DE3423911C2

DE3423911C2 -

Info

Publication number: DE3423911C2
Application number: DE3423911A
Authority: DE
Inventors: Taijiro Sugisawa; Teruyoshi Tokio/Tokyo Jp Tanase
Original assignee: Mitsubishi Metal Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1983-06-30
Filing date: 1984-06-28
Publication date: 1987-06-04
Also published as: JPS6011288A; US4539251A; DE3423911A1; JPS6348836B2

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft Keramikkörper auf Sialon- Basis für Werkzeuge, deren Oberflächen mit einer harten Schicht überzogen sind, und besonders oberflächenbeschichtete Keramikmaterialien auf Sialon-Basis für Werkzeuge, welche 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 "Si₃N₄") eine Verbindung mit einer starken kovalenten Bindung ist. Daher wurden viele Keramikmaterialien dieses Typs üblicherweise durch Heißpressen hergestellt. Beim üblichen Heißpreß-Verfahren kann man jedoch aus Keramikmaterialien auf Si₃N₄-Basis nur schwer Produkte mit komplizierter Formgebeung erhalten, und das Verfahren liefert nur geringe Ausbeute. Es wurden auch Versuche unternommen, in Schneidwerkzeugen und anderen verschleißfesten Werkzeugen Keramikmaterialien auf Sialon-Basis zu verwenden, welche eine höhere Sinterbarkeit als Si₃N₄ 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 ein Teil des N im Kristallgitter des β-Si₃N₄ durch Al bzw. bzw. 0 ersetzt wird, nämlich b-Sialon, das ausgedrückt wird durch eine chemische Formel Si_6-zAl_zO_zN_8-z, worin 0 < z ≦ 4,3. Solche Keramikmaterialien 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 Werzeugen verwendet werden.

Aus der US-PS 42 52 768 ist ein keramisches Material bekannt, das ein Carbid als disperse Phase enthält, wobei das Carbid ausgewählt ist aus den Carbiden von Ti, Zr, Hf, Ta, V, W und Si, um die Verschleißfestigkeit des Materials zu erhöhen. Das keramische Material selbst besteht aus Si₃N₄, Al₂O₃, AlN, Y₂O₃ und Cr₂O₃ mit einem bestimmten Molverhältnis, wobei die Komponenten in einer Feststofflösung vorliegen. Der nach den Angaben dieser Schrift berechnete Anteil an α-Sialon kann dabei höchstens 10 Vol.-%, bezogen auf die Summe von α- und β-Sialon betragen.

Die DE-OS 30 03 353 betrifft ein beschichtetes Sintercarbidprodukt, das auf einem Sintercarbidgrundwerkstoff eine Zwischenschicht aus Hafniumnitrid, Titannitrid, Zirkoniumnitrid und/oder Titannitrid-Titancarbid und auf dieser Zwischenschicht einen vollkommen dichten Überzug aus Hafniumcarbonitrid oder Zirkoniumcarbonitrid aufweist.

Zum Stand der Technik gehört die ältere Anmeldung P 34 14 979.1-45, die einen Keramikkörper auf Sialon-Basis betrifft, wie er im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrieben ist.

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 oberflächenbeschichteter Keramikkörper auf Sialon-Basis für Werkzeuge mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Vorzugsweise hat die angegebene harte Überzugsschicht eine mittlere Schichtdicke im Bereich von 0,5 bis 10 µm.

Weiter kann das angegebene oberflächenbeschichtete Keramikmaterial auf Sialon-Basis für 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 Alumniumoxid und Aluminiumnitro-Oxid 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 µm.

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 β-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 β-Sialon eine Verbindung enthält, die erhalten wird, indem man einen Teil des SI und einen Teil des N, welche das Kristallgitter von α-Si₃N₄ bilden, durch Al bzw. 0 ersetzt und die auch wenigstens ein Element aus der Gruppe Li, Na, Ca, Mg, Y und seltene Erdelemente (diese Elemente werden hiernach allgemein mit "M" bezeichnet) enthält, worin M im Kristallgitter interstitiell in Form einer festen Lösung enthalten ist, also ein α-Sialon ausgedrückt durch die chemische Formel Mx(Si, Al)₁₂(O, N)₁₆, worin x größer als 0 jedoch nicht größer als 2 ist;
b) wenn ein Keramikmaterial, daß sowohl a-Sialon als auch β-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 Metallverbindungen" 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 α-Sialon, β-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 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo und W und eine feste Lösung von wenigstens zwei dieser Verbindungen (diese Verbindungen werden hiernach allgemein "die Verbindungen mit kubischer Struktur" genannt), 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 beschrieben ist;
d) wenn auf einer Oberfläche einer Matrix des Keramikmaterials auf Sialon-Basis, das im wesentlichen aus α-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, 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, 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, zweigt das erhaltene mehrfach beschichtete Keramikmaterial auf Sialon- Basis ausgezeichnete Verschleißfestigkeit, besonders beim spanenden Schnellschneiden von Gußeisen.

Die Erfindung beruht auf den angegebenen Erkenntnissen

Erfindungsgemäße Keramikkörper haben die oben angegebenen chemischen Zusammensetzungen.

In erfindungsgemäßen Keramikkörpern auf Sialon- Basis ist das Volumenverhältnis (α/β) des α-Sialon/ β-Sialon auf einen Bereich von 25/75 bis 25/9 begrenzt. Wenn das Verhältnis des α-Sialons unter 25 liegt, kann die geforderte gesteigerte Härte des Keramikmaterials nicht erhalten werden. Wenn dagegen das Verhältnis des α-Sialons 95 übersteigt, verschlechtert sich die Sinterbarkeit des Keramikmaterials.

Das β-Sialon, dem wie oben erwähnt die chemische Formel Si_6-zAl_zO_zN_8-z zukommt, muß hinsichtlich z die Bedingung erfüllen 0 < z ≦ 4,3, da keine Zusammensetzung des β-Sialons mit einem Wert von z über 4,3 existieren kann. Selbst im angegebenen Bereich können bei einem großen Wert von z in den erhaltenen Keramikmaterialien große Poren gebildet werden, und auch die Festigkeit der erhaltenen Keramikmaterialien nimmt ab. Daher sollte der Wert von z zweckmäßigerweise größer als 0, jedoch nicht größer als 2,0 sein.

Das β-Sialon, dem wie oben erwähnt die chemische Formel M_x(Si, Al)₁₂(O, N)₁₆ zukommt, muß hinsichtlich des Wertes von x die Bedingung erfüllen 0 < x ≦ 2, da bei einem Wert von x über 2 das M Löcher zwischen den Atomen im Kristallgitter nicht vollständig in Form einer festen Lösung ausfüllen kann. Das Verhältnis zwischen Si, Al, O und N ist veränderlich in Abhängigkeit der Art des M und des Wertes von x 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 hohe 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 kubischer 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 α-Sialon als auch β-Sialon nicht im erforderlichen Ausmaß erreicht werden, was zum Auftreten von Rissen aufgrund von Wärmeschocks führen kann, welche leicht zum Splittern des Werkstoffs 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 µm. Wenn die Schichtdicke unter 0,5 µm liegt, können die Keramikmaterialien nicht die gewünschte Verschleißfestigkeit erreichen, während bei über 10 µm 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 µm liegt.

Die mittlere Schichtdicke der erwähnten zweiten harten Überzugsschicht der Al-Verbindungen sollte vorzugsweise in einem Bereich von 0,5 bis 5 µm liegen. Wenn diese mittlere Schichtdicke unter 0,5 µm liegt, kann das Keramikmaterial nicht die oben erwähnten gewünschten Eigenschaften erreichen, während bei einer Schichtdicke über 5 µm keine weitere Verbesserung erhalten wird, was nicht nur unwirtschaftlich ist sondern auch zum Absplittern führen kann. Die besten Ergebnisse werden erhalten, wenn diese mittlere Schichtdicke in einem Bereich von 0,5 bis 3 µm 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 α-Sialon und β-Sialon, welche irgendwelche der folgenden Kombinationen a) bis c) sein können:
- a) Pulver von Si₃N₄ + Pulver von Al₂O₃ + Pulver von AlN;
- b) Pulver von Si₃N₄ + Pulver von SiO₂ + Pulver von AlN;
- c) Pulver von Si₂ON₂ + 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 Si₃N₄ sollte vorzugsweise einen hohen Gehalt an α-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 β-Sialons berechneten sind. Die zusammengegebenen Pulver werden gemischt und feinst zerkleinert und die erhaltene Mischung wird dann bei einer Temperatur im Bereich von 1550 und 1800°C heiß gepreßt. Statt dessen 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 Hitze beeinflußte Oberflächenschicht des erhaltenen gesinterten Keramikmaterials eine erhöhte Dicke haben. Daher sollte vorzugsweise ein solcher grüner Preßling während des Sinterns in Si₃N₄ eingebettet sein. Weiter sollte das Sintern in einer N₂-haltigen Atmosphäre durchgeführt werden, um die Zersetzung des Si₃N₄ während des Sinterns zurückzudrängen. Vorzugsweise kann die Gasatmosphäre nur aus N₂ bestehen, obgleich statt dessen ein Gasgemisch von N₂ und H₂ oder N₂ und Ar verwendert werden kann. Der Druck der Gasatmosphäre kann vorzugsweise auf 1000 mbar gegebenenfalls jedoch auch auf etwa 880 mbar eingestellt werden. Obgleich bei einer besonders bevorzugten Verfahrensweise dieser Druck auf einen Wert über 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 von 1650 bis 1750°C.

Weiter können die so gesinterten Keramikmaterialien falls erforderlich einem Heißsintern unter hydrostatischem Druck unterworfen werden, um die Keramikmaterialien zu verdichten.

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 Ausführungsbeispiele der Herstellung der Keramikmaterialien erläutert.

Beispiel 1

Die folgenden Ausgangspulver werden hergestellt:

I) Pulver von Si₃N₄ mit einem α-Phasengehalt von 90 Volumen-Prozent mit einer mittleren Korngröße von 0,8 µm; Pulver von α-Al₂O₃ mit einer mittleren Korngröße von 0,6 µm; Pulver von α-Al₂O₃ mit einer mittleren Korngröße von 0,6 µm; Pulver von AlN mit einer mittleren Korngröße von 1,5 µm, als die Sialon-bildenden Bestandteile;
II) Pulver von CaO mit einer mittleren Korngröße von 0,8 µm; Pulver von MgO mit einer mittleren Korngröße von 0,6 µm, Pulver von Er₂O₃ mit einer mittleren Korngröße von 1,1 µm, Pulver von Li₂O, Pulver von Na₂O, Pulver von Y₂O₃, Pulver von La₂O₃ und YN, sämtlich mit einer mittleren Korngröße von 1,0 µm 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 (Ti_0,8V_0,2)C_0,5N_0,5, von (Ti_0,7W_0,3)C_0,5N_0,5, von (Ti_0,7M_0,3)C und von TiC_0,3N_0,6O_0,1, sämtlich mit einer mittleren Korngröße von 0,9 µm 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, 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 einer Temperatur von 1700°C 1 Stunde lang unterworfen, um eine erfindungsgemäße Keramikmatrix auf Sialon-Basis zu erhalten.

Dann wurde jede der erfindungsgemäßen Matrices hinsichtlich Härte (Rockwell-Härte: A-Skala) geprüft und ihr Volumenverhältnis α-Sialon/β-Sialon mittels mikroskopischer Untersuchung und Röntgenstrahl-Beugung untersucht. Die Matrices wurden dann zu Schneideinsätzen nach SNGN 432 (ISO: SNGN 120 408) zerschnitten, 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 bei einer Reaktionstemperatur von 1000°C durchgeführt, um harte Überzugsschichten von Al₂O₃ zu bilden, und unter einem verringerten Druck von 0,66 mbar 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. A1 bis A 14 als erfindungsgemäße oberflächenbeschichtete Keramikkörper auf Sialon-Basis für Werkzeuge zu erhalten.

Dann wurden die erfindungsgemäßen oberflächenbeschichteten Schneideinsätze No. A 1 bis A 14 einer Prüfung auf Hochgeschwindigkeitsschneiden von Gußeisen unter den folgenden Bedingungen unterworfen:

bearbeitetes Material:Rundstab von Gußeisen FC 30 (JIS); Schneidgeschwindigkeit:400 m pro Minute; Schneidtiefe:2,5 mm Vorschubgeschwindigkeit:0,3 mm pro Umdrehung; Schneidzeit:5 Minuten;

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 Al₂O₃- Basis geschnitten waren (hiernach bezeichnet als "die üblichen Schneideinsätze" No. B 1 und B 2).

Tabelle 1 zeigt, daß die erfindungsgemäßen Schneideinsätze No. A 1 bis A 14 ausgezeichnete Verschleißfestigkeit und demgemäß eine lange Lebensdauer als Schneidwerkzeuge aufweisen, während die üblichen Schneideinsätze No. B 1 und B 2 infolge ungenügender Zähigkeit splitterten, was zeigt, daß sie zur praktischen Verwendung nicht geeignet sind.

Beispiel 2

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

Si₃N₄86,6 Volumen-Prozent; Al₃O₃ 0,3 Volumen-Prozent; AlN 0,5 Volumen-Prozent; TiN 4,0 Volumen-Prozent; MgO 4,0 Volumen-Prozent;

Zu dem vereinigten Pulver wurde Paraffin als ein Bindemittel in einer Menge von 3 Gewichts-Prozent des Gesamt-Gewichts der vereinigten Pulver gegeben, und das vereinigte Pulver wurde gemischt und in einer Naß-Kugelmühle 72 Stunden feinst gemahlen 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 Si₃N₄-Pulver in einer Atmosphäre von Stickstoff(N₂)gas bei 1 bar 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 Überzugsschicht unter den gleichen Bedingungen wie im Beispiel 1 unterworfen, wodurch seine Oberfläche mit einer harten Überzugsschicht von TiCO mit einer mittleren Schichtdicke von 5 µm beschichtet wurde, um den erfindungsgemäßen oberflächenbeschichteten Schneideinsatz No. 15 zu erhalten.

Der erfindungsgemäße Schneideinsatz No. A 15 und zum Vergleich ein üblicher Schneideinsatz No. B 3, ein Handelsprodukt, dessen Zusammensetzung Al₂O₃-30 Volumen-Prozent TiC ist, wurden dann einer Schneidprüfung unter den folgenden Bedingungen unterworfen:

bearbeitetes Material:Kraftfahrzeugscheibenbremse aus Gußeisen FC 25 (JIS); Schneidtiefe:3 mm; Vorschubgeschwindigkeit:0,5 mm pro Umdrehung; Schneidgeschwindigkeit:600 m pro Minute; Schneidöl:nicht verwendet; reine Schneidzeit15 Sekunden pro Stück.

Bei der obigen Schneidprüfung wurde festgestellt, wie viele Stück abgedreht worden waren, bevor die wirksame Lebensdauer des erfindungsgemäßen oberflächenbeschichteten Schneideinsatzes No. A 15 bzw. des üblichen Schneideinsatzes No. B 3 endete. Der erfindungsgemäße Schneideinsatz No. A 15 konnte 150 Stücke schneiden, der übliche Schneideinsatz No. B 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 µm und eine harte Überzugsschicht von HfN mit einer mittleren Schichtdicke von 6 µm abgeschieden, um die erfindungsgemäßen oberflächenbeschichteten Schneideinsätze No. A 16 und A 17 zu erhalten. Die harte Überzugsschicht aus ZrN wurde auf der Oberfläche des Schneideinsatzes No. A 16 unter einem Druck von 266 mbar im Reaktionsrohr bei einer Temperatur von 1050°C und mittels eines Reaktionsgasgemisches mit der Zusammensetzung 92 Volumen-Prozent H₂, 2 Volumen-Prozent ZrCl₄ und 6 Volumen-Prozent N₂ gebildet. Die harte Überzugsschicht aus HfN wurde auf der Oberfläche des Schneideinsatzes NO. A 17 unter einem Druck von 266 mbar 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. A 16 und A 17 mit der harten ZrN- bzw. HfN-Überzugsschicht wurden einer Schnellschneidprüfung an Gußeisen unter den folgenden Bedingungen unterworfen:

bearbeitetes Material:Rundstab von Gußeisen FC 30 (JIS); Schnittiefe:2,5 mm; Schnittgeschwindigkeit:400 m pro Minute; Vorschubgeschwindigkeit:0,3 mm pro Umdrehung; Schneidzeit5 Minuten.

Bei der obigen Schneidprüfung wurde der Flankenverschleiß jedes Schneideinsatzes gemessen. Die Ergebnisse waren 0,31 mm für den Schneideinsatz No. A 16 und 0,18 mm für den Schneideinsatz No. A 17, 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.

Tabelle 1-3

Tabelle 2

Claims

1. Oberflächenbeschichteter Keramikkörper auf Sialon- Basis für Werkzeuge, bestehend aus

a) 3-30 Volumenprozent von wenigstens einem Carbid, Nitrid, Oxid irgendeines der Metalle Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo und W 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, Mg, Y, seltene Erdelemente, Si oder Al und
c) Rest β-Sialon entsprechend einer chemischen Formel Si_6-zAl_zO_zN_8-z, wobei z größer als 0, jedoch nicht größer als 4,3 ist und α-Sialon entsprechend einer chemischen Formel M_x(Si, Al)₁₂(O, N)₁₆, worin x größer als 0 jedoch nicht größer als 2 ist und M wenigstens ein Element aus der Gruppe Li, Na, Mg, Y und seltene Erdelemente bedeutet, und unvermeidbare Verunreinigungen, wobei das Volumenverhältnis von α-Sialon/β-Sialon im Bereich von 25/75 bis 95/5 liegt;

gekennzeichnet durch 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. Oberflächenbeschichteter Keramikkörper nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wenigstens eine zweite harte Überzugsschicht, 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. Oberflächenbeschichteter Keramikkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die angegebene erste harte Überzugsschicht eine mittlere Dicke im Bereich von 0,5 bis 10 µm hat.

4. Oberflächenbeschichteter Keramikkörper nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die angegebene zweite harte Überzugsschicht eine mittlere Dicke im Bereich von 0,5 bis 5 µm hat.

5. Oberflächenbeschichteter Keramikkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß z größer als 0 ist jedoch nicht größer als 2,0 ist.

6. Oberflächenbeschichteter Keramikkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Bestandteil oder die Bestandteile (b), die eine kombinierte Phase bilden, in einer Menge von 2 bis 10 Volumenprozent vorhanden sind.