DE69016179T2

DE69016179T2 - Mit Whiskern verstärktes keramisches Schneidwerkzeugmaterial.

Info

Publication number: DE69016179T2
Application number: DE69016179T
Authority: DE
Inventors: Gunnar Brandt
Original assignee: Sandvik AB
Current assignee: Sandvik Intellectual Property AB
Priority date: 1989-10-17
Filing date: 1990-10-16
Publication date: 1995-05-18
Anticipated expiration: 2010-10-17
Also published as: EP0429420A2; EP0429420A3; JPH03205378A; US5141901A; SE465319B; JP2540662B2; EP0429420B1; DE69016179D1; SE8903416L; SE8903416D0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft keramische Schneidwerkzeugmaterialien und insbesonders solche Schneidmaterialien, in denen monokristalline Whisker (Haarkristalle) gleichmäßig in einer keramischen Matrix verteilt sind, die Aluminiumoxid enthält, welches zu einer verbesserten Festigkeit und Zähigkeit führt, ohne einen negativen Einfluß auf die Verschleißbeständigkeit zu zeigen.
Keramische Schneidwerkzeuge sind nun seit mehreren Dekaden verfügbar, doch hatten sie bis zu den jüngstvergangenen Jahren keine große gewerbliche Bedeutung für die Verwendung bei spanabhebender maschineller Bearbeitung. Der Hauptgrund für die begrenzte Zunahme keramischer Schneidwerkzeuge waren plötzliche und unerwartete Werkzeugfehler wegen unzureichender Festigkeit und Zähigkeit.
In jünstvergangenen Jahren wurden die Eigenschaften keramischer Schneidwerkzeugmaterialien in vielerlei Hinsicht verbessert, und ihre Verwendung beim Schneiden von Gußeisen und heißfesten Legierungen (auf Nickelbasis) nahm zu. Der Anteil an keramischen Schneideinsätzen ist jedoch noch sehr klein, wo Stahl das vorherrschende maschinell zu bearbeitende Werkstückmaterial ist, da dieses Material gleichzeitig große Anforderungen an Festigkeit, Zähigkeit und Verschleißbeständigkeit stellt, die mit bekannten keramischen Schneidwerkzeugmaterialien bis heute nicht erfüllt wurden.
Schneidwerkzeugmaterialien auf Aluminiumoxidbasis sind sehr empfindlich gegen die Bildung von Hitzerissen, da Aluminiumoxid in sich selbst eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit hat. Dies führt zu sehr kurzen Werkzeuglebensdauern beim maschinellen Bearbeiten von Stahl, insbesondere unter Bedingungen mit kurzen Arbeitszeiten und variierender Schneidtiefe.
Die thermischen Eigenschaften wurden etwas durch Zusätze von Titancarbid und/oder Titannitrid verbessert, welche die Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials verbessern.
Der Zusatz von Titancarbid/-nitrid erhöht auch die Härte des Materials. Im Vergleich mit reinen Aluminiumoxidmaterialien bekommt man daher eine erhöhte Werkzeuglebensdauer beim Schneiden härterer Werkstückmaterialien und bei Bearbeitungen, die Hitzeschock erfordern. Diese Materialart hat jedoch zu schlechtes Zähigkeitsverhalten für eine allgemeine Verwendung beim Schneiden von Stahl.
Eine andere spätere Entwicklungsstufe betrifft das Legieren gleichmäßig in einer Aluminiumoxidmatrix dispergierter feinkörniger Zirkonoxidteilchen. Ein Übergang der "metastabilen" Zirkonoxidteilchen während der Verwendung steigert sowohl die Festigkeit als auch die Zähigkeit und ergibt somit eine besser voraussagbare Werkzeuglebensdauer.
Die thermischen Eigenschaften dieser Materialtype sind jedoch nur geringfügig besser als jene von reinen Aluminiumoxidmaterialien, und daher ist Einleitung und das Wachstum thermisch induzierter Risse noch ein großes Problem im praktischen Schneidbetrieb, der hohe Schneidkantentemperaturen erzeugt, wie das Schneiden von Stahl.
Es wurde in jüngster Vergangenheit gezeigt, daß ein Legieren von SiC-Whiskern, mit monokristallinen Haarkristallen, in einer Matrix von Aluminiumoxid zu einer stark verbesserten Bruchzähigkeit und Festigkeit führt. Keramische Schneidwerkzeugmaterialien auf der Basis dieses Konzeptes zeigten sehr gute Leistungen beim Schneiden, insbesondere von Materialien mit Warmfestigkeit, doch beim Schneiden von Stahl zeigten sie überraschenderweise kurze Lebensdauer wegen bevorzugten Angriffs auf die SiC-Kristalle. Dies führt zu einer Schwächung der Oberflächenzone mit begleitendem hohen Verschleiß und Gefahren zur Rißeinleitung.
Es ist somit ein Ziel der Erfindung, ein keramisches Material für spanabhebende maschinelle Bearbeitung, insbesondere von Stahl, zu erhalten, in welchem die oben erwähnten Schwächungen heute bekannter Schneidwerkzeugmaterialien auf Aluminiumoxidbasis ausgeschaltet wurden. So fand man gemäß der Erfindung eine einzigartige Kombination von Festigkeit, Zähigkeit, Hitzeschockbeständigkeit und Verschleißbeständigkeit, die mit früher bekannten Schneidwerkzeugmaterialien auf Oxidbasis nicht erhältlich war.
Das Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist es, keramische Schneidwerkzeugmaterialien auf Oxidbasis herzustellen, die durch Whisker mit geringer Löslichkeit in Stahl verstärkt sind. Dies führt zu einem Schneidwerkzeugmaterial mit einer verbesserten und besser vorhersagbaren Zähigkeit, Festigkeit und Beständigkeit gegen Hitzeschocks ohne merkliche Verschlechterung der Verschleißbeständigkeit, insbesondere beim Schneiden von Stahl. Dies war mit früher bekannten Materialzusammensetzungen nicht möglich.
Ein solches Material ist in der EP-A1-0 283 454 beschrieben, die Whisker auf der Basis von Carbiden, Nitriden und Boriden von Ti oder Zr oder festen Lösungen hiervon betrifft.
Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß weitere Verbesserungen der Bruchzähigkeit und Beständigkeit gegen Hitzeschocks erreicht werden können, wenn die Unterschiede der thermoelastischen Eigenschaften zwischen dem Aluminiumoxid und dem Whiskermaterial groß sind.
Gemäß R. W. Rice, Ceram. Eng. Sci. Pro., 2 (1981), Seite 661, und A. G. Evans, H. K. Bowen, R. W. Rice und K. M. Prevo, Rep. Materials Research Council Summer Conf., La Jolla, Ca., 1983, sind die wesentlichsten Kriterien bei der Entwicklung faserverstärkter Keramikmaterialien folgende:
1. ein hoher Fasermodul und hohe Faserfestigkeit (vorzugsweise mehr als das Zweifache derjenigen der Matrix für eine effektive Belastungsübertragung auf die Faser),
2. ein kleiner Faserdurchmesser (im gleichen Größenordnungsbereich wie die Korngröße in der Matrix),
3. eine homogene Faserverteilung,
4. keine oder geringe chemische Bindung zwischen Faser und Matrix,
5. keine chemischen Reaktionen, die die Eigenschaften der Faser zerstören oder verändern,
6. eine große Volumenfraktion der Fasern,
7. vergleichbare Wärmeausdehnungskoeffizienten (alpha), aber vorzugsweise ein größerer Ausdehnungskoeffizient für die Faser als für die Matrix, so daß Kompressionsspannungen in der Matrix erhalten werden.
Unter Punkt 7 ist speziell erwähnt, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient größer als oder gleich wie jener der Matrix sei soll. Dieses Erfordernis wird in der oben erwähnten schwedischen Patentanmeldung erfüllt, da der Unterschied des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen TiC, TiN, TiB&sub2; und ZrC, ZrN, ZrB&sub2; in Bezug auf Al&sub2;O&sub3; sehr klein ist.
Es erwies sich nun als besonders günstig, Whisker mit niedrigerem Wärmeausdehnungskoeffizienten als jenem von Al&sub2;O&sub3; zu verwenden, was zu Zugspannungen in dem Aluminiumoxid und Kompressionsspannungen in dem Whisker führt. Der genaue Mechanismus der Verbesserungen von Bruchzähigkeit und Beständigkeit gegen Hitzeschock sind nicht bekannt, doch gibt es wahrscheinlich auch eine Bildung von Mikrorissen während der Verwendung, die das Zähigkeitsverhalten und die Beständigkeit gegen Hitzeschock günstig beeinflußt. Ein anderer Faktor, der wichtig sein kann, besteht darin, daß die Zugspannungen in dem Aluminiumoxid parallel zu der Längsachse des Whiskers orientiert sind und daher ein Voranschreiten von Rissen senkrecht zu dem Whisker erfolgt, was eine Verbrückung der Risse begünstigt (der Whisker überbrückt einen voranschreitenden Riß und bemüht sich, ihn zusammenzuhalten).
Das keramische Schneidwerkzeugmaterial nach der vorliegenden Erfindung besteht aus einer Matrix auf Aluminiumoxidbasis mit 5 bis 50, vorzugsweise 10 bis 40, oftmals 25 bis 35 Vol.- % homogen dispergierter Whisker auf der Basis von Nitriden, Carbiden und/oder Boriden von Hf, V, Nb oder Ta oder fester Lösungen hiervon, die durch einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der geringer als jener von Al&sub2;O&sub3; ist, und eine niedrige Löslichkeit in Stahl gekennzeichnet sind.
In Tabelle 1 finden sich nachfolgend Beispiele von Whiskermaterialien, die die Kriterien niedriger Löslichkeit in Stahl erfüllen. Tabelle 1 Wärmeausdehnungskoeffizient (10&supmin;&sup6; K&supmin;¹ 300 - 1300 K)
Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, können keine oder nur sehr geringe Selbstspannungen durch die Verwendung von TiN-Whiskern erwartet werden. Die Verwendung von HfC, HfN und NbC ergibt Zugspannungen in dem Aluminiumoxid. Diese werden noch größer durch Verwendung von TaC, TaN oder TaB&sub2; sein.
Das Whiskermaterial besteht aus Einkristallen mit einem Durchmesser von 0,2 bis 10 um und einer Länge von 2,5 bis 100 um und ist daher durch ein Verhältnis von Länge/Durchmesser gekennzeichnet, das vorzugsweise 5 bis 10 ist. Die Korngröße der Oxidmatrix soll nach < 10 um, vorzugsweise < 4 um sein. Die Oxidmatrix soll im wesentlichen aus keramischen 0xiden oder aus mit harten Carbiden und/oder Nitriden und/oder Boriden und/oder Bindermetall gemischten keramischen Oxiden bestehen. Vorzugsweise soll die keramische Matrix < 20 Vol.-% ZrO&sub2; enthalten.
Das vorliegende Schneidwerkzeugmaterial wird durch Naßmahlen und Vermischen von Pulver auf Oxidbasis und ein kristallinen Whiskerkristallen hergestellt. Nach dem Trocknen wird das Gemisch zu der erwünschten geometrischen Form gepreßt und ohne Druck auf fast theoretische Dichte gesintert. Nach dem Sintern gegebenenfalls verbleibende sogenannte geschlossenen Porosität kann durch heißes isostatisches Pressen entfernt werden. Wenn es während des Sinterns nicht möglich ist, geschlossene Porosität zu erhalten, kann das Material zu der erwünschten Dichte unter Druck durch ein geeignetes Graphitwerkzeug gesintert oder nach dem Einschließen in einer Dose heiß isostatisch gepreßt werden. Die Sintermethode hängt von dem Whiskermaterial ab und wird so ausgewählt, daß das Schneidwerkzeugmaterial eine 99 % der theoretischen Dichte übersteigende Dichte erreicht.
Die Verwendung von Whiskerverstärkung in der Matrix auf Aluminiumoxidbasis führt zu einer wesentlichen Steigerung der Bruchzähigkeit. Der diese Steigerung verursachende Mechanismus kann Belastungsübertragung zwischen Whisker und Matrix, Rißablenkung und Whiskerausziehen sein. Dieser Mechanismus nutzt das Rißvoranschreiten aus und hängt von diesem ab, welches entlang einer genügend schwachen Grenzfläche zwischen Whisker und Matrix auftritt. Die Bindungskraft zwischen Whisker und Matrix ist daher ein wichtiger Parameter, der durch Überziehen des Whiskermaterials mit dünnen Schichten beispielsweise von BN oder Graphit beeinfluß werden kann, um die Bruchfestigkeit weiter zu verbessern. Im vorliegenden Fall bekommt man auch einen Beitrag von den inneren Spannungen, die durch Verwendung von Whiskern mit niedrigerem Wärmeausdehnungskoeffizienten als jenem der Matrix gebildet werden.

Beispiel 1

30 Vol.-% Titannitrid-, Hafniumnitrid- bzw. Tantalnitrid-Whisker werden mit 70 Vol.-% eines Gemisches von 95,5 Gew.-% Al&sub2;O&sub3;, 4,2 Gew.-% ZrO&sub2; und 0,3 Gew.-% MgO naß vermischt. Nach dem Trocknen im Vakuum werden die Gemische trocken vermengt und zu Körpern verpreßt. Die Körper werden bei 1550 ºC zu 99 % der theoretischen Dichte durch isostatisches Heißpressen gesintert.
KIC wird mit Hilfe der sogenannten Eindruckmethode gemessen. Bei dieser Methode wird mit Hilfe einer Pyramidendiamantspitze ein Eindruck erzeugt, und das KIC wird aus der Größe der Risse berechnet, die von den Ecken des Eindruckes aus erzeugt werden.
Bei der Messung wurde eine Bezugssubstanz von Al&sub2;O&sub3; + 4,2 Gew.-% ZrO&sub2; + 0,3 Gew.-% MgO verwendet. Die KIC-Werte für die verschiedenen Materialkombinationen sind in Tabelle 2 gegeben. Tabelle 2 Whisker * keine Ausführungsform der Erfindung
Aus der Tabelle ist ersichtlich, daß ein Legieren mit TiN-, HfN- bzw. TaN-Whiskern eine große Steigerung der Bruchzähigkeit ergibt. Die Bruchzähigkeit wächst mit steigendem Unterschied des Wärmeausdehnungskoeffizienten. Die bevorzugte Ausführungsform ist daher ein Whiskermaterial mit einem Ausdehnungskoeffizienten von höchstens 85 % und vorzugsweise höchstens 70 % desjenigen von Al&sub2;O&sub3;, gemessen in dem Temperaturintervall von 300 bis 1300 K. Die Bruchzähigkeit ist ein Paramter, welcher die Fähigkeit eines Materials zeigt, mechanischen Beanspruchungen zu widerstehen, ohne zu katastrophalen Fehlern zu führen. lm Falle spanabhebender machineller Bearbeitung bedeutet dies, daß höhere Vorschubwerte erlaubt sein können, d. h. die Geschwindigkeit der Materialentfernung für eine bestimmte Schneidgeschwindigkeit erhöht werden kann.
Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf whiskerverstärkte Materialien beschrieben. Es ist für den Fachmann jedoch auf der Hand liegend, daß ähnliche Ergebnisse erhalten werden können, wenn die Whisker ganz oder teilweise durch einkristalline Plättchen oder ähnliches ersetzt werden. Der Durchmesser der Plättchen soll geringer als 50 um, vorzugsweise geringer als 20 um und die Dicke geringer als 5 um, vorzugsweise geringer als 2 um sein.

Claims

1. Keramisches Material auf Al&sub2;O&sub3;-Basis für spanabhebende maschinelle Bearbeitung von Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß das Material neben der Matrix auf Al&sub2;O&sub3;-Basis 5 bis 50 Vol.-%, vorzugsweise 10 bis 40 Vol.-% homogen dispergierter Whisker von Nitriden, Carbiden und/oder Boriden von Hf, V, Nb oder Ta (oder von festen Lösungen hiervon) mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten, der geringer als jener von Al&sub2;O&sub3; und vorzugsweise höchstens 85 % jenes von Al&sub2;O&sub3;, gemessen bei 300 bis 1300 K, ist, enthält.

2. Material nach dem vorausgehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix auf Al&sub2;O&sub3; und < 20 Vol.-% ZrO&sub2; basiert.