DE19859591A1

DE19859591A1 - Gesinterter Keramikkörper und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE19859591A1
Application number: DE1998159591
Authority: DE
Inventors: Josef Schiefer
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 1998-12-22
Filing date: 1998-12-22
Publication date: 2000-06-29

Abstract

Es wird ein gesinterter Keramikkörper auf Basis von Siliciumnitrid vorgeschlagen, der durch Formpressen eines keramischen Pulvergemisches zu einem Preßling und Sintern des Preßlings erhältlich ist, wobei das Pulvergemisch 85 bis 98,5 Gew.-% Si¶3¶N¶4¶ und 1,5 bis 15 Gew.-% eines aus mindestens zwei verschiedenen Oxiden bestehenden Gemischs, ausgewählt aus MgO, TiO¶2¶, ZrO¶2¶, HfO¶2¶ und Y¶2¶O¶3¶, enthält. Im Sinterkörper enthalten ist mindestens eine keramische Phase, die vom Inneren des Körpers nach außen eine Gradientenverteilung aufweist. Bei Verwendung des Keramikkörpers als Schneideinsatz werden geringerer Verschleiß und höhere Standzeiten erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft einen gesinterten Keramikkörper auf Basis von Siliciumnitrid (Si₃N₄), insbesondere zur spanabhe benden Metallbearbeitung, der durch Formpressen eines kera mischen Pulvergemischs zu einem Preßling und durch Sintern des Preßlings unter üblichen pulvermetallurgischen Bedingun gen erhältlich ist.

Aus der US-PS 5 628 590 sind Schneidwerkzeuge aus gesinter ten Keramikkörpern bekannt, die pulvermetallurgisch herge stellt werden und als Hauptbestandteil Aluminiumoxid, Sili ciumnitrid oder ein SIALON-Material enthalten. Zusätzlich werden diesen Pulvern zur Verstärkung Whisker aus kerami schem Material oder Teilchen aus Zirkoniumdioxid, Hafnium oxid, Siliciumcarbid und/oder Titancarbid oder deren Gemi schen zugegeben. Außerdem können die Pulvergemische Sinter hilfsmittel, vorzugsweise Zirkoniumdioxid, Yttriumoxid, Mag nesiumoxid oder deren Gemische enthalten. Eine aluminium freie Sinterkeramik ist dem Patent jedoch ebensowenig zu entnehmen wie ein funktionelles Gradientenmaterial (FGM).

Aus dem US-Patent 5 668 069 sind gesinterte, keramische Schneidwerkzeuge aus einem funktionellen Gradientenmaterial auf Basis von Siliciumnitrid bekannt. Diese Keramikkörper enthalten eine Zwischenkornphase aus Seltenerdelementen, Silicium, Aluminium, Sauerstoff und Stickstoff. Diese eben falls nicht aluminiumfreien Keramikkörper weisen einen von innen nach außen, in Richtung auf die Oberflächen des Kör pers verlaufenden Härtegradienten auf, wobei die Härte von außen nach innen abnimmt.

Aus dem US-Patent 5 455 000 ist ein Verfahren zur Herstel lung eines funktionellen Gradientenmaterials bekannt, bei dem gesinterte Keramikkörper nicht aus einem einzigen Pul vergemisch, sondern aus mehreren, unterschiedlich zusammen gesetzten Pulvergemischen hergestellt werden, wobei prak tisch alle denkbaren oxidischen und nichtoxidischen kerami schen Materialien und sämtliche denkbaren Zusätze mit allen Elementen des Periodensystems eingesetzt werden sollen, da runter auch Siliciumnitrid.

Aus der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 3-54143, veröf fentlicht am 08.03.91, ist ein poröser gesinterter Keramik körper bekannt, der auf Basis von Oxid-, Nitrid- oder Car bid-Pulvern unter Verwendung von Sinterhilfsmitteln wie Alu miniumoxid, Yttriumoxid, Magnesiumoxid und Siliciumdioxid hergestellt sein kann. Bei diesem Verfahren werden die porö sen Sinterkörper in eine Schmelze eines Metallsalzes ge taucht, wodurch sich die Poren mit der Schmelze vollsaugen. Anschließend wird getrocknet und gesintert, wobei sich eine anisotrope Verteilung (Gradientenverteilung) der Metallver bindung innerhalb des Sinterkörpers ergibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gesinterten Keramikkörper zu schaffen, der sich pulvermetallurgisch auf einfache Weise aus einem einzigen Pulvergemisch herstellen läßt, aluminiumfrei ist, ein funktionelles Gradientenmate rial darstellt und der bei Verwendung als Schneidplatte oder Schneideinsatz eine verbesserte Standzeit im Vergleich zu herkömmlichen Schneideinsätzen aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen gesinterten Keramikkörper mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ge löst.

Es wurde überraschenderweise festgestellt, daß die Zugabe von mindestens 1,5 und höchstens 15 Gew.-% eines aus min destens zwei verschiedenen Oxiden bestehenden Gemischs zu einer zu mindestens 85 Gew.-%, aber höchstens 98,5 Gew.-% aus Siliciumnitrid, vorzugsweise β-Siliciumnitrid, be stehenden Pulvermischung nach üblichem Formpressen und Sin tern zu einem gesinterten Keramikkörper führt, der min destens eine keramische Phase enthält, die von innen nach außen, in Richtung auf die Oberflächen des Keramikkörpers, eine Gradientenverteilung aufweist, wenn die mindestens zwei Oxide aus der aus MgO, TiO₂, ZrO₂, HfO₂ und Y₂O₃ bestehenden Gruppe ausgewählt werden.

Ferner wurde festgestellt, daß Yttriumoxid (Y₂O₃) als "Mode rator" für die Gradientenverteilung wirkt, weil Yttriumoxid offensichtlich die Charakteristik des Gradienten in bezug auf die Entfernung von der Oberfläche des Keramikkörpers und die Steigung des Gradienten verschiebt bzw. verändert.

Mit Hilfe der Erfindung gelingt es überraschenderweise, ge sinterte Keramikkörper mit dem gewünschten Anforderungspro fil (idealer Kompromiß zwischen Härte und Zähigkeit bei maximaler Standzeit) zu "designen", indem die Komponenten des zuzusetzenden Oxidgemisches aus einer relativ kleinen Gruppe von Oxiden individuell ausgewählt werden und die Mit verwendung oder Nichtverwendung des "Moderators" Yttriumoxid zur Feinabstimmung der Charakteristik des gewünschten funk tionellen Gradienten herangezogen werden kann.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet. So kann dem Pul vergemisch zusätzlich noch ein polymeres organisches Binde mittel oder mehrere solcher Bindemittel, die auch einen An teil an Wasser enthalten können, zugesetzt werden, wobei der Anteil an Bindemittel, gegebenenfalls einschließlich Wasser, 0,5 bis 5,0 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des ferti gen Pulvergemischs, beträgt.

Bevorzugte Oxidgemische, die dem Siliciumnitrid beigemischt werden, bestehen aus MgO + ZrO₂, MgO + ZrO₂ + Y₂O₃, MgO + TiO₂ + HfO₂ oder HfO₂ + Y₂O₃.

Die Gradientenverteilung der mindestens einen keramischen Phase innerhalb des gesinterten Keramikkörpers entsteht durch eine graduelle Konzentrationsveränderung dieser einen oder mehreren Phasen während des Sinterns. Dabei können ge genläufige Prozesse gleichzeitig ablaufen: eine bestimmte Phase kann sich in Richtung auf die Oberfläche anreichern, eine andere Phase kann sich in Richtung auf das Innere des gesinterten Keramikkörpers anreichern; die Anreicherung der ersten Phase in der Nähe der Oberfläche ist notwendigerweise verbunden mit einer Abreicherung dieser Phase im Inneren des Körpers, während die Anreicherung der zweiten Phase im Inne ren des Körpers notwendigerweise mit einer Abreicherung der selben in der Nähe der Oberfläche verbunden ist.

Ebenso, wie das Konzentrationsgefälle der mindestens einen keramischen Phase nach außen oder nach innen geneigt sein kann, können die funktionellen Gradienten unterschiedlich geneigt sein, also von innen nach außen ansteigen oder von innen nach außen abfallen. Der funktionelle Gradient kann ein Härtegradient sein oder ein Bruchzähigkeitsgradient oder ein Gradient einer anderen physikalischen oder chemischen Eigenschaft mindestens einer der keramischen Phasen.

Es hat sich gezeigt, daß die erfindungsgemäßen Keramikkörper in dem Zustand, in dem sie der Formpresse nach dem Sintern entnommen werden, also in völlig ungeschliffenem Zustand, als Schneidplatte oder Schneideinsatz verwendet werden kön nen, was mit einer erheblichen Kosteneinsparung verbunden ist, da das Polieren oder Schleifen der gesinterten Keramik körper zeitaufwendig und teuer ist und zu hohem Ausschuß durch Brechen der Platten beim Schleifen führt.

Gleichwohl können die erfindungsgemäßen Keramikkörper auch geschliffen werden, mindestens an einer ihrer Oberflächen, und sie können auch in geschliffenem oder nur leicht ange schliffenem Zustand als Schneidplatten oder Schneideinsätze verwendet werden.

Schließlich können die erfindungsgemäßen Keramikkörper mit einer oder mehreren Schichten eines hitzebeständigen, fest haftenden Überzugs mindestens teilweise beschichtet sein, wobei diese Überzugsschichten vorzugsweise durch physikali sche oder chemische Dampfabscheidung aufgebracht werden kön nen. Solche Überzüge sind an sich bekannt, ebenso die Ver fahren zu ihrer Aufbringung durch PVD oder CVD.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung und von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei diese Beispiele in keiner Weise beschränkend aufgefaßt werden sollen.

In der Zeichnung ist

Fig. 1 ein Diagramm, worin die Verschleißmarkenbreite (VB) gegen die Zeit für 5 verschiedene Keramikkörper aufgetragen ist (Verschleißdrehtest), und

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Zeit, nach der VB_max = 0,8 mm erreicht war (Verschleißdrehtest).

Beispiele 1 bis 10

Für pulvermetallurgische Zwecke im Handel erhältliches β- Siliciumnitrid wird mit einem aus mindestens zwei verschie denen Oxiden bestehenden Gemisch, das ausgewählt ist aus der aus MgO, TiO₂, ZrO₂, HfO₂ und Y₂O₃ bestehenden Gruppe, sorgfältig vermischt, gegebenenfalls unter Zusatz polymerer organischer Bindemittel, wie sie in der Pulvermetallurgie üblich sind, beispielsweise Polyvinylalkohol, Polyethylen glykol und dgl., wobei der Binder in der Regel Wasser ent hält. Die genaue Zusammensetzung der Pulvergemische gemäß den Beispielen 1 bis 10 ist in Tabelle 1 angegeben, und zwar in Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des fertigen Pul vergemischs.

Tabelle 1

Das jeweilige Pulvergemisch wird in einer Formpresse zu einem Preßling beliebiger Konfiguration verpreßt. Der Preß ling kann die Form einer einfachen Schneidplatte, einer Wen deschneidplatte oder eines anderen Schneidwerkzeugs haben, er kann mittig gelocht sein oder ungelocht sein, die Kanten können gerundet oder nichtgerundet sein, bestimmte Flächen bereiche können abgesenkt sein, um später besondere Spanflä chen (lands) zu bilden, und der Preßling kann im wesentli chen rechteckig, schiefwinklig oder rautenförmig ausgebildet sein.

Anschließend wird der Preßling 60 bis 120 Minuten lang, vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 1850 und 1960°C, und einem Druck von zwischen 5 und 10 MPa ausreichend dicht gesintert, so daß der gesinterte Keramikkörper eine Restpo rosität von zwischen 0,3% und 0,9% aufweist.

Mit den so hergestellten gesinterten Keramikkörpern, die eine Dichte von durchschnittlich 3,19 g/cm³ aufwiesen, wur den verschiedene Tests durchgeführt, um den Härtegradienten, den Verschleiß beim Drehen und die Standzeiten der Keramik körper bei Verwendung als Schneideinsätze zu bestimmen.

Bestimmung des Härtegradienten

Gesinterte Keramikkörper gemäß den Beispielen 1 und 10 wurden unter Verwendung eines LECO M-400 Härteprüfgeräts vermessen. Dabei wurde die Vickers-Härte (HV) bei Belastung mit Ein dringkörpern von 500 g gemessen, und zwar jeweils viermal in Abständen von 0,5 mm Entfernung von der Oberfläche des Kera mikkörpers. Aus den jeweils vier Meßwerten ergaben sich die folgenden durchschnittlichen Härtewerte (HV in daN/mm²):

Aus diesen Härtewerten ergibt sich, daß die Härte von der Oberfläche in Richtung zum Inneren des Keramikkörpers hin abnimmt, wobei die Abnahme (Neigung des Gradienten) im Bereich zwischen 0,5 mm und 1,0 mm Tiefe am größten ist.

Verschleißdrehtest

Gesinterte Keramikkörper gemäß den Beispielen 1, 6, 8 und 10 wurden ungeschliffen ("as molded") und unbeschichtet als Wendeschneidplatten verwendet und einem Verschleißdrehtest unterworfen, wobei eine Welle aus Grauguß GG 25 mit einer Schnittgeschwindigkeit V_c von 500 m/min., einem Vorschub f von 0,3 mm/U. und einer Schnittiefe ap von 1,0 mm zerspant wurde. Zum Vergleich wurde der Test unter gleichen Bedingungen mit einem bekannten Schneideinsatz aus Sinterkeramik durch geführt. Gemessen wurde die Verschleißmarkenbreite VB in Abhängigkeit von der Zeit, wobei die Mittelwerte aus je zwei Keramikkörpern gleicher Zusammensetzung gebildet und in das Diagramm gemäß Fig. 1 eingetragen wurden. Als maximale Ver schleißmarkenbreite wurden 0,8 mm gewählt. Je flacher die Kurven für die einzelnen Keramikkörper in Fig. 1 verlaufen, desto mehr Zeit war erforderlich, um die maximale Ver schleißmarkenbreite zu erreichen; umso länger war also die Standzeit und umso geringer der Verschleiß.

Den geringsten Verschleiß und die längste Standzeit wiesen die erfindungsgemäßen Keramikkörper gemäß den Beispielen 1 und 10 auf, während die zum Vergleich herangezogene bekannte Keramikschneidplatte am schlechtesten abschnitt.

In Fig. 2 ist für jeden der getesteten Keramikkörper (von jeder Sorte wurden je zwei Körper getestet) in Form von Säu len die Zeit aufgetragen, die bis zum Erreichen der maximalen Verschleißmarkenbreite verstrichen war. Mit durchschnittlich 6,9 min. Standzeit konnte der Keramikkörper gemäß Beispiel 1 das beste Ergebnis verzeichnen, während der herkömmliche Keramikkörper mit durchschnittlich 4,55 min. das Schlußlicht bildete.

Als Standzeitkriterium wurde VB_max = 0,8 mm gesetzt, da eine Fortsetzung des Tests bis VB_max = 1,0 mm aufgrund der aufge tretenen starken Verrundung der Schneidkanten nicht möglich war.

Claims

1. Gesinterter Keramikkörper auf Basis von Siliciumnitrid, insbesondere zur spanabhebenden Metallbearbeitung, erhält lich durch Formpressen eines keramischen Pulvergemischs zu einem Preßling und Sintern des Preßlings, dadurch gekenn zeichnet, daß das Pulvergemisch mindestens 85 Gew.-%, aber höchstens 98,5 Gew.-% Siliciumnitrid und mindestens 1,5 Gew.-%, aber höchstens 15 Gew.-%, eines aus mindestens zwei verschiedenen Oxiden bestehenden Gemischs enthält, das ausgewählt ist aus der aus MgO, TiO₂, ZrO₂, HfO₂ und Y₂O₃ bestehenden Gruppe, und daß der gesinterte Keramikkörper mindestens eine keramische Phase enthält, die von innen nach außen, in Richtung auf die Oberflächen des Keramikkörpers, eine Gradientenverteilung aufweist.

2. Keramikkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulvergemisch einen Gehalt an einem oder mehreren polymeren organischen Bindemitteln von 0,5 bis 5,0 Gew.-% aufweist.

3. Keramikkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß das Oxidgemisch aus MgO und ZrO₂ besteht.

4. Keramikkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß das Oxidgemisch aus MgO, ZrO₂ und Y₂O₃ besteht.

5. Keramikkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß das Oxidgemisch aus MgO, TiO₂ und HfO₂ besteht.

6. Keramikkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß das Oxidgemisch aus HfO₂ und Y₂O₃ besteht.

7. Keramikkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekenn zeichnet durch einen von innen nach außen, in Richtung auf die Oberflächen des Keramikkörpers verlaufenden funktionel len Gradienten.

8. Keramikkörper nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen von innen nach außen, in Richtung auf die Oberflächen des Keramikkörpers verlaufenden Härtegradienten.

9. Keramikkörper nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen von innen nach außen, in Richtung auf die Oberflächen des Keramikkörpers verlaufenden Bruchzähigkeitsgradienten.

10. Keramikkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Oberfläche geschliffen ist.

11. Keramikkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einer oder mehreren Schichten eines hitzebeständigen, festhaftenden Überzugs mindestens teilweise beschichtet ist.

12. Keramikkörper nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Überzugsschichten durch physikalische oder chemische Dampfabscheidung (PVD oder CVD) aufgebracht sind.

13. Verwendung des Keramikkörpers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 als Schneidplatte oder Schneideinsatz.

14. Verwendung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikkörper in völlig ungeschliffenem ("as molded") Zustand oder in oberflächlich nur leicht angeschliffenem Zustand verwendet wird.