DE2741295A1

DE2741295A1 - Keramischer formkoerper und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2741295A1
Application number: DE19772741295
Authority: DE
Inventors: Grete Ing Grad Dix; Hans Dr Ing Grewe; Johannes Kolaska; Norbert Dipl Ing Dr Ing Reiter
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Fried Krupp AG
Priority date: 1977-09-14
Filing date: 1977-09-14
Publication date: 1979-03-22
Also published as: SE7809330L; IT7827587A0; SE434391B; GB2004267B; FR2403314B1; FR2403314A1; IT1099032B; ES473163A1; GB2004267A; JPS5460308A; DE2741295C2

Description

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FRIED. KRHPP GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG

in Essen

Keramischer Formkörper und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung betrifft einen keramischen Formkörper für die spanabhebende Bearbeitung metallischer sowie nichtmetallischer Werkstoffe und für den Verschleißschutz. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Fonnkörpers.

Aus der DT-AS 2 307 654- ist bereits eine keramische Schneidplatte für die spanabhebende Bearbeitung metallischer Werkstoffe, insbesondere Aluminium, bekannt, die aus bei Temperaturen oberhalb 1600⁰C gesintertem, teilstabilisiertem Zirkonoxid mit einem kubischen Phasenanteil von 75 bis 95% und einer mittleren Biege-

bruchfestigkeit von mehr als 30 kp/mra besteht, wobei zur Herstellung der Schneidplatte ein Gemisch aus 30 bis 90 Gew.-# monoklinem Zirkonoxid, 7,8 bis 69,5 Gew.-^ von mit Magnesiumoxid vorstabilisiertem Zirkonoxid und 0,5 bis 2,2 Gew.-# Magnesiumoxid oberhalb 1600⁰C gesintert wird. Das zu sinternde Gemisch hat einen Magnesiumoxidgehalt von insgesamt 2,7 bis 3,3 Gew.-%. Die aus der DT-AS 2 307 654- bekannte Schneidplatte hat den Nach

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teil, daß sie insbesondere zur Bearbeitung von Eisenwerk-Stoffen ungeeignet ist, da ihre Verschleißfestigkeit und ihre mechanischen Festigkeitseigenschaften unzureichend sind.

Es sind ferner Schneidwerkzeuge aus gesintertem Aluminiumoxid bekannt, die eine große Härte und Druckfestigkeit sowie eine gute Warmfestigkeit aufweisen. Es hat sich aber gezeigt,«daß diese Werkzeuge nicht allen Anforderungen genügen, da der Werkstoff eine unzureichende Zähigkeit besitzt und da das leistungsverhalten der schneidenden Kanten unbefriedigend ist. Beim Gebrauch der Werkzeuge können leicht Ausbröckelungen an den Schneidkanten entstehen, und Stoßbelastungen können zum Schneidenausfall führen.

Schließlich wird in der DT-OS 2 549 652 ein keramischer Formkörper vorgeschlagen, der aus einer keramischen Matrix und mindestens einer darin dispergierten Phase aus keramischem Einlagerungsmaterial besteht und bei dem das Einlagerungsmaterial bei der Brenntemperatur des Formkörpers sowie bei Raumtemperatur in unterschiedlichen enattiotropen festen Modifikationen vorliegt, de ml Dichten deutlich verschieden sind. Als keramische Matrix werden Aluminiumoxid oder Magnesiumoxid verwendet. Das Einlagerungsmaterial besitzt einen kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten als die Matrix und besteht aus 8 bis 25 Vol-# unstabilisiertem monoklinem Zirkonoxid, das angeblich auch durch Hafniumoxid, Carbide und Nitride ersetzt werden kann. Die Sinterung des keramischen Formkörpers erfolgt oberhalb der Phasenumwandlungstemperatur des Einlagerungsmaterials. Ein wesentliches Merkmal dieses bekannten Formkörpers besteht darin, daß er von feinsten Mikrorissen in hoher Dichte durchsetzt ist und daher eine große Zähigkeit besitzt.

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Diese Mikrorisse verursachen aber eine völlig ungenügende Verschleißfestigkeit und machen den Einsatz des Formkörpers für die spanabhebende Bearbeitung insbesondere der Eisenwerkstoffe unmöglich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verschleißfesten keramischen Formkörper für die spanabhebende Bearbeitung metallischer und nichtmetallischer Werkstoffe sowie für den Verschleißschutz zu schaffen, _tder eine sehr hohe Verschleißfestigkeit bei guter Zähigkeit sowie Schlagfestigkeit aufweist und sich insbesondere für die Bearbeitung von Eisenwerkstoffen eignet.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird in überraschender Weise dadurch gelöst, daß der Formkörper im unbeanspruchten Zustand rißfrei ist und aus ^-Aluminiumoxid sowie aus 0,5 bis 35 Gew.-$, vorzugsweise 1 bis 20 Gew.-^, stabilisiertem Zirkonoxid besteht, wobei das stabilisierte Zirkonoxid einen Stabilisierungsgrad von 40 bis ca. 100^, vorzugsweise 70 bis 90$, und einen Stabilisatorgehalt von 3 bis 9 Gew.-^, bezogen auf Magnesiumoxid und/oder Calciumoxid, aufweist. Dieser Formkörper besitzt neben einer guten Zähigkeit auch eine sehr hohe Verschleißfestigkeit, da er im unbeanspruchten Zustand keine Mikrorisse aufweist und so eine Verspannungsverfestigung zum Tragen kommt, die festigkeitssteigernd wirkt, ohne das Verschleißverhalten zu verschlechtern. Die Kombination von guten Zähigkeitseigenschaften und hoher Verschleißfestigkeit wird erreicht, da im Werkstoff wegen der durch enantlotrope Phasenumwandlung bedingten Ausdehnung des monoklinen Zirkonoxidanteils und wegen der ohnehin unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Zirkonoxid und Aluminiumoxid Korngrenzenverspannungen entstehen, die

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einer mechanischen Beanspruchung Widerstand entgegensetzen. Gegenüber den ausschließlich aus teilstabilisiertem Zirkonoxid bestehenden Formkörpern sind beim erfindungsgemäßen Formkörper sowohl die Verschleißfestigkeits- und Zähigkeitseigenschaften als auch die mechanischen Festigkeitseigenschaften deutlich verbessert. Im Vergleich zu «(-Aluminiumoxid-Formkörpern, die kein Einlagerungsmaterial enthalten, weist der erfindungsgemäße Formkörper ein besseres Verschleiß- und Zähigkeitsverhalten auf. Gegenüber den Formkörpern, die aus Aluminiumoxid und unstabilisiertem Zirkonoxid bestehen sowie Mikrorisse aufweisen, ist beim erfindungsgemäßen Formkörper die Verschleißfestigkeit um ein Vielfaches höher, wobei die Zähigkeitseigenschaften zumindest gleichwertig sind.

Die Verschleißfestigkeit des keramischen Formkörpers wird entsprechend der Erfindung verbessert, wenn der Formkörper 0,5 bis 35 Gew.-^ eines oder mehrerer Oxide, Carbide, Nitride und/oder Boride der Metalle, Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän und Wolfram enthält. Eine weitere Verbesserung der Verschleißfestigkeit und des Sinterverhaltens tritt beim Formkörper erfindungsgemäß dann ein, wenn er 0,2 bis 5 Gew.-$> eines oder mehrerer Oxide des Yttriums, Thoriums und der Lanthaniden enthält. Die Schlagfestigkeit und die Zähigkeit des Formkörpers lassen sich gemäß der Erfindung steigern, wenn er 0,1 bis 15 Gew.-#, vorzugsweise 1 bis 10 Gew.-?6 Eisen, Kobalt, Nickel, Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän und/oder Wolfram enthält. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Formkörper bis zu 3,5 Gew.-#, vorzugsweise 0,1 bis 1 Gew.-^, Magnesiumoxid und/oder Siliciumoxid als Sinterhilfsmittel enthält.

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Der Formkörper wird nach der Erfindung durch Kombination an sich bekannter Maßnahmen in der Weise hergestellt, daß stabilisiertes Zirkonoxid mit einem Stabilisierungsgrad von 40 bis ca. 100$ sowie einem Stabilisatorgehalt von 3 bis 9 Gew.-/&, bezogen auf Magnesiumoxid und/oder Calciumoxid, und die weiteren Bestandteile gemischt, bis zu einer Teilchengröße von weniger als 3 /um naß gemahlen, bei Temperaturen bis 150⁰C getrocknet und zu Preßlingen verpreßt werden^ daß die Preßlinge bei Tempteraturen von 1450 bis 175O⁰C im Vakuum oder in einer Schutzgasatmosphäre während 0,1 bis 3 Stunden gesintert und anschließend im Vakuum und/oder in einer Schutzgasatmosphäre auf Raumtemperatur abgekühlt werden. Entsprechend der Erfindung ist schließlich vorgesehen, daß der Sinterkörper einer isostatischen Heißverdichtung unterzogen wird, wodurch eine weitere Verbesserung der Zähigkeitseigenschaften des Formkörpers eintritt.

Der Begriff stabilisiertes Zirkonoxid schließt die Begriffe teilstabilisiertes bzw. vollstabilisiertes Zirkonoxid ein. Reines Zirkonoxid liegt bei Raumtemperatur in der monoklinen Modifikation vor, die sich bei 1000 bis 1200⁰C reversibel in die tetragonale Modifikation umwandelt. Aus monoklinem Zirkonoxid gefertigte Teile können nach einer Sinterung oberhalb der Phasenumwandlungstemperatur Risse aufweisen, da die beiden enantiotropen Modifikationen des Zirkonoxids unterschiedliche Dichten haben. Monoklinea Zirkonoxid kann teilweise oder nahezu quantitativ stabilisiert werden, wenn es durch Erhitzen auf 1000 bis 2000⁰C unter Zugabe von Stabilisatoren in eine kubische Mischkristallphase umgewandelt wird, die auch bei Raumtemperatur beständig ist. Beim Abkühlen des stabilisierten Zirkonoxids erfolgt also keine Strukturumwandlung. Der prozentuale Anteil an kubischer Phase im

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Zirkonoxid wird als Stabilisierungsgrad bezeichnet. Als Stabilisatoren werden insbesondere Magnesium— und Calciumoxid verwendet. Struktur und Eigenschaften des stabilisierten Zirkonoxids gehören zum bekannten Stand der Technik.

Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es wurden mehrere keramische Formkörper hergestellt, wobei immer ein stabilisiertes Zirkonoxid mit einem Stabilisierungsgrad von ca. 70 bis 90# und einem Stabilisatorgehalt von ca. 4 Gew.-$ GaO zum Einsatz kam. Diese Formkörper hatten folgende Zusammensetzung (Angaben in Gew.-?t):

25

30

Formkörper 1	9t	Al₂O₃	*	Al₂O₃	*	Al₂O₃
74,8		ZrO₂		ZrO₂	9t	ZrO₂
19,4		TiC	Jt	TiC	9t	TiC
5,0	*	MgO	9t	Y₂O₃	9t	Mo
0,6	SiO₂	9t	MgO	5t	Ni
0,2	Formkörper 3		SiO₂	9t	MgO
	74,3	Formkörper 5	9t	SiO₂
19,4	41,5
5,0	17,7
0,5	35,0
0,6	2,5
0,2	2,5
0,6
0,2

Formkörper 2	1	9t	Al₂O₃
65,15	t	Jt	ZrO₂
19,05		9t	TiN
15,0	ί		MgO
0,6	f	Jt	SiO₂
0,2	ί Al₂O₃
6 ZrO₂
£ TiC
t MgO
& SiO₂
Formkörper 4
46,2
18,0
35,0
0,6
0,2

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Ferner wurde ein Formkörper mit einem Zusatz von vollständig stabilisiertem ZrO₂ hergestellt, der folgende Zusammensetzung hatte:

Formkörper 6
74,8 # Al₂O₃
19,4 1° ZrO₂
5,0 £ TiC
0,6 # MgO
0,2 $> SiO₂

Die Bestandteile der Formkörper wurden gemischt und bis zu einer Teilchengröße von 1 bis 2 /um naß vermählen. Die Trocknung des Pulvergemisches erfolgte in Luft bei 13O⁰G während 24 Stunden. Anschließend wurden Preßlinge mit einem Druck von 500 kp/ cm hergestellt. Die Sinterung der Preßlinge wurde in einer Wasserstoffatmosphäre bei 760 Torr während einer Stunde durchgeführt. Die einzelnen Formkörper wurden bei folgenden Temperaturen gesintert:

Formkörper 1 1600 - 165O⁰C

Formkörper 2 1600 - 165O⁰C

Formkörper 3 1600⁰C

Formkörper 4 155O⁰C

Formkörper 5 1600⁰C

Formkörper 6 1600 - 165O⁰C

Die Abkühlung der Formkörper wurde in der beim Sintern vorhandenen Atmosphäre durchgeführt. Die Abkühlzeit betrug 8 bis 12 Stunden.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten rißfreien Formkörper hatten im Vergleich zu handelsüblicher Schneidkeramik auf Al₂O-.-Basis und zu einer mit Mikrorissen durchsetzten Schneidkeramik aus AlpO·* und eingelagertem unstabilisiertem ZrO₂ das in der Tabelle 1 dargestellte Lei"

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stungsverhalten. Aua der Tabelle 2 geht hervor, daß die
Erhöhung des Carbidgehaltes und die Zugabe von Y₂O, zu
einer weiteren Leistungsverbesserung führen.

Tabelle 1; Leistungsergebnisse aus Drehversuchen

Prüfbedingungen beim Drehen im unterbrochenen Schnitt:
Werkstoff : Stahl C 45 KN

Schnittgeschwindigkeit : 250 m pro Minute
Schnittiefe : a = 2 mm

Vorschub : s = 0,125 mm pro Umdrehung

Schneidstoffplatte : SNGN 120812 T

Anzahl der Überläufe beim Drehen im unterbrochenen Schnitt

bis zum Schneidenbruch:

Bekannte Schneidkeramik auf «C-A1₂O,-Basis = 25 (100$) Bekannte Schneidkeramik aus 0C-Al₂O, und unstabiliesiertem

^Zr02 = 53 (212#)

Erfindungsgemäßer Formkörper 1 = 71 (284$)

Prüfbedingungen beim Drehen im glatten Schnitt:

Werkstoff
Schnittgeschwindigkeit

20 Schnittiefe
Vorschub
Drehzeit

Schneidstoffplatte

Stahl C 60 500 m pro Minute a = 2 τητη

s = 0,1 mm pro Umdrehung t = 10 Minuten SNGN 120812 T

Freiflächenverschleiß VB in mm beim Drehen im glatten Schnitt nach t = 10 Minuten

Bekannte Schneidkeramik auf 0C-Al₂O,-Basis = 0,21 (ΐΟΟ?δ) Bekannte Schneidkeramik aus <C-A1₂O, und unstabilisiertem ZrO₂ = 0,78

Erfindungsgemäßer Formkörper 1 =0,22

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ΛΛ

Tabelle 2; Leistungaergebnisse aus Drehversuchen

Prüfbedingungen beim Drehen im unterbrochenen Schnitt: Werkstoff

Schnittgeschwindigkeit Schnittiefe Vorschub Schneidstoffplatte

Stahl C 45

250 m pro Minute a = 2 mm S= 0,125 mm pro Umdrehung SNGN 120412 T

	Formkörper 1	Formkörper 2	Formkörper 3
Anzahl der	33	33	39
Überläufe	(100%)	(100*)	(118*)
Freiflächenverschleiß	0,24	0,16	0,14
VB in mm	(100*)	(150*)	(172*)

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Claims

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Ansprüche

y Keramischer Formkörper für die spanabhebende Bearbeitung metallischer sowie nichtmetallischer Werkstoffe und für den Verschleißschutz, dadurch gekennzeichnet, daß er im unbeanspruchten Zustand rißfrei ist und aus ^Aluminiumoxid sowie aus 0,5 bis 35 Gew.-%, vorzugsweise 1 bis 20 Gew.-^, stabilisiertem Zirkonoxid besteht, wobei das stabilisierte Zirkonoxid einen Stabilisierungsgrad von 4-0 bis ca. IOO76, vorzugsweise 70 bis 90^, und einen Stabilisatorgehalt von 3 bis 9 Gew.-/S, bezogen auf Magnesiumoxid und/oder Calciumoxid, aufweist.
2. Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er 0,5 bis 35 Gew.-^ eines oder mehrerer Oxide, Garbide, Nitride und/oder Boride der Metalle Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän und Wolfram enthält.
3. Formkörper nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß er 0,2 bis 5 Gew.-^ eines oder mehrerer Oxide des Yttriums, Thoriums und der Lathaniden enthält.
4. Formkörper nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er 0,1 bis 15 Gew.-%, vorzugsweise 1 bis 10 Gew.-#, Eisen, Kobalt, Nickel, Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän und/oder Wolfram enthält.
5. Formkörper nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er bis zu 3,5 Gew.-#, vorzugsweise 0,1 bis 1 Gew.-^, Magnesiumoxid und/oder Siliciumdioxid als Sinterhilfsmittel enthält.

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ORIGINAL INSPECTED
6. Verfahren zur Herstellung des Formkörpers nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß stabilisiertes Zirkonoxid mit einem Stabilisierungsgrad von 40 bis ca. 100# sowie einem Stabilisatorgehalt von 3 bis 9 Gew.-^, bezogen auf Magnesiumoxid und/oder Calciumoxid, und die weiteren Bestandteile gemischt, bis zu einer Teilchengröße,von weniger als 3 /um naß gemahlen, bei Temperaturen bis 150 C getrocknet und zu Preßlingen verpreßt werden, daß die Preßlinge bei Temperaturen von 1450 bis 175O⁰C im Vakuum oder in einer Schutzgasatmosphäre während 0,1 bis 3 Stunden gesintert und anschließend im Vakuum und/oder in einer Schutzgasatmosphäre auf Raumtemperatur abgekühlt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper nach der Sinterung einer isostatischen Heißverdichtung unterzogen wird.

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