DE3530103A1 - Polykristalline sinterkoerper auf basis von siliciumnitrid mit hoher bruchzaehigkeit und haerte - Google Patents
Polykristalline sinterkoerper auf basis von siliciumnitrid mit hoher bruchzaehigkeit und haerteInfo
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Description
Auf dem Gebiet der keramischen Schneidwerkstoffe haben polykristalline
Sinterkörper auf Basis von Siliciumnitrid in den
letzten Jahren zunehmende Bedeutung erlangt. Hierunter sind
solche aus Siliciumnitrid und Sinteradditiven, aus Gemischen
von Siliciumnitrid und anderen refraktären Verbindungen auf
Oxid-, Carbid- und/oder Nitridbasis und aus den sogenannten
Sialonen zu verstehen, in welchen Si- und N-Atome im Si3N4
teilweise durch Al- und O-Atome ersetzt sind unter Bildung
von festen Lösungen aus Si- Al- O- N von unterschiedlicher
Zusammensetzung.
Sinterkörper, die durch Sinterung ohne Druckanwendung von
Pulvergemischen aus Si3N4 und Sinteradditiven auf Oxidbasis
hergestellt worden sind, wie MgO, Al2O3 oder Y2O3 in Form
vorgesinterter Mischoxide vom Spinell-Typ sind als Schneidwerkstoffe
für übereutektische Al-Si-Legierungen bekannt
(vgl. JP-Kokai 74, 133, 803 ref. in Chem. Abstr. Vol. 84 (1976),
No. 21 440 t).
Derartige Sinterkörper haben jedoch keine ausreichende Hochtemperaturfestigkeit,
weil die vorhandenensekundären Phasen
auf Oxidbasis in den Korngrenzen vorwiegend glasartig sind,
die bei hohen Temperaturen weich werden. Aus diesem Grunde
sind sie als Schneidwerkstoffe unter verschärften Einsatzbedingungen,
beispielsweise für die Bearbeitung von Eisenwerkstoffen,
nicht geeignet.
Sinterkörper die durch Heißpressen unter Einhaltung ganz
bestimmter Druck- und Temperaturbedingungen von Pulvergemischen
aus Si3N4 und Oxiden, wie MgO, ZrO2 und Y2O3 hergestellt
worden sind, sollen indessen diesen Anforderungen
für Schneidwerkstoffe besser genügen können unter der Voraussetzung,
daß die Mengen der zugesetzten Oxide so ausgewählt
werden, daß diese in den Korngrenzen der Si3N4-Matrix
in nicht-Spinell-Form vorliegen, sondern geringe Mengen eines
stabilen, refraktären Oxinitrids und/oder Silikats bilden
(vgl. EP-A-9 859 und US-A-42 27 842). Die Ausbildung sekundärer
kristalliner Korngrenzenphasen, die im wesentlichen
aus Yttriumsiliciumoxinitriden bestehen, soll außerdem
durch Zusatz anderer Stoffe in geringen Mengen, wie Al2O3,
WC oder TiC unterstützt (vgl. US-A-44 01 617) oder durch
eine zusätzliche Wärmebehandlung der Sinterkörper erreicht
werden können (vgl. DE-A-30 47 255, die der US-A-42 64 548
entspricht). Erfolgt die Herstellung der Sinterkörper ohne
Druckanwendung ist in der Ausgangspulvermischung aus Si3N4
und Oxidzusätzen die Anwesenheit einer dritten Substanz,
wie Al2O3, WC, WSi2, W und TiC unbedingt erforderlich (vgl.
DE-A-30 39 827, die der US-A-42 80 973 entspricht).
Schneidwerkstoffe, die aus Pulvergemischen von Si3N4, Sinterhilfsmitteln
auf Oxidbasis und refraktären Zusätzen in
Mengen bis zu etwa 40 Gew.-% auf Carbid- (z. B. TiC) oder
Nitridbasis oder Gemischen hiervon durch Sinterung mit oder
ohne Druckanwendung hergestellt worden sind, sind ebenfalls
bereits bekannt (vgl. US-A-43 88 085).
Für die Herstellung von Hochleistungsschneidplättchen sind
auch die sogenannten Sialone bekannt geworden, die aus Pulvergemischen
von Si3N4, AlN und Al2O3 zusammen mit einem
Sinterhilfsmittel auf Oxidbasis, wie Y2O3 mit oder ohne Druckanwendung
hergestellt werden können. Diese Werkstoffe zeichnen sich
durch eine verbesserte Hochtemperaturfestigkeit aus, worunter
zu verstehen ist, daß der Bruchmodul bei 1200°C
gegenüber dem bei Raumtemperatur gemessenen Wert nur wenig
abfällt, wenn nach beendetem Sintervorgang durch eine kontrollierte
stufenweise Abkühlung oder durch eine anschließende
Wärmebehandlung dafür gesorgt wird, daß mindestens ein Teil
des Glases in den intergranularen glasartigen Korngrenzenphasen
als Keramikphase kristallisiert, die beispielsweise einen
Y-Al-Granat enthält (vgl. DE-C-27 33 354, die der US-A-
41 27 416 entspricht).
Es wurde jedoch festgestellt, daß die Schneidwerkstoffe auf
Basis von Si3N4 gemäß dem Stand der Technik den Anforderungen
bezüglich der Eigenschaften, die den idealen Schneidwerkstoff
charakterisieren, nur teilweise genügen. Sie sind
zwar im allgemeinen dicht, biegefest, oxidations- und thermoschockbeständig,
aber grundsätzlich nicht zäh genug, um
insbesondere schlagartigen Belastungen über längere Zeit
ohne Bruch, vor allem ohne Kantenbruch zu widerstehen, die
beispielsweise bei der Verwendung als Schneidplättchen im
unterbrochenen Schnitt auftreten.
Es stellt sich somit die Aufgabe, polykristalline Sinterkörper
auf Basis von Siliciumnitrid, Sinteradditiven auf
Oxidbasis und gegebenenfalls weiteren refraktären Zusätzen
auf Carbid- und/oder Nitridbasis zur Verfügung zu stellen,
die sich durch die Eigenschaftskombination hohe Härte mit
hoher Bruchzähigkeit auszeichnen und besonders verschleißfest
sind, um den Anforderungen an keramische Schneidwerkstoffe
für die spanabhebende Bearbeitung von Eisenwerkstoffen
bei hohen Schnittgeschwindigkeiten besser genügen zu
können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß für polykristalline Sinterkörper,
die aus mindestens 66 Gew.-% einer kristallinen
Si3N4-Phase, von der mindestens 90 Gew.-% in der β-Modifikation
vorliegen und aus bis zu 34 Gew.-% sekundären, intergranularen
Korngrenzenphasen auf Oxid-, Carbid- und/oder
Nitridbasis bestehen, von welchen mindestens eine kristallin
ist, dadurch gelöst, daß mindestens 25 Gew.-% der intergranularen
sekundären Korngrenzenphasen aus einer vollständig kristallinen
Lanthan-Aluminium-Granat-Phase bestehen und der
kristalline Lanthan-Aluminium-Granat vor der Herstellung der
polykristallinen Sinterkörper aus Lanthanoxid und Aluminiumoxid
im Molverhältnis 1:1 hergestellt worden ist.
Die erfindungsgemäßen polykristallinen Sinterkörper können
in an sich bekannter Weise durch Sinterung von Pulvergemischen
aus Si3N4, Sinteradditiven auf Oxidbasis und gegebenenfalls
weiteren refraktären Zusätzen auf Carbid- und/
oder Nitridbasis mit oder ohne Anwendung von Druck bei Temperaturen
im Bereich von 1700°C bis 2150°C hergestellt werden
mit der entscheidenden Maßgabe, daß kristallines Lanthan-Aluminium-
Granat-Pulver als mindestens ein Sinteradditiv verwendet
wird, das vor dem Vermischen mit den übrigen Bestandteilen
und vor der Sinterung aus Lanthan-Oxid und Aluminium-
Oxid im Molverhältnis 1:1 durch Erhitzen auf Temperaturen
von 1700°C bis 1900°C hergestellt worden ist.
Als Ausgangsmaterial werden dabei vorteilhaft homogene Pulvergemische
mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von
≦ωτ2 µm verwendet, aus mindestens 70 Gew.-% Siliciumnitrid,
von dem mindestens 80 Gew.-% in der alpha-Modifikation vorliegen,
mit einem Anteil von Verunreinigungen in Form von
Oxiden und freiem Kohlenstoff von nicht mehr als 4,0 Gew.-%
und aus bis zu 30 Gew.-% des Lanthan-Aluminium-Granat-Pulvers
allein oder im Gemisch mit bekannten Zusätzen auf Oxid-
und/oder Carbid- oder Nitridbasis, wobei jedoch insgesamt
mindestens 1 Gew.-% des kristallinen Lanthan-Aluminium-Granat-Pulvers
vorhanden sein muß.
Als Siliciumnitridpulver können handelsübliche Pulver von
üblicher Feinheit und Reinheit eingesetzt werden, das heißt,
es sind weder besonders feine, noch besonders reine Pulverqualitäten
erforderlich, mit maximalen Teilchengrößen von
bis zu etwa 15 µm, das heißt, mit einer spezifischen Oberfläche
im Bereich von etwa 3 bis 20 m2/g (gemessen nach BET).
Richtwerte für die Verunreinigungen in den Si3N4-Pulvern, die
toleriert werden können, sind:
CaO 0,4 Gew.-%
MgO 0,2 Gew.-%
Na2O 0,1 Gew.-%
K2O 0,1 Gew.-%
Li2O 0,1 Gew.-%
Al2O3 1,1 Gew.-%
Fe2O3 1,5 Gew.-%
TiO2 0,1 Gew.-%und
Cfrei 0,4 Gew.-%
CaO 0,4 Gew.-%
MgO 0,2 Gew.-%
Na2O 0,1 Gew.-%
K2O 0,1 Gew.-%
Li2O 0,1 Gew.-%
Al2O3 1,1 Gew.-%
Fe2O3 1,5 Gew.-%
TiO2 0,1 Gew.-%und
Cfrei 0,4 Gew.-%
Bei Einsatz von Gemischen aus dem kristallinen Lanthan-Aluminium-
Granat-Pulver und Zusätzen auf Oxidbasis werden vorteilhaft
solche aus den Gruppen der kristallinen Silicate natürlicher
oder synthetischer Herkunft, der Metalloxide mit Metallatomen
aus den Gruppen 2a und 3b des Periodischen Systems
einschließlich der Lanthaniden und Aluminium und der Silicium-
Aluminium-oxinitride verwendet.
Beispiele für kristalline Silicate sind solche mit Schmelzpunkten
im Bereich von 1350°C bis 1950°C aus der Gruppe der
Neso-, Soro-, Cyclo-, Ino-, Phyllo- und Tektosilicate mit
Ausnahme von Quarz, die gemäß der DE- . . .
(P 34 23 573.6, eingereicht am 27. 6. 84) als Sinteradditive
zusammen mit Metallcarbiden für die Herstellung von polykristallinen
Sinterkörpern auf Basis bon Siliciumnitrid vorgeschlagen
worden sind.
Spezielle Beispiele sind Ca-Mg-silicate natürlicher Herkunft,
wie Ca2Mg(Si2O7) (Akermanit) und Y-N-silicate synthetischer
Herkunft, wie YAlN(SiO5), hergestellt aus AlN × SiO2 × Y2O3.
Beispiele für Metalloxide sind MgO, Y2O3, Oxide der Lanthaniden
und Al2O3 einschließlich der Mischoxide aus Y2O3 und Al2O3,
wie Y4Al2O9 und Y6Al10O24.
Beispiele für Silicium-Aluminium-oxinitride sind solche der
Zusammensetzung:
SiAl4O2N4, SiAl5O2N5, SiAl6O2N6, SiAl8O2N8 und Si0.5Al3.5O2.5N2.5.
Bei Einsatz von Gemischen aus dem kristallinen Lanthan-Aluminium-
Granant-Pulver und refraktären Zusätzen auf Carbid- und/
oder Nitridbasis werden vorteilhaft solche aus der Gruppe der Metallcarbide
mit Metallatomen aus den Gruppen 4b, 5b und 6b des Periodischen
Systems, sowie B und Si und aus der Gruppe Titannitrid
und Titancarbonitrid verwendet.
Beispiele für Metallcarbide sind TiC, ZrC, WC, TaC, CrC, VC
sowie B4C und SiC.
Die Mengen des kristallinen Lanthan-Aluminium-Granat-Pulvers
müssen bei Einsatz der oben genannten Gemische, unabhängig
davon, ob hierin Zusätze auf Oxid- oder Carbid- /Nitridbasis
verwendet werden, jeweils so bemessen werden, daß im fertigen
Sinterkörper definitionsgemäß mindestnes 25 Gew.-% aller
vorhandenen sekundären Phasen aus dem kristallinen Lanthan-
Aluminium-Granat bestehen, wobei auch die im Si3N4-
Pulver vorhandenen Verunreinigungen zu berücksichtigen sind.
Vorzugsweise beträgt der Anteil des kristallinen Lanthan-
Aluminium-Granats im Gemisch mit Zusätzen auf Carbid/Nitridbasis
mindestens 30 Gew.-% bis etwa 70 Gew.-% und im Gemisch
mit Zusätzen auf Oxidbasis mindestens 30 Gew.-% bis
etwa 60 Gew.-%.
Für die Herstellung der erfindungsgemäßen polykristallinen
Sinterkörper werden die Si3N4-Pulver mit den ausgewählten
Zusätzen gemeinsam mit Hilfe üblicher bekannter Maßnahmen
homogen vermischt. Das homogene Vermischen wird vorteilhaft
durch Vermahlen in Gegenwart eines organischen Lösungsmittels
durchgeführt, wie Methanol, Toluol oder Cyclohexan. Anstelle
der fertigen Ausgangspulver können die Zusätze jedoch auch
mit dem Si-Pulver homogen vermahlen und anschließend gemeinsam
nitridiert werden. Hierdurch wird eine besonders gleichmäßige
Verteilung der Zusätze im Si3N4 erreicht. Nach beendeter
Nitridierung ist das Einschalten einer zusätzlichen
Mahlstufe zweckmäßig, um die erforderliche durchschnittliche
Teilchengröße von ≦ωτ2 µm im Ausgangspulvergemisch sicherzustellen.
Anschließend werden diese homogenen Ausgangspulvergemische
nach den üblichen bekannten Verfahren mit oder ohne Druckanwendung
gesintert. Die Verfahrensparameter, wie Temperatur,
Haltezeit und gegebenenfalls Druck werden dabei vorteilhaft
so gewählt, daß sie nicht nur für eine hohe Verdichtung des
zu sinternden Körpers ausreichend sind, sondern gleichzeitig
auch für die praktisch vollständige Umwandlung der
alpha-Modifikation des Si3N4 in die β-Modifikation. Für die
einzelnen Sinterverfahren haben sich dabei folgendeVerfahrensparameter
besonders bewährt:
1. Sintern ohne Druckanwendung in einem Pulverbett aus
Si3N4 oder Si3N4 und BN;
Temperatur maximal 1900°C; Haltezeit in Abhängigkeit von der Wandstärke des zu sinternden Körpers von 10 bis 40 mm: 1 bis 6 Stunden;
Temperatur maximal 1900°C; Haltezeit in Abhängigkeit von der Wandstärke des zu sinternden Körpers von 10 bis 40 mm: 1 bis 6 Stunden;
2. Sintern unter stationärem Stickstoffdruck von mindestens
2 MPa;
Temperatur maximal 2150°C; Haltezeit bei Wandstärken von 10 bis 40 mm: 1 bis 3 Stunden;
Temperatur maximal 2150°C; Haltezeit bei Wandstärken von 10 bis 40 mm: 1 bis 3 Stunden;
3. Heißpressen unter Stempeldruck in Gegenwart von Stickstoff
unter Normaldruck oder unter Vakuum;
Temperatur maximal 1850°C; Haltezeit bei einer Wandstärke von 10 bis 40 mm: 1 bis 1,5 Stunden;
Temperatur maximal 1850°C; Haltezeit bei einer Wandstärke von 10 bis 40 mm: 1 bis 1,5 Stunden;
4. Heißisostatischpressen unter Stickstoffdruck bis 200 MPa;
Temperatur maximal 1900°C; Haltezeit bei einer Wandstärke von 10 bis 40 mm: 1 bis 1,5 Stunden.
Temperatur maximal 1900°C; Haltezeit bei einer Wandstärke von 10 bis 40 mm: 1 bis 1,5 Stunden.
Die erfindungsgemäß unter Verwendung des kristallinen Lanthan-
Aluminium-Granats hergestellten polykristallinen Sinterkörper
haben unabhängig von dem im einzelnen angewendeten Sinterverfahren
eine Dichte von mehr als 96 % der theoretisch
möglichen Dichte, die unter Anwendung der Drucksinterverfahren
bis zu 100% erreichen kann. Sie sind durch die Kombination
folgender Eigenschaften charakterisiert:
1. Relativ niedriger Elastizitätsmodul (E-modul) im Bereich von 250-310 KN/mm2 gemessen bei Raumtemperatur, der als Maß für eine sehr gute Thermoschockbeständigkeit gilt;
2. hohe mechanische Festigkeit bei Raumtemperatur und geringer Festigkeitsabfall mit der Temperatur, nachgewiesen durch eine Biegefestigkeit bei der Raumtemperatur von mindestens 600 N/mm2, gemessen nach der 4-Punkt-Methode, die bis 1100°C um weniger als 30%, vorzugsweise um weniger als 25%, abfällt;
3. hohe Härte bei Raumtemperatur und geringer Härteabfall mit der Temperatur, nachgeweisen durch HK2-Werte von 1600 bis 2000 bei Raumtemperatur, gemessen nach Knoop bei einer Belastung von 19,62 N, die bis 1100°C um weniger als 45%, vorzugsweise um weniger als 40% abfällt;
4. hohe Bruchzähigkeit, nachgewiesen durch K IC -Werte von mindestens 7,5 MN/m3/2, gemessen nach der 4-Punkt-Methode bei 50% Kerbtiefe und einer Belastungsgeschwindigkeit von 500 N/min.
1. Relativ niedriger Elastizitätsmodul (E-modul) im Bereich von 250-310 KN/mm2 gemessen bei Raumtemperatur, der als Maß für eine sehr gute Thermoschockbeständigkeit gilt;
2. hohe mechanische Festigkeit bei Raumtemperatur und geringer Festigkeitsabfall mit der Temperatur, nachgewiesen durch eine Biegefestigkeit bei der Raumtemperatur von mindestens 600 N/mm2, gemessen nach der 4-Punkt-Methode, die bis 1100°C um weniger als 30%, vorzugsweise um weniger als 25%, abfällt;
3. hohe Härte bei Raumtemperatur und geringer Härteabfall mit der Temperatur, nachgeweisen durch HK2-Werte von 1600 bis 2000 bei Raumtemperatur, gemessen nach Knoop bei einer Belastung von 19,62 N, die bis 1100°C um weniger als 45%, vorzugsweise um weniger als 40% abfällt;
4. hohe Bruchzähigkeit, nachgewiesen durch K IC -Werte von mindestens 7,5 MN/m3/2, gemessen nach der 4-Punkt-Methode bei 50% Kerbtiefe und einer Belastungsgeschwindigkeit von 500 N/min.
Sie haben außerdem ein Mikrogefüge, das aus nadelförmigen
Si3N4-Kristallen mit einem Korndurchmesser von maximal 5 µm
und einem Verhältnis von Kornlänge zu Korndurchmesser von
4:1 bis 7:1 und aus homogen verteilten sekundären Phasen besteht,
die in der polierten Oberfläche in Flächen
von weniger als 10 µm2 sichtbar sind. Die Anwesenheit des
kristallinen Lanthan-Aluminium-Granats in diesen sekundären
Phasen ist röntgenographisch nachweisbar.
Die erfindungsgemäß unter Verwendung des kristallinen Lanthan-
Aluminium-Granats hergestellten polykristallinen Siliciumnitridsinterkörper
sind aufgrund dieser Kombination von
Eigenschaften als keramische Schneidwerkstoffe für die spanabhebende
Bearbeitung von Eisenwerkstoffen bei hohen Schnittgeschwindigkeiten
solchen gemäß dem Stand der Technik eindeutig
überlegen. In den folgenden Beispielen wurden Sinterkörper,
die unter Verwendung des erfindungsgemäßen Lanthan-Aluminium-
Granat-Zusatzes und solche ohne diesen Zusatz bei Zerspanungsversuchen
unter verscheidenen Bedingungen geprüft
und die Überlegenheit der erfindungsgemäßen Schneidwerkstoffe
nachgewiesen.
102 g Aluminiumoxid (Al2O3) wurden mit 326 g Lanthanoxid
(La2O3) in wäßriger Suspension 24 Stunden homogen vermischt.
Nach Entfernen des Wassers, Trocknen und Sieben (Siebmaschenweite
100 µm) wurde das vollständig wasserfreie, homogene
Pulvergemisch in einem Gefäß aus Siliciumcarbid unter Schutzgas
(N2 oder Ar) auf 1830°C erhitzt und 10 bis 15 Minuten
bei dieser Temperatur gehalten. Nach dem Abkühlen wurde der
so hergestellte Lanthan-Aluminium-Granat (LaAlO3) in einer
Planetenkugelmühle mit Mahlbehälter und Mahlkugeln aus Siliciumnitrid
unter Verwendung von Cyclohexan als Mahlflüssigkeit
bis zur Erzielung der erforderlichen durchschnittlichen
Teilchengröße von ≦ωτ2 µm vermahlen.
Beispiel 1:
Si3N4-Ausgangspulver mit folgender Analyse wurde verwendet:
α-Si3N4 87 Gew.-%
β-Si3N4 2,5 Gew.-%
O2 1,63 Gew.-%
C 0,21 Gew.-%
Al 0,15 Gew.-%
Fe 0,21 Gew.-%
Ca 0,14 Gew.-%
Mg 0,05 Gew.-%
Zr 0,05 Gew.-%
Ti 0,02 Gew.-%
Na 0,02 Gew.-%
K 0,02 Gew.-%
N2 36,05 Gew.-%
spez. Oberfläche (BET) 3,7 m2/g
Si3N4-Ausgangspulver mit folgender Analyse wurde verwendet:
α-Si3N4 87 Gew.-%
β-Si3N4 2,5 Gew.-%
O2 1,63 Gew.-%
C 0,21 Gew.-%
Al 0,15 Gew.-%
Fe 0,21 Gew.-%
Ca 0,14 Gew.-%
Mg 0,05 Gew.-%
Zr 0,05 Gew.-%
Ti 0,02 Gew.-%
Na 0,02 Gew.-%
K 0,02 Gew.-%
N2 36,05 Gew.-%
spez. Oberfläche (BET) 3,7 m2/g
Das Si3N4-Pulver wurde mit dem nach A hergestellten La-Al-
Granat-Pulver und gegebenenfalls weiteren Zusätzen auf Carbidbasis
in den angegebenen Mengen in einer Plantenkugelmühle
mit Mahlbehälter und Mahlkugeln aus Siliciumnitrid unter
Verwendung von Cyclohexan als Mahlflüssigkeit 1 bis 5 Stunden
homogen vermischt. Anschließend wurde das Cyclohexan durch
Verdampfen entfernt und das Pulvergemisch durch Sieben (Siebmaschenweite
100 µm) von größeren agglomerierten Teilchen befreit.
Dann wurde das Pulvergemisch nach üblichen bekannten
Formgebungsverfahren (kaltisostatisch Pressen, Gesenkpressen,
oder Gießen) geformt und in bekannter Weise gesintert.
In Tabelle 1 sind die Mengen des Siliciumnitridausgangspulvers
und der Zusätze in Gewichtsprozent, die Mahldauer in
Stunden, das angewendete Sinterverfahren und die erreichten
Sinterdichten in g/cc zusammengestellt.
Hierin bedeuten:
HP = heißgepresst unter Stempeldruck, spez. Preßdruck: 35 MPa Temperatur: 1850°C; Haltezeit: 1 Std.
N2
HP = heißgepresst unter Stempeldruck, spez. Preßdruck: 35 MPa Temperatur: 1850°C; Haltezeit: 1 Std.
N2
-Druck = gesintert unter stationärem N2
-Druck
von 6 MPa; Temperatur: 1950°C
Haltezeit: 3 Std.
DLS = drucklos gesintert in einem Pulverbett aus BN/Si3
DLS = drucklos gesintert in einem Pulverbett aus BN/Si3
N4
-Gemisch
Temperatur: 1850°C;
Haltezeit: 6 Std.
Beispiel 2:
Aus dem in Beispiel 1 verwendeten Siliciumnitridausgangspulver, dem nach A hergestellten La-Al-Granat-Pulver und gegebenenfalls weiteren Zusätzen auf Oxid-, Carbid- und/oder Nitridbasis wurden Sinterkörper hergestellt und hinsichtlich ihrer Eigenschaften untersucht.
Aus dem in Beispiel 1 verwendeten Siliciumnitridausgangspulver, dem nach A hergestellten La-Al-Granat-Pulver und gegebenenfalls weiteren Zusätzen auf Oxid-, Carbid- und/oder Nitridbasis wurden Sinterkörper hergestellt und hinsichtlich ihrer Eigenschaften untersucht.
Zum Vergleich wurden Sinterkörper herangezogen, die unter jeweils
gleichen Bedingungen, jedoch ohne den erfindungsgemäßen
La-Al-Granat-Zusatz hergestellt wurden.
In Tabelle 2 sind die Mengen des Si3N4-Ausgangspulvers und
der Zusätze in Gewichtsprozent für die Herstellung der Sinterkörper
und die Eigenschaften der Sinterkörper zusammengestellt.
Hierin bedeuten:
E-modul
= Elastizitätsmodul in KN/mm2
, gemessen bei Raumtemperatur;
BF
RT
= Biegefestigkeit in N/mm2
, gemessen nach der 4-
Punkt-Methode bei Raumtemperatur;
BF
1100
= Biegefestigkeit in N/mm2
, gemessen nach der 4-
Punkt-Methode bei 1100°C;
HK
2 RT
= Härte gemessen nach Knoop bei einer Belastung von
19,62 N bei Raumtemperatur;
HK
21100
= Härte gemessen nach Knoop bei einer Belastung von
19,62 N bei 1100°C.
Diese Härteprüfung ist eine Abwandlung der Härteprüfung nach Vickers (DIN 50133) bei der eine Diamantpyramide mit schlanker, rhombischer Grundfläche als fast schneidenförmiger Eindringkörper bei der angegebenen Belastung verwendet wurde.
Diese Härteprüfung ist eine Abwandlung der Härteprüfung nach Vickers (DIN 50133) bei der eine Diamantpyramide mit schlanker, rhombischer Grundfläche als fast schneidenförmiger Eindringkörper bei der angegebenen Belastung verwendet wurde.
K
IC
= Bruchzähigkeit in MN/m3/2
, gemessen nach der 4-
Punktmethode an gekerbten Stäbchen der Abmessung
2 × 4 × 34 mm; die Kerbtiefe betrug 2 mm (= 50%)
und die Kerbbreite 0,1 mm; die Belastungsgeschwindigkeit
erfolgte mit 500 N/min.
Die in Beispiel 2 hergestellten erfindungsgemäßen Sinterkörper
E 1 bis E 15 und die zum Vergleich hergestellten Sinterkörper V 1
bis V 9 wurden in Zerspanungsversuchen wie folgt
geprüft:
Versuch 1: Bremsscheibenbearbeitung
Bremsscheiben aus Grauguß GG26 wurden im kontinuierlichen Schnitt bearbeitet
Schnittgeschwindigkeit V c = 600 m/min
Vorschub f = 0,6 mm/U
Schnittiefe ap = 4 mm
Eingriffszeit/Stück = 5,25 sec;
Schneidplättchengeometrie = SNGN 120 430 T
unter der Standmenge ist die Anzahl der Bremsscheiben (Stück) zu verstehen, die mit einem Schneidplättchen bis zum Erreichen der Verschleißmarkenbreite Vb r = 0,3 mm pro Schneidkante bearbeitet wurden.
Bremsscheiben aus Grauguß GG26 wurden im kontinuierlichen Schnitt bearbeitet
Schnittgeschwindigkeit V c = 600 m/min
Vorschub f = 0,6 mm/U
Schnittiefe ap = 4 mm
Eingriffszeit/Stück = 5,25 sec;
Schneidplättchengeometrie = SNGN 120 430 T
unter der Standmenge ist die Anzahl der Bremsscheiben (Stück) zu verstehen, die mit einem Schneidplättchen bis zum Erreichen der Verschleißmarkenbreite Vb r = 0,3 mm pro Schneidkante bearbeitet wurden.
Versuch 2: Längsdrehen
Wellen aus Grauguß GGG50 wurden im unterbrochenen Schnitt längsgedreht.
Schnittgeschwindigkeit V c = 600 m/min
Vorschub f = 0,6 mm/U
Schnittiefe ap = 2 mm
Schneidplättchengeometrie = SNGN 120 412 T
unter der Standzeit ist die Zeit in Minuten bis zum Erreichen der Verschleißmarkenbreite Vb r von 0,3 mm einer Schneidkante des Schneidplättchens zu verstehen.
Wellen aus Grauguß GGG50 wurden im unterbrochenen Schnitt längsgedreht.
Schnittgeschwindigkeit V c = 600 m/min
Vorschub f = 0,6 mm/U
Schnittiefe ap = 2 mm
Schneidplättchengeometrie = SNGN 120 412 T
unter der Standzeit ist die Zeit in Minuten bis zum Erreichen der Verschleißmarkenbreite Vb r von 0,3 mm einer Schneidkante des Schneidplättchens zu verstehen.
Versuch 3: Plandrehen
Hohlzylinder aus Grauguß GG25 mit einer Härte von 230 HB, einem Außendurchmesser von 110 mm, einem Innendurchmesser von 80 mm und einer Länge von 200 mm wurden im Standardversuch plangedreht.
Schnittgeschwindigkeit V c = 678-907 m/min
Vorschub f = 0,4 mm/U
Schnittiefe ap = 2 mm;
Schneidplättchengeometrie = SNGN 120 412 T
unter Standzeit ist die Zeit in Minuten bis zum Erreichen der Verschleißmarkenbreite Vb r = 0,3 mm einer Schneidkante des Schneidplättchens zu verstehen.
Hohlzylinder aus Grauguß GG25 mit einer Härte von 230 HB, einem Außendurchmesser von 110 mm, einem Innendurchmesser von 80 mm und einer Länge von 200 mm wurden im Standardversuch plangedreht.
Schnittgeschwindigkeit V c = 678-907 m/min
Vorschub f = 0,4 mm/U
Schnittiefe ap = 2 mm;
Schneidplättchengeometrie = SNGN 120 412 T
unter Standzeit ist die Zeit in Minuten bis zum Erreichen der Verschleißmarkenbreite Vb r = 0,3 mm einer Schneidkante des Schneidplättchens zu verstehen.
In Tabelle 3 sind die Ergebnisse dieser Versuche 1 bis 3 zusammengestellt.
Wie aus den Daten in Tabelle 3 ersichtlich wurden mit den erfindungsgemäßen
Sinterkörpern E 1 bis E 15 in den drei verschiedenen
Zerspanungsversuchen von Gußeisenwerkstoffen bei der hohen
Schnittgeschwindigkeit von 600 m/min beträchtlich höhere
Standmengen, bzw. Standzeiten erzielt, als mit den Vergleichsproben
V 1 bis V 9.
Für diese besseren Ergebnisse ist die kristalline Lanthan-
Aluminium-Granat-Phase verantwortlich, die in den erfindungsgemäßen
Sinterkörpern nachweisbar vorhanden ist. Diese kristalline
Phase wird aber offensichtlich nur dann gebildet,
wenn in der Ausgangspulvermischung bereits kristallines Lanthan-
Aluminium-Granat-Pulver eingesetzt wird, das vor dem
Vermischen aus La2O3 und Al2O3 hergestellt worden ist. Das
wird besonders deutlich aus dem Vergleich der Ergebnisse
von Probe E 1 mit V 1, bei welcher La2O3 und Al2O3-Pulver
im Molverhältnis 1:1, getrennt mit dem Si3N4-Ausgangspulver
vor der Sinterung vermischt worden sind.
Claims (6)
1. Polykristalline Sinterkörper mit hoher Bruchzähigkeit und
Härte bestehend aus mindestens 66 Gew.-% einer kristallinen
Siliciumnitridphase, von der mindestens 90 Gew.-% in der β-Modifikation
vorliegen und aus bis zu 34 Gew.-% sekundären, intergranularen
Korngrenzenphasen auf Oxid-, Carbid- und/oder Nitridbasis, von welchen
mindestens eine kristallin ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens 25 Gew.-% der intergranularen, sekundären
Korngrenzenphasen aus einer vollständig kristallinen
Lanthan-Aluminium-Granatphase bestehen und der kristalline
Lanthan-Aluminiumgranat vor der Herstellung der polykristallinen
Sinterkörper aus Lanthanoxid und Aluminiumoxid
im Molverhältnis 1:1 hergestellt worden ist.
2. Verfahren zur Herstellung der polykristallinen Sinterkörper
gemäß Anspruch 1 durch Sinterung von Pulvergemischen
aus Siliciumnitrid, Sinteradditiven auf Oxidbasis und ggf.
weiteren refraktären Zusätzen auf Carbid- und/oder Nitridbasis
mit oder ohne Anwendung von Druck bei Temperaturen
im Bereich von 1700° bis 2150°C,
dadurch gekennzeichnet,
daß kristallines Lanthan-Aluminiumgranatpulver als mindestens
ein Sinteradditiv verwendet wird, das vor dem
Vermischen mit den übrigen Bestandteilen und vor der Sinterung
aus Lanthanoxid und Aluminiumoxid im Molverhältnis
1:1 durch Erhitzen auf Temperaturen von 1700° bis
1900°C hergestellt worden ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Ausgangsmaterial homogene Pulvergemische mit
einer durchschnittlichen Teilchengröße von ≦ωτ2 µm aus
mindestens 70 Gew.-% Siliciumnitrid, von dem mindestens
80 Gew.-% in der α-Modifikation vorliegen, mit einem Anteil
von Verunreinigungen in Form von Oxiden und freiem
Kohlenstoff von nicht mehr als 4,0 Gew.-% und aus bis zu
30 Gew.-% des kristallinen Lanthan-Aluminiumgranatpulvers
allein oder im Gemisch mit Zusätzen auf Oxid- und/
oder Carbid- und/oder Nitridbasis, wobei jedoch insgesamt
mindestens 1 Gew.-% des kristallinen Lanthan-Aluminiumgranatpulvers
vorhanden sein muß, verwendet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß Gemische aus dem kristallinen Lanthanaluminiumgranatpulver
und Zusätzen auf Oxidbasis, ausgewählt aus den
Gruppen der kristallinen Silicate natürlicher oder synthetischer
Herkunft, der Metalloxide mit Metallatomen
aus den Gruppen 2a und 3b des Periodischen Systems einschließlich
der Lanthaniden und Aluminium und der Siliciumaluminiumoxinitride
verwendet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß Gemische aus dem kristallinen Lanthan-Aluminiumgranatpulver
und Zusätzen auf Carbidbasis, ausgewählt aus der
Gruppe der Metallcarbide mit Metallatomen aus den Gruppen 4b,
5b und 6b des Periodischen Systems, sowie Bor und
Silicium und/oder Zusätzen auf Nitridbasis, ausgewählt
aus der Gruppe Titannitrid und Titancarbonitrid, verwendet
werden.
6. Verwendung der polykristallinen Sinterkörper gemäß Anspruch 1
als keramische Schneidwerkstoffe für die spanabhebende
Bearbeitung von Eisenwerkstoffen bei hohen
Schnittgeschwindigkeiten.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19853530103 DE3530103A1 (de) | 1985-08-23 | 1985-08-23 | Polykristalline sinterkoerper auf basis von siliciumnitrid mit hoher bruchzaehigkeit und haerte |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19853530103 DE3530103A1 (de) | 1985-08-23 | 1985-08-23 | Polykristalline sinterkoerper auf basis von siliciumnitrid mit hoher bruchzaehigkeit und haerte |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3530103A1 true DE3530103A1 (de) | 1987-03-05 |
Family
ID=6279150
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19853530103 Withdrawn DE3530103A1 (de) | 1985-08-23 | 1985-08-23 | Polykristalline sinterkoerper auf basis von siliciumnitrid mit hoher bruchzaehigkeit und haerte |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3530103A1 (de) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0322745A1 (de) * | 1987-12-24 | 1989-07-05 | Hitachi Metals, Ltd. | Leitender, gesinterter Keramikkörper |
DE3839701A1 (de) * | 1987-11-26 | 1989-07-20 | Ngk Insulators Ltd | Homogener siliciumnitrid-sinterkoerper und verfahren zu seiner herstellung |
DE10133209C5 (de) * | 2001-07-02 | 2006-11-23 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Nichtoxidisches keramisches Beschichtungspulver und daraus hergestellte Schichten |
EP1967503A1 (de) * | 2007-02-23 | 2008-09-10 | Kyocera Corporation | Gesintertes Produkt aus Siliciumnitrid, Schneidewerkzeug, Schneidevorrichtung und Schneideverfahren |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4521525A (en) * | 1984-05-29 | 1985-06-04 | Gte Products Corporation | Silicon nitride bodies |
-
1985
- 1985-08-23 DE DE19853530103 patent/DE3530103A1/de not_active Withdrawn
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Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8130 | Withdrawal |