DE3877943T2

DE3877943T2 - Sialonverbindung fuer schneidwerkzeuge.

Info

Publication number: DE3877943T2
Application number: DE8888903651T
Authority: DE
Inventors: Kumar Mehrotra; L Swiokla
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 1987-05-19
Filing date: 1988-03-25
Publication date: 1993-05-27
Anticipated expiration: 2008-03-26
Also published as: EP0330679A4; AU1593788A; DE3877943T3; DE3877943D1; EP0330679A1; EP0330679B1; WO1988009315A1; CA1335948C; EP0330679B2

Description

Die Erfindung betrifft ein keramisches Sialonmaterial mit einem keramischen Kern, der aus α'-Sialon, β'-Sialon und einer intergranularen Phase, einschließlich einer Glasphase, ausgewählt ist.
Materialien für Schneidwerkzeugeinsätze lassen sich in mehrere gut bekannte Kategorien einordnen. Diese umfassen Schnelldrehstähle, Gußlegierungen von Kobalt und Chrom, Hartmetalle und keramische Materialien. Jeder Materialtyp besitzt einen Vorteil, der von der Anwendung abhängig ist. Keramische Materialien werden für besonders schwierige Anwendungen benutzt. Sie besitzen auch bei erhöhten Temperaturen eine hohe Härte, chemische Reaktionsträgheit und Verschleißfestigkeit. Keramischen Schneidwerkzeugen mangelt es jedoch oftmals an Zähigkeit.
Es besteht ein wachsendes Interesse an der Verwendung von keramischen Materialien, die in der Fachwelt als Sialone bekannt sind, als Materialien für Schneidwerkzeuge. Sialone sind Zusammensetzungen aus Silicium, Aluminium, Sauerstoff und Stickstoff und in manchen Fällen anderen Elementen. Es sind verschiedene Sialonphasen bekannt, einschließlich α'-Sialon und β'-Sialon. Schneidwerkzeuge können entweder aus α'-Sialon, β'-Sialon oder deren Mischungen hergestellt werden. Wie viele keramische Zusammensetzungen beinhalten Sialone oft eine intergranulare Phase. Zur Beschreibung eines β'-Sialonmaterials wird auf das US-Patent 4.127.416 verwiesen. Für eine vollständige Beschreibung von gemischten Zusammensetzungen aus α'-Sialon/β'-Sialon, die als Schneidwerkzeugeinsätze verwendet werden können, wird auf die US-Patente 4.563.433 und 4.547.470 verwiesen.
Ein Vorteil der keramischen Sialon-Schneidwerkzeugeinsätze ist die erhöhte Zähigkeit. Sialone besitzen eine für ein keramisches Material außerordentliche Zähigkeit. Sialone haben eine höhere Warmhärte und eine höhere Druckfestigkeit bei erhöhten Temperaturen als Hartmetalle. Dies sollte den Sialonen erlauben, thermischen Formveränderungen und Flankenverschleiß während der Bearbeitung besser zu widerstehen als Hartmetalle. Ein Nachteil von Sialon-Schneidwerkzeugeinsätzen besteht darin, daß sie eine geringere als die erwünschte chemische Widerstandsfähigkeit aufweisen. Unter den Bedingungen des Schnelldrehstahlvordrehens versagen sowohl Sialone als auch Hartmetalle schnell aufgrund von Kolkverschleiß aufgrund der Affinität zwischen diesen Materialien und den heißen Stahlspänen.
Es wurde vorgeschlagen, Sialon-Schneidwerkzeuge mit einer durch chemische Abscheidung aus der Gasphase aufgetragenen, chemisch widerstandsfähigen und abriebfesten Beschichtung zu versehen. In dem US-Patent 4.539.215 wurde beispielsweise gelehrt, Sialonzusammensetzungen mit einem Überzug aus einem Karbid von Titan, Zirkonium oder Hafnium, einem Nitrid, Karbonitrid, Karbooxid und einem Karbonitrooxid davon zu versehen. In diesem Patent und in der US-A-4.469.489 wurde ferner gelehrt, daß ein Aluminiumoxidüberzug über dem vorstehend beschriebenen Überzug angeordnet werden kann, aber es wurde kein Vorschlag gemacht, den Aluminiumoxidüberzug direkt auf dem Sialon anzuordnen.
Außerdem wurde in der anscheinend dem US-Patent 4.038.092 entsprechenden FR-A-2.339.584 vorgeschlagen, eine Aluminiumoxidschicht direkt auf einem reaktionsgesinterten Siliciumnitridsubstrat anzuordnen und anschließend in Anwesenheit von SiO eine Wärmebehandlung durchzuführen, um die Festigkeit des Körpers durch Bildung einer Oberflächenschicht aus β-Sialon zu erhöhen. Es gibt jedoch keinen Vorschlag, Aluminiumoxid direkt auf ein Sialonsubstrat aufzubringen, das eine intergranulare Glasphase enthält.
Die Anmelderin hat versucht, einen Aluminiumoxidüberzug direkt auf Sialonzusammensetzungen durch chemische Abscheidung aus der Gasphase anzuordnen, um die chemische Reaktion mit den heißen Stahlspänen merklich zu verzögern. Dabei wurden jedoch zwei Probleme aufgedeckt, welche die Verwendung eines durch chemische Abscheidung aus der Gasphase aufgebrachten Aluminiumoxidüberzugs unbrauchbar machen. Es trat eine Entglasung der intergranularen Glasphase unter Bildung einer B- Phase (Y&sub2;SiAlO&sub5;N) auf, die eine wesentlich niedrigere Zähigkeit des Substrats zum Ergebnis hatte. Außerdem verflüchtigte sich die intergranulare Phase nahe der Oberfläche, wobei angrenzend an den Überzug in einer etwa 10 um dicken Oberflächenschicht eine Porosität zurückblieb. Die Verschlechterung der Substrateigenschaften hatte während des Metallschneidens eine Tendenz zum Ausplatzen der Kante und zum Bruch zur Folge, obgleich Flankenabrieb und Kolkverschleißfestigkeit besser waren als bei beschichteten Hartmetallwerkzeugeinsätzen, die unter den gleichen Bedingungen getestet wurden.
Das Problem der Verschlechterung während der chemischen Abscheidung aus der Gasphase ist zumindest teilweise mit der Temperatur des Substrats während des Verfahrens verknüpft. Die Anmelderin hat gefunden, daß einfaches Erwärmen von keramischen Sialonmaterialien (entweder des β'-Sialontyps oder des α'-Sialon/β'-Sialontyps) auf 1000ºC während der normalerweise zur Abscheidung eines Aluminiumoxidüberzugs benötigten Zeitdauer einen Abfall der Bruchzähigkeit zur Folge hat.
Auf der Suche nach Möglichkeiten, die Zähigkeit von aluminiumoxidbeschichteten Sialon-Schneideinsätzen zu erhalten, hat die Anmelderin ein oberflächenlegiertes Sialonmaterial gefunden, das die Zähigkeit von unbehandeltem Sialon und eine wesentlich verbesserte chemische Widerstandsfähigkeit und Verschleißfestigkeit aufweist.
Es ist ein Ziel dieser Erfindung, ein Verfahren zur Legierung der Oberfläche einer Sialonzusammensetzung bereitzustellen, um eine Sialonschicht auf der Oberfläche mit einem erhöhten Aluminium- und Sauerstoffgehalt zu versehen.
Ein weiteres Ziel der hier beschriebenen Erfindung ist es, einen keramischen Sialon-Schneidwerkzeugeinsatz bereitzustellen, der eine hervorragende Bruchzähigkeit und eine verbesserte chemische Reaktionsträgheit aufweist.
Das keramische Sialonmaterial der vorliegenden Erfindung umfaßt einen keramischen Kern, der aus α'-Sialon, β'-Sialon und einer intergranularen Phase, einschließlich einer Glasphase, ausgewählt ist; und weist eine legierte Oberflächenschicht mit einem im Vergleich zu der Kernzusammensetzung wesentlich erhöhten Aluminium- und Sauerstoffgehalt auf.
Das keramische Sialonmaterial wird vorzugsweise als ein Schneidwerkzeugeinsatz verwendet.
Ferner wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Legierung der Oberfläche von Sialonmaterialien bereitgestellt, um den Z-Wert der β'-Sialone nahe der Oberfläche zu erhöhen, welches die folgenden Schritte umfaßt: (a) es wird eine Sialonkernzusammensetzung hergestellt, die im wesentlichen aus α'-Sialon, β'-Sialon und einer intergranularen Phase, einschließlich einer Glasphase, besteht; (b) ein Überzug aus Aluminiumoxid wird in einer Dicke von etwa 1 bis 10 um durch chemische Abscheidung aus der Gasphase auf die Oberfläche der Kernzusammensetzung aufgebracht; und (c) die beschichtete Zusammensetzung wird bei Temperaturen bis zu 1750ºC so lange wärmebehandelt, bis wenigstens ein Teil des Aluminiumoxidüberzugs in die Oberfläche der Kernzusammensetzung diffundiert. Vorzugsweise diffundiert mindestens die Hälfte des Volumens des Aluminiumoxidüberzugs in die Oberfläche der Kernzusammensetzung. Die Sialonkernzusammensetzung besteht im wesentlichen aus α'-Sialon und/oder β'-Sialon und einer intergranularen Phase, einschließlich einer Glasphase, sowie gegebenenfalls aus im wesentlichen inerten, feuerfesten Phasen. Die feuerfesten Phasen sind aus der Gruppe bestehend aus feuerfesten Oxiden, Karbiden und Nitriden von Metallen, deren Mischungen, Verbindungen und festen Lösungen ausgewählt. Die chemische Abscheidung aus der Gasphase des Aluminiumoxidüberzugs wird vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 800 und 1100ºC durchgeführt; in besonders bevorzugter Weise wird die chemische Abscheidung des Aluminiumoxidüberzugs aus der Gasphase bei Temperaturen zwischen 950 und 1050ºC durchgeführt. Die Dicke des mittels chemischer Abscheidung aus der Gasphase aufgetragenen Aluminiumoxidüberzugs beträgt zwischen 1 und 10 um, vorzugsweise 5 bis 7 um. Die Wärmebehandlung wird vorzugsweise in einer nichtoxidierenden Atmosphäre durchgeführt.
Die zur Herstellung der erfindungsgemäßen Materialien geeigneten Bedingungen der Wärmebehandlung sind in der folgenden Tabelle angegeben: Bedingung Nützlicher Bereich Bevorzugter Bereich Temperatur Druck Zeit Atmosphäre
Falls Druck angewendet wird, bevorzugt man dessen Anwendung durch isostatisches Heißpressen. Die Zeiten und Temperaturen sind natürlich miteinander und mit der Ofenbeschickung verknüpft. Je höher die Temperatur, desto kürzer ist die erforderliche Zeit. Je größer die Beladung des Ofens, desto länger ist die Zeit. Die genauen Bedingungen der Wärmebehandlung sind so geartet, daß das Aluminium und der Sauerstoff aus dem Aluminiumoxidüberzug in die Sialonoberfläche diffundieren können und der während des Verfahrens der chemischen Abscheidung aus der Gasphase auftretende Verlust an Zähigkeit zurückgewonnen werden kann. In einer Ausführungsforrn sind die Zeiten und Temperaturen so ausgewählt, daß nur ein Teil des Aluminiums und des Sauerstoffs in das Sialonwerkstück diffundiert und ein Teil des Aluminiumoxids auf der Oberfläche als α-Aluminiumoxid zurückbleibt. Mit einer Wärmebehandlung bei niedrigeren Temperaturen und kürzeren Zeiten ist es wahrscheinlicher, daß Aluminiumoxid nach der Wärmebehandlung auf der Oberfläche zurückbleibt. Mit noch niedrigeren Temperaturen und/oder noch kürzeren Zeiten wird die Dicke des Aluminiumoxidüberzugs zunehmen.
Entsprechend einer speziellen Ausführungsform besteht die Kernzusammensetzung im wesentlichen aus einer Matrix aus β'-Sialon und 0,1 bis 10 Vol.% intergranularer Phase. Entsprechend einer weiteren speziellen Ausführungsform besteht die Kernzusammensetzung im wesentlichen aus einer Matrix von bis zu 70 Vol.% α'-Sialon, 10 bis 99,9 Vol.% β'-Sialon und bis zu 10% einer intergranularen Phase. Eine Variation dieser Ausführungsformen besteht aus den gleichen Zusammensetzungen, die eine im wesentlichen inerte feuerfeste Phase in der Matrix verteilt aufweisen. Gemäß einer weiteren speziellen Ausführungsform weisen die Sialone in der Kernzusammensetzung ein Volumenverhältnis von α'-Sialon zu β'-Sialon zwischen 5:95 und 95:5 auf.
Die intergranulare Phase umfaßt im allgemeinen eine glasartige oder kristalline Phase aus der Gruppe YAG, N-YAM, Y-N-α- Wollastonit, B-Phase, N-Apatit, N-Melilith und Glas.
Die im wesentlichen inerten feuerfesten Phasen können Phasen wie beispielsweise Titannitrid umfassen, die innerhalb der Sialonmatrix der Kernzusammensetzung dispergiert sind. Während der Herstellung des Kerns werden sie mit dem Sialon unter Bildung von feinen Pulverbestandteilen vermischt. Die im wesentlichen inerte feuerfeste Phase kann in Mengen von bis zu 80 Vol.% vorhanden sein. Die feuerfesten Phasen werden im wesentlichen inert genannt, weil zwischen ihnen und der Sialonmatrixphase kaum Reaktion stattfindet.
Zusätzlich zu dem Verfahren wird erfindungsgemäß ein neues keramisches Sialonmaterial, welches beispielsweise für Schneidwerkzeuge verwendet werden kann, mit einem keramischen Kern bereitgestellt, der im wesentlichen aus α'-Sialon und/ oder β'-Sialon und einer intergranularen Phase, einschließlich einer Glasphase, besteht und gegebenenfalls aus im wesentlichen inerten feuerfesten Phasen besteht, wobei das keramische Sialonmaterial eine legierte Oberflächenschicht aufweist, die im Vergleich zu der Kernzusammensetzung einen wesentlich erhöhten Aluminium- und Sauerstoffgehalt besitzt. Die β'-Sialonphase in dem Kern beinhaltet ein Sialon mit niedrigerem Z-Wert als die β'-Sialonphase in der legierten Oberflächenschicht. Die legierte Oberflächenschicht ist vorzugsweise etwa 2 bis 10 um dick. In besonders bevorzugter Weise ist die Porosität der Oberflächenschicht gleich der Porosität des Kerns. Es wird besonders bevorzugt, daß eine geringe Menge Aluminiumoxid auf der Oberfläche des Materials oder der Schneidwerkzeuge verbleibt.
Bei einer besonderen bevorzugten Ausführungsform weist die β'-Sialonphase des Kernmaterials einen Z-Wert von größer als 0 und kleiner als oder gleich 2 auf, und die β'-Sialonphase der legierten Oberflächenschicht weist einen Z-Wert auf, der größer als derjenige des Kernmaterials und kleiner als oder gleich 4 ist. Der Z-Wert eines β'-Sialons wird durch die folgende Formel definiert: Si6-ZAlZOZN8-Z.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Legierung der Oberfläche der Sialonwerkstücke und zur Bereitstellung einer Außenschicht über der legierten Oberflächenschicht bereitgestellt, um den Aluminium- und Sauerstoffgehalt zu erhöhen, wobei die Außenschicht eine feuerfeste Schichtzusammensetzung aus Karbiden, Nitriden, Karbonitriden, Oxiden oder deren Mischungen von Vanadium, Titan, Tantal, Niob, Hafnium oder Zirkonium ist. Dieses Verfahren beinhaltet, daß zuerst ein Aluminiumoxidüberzug mittels chemischer Abscheidung aus der Gasphase auf der Oberfläche der Sialonkernzusammensetzung und dann die feuerfeste Schichtzusammensetzung mittels chemischer Abscheidung aus der Gasphase über dem Aluminiumoxidüberzug aufgebracht wird. Der Schritt der Wärmebehandlung wird so gesteuert, daß mindestens ein wesentlicher Teil des Aluminiums und des Sauerstoffs aus dem Aluminiumoxidüberzug in die Kernzusammensetzung diffundiert, aber die Wärmebehandlung wird abgebrochen, während wenigstens ein Teil der feuerfesten Außenschicht ihre chemische Unversehrtheit wahrt. Speziell wenn die feuerfeste Außenschicht Titannitrid ist, wird die Wärmebehandlung vorzugsweise dann abgebrochen, wenn eine dünne Schicht Aluminiumoxid zwischen der legierten Oberfläche der Kernzusammensetzung und dem Titannitridüberzug gefunden werden kann. Diese besondere Ausführungsform ergibt ein neues keramisches Sialonmaterial mit einem keramischen Sialonkern, der eine legierte Schicht mit einem hohen Aluminium- und Sauerstoffgehalt aufweist, und mit einer angrenzenden feuerfesten Oberflächenschicht oder einem solchen Überzug aus Karbiden, Nitriden, Karbonitriden, Oxiden oder deren Mischungen von Vanadium, Titan, Tantal, Niob, Hafnium oder Zirkonium.
Weitere Merkmale und andere Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, in der auf die Zeichnung Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Balkengraphik zum Vergleich der Vickers- Härte (18,5 kg Last) (GPa) einer α'/β'-Sialon-Schneidwerk zeugzusammensetzung (KYON 2000) - KYON ist ein Warenzeichen der Kennametal Inc. für deren keramische Zusammensetzungen - und einer β'-Sialon-Schneidwerkzeugzusammensetzung (KYON 3000), unbehandelt, nach Anbringen eines Aluminiumoxidüberzugs mittels chemischer Abscheidung aus der Gasphase und nach Oberflächenlegieren gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine Balkengraphik zum Vergleich der Palmqvist- Bruchzähigkeit (18,5 kg Last) (kg/mm) der in Fig. 1 genannten Sialonzusammensetzungen, unbehandelt, nach Anbringen eines Aluminiumoxidüberzugs und nach Oberflächenlegieren;
Fig. 3 eine Balkengraphik zum Vergleich der Standzeiten von Werkzeugen (Minuten) und Fehlerarten eines Hartmetalls (Kennametal-Typ KC950), einer keramischen Zweiphasenzusammensetzung mit Aluminiumoxid und Titankarbid (Kennametal-Typ K090) und zweier oberflächenlegierter Sialonzusammensetzungen gemäß der Erfindung, insbesondere einer α'-Sialon/β'-Sialonzusammensetzung (KYON 2000) und einer β'-Sialonzusammensetzung (KYON 3000) beim Schnell-Vordrehen von niedriglegiertem Stahl (4340); und
Fig. 4 eine Balkengraphik zum Vergleich der Standzeiten von Werkzeugen (Minuten) und Fehlerarten eines Hartmetalls (KC950), einer keramischen Zweiphasenzusammensetzung mit Aluminiumoxid und Titankarbid (K090) und zweier oberflächenlegierter Sialonzusammensetzungen gemäß der Erfindung, insbesondere einer α'-Sialon/β'-Sialonzusammensetzung (KYON 2000) und einer β'-Sialonzusammensetzung (KYON 3000) beim Schnell- Vordrehen von mittelgekohltem Stahl (1045).

Beispiele I und II

Proben einer im Handel erhältlichen α'-Sialon/β'-Sialonzusammensetzung, die schon in Anwendungen für Schneidwerkzeuge benutzt wurde (KYON 2000), und Proben eines weiteren im Handel erhältlichen β'-Sialonmaterials, welches ebenfalls schon in Anwendungen für Schneidwerkzeuge benutzt wurde (KYON 3000), wurden mittels chemischer Abscheidung aus der Gasphase bei 950ºC während einer Dauer beschichtet, die lange genug war, um einen zwischen 5 und 7 um dicken Aluminiumoxidüberzug aufzubauen. Die Proben wurden vorher durch bekannte Verfahren hergestellt, beispielsweise wie in den US-Patenten Nr. 4.563.433 und 3.991.166 beschrieben. (Die Überzüge für die beschriebenen Beispiele wurden auf vorher gesinterte und verdichtete Proben aufgebracht; die Anmelderin nimmt jedoch an, daß die Überzüge auch auf Proben aufgebracht werden können, die gesintert, aber noch nicht vollständig durch isostatisches Heißpressen verdichtet worden sind. Falls die Proben durch uniaxiales Heißpressen in Graphitformen verdichtet werden müssen, folgt das Beschichten normalerweise dem Verdichten durch Heißpressen und dem Formen durch Schleifen.) Die beschichteten Proben wurden dann bei 183 MPa (20 ksi) unter Helium bei 1750ºC wärmebehandelt. Die Wärmebehandlung (in diesem Fall durch isostatisches Heißpressen) ergab eine merkliche Grenzflächendiffusion zwischen dem Aluminiumoxidüberzug und der Substrat- oder Kernprobe.
Eigenschaften der Proben gemäß Beispiel I (KYON 2000) und Beispiel II (KYON 3000), unbehandelt, mit einem 6 um Aluminiumoxidüberzug und mit einer erfindungsgemäßen Oberflächenlegierung, sind in den Tabellen 1 bzw. 2 angegeben. Tabelle 1 Beispiel Eigenschaft unbehandelt beschichtet wärmebehandelt Dichte (g/cm³): Vickers-Härte - 18,5 kg (GPa): Bruchzähigkeit - 18,5 kg Palmqvist Röntgenstrukturanalyse des Kerns * = sehr wenig N-Apatit oder N-YAM Tabelle 2 Beispiel Eigenschaft unbehandelt beschichtet wärmebehandelt Dichte (g/cm³): Vickers-Härte - 18,5 kg (GPa): Bruchzähigkeit - 18,5 kg Palmqvist Röntgenstrukturanalyse des Kerns B = B-Phase +) K1C wurde gemäß Evans and Charles, "Fracture Toughness Determinations by Indentation", J.Am. Ceramic Society, Bd. 59, Nr. 7-8, S. 731 bestimmt.
Ausgewählte Daten aus den Tabellen 1 und 2 sind in Fig. 1 und 2 dargestellt. Aus Fig. 1 ergibt sich, daß die Härte des Substrats nur geringfügig durch einen mittels chemischer Abscheidung aus der Gasphase gebildeten Uberzug beeinflußt und durch Oberflächenlegieren, d.h. durch Beschichten, gefolgt von isostatischem Heißpressen, etwas verbessert wird. Aus Fig. 2 ist klar ersichtlich, daß das Beschichten allein eine ausgesprochen nachteilige Auswirkung auf die Bruchzähigkeit hat, aber daß das Oberflächenlegieren die Bruchzähigkeit meßbar verbessert. Die Bruchzähigkeit von KYON 3000 scheint im Vergleich zu KYON 2000 wesentlich empfindlicher gegenüber Behandlungen durch Beschichten und isostatisches Heißpressen zu sein.
Die Daten der Röntgenstrukturanalyse der oberflächenlegierten Proben zeigten keine eigene Aluminiumoxidphase und keine neuen Phasen im Vergleich zu den unbehandelten Sialonmaterialien. Die B-Phase war in KYON 3000 nach dem isostatischen Heißpressen nicht aufzufinden.

Metallschneidetests

Die vorgesehene Anwendung von beschichteten Sialon-Werkzeugeinsätzen ist das Schnell-Vordrehen (Schnellschruppen) von Stahl. Metall-Schneidetests wurden in den Beispielen I und II unter den folgenden Bedingungen durchgeführt, die Anwendungen beim Schnellschruppen von Stahl darstellen:
Werkstücke: 1045 Stahl
4340 Stahl
Geschwindigkeit: 5,08 m/s (1000 surface feet per minute (sfm))
Vorschub: 0,635 mm (0,025 Inch) pro Umdrehung
Schnittiefe: 3,8 mm (0,15 Inch)
Einsatzform: SNG - 433
1045 ist ein mittelgekohlter Stahl und 4340 ist ein niedriglegierter Stahl.
Die Ergebnisse der Metallschneidetests für die Beispiele I und II sind in den Figuren 3 und 4 dargestellt. Diese Figuren sind Balkengraphiken, worin die Standzeit des Werkzeugs in Minuten zusammen mit der Fehlerart erläutert wird: NW = Nasenverschleißfehler (nose wear failure), FW = Flankenverschleißfehler (flank wear failure), CW = Kolkverschleißfehler (crater wear failure), BK = Bruchfehler (breakage failure) und TD = Fehler durch thermische Deformation. In einem Test mit dem niedriglegierten Stahl wurden die oberflächenlegierten Sialon-Schneidwerkzeuge mit einem handelsüblichen Hartmetallwerkzeug (KC950) verglichen. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, besitzen beide oberflächenbeschichteten Sialone eine höhere Werkzeugstandzeit, wobei die Sialonwerkzeuge in den besser vorhersagbaren Verschleißarten versagen. In einem Test mit mittelgekohltem Stahl wurden die oberflächenlegierten Sialon- Schneidwerkzeuge mit Hartmetallwerkzeugen (KC950) und handelsüblichen keramischen Werkzeugen (K090) verglichen. Das oberflächenlegierte α'-Sialon/β'-Sialon (KYON 2000) hatte eine entschieden höhere Standzeit und versagte in den besser vorhersagbaren Verschleißarten. Das β'-Sialon (KYON 3000) hatte im Vergleich zu den Hartmetall- und keramischen Werkzeugen eine zwar ausreichende, aber sicherlich nicht so lange Werkzeugstandzeit. Fehler traten jedoch in den besser vorhersagbaren Verschleißarten auf.
Anders ausgedrückt, hatte das oberflächenlegierte KYON 2000- Werkzeug bei beiden Stählen fast die zweifache Werkzeugstandzeit des Hartmetallwerkzeugs.

Beispiele III bis VII

Eine Reihe von Variationen des Beispiels I wurde untersucht. In Beispiel I und bei allen in diesem Abschnitt erörterten Variationen betrug die Temperzeit während der Wärmebehandlung eine Stunde. Beispiel III entsprach Beispiel I, mit der Ausnahme, daß die Wärmebehandlung bei 1100ºC unter einer 138 MPa (20 ksi) Argonatmosphäre (heiß-isostatischer Druck) ausgeführt wurde. Beispiel IV entsprach Beispiel I, mit der Ausnahme, daß die Wärmebehandlung bei 1600ºC unter 103 kPa (15 psi) (atmosphärischer Druck) unter einer Argonatmosphäre ausgeführt wurde. Beispiel V entsprach Beispiel I, mit der Ausnahme, daß die Wärmebehandlung bei 1600ºC unter einer 138 MPa (20 ksi) Stickstoffatmosphäre (heiß-isostatischer Druck) ausgeführt wurde. Beispiel VI entsprach Beispiel I, mit der Ausnahme, daß die Wärmebehandlung bei 1750ºC unter einer 138 MPa (20 ksi) Stickstoffatmosphäre (heiß-isostatischer Druck) ausgeführt wurde. Beispiel VII entsprach Beispiel I, mit der Ausnahme, daß die Wärmebehandlung bei 1600ºC unter 103 kPa (15 psi) Stickstoff (atmosphärischer Druck) ausgeführt wurde. Die Änderungen in Härte, Zähigkeit und Oberflächenzusammen-Setzung sind für die Beispiele III bis VII in der folgenden Tabelle 3 dargestellt. Tabelle 3 Beispiel Vickers-Härte 18,5 kg (GPa) Palmqvist-Zähigkeit 18,5 kgW (kg/mm) Röntgenbeugung der Oberfläche KYON 2000 (beschichtet) Aluminiumoxid N-Melilith
Beispiel III zeigt, daß eine unzureichende Wärmebehandlung (1100ºC) eine verminderte Härte und Zähigkeit zum Ergebnis hat. Der Vergleich der Beispiele V und VII zeigt, daß isostatisches Heißpressen im Vergleich zu einer Wärmebehandlung unter atmosphärischem Druck bei den gleichen Behandlungstemperaturen eine verbesserte Zähigkeit ergeben kann. Ein Vergleich der Beispiele V und VI zeigt, daß eine Erhöhung der Wärmebehandlungstemperatur eine vollständige Diffusion des Aluminiums und Sauerstoffs des Aluminiumoxids in die Sialonoberfläche bewirken kann, wobei nur die β'-Sialon- und α'-Sialonphasen zurückbleiben.

Beispiele VIII bis IX

Die Beispiele VIII und IX entsprachen Beispiel I, mit der Ausnahme, daß auf die chemische Dampfabscheidung des Aluminiumoxidüberzugs folgend ein äußerer Titannitridüberzug ebenfalls mittels chemischer Abscheidung aus der Gasphase über dem Aluminiumoxidüberzug aufgebracht wurde. Beispiel VIII wurde eine Stunde bei 1750ºC unter einer 138 MPa (20 ksi) Stickstoffatmosphäre wärmebehandelt. Die Wärmebehandlung in Beispiel IX war eine Stunde bei 1750ºC unter einer 138 MPa (20ksi) Argonatmosphäre. Der Titannitridüberzug war nach den Wärmebehandlungen unversehrt und reagierte nicht mit dem Sialonkern.

Beispiele X bis XI

Die Beispiele X und XI entsprachen Beispiel I, mit der Ausnahme, daß die Wärmebehandlung eine Stunde bei 1650ºC unter 10:3 kPa (15 psi) Stickstoff und eine Stunde bei 1650ºC unter 138 MPa (20 ksi) Stickstoff umfaßte.

Metallschneidetests

Metallschneidetests wurden an den Beispielen VIII bis XI unter den folgenden Bedingungen durchgeführt:
Werkstücke: 1045 Stahl
Geschwindigkeit: 5,08 m/s (1000 sfm)
Vorschub: 0,635 mm (0,025 Inch) pro Umdrehung
Schnittiefe: 2,54 mm (0,1 Inch)
Einsatzform: SNG - 453
Die Ergebnisse der Metallschneidetests sind in der folgenden Tabelle 4 dargestellt: Tabelle 4 Beispiel Werkzeug-Standzeit (Min.) Fehlerart KYON 2000 (beschichtet)
Die Abkürzungen für die in Tabelle 4 genannten Fehlerarten bedeuten folgendes: FW = Flankenabriebfehler; CR = Kolkverschleißfehler; CH = abgeplatzt (chipped); DOCN = Fehler in der Schnittkerbentiefe; und NW = Nasenabriebfehler.
Die Daten aus Tabelle 4 begründen den wesentlichen Vorteil erfindungsgemäßer oberflächenlegierter Zusammensetzungen, wenn diese als Schneidwerkzeugeinsätze verwendet werden. Die Beispiele VIII bis XI weisen alle mindestens die zweifache Werkzeugstandzeit im Vergleich zu KYON 2000 und beschichtetem (aber nicht oberflächenlegiertem) KYON 2000 auf.
Obwohl die Bindung an irgendeine vorgeschlagene Theorie nicht beabsichtigt ist, scheint es nun so zu sein, daß das erfindungsgemäße Oberflächenlegieren eine Erhöhung des Z- Wertes der β'-Sialonphase nahe der Oberfläche bewirkt. Es wird daran erinnert, daß das β'-Sialon die allgemeine Formel Si6-ZAlZOZN8-Z hat.

Claims

1. Keramisches Sialonmaterial mit einem keramischen Kern, der aus α'-Sialon, β'-Sialon und einer intergranularen Phase, einschließlich einer Glasphase, ausgewählt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Sialonmaterial eine legierte Oberflächenschicht aufweist, die im Vergleich mit der Kernzusammensetzung einen wesentlich erhöhten Aluminium- und Sauerstoffgehalt besitzt.

2. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die β'-Sialonphase in dem Kern einen niedrigeren Z-Wert aufweist als die β'-Sialonphase in der legierten Oberflächenschicht.

3. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern im wesentlichen aus β'-Sialon und 0,1 bis 10 Volumenprozent intergranularer Phase besteht.

4. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern im wesentlichen aus bis zu 70 Volumenprozent α'-Sialon, 10 bis 99,9 Prozent β'-Sialon und bis zu 10 Prozent einer intergranularen Phase besteht.

5. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sialone in dem Kern ein Volumenverhältnis von α'-Sialon zu β'-Sialon zwischen 5:95 und 95:5 aufweisen.

6. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die legierte Oberflächenschicht etwa 2 bis 10 um dick ist.

7. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Porosität der legierten Oberflächenschicht gleich der Porosität des Kerns ist.

8. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die β'-Sialonphase des Kernmaterials einen Z-Wert von größer als 0 und weniger oder gleich 2 aufweist und die β'-Sialonphase der legierten Oberflächenschicht einen Z-Wert aufweist, der größer als der des Kernmaterials und kleiner als 4 ist.

9. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern ferner eine feuerfeste Phase umfaßt, die aus der Gruppe bestehend aus feuerfesten Metalloxiden, -karbiden und -nitriden und deren Mischungen, Verbindungen und festen Lösungen ausgewählt ist.

10. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aluminiumoxidschicht über der legierten Oberflächenschicht angeordnet ist.

11. Material nach einem der Ansprüche 1 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine feuerfeste Außenschicht über der legierten Oberflächenschicht angeordnet ist, wobei die feuerfeste Außenschicht aus der Gruppe bestehend aus Karbiden, Nitriden, Karbonitriden, Oxiden und deren Mischungen von Vanadium, Titan, Tantal, Niob, Hafnium oder Zirkonium ausgewählt ist.

12. Verfahren zur Legierung der Oberfläche von Sialonmaterialien zur Erhöhung des Z-Wertes von β'-Sialonen nahe der Oberfläche, welches die folgenden Schritte umfaßt:

(a) eine Sialonkernzusammensetzung wird hergestellt, wobei die Kernzusammensetzung im wesentlichen aus α'-Sialon, β'-Sialon und intergranularen Phasen, einschließlich einer Glasphase, besteht;

(b) auf der Oberfläche der Kernzusammensetzung wird mittels chemischer Dampfabscheidung ein Überzug aus Aluminiumoxid in einer Dicke von etwa 1 bis 10 um aufgebracht; und

(c) die beschichtete Zusammensetzung wird bei Temperaturen bis zu 1750ºC so lange wärmebehandelt, bis mindestens ein Teil des Sauerstoffs und des Aluminiums des Aluminiumoxidüberzugs in die Oberfläche der Kernzusammensetzung diffundiert.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernzusammensetzung im wesentlichen aus β'-Sialon und 0,1 bis 10 Volumenprozent intergranularer Phase besteht.

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernzusammensetzung im wesentlichen aus bis zu 70 Volumenprozent α'-Sialon, 10 bis 99,9 Prozent β'-Sialon und bis zu 10 Prozent einer intergranularen Phase besteht.

15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Sialone in der Kernzusammensetzung ein Volumenverhältnis von α'-Sialon zu β'-Sialon zwischen 5:95 und 95:5 aufweisen.

16. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern ferner im wesentlichen aus einer feuerfesten Phase besteht, die aus der Gruppe bestehend aus feuerfesten Metalloxiden, -karbiden und -nitriden und deren Mischungen, Verbindungen und festen Lösungen ausgewählt ist.

17. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Dampfabscheidung des Aluminiumoxidüberzugs bei Temperaturen zwischen 800 und 1100ºC durchgeführt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Dampfabscheidung des Aluminiumoxidüberzugs bei Temperaturen zwischen 950 und 1050ºc durchgeführt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des durch chemische Dampfabscheidung aufgebrachten Aluminiumoxidüberzugs zwischen 5 und 7 um liegt.

20. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung bei Temperaturen zwischen 1500 und 1700ºC, bei Drücken bis zu 207 MPa (30 ksi) und für die Dauer von zwischen 15 Minuten und 5 Stunden in einer nichtoxidierenden Atmosphäre durchgeführt wird.

21. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung bei Temperaturen zwischen 1300 und 1800ºC, bei Drücken bis zu 207 MPa (30 ksi) und für die Dauer von zwischen 15 Minuten und 5 Stunden in einer nichtoxidierenden Atmosphäre durchgeführt wird.

22. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung in einer aus den Gasen Stickstoff, Helium und Argon und deren Mischungen ausgewählten Atmosphäre unter isostatischen Preßbedingungen durchgeführt wird.

23. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung vor dem Zeitpunkt abgebrochen wird, zu dem das ganze Aluminiumoxid in die Oberfläche der Kernzusammensetzung eindiffundiert ist.

24. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein äußerer feuerfester Überzug durch chemische Dampfabscheidung über dem Aluminiumoxidüberzug abgeschieden wird, wobei der äußere feuerfeste Überzug aus der Gruppe bestehend aus Karbiden, Nitriden, Karbonitriden, Oxiden und deren Mischungen des Vanadins, Titans, Tantals, Niobs, Hafniums oder Zirkoniums ausgewählt wird, und daß die Wärmebehandlung vor dem Zeitpunkt abgebrochen wird, zu dem der äußere feuerfeste Überzug wesentlich mit der legierten Oberfläche der Kernzusammensetzung zu reagieren beginnt.

25. Schneidwerkzeugeinsatz mit einem keramischen Kern, der im wesentlichen aus α'-Sialon, β'-Sialon und intergranularen Phasen, einschließlich einer Glasphase, besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Sialonmaterial eine legierte Oberflächenschicht mit einer Zusammensetzung aufweist, die ähnlich der Zusammensetzung des Kerns ist, aber im Vergleich mit der Kernzusammensetzung einen wesentlich erhöhten Aluminium- und Sauerstoffgehalt aufweist.

26. Schneidwerkzeugeinsatz mit einem keramischen Kern, der im wesentlichen aus β'-Sialon und intergranularen Phasen, einschließlich einer Glasphase, besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Sialonmaterial eine legierte Oberflächenschicht aufweist, die eine ähnliche Zusammensetzung wie der Kern, aber im Vergleich mit der Kernzusammensetzung einen wesentlich erhöhten Aluminium- und Sauerstoffgehalt besitzt.