DE3423911A1

DE3423911A1 - Oberflaechenbeschichtete keramikmaterialien auf sialon-basis fuer werkzeuge

Info

Publication number: DE3423911A1
Application number: DE19843423911
Authority: DE
Inventors: Taijiro Sugisawa; Teruyoshi Tokio/Tokyo Tanase
Original assignee: Mitsubishi Kinzoku Tokio/tokyo KK; Mitsubishi Metal Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1983-06-30
Filing date: 1984-06-28
Publication date: 1985-01-10
Also published as: US4539251A; JPS6348836B2; DE3423911C2; JPS6011288A

Description

D S MÜNCHEN 22, THIERSCHSTRASSE 27 O / O O Q 1 1 TELEGRAMME: MAYPATENT MDNCHEN vj H Z. «J 3 I I

M-36-P-3/201 5 München, 28. Juni 1984

AP-350 (WGN) - ³ - Dr.M/ac

Mitsubishi Kinzoku K.K. in Tokyo / Japan

Oberflächenbeschichtete Keramikmaterialien auf Sialon-Basis für Werkzeuge

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft Keramikmaterialien auf Sialon-Basis für Werkzeuge, deren Oberflächen mit einer harten Schicht überzogen sind, und besonders oberflächenbeschichtete Keramikmaterialien auf Sialon-Basis für Werkzeuge, welehe ausgezeichnete Verschleißfestigkeit bei der Verwendung in Schneidwerkzeugen und anderen verschleißfesten Werkzeugen zeigen», sowie Verfahren zu deren Herstellung.

In den letzten Jahren hat man Keramikmaterialien auf Siliciumnitrid-Basis für Schneidwerkzeuge und andere verschleißfeste Werkzeuge verwendet. Solche Keramikmaterialien zeigen jedoch den Nachteil einer schlechten Sinterbarkeit, da Siliciumnitrid (hiernach bezeichnet als ¹¹Si₃N₄ ¹¹) eine Verbindung mit einer starken kovalenten Bindung ist. Daher wurden vMe Keramikmaterialien dieses Typs üblicherweise durch Heißpressen hergestellt. Beim üblichen Heißpreß-Verfahren kann man jedoch aus Keramikmaterialien auf Si₃N-BaSiS nur schwer Produkte mit komplizierter Formgebung erhalten, und das Verfahren liefert nur geringe Ausbeute. Es wurden auch Versuche unternommen, in Schneidwerkzeugen und andere verschleißfesten Werkzeugen Keramikmaterialien auf Sialon-Basis zu verwenden, welche eine höhere Sinterbarkeit als Si_N. und höhere Wärmeschockbeständigkeit sowie Oxidationsbeständigkeit aufweisen. Solche Keramikmaterialien auf Sialon-Basis bestehen hauptsächlich auf einer Verbindung, die erhalten wird, indem ein Teil des Si und einen Teil des N im Kristallgitter des β -Si₃N durch Al bzw. O ersetzt wird,

nämlich ß-Sialon, das ausgedrückt wird durch eine chemische Formel Si,- Al 0 N„ , worin 0<ζ£4,3. Solche Keramikma-

O""*Z Z Z Ö"^Z """*

terialien auf Sialon-Basis weisen hohe Zähigkeit, jedoch keine genügende Härte auf, d.h. ihre Härte liegt z.B. in der Größenordnung von 92 Rockwell-Härte (A-Skala). Daher können solche Keramikmaterialien auf Sialon-Basis keine befriedigende Verschleißfestigkeit zeigen, wenn sie in schneidenden und spanenden und anderen verschleißfesten Werkzeugen verwendet werden.
TO Aufgabe und Zusammenfassung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, oberflächenbeschichtete Keramikmaterialien auf Sialon-Basis für Werkzeuge zu schaffen, welche sowohl hohe Härte als auch ausgezeichnete Sinterbarkeit aufweisen und daher ausgezeichnete Verschleißfestigkeit zeigen können, wenn sie in schneidenden und spanenden Werkzeugen und anderen verschleißfesten Werkzeugen verwendet werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein oberflächenbeschichtetes Keramikmaterial auf Sialon-Basis für Werkzeuge, welches enthält:

eine Keramik-Matrix auf Sialon-Basis bestehend im wesentlichen aus

a) 3 bis 30 Volumen-Prozent von wenigstens einem Bestandteil aus der Gruppe Carbide, Nitride, Oxide von Metallen der Gruppen 4a , 5a und 6a des periodischen Systems,ausgenommen Cr, und eine feste Lösung von wenigstens zwei drfeser Carbide, Nitride und Oxide,

b) 1 bis 20 Volumen-Prozent von wenigstens einem eine kombinierte Phase bildenden Bestandteil ausgewählt aus der Gruppe Oxide und Nitride von Li, Na, Ca, Mg, Y und seltene Erdelemente, Si oder Al, und

c) Restß-Sialon ausgedrückt durch die chemische Formel Si,- Al 0 N_Q . worin ζ größer als 0 jedoch nicht

O""Z Z Z Ö~Z

größer als 4,3 ist, und ot-Sialon ausgedrückt durch die chemische Formel M (Si,Al)^ ₂(0,N)₁₆, worin χ größer als 0 jedoch nicht größer als 2 ist und M wenigstens ein Element aus der Gruppe Li, Na, Ca., Mg, Y und seltene Erden bedeutet, und unvermeidbare Verunreinigungen,

_ 5 — '

vorin das Volumenverhältnis Ot-Sialon/(3 -Sialon im Bereich von 5/95 bis 95/5 liegt; und

wenigstens eine harte Überzugsschicht, die über der Oberfläche der oben genannten Matrix gebildet ist und im wesentliehen besteht aus wenigstens einer Verbindung aus der Gruppe Carbide, Nitride, Carbo-Nitride, Carbo-Oxide und Carbo-Nitro-Oxide von Ti, Zr oder Hf.

Vorzugsweise hat die angegebene harte Überzugsschicht eine mittlere Schichtdicke im Bereich von 0,5 bis 10 /um. Weiter kann das angegebene oberflächenbeschichtete Keramikmaterial auf Sialon-Basis SXr Werkzeuge weiterhin wenigstens eine zweite harte Überzugsschicht aufweisen, die über der Oberfläche der ersten harten Überzugsschicht gebildet ist und im wesentlichen aus wenigstens einer Verbindung aus der Gruppe Aluminiumoxid und Aluminiumnitro-öxid besteht, worin die erst-erwähnte harte Überzugsschicht als eine Zwischenschicht, dagegen die zweite harte Überzugsschicht als eine Oberflächenschicht vorhanden sind.

Vorzugsweise hat die zweite harte Überzugsschicht eine mittlere Schichtdicke im Bereich von 0,5 bis 5 /um. Im Hinblick auf die eingangs angegebenen Umstände haben die Erfinder zahlreiche Untersuchungen durchgeführt, um die üblichen Keramikmaterialien auf Sialon-Basis zu verbessern, die hauptsächlich aus dem erwähnten ß-sialon bestehen, um ihnen höhere Härte und demgemäß gute Verschleißfestigkeit zu verleihen, ohne deren gute Sinterbarkeit zu beeinträchtigen. Die Erfinder haben dabei folgendes gefunden:

a) ein Keramikmaterial zeigt gesteigerte Härte und demgemäß ausgezeichnete Verschleißfestigkeit^ wenn es zusammen mit dem erwähnten J3 -Sialon eine Verbindung enthält, die erhalten wird, indem man einen Teil des Si und einen Teil des N, welche das Kristallgitter VOnCt-Si₃N₄ bilden durch Al bzw. 0 ersetzt und die auchwenigstens ein Element aus der Gruppe Li, Na, Ca, Mg, Y und seltene Erdelemente (diese Elemente werden hiernach allgemein mit ¹¹M" bezeichnet) enthält, worin M im Kristallgitter

interstitiell in Form einer festen Lösung enthalten ist, also ein (X,~Sialon ausgedrückt durch die chemische Formel M (Si, Al)₁₂(O, N)₁₀, worin χ größer als 0 jedoch nicht größer als 2 ist;

b) "wenn ein Keramikmaterial, das sowohl öc-Sialon als auch ß>-Sialon ,wie oben erwähnt^ und außerdem wenigstens einen eine kombinierte Phase bildenden Bestandteil enthält, der ausgewählt ist aus der Gruppe Oxide und Nitride irgendeines der oben angegebenen Elemente M, Si oder Al (diese Verbindungen werden hiernach allgemein als "die Metallverbindungen¹¹ bezeichnet ),so hat ein solcher eine kombinierte Phase bildender Bestandteil, oder solche Bestandteile, die im Keramikmaterial enthalten sind, einen genügend niedrigen Schmelzpunkt und bildet daher während des Sinterns des Keramikmaterials eine flüssige Phase, um das Sintern zu begünstigen. Außerdem liegt im gesinterten Keramikmaterial der eine kombinierte Phase bildende Bestandteil (oder diese Bestandteile) in einem glasartigen oder kristallinen Zustand an der Korngrenze des Sialons vor, und verdichtet das gesinterte Keramikmaterial und steigert demgemäß dessen Härte;

c) wenn .ein Keramikmaterial auf Sialon-Basis, das im wesentlichen aus Oc—Sialon, Ji-Sialon und wenigstens einer der oben in b) angegebenen Metallverbindungen besteht, weiter wenigstens einen Bestandteil mit kubischer Struktur enthält, der ausgewählt ist aus der Gruppe der Carbide, Nitride, Oxide irgendeines der Metalle der Gruppen 4a, 5a und 6a des periodischen Systems, ausgenommen Cr, und eine feste Lösung von wenigstens zwei dj=ser Verbindungen (diese Verbindungen werden hiernach allgemein "die Verbindungen mit kubischer Struktur^lfgenannt)_; so zeigt das Keramikmaterial auf Sialon-Basis gesteigerte Oxidationsbeständigkeit sowie gesteigerte Härte und demgemäß weiter verbesserte Verschleißfestigkeit. Außerdem zeigt es als eine Matrix eine stärkere Bindung an eine harte Überzugsschicht, die hiernach näher

35 beschrieben ist;

d) wenn auf eine Oberfläche einer Matrix des Keramikmaterials auf Sialon-Basis , das im wesentlichen aus Oc-Sialon_/ β-Sialon, wenigstens einer der Verbindungen mit kubischer

Struktur und wenigstens einer der Metallverbindungen als eine eine kombinierte Phase bildender Bestandteil , wie oben in c) angegeben, besteht, eine harte Überzugsschicht gebildet wird, die aus einer Schicht von wenigstens einem Bestandteil oder Schichten von wenigstens zwei Bestandteilen ausgewählt aus der ^Gruppe Carbide, Nitride, Carbo-Nitride, Carbo-Oxide und Carbo-Nitro-Oxide von Ti, Zr oder Hf (diese Verbindungen werden hiernach allgemein "die Verbindungen der Gruppe 4a-Metalle" genannt), besteht,

TO zeigt das oberflächenbeschichtete Keramikmaterial auf Sialon-Basis weiter gesteigerte Verschleißfestigkeit und

e) wenn weiter auf der aus wenigstens einer der Verbindungen von Gruppe 4a-Metallen , wie oben unter d) angegeben _t gebildeten harten Überzugsschicht eine zweite harte Überzugsschicht gebildet wird, die aus einer Schicht von einem Bestandteil oder Schichten von zwei Bestandteilen ausgewählt aus der Gruppe Oxid und Nitro-Oxid von Al (diese Verbindungen werden hiernach allgemein als "die Al-Verbindungen" bezeichnet) gebildet wird, zeigt das erhaltene mehrfach beschichtete Keramikmaterial auf Sialon-Basis ausgezeichnete Verschleißfestigkeit, besonders beim spanenden Schnellschneiden von Gußeisen.

Die Erfindung beruht auf den angegebenen Erkenntnissen.

Erfindungsgemäße Keramikmaterialien haben die oben angegebenen chemischen Zusammensetzungen.

In erfindungsgemäßen Keramikmaterialien auf Sialon-Basis ist das Volumenverhältnis ( ά./β ) des oc-Sialon/ (i-Sialon auf einen Bereich von 5/95 bis 95/5 begrenzt.

Wenn das Verhältnis des (X-Sialons unter 5 liegt, kann die geforderte gesteigerte Härte des Keramikmaterials nicht erhalten werden. Wenn dagegen das Verhältnis des (X-Sialons 95 übersteigt, verschlechtert sich die Sinterbarkeit des Keramikmaterials. Die besten ίErgebnisse der Steigerung der Härte und Verschleißfestigkeit können erhalten werden, wenn das Volumenverhältnis OL-Sialon/ ß-Sialon in einem Bereich von 25/75 bis 95/5 liegt.

Das fo -Sialon, dem wie oben erwähnt die chemische Formel Si,- Al 0 N₀ zukommt, muß hinsichtlich ζ die

Ο*—Z» Z Z Ö™"Z

Bedingung erfülten 0<z^4,3 , da keine Zusammensetzung des P-Sialons mit einem Wert von ζ über 4,3 existieren kann. Selbst im angegebenen Bereich können bei einem großen Wert von ζ in den erhaltenen Keramikmaterialien große Poren gebildet werden, und auch die Festigkeit der erhaltenen Keramikmaterialien nimmt ab. Daher sollte der Wert von ζ zweckmäßigerweise größer als 0, jedoch nicht

10 größer als 2,0 sein.

Das (X-Sialon, dem wie oben erwähnt die chemische Formel M (Si, Al)₁₂(O, N)₁₆ zukommt, muß hinsichtlich des Wertes von χ die Bedingung erfüllen 0<χΐ?2, da bei einem Wert von χ über 2 das M Löcher zwischen den Atomen im

1 5 Kristallgitter nicht vollständig in Form einer festen Lösung ausfüllen kann. Das Verhältnis zwischen Si, Al,

0 und N ist veränderlich in Abhängigkeit der Art des M und des Wertes von χ und nimmt einen solchen Wert an, daß die positiven und negativen Wertigkeiten einander gleich sind.

Der Gehalt an der oben angegebenen eine kombinierte Phase bildenden Komponente ist auf einen Bereich von 1 bis 20 Volumen-Prozent begrenzt. Wenn dieser Gehalt unter

1 Volumen-Prozent liegt, können die Keramikmaterialien nicht die gewünschte höhe Dichte haben, während ein Gehalt von über 20 Volumen-Prozent zu einer verringerten Festigkeit der Keramikmaterialien führt. Die besten Ergebnisse können erhalten werden, wenn dieser Gehalt in einem Bereich von 2 bis 10 Volumen-Prozent liegt.

Der Gehalt an den erwähnten Verbindungen mit ku-

30 bischer Struktur ist begrenzt auf einen Bereich von 3

bis 30 Volumen-Prozent. Wenn der Gehalt unter 3 Volumen-Prozent liegt, können die Keramikmaterialien nicht die oben erwähnten erwünschten Eigenschaften haben, während bei einem Gehalt von über 30 Volumen-Prozent die ausgezeichnete Verschleißfestigkeit, Wärmeschockbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit von sowohl (χ,-Sialon als auch (3-Sialon nicht im erforderlichen Ausmaß erreicht

werden, was zum Auftreten von Rissen aufgrund von Wärmeschocks führen kann, welche leicht zum Splittern des Werk-Stoffs führen können.

Die mittlere Schichtdicke der erwähnten harten Überzugsschicht der Verbindungen der Gruppe 4a-Metalle liegt zweckmäßigerweise innerhalb eines Bereichs von 0,5 bis 10 /um. Wenn die Schichtdicke unter 0,5 /Um liegt, können die Keramikmaterialien nicht die gewünschte Verschleißfestigkeit erreichen, währendbei über 10 /um Splittern in der Überzugsschicht auftreten kann, was die Lebensdauer der Keramikmaterialien verkürzt, Die besten Ergebnisse können erhalten werden, wenn diese mittlere Schichtdicke in einem Bereich von 1 bis 5 /Um liegt.

Die mittlere Schichtdicke der erwähnten zweiten har-5 ten Überzugsschicht der A!-Verbindungen sollte vorzugsweise in einem Bereich von 0,5 bis 5 /um liegen. Wenn diese mittlere Schichtdicke unter 0,5 /um liegt, kann das Keramikmaterial nicht die oben erwähnten gewünschten Eigenschaften erreichen, während bei einer Schichtdicke über 5 /um keine weitere Verbesserung erhalten wird, was nicht nur unwirtschaftliche ist sondern auch zum Absplittern führen kann. Die besten Ergebnisse werden erhalten, wenn diese mittlere Schichtdicke in einem Bereich von 0,5 bis 3 /um liegt.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen oberflächenbeschichteten Keramikmaterialien auf Sialon-Basis für Werkzeuge werden beispielsweise zuerst die folgenden Ausgangspulver hergestellt:

I,- Pulver von Verbindungen zur Bildung von Oi-Sialon und β -Sialon, welche irgendwelche der folgenden Kombinationen a) bis c) sein können:

a) Pulver von Si„N. + Pulver von A1₂O„ + Pulver von AlN;

b) Pulver von Si„N. + Pulver von SiO_? + Pulver von AlN;

c) Pulver von Si„ON + Pulver von AlN;

II.Pulver der Verbindungen mit kubischer Struktur und

III.Pulver von Verbindungen von Metallen als eine kombinierte Phase bildende Bestandteile.

Das erwähnte Si„Ν- sollte vorzugsweise einen hohen Gehalt: an öl -Phase aufweisen.

Diese Ausgangspulver werden zu einer vorbestimmten Zusammensetzung gemischt. Das Mischungsverhältnis soll so gewählt sein, daß die Verhältnisse von Al und N größer als die aus der chemischen Formel des ß-Sialons berechneten sind, sind. Die zusammengegebenen Pulver werden gemischt und feinst zerkleinert (mikronisiert), und die erhaltene Mischung wird dann .bei einer Temperatur im Bereich von 1550 und 1800° C beiß gepreßt. Stattdessen kann ein aus der Mischung hergestellter grüner Preßling bei einer Temperatur im gleichen Bereich gesintert werden.

Wenn ein solcher grüner Preßling während des Sinterns direkt der Atmosphäre ausgesetzt wird, kann die von der 5 Hitze beeinflußte Oberflächenschicht des erhaltenen gesinterten Keramikmaterials eine erhöhte Dicke haben. Daher sollte vorzugsweise ein solcher grüner Preßling während des Sinterns in SiJtf. eingebettet sein. Weiter sollte das Sintern in einer N₂-haltigen Atmosphäre durchgeführt werden, um die Zersetzung des SiJ während des Sinterns zurückzudrängen. Vorzugsweise kann die Gasatmosphäre nur aus N_p bestehen, obgleich stattdessen ein Gasgemisch von N_ und H_ oder N₂ und Ar verwendet werden kann. Der Druck der Gasatmosphäre kann vorzugsweise auf 1 at (1OOO mbar) gegebenenfalls jedoch auch auf etwa'0,9 at (880 mbar) eingestellt werden. Obgleich bei einer besonders bevorzugten Verfahrensweise dieser Druck auf einen Wert über 1 at ( 1 bar) eingestellt werden kann, wird dann ein spezieller Sinterofen benötigt. Die Sintertemperatur sollte im Bereich von 1550 bis 1800° C liegen, wie erwähnt , und besonders bevorzugt im Bereich von1650 bis 17 50° C.

Weiter können die so gesinterten Keramikmaterialien falls erforderlich einem Heißsintern unter hydrostatischen Druck unterworfen werden , um die Keramikmaterialien zu ver-

3 5 dichten.

Um eine harte Überzugsschicht der erfindungsgemäßen oberflächenbeschichteten Keramikmaterialien auf

Sialon-Basis zu bilden, kann ein übliches Verfahren, wie chemisches oder physikalisches Aufdampfen verwendet werden. Vorzugsweise wird das chemische Aufdampfen verwendet, da es vorteilhafter ist, um den Grad der Bindung zwischen der Matrix und der harten Schicht zu erhöhen.

Die Erfindung wird durch die folgenden Ausführungsbeispielßder Herstellung der Keramikmaterialien erläutert. Beispiel 1

Die folgenden Ausgangspulver wurden hergestellt: i) Pulver von Si₃N. mit einem OC-Phasengehalt von 90 Volumen-Prozent und einer mittleren Korngröße von 0,8 /um; Pulver von Od-Al₃O₃ mit einer mittleren Korngröße von 0,6/um; Pulver von AlN mit einer mittleren Korngröße von 1,5 /um, als die Sialon-bildenden Bestandteile; 5 II) Pulver von CaO mit einer mittleren Korngröße von 0,8 /um;

Pulver von MgO mit einer mittleren Korngröße von 0,6 ,van, Pulver von Er₂O₃ mit einer mittleren Korngröße von 1,1 /um, Pulver von Li₂O, Pulver von Na₃O, Pulver von Y₃O₃,Pulver von La₂O₃ und YN, sämtlich mit einer mittleren Korngröße von 1,0 /um als die Metallverbindungen, welche eine kombinierte Phase bildende Bestandteile sind; und

III) Pulver von TiC, von TiN,Pulver von ZrC, von HfC, von NbC, von TaN, von (Ti₀ gV_{0 2})C₀ ^N₀ ^, von

⁽ⁱ⁵

^(TiO,7^WO,3^)CO,5^NO,5' ^{VOn (Ti}0,7^M0,3^)C ^imd ^{Von TiC}0,3^N0,6°0,1 ' sämtlich mit einer mittleren Korngröße von 0,9/Um als

die Verbindungen mit kubischer Struktur.

Diese Ausgangspulver wurden vereinigt zu den in Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzungen. Jedes der vereinigten Pulver wurde gemischt und in einer Naß-Kugelmühle 72 Stunden feinst gemahlen (mikronisiert), dann getrocknet und in eine Heißpreßform aus Graphit gegeben. In der Graphitform wurde jede der erhaltenen Mischungen dem Heißpreßsintern an der Atmosphäre unter einem Druck von 196 bar bei einer Temperatur von 1700° C T Stunde lang unterworfen, um eine erfindungsgemäße Keramikmatrix auf Sialon-Basis zu erhalten.

Dann wurde jede der erfindungsgemäßen Matrices hinsichtlich Härte (Rockwell-Härte: Α-Skala) geprüft und ihr Volumenverhältnis ot-Sialon/ß-Sialon mittels mikroskopischer Untersuchung und Röntgenstrahl-Beugung untersucht. Die Matrices wurden dann zu Schneideinsätzen nach SNGN 432 zerschnitte^ und die Schneideinsätze wurden jeder geschliffen und poliert. Dann wurden die Schneideinsätze jeder in einem Reaktionsrohr aus Inconel mit einem Durchmesser von 180 mm erhitzt, während gleichzeitig eine Reaktionsgasmischung in das Inconel-Reaktionsrohr eingeführt wurde,die eine Zusammensetzung entsprechend der Zusammensetzung einer zu bildenden harten Überzugsschicht hatte, wie in Tabelle 2 angegeben. Das Erhitzen wurde bei Atmosphärendruck und einer Reaktionstemperatur von 1000° C durchgeführt, um harte Überzugsschichten der Verbindungen der Gruppe 4a-Metalle zu bilden, unter einem verringerten Druck von 133 mbar (lOOtorr) bei einer Reaktionstemperatur von 1000° C durchgeführt, um harte Überzugsschichten von Al₂O₃ zu bilden, und unter einem verringerten Druck von 0,66 mbar (0,5 torr) bei einer Temperatur von 800° C durchgeführt, um harte Überzugsschichten von AlNO zu bilden. Die Behandlungszeit lag jeweils in einem Bereich von 5 bis 30 Stunden, je nach der mittleren Schichtdicke. So wurden die harten Überzugsschichten mit den Zusammensetzungen und mittleren Schichtdicken wie in Tabelle 1 angegeben über den Oberflächen der aus den Matrices geschnittenen Schneideinsätze gebildet, um die oberflächenbeschichteten Schneideinsätze No. 1 bis 20 als erfindungsgemäße oberflächenbeschichtete Keramikmaterialien auf Sialon-Basis für Werkzeuge zu erhalten.

Dann wurden die erfindungsgemäßen oberflächenbeschich-

teten Schneideinsätze No. 1 bis 20 einer Prüfung auf Hochgeschwindigkeitsschneiden von Gußeisen unter den folgenden Bedingungen unterworfen:

bearbeitetes Material: Rundstab von Gußeisen(FC 30); Schneidgeschwindigkeit: 400 m pro Minute;

Schneidtiefe: 2,5 mm

Vorschubgeschwindigkeit: 0,3 mm pro Umdrehung; Schneidzeit: 5 Minuten;

'■23911

Bei der obigen Schneidprüfung wurde der Flankenverschleiß jedes Schneideinsatzes gemessen. Die Meßergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1 zeigt auch die Ergebnisse einer anderen Schneidprüfung, die unter den gleichen Bedingungen wie oben an Schneideinsätzen durchgeführt wurde, die aus handelsüblichen Keramikmaterialien auf AIJD„-Basis geschnitten waren (hiernach bezeichnet als "die üblichen Schneideinsätze No. 1 und 2).

Tabelle 1 zeigt, daß die erfindungsgemäßen Schneideinsätze No. 1 bis 20 ausgezeichnete Verschleißfestigkeit und demgemäß eine lange Lebensdauer als Schneidwerkzeuge aufweisen, während die üblichen Schneideinsätze No. 1 und 2 infolge ungenügender Zähigkeit splitterten, was zeigt, daß sie zur praktischen Verwendung nicht geeignet sind. Beispiel 2

Die gleichen Ausgangspulver wie in Beispiel wurden hergestellt, und zu der folgenden Zusammensetzung vereinigt:

Si-N. 86,6 Volumen-Prozent;

Al₂O₃ 0,3 " ; 20 AlN 0,5 " ;

TiN 4,0 " ;

MgO 4,0 " ;

Zu dem vereinigten Pulver wurde Paraffin als ein Bindemittel in einer Menge von 3 Gewichts-Prozent des Gesamtgewichts der vereinigten Pulver gegeben, und das vereinigte Pulver wurde gemischt und in einer Naß-Kugelmühle 72 Stunden feinst gemahlen (mikronisiert) und dann getrocknet, Die erhaltene Mischung wurde dann unter einem Druck von 1176 bar zu einem grünen Preßling gepreßt. Der grüne Preßling wurde im Vakuum bei einer Temperatur von 800° C 1 Stunde erhitzt und dann eingebettet in Si_N .-Pulver in einer Atmosphäre von Stickstoff(N₂)gas bei 1 ,bar (1 at) Druck und einer Temperatur von 1750 C 2 Stunden lang gesintert,um eine erfindungsgemäße Keramikmatrix auf Sialon-Basis zu erhalten. Aus der Matrix wurde ein Schneideinsatz hergestellt und unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 bearbeitet und dann einer Beschichtung mit einer harten

tiberzu'jsschicht unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 unterworfen, wodurch seine Oberfläche mit einer harten Überzugsschicht von TiCO mit einer mittleren Schichtdicke von 5 /um beschichtet wurde, um den erfindungsgemäßen oberflächenbeschichteten Schneideinsatz No. 21 zu erhalten.

Der erfindungsgemäße Schneideinsatz No. 21 und zum Vergleich ein üblicher Schneideinsatz No. 3 , ein Handelsprodukt, dessen Zusammensetzung A1₂O„-3O Volumen-Prozent TiC ist, wurden dann einer Schneidprüfung unter den folgenden Bedingungen unterworfen:

bearbeitetes Material: Kraftfahrzeugscheibenbremse

aus Gußeisen (FC 25); Schneidtiefe: 3 mm;

Vorschubgeschwindigkeit: 0,5 mm pro Umdrehung; Schneidgeschwindigkeit: 600 m pro Minute; Schneidöl: nicht verwendet;
reine Schneidzeit: 15 Sekunden pro Stück. Bei der obigen Schneidprüfung wurde festgestellt, wieviele Stücke abgedreht worden waren, bevor die wirksame Lebensdauer des erfindungsgemäßen oberflächenbeschichteten Schneideinsatzes No. 21 bzw. des üblichen Schneideinsatzes No. 3 endete. Der erfindungsgemäße Schneideinsatz No. 21 konnte 150 Stücke schneiden, der übliche Schneideinsatz No. 3 dagegen nur 50 Stücke.
Beispiel 3

Zwei weitere Schneideinsätze wurden aus der in Beispiel 2 hergestellten Keramikmatrix auf Sialon-Basis geschnitten und unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 weiter bearbeitet. Auf den Oberflächen dieser Schneideinsätze wurde eine harte Überzugsschicht von ZrN mit einer mittleren Schichtdicke von 8 /um und eine harte Überzugsschicht von HfN mit einer mittleren Schichtdicke von 6 /um abgeschieden, um die erfindungsgemäßen oberflächenbeschichteten Schneideinsätze No. 22 und 23 zu erhalten. Die harte Überzugsschicht aus ZrN wurde auf der Oberfläche des Schneideinsatzes No. 22 unter einem Druck

von 266 mbar im Reaktionsrohr bei einer Temperatur von 1050 C und mittels eines Reaktionsgasgemisches mit der Zusammensetzung 92 Volumen-Prozent H_> 2 Volumen-Prozent ZrCl. und 6 Volumenprozent N_ gebildet. Die harte Überzugsschicht aus HfN wurde auf der Oberfläche des Schneideinsatzes No2.$ unter einem Druck von 266 mbar (200 torr) im Reaktionsrohr bei einer Temperatur von 1070 C und mittels eines Reaktionsgasgemisches mit der Volumenzusammensetzung 92 Prozent H₂, 2 Prozent HfCl₄, 6 Prozent N₂ hergestellt.

Die so erhaltenen oberflächenbeschichteten erfindungsgemäßen Schneideinsätze No. 22 und 23 mit der harten ZrN- bzw. HfN-Überzugsschicht wurden einer Schnellschneidprüfung an Gußeisen unter den folgenden Bedingungen unterworfen :

bearbeitetes Material: Rundstab von Gußeisen (FC 30); Schnittiefe: 2,5 mm

Schnittgeschwindigkeit: 400 m pro Minute Vorschubgeschwindigkeit: 0,3 mm pro Umdrehung Schneidzeit: 5 Minuten

Bei der obigen Schneidprüfung wurde der Flankenverschleiß jedes Schneideinsatzes gemessen. Die Ergebnisse waren 0,31 mm für den Schneideinsatz No. 22 und 0,18 mm für den Schneideinsatz No. 23, was zeigt, daß beide Schneideinsätze ausgezeichnete Verschleißfestigkeit aufweisen.

Wie oben angegeben zeigen die erfindungsgemäßen oberflächenbeschichteten Keramikmaterialien auf Sialon- Basis für Werkzeuge ausgezeichnete Verschleißfestigkeit. Sie können daher eine ausgezeichnete Leistung als schneidende und spanabhebende Werkzeuge während langer Zeit erbringen.

Zusammensetzung der Matrix

Si₁₃N₁

Al₉O.

AlN

Vkrtdnlungen

Bestandteile,

Matrix

Hart«

Harte Überzugsschicht von

Schicht

A1-Verb in dun gen

Dicke

Flanken

-

0,18

3 4

d j

■mit

die eine

Gruppe 4a-Metall-

dicke

Zusammen

ver

-

0,17 ι

Probe

kubischer

kcmbiiiete

Ver

verbindungen

setzung

schleiß

1

0,13 -

Struktur

Phase
bilden

hält

(H_RA)

Zusammen

(^, um)

(/um)

4

0,10

81 ,8

0,2

3,0

nis

setzung

5

-

0,15

(Volumen-Prοζent)

α/β

1

-

0,16

TiC:10

MgO: 5

93-5

9,5

-

(mm)

A 1

TiC

5

-

0,15

A 2

87,9

0,1

6,0

70/30

TiCN

5

-

0,22

-

0,18

A 3

77,7

0,3

7,5

TiCN

5

Al₂O₃

A 4

ZrC: 4

CaO: 2

93.4

TiN

5

Al₂O₃

A 5

TaN: 12

Li₂CC2, 5

93.3

TiN

5

- ;■

A 6

75,8

0,2

7,0

80/20

TiN

-

A 7

50/50

TiCNO

2

—

0,17

A 8

(Ti,W)CN:

Y₂O₃:7

93,3

TiC

10

TlC

3

-

40/60

Innen-

A ₉

80,0

—

6,0

schicht

TiC

3 -

HfC:7

Er₂O₃: 7

92,9

Außen

schicht

2

-

90/10

TiCN

Ä 10

Innen

schicht

.

TiCNO

Außen

schicht

Proben A = Erf indungsgemäße Sehneid-einsätze mit Oberflächenbeschich tung -

Proben B = übliche Schneideinsätze

OJ GD

TABELLE 1-1

Probe	Zusammensetzung der Matrix (Volumen-Prozent)	Al₂O,	AlN	.■Vferfcdniungen 'flirt ■ !kubischer S truktur	Bestandtsite, die eine kcmbiiiarte Phase bilden	Matrix	Härte (H_RA)	Harte Überzugss« Gruppe 4a-Metall- verbindungen	Schicht dicke (/um)	2	knickt von A1-Verbindungen	Dicke (/um)	Flanken- ver- · schleiß
-	Si₃N₄	0,7	8,5	(Ti,V)CN: 3,5	Na₂0:1 MgO: 5	Ver hält nis «/β	93,2	Zusammen-? Setzung	1	4 2	Zusammen setzung	1	(mm)
A 11	81 ,3	-	9,5			15/85		TiCO	2	4 2	Al₂O₃	-	0,11
	69,0	0,7	8,0	NbC:4,5	MgO: 5 Y_0.:12	85/15	92,7	TiC Innen schicht	TiCN Zwischen- 3 schicht	-	-
A 12	68,3	0,1	7,0			94/6		TiN Außen schicht	-	-	0,19
	79,9	(Ti,Mo)C: 10	MgO: 5 Y₂O₃:8	60/40	92,7	TiC Innen schicht	-
A 13	(Ti,W)CN: 5	La₂O₃: 3 ^Y2°3^:5	93,0	TiCN Außen schicht	0.1 5
A 14	TiC Innen schicht	0,14
TiCNO Außen schicht

hO CO CO

TABELLE 1-2

Probe	Zusammensetzung der Matrix (Volumen-Prozent)	Al₂O₃	AlN	"\fcrfcdniungen flirrt kibischer Struktur	Bestandteile, die eine kcmbiiieTte Phase bilden	Matrix	Hart© (H_RA)	Harte Überzugsst Gruppe 4a-Metall- verbindungen	Schicht dicke ( ,um)	:hicht von A1-Verbindungen	Dicke (/um)	—	Flanken ver schleiß
	Si₃N₄	0,4	6,0	(Ti,W)CN: 10	La₂O₃:3 Y₂O₃ : 5	Ver hält nis α/β	92,8	Zusammen setzung	3 1	Zusammen setzung	2	(mm)
A 1 5	75,6	0,4	5,0	(.Ti,WJCN: 20	La₂O₃:3 Y₂O₃:5	15/85	92,7	TiC Innen schicht	5	Al₂O₃	1	0,17
A 16	66,6	0,3	4,5	(Ti,W)CN: 30	La₂O₃:3 Y₂O₃:5	5/95	92,6	TiCO Außen schicht	2	AlNO	-	0,15
A 17	57,2	0,1	5,0	TiCN0:10	MgO: 3 Y₂O₃:3	10/90	93,3	TiC	2	-	-	0,18
A 18	78,9	0,3	8,0	TiCN0:10	YN:5 MgO: 3	50/50	93,5	TiCO	1	-	-	0,20
A 19	75,7	0,3	8,0	TiN:10	YN : 5 MgO: 3	20/80	93,3	TiC	9	-	—	0,23
A 20	75,7	Al₂O₃ - 0,5 % MgO ' Al₂O₃ - 25 % TiC	15/85	93,0 93,7	TiC	-	0,18
B 1 B 2	-	TiC	splittert splittert

TABELLE 1-3

NJ OO CD

Zusammensetzung der	Überzugs-	TiC	Zusammensetzung der Reaktionsgasgemische (Volumen-Prozent)	TiCl₄ CH₄	CO	^N2	AlCl₃	co₂
harten	schichten			2 2
I H	TiN
H		H₂	2	_	6	_	_
+J S	^TiC0,2^N0,ö	96
ω ω	^TiCo,5°O,5		2 1	-	5	-	-
4a-M idung	^TiCO,2^NO,6°O,₂	92	2	1	—	—	—
ω η (X X3	Al₂O₃		2	1	5	—	—
Grup Ver	AlNO	92	_	• -	■-	2	3
I H		97	- -	-	-	3	2
-Vert ngen	92
H 3 < Ό	95
90

TABELLE 2

NJ CO CD

Claims

Patentansprüche

(T) Oberflächenbeschichtetes Keramikmaterial auf Sialon-Basis für Werkzeuge, gekennzeichnet, durch eine Keramikmatrix auf Sialon-Basis, im wesentlichen bestehend aus

a) 3-30 Volumenprozent von wenigstens einem Carbid, Nitrid, Oxid irgendeines der Metalle der Gruppen 4a, 5a und 6a des periodischen Systems,ausgenommen Cr, und/oder einer festen Lösung von wenigstens zwei dieser Carbide, Nitride und Oxide,

b) 1 bis 20 Volumenprozent von wenigstens einer eine kombinierte Phase bildenden Komponente aus der Gruppe Oxide und Nitride von Li, Na, Ca, Mg, Y, seltene Erdelemente, Si'oder Al und

c) Rest ß-Sialon entsprechend einer chemischen Formel

Si,- „Al„0 Nq , wobei ζ größer als O, jedoch nicht größer

O—Z Z Z ö—Z

5 als 4,3 ist, und a-Sialon entsprechend einer chemischen Formel M„(Si, Al)₁₂(O, N)₁₆, worin χ größer als O jedoch nicht größer als 2 ist und M wenigstens ein Element aus der Gruppe Li, Na, Ca, Mg, Y und seltene Erdelemente bedeutet, und unvermeidbare Verunreinigungen, wobei das Volumenverhältnis von Ot-Sialon/ß-Sialon im Bereich von 5/95 bis 95/5 liegt; und

wenigstens eine auf einer Oberfläche der Matrix gebildete harte Überzugsschicht, die gebildet ist aus wenigstens einer Verbindung aus der Gruppe Carbide, Nitride, Carbonitride, Carbo-Oxide und Carbo-Nitro-Oxide von Ti, Zr oder Hf.
2. Oberflächenbeschichtetes Keramikmaterial auf Sialon-Basis für Werkzeuge nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wenigstens eine zweite harte Überzugs schicht, die auf einer Oberfläche der ersten harten Überzugsschicht gebildet ist, wobei die zweite harte Überzugsschicht im wesentlichen besteht aus wenigstens einem Oxid oder Nitro-Oxid von Al und worin die erste harte .Überzugsschicht als eine Zwischenschicht vorhanden ist, während die zweite harte Überzugsschicht als eine Oberflächenschicht vorhanden ist.
3. Oberflächenbeschichtetes Keramikmaterial auf Sialon-Basis für Werkzeuge nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die angegebene erste harte Überzugsschicht eine mittlere Dicke im Bereich von 0,5 bis 10 ,um hat.
4. Oberflächenbeschichtetes Keramikmaterial auf Sialon-Basis für Werkzeuge nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die angegebene zweite harte Überzugsschicht eine mittlere Dicke im Bereich von 0,5 bis 5 /um hat.
5. Oberflächenbeschichtetes Keramikmaterial auf Sialon-Basis für Werkzeuge nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumenverhältnis von Q£-Sialon/p>Sialon im Bereich von 25/75 bis 95/5 liegt.
6. Oberflächenbeschichtetes Keramikmaterial auf Sialon-Basis für Werkzeuge nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ζ größer als 0 ist jedoch nicht größer

25 als 2,0 ist.
7. Oberflächenbeschichtetes Keramikmaterial auf Sialon-Basis für Werkzeuge nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Bestandteil oder die Bestandteile (b), die eine kombinierte Phase bilden, in einer Menge von

30 2 bis 10 Volumenprozent vorhanden sind.