FACHGEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein
Siliciumnitrid-Sinterprodukt das zum Einsatz in einem Schneidwerkzeug, einem
abriebsbeständigen Werkzeug, als abriebbeständige Komponente und
als sich hin und her bewegende Komponente geeignet ist. Der
Ausdruck "Siliciumnitrid" wird hier so gebraucht, daß er
Si&sub3;N&sub4;,β'-Sialon bedeutet, repräsentiert durch Si6-ZAlZOZN8-Z (mit
Z = 0 bis 4,2), und dergleichen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Siliciumnitrid-Sinterprodukte sind Keramiken, die extrem hart
sind und ausgezeichnetes Abriebbeständigkeit wie auch
Festigkeit und Zähigkeit zeigen. Deshalb wurden Siliciumnitrid-
Sinterprodukte bei Schneidwerkzeugen und bei abriebbeständigen
Komponenten verwendet.
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In JP-A-1-157466 (1989) (der Ausdruck JP-A, wie er hier
verwendet wird, bedeutet "ungeprüfte Veröffentlichung einer
japanischen Patentanmeldung"), die US-A-4 880 756 entspricht,
wird ein Siliciumnitrid-Sinterprodukt, bei dem Mg, Sr, Al oder
dergleichen als Sinterhilfe benutzt werden, als Produkt mit
ausgezeichneter Abriebbeständigkeit vorgeschlagen. Diese Lehre
nach dem Stand der Technik, wie auch die in EP-A-0 356 244
geoffenbarte Lehre ist begründet auf der Erkenntnis, das Al und
dergleichen zu einer Produktverdichtung beitragen, indem sie
zusammen mit Si, N und O eine Flüssigphase in den
Zwischenräumen
zwischen den Si&sub3;N&sub4;-Körnern während des Erhitzens bilden und
auch die Si&sub3;N&sub4;-Körner durch Verglasung während des Abkühlens
binden, so daß ein Freisetzen von Si&sub3;N&sub4;-Körnern beim Abrieb
vermieden und dadurch die Zähigkeit verbessert wird. In manchen
Fällen kann ein abriebbeständiger Film an der Oberfläche des
Grundmaterials eines Schneidwerkzeuges gebildet werden, was ihm
exzellente Festigkeit und Zähigkeit verleiht, so daß die
Abriebbeständigkeit verbessert wird.
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Jedoch ist bei diesen Schneidwerkzeugen abgesehen von den
abriebbeständigen Komponenten und den sich hin- und
herbewegenden Komponenten, eine weitere Verbesserung des
Verschleißverhaltens erforderlich, um die Werkzeugstandzeit zu
verlängern, da die in JP-A-1-157466 beschriebenen Techniken derartige
Anforderungen noch nicht erfüllen. Obwohl es möglich war,
Sinterprodukte zu erhalten, die ausgezeichnete Versagensfestigkeit
zeigen durch Verbessern der Festigkeit und Zähigkeit, gab es
bisher kein besonderes Mittel zum Verbessern der
Abriebfestigkeit, da die Beziehung zwischen Abriebfestigkeit und
mechanischen Eigenschaften nicht bekannt war.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Diese Erfinder haben nach gründlichen Studien festgestellt, daß
eine Verringerung des Anteils an Korngrenzen-Glasphase
unerwartet wirksam bei der Verbesserung der Abriebbeständigkeit ist.
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Die vorliegende Erfindung wurde aufgrund dieser Erkenntnisse
hergestellt.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Siliciumnitrid-
Sinterprodukt zu schaffen, das ausgezeichnete
Abriebbeständigkeit zeigt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Siliciumnitrid-
Sinterprodukt geschaffen, das ausgezeichnete
Abriebbeständigkeit zeigt. Dieses Produkt wird bestimmt durch die Merkmale des
Anspruchs 1.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die Ausführung der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend
beschrieben.
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Unsere Untersuchungen bezüglich der Abriebbeständigkeit von
Schneidwerkzeugen haben die folgenden Tatsachen ans Licht
gebracht:
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Man nimmt an, daß allgemein die Temperatur der Schneidkante
eines Schneidwerkzeuges während des Schneidens 800ºC oder mehr
erreicht, wenn dies auch von dem Werkstück und den
Schneidbedingungen abhängt. Deshalb ist es wichtig, um die
Abriebbeständigkeit von Schneidwerkzeugen zu erhöhen, daß die
Schneidwerkzeuge eine gute Wärmebeständigkeit und chemische Stabilität
besitzen.
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Die Korngrenzenphase in dem Siliciumnitrid-Sinterprodukt ist
als eine Kristallphase oder als eine amorphe glasige Phase
vorhanden, welche die Sinterhilfe-Bestandteile wie Al, Mg, Zr,
Ce, Yb, Er, Pr oder Oxyde derselben wie auch Si, N und O
enthält. Die amorphe Glasphase besitzt im Vergleich zum
Siliciumnitrid schlechte Wärmebeständigkeit und schlechte
Korrosionsfestigkeit. Deshalb beeinflussen die Menge und die
Zusammensetzung der Korngrenzen-Glasphase in hohem Maße die
Wärmebeständigkeit und die chemische Stabilität des Sinterprodukts.
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Im Hinblick auf das eben Gesagte kann dann, wenn der Anteil der
eingesetzten Sinterhilfe durch Verwendung eines Sinterhilfe-
Systems mit einer exzellenten Sinterfähigkeit, das eine
Produktverdichtung auch mit einem kleinen Anteil erzielen kann,
eine ausreichende Produktverdichtung und verbesserter
Abriebbeständigkeit des Produktes erreicht werden, auch wenn der
Anteil an Korngrenzen-Glasphase gering ist. Die Erfinder haben
herausgefunden, daß ein Al-Bestandteil diese Anforderungen
erfüllt. Weiter ergibt die Hinzufügung einer sehr geringen
Menge einer Al-Verbindung, speziell Al&sub2;O&sub3;, als Sinterhilfe eine
Verbesserung der Sinterfähigkeit des Ausgangskörpers für das
Produkt und so die Herabsetzung des Gehalts an anderen
Sinterhilfe-Bestandteilen, wodurch die Verringerung der Menge der
Korngrenzen-Glasphase erzielt werden kann. Das Zusetzen einer
sehr geringen Menge der genannten Al-Verbindung ergibt auch
einen Widerstand gegen das Kornwachstum der
Siliciumnitridkörner in dem Sinterprodukt und schafft so eine feinere Struktur,
wodurch der Verschleißwiderstand verbessert werden kann.
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Wenn Al&sub2;O&sub3; als Sinterhilfe hinzugefügt wird, werden Al- und O-
Atome im Al&sub2;O&sub3; durch einen Teil der Si- und N-Atome in Si&sub3;N&sub4;
ersetzt, um jeweils β'-Sialon zu bilden.
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Um den abriebbeständigen Komponenten und den sich hin und
herbewegenden Komponenten zusätzlich zu den Schneidwerkzeugen
gute Abriebbeständigkeit zu verleihen, ist es wichtig, die
Abriebfestigkeit des Materials zu verbessern. Es hat sich bei
verschiedenen Untersuchungen gezeigt, daß eine Herabsetzung der
Menge der Korngrenzen-Glasphase in dem
Siliciumnitrid-Sinterprodukt und die verringerte Korngröße der Siliciumnitridkörner
zur Verbesserung der Abriebbeständigkeit beitragen. Es ist auch
gefunden worden, daß der Zusatz von Al&sub2;O&sub3; als Sinterhilfe
feinere Siliciumnitridkörner in dem Sinterprodukt ergibt.
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Bei der vorliegenden Erfindung ist es, um ein Siliciumnitrid-
Sinterprodukt mit verbesserter Wärmefestigkeit, chemischer
Stabilität und Abriebbeständigkeit zu erhalten, das
ausgezeichnete Verschleißfestigkeit zeigt, wichtig, den Anteil der
Korngrenzen-Glasphase auf 8 Vol.-% oder weniger zu setzen und 0,1
bis 1 Gew.-% Al, auf der Basis von Al&sub2;O&sub3; berechnet,
hinzuzufügen.
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Wenn der Al-Anteil der Korngrenzen-Glasphase 8 Vol.-%
übersteigt, wird die Abriebbeständigkeit verschlechtert. Wenn das
Sinterprodukt bei Schneidwerkzeugen benutzt wird, wird ein
Anteil der Korngrenzen-Glasphase von 6 Vol-% oder weniger
besonders bevorzugt. Wenn jedoch der Anteil geringer als 3
Vol.-% ist, wird die Zähigkeit verschlechtert, was die
Verschlechterung der Fehlerfestigkeit des Sinterproduktes ergeben
kann.
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Der Al-Anteil beträgt vorzugsweise 0,1 bis 1 Gew.-%, am meisten
bevorzugt 0,3 bis 0,7 Gew.-%, errechnet aufgrund von Al&sub2;O&sub3;.
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Wenn der Al-Anteil weniger als 0,1 Gew.-% beträgt, können die
Ergebnisse nicht erreicht werden, für welche die Sinterhilfe
eingesetzt wird, noch kann die feinere Struktur des
Sinterproduktes erzielt werden. Falls der Al-Gehalt 1 Gew.-%
übersteigt, wird die Wärmeleitfähigkeit des Sinterproduktes
verringert und damit steigt die Temperatur der Schneidkante des
Schneidwerkzeuges während des Schneidvorganges in höherem Maße
an, wenn das Sinterprodukt für das Schneidwerkzeug verwendet
wird, wodurch der Abriebverlust erhöht wird.
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Wenn die Dichte des Siliciumnitrid-Sinterproduktes anwächst,
nimmt auch der Abriebbeständigkeit zu. So beträgt die relative
Dichte des Sinterproduktes 99% oder mehr. Wenn die relative
Dichte unter 99% liegt, bleibt ein Porenanteil von 1% oder mehr
in dem Sinterprodukt zurück, was nicht nur eine
Verschlechterung des Abplatzwiderstandes, sondern auch eine
Verschlechterung der Abriebbeständigkeit des aus dem Sinterprodukt
hergestellten Schneidwerkzeuges verursacht.
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Die zusätzlich zu Al&sub2;O&sub3; zugegebene Sinterhilfen müssen solche
sein, die eine hohe Sinterungsfähigkeit besitzen, um so das
Sintern auch bei Zusätzen kleiner Mengen zu bewirken. Beispiele
solcher Sinterhilfen umschließen vorzugsweise Mg, Zr und Ce.
Für diese Bestandteile werden Oxyde verwendet oder Materialien,
die während eines Brennvorganges in Oxyde gewandelt werden
können.
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Um beim Sintervorgang eine relative Dichte von 99% oder mehr zu
erreichen, wird eine Sinterung mit unter Druck stehender
Atmosphäre als ein sekundärer Sinterschritt ausgeführt, nachdem ein
Sinterschritt mit normalem Atmosphärendruck erfolgte. Die
Brenntemperatur liegt sowohl bei der atmosphärischen Sinterung
wie bei der Sinterung mit einer unter erhöhten Druck gesetzten
Atmosphäre im Bereich von 1600ºC bis 1900ºC, bevorzugt von
1650ºC bis 1850º und meist bevorzugt von 1700ºC bis 1800ºC. Die
sekundäre Sinterung wird mit einer unter Druck gesetzten
Atmosphäre
ausgeführt, die eine Stickstoff-Partialdruck von 10 atm
oder mehr aufweist. Beispiele des Sinterns unter
Druckatmosphären, die bei der vorliegenden Erfindung benutzt werden kann,
enthalten Sintern unter heiß-isostatischen Druck (HIP) und
Gasdrucksintern (GPS).
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit mehr
Einzelheiten mit Bezug auf Beispiele beschrieben, die aber nicht als
den Bereich der Erfindung begrenzend angesehen werden sollen.
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Si&sub3;N&sub4;-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser
von 0,7 µm, einer α-Rate von 98% und einer spezifischen
Oberflächengröße von 10 m²/g, und als Sinterhilfen Al&sub2;O&sub3;-Pulver mit
einem spezifischen Oberflächenbereich von 10 m²/g, MgO-Pulver
mit einem spezifischen Oberflächenbereich von 4 m²/g, ZrO&sub2;-
Pulver mit einem spezifischen Oberflächenbereich von 14 m²/g
und CeO&sub2;-Pulver mit einem spezifischen Oberflächenbereich von 8
m²/g und wahlweise Yb&sub2;O&sub3;-Pulver mit einem spezifischen
Oberflächenbereich von 9 m²/g, Er&sub2;O&sub3;-Pulver mit einem spezifischen
Oberflächenbereich von 9 m²/g oder Pr&sub6;O&sub1;&sub1;-Pulver mit einem
spezifischen Oberflächenbereich von 8 m²/g wurden in den in
Tabelle 1 gezeigten Anteilen hinzugefügt und getrocknet. Dann
wurden die erhaltenen Pulvergemische in Formen gepreßt mit
einem Druck von 2 t/cm² und einem Primär-Erhitzungsvorgang bei
1600 bis 1750ºC (unter einem Atmosphärendruck von N&sub2; während 2
h) unterworfen, gefolgt von einem Sekundär-Erhitzungsvorgang
unter N&sub2;-Atmosphäre von 100 atm, um
Siliciumnitrid-Sinterprodukte zu erzeugen.
TABELLE 1
Zusammensetzung (Gew.-%)
Sinterhilfe-Bestandteile
Probe Nr
Anderes
Bemerkungen
Im Bereich
der Erfindung
Vergleichsbeispiele
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Der Anteil der Korngrenzen-Glasphase, die relative Dichte und
die Verschleißfestigkeit bei Benutzung als Schneidwerkzeug
wurden an den erhaltenen Siliciumnitrid-Sinterprodukten
festgestellt. Die Ergebnisse dieser Feststellungen sind in Tabelle
2 gezeigt.
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Die Sinterbedingungen und die Meßverfahren für die jeweiligen
Eigenschaften werden nachstehend diskutiert.
Sinterbedingungen
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Primäres Ausheizen: N&sub2; 1 atm, 1600 bis 1750ºC, 2 h
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Sekundäres Ausheizen: N&sub2; 100 atm, 1800ºC, 2 h
Meßverfahren
(1) Anteil der Korngrenzen-Glasphase
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Ein bestimmtes Sinterprodukt wurde einer Spiegelpolitur
unterworfen.
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Dann wurden die durch die Korngrenzen-Glasphase in dem Produkt
eingenommene Fläche gemessen durch Beobachtung mittels eines
SEM (Scanning-Elektronenmikroskop). Die Meßergebnisse wurden
als Anteil der Korngrenzen-Glasphase bezeichnet.
(2) Relative Dichte
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Die Dichte jedes bestimmten Sinterproduktes wurde durch das
Archimedes-Verfahren gemessen. Die relative Dichte des Produkts
wurde bestimmt mittels der nachstehend angeführten Gleichung.
Beim Bestimmen der relativen Dichte wurden vollständig
verdichtete Produkte hergestellt durch einen Vorgang, der
Einbringen von ca. 10 g des Massepulvers mit der gleichen
Zusammensetzung wie der des jeweiligen Sinterproduktes in einen
Hohlzylinder aus Kohlenstoff mit 20 mm Höhe und 20 mm
Durchmesser, Heißpressen desselben unter 200 kp/cm² Druck und
Sintern bei 1800ºC während 1 h.
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Die Sinterprodukte und so gebildete vollständig verdichtete
Produkte, in denen keine Poren durch Beobachtung bei einer 200-
fachen Vergrößerung unter Benutzung eines Metallmikroskops
festgestellt wurden, nachdem die Produkte einer Spiegelpolitur
unterworfen wurden, und in der durch Beobachtung bei
Vergrößerung von 2000 bis 5000 unter Benutzung eines SEM keine
Feinporen im µm-Bereich gefunden wurden, wurden ausgewählt.
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Relative Dichte (%) =
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(Dichte des Sinterproduktes/Dichte des vollständig
verdichteten Produktes mit gleicher Zusammensetzung) x 100
(3) Abriebbeständigkeit
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Die Flankenverschleißbreite VB wurde gezeigt als maximaler
Abriebverlust, der gemessen wurde durch Benutzen eines
Teststücks durch Verarbeitung eines bestimmten Sinterproduktes zu
Spänen, die als SNGN432 angegeben wurden, zur Bearbeitung eines
Schneidmaterials (JIS FC23) und mit Schneidbedingungen wie
einer Schneidgeschwindigkeit von 100 m/min, einer Zuführrate
von 0,1 mm/U, einer Schneidtiefe von 1,0 mm und einer
Schneidzeit von 30 min bei trockenem Schneiden.
Tabelle 2
Ergebnisse
Probe Nr.
Relative
Dichte
Anteil der
Kongrenzen-
Glasphase
Abriebbeständigkeit
Bemerkungen
Im Bereich
der Erfindung
Vergleichsbeispiele
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Wie aus Tabelle 2 zu ersehen, besaßen die Sinterprodukte gemäß
der vorliegenden Erfindung außerordentlich gute
Schneideigenschaften, wie VB-Werte von 0,4 mm oder weniger für die
Abriebbeständigkeit. Im Gegensatz dazu enthält die Probe Nr. 9 kein
Al&sub2;O&sub3; und hat schlechte Sinterbarkeit, wodurch sich das
Erzielen einer relativen Dichte von 99% oder weniger und schlechte
Verschleißfestigkeit ergeben. Die Proben 10 bis 13 besitzen
einen Anteil der Korngrenzen-Glasphase von mehr als 8 Vol.-%.
Demzufolge haben sie schlechte Verschleißfestigkeit trotz ihrer
ausreichenden Verdichtung, wie gezeigt durch den relativen
Dichtewert von 100. Weiter wird auch keine ausreichende
Verschleißfestigkeit bei der Probe Nr. 14 erreicht, die einen
übermäßigen Anteil von Al&sub2;O&sub3; enthält.
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Bei den Siliciumnitrid-Sinterprodukten gemäß der vorliegenden
Erfindung, bei denen der Anteil der Korngrenzen-Glasphase
8 Vol.-% oder weniger beträgt und Al in einem Anteil von 0,1
bis 1 Gew.-% enthalten ist, berechnet auf Al&sub2;O&sub3;-Basis, kann
außerordentlich gute Verschleißfestigkeit erhalten werden, wie
es in den vorstehend beschriebenen Beispielen dargestellt ist.