PL184535B1

PL184535B1 - Materiał na narzędzia skrawające utworzony z kompozycji węglikoazotku tytanu i azotku krzemu sposób wytwarzania materiału na narzędzia skrawające z kompozycji węglikoazotku tytanu i azotku krzemu oraz narzędzie skrawające z materiału utworzonego z kompozycji węglikoazotku tytanu i azotku krzemu

Info

Publication number: PL184535B1
Application number: PL97320470A
Authority: PL
Inventors: Ogimoto@Shinya; Matsubara@Masaru; Kato@Hideki; Ninomiya@Yasuhiro; Shintani@Kazuhiro
Original assignee: Ngk Spark Plug Co
Priority date: 1997-01-31
Filing date: 1997-06-10
Publication date: 2002-11-29
Also published as: HUP9700936A2; HUP9700936A3; KR19980069846A; EP0856498A3; ES2167639T3; PL320470A1; KR100481075B1; US6010777A; HU9700936D0; EP0856498B1; EP0856498A2; DE69710173T2; DE69710173D1

Abstract

1. Material na narzedzia skrawajace utworzony z kompozycji weglikoazotku tytanu i azotku krzemu, znamienny tym, ze sklada sie glównie z weglikoazotku tytanu i azotku krzemu, który zawiera 10 do 56% wagowych tytanu (Ti), 11.6 do 51 % wagowych krzemu (Si), oraz 1 do 21% ciezaru calosciowego jednego, dwóch lub wiecej z grupy pierwiastków zawie- rajacych cer (Ce), itr (Y), iterb (Yb) oraz dysproz (Dy). 9. Sposób wytwarzania materialu na narzedzia skarawajace utworzonego z kompozycji weglikoazotku tytanu i azotku krzemu, znamienny tym, ze przygotowuje sie poczatkowa mieszanine proszkowa zawierajaca 10 do 60% objetosciowych TiCx Nx - 1 (0.3 PL PL PL

Description

Przedmiotem niniejszego wynalazku jest materiał na narzędzie skrawające utworzony z kompozycji węglikoazotku tytanu oraz azotku krzemu, z zwłaszcza narzędzie skrawające utworzone z kompozycji węglikoazotku tytanu i azotku krzemu ' o lepszej odporności na zużycie, lepszej odporności na nagłe zmiany temperatury oraz o lepszych osiągach wysokich szybkości skrawania materiału obrabianego takiego, jak żeliwo lub inkonel (stop żaroodporny). Przedmiotem niniejszego wynalazku jest także sposób wytwarzania materiału na narzędzia skrawające utworzonego z kompozycji węglikoazotku tytanu i azotku krzemu.

Ostatnio zaczęto stosować narzędzie skrawające na bazie azotku krzemu, posiadające większą wytrzymałość mechaniczną i odporność na nagłe zmiany temperatury, jako narzędzie do skrawania żeliwa. Z drugiej strony, w bardziej surowych warunkach skrawania, takich, jak skrawanie z dużymi szybkościami na mokro z skrawania przekraczająca 800 m/min, nie można osiągnąć wystarczającej odporności na działanie temperatury lub odporności na zużycie nawet przy zastosowaniu narzędzia skrawającego na bazie azotku krzemu. W takim przypadku, stosowane jest narzędzie skrawające z CBN. Jednakże, narzędzie skrawające z CBN, wytwarzane zasadniczo przy zastosowaniu sposobu wysokociśnieniowego spiekania, jest o wiele bardziej kosztowne niż narzędzie skrawające na bazie azotku krzemu, w związku z tym proponowano różne rozwiązania narzędzia skrawającego na bazie azotku krzemu, w celu uzyskania narzędzia mniej kosztownego, a bardziej odpowiedniego do przy wysokich szybkościach obróbki skrawaniem żeliwa.

W japońskim zgłoszeniu patentowym Kokai nr JP-A-58-95662 oraz zgłoszeniu Kokoku nr JP-B-5-7122, ujawniono narzędzie, w którym jest zawarty TiN, jako twardy składnik rozproszony w azotku krzemu (S^NJ w celu zahamowania reakcji chemicznej pomiędzy azotkiem krzemu a Fe przy podwyższonych temperaturach. W japońskim zgłoszeniu patentowym Kokoku nr JP-B-61-10416 oraz zgłoszeniu Kokai nr JP-A-61-17473, zaproponowano narzędzie, do którego zastosowano azotek tytanu, węglik tytanu lub węglikoazotek tytanu, jako twardy składnik rozproszony w azotku krzemu w celu zwiększenia odporności na ścieranie. Z drugiej strony, w japońskim zgłoszeniu patentowym Kokai nr T'P^.A-61-31558, zaproponowano narzędzie, w którym, w celu wykluczenia generowania węglika krzemu lub azotku tytanu w związku z chemiczną reakcją węglika tytanu z azotkiem krzemu, oraz w celu wykluczenia generowania gazu N2, po wierzchnia cząsteczkowa węglika tytanu została pokryta azotkiem tytanu i zastosowana jako twardy składnik rozproszony z azotkiem krzemu.

Narzędzia z azotku krzemu do obróbki skrawaniem ujawnione w wyżej wspomnianych zgłoszeniach patentowych są wytwarzane przez dodanie tlenków takich, jak Al₂O₂, MgO, SiO2 i tym podobnych, jako środków spiekalniczych, oraz poprzez wypalanie przy temperaturze lub ciśnieniu, które nie powodują rozpadu azotku krzemu. Powodem jest fakt, że jeżeli azotek krzemu zwiąże się z węglikami, azotkami lub węglikoazotkami tytanu, zdolność spiekania jest obniżana wraz z ich zwiększającą się ilością.

184 535

Jednakże, zgodnie z badaniami związanymi z niniejszym wynalazkiem, powyższy problem został rozwiązany. Mianowicie, tlenki stosowane jako środki spiekalnicze w uprzednich rozwiązaniach takie, jak Ά^Θβ, MgO, SiO₂ i tym podobne, reagują ze sobą lub z SiO₂ pozostawionym na powierzchni fazy powierzchniowej azotku krzemu, tworząc podczas wypalania fazę szkła łatwotopliwego, w ten sposób obniżając odporność na zużycie krawędzi narzędzia, które jest ogrzewane do wysokiej temperatury przy wysokich szybkościach skrawania, a w szczególności odporność na wyszczerbienie powierzchni przyłożenia narzędzia (zużycie) końca krawędzi skrawającej.

Zatem, celem niniejszego wynalazku jest dostarczenie narzędzia utworzonego z kompozycji węglikoazotku tytanu i azotku krzemu, lub zasadniczo materiału ceramicznego złożonego z azotku krzemu, który ma lepszą odporność na zużycie, zwłaszcza odporność na wyszczerbienie powierzchni przyłożenia narzędzia (zużycie) końcowej krawędzi skrawającej i odporność na nagłe zmiany temperatury, oraz który jest przystosowany do wysokich szybkości obróbki skrawaniem żeliwa lub tym podobnego materiału.

Inne cele staną się oczywiste po zapoznaniu się z całym ujawnieniem.

Materiał na narzędzia skrawające utworzony z kompozycji węglikoazotku tytanu i azotku krzemu według wynalazku charakteryzuje się tym, że składa się głównie z węglikoazotku tytanu i azotku krzemu, który zawiera 10 do 56% wagowych tytanu (Ti), 11.6 do 51% wagowych krzemu (Si), oraz 1 do 21% wagowych całościowego jednego, dwóch lub więcej z grupy pierwiastków zawierających cer (Ce), itr (Y), iterb (Yb) oraz dysproz (Dy).

Korzystnym jest, że jeden, dwa lub więcej pierwiastków z grupy pierwiastków zawierającej Ce, Y, Yb i Dy są zawarte w ilości od 3 do 15% wagowych całości.

Korzystnym jest również, że materiał na narzędzia skrawające posiada twardość według Vickersa w pokojowej temperaturze wynoszącą co najmniej 16 GPa oraz wytrzymałość na zginanie przy temperaturze 1000°C nie niższą niż 800 MPa.

Ponadto korzystnym jest, że materiał na narzędzia skrawające zawiera 19 do 41% wagowych Ti oraz 21 do 42.8% wagowych Si.

Korzystnym jest także, że materiał na narzędzia skrawające posiada twardość według Vickersa przy pokojowej temperaturze wynoszącą co najmniej 17 GPa oraz wytrzymałość na zginanie przy temperaturze 1000°C nie niższą niż 850 MPa.

Korzystnym jest również, że materiał na narzędzia skrawające zawiera 41 do 56% wagowych Ti oraz 11.8 do 28.8% wagowych Si.

Korzystnym jest ponadto, że materiał na narzędzia skrawające posiada twardość według Vickersa przy pokojowej temperaturze wynoszącą co najmniej 18 GPa.

Wreszcie korzystnym jest to, że materiał pod postacią narzędzia jest pokrywany warstwą wierzchnią posiadającą grubość błony wynoszącą od ido 5 pm, przy czym warstwa wierzchnia składa się głównie z roztworu stałego jednego, dwóch lub więcej składników z grupy zawierającej węglik, azotek, węglikoazotek i tlenek Al, oraz węglik, azotek, węglikoazotek i tlenek Ti, przy czym przewidziano, że rozmiar ziarna składowych ziaren jest nie większy niż 0.5 pm.

Sposób wytwarzania materiału na narzędzia skrawające utworzonego z kompozycji węglikoazotku tytanu i azotku krzemu według wynalazku charakteryzuje się, że przygotowuje się początkową mieszaninę proszkową zawierającą 10 do 60% objętościowych TiC_xN_x_, (0.3 <x < 0.^), 0.5 do 10% objętościowych rrzynajmniej jenneoo tlenku wybraneoo z r^ruPY zawierającej CeO₂, Y₂O₃, Yb₂O₃ i Dy₂O₃, oraz dopełnia się azotkiemu krzemu, oraz spieka się początkową mieszankę proszkową w połączeniu z prasowaniem w atmosferze zawierającej gaz obojętny lub azot przy temperaturze 1500°C do 1900°C.

Korzystnym jest, że materiał spieka się i prasowuje na gorąco (HP) przy temperaturze 1850°C do 1900°C.

Korzystnym jest także, że początkową mieszankę proszkową spieka się przez izostatyczne prasowanie na gorąco (HIP) przy temperaturze 1500°C do 1700°C.

184 535

Korzystnym jest również, że izostatyczne prasowanie na gorąco HIP jest poprzedzane przez wstępne spiekanie przy temperaturze 1550°C do 2000°C, korzystnie 1550°C do 1800°C, a najkorzystniej około 1750°C w atmosferze azotowej .

Korzystnym jest ponadto, że izostatyczne prasowanie na gorąco HIP wykonuje się w gazie obojętnym pod naciskiem wynoszącym przynajmniej od 90 do 200 MPa, korzystnie 100 do 150 MPa.

Następną korzyścią jest to, że przewiduje się ponadto etap dalszej obróbki spiekanego materiału ceramicznego na narzędzie skrawające.

Narzędzie skrawające z materiału utworzonego z kompozycji węglikoazotku tytanu i azotku krzemu po procesie spiekania według wynalazku, charakteryzuje się tym, że posiada warstwę wierzchnią złożoną głównie ze stałego roztworu przynajmniej jednego związku wybranego z grupy zawierającej węglik, azotek, węglikoazotek i tlenek Al oraz węglik, azotek, węglikoazotek i tlenek Ti, dla którego przewidziano, że ziarna składowe warstwy wierzchniej posiadają rozmiar ziarna nie większy niż 0.5 pm.

Korzystnym jest, że warstwa wierzchnia posiada grubość od 1do 5 pm.

Przedmiot wynalazku zostanie uwidoczniony w przykładzie wykonania na załączonym rysunku, na którym: fig. 1A przedstawia widok perspektywiczny próbki testowej do szacowania osiągów skrawania użytej w przykładach, fig. 1B - częściowy schematyczny widok przekroju poprzecznego próbki z fig. 1A, a fig. 1C - częściowy powiększony widok perspektywiczny próbki testowej z fig. 1A, fig. 2B i fig. 2C - widoki poglądowe pokazujące schematy testów skrawania; fig. 3A, fig. 3B i fig. 3C -widoki poglądowe pokazujące względną pozycję próbki testowej i przedmiotu obrabianego przy testowaniu skrawania.

Przykłady wykonania

Omawiany materiał ceramiczny jest ulepszony pod względem odporności na zużycie w następujący sposób. Mianowicie, CeC2, Y2O3, Yb₂O₃ i Dy₂O₃ stosowane jako składniki stanowiące środki spiekalnicze, posiadają wyższe temperatury topnienia, niż Al₂O₃, MgO, SiO2, są używane tradycyjnie po to, aby reakcja pomiędzy składnikami stanowiącymi środki spiekalnicze, oraz reakcja tych składników z SiO2 pozostającym na powierzchni fazy azotku krzemu podczas spiekania mogły być powstrzymane w celu utrudnienia generowania fazy szkła o niskiej temperaturze topnienia. Efektem jest fakt, że jeżeli materiał ceramiczny jest stosowany jako narzędzie skrawające, krawędź tnąca wykazuje dużą odporność na zmiękczenie nawet przy podwyższonych temperaturach, takią że może być utrzymywana wysoka twardość aż do podwyższonych temperatur. Szczególnie, powyższe ustalenie składu prowadzi do powstania materiału ceramicznego o wysokiej wytrzymałości, posiadającego twardość według Vickersa przy temperaturze pokojowej wynoszącą 160 GPa lub więcej, oraz wytrzymałość na zginanie przy 1000°C wynoszącą nie mniej niż 800 MPa. Poprzez zapewnienie twardości według Vickersa przy pokojowej temperaturze przekraczającej 160 GPa, oraz wytrzymałości na zginanie przy 1000°C nie niniejszej niż 800 MPa, może być zapewniona wystarczająca odporność na zużycie oraz odporność na wyszczerbienie, nawet jeżeli, przy obróbce skrawaniem części żeliwnych, dochodzi do nieciągłej obróbki skrawaniem, gdy występują otwory lub uskoki.

Z drugiej strony, wartość odporności na kruche pękanie narzędzia jest korzystnie nie niniejsza niż 4.0 MPa x m¹^ mierzona metodą pękania pod wpływem wgniatania. Jeżeli wartość odporności na kruche pękanie jest mniejsza niż 4.0 MPa x mi2, istnieje niebezpieczeństwo, że nie zostanie zapewniona dla narzędzia wystarczająca odporność na wyszczerbienie. Wartość odporności na kruche pękanie powinna być korzystnie nie mniejsza niż 5.0 MPa x mi-.

Zasadnicze znaczenie zakresów ilościowych odpowiednich składników- zostanie teraz objaśnione.

(i) Ilości Ce, Y, Yb oraz Dy

Jeżeli Ce, Y, Yb i Dy są dodawane w tlenkach, oraz jeżeli całkowita ilość Ce, Y, Yb i Dy przekroczy 21% wagowych, ilość fazy szkła zostanie zwiększona prowadząc do tego, że osiągi obróbki skrawaniem są niewystarczające, zwłaszcza niewystarczająca jest odporność

184 535 na zużycie narzędzia. Jeżeli ta całkowita ilość jest mniejsza niż 1% wagowych, zdolność spiekania jest obniżona, co prowadzi do obniżonych osiągów narzędzia. Powyższa całkowita ilość powinna być korzystnie wybrana z zakresu od 3 do 15% wagowych. Chociaż wystarczający jest tylko jeden rodzaj tlenków, mogą być stosowane kombinacje dwu lub więcej różnych tlenków, w celu dalszego ulepszenia zdolności spiekania dla uzyskania narzędzia, które jest zwarte i posiada większą wytrzymałość i odporność na zużycie. W szczególności, dodawany jest 1% wagowych lub więcej, dwóch pierwiastków z grupy zawierającej Ce, Y, Yb i Dy, te ilości są korzystnie tak dobierane, aby, jeżeli ilość jednego z dwóch elementów stanowi X% wagowych, a drugi element stanowi Y% wagowych, suma X + Y przekroczyła 3% wagowych, a stosunek X/(X + Y) znalazł się w zakresie od 0.35 do 0.65.

(ii) Ilości Ti oraz Si

Jeżeli ilość Ti jest mniejsza niż 10% wagowych lub ilość Si przekracza 51% wagowych, nie może zostać osiągnięta wystarczająco ulepszona twardość czy odporność na zużycie, jako rezultat dodania węglikoazotku tytanu. I na odwrót, gdy ilość Ti przekroczy 56% wagowych lub ilość Si spadnie poniżej 11.6% wagowych, względna ilość azotku krzemu jest obniżana powodując utratę odporności. Co więcej, zdolność spiekalnicza jest obniżona, prowadząc do obniżonej odporności na zużycie. Zatem ilości Ti i Si są korzystnie obierane tak, aby stanowiły odpowiednio od 10 do 56% wagowych i od 11.6 do 51% wagowych. Korzystnie, ilości Ti i Si są obierane tak, aby stanowiły odpowiednio od 19 do 41% wagowych i od 21 do 42.8% wagowych. To jeszcze bardziej ulepsza zdolność spiekalniczą tak, aby umożliwić powstanie narzędzia o wysokiej twardości i dużej wytrzymałości, posiadającego twardość według Vickersa przy temperaturze pokojowej wynoszącą nie mniej niż 17 GPa, oraz wytrzymałość na zginanie przy 1000°C nie mniejszą niż 850 MPa. Jeżeli wymagane jest narzędzie o wyższej twardości, korzystne jest takie obranie ilości Ti i Si, aby stanowiły odpowiednio od 41 do 56% wagowych i od 11.8 do 28.8% wagowych. Umożliwia to zapewnienie twardości według Vickersa nie mniejszej niż 18 GPa.

Suma ilości Ti i Si jest korzystnie nie mniejsza niż 48.5% wagowych. Jeżeli całkowita ilość jest mniejsza niż 48.5% wagowych, względna ilość składników stanowiących środki spiekalnicze staje się nadmierna prowadząc do wygenerowania zbędnych faz szkła, w ten sposób obniżając odporność na zużycie, a więc i zdolność skrawania. Zasadniczo całkowita ilość powinna być korzystnie nie mniejsza niż 51% wagowych.

Z drugiej strony, molowe ilości KC i KN węgla (C) i azotu (N) w węglikoazotku tytanu są korzystnie tak obrane, aby, przyjmując, że Si w całości jest składnikiem azotku krzemu, C i Ti są w całości składnikami węglikoazotku tytanu, a N jest w całości składnikiem azotku krzemu i węglikoazotku tytanu, wartość KN/(KC + KN), obliczona na bazie molowych ilości Ti, Si, C i N w narzędziu oraz powyższego założenia, wynosiła od 0.5 do 0.7, to znaczy tak, aby świadczyła o nieznacznym wzbogaceniu w azot (N). Jeżeli wartość KN/(KC + KN) jest mniejsza niż 0.5, to znaczy, jeżeli zestaw składników jest wzbogacony w węgiel (C), istnieje tendencja, aby podczas spiekania był produkowany wolny węgiel, co prowadzi do tego, że zdolność spiekania ma tendencję malejącą z powodu powstającego gazu CO. Z drugiej strony, jeżeli wartość KN/(KC + KN) przekroczy 0.7, zmniejsza się twardość węglikoazotku tytanu, a zwiększa się współczynnik rozszerzalności liniowej tak, że, jeżeli ilość węglikoazotku tytanu zwiększa się, powstają pewne warunki, które wpływają negatywnie na osiągi obróbki skrawaniem wykonywanej przez narzędzie.

Jeżeli molowe ilości Si, Ti, C i N wyznaczone przez, na przykład, metody analityczne, są oznaczone jako odpowiednio NSi, NTi, NC i NN, molowa ilość PN azotu (N) przypisana azotkowi krzemu wynosi PN = (4/3) x NSi (równanie 1), podczas gdy, jeżeli przyjmuje się, że pozostały N jest przypisany tlenkowi węgla tytanu, molowa ilość QN przypisana azotowi (N) jest podana przez wzór QN - NN - PN = NN - (4/3) x NSi (równanie 2).

Z drugiej strony, ponieważ C ma być przypisany w całości węglikoazotkowi tytanu, ilość C przypisanego węglikoazotkowi tytanu QC jest podana przez QC = NC (równanie 3). Zatem, wartość KN/(KC + KN) może być obliczona jako KN/(Kc + KN) = QN/(QC + QN) = {NN - (4/3) x NSi}/{NC + NN - (4/3) x NSi} (równanie 4).

184 535

Ze wzoru określającego skład węglikoazotku tytanu, ilość tytanu jest równa całkowitej ilości węgla i azotu związanych z tytanem. Zatem, ilość C przypisanego węglikoazotkowi tytanu QC może być reprezentowana, z zastosowaniem molowej ilości tytanu NTi, przez QC = NTi - QN (równanie 5). Z równania 2, 4 i 5, KN/(KC + KN) = {NN - (4/3) x NSi}/NTi (równanie 6) tak, że wartość KN/(KC + KN) może być obliczona bez zajmowania się wartością. NC.

Ilości Ce, Y, Yb, Dy, Ti i Si mogą być wyznaczone przez, na przykład, rentgenowską analizę fluorescencyjną, analizę ICP lub analizę chemiczną.

W celu utworzenia opisanego powyżej narzędzia może być zastosowany sposób wykorzystujący prasowanie na gorąco. Atmosferą dla prasowania na gorąco powinien być korzystnie gaz obojętny taki, jak N2 lub Ar o 0.1 do 0.98 MPa (1 do 9.8 atmosfer), z korzystnie 0.3 MPa lub więcej. Atmosfera N2 jest bardziej pożądana w celu powstrzymania rozpadu azotku krzemu podczas spiekania. Korzystnie, siła nacisku wynosi od 20 do 30 MPa (200 do 300 kg/cm2), przy czym temperatura spiekania wynosi korzystnie 1850°C do 1900°C.

Kompozycja materiału ceramicznego lub narzędzia skrawającego według niniejszego wynalazku jest zazwyczaj wytwarzana za pomocą następującego sposobu. Sposób ten przewiduje (a) przygotowanie początkowej mieszanki materiałowej oraz (b) spiekanie powstałej mieszanki (z jednoczesnym i/lub wstępnym formowaniem). Początkowa mieszanka materiałowa jest przygotowywana poprzez zmieszanie 10 do 60% objętości TiCN w proszku, nie więcej niż 10% objętości przynajmniej jednego z grupy proszków zawierającej Ce2O3, Y2O3, Yb2O3 i Dy₂O3, oraz dopełnienie w postaci Si₃N3 w proszku. Spiekanie może być wykonywane albo przez prasowanie na gorąco (HP), albo przez izostatyczne prasowanie na gorąco (HIP). Spiekanie typu HP może być zazwyczaj wykonywane przy temperaturze 1850°C do 1900°C w atmosferze sprężonego azotu zazwyczaj o 0.3 do 0.98 MPa (3 do 9.8 atmosfer), przy zastosowaniu jednoosiowej siły, korzystnie 20 do 30 MPa (200 do 300 kg/cm²). Na przykład, w przypadku zestawu składników przewidującego 30% objętości lub mniej TiCN, korzystny jest także sposób HIP, w którym początkowa mieszanka proszków jest formowana przez prasowanie i poddawana wstępnemu spiekaniu, które jest wykonywane w warunkach temperatury do 1750°C w gazowej atmosferze azotu, na przykład, o 0.1 MPa (1 atmosfera), przykładowo około 2 godzin, osiągając wstępnie założoną zwartość (na przykład około 95%), po czym następuje spiekanie typu HIP, korzystnie, w azocie o bardzo wysokim ciśnieniu, na przykład, w zakresie od 100 do 150 MPa (1000 do 1500 atmosfer) przy temperaturze 1500°C do 1700°C.

TiCN ma funkcję twardego składnika rozproszonego w spiekanej masie. Pod tym względem, TiN lub TiC działa podobnie, TiCN jest szczególnie wybrany dla niniejszego wynalazku biorąc pod uwagę twardość, trwałość chemiczną, koszt i tym podobne czynniki. Początkowy TiCN jest , określony wzorem TiCxN1x (0.3 < x < 0.5) tak, ayy yył mzznaczni e wzbogacony w azot (N) tak, że stosunek KN/(KC + KN) w TiCN obecnym w spiekanej masie jest obrany od 0.5 do 0.7. Jest tak dlatego, że, jeżeli użyty jest początkowy zestaw składników wzbogacony w węgiel (C), na przykład zawierający TiC_xN1x (x = 0.8), zdolność spiekania jest obniżona poprzez obecność wolnego węgla, który przekształca się w gaz CO podczas spiekania. Z drugiej strony, jeżeli wybrany jest zestaw składników wzbogacony w azot (N), tego problemu można uniknąć. Przy ilości TiCN mniejszej niż 10% objętości w początkowym zestawie składników, twardość i odporność na zużycie przypisana obecności TiCN nie może zostać ulepszona. Z drugiej strony, jeżeli TiCN przekroczy 60% objętości, zestaw składników staje się mieszanką o stosunkowo małej zawartości azotku krzemu, co powoduje zmniejszoną odporność. Stąd ilość TiCN powinna wynosić od 20 do 40% objętościowych, biorąc pod uwagę łatwość spiekania oraz ulepszenie odporności na zużycie, podczas gdy 40 do 60% objętościowych jest korzystne biorąc pod uwagę jedynie odporność na zużycie.

Przynajmniej jeden tlenek wybrany z grupy zawierającej CeO2, Y2O3, Yb₂O3 _s Dy₂O3 działa jako środek spiekalniczy, ściśle wiążąc ze sobą ziarna TiCN i ziarna azotku krzemu. Jednakże, te tlenki powodują powstanie fazy szkła posiadającego wyższą temperaturę topnienia, niż fazy szkła powstałe z Al₂O3, MgO, SiO₂ i tym podobnych, nawet jeżeli faza szkła powstaje. Prowadzi to zatem do otrzymania wspaniałej odporności na zużycie.

184 535

Każdy z tych środków spiekalniczych może być stosowany osobno, jednakże jest to korzystne, jeśli jest stosowany w połączeniu dwóch lub więcej. Nadmierna ilość środków spiekalniczych spowoduje powstanie nadmiernej ilości fazy szkła, co pociąga za sobą zmniejszone osiągi obróbki skrawaniem, zwłaszcza odporność na zużycie, chociaż uzyskiwana jest wzmożona zdolność spiekania. Stąd korzystne jest stosowanie środków spiekalniczych w ilości 10% objętości lub mniej. Tak więc środki spiekalnicze powinny znaleźć się w ilości przynajmniej 0.5% objętości, korzystnie 1.0% objętości lub więcej albo 6% objętości lub mniej.

Warunki sposobu HIP korzystnie przewidują temperaturę obróbki nie wyższą niż 1750°C, oraz ciśnienie nie niższe niż 90 MPa (900 atmosfer). Jeżeli temperatura obróbki przekroczy 1750°C, wzrost ziarna krystallcznego postępuje nadmiernie podczas obróbki tak, że konieczna wytrzymałość staje się trudna do uzyskania. I na odwrót, przy ciśnieniu mniejszym niż 90 MPa (900 atmosfer), materiał dąży do osiągnięcia niewystarczającej zwartości, co prowadzi do niewystarczającej wytrzymałości. Jeśli chodzi o ciśnienie, ciśnienie rzędu 200 MPa (2000 atmosfer) jest przewidziane jako górna granica w przypadku zwykle stosowanych urządzeń HIP, jeżeli bierze się pod uwagę trwałość urządzenia. Jednakże, wyższe ciśnienie może być zapewnione, jeżeli nie występuje problem tr-w^iłości urządzenia. Korzystniej, temperatura obróbki powinna być wybrana od 1500°C do 1700°C. Korzystniej, ciśnienie powinno być wybrane w wielkości 100 MPa (1000 atmosfer) lub wyższe. Poprzez wstępne formowanie początkowych proszków, wstępne spiekanie formowanych proszków przy temperaturze 1550°C do 1800°C oraz obróbkę poddanego spiekaniu produktu sposobem HIP, może być skutecznie utworzony spiekany artykuł o pożądanym kształcie. Jeżeli, w przypadku, gdy atmosferą wstępnego spiekania jest atmosfera N₂ o 0.1 MPa (1 atmosfera), temperatura wstępnego spiekania staje się niższa niż 1550°C, otwarte pory są pozostawione we wstępnie formowanym artykule, sporadycznie prowadząc do niewystarczającego efektu prasowania produktu w dalszej obróbce typu HIP. I na odwrót, przy temperaturze wstępnego spiekania przekraczającej 1800°C, azotek krzemu ma tendencję do rozkładu, co sporadycznie prowadzi do niewystarczającej wytrzymałości materiału. Jednakże, przy zastosowaniu atmosfery wstępnego spiekania o ciśnieniu wyższym niż 1 atmosfera, na przykład, atmosfery N₂ o 0.2 do 1 MPa (2 do 10 atmosfer), azotek krzemu mniej podlega rozkładowi tak, że czasami możliwy jest wzrost temperatury wstępnego spiekania do nie niższej niż 1800°C, na przykład, do w przybliżeniu 1850°C, czy na przykład w przybliżeniu 2000°C.

Wyżej opisane narzędzie według niniejszego wynalazku może mieć powierzchnię pokrytą warstwą wierzchnią złożoną głównie z roztworu stałego jednego, dwóch lub więcej z grupy zawierającej węglik, azotek, węglikoazotek i tlenek Al, oraz węglik, azotek, węglikoazotek i tlenek Al Ti, gdzie rozmiar cząsteczkowy cząstek składowych jest nie większy niż 0.5 pm, oraz gdzie warstwa wierzchnia posiada grubość błony od 1do 5 pm. Daje to taki efekt, że, jeżeli problem stanowi reakcja pomiędzy azotkiem krzemu i żelaza w obrabianym przedmiocie przy wysokich szybkościach obróbki skrawaniem, reakcja taka może zostać powstrzymana przez pokrycie warstwą wierzchnią w celu zapobiegnięcia temu, aby powierzchnia obrabianego przedmiotu stała się szorstka, lub w celu przedłużenia trwałości użytkowej narzędzia.

Ilustracyjne przykłady warstwy wierzchniej zawierają Al₂O₃, TiC, TiN oraz TiAłN. Z wymienionych, warstwa wierzchnia z Al₂O₃ jest skuteczna w ulepszaniu odporności na utlenianie, podczas gdy z TiC jest skuteczna w zwiększaniu odporności na zużycie, dzięki zwiększonej twardości. TiN jest skuteczne w obniżaniu współczynnika tarcia, a stąd w zmniejszaniu oporu skrawania, oraz w ulepszaniu wyglądu i koloru. Warstwa wierzchnia z TiAIN, podobnie do TiC, jest skuteczna w ulepszaniu odporności na zużycie. Do pokrywania mogą być zastosowane wszelkie znane sposoby pokrywania takie, jak różne metody PVD lub CVD.

Rozmiar ziarna składowych (krystalicznych) ziaren warstwy wierzchniej powinien korzystnie być nie większy niż 0.5 pm. Poprzez ustalenie rozmiaru ziarna warstwy wierzchniej w tym zakresie, oprócz uzyskania gładkiej powierzchni pokrycia i ulepszonej trwałości warstwy

184 535 wierzchniej, ulepszana jest końcowa powierzchnia obrabianego przedmiotu. Jeżeli rozmiar ziarna przekracza 0.5 pm, prawdopodobne jest odłączanie ziaren od powierzchni pokrycia, w ten sposób prowadząc prawdopodobnie do wykruszania lub łuszczenia. Powierzchnia obrabianego przedmiotu ma tendencję do stawania się bardziej szorstka tak, że niejednokrotnie nie mogą zostać osiągnięte satysfakcjonujące osiągi obróbki skrawaniem. W celu utworzenia warstwy wierzchniej o małym rozmiarze ziarna, jak opisano powyżej, mogą być stosowane sposoby obniżania temperatury pokrywania, skracania czasu pokrywania lub wyrównywania atmosfery.

Grubość błony warstwy wierzchniej powinna wynosić korzystnie od 1 do 5 pm. W przypadku grubości błony mniejszej niż 1 pm, funkcja warstwy wierzchniej nie może być wypełniona, w związku z czym trwałość użytkowa narzędzia nie może zostać wystarczająco ulepszona. W przypadku grubości błony przekraczającej 5 pm, naprężenie w warstwie wierzchniej zwiększa się tak, że warstwa wierzchnia ma tendencję do łuszczenia się podczas obróbki skrawaniem. Korzystniej, grubość błony warstwy wierzchniej jest ustalona w zakresie od 2 do 5 pm.

Warstwa wierzchnia może być także tworzona jako warstwy wielokrotne. W tym przypadku, całkowita grubość błony jest ustalona w zakresie od 1do 5 pm, a korzystnie w zakresie od 2 do 5 pm. w tym przypadku, typy materiałów i właściwości odpowiednich warstw mogą różnić się od siebie nawzajem.

Przykłady

Przykład 1. Jako materiał początkowy zostały użyte proszki a-Si₃N4 o średnim rozmiarze ziarna wynoszącym 0.7 pm, proszki węglikoazotku tytanu o średnim rozmiarze ziarna wynoszącym 1.2 pm (KN/(KC + KN) = 0.5), oraz proszki środków spiekalniczych (proszki Yb₂O3 o średnim rozmiarze ziarna wynoszącym 1.5 pm, proszki CeO2 o średnim rozmiarze ziarna wynoszącym 1.0 pm proszki Y2O3 o średnim rozmiarze ziarna wynoszącym 1.5 pm oraz proszki Dy2O3 o średnim rozmiarze ziarna wynoszącym 1.5 pm). Proszki te były odważane w celu podania z góry określonego stosunku składowego, oraz ładowane do tygla na azotek krzemu razem z kulkami azotku krzemu (12 mm średnicy) oraz etanolem, oraz poddawane mieszaniu i proszkowaniu przez 24 godziny sposobem młyna kulkowego. Powstała zawiesina była ładowana do suszarki próżniowej oraz, po odgazowaniu, ogrzewana do temperatury 70°C do 80°C w celu osuszenia proszków. Wysuszona mieszanka proszków była przesiewana przez sito 60#. Dla porównania, została przygotowana mieszanka proszków wykorzystująca Al2O3, jako środek spiekalniczy. Odpowiednia próbka jest pokazana jako przykład porównawczy 6 w tabeli 5.

Zmieszane proszki były spiekane, aż do uzyskania z góry przewidzianego kształtu przy wykorzystaniu sposobu prasowania na gorąco. Sposób prasowania na gorąco był wykonywany w następuj ących warunkach: po pierwsze, stosowane były proszki BN rozcieńczone w etanolu, jako substancja stanowiąca smar wewnętrzny, na powierzchni formy węglowej. Z góry określona ilość proszków była następnie ładowana do formy, która następnie była ustawiana w grzewczym piecu indukcyjnym. Proszki te były umieszczane w atmosferze N2 o 0.98 MPa (9.8 atmosfer), oraz jednoosiowo plasowane pod naciskiem 20 MPa (200 kg/m2). Wspomniane proszki były jednocześnie ogrzewane do temperatury 1800°C do 1900°C w celu jednoczesnego formowania i spiekania. Zwartość spiekanych produktów w ten sposób wytwarzanych była mierzona sposobem Archimedesa. Spiekane produkty miały wszystkie zwartą budowę, przy czym zwartość ta była nie niższa od 99.5% zwartości teoretycznej. Zawartość składników spiekanych produktów była analizowana poprzez rentgenowską. analizę fluorescencyjną.

Z każdego spiekanego produktu odcinana była próbka testowa ukształtowana, jako próbka testowa do mierzenia właściwości fizycznych, które zostaną teraz opisane, oraz była poddawana obróbce przez szlifowanie. Próbki testowe do szacowania osiągów dotyczących zdolności skrawania były wytwarzane przez szlifowanie spiekanego produktu na kształt narzędzia, pokazanego na fig. 1, z fazą 0.1 x 25°. W szczególności, próbka testowa 1 do szacowania osiągów skrawania była płaska, o kształcie graniastym i o zasadniczo kwadratowym przekroju

184 535 poprzecznym, gdzie każda strona wynosi w przybliżeniu 12.7 mm, oraz o promieniu R w narożniku la wynoszącym w przybliżeniu 0.8 mm. Faza przy krawędzi 1b była przewidziana tak, aby szerokość t na głównej powierzchni 1c wynosiła w przybliżeniu 0.1 mm, a kąt nachylenia q względem głównej powierzchni 1c wynosił około 25°, jak pokazano na fig. IB.

Po pierwsze mierzone były, jako fizyczne właściwości, wartość odporności na kruche pękanie (Kc), twardość według Vickersa i wytrzymałość na zginanie. Odporność na kruche pękanie (Kc) była mierzona zgodnie ze sposobem IF opisanym w JISR1607, z obciążeniem punktu wgniatania (ostrosłupa diamentowego) według Vickersa wynoszącym 300 N (30 kgf kilogram-siła), oraz czasem nacisku wynoszącym 15 sekund. Wartość twardości według Vickersa była także mierzona na bazie obszaru odcisku i obciążenia. Wartość wytrzymałości na zginanie była mierzona przez trzypunktowe zginanie sposobem przedstawionym w JISR1604, jak opisano powyżej, z próbką testową zainstalowaną w piecu grzewczym ogrzanym do temperatury 1000°C.

Osiągi obróbki skrawaniem były szacowane w następujących warunkach: mianowicie, obrabiany przedmiot W ukształtowany cylindrycznie, pokazany na fig. 2A, był obracany wokół własnej osi. Na zewnętrznej obrzeżowej powierzchni przedmiotu obrabianego W, oparta została, jak pokazano na fig. 2B, próbka testowa 1 pokazana na fig. 1. Wykorzystując jedną z głównych powierzchni 1c oraz boczną powierzchnię 1e, jako odpowiednio powierzchnię natarcia 1c' oraz jako powierzchnię przyłożenia narzędzia, zewnętrzna obrzeżowa powierzchnia obrabianego przedmiotu była w sposób ciągły poddawana obróbce skrawaniem w warunkach podanych poniżej. Tymczasem, szczegółowa relacja pozycji pomiędzy próbką testową 1, z przedmiotem obrabianym jest pokazana na fig. 3. Na tej fig., numery 1g i 1f oznaczają odpowiednio główną (boczną) powierzchnię przyłożenia narzędzia oraz główną (końcową) powierzchnię przyłożenia narzędzia. Znaczenie pozostałych liter odnośnikowych jest następujące: O: centralna oś przedmiotu obrabianego; D: linia równoległa do przekątnej głównej powierzchni 1c' przecinającą O = środek obrabianego przedmiotu, w poprzek jego grubości; E: przecięcie linii D i obrzeża przedmiotu obrabianego (punkt skrawania przez próbkę testową); J: linia pod kątami prostymi do linii O przecinająca punkt E; K: linia równoległa do drugiej przekątnej głównej powierzchni 1c' przecinającej środek przedmiotu obrabianego w poprzek jego grubości; y: kąt pomiędzy linią J, a linią D; d: kąt pochylenia linii K do linii O; przedmiot obrabiany: żeliwo (JIS FC300 (twardość według Vickersa: Hv = 2.2 GPa)); kształt przedmiotu obrabianego: zewnętrzna średnica 240 mm, wewnętrzna średnica 180 mm, długość 200 mm; prędkość skrawania V 600 m/min; posuw f 0.1 mm/obrót; głębokość skrawania d, 0.2 mm; ciecz chłodząco-smarująca: rozpuszczalna w wodzie ciecz chłodząco-smarująca typu 1 nr 12; lub ciecz (chłodząca) zawierająca nie mniej niż 90% emulgujących składników nielotnych, o pH równym 8.5 do 10.5; przy czym te nielotne składniki zawierają 0 do 30% wagowych kwasu tłuszczowego, 50 do 80% wagowych oleju mineralnego, oraz 15 do 35% wagowych środków powierzchniowo czynnych).

Po zakończeniu skrawania mierzona była wielkość karbu przyłożenia narzędzia (zużycia) na końcowej krawędzi skrawającej narzędzia Vn (maksymalna wysokość zużycia w kierunku obracania w sąsiedztwie granicy z niezużytym obszarem na mniejszej (końcowej) powierzchni przyłożenia narzędzia 1f; patrz fig. 2C). Trwałość użytkowa narzędzia była osądzana biorąc pod uwagę długość skrawania, do momentu, kiedy karb przyłożenia narzędzia końcowej krawędzi tnącej Vn osiągnie 0.1 mm. Rezultaty zostały pokazane w tabelach od 1 do 5.

184 535

Tabela 1

Przykład nr	Ti % wagi	Ce % wagi	Y % wagi	Yb % wagi	Dy % wagi	Si % wagi	Kc MPa 1/2 x m	Hv GPa	A1000°C MPa	Długość skrawania km
1	11	2.4	-	7.7	-	44.6	6.5	16.1	1050	15
2	17	7.9	-	-	-	41.6	6.7	16.1	1040	17
3	17	-	5.3	-	-	43.0	6.6	16.2	1050	18
4	16	-	-	11	-	40.5	6.3	16.2	1040	17
5	16	-	-	-	9.6	41.0	6.7	16.1	1030	16
6	17	2.4	3.7	-	-	42.6	6.7	16.1	1040	16
7	16	2.3	-	7.5	-	40.9	6.3	16.2	1030	18
8	16	2.3	-	-	6.7	41.2	6.8	16.0	1020	15
9	16	-	1.5	7.6	-	41.2	7.0	16.2	1070	16
10	17	-	1.6	-	6.8	41.6	6.7	16.1	1030	15
11	16	-	-	5.3	4.8	40.8	6.5	16.1	1030	17
12	17	2.4	1.6	4.4	-	41.6	6.7	16.2	1050	17
13	17	2.4	1.6	-	3.9	41.8	6.6	16.0	1040	16
14	16	2.3	-	3.2	3.8	41.0	6.7	16.1	1030	17
15	17	-	1.5	3.3	3.9	41.4	6.5	16.0	1020	16

Tabela 2

Przykład nr	Ti % wagi	Ce % ' wagi	Y % wagi	Yb % wagi	Dy % wagi	Si % wagi	Kc MPa xm^l/2	Hv GPa	A1000°C MPa	Długość skrawania km
16	17	2.0	1.3	2.7	2.4	41.5	6.5	16.1	1020	16
17	21	2.3	-	7.3	-	37.3	5.8	16.4	1000	20
18	28	7.4	-	-	-	33.3	6.6	16.4	1020	23
19	29	-	5.0	-	-	34.3	6.1	16.5	1020	25
20	27	-	-	10	-	32.4	5.8	16.6	1010	25
21	28		-	-	9.0	32.8	6.2	16.4	1000	24
22	29	2.3	3.5	-	-	34.0	6.2	16.5	1010	24
23	28	2.2	-	7.0	-	32.7	5.9	16.5	1000	25
24	28	2.2	-	-	6.3	32.9	6.3	16.4	990	23
25	28	-	1.4	7.1	-	32.9	6.9	16.4	1050	23
26	28	-	1.5	-	6.4	33.2	6.2	16.4	1000	24
27	27	-	-	5.0	4.5	32.6	6.1	16.4	1000	24
28	28	2.2	1.5	4.1	-	33.2	6.6	16.5	1020	24
29	28	2.2	1.5	-	3.7	33.4	6.5	16.3	1010	23
30	28	2.2	-	3.0	3.6	32.8	6.6	16.4	1000	24

184 535

Tabela 3

Przykład nr	Ti % wagi	Ce % wagi	Y % wagi	Yb % wagi	Dy % wagi	Si % wagi	Kc Mpa x m'^a	Hv GPa	A1000°C MPa	Długość skrawania km
31	28	-	1.5	3.1	3.6	33.1	6.4	16.3	990	23
32	28	1.8	1.2	2.6	2.3	33.2	6.4	16.4	990	24
33	30	2.1	-	6.9	-	30.8	6.0	16.6	990	28
34	30	-	1.4	7.0	-	31.0	6.7	16.6	1100	26
35	31	2.2	3.4	-	-	32.0	6.4	16.5	1000	25
36	30	2.2	-	-	6.2	31.0	6.4	16.5	980	25
37	37	7.0	-	-	-	26.4	5.6	17.3	980	32
38	38	-	4.7	-	-	27.2	5.5	17.4	1000	33
39	36	-	-	9.2	-	25.2	5.3	17.6	990	33
40	37	-	-	-	8.5	26.1	5.6	17.4	990	33
41	38	2.1	3.3	-	-	26.9	5.6	17.3	990	32
42	37	2.1	-	6.7	-	26.0	5.2	17.4	970	33
43	37	2.1	-	-	6.0	26.2	5.7	17.2	960	30
44	37	-	1.4	6.7	-	26.2	5.8	17.3	1060	32
45	37	-	1.4	-	6.0	26.4	5.7	17.2	980	32

Tabela 4

Przykład nr	Ti % wagi	Ce % wagi	Y % wagi	Yb % wagi	Dy % wagi	Si % wagi	Kc MPa x m^l/2	Hv GPa	A1000°C MPa	Długość skrawania km
46	37	-	-	4.8	4.2	25.9	5.5	17.3	960	31
47	37	2.1	1.4	3.9	-	26.4	5.6	17.4	1010	33
48	37	2.1	1.4		3.5	26.5	5.0	17.2	1000	31
49	37	2.1	-	2.9	3.4	26.1	5.4	17.3	990	33
50	37	-	1.4	2.9	3.4	26.3	5.3	17.2	980	34
51	37	1.7	1.2	2.4	2.2	26.3	5.2	17.3	990	33
52	38	2.0	-	6.6	-	24.8	4.9	17.4	960	35
53	45	6.7	-		-	20.5	4.6	18.2	860	59
54	47	-	4.5		-	21.1	4.3	18.4	860	60
55	43	-	-	9.0	-	20.1	4.7	18.3	860	60
56	45	-	-		8.1	20.3	4.6	18.3	850	59
57	46	2.0	3.1		-	20.9	4.8	18.3	850	59
58	45	2.0	-	6.4	-	20.2	4.4	18.4	850	61
59	45	2.0	-		5.7	20.3	4.9	18.2	830	58
60	45	-	1.3	6.4	-	20.4	5.0	18.3	880	60

184 535

Tabela 5

Przykład nr	Ti % wagi	Ce % wagi	Y % wagi	Yb % wagi	Dy % wagi	Al % wagi	Si % wagi	Kc MPa x m^b-	Hv GPa	A1000°C MPa	Długość skrawania km
61	45		1.3		5.8		20.5	4.9	18.2	840	61
62	45			4.5	4.0		20.2	4.6	18.2	840	61
63	45	2.0	1.3	3.7			20.5	4.7	18,3	870	61
64	46	2.0	1.3		3.3		20.6	4.6	18.3	850	55
65	44	1.9		2.7	5.5		20.0	4.5	18.4	850	55
66	45		1.3	2.8	3.3		20.4	4.3	18.5	830	61
67	45	1.7	1.1	2.3	2.1		20.5	4.5	18.5	820	61
68	46	2.0		6.3			19.4	4.2	17.7	820	55
69	53	1.9		6.1			14.5	4.1	18.8	810	61
Przykład porów- nawczy nr	Ti % wagi	Ce % wagi	Y % wagi	Yb % wagi	Dy % wagi	Al % wagi	Si % wagi	Kc MPa xm12	Hv GPa	A1000°C MPa	Długość skrawania km
1	0	2.5		8.1			52.7	7.0	15.0	790	5
2	6	2.4		7.9			48.5	6.7	15.5	800	10
3	27	6.3		17.6			23.1	7.0	16.0	850	9*
4	59	1.8		5.8			9.9	3.6	16.5	710	7*
5	30	2.1		6.9			30.8	5.5	15.2	800	10*
6	32			6.9		2.8	32.8	5.3	16.3	830	17*

* Uzyskiwano wykruszanie przy każdej długości skrawania w przykładach porównawczych od 3 do 6, w związku z czym w tym momencie test skrawania był przerywany.

Jak to można zauważyć po zapoznaniu się z rezultatami testu, próbki testowe przykładów wykonania, posiadające skład podany w zastrzeżeniach według niniejszego wynalazku, wszystkie prezentują dobre parametry obróbki skrawaniem. Na przykład, długość skrawania wynosząca 15 km lub dłuższa może być osiągana w przypadku stopu przewidującego 10 do 56% wagowych Ti oraz 11.6 do 51% wagowych Si, podczas gdy długość skrawania wynosząca 20 km lub dłuższa może być osiągana w przypadku stopu przewidującego 19 do 41% wagowych Ti oraz 21 do 42.8% wagowych Si, a długość skrawania wynosząca 40 km lub dłuższa może być osiągana w przypadku stopu przewidującego 41 do 56% wagowych Ti oraz 11.8 do 28.8% wagowych Si. Widać także, że przy zwiększonej ilości Ti, nie tylko jest ulepszona graniczna odporność na zużycie końcowej krawędzi tnącej, ale także wydłużona jest długość skrawania tak, że owa długość skrawania jest 3 do 7 razy większa niż w przypadku produktu z wolnym Ti (przykład porównawczy 1).

Próbka testowa z przykładu porównawczego 3, w którym ilość środków spiekalniczych odchodzi od zastrzeżonego zakresu, wykazuje osiągi obróbki skrawaniem, które nie są satysfakcjonujące w porównaniu z wartością uzyskaną przy testowaniu przykładów według niniejszego wynalazku. Z drugiej strony, jeżeli ilość Ti jest nadmierna, odporność właściwa dla azotku krzemu zostaje utracona tak, że krawędź tnąca jest podatna na wykruszanie się, a stąd taka próbka testowa nie jest odpowiednia jako narzędzie (przykład porównawczy 4).

184 535

Widać także, że próbki testowe posiadające twardość według Vickersa mniejszą niż 16 GPa lub wytrzymałość na zginanie przy temperaturze 1000°C mniejsza niż 800 MPa są gorsze jeśli chodzi o odporność na zużycie lub odporność na wykruszanie się, a stąd są niewystarczające jako narzędzie skrawające. Porównanie próbki testowej przykładu porównawczego 6 wykorzystującego Al₂O3, jako środek spiekalniczy, oraz próbek testowych przykładów 33 do 36, z których każdy posiada zasadniczo równe ilości Ti i Si, ujawnia, że próbki testowe przykładów są lepsze jeśli chodzi o wytrzymałość na zginanie, odporność na kruche pękanie i osiągi obróbki skrawaniem, pomimo faktu, że zwartość ma w przybliżeniu tę samą wartość. Próbka testowa przykładu porównawczego 6 posiadała wadę, jaką było jej wyduszanie się zanim wielkość zużycia końcowej krawędzi tnącej osiągnęła wartość wysłużonego narzędzia, podczas gdy próbki testowe przykładów nie były podatne na wykruszanie się.

Przykład 2

Dla kilku zestawów składników, próbki testowe wykorzystujące sposób HIP zamiast sposobu prasowania na gorąco były szacowane w ten sam sposób co w przykładzie 1. Sposób HIP był wykonywany w następujących warunkach: po pierwsze, proszki były formowane przez prasowanie, aż do uzyskania z góry przewidzianego kształtu, oraz wstępnie spiekane przy temperaturze 1750°C przez dwie godziny w atmosferze N2 utrzymywanej w ciśnieniu 1 atmosfery. Otrzymany produkt był obrabiany sposobem HIP przy temperaturze 1600°C przez dwie godziny w atmosferze N2 utrzymywanej w ciśnieniu 1500 atmosfer. Rezultaty są pokazane w tabeli 6.

Tabela 6

Przykład nr	Ti % wagi	Ce % wagi	Y % wagi	Yb % wagi	Dy % wagi	Si % wagi	Kc MPa x m^,Z2	Hv GPa	s1000°C MPa	Długość skrawania km
70	11	2.2	-	6.7	-	45.3	6.3	16.0	1010	13
71	21	2.3	-	6.3	-	37.9	5.5	16.3	1000	20

Zestawy składników próbek testowych są stosunkowo zbliżone do próbek z przykładu 1 w tabeli 1, oraz do próbek z przykładu 17 w tabeli 2, co oznacza, że owe próbki testowe w tych przykładach są równoważne pod względem właściwości fizycznych oraz właściowości skrawania.

Przykład 3. Do próbki testowej nr 33 przygotowanej w przykładzie 1 (tabela 3), jako substrat, rozmaite warstwy wierzchnie były nakładane sposobem CVD, z testy dotyczące osiągów skrawania były prowadzone w tych samych warunkach, co w przykładzie 1. Rezultaty są pokazane w tabeli 7.

184 535

Tabela 7

Przykłady	Nr	Rozmiar ziarna warstwy pokrywającej (mm)	Długość skrawania	Materiał podstawowy nr	Warstwa pokrywająca
1	0.5	35	33	TiN (1.5mm)
2	0.4	34	33	TiCN (1.4mm)
3	0.5	35	33	ALO3 (0.8mm) - TiCN (0.2mm)
4	0.5	40	33	Al₂O3 (1mm) - TiCN (1.3mm)
5	0.5	42	33	Al₂O3 (1mm) - TiCN (1mm) Al₂O3 (1mm) - TiCN (1mm)
6	0.4	41	33	Al₂O3 (1mm) - TiCN (1.4mm) Al₂O3, (1.1mm) - TiCN (1.5mm)
7	0.3	42	33	Al2O3, (1mm) - TiCN (1.5mm)
8	0.5	39	33	AlON (1mm) - TiCN (1mm)
9	0.5	40	33	Al2O3 (1mm) - TiC(1mm) - TiCN (1mm)
10	0.5	41	33	AlON (1mm) - TiC (1mm) - TiCN (1mm)
Przykłady porównawcze	1	0.4	30	33	Al2O3 (0.6mm) - TiCN (0.1mm)
2	0.8	wstępne narzędzie skrawające	33	Al2O3 (3mm) - TiCN (5mm)
3	0.5	5km	33	Al₂O3 (1mm) - TiCN (7mm)
4	1	łuszczenie 31	33	Al₂O3 (1.1mm) - TiCN (1mm)

Widoczne jest po zapoznaniu się z tymi rezultatami, że próbki testowe tych przykładów posiadające warstwy wierzchnie spełniające warunki przedstawione w zastrzeżeniach prezentują osiągi skrawania bardziej ulepszone w stosunku do niepokrytych próbek testowych pokazanych w tabeli 3. Z drugiej strony, próbki testowe przykładów porównawczych posiadające warstwy wierzchnie poza zakresem niniejszego wynalazku nie są znacząco ulepszone pod względem osiągów skrawania, lub też błony wierzchnie poddają się łuszczeniu.

Wiele ewidentnie bardzo różniących się przykładów wykonania niniejszego wynalazku jest wykonanych bez odchodzenia od jego idei i zakresu, podobnie jak zrozumiałe jest, że niniejszy wynalazek nie jest ograniczony do tych szczególnych przykładów wykonania poza określonymi w załączonych zastrzeżeniach.

Przykład 4

Jako materiał początkowy stosowane były proszki a-Si₂N4 o średnim rozmiarze ziarna wynoszącym 0.7pm i ciężarze właściwym (s.g.) 3.2, proszki węglikoazotku tytanu wzbogaconego w azot (N) TiC_xN,-x (x = 0.47) o średnim rozmiarze ziarna 1.2 pm, oraz proszki środków spiekalniczych (proszki Yb2O3 o średnim rozmiarze ziarna wynoszącym 1.5 pm. i s.g. 9.2, proszki CeO2 o średnim rozmiarze ziarna wynoszącym 1.0 pm i s.g. 7.1, proszki Y2O3 o średnim rozmiarze ziarna wynoszącym 1.5 pm i s.g. 8.8, oraz proszki Dy2O3 o średnim rozmiarze ziarna wynoszącym 1.5 pm i s.g. 8.2). Proszki te są odważane w celu podania z góry określonego stosunku składowego, jak pokazano w tabeli 8 (oprócz R83), oraz ładowane do tygla na azotek krzemu razem z kulkami azotku krzemu (12 mm średnicy) i etanolem, oraz poddawane mieleniu kulkowemu i proszkowaniu przez 24 godziny. Powstała zawiesina była ładowana do

184 535 suszarki próżniowej oraz, po odgazowaniu, ogrzewana do temperatury 70°C do 80°C w celu osuszenia proszków. Wysuszona mieszanka proszków była granulowana przez sito 60#. Dla porównania, została przygotowana mieszanka proszków wykorzystująca Al₂O₃, jako środek spiekalniczy, w której zastosowano proszek TiCN wzbogacony w węgiel (C) TCN- (x = 0.58), poza tym przygotowana zasadniczo w ten sam sposób co powyżej. Pokazano to jako przykład porównawczy R83 w tabeli 8.

Te mieszanki proszków były spiekane, aż do uzyskania z góry określonego kształtu przy wykorzystaniu sposobu prasowania na gorąco. Sposób prasowania na gorąco był wykonywany w następujących warunkach: po pierwsze, stosowane były proszki BN rozcieńczone w etanolu, jako substancja stanowiąca smar wewnętrzny, na wewnętrznej powierzchni formy węglowej. Z góry określona ilość granulowanych proszków była następnie ładowana do formy, która następnie była ustawiana w grzewczym piecu indukcyjnym, w atmosferze N2 o 0.98 MPa (9.8 atmosfer), jednoosiowo prasowane pod naciskiem 20 MPa (200 kg/m2), oraz jednocześnie ogrzewane przy temperaturach pokazanych w tabeli 8 w celu jednoczesnego formowania i spiekania. Zwartość spiekanych produktów w ten sposób wytwarzanych była mierzona sposobem Archimedesa, przy czym spiekane produkty miały wszystkie zwartą budowę, a zwartość ta była nie niższa od 99.5% zwartości teoretycznej. TiCN obecny w spiekanych produktach posiadał stosunek N/(C + N) wynoszący 0.53.

Z każdego spiekanego produktu przygotowywana była próbka testowa, podobnie jak w przykładzie 1, i poddawana testom. Próbka testowa do szacowania osiągów skrawania była wytwarzana przez szlifowanie spiekanego produktu na kształt narzędzia, pokazanego na fig. 1, jak to opisano w JISB4103, jako SNGN120408, z fazą 0.1 x25°.

Fizyczne właściwości były mierzone jak w przykładzie 1.

Osiągi skrawania były szacowane w tych samych warunkach, co w przykładzie 1, przy założeniu, że długość skrawania obrabianego przedmiotu wynosiła 150 mm.

Rezultat jest pokazany w tabeli 8.

Tabela 8

Przykład nr	Skład (% objętości)	Tem- pera- tura spie- kania °C	Własności fizyczne	Osiąg skrawania km
Si₃N	TiCN	Środki spiekalnicze	Kc MPa	Hv GPa	Δ MPa
1	2	3	4	5	6	7	8	9
81	85	10“	3.5Yb₂O₃ - 1.5 CeO₂	1850	6.5	16. 1	1050	15
82	75	20”	3.5Yb₂O₃ - 1.5 CeO₂	1850	5.8	16.4	1000	20
83	65	30“	3.5Yb₂O₃ - 1.5 CeO2	1850	6.0	16.6	990	28
84	55	40“	3.5Yb2O₃ - 1.5 CeO2	1850	4.9	17.4	960	35
85	45	50“	3.5Yb2O₃ - 1.5 CeO2	1900	4.2	16.5	950	36
86	35	60“	3.5Yb2O₃ - 1.5 CeO₂	1900	4.1	16.3	900	36
87	65	30“	3.5Yb2O₃ - 1.5 CeO2	1900	6.7	16.6	1100	26
88	65	30·’	3.5Yb2O3 - 1.5 CeO₂	1850	6.4	16.5	1000	25
89	65	30“	3.5Dy2O3 - 1.5 CeO₂	1850	6.4	16.5	980	25

184 535 ciąg dalszy tabeli 8

1	2	3	4	5	6	7	8	9
R81	95	0	3.5Yb₂O₃ -1.5 CeO₂	1850	7.0	15.0	790	5
R82	25	70	3.5Yb₂O₃ - 1.5 CeO₂	1850	3.6	16.5	710	7*
R83	65	30	3.5Yb₂O₃ - 1.5 CeO2	1850	5.5	15.2	800	10*

* W przypadku nr R82 i R83 występowało wykruszanie przy długości, odpowiednio, skrawania 7 km i 10 km, w związku z czym skrawanie było w danym momencie przerywane.

** TiCN = TiCxN1.x (x = 0.47) dla nr od 81 do 89, podczas gdy x = 0.58 dla nr 83.

Jak to można zauważyć w tabeli 8, próbki testowe nr 81 do 89 według niniejszego wynalazku prezentują większą długość skrawania wraz ze wzrostem TiCN. Mianowicie osiągana jest długość skrawania 3 do 7 razy większa od porównawczej próbki testowej nr R81, która jest pozbawiona TiCN. Z drugiej strony, dla porównawczej próbki testowej nr R82 posiadającej nadmierną ilość TiCN występowało wykruszanie się przed osiągnięciem przez boczny karb narzędzia (zużycie) Vn 0.1 mm. Uznano to za przyczynę utraty odporności spowodowanej zmniejszeniem ilości azotku krzemu. Porównawcza próbka testowa nr R83 zawierająca TiCN wzbogacony w węgiel (C) wykazuje krótszą trwałość użytkową narzędzia, niż w przypadku spiekanych produktów według niniejszego wynalazku. Należy zauważyć, że nr R83 posiadał stosunek N/(C + N) wynoszący około 0.45 TiCN w spiekanej masie.

Należy zauważyć, że mogą być wykonywane modyfikacje zgodne z ideą i zakresem niniejszego wynalazku, który ujawniono w zastrzeżeniach.

Claims

1. Materiał na narzędzia skrawające utworzony z kompozycji węglikoazotku tytanu i azotku krzemu, znamienny tym, że składa się głównie z węglikoazotku tytanu i azotku krzemu, który zawiera 10 do 56% wagowych tytanu (Ti), 11.6 do 51% wagowych krzemu (Si), oraz 1 do 21% ciężaru całościowego jednego, dwóch lub więcej z grupy pierwiastków zawierających cer (Ce), itr (Y), iterb (Yb) oraz dysproz (Dy).

2. Materiał na narzędzia według zastrz. 1, znamienny tym, że jeden, dwa lub więcej pierwiastki z grupy pierwiastków zawierającej Ce, Y, Yb i Dy są zawarte w ilości od 3 do 15% wagowych całości.

3. Materiał na narzędzia według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że posiada twardość według Vickersa w pokojowej temperaturze wynoszącą co najmniej 16 GPa oraz wytrzymałość na zginanie przy temperaturze 1000°C nie niższą niż 800 MPa.

4. Materiał na narzędzia według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera 19 do 41% ciężaru Ti oraz 21 do 42.8% ciężaru Si.

5. Materiał na narzędzia według zastrz. 4, znamienny tym, że posiada twardość według Vickersa przy pokojowej temperaturze wynoszącą co najmniej 17 GPa oraz wytrzymałość na zginanie przy temperaturze 1000°C nie niższą niż 850 MPa.

6. Materiał na narzędzia według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera 41 do 56% wagowych Ti oraz 11.8 do 28.8% wagowych Si.

7. Materiał na narzędzia według zastrz. 6, znamienny tym, że posiada twardość według Vickersa przy pokojowej temperaturze wynoszącą co najmniej 18 GPa.

8. Materiał na narzędzia według zastrz. 1 albo 2, albo 4, albo 5, albo 6, albo 7, znamienny tym, że materiał narzędzia jest pokrywany warstwą wierzchnią posiadającą grubość błony wynoszącą od 1do 5 pm, przy czym warstwa wierzchnia składa się głównie z roztworu stałego jednego, dwóch lub więcej składników z grupy zawierającej węglik, azotek, węglikoazotek i tlenek Al, oraz węglik, azotek, węglikoazotek i tlenek Ti, przy czym rozmiar ziarna składowych ziaren jest nie większy niż 0.5 pm.

9. Sposób wytwarzania materiału na narzędzia skarawające utworzonego z kompozycji węglikoazotku tytanu i azotku krzemu, znamienny tym, że przygotowuje się początkową mieszaninę proszkową zawierającą 10 do 60% objętościowych TiC_xN_x_1 (0.3 <x< 0.5), 0.5 do 10% objętościowych przynajmniej jednego tlenku wybranego z grupy zawierającej CeO₂, Y₂O₃, Yb₂O₃ i Dy₂O₃, oraz dopełnia się azotkiem krzemu, oraz spieka się początkową mieszankę proszkową w połączeniu z prasowaniem w atmosferze zawierającej gaz obojętny lub azot przy temperaturze 1500°C do 1900°C.

10. Sposób, według zastrz. 9, znamienny tym, że wspomniane spiekanie jest wykonywane przez prasowanie na gorąco (HP) przy temperaturze 1850°C do 1900°C.

11. Sposób, według zastrz. 9, znamienny tym, że początkową mieszankę proszkową spieka się przez izostatyczne prasowanie na gorąco (HlP) przy temperaturze 1500°C do 1700°C.

12. Sposób, według zastrz. 11, znamienny tym, że izostatatyczne prasowanie na gorąco HIP jest poprzedzane przez wstępne spiekanie przy temperaturze 1550°C do 2000°C, korzystnie 1550°C do 1800°C, a najkorzystniej około 1750°C w atmosferze azotowej.

184 535

13. Sposób, według zastrz. 11, znamienny tym, że izostatatyczne prasowanie na gorąco HIP wykonuje się w gazie obojętnym pod naciskiem wynoszącym przynajmniej 90 do 200 MPa, korzystnie 100 do 150 MPa.

14. Narzędzie skrawające z materiału utworzonego z kompozycji węglikoazotku tytanu i azotku krzemu po procesie spiekania, znamienne tym, że posiada warstwę wierzchnią (1c) złożoną głównie ze stałego roztworu przynajmniej jednego związku wybranego z grupy zawierającej węglik, azotek, węglikoazotek i tlenek Al oraz węglik, azotek, węglikoazotek i tlenek Ti oraz, że ziarna składowe warstwy wierzchniej posiadają rozmiar ziarna nie większy niż 0.5 pm.

15. Narzędzie według zastrz. 14, znamienne tym, że warstwa wierzchnia (1c) posiada grubość od 1do 5 pm.