mo) umfassen.
Gesinterter Keramikkörper nach Anspruch 14, worin die eine oder die mehreren (Ti-Mo) enthaltenden Verbindungen in einer Gesamtmenge von 0,1–20 Gew.-% vorliegen.
Gesinterte Hartmetallzusammensetzung nach Anspruch 14, die ferner Diwolframcarbid (W₂C) in einer Menge von mindestens 1 Gew.-% umfasst.
Gesinterter Keramikkörper nach Anspruch 14, der ferner Zirkoniumdioxid in einer Menge von 0,1–10 Gew.-% umfasst.
Gesinterter Keramikkörper nach Anspruch 14, worin das Molybdän in einer Menge von 0,05 bis 1 Gew.-% vorliegt.
Gesinterter Keramikkörper nach Anspruch 14, der ferner einen Oxidbestandteil umfasst, der eines oder mehrere Seltenerdmetalle beinhaltet.
Gesinterter Keramikkörper nach Anspruch 14, der ferner ein Zusatzelement umfasst, das eine oder mehrere Metallcarbide der Gruppe VB, Chromcarbid, ZrNbC oder Mischungen davon umfasst.
Gesinterter Keramikkörper, umfassend: Wolframcarbid (WC) in einer Menge von 40–95 Gew.-% und AlON.
Gesinterter Keramikkörper nach Anspruch 21, worin das AlON in einer Menge von 0,1 bis 40 Gew.-% vorliegt.
Gesinterter Keramikkörper nach Anspruch 21, der ferner Diwolframcarbid (W₂C) umfasst.
Gesinterter Keramikkörper nach Anspruch 23, worin das W₂C in einer Menge von 0,1–25 Gew.-% vorliegt.
Gesinterter Keramikkörper nach Anspruch 21, der ferner Zirkoniumdioxid in einer Menge von 0,1–10 Gew.-% umfasst.
Gesinterter Keramikkörper nach Anspruch 21, der ferner Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder Kombinationen davon umfasst.
Gesinterter Keramikkörper nach Anspruch 21, der ferner ein Zusatzelement umfasst, das eine oder mehrere Metallcarbide der Gruppe VB, Chromcarbid, ZrNbC oder Mischungen davon umfasst.