DE3529265C2 - - Google Patents
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- DE3529265C2 DE3529265C2 DE3529265A DE3529265A DE3529265C2 DE 3529265 C2 DE3529265 C2 DE 3529265C2 DE 3529265 A DE3529265 A DE 3529265A DE 3529265 A DE3529265 A DE 3529265A DE 3529265 C2 DE3529265 C2 DE 3529265C2
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- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
- C04B35/10—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on aluminium oxide
- C04B35/111—Fine ceramics
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Description
Die Erfindung betrifft eine Verfahren zur Herstellung
einer Keramik mit sehr hoher Zähigkeit gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Erfindung befaßt sich mit der Herstellung von
Keramikmaterialien von hoher Dichte und großer Härte
bzw. Zähigkeit und insbesondere mit einem Verfahren
zur Herstellung sehr harter bzw. zäher Keramik auf
der Basis von Al₂O₃-TiC, welche als Material für
Schneidwerkzeuge bzw. spanabhebende Werkzeuge geeig
net ist.
Bei spanabhebenden Werkzeugen bzw. bei Schneidwerk
zeugen, die an ihren Kantenbereichen erhebliche Kräfte
oder eine hohe Hitzeentwicklung aushalten müssen,
ergibt sich die Notwendigkeit, daß die Materialien
die folgenden Eigenschaften aufweisen:
- 1. Große Härte bei hohen Temperaturen;
- 2. große Zähigkeit speziell bei hohen Temperaturen;
- 3. chemische Stabilität und keine Reaktion des Werk zeugmaterials an seiner Kante mit dem Werkstück, d. h. mit dem zu bearbeitenden Material.
Von den gegenwärtig verwendeten Materialien für span
abhebende Werkzeuge auf der Basis von Aluminiumoxid
bzw. Tonerde werden die vorstehend mit 1. und 3.
bezeichneten Eigenschaften im wesentlichen erfüllt,
wobei jedoch Probleme im Zusammenhang mit der Eigen
schaft 2. entstehen. Man entwickelte Keramik auf der
Basis von Al₂O₃-TiC mit der Zielsetzung, diese Be
schränkung zu überwinden. Die Keramik eines derartigen
Systems stellt eine epochemachende Verbesserung
auf dem Gebiet von Materialien auf der Basis von
Al₂O₃ dar und ist ein typisches und ein erfolgreiches
Beispiel für eine Misch- bzw. Verbundkeramik. Da sie
jedoch ein Gemisch aus Oxiden und Carbiden ist, ist
die Verdichtung derselben durch einfaches Erhitzen
schwierig. Es ist dann notwendig, bestimmte Maßnahmen
zu ergreifen, die ein Entstehen von Gasen in großem
Umfang zwischen den Al₂O₃-Teilchen und den zugehörigen
dispersen Teilchen (TiC) verhindern. Typische
industrielle Verfahren zur Herstellung stabiler Pro
dukte von hoher Qualität sind das Heißpressen (das im
folgenden mit "HP" bezeichnet wird), bei dem gemein
sam mit Hitze eine mechanische Kraft ausgeübt wird,
und das isostatische Heißpressen (das im folgenden
mit "HIP" bezeichnet wird), bei dem große und gleich
mäßige Kräfte von der gesamten Umgebung des zu pres
senden Körpers aufgebracht werden. Einer derartige
Keramik auf der Basis von Al₂O₃-TiC weist eine gute
Abriebfestigkeit und eine geringe Affinität gegenüber
Eisen auf, so daß sie in der Präzisionsnachbearbeitung,
dem Präzisions-Feinschliff oder beim Hochge
schwindigkeitsschneiden von Gußeisen häufig verwendet
wird. Gegenwärtig besteht ein Bedarf nach sehr hohen
Schneidgeschwindigkeiten, um auf verschiedenen tech
nischen Anwendungsgebieten, z. B. in der Kraftfahr
zeug- und Flugzeugindustrie, die Produktivität zu
steigern. Andererseits wurden spanabhebende Werkzeuge
entwickelt, welche eine derart hohe Schneidge
schwindigkeit zulassen.
Mit der Zunahme von automatisierten Produktions
straßen ist es notwendig, die Zuverlässigkeit von
Werkzeugen, u. a. auch von Keramik-Werkzeugen, zu
erhöhen.
Zur spanabhebenden Bearbeitung bei hoher Geschwindigkeit
und zur Verbesserung der Zuverlässigkeit der
Schneidwerkzeuge ist es notwendig, die Leistungs
fähigkeit, speziell die Zähigkeit, der gegenwärtig
verfügbaren Keramik auf der Basis von Al₂O₃-TiC zu
verbessern.
Als eine Maßnahme zur Verbesserung der Zähigkeit hat
man erwogen, die Grenzflächenbereiche der TiC-Teil
chen und der Al₂O₃-Teilchen sowie die Bereiche zwi
schen den TiC-Teilchen und den Al₂O₃-Teilchen zu
verstärken.
Zu diesem Zweck wurden im Stand der Technik Titan
oder Titanverbindungen zugegeben.
Aus der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 51-569
ist ein Rohmaterial für Keramikwerkzeuge bekannt, das
19 bis 70 Gew.-% stöchiometrisches Titancarbidpulver,
1 bis 10 Gew.-% Titanoxidpulver und 20 bis 80 Gew.-%
Al₂O₃-Pulver enthält.
Die japanische Patentveröffentlichung Nr. 50-20963
beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines gesin
terten Keramikkörpers aus Al₂O₃, einem Inhibitor für
das Kornwachstum des Al₂O₃, stöchiometrischem Titan
carbid und metallischem Titan durch Calcinieren und
Pulverisieren der Mischung sowie Heißpressen des
erhaltenen Pulvers.
Die US-PS 38 86 254 beschreibt ein Verfahren zur
Herstellung eines keramischen Sinterkörpers unter
Einsatz von Aluminiumoxid, stöchiometrischem Titan
carbid und metallischem Titan als Ausgangsstoffe. Der
erhaltene Sinterkörper weist jedoch in seiner Mikro
struktur eine schlechte Homogenität auf und ist folg
lich als Schneidwerkzeug unbefriedigend.
Aus keiner dieser Druckschriften ist die Verwendung
von nicht-stöchiometrischem TiC x mit x<1 bekannt.
Aus der US-PS 44 07 968 ist ein Verfahren zur Her
stellung eines Keramikkörpers aus Aluminiumoxid und
nicht-stöchiometrischem Titancarbid bekannt. Das Aus
gangsgemisch enthält jedoch kein Titancarbid, sondern
vielmehr liegen die Titancarbidkomponenten in Form
des Gemisches (Ti+TiH₂+C) vor. Durch Einsatz von
metallischem Titan ist jedoch das vollständige Mischen
sehr schwierig, so daß der erhaltene gesinterte Körper
keine homogene Struktur aufweist.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Keramik
mit sehr hoher Zähigkeit, hoher Festigkeit und hoher
Verschleißfestigkeit bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren
gemäß dem Patentanspruch 1 oder 2 gelöst. Bevor
zugte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den
Patentansprüchen 3 bis 8 angegeben.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer
sehr zähen Keramik geschaffen, welches darin besteht,
daß man einen Versatz herstellt, der im wesentlichen
aus 20 bis 50 Gew.-% Titancarbid der allgemeinen
Formel TiC x , bei der x eine Zahl von 0,65 bis 0,93
bedeutet, 0,1 bis 2 Gew.-% eines oder mehrerer Sin
terhilfsmittel und 48 bis 79,9 Gew.-% Al₂O₃ besteht,
und daß man diesen Versatz durch das später noch im
einzelnen beschriebene Preß-Sinterverfahren sintert.
Es versteht sich, daß sich die Bezeichnung "Preß-
Sintern" auf ein Verfahren bezieht, bei dem die zu
sinternde Masse unter mechanischem Druck gesintert
wird. Die angewandte Gasatmosphäre kann unter einem
reduzierten Druck, normalem Umgebungsdruck oder einem
erhöhten Druck stehen. Typisch für das Preß-Sintern
ist das Heißpressen.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung
wird ein Verfahren zur Herstellung einer hochzähen
Keramik geschaffen, welches darin besteht, daß man
einen Versatz herstellt, der im wesentlichen aus 20
bis 50 Gew.-% Titancarbid der allgemeinen Formel
TiC x , worin x eine Zahl von 0,65 bis 0,93 bedeutet,
0,05 bis 3,0 Gew.-% eines oder mehrerer Seltenerd
metalloxide und 47 bis 79,95 Gew.-% Al₂O₃ besteht,
den Versatz in einem Inertgas einem primären Sinter
vorgang unterzieht, bis eine relative theoretische
Dichte von 95 bis 99% erreicht ist, und die erhal
tene Masse durch ein später noch im einzelnen be
schriebenes isostatisches Heißpressen sintert.
Im Vergleich zu dieser zweiten Ausführungsform benö
tigt man bei der ersten Ausführungsform eine geringere
Menge von Sinterhilfsmitteln und kann leichter
Produkte erhalten, die bei hohen Temperaturen eine
überragende Eigenschaft aufweisen. Jedoch hat die
zweite Ausführungsform den Vorteil, daß sie eine
größere Freiheit in der Gestaltung der Produkte er
möglicht sowie bezüglich der Herstellungskosten gün
stiger ist.
Sowohl nach der ersten als auch nach der zweiten
Ausführungsform der Erfindung ist es notwendig, daß
TiC x in einer Menge von 20 bis 50 Gew.-%, vor
zugsweise von 20 bis 35 Gew.-%, zur Anwendung kommt.
Das vorgenannte TiC x ist ein nicht-stöchiometrisches
Titancarbid, bei dem ein Titan-Überschuß vorhanden
ist und das eine Kristallstruktur aufweist, die un
vollständiger und instabiler ist als bei stöchiome
trischem Titancarbid, das durch TiC wiedergegeben
wird. Aus diesem Grunde erfolgt die Sinterreaktion,
z. B. die Festphasenreaktion, leicht, so daß die
Grenzflächenbereiche zwischen den Al₂O₃-Teilchen und
den TiC x -Teilchen sowie diejenigen zwischen den TiC x -
Teilchen verbessert werden, verglichen mit den Grenz
flächenbereichen zwischen den Al₂O₃-Teilchen und den
TiC-Teilchen, sowie denjenigen zwischen den TiC-
Teilchen. Die interatomare Bindung von Ti und C x
erfolgt in einer Art metallischer Bindung zusätzlich
zur kovalenten Bindung, was zu einer Verbesserung der
Zähigkeit führt.
Wenn x in TiC x unter 0,65 liegt, nimmt die Lei
stungsfähigkeit, insbesondere die Abriebfestigkeit,
der gesinterten Masse ab. Wenn x größer als 0,93 ist,
bringt das TiC x einen geringeren Effekt, so daß eine
unzureichende Zähigkeit erhalten wird. Der Wert x
liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,80 bis
0,90.
Wenn die Menge von TiC x unter 20 Gew.-% liegt, wird
der auf die Verwendung von TiC x zurückgehende Effekt
unzureichend, während dann, wenn die Menge über 50
Gew.-% liegt, die Sinterfähigkeit verringert wird, so
daß keine ausreichende Festigkeit bzw. Zähigkeit
erhalten wird. TiC x wird daher vorzugsweise in einer
Menge von 20 bis 35 Gew.-% verwendet.
Al₂O₃, wie es in der vorliegenden Erfindung verwendet
wird, weist eine Reinheit von 99,5 Gew.-% oder mehr
und eine mittlere Teilchengröße von 2 µm oder weniger,
insbesondere von 1 µm oder weniger, auf.
Im folgenden wird auf die Erfindung gemäß der ersten
Ausführungsform näher eingegangen.
Gemäß dieser Ausführungsform ist es notwendig, daß
ein oder mehrere Sinterhilfsmittel, wie MgO oder CaO,
in einer Menge von 0,1 bis 2 Gew.-% verwendet werden.
Das Sinterhilfsmittel wird vorzugsweise in einer
Menge von 0,3 bis 1,5 Gew.-% verwendet.
Die Sinterhilfsmittel bilden eine Verbindung mit
Al₂O₃, die ihrereseits dazu dient, das Sintern der
Keramik zu fördern, was zu einer Verbesserung im
Sinterverhalten führt. Darüberhinaus macht es die
Zugabe der Sinterhilfsmittel möglich, das Kornwachs
tum von Al₂O₃ während des Sinterns zu beschränken.
Die Bezeichnung "Sinterhilfsmittel" bezieht sich bei
dieser Ausführungsform auf diejenigen Sinterhilfsmit
tel, die üblicherweise für das Sintern von Keramik,
welche hauptsächlich aus Al₂O₃ besteht und z. B. auf
Al₂O₃, Al₂O₃-TiC oder Al₂O₃-ZrO basiert, verwendet
werden. Spezielle Beispiele für das Sinterhilfsmittel
sind MgO, CaO, SiO₂, ZrO₂, NiO, Th₂O₃, AlN, TiO,
TiO₂, Cr₂O₃ oder Seltenerdmetalloxide, wie Y₂O₃,
Dy₂O₃, Er₂O₃, Ho₂O₃, Gd₂O₃ oder Tb₄O₇.
Bei einer Menge des Sinterhilfsmittels von unter 0,1
Gew.-% ist der vorgenannte Effekt unzureichend. Bei
Zugabe einer Menge von über 2 Gew.-% setzt das Sin
terhilfsmittel die Hochtemperatureigenschaften der
keramischen Materialien herab.
Bei der Erfindung gemäß der ersten Ausführungsform
kommen für das Sintern das Preß-Sintern, vorzugsweise
das Heißpressen, zur Anwendung. Das Preß-Sintern wird
bei einer Temperatur von 1600 bis 1900°C, vorzugs
weise von 1700 bis 1850°C, und einem Druck von etwa
50 kPa oder mehr, vorzugsweise von 100 kPa oder mehr,
in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre, vorzugsweise
in einer Inertgasatmosphäre, durchgeführt. Als Sin
terperiode dient üblicherweise eine Zeit von 5 bis
120 min, vorzugsweise 10 bis 40 min. Das Preß-Sintern
kann mit oder ohne eine vorausgehende Verdichtung des
Versatzes durchgeführt werden. Während ein derartiges
Vorverdichten durch Kaltpressen bewirkt werden kann,
kann ein Vorsintern über ein normales Sintern wahl
weise vor dem Preß-Sintern durchgeführt werden. Das
Vorverdichten oder das Preß-Sintern wird mit oder
ohne Verdichtungshilfsmittel (organische oder anorga
nische Bindemittel) durchgeführt.
Im folgenden wird auf die Erfindung gemäß der zweiten
Ausführungsform näher eingegangen. Bei dieser Ausfüh
rungsform ist es notwendig, daß zusätzlich zu Al₂O₃
und TiC x ein oder mehrere Seltenerdmetalloxide, bei
spielsweise Y₂O₃ oder Dy₂O₃, in einer Menge von 0,05
bis 3 Gew.-% eingesetzt werden.
Die Seltenerdmetalloxide werden bei einer relativ
niedrigen Temperatur von beispielsweise 1750°C bei
dem primären Sintervorgang verwendet, um die relative
theoretische Dichte des Versatzes auf mindestens 95%
zu bringen, was als Ausgangszustand für die später
noch zu beschreibende HIP-Behandlung notwendig ist.
Wenn die Menge der Seltenerdmetalloxide unter 0,05
Gew.-% liegt, erreicht die relative theoretische
Dichte des Versatzes keine 95%, es sei denn, daß der
primäre Sintervorgang bei einer relativ hohen Temperatur
durchgeführt wird. In diesem Falle kommt es zu
einem Kornwachstum des Al₂O₃, so daß die Festigkeit
der gesinterten Masse abnimmt.
Liegt die Menge der Seltenerdmatalloxide über 3 Gew.-%,
kann umgekehrt zwar eine in gewisser Weise gesin
terte Masse erhalten werden. Deren Zähigkeit ist
jedoch stark herabgesetzt, so daß sie im Hinblick auf
die bei der vorliegenden Erfindung angestrebten Ei
genschaften nicht mehr als Werkzeug einsetzbar ist.
Die Oxide der Seltenden Erden, d. h. Dy₂O₃, Y₂O₃,
Tb₄O₇, Ho₂O₃, Er₂O₃ und Gd₂O₃, oder ihre Gemische,
sind in dem vorgenannten primären Sintervorgang schon
bei einer relativ niedrigen Temperatur zur Einstel
lung einer bestimmten relativen theoretischen Dichte
sehr wirksam.
Es ist des weiteren möglich, dem gesamten Versatz ein
oder mehrere Sinterhilfsmittel in einer Menge von
nicht über 2 Gew.-% zuzugeben, wobei als Sinterhilfs
mittel diejenigen dienen können, die zum Sintern
einer Keramik verwendet werden, die hauptsächlich aus
Al₂O₃ besteht und z. B. auf Al₂O₃, Al₂O₃-TiC oder
Al₂O₃-ZrO₂ basiert. Das Sinterhilfsmittel kann bei
spielsweise MgO, CaO, SiO₂, ZrO₂ oder NiO oder ein
Sinterhilfsmittel gemäß der vorstehend beschriebenen
ersten Ausführungsform der Erfindung, ausgenommen die
Seltenerdmetalloxide, sein. Diese Maßnahme wird be
vorzugt, weil dabei das Kornwachstum während des
Sintervorgangs weiter beschränkt wird, so daß ein
Keramikmaterial mit hoher Festigkeit erhalten wird.
Das Sinterhilfsmittel wird in einer Menge von minde
stens 0,1 Gew.-%, vorzugsweise von 0,5 bis 2 Gew.-%,
eingesetzt, um wirksam zu sein. Die Gesamtmenge der
Seltenerdmetalloxide und der anderen Sinterhilfsmit
tel liegt vorzugsweise bei 1 bis 3 Gew.-%.
Gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung wird
der Versatz durch ein normales Sintern oder Preß-
Sintern vorgesintert. Das Preß-Sintern kann mit oder
ohne Vorverdichten erfolgen, während beim normalen
Sintervorgang ein Vorverdichten notwendig ist. Das
Vorverdichten kann mit oder ohne Verdichtungshilfs
mittel durchgeführt werden. Bei der zweiten Ausfüh
rungsform der Erfindung wird der Versatz in die ge
wünschte Gestalt durch normale Form- oder Verdich
tungsverfahren, z. B. durch ein Druckformverfahren,
unter Verwendung herkömmlicher Verdichtungshilfen,
z. B. organischer Bindemittel, gebracht. Anschließend
wird die gebildete Masse einem primären Sintervorgang
bis zu einer relativen theoretischen Dichte von 95
bis 99% in einem Inertgas unterworfen, um die Oxida
tion von TiC x zu verhindern. Der primäre Sintervor
gang enthält üblicherweise einen vorhergehenden
Schritt, bei dem die Formhilfsmittel entfernt werden.
Der primäre Sintervorgang wird so durchgeführt, daß
bei einem beliebigen Sinterverfahren, z. B. dem norma
len Sintern oder dem HP-Prozeß, eine relative theore
tische Dichte von zumindes 95% erreicht wird. Unter
normalem Sintern ist das Sintern zu verstehen, bei
dem kein mechanischer Druck auf die zu sinternde
Masse ausgeübt wird.
Der primäre Sintervorgang wird bei einer Temperatur
von 1600 bis 1800°C, vorzugsweise von 1650 bis 1750°C,
über einen Zeitraum von 30 bis 180 min wie beim
normalen Sintern durchgeführt.
Wenn die relative theoretische Dichte nach dem primä
ren Sintervorgang unter 95% liegt, wird keine aus
reichende Verdichtung in der anschließenden HIP-
Behandlung erreicht. Wenn sie größer als 99% ist,
findet ein Kornwachstum von Al₂O₃ statt. In beiden
Fällen ist die Festigkeit der gesinterten Masse ge
ring.
Die HIP-Behandlung wird unter den üblichen Bedingun
gen durchgeführt, z. B. bei einer Temperatur von 1400
bis 1580°C und unter einem Druck von nicht weniger
als 200 kPa, vorzugsweise bei 1000 bis 2000 kPa. Nach
der HIP-Behandlung muß die relative theoretische
Dichte zumindest 99,5% erreichen, um eine für prak
tische Zwecke ausreichende Festigkeit zu erhalten.
Gemäß der Erfindung hat die erhaltene gesinterte
Masse einen ähnlichen Wert für x in der Formel wie
der Ausgangsversatz, d. h. x liegt in einem Bereich
von ±0,02 (absolut). Wenn organische Bindemittel
verwendet werden, kann x aufgrund des Restkohlen
stoffs, der von dem organischen Bindemittel stammt,
zunehmen. Dagegen kann x abnehmen, wenn kein organi
sches Bindemittel verwendet wird.
Werkzeuge, die aus einer gemäß der ersten und der
zweiten Ausführungsform der Erfindung hergestellten
Keramik erhalten wurden, haben eine hervorragende
Haltbarkeit, d. h. Verschleißfestigkeit und Zähigkeit.
Die Gründe hierfür sind die hohe Bindefestigkeit von
Al₂O₃ und TiC x und das sehr kleine Kristallkorn des
Al₂O₃. Aus diesem Grund ist die durch die erfin
dungsgmäßen Verfahren erzeugte Keramik für spanab
hebende Schneidwerkzeuge zur Bearbeitung von z. B.
Gußeisen, Kupfer, hochlegiertes Nickel, Aluminium,
Titan oder Nichtmetalle oder für mechanische Teile,
auf die starke Schwingungen oder große Hitze einwir
ken, geeignet.
Die beiliegenden Zeichnungen dienen zur Erläuterung
der in den folgenden Beispielen angegebenen spanab
hebenden Bearbeitung. Es zeigt:
Fig. 1 schematisch die Durchführung der spanab
hebenden Bearbeitung;
Fig. 2 einen vergrößerten Bereich der Spitze eines
spanabhebenden Werkzeugs;
Fig. 3 schematisch die Bestimmung der Flankenver
schleißbreite V B ;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines durch
spanabhebende Bearbeitung gemäß Beispiel 1
erhaltenen Werkstückes;
Fig. 5 eine Mikrofotografie eines erfindungsgemäß
hergestellten Sinterkörpers; und
Fig. 6 eine Mikrofotografie eines Sinterkörpers gemäß
US-PS 38 86 254.
Das Beispiel erläutert die erste Ausführungsform der
Erfindung.
α-Al₂O₃ mit einer Reinheit von 99,9 Gew.-% und einer
mittleren Teilchengröße von 0,7 µm, TiC x , hergestellt
gemäß den Angaben von Tabelle I, sowie Sinterhilfs
mittel wurden gemäß Tabelle II zu verschiedenen Ver
sätzen zusammengegeben. Die Versätze wurden 40 h in
einer Kugelmühle naßgemischt. Nach anschließendem
Trocknen erhielt man ein Mischpulver. Die Mischpulver
wurden bei den in Tabelle II angegebenen Temperaturen
gesintert, wobei ein Druck von 196 bar über einen
Zeitraum von 15 min in einer Graphitform durch Heiß
pressen ausgeübt wurde. Die erhaltenen gesinterten
Massen wurden in Stücke von 13×13×15 mm² ge
schnitten und mittels einer Diamantschleifscheibe
endbehandelt, wobei ein spitzer Prüfkörper gemäß SNGN
432 (JIS) erhalten wurde. Eine abgeschrägte Kante von
0,1 mm×25° wurde gebildet. Mit derartigen Prüfkör
pern wurde die spanabhebende Bearbeitung gemäß den
nachfolgenden Bedingungen A und B durchgeführt. Die
Ergebnisse sind in der Tabelle II wiedergegeben.
A. Zu bearbeitendes Material:FC 20 (HB190-220)
Bedingungen:Schneidgeschwindikgeit V = 800 m/min;
Schneidtiefe t = 0,5 mm;
Vorschubgeschwindigkeit f = 0,25 mm/U.
Beurteilung der Haltbarkeit:Messung der Flankenver
schleißbreite V B (mm),
nachdem die Außenseite
eines Werkstücks von
120 mm Durchmesser und
15 mm Länge 100mal einer
spanabhebenden Bearbeitung
unterzogen worden war.
B. Material:SKD11 (HRC 62)
Bedingungen:Schneidgeschwindigkeit V = 150 m/min;
Schneidtiefe t = 0,5 mm;
Vorschubgeschwindigkeit f = 0,17 mm/U.
Beurteilung der Haltbarkeit:Messung der Flankenver
schleißbreite V B (mm) der
geprüften Spitzen, nach
dem ein stabförmiges Werk
stück mit einem Durchmesser
von 120 mm über einen
Zeitraum von 15 min span
abhebend bearbeitet wor
den war.
Die in Tabelle II wiedergegebenen Ergebnisse zeigen,
daß bei den nachfolgend mit (1) bis (6) bezeichneten
Keramiken die Abnutzung zunimmt und es in einigen
Fällen auch zu Brüchen kommt.
(1) Gehalt an TiC x über 50 Gew.-% (Probe 17).
(2) Gehalt an TiC x unter 20 Gew.-% (Probe 18).
(3) x in TiC x über 0,93 (Probe 19).
(4) x in TiC x unter 0,65 (Probe 20).
(5) Menge des Sinterhilfsmittels unter 0,1 Gew.-% (Probe 21).
(6) Menge des Sinterhilfsmittels über 2 Gew.-% (Probe 22).
(2) Gehalt an TiC x unter 20 Gew.-% (Probe 18).
(3) x in TiC x über 0,93 (Probe 19).
(4) x in TiC x unter 0,65 (Probe 20).
(5) Menge des Sinterhilfsmittels unter 0,1 Gew.-% (Probe 21).
(6) Menge des Sinterhilfsmittels über 2 Gew.-% (Probe 22).
Aus den vorstehenden Darlegungen ergibt sich, daß es
absolut notwendig ist, daß die Werte von x in TiC x
und die Mengen von TiC x sowie der Sinterhilfsmittel
in den angegebenen Bereichen liegen.
Das Beispiel erläutert die zweite Ausführungsform der
Erfindung.
α-Al₂O₃ mit einer Reinheit von 99,9 Gew.-% und einer
mittleren Teilchengröße von 0,7 µm, TiC x , das wie in
Tabelle I angegeben hergestellt worden war, Selten
erdmetalloxide und ggf. Sinterhilfsmittel wurden
zusammengegeben, wie dies in Tabelle III angegeben
ist. Die Versätze wurden in einer Kugelmühle 40 h
lang naß gemischt. Nach anschließendem Trocknen er
hielt man jeweils ein Mischpulver. 4 Gew.-% Paraffin
wurden den Mischpulvern zugegeben und die erhaltenen
Produkte in einer Form bei einem Druck von 981 bar zu
einem Probenkörper gepreßt, der nach dem Sintervor
gang eine Größe von 13×13×5 mm³ aufwies. Die
erhaltenen Massen wurden in einer Inertgasatmosphäre
einem primären Sintervorgang unterworfen, so daß sie
eine relative theoretische Dichte von 95 bis 99%
(bei Normaltemperatur) erhielten, wobei Temperaturen
angewandt wurden, wie sie in Tabelle III wiedergege
ben sind. Nach dem primären Sintervorgang wurde in
einem HIP-Ofen ein weiterer Sintervorgang bei einer
Temperatur von 1450°C und bei einem Druck von 1472
bar während 1 h durchgeführt. Das verwendete Inert
gas war Argon. Die erhaltenen gesinterten Produkte
wurden mittels einer Diamantschleifscheibe in eine
spitze Form gemäß SNGN 432 (JIS) gebracht. Die Ab
schrägung betrug dann 0,1 mm×25°. Mit diesen Spit
zen wurden spanabhebende Materialbearbeitungen
durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle III
wiedergegeben.
A. Zu bearbeitendes Material:FC 20 (HB200-220)
Bedingungen:Schneidgeschwindigkeit V = 900 m/min;
Schneidtiefe t = 0,5 mm;
Vorschubgeschwindigkeit f = 0,25 mm/U.
Beurteilung der Haltbarkeit:Messung der Flankenver
schleißbreite V B der ge
prüften Spitzen, nachdem
die Außenseite eines Werk
stücks von 120 mm Durch
messer und 15 mm Länge
100mal einer spanabheben
den Bearbeitung unterzogen
worden war.
B. Zu bearbeitendes Material:SKD11 (HRC 60)
Bedingungen:Schneidgeschwindigkeit V = 120 m/min;
Schneidtiefe t = 0,5 mm;
Vorschubgeschwindigkeit f = 0,1 mm/U.
Beurteilung der Haltbarkeit:Messung der Flankenver
schleißbreite V B , nach
dem ein stabförmiges Ele
ment mit einem Durchmes
ser von 120 mm 20 min
lang einer spanabhebenden
Bearbeitung unterzogen
worden war.
Die Ergebnisse der Tabelle III zeigen, daß bei den
nachfolgend mit (1′) bis (8′) bezeichneten Keramiken
die Abnutzung zunimmt und es in einigen Fällen zu
Zerstörungen bzw. Brüchen kommt.
(1′)Gehalt an TiC x über 50 Gew.-% (Probe Nr. 19).
(2′)Gehalt an TiC x unter 20 Gew.-% (Probe Nr. 20).
(3′)x in TiC x über 0,93 (Probe 21).
(4′)x in TiC x unter 0,65 (Probe 22).
(5′)Menge eines oder mehrerer Seltenerdmetalloxide
unter 0,05 Gew.-% (Probe Nr. 23).
(6′)Menge eines oder mehrerer Seltenerdmetalloxide
über 3 Gew.-% (Probe Nr. 24).
(7′)Relative theoretische Dichte nach dem primären
Sintervorgang unter 95% (Probe Nr. 25).
(8′)Relative theoretische Dichte nach dem primären
Sintervorgang über 99% (Probe Nr. 26).
Mit den Versuchen wird die besondere Wirkung des als
Ausgangsmaterial eingesetzten Titancarbids TiC x ver
deutlicht. Dabei ergeben sich klare Unterschiede
zwischen der Lehre gemäß der Druckschrift und gemäß
der Erfindung.
Es wurde das Beispiel, Probe Nr. 3, der Druckschrift
wiederholt. Weitere Versuche wurden durchgeführt, um
die Wirkung auf die Mikrostruktur und die Schneid
eigenschaften zu vergleichen, wenn die Ausgangsstoffe
TiC x oder TiC+Ti unter den gleichen Bedingungen wie
im Beispiel 1, Probe Nr. 6 (Tabelle IIa), der vorlie
genden Anmeldung angewandt wurden. Als Ausgangsstoff
wurde ein Gemisch aus 25,4 Gew.-% TiC (tatsächlich
TiC0,97) und 4,6 Gew.-% Ti als TiC+Ti eingesetzt.
Die erhaltenen Sinterkörper wurden hinsichtlich der
Härte, der relativen theoretischen Dichte und der
Mikrostruktur überprüft. Spanabhebende Schneidver
suche gemäß den vorgenannten Bedingungen B zur
Messung der Flankenverschleißbreite V B wurden unter
den gleichen Bedingungen wie im erfindungsgemäßen
Beispiel 1 durchgeführt, wobei eine Bearbeitung gemäß
der hier beigefügten Fig. 4 erfolgte. Die Ergebnisse
sind aus der nachfolgenden Tabelle IV und den Fig. 5
und 6 ersichtlich. Für die Probe Nr. 6 wurde TiC x
eingesetzt, während für die Probe Nr. 23 dagegen TiC+Ti
verwendet wurde. Fig. 5 und 6 sind Mikrofotogra
fien, die den Verteilungszustand der Komponenten in
der Probe Nr. 6 und in der Probe Nr. 3 gemäß der
Druckschrift zeigen. Der Verteilungszustand der Kom
ponenten in der Probe Nr. 23 war ähnlich jenem der
Probe Nr. 3 gemäß der Druckschrift. Beide Mikrofoto
grafien wurden mit 200facher Vergrößerung aufgenom
men.
Aus der Tabelle IV ist ersichtlich, daß das Aus
gangsmaterial TiC+Ti, worin x in TiC x den Wert von
0,93 überschreitet, zu einem Mißerfolg bei der Span
abhebung führt, obwohl metallisches Titan zugegeben
wurde. Wie aus den Mikrofotografien ersichtlich ist,
weist der erfindungsgemäß hergestellte Körper auf der Basis
von TiC x eine Mikrostruktur auf, worin die TiC x -
Komponente in der Aluminiumoxidmatrix homogen und
feinverteilt vorliegt (Fig. 5), während der Sinter
körper auf der Basis von TiC+Ti eine Mikrostruktur
mit groben Aggregaten aus TiC hat (Fig. 6). Die
weißen Körner repräsentieren das TiC.
Somit zeigt dieser Vergleich der Strukturen und der
Schneideigenschaften deutlich, daß die gemäß den
bekannten und dem erfindungsgemäßen Verfahren erhal
tenen Sinterkörper sehr unterschiedlich sind. Die
besonderen Vorteile des erfindungsgemäß hergestellten
Körpers sind wesentlich auf das nicht-stöchiometri
sche TiC x zurückzuführen, das anders wirkt als das
Ausgangsmaterial TiC+Ti gemäß dem Stand der Tech
nik.
Das in der Druckschrift angegebene Verfahren zur
Herstellung des Werkzeuges Nr. 1, gemäß der Tabelle II
im Beispiel 3, wurde wiederholt.
Es wurden folgende Stoffe, Mengen und Verfahrensbe
dingungen angewandt:
Nasses Mahlen mit 90 g Ethanol mittels Al₂O₃-
Kugeln (⌀ 15 mm) in einer Mühle mit einem Poly
ethylenbehälter; Durchgang durch ein Sieb der
Größe 0,250 mm nach dem Trocknen.
Nach dem Vorverdichten mittels einer Metallform
unter einem Druck von 490 bar folgt ein isostati
sches Kaltpressen unter einem Druck 1962 bar.
Gemäß der Druckschrift, Beispiel 1, wird ein
Druck von 5880 bar beim Pressen in einer Metall
form angewandt. Jedoch hält eine normale Metall
form einem derart hohen Druck nicht stand. Des
halb wären für das bekannte Verfahren spezielle
Vorrichtungen erforderlich.
Erhöhen der Temperatur mit einer Steigerung von
20°C/min bis auf 1800°C und Halten dieser Tem
peratur während 30 min; Abkühlen innerhalb eines
in Aluminiumoxidpulver (10 µm) eingebetteten
Graphitbehälters im Ofen unter einem Unterdruck
von 26,66 Pa.
Nach dem Sintern ist das umgebende Bett aus Alu
miniumoxidpulver fast verbraucht.
Relative Dichte unter 90%; sehr grobkörnige
Struktur.
Das Produkt ist als Schneidwerkzeug fast unbrauch
bar und kann in der Praxis nicht eingesetzt wer
den.
Für den Fall, daß der im vorstehenden Versuch an
gewandte, im Vergleich zur Lehre der Druckschrift
niedrigere Druck zur Herstellung des gewünschten
Produkts kritisch sein sollte, ist das bekannte
Verfahren wegen des erforderlichen hohen Drucks
in der Praxis nicht einsetzbar. Die Druckschrift
gibt auch keinen Hinweis darauf, wie die bekann
ten Körper wirtschaftlich hergestellt werden kön
nen.
Claims (8)
1. Verfahren zur Herstellung einer Keramik mit sehr hoher
Zähigkeit, bestehend aus einer Al₂O₃-Phase und einer nicht-
stöchiometrischen Titancarbid-Phase, wobei ein Gemisch aus
Al₂O₃-Pulver und nicht-stöchiometrischem Titancarbidpulver
erhitzt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Gemisch aus im wesentlichen 20 bis 50 Gew.-% Titan
carbid der allgemeinen Formel TiCx, worin x eine Zahl von
0,65 bis 0,93 bedeutet, 0,1 bis 2 Gew.-% mindestens eines
Sinterhilfsmittels und 48 bis 79,9 Gew.-% Al₂O₃ gebildet
und einem Preß-Sintern bei einer Temperatur von 1600 bis
1900°C unter einem Druck von 50 kPa oder mehr unterworfen
wird, bis eine relative theoretische Dichte der gesinterten
Masse von mindestens 99% erreicht ist.
2. Verfahren zur Herstellung einer Keramik mit sehr hoher
Zähigkeit, bestehend aus einer Al₂O₃-Phase und einer nicht-
stöchiometrischen Titancarbid-Phase, wobei ein Gemisch aus
Al₂O₃-Pulver und nicht-stöchiometrischem Titancarbidpulver
erhitzt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Gemisch aus 20 bis 50 Gew.-% Titancarbid der allge
meinen Formel TiC x , worin x eine Zahl von 0,65 bis 0,93 mit
einer Schwankungsbreite von ±0,02 bedeutet, 0,05 bis 3,0
Gew.-% mindestens eines Seltenerdmetalloxids und 47 bis
79,95 Gew.-% Al₂O₃ gebildet und in einem Inertgas ein
primärer Sintervorgang bei einer Temperatur von 1600 bis
1800°C durchgeführt wird, bis eine relative theoretische
Dichte von 95 bis 99% erreicht ist, sowie die erhaltene
Masse durch isostatisches Heißpressen bei einer Temperatur
von 1400 bis 1580°C unter einem erhöhten Druck von 200 kPa
oder mehr gesintert wird, bis die relative theoretische
Dichte des erhaltenen Produkts durch das isostatische Heiß
pressen auf einen Wert von mindestens 99,5% gebracht ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
als Seltenerdmetalloxid mindestens eine der Verbindungen
Dy₂O₃, Y₂O₃, Tb₄O₇, Ho₂O₃, Er₂O₃ und Gd₂O₃ eingesetzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Preß-Sintern mit Vorverdichten durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der primäre Sintervorgang mit Vorverdichten durchgeführt
wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
als Sinterhilfsmittel mindestens eine der Verbindungen MgO,
CaO, SiO₂, ZrO₂, NiO, Th₂O₃, AlN, TiO, TiO₂, Cr₂O₃ und/oder
ein Seltenerdmetalloxid eingesetzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
als Seltenerdmetalloxid mindestens einer der Verbindungen
Dy₂O₃, Y₂O₃, Tb₄O₇, Ho₂O₃, Er₂O₃ und Gd₂O₃ eingesetzt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß als Sinterhilfsmittel weniger als 2 Gew.-% mindestens
einer der Verbindungen MgO, CaO, SiO₂, ZrO₂, NiO, Th₂O₃,
AlN, TiO, TiO₂ und Cr₂O₃ eingesetzt werden.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP59176928A JPS6153155A (ja) | 1984-08-22 | 1984-08-22 | 高靭性セラミツクの製造法 |
JP59176927A JPS6153154A (ja) | 1984-08-22 | 1984-08-22 | 高靭性セラミツクの製造法 |
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