SE434391B - Keramisk formkropp for spanavskiljande bearbetning av metalliska samt icke-metalliska material och for avnotningsskydd samt forfarande for framstellning av formkroppen - Google Patents

Description

7809330-9 10 15 20 '25 30 35 Vidare är skärverktyg av sintrad aluminiumoxid kända, som uppvisar hög hårdhet och tryckhållfasthet samt god värmebeständighet. Det har emellertid visat sig att dessa material inte uppfyller alla krav, eftersom materialet har otillräcklig seghet och eftersom de skärande eggens skärkapaci- tet inte är tillfredsställande. Vid användning av verktygen kan lätt uppkomma brott på eggarna och stötbelastningar kan leda till skärhaverier.

Slutligen föreslås i tyska publiceringsskriften 2 549 652 en keramisk formkropp, som består av en keramisk matris och minst en däri dispergerad fas av keramiskt inlagrings- material och vid vilken inlagringsmaterialet vid_formkroppens bränntemperatur samt vid rumstemperatur föreligger i olika enantiotropa fasta modifikationer, vilkas tätheter tydligt skiljer sig från varandra. Såsom keramisk matris användes aluminiumoxid eller magnesiumoxid. Inlagringsmaterialet uppvisar en lägre värmeutvidgningskoefficient än matrisen och består av 8-25 volymprocent icke stabiliserad monoklin zirkonoxid, som enligt uppgift även kan ersättas med hafnium- oxid, karbider och nitrider. Den keramiska formkroppens sintring sker ovanför inlagringsmaterialets fasomvandlings- É ftemperatur. Ett väsentligt kännetecken av denna kända formkropp består i att den är genomträngd av ytterst små mikrosprickor med hög täthet och således uppvisar hög seghet. Mikrosprickorna medför emellertid en helt otillräcklig avnötningsbeständighet och omöjliggör formkroppens användning för spånavskiljande bearbetning, speciellt vad gäller järnmaterial.

Föreliggande uppfinning har till uppgift att åstadkomma en slitagebeständig keramisk formkropp för spånavskiljande bearbetning av metalliska och icke-metalliska material samt för slitageskydd, vilken har mycket hög avnötningsbeständighet, god seghet samt slaghållfasthet och lämpar sig speciellt för bearbetning av järnmaterial.

Den till grund för uppfinningen liggande uppgiften löses på överraskande sätt därigenom, att formkroppcn i obelastat tillstånd är sprickfri och består av alfa- aluminiumoxid samt av 0,5 - 35 vikt-%, företrädesvis 1-20 vikt-ga, I zirkonoxiden har en stabiliseringsgrad på 40-ca 100%, företrädes- stabiliserad zirkonoxid, varvid den stabiliserade 10 l5 20 25 30 35 40 7809330-9 vis 70-90%, och en stabilisatorhalt på 3-9 vikt-%, räknad på magnesiumoxid och/eller kalciumoxid. Denna formkropp uppvisar förutom god Leghet även mycket hög avnötningsbeständighet, eftersom den i obelastat tillstånd icke uppvisar några mikrosprickor och således en uppspänningsfixering uppkommer, som verkar hållfasthetsökande utan att försämra avnötnings- egenskaperna. Kombinationen av goda seghetsegenskaper och hög avnötningsbeständighet uppnås eftersom i materialet på grund av den genom enantiotrop fasomvandling betingade utvidgningen av den monoklina zirkonoxidandelen och på grund av de likväl olika värmeutvidgningskoefficienterna för zirkonoxid och aluminiumoxid uppkommer korngränsspänningar, som bjuder en mekanisk belastning motstånd. Jämfört med de uteslutande av delstabiliserad zirkonoxid bestående formkrop- parna är vid formkroppen enligt uppfinningen både avnötningsbe- ständigheten och seghetsegenskaperna och även de mekaniska hållfasthetsegenskaperna tydligt förbättrade. Jämfört med alfa-aluminiumoxid-formkroppar, vilka icke innehåller något inlagringsmaterial, uppvisar formkroppen enligt uppfinningen förbättrade förslitnings- och seghetsegenskaper. Jämfört med av aluminiumoxid och ostabiliserad zirkonoxid bestående mikrosprickor uppvisande formkroppar är vid formkroppen enligt uppfinningen avnötningsbeständigheten flera gånger större, varvid seghetsegenskaperna är åtminstone likvärdiga.

Den keramiska formkroppens avnötningsbeständighet för- bättras enligt uppfinningen om formkroppen innehåller 0,5-35 vikt-% av en eller flera oxider, karbider, nitrider och/eller borider av metallerna titan, zirkonium, hafnium, vanadin, niob, tantal, krom, molybden och volfram. En ytterligare förbättring av avnötningsbeständigheten och sintringsegenskaperna uppträder vid formkroppen enligt uppfinningen om den innehåller 0,2-5 vikt-% av en eller flera oxider av yttrium, thorium och lantaniderna. Formkroppens slagtålighet och seghet kan enligt uppfinningen ökas om den innehåller 0,1 - 15 vikt-%, företrädesvis 1 - 10 vikt-%, järn, kobolt, nickel, titan, zirkonium, hafnium, vanadin, niob, tantal, krom, molybden och/eller volfram. Enligt en vidareutveckling av uppfinningen föreslås att formkroppen innehåller upp till 3,5 vikt-%, företrädesvis 0,1 - l vikt-%, magnesiumoxid och/eller kisel- dioxid såsom sintringshjälpmedel. 7809330-9 4 10 15 20 25 30 35 Formkroppen enligt uppfinningen tillverkas genom en kombination av i och för sig kända åtgärder på det sättet, att stabiliserad zírkonoxid med en stabiliseringsgrad på 40 - ca 100% samt en stabilisatorhalt på 3 - 9 vikt-%, räknad på magnesiumoxid och/eller kalciumoxid,och övriga beståndsdelar blandas, våtmalas till en partikelstorlek under 3 p, torkas vid temperaturer upp till l50°C och pressas till presskroppar, att presskropparna vid temperaturer mellan l450 - l750°C sintras i vakuum eller i en skyddsgas- atmosfär under 0,1 -3 timmar och därefter i vakuum och/eller en skyddsgasatmosfär nedkyles till rumstemperatur. Enligt uppfinningen föreslås slutligen att sinterkroppen underkastas en isostatisk varmkompaktering, varigenom en ytterligare förbättring av formkroppens seghetsegenskaper erhålles.

Begreppet stabiliserad zirkonoxid innesluter begreppen delstabiliserad respektive helstabiliserad zirkonoxid. Ren zirkonoxid föreligger vid rumstemperatur i monoklin modifika- vilken vid looo - l2oo°c reverslbelt omvandlas till den tetragonala modifikationen. Av monoklin zirkonoxid tion, tillverkade delar kan efter sintring över fasomvandlingstem- peraturen uppvisa sprickor, eftersom de båda enantiotropa modifikationerna av zirkonoxiden har olika täthet. Monoklin zirkonoxid kan stabiliseras delvis eller i det närmaste kvantitativt, om den genom upphettning till l0OO-2000°Cunder tillsats av stabilisatorer omvandlas till en kubisk blandkris- tallfas, vilken är beständig även vid rumstemperatur. vid den stabiliserade zirkonoxidens avkylning sker således ingen strukturomvandling. Den procentuella andelen kubisk fas i zirkonoxiden betecknas såsom stabilíseringsgrad. Såsom stabilisatorer användes speciellt magnesium- och kalciumoxid.

Den stahiliserade zirkonoxídens struktur och egenskaper hör till känd teknik.

"Föremålet för uppfinningen förklaras närmare i det följande i anslutning till ett flertal utföringsexempel.

Flera keramiska formkroppar tillverkades, varvid alltid en stabiliserad zirkonoxid med en stabiliseringsgrad på ca 70*90% och en stabilisatorhalt på ca 4 vikt-% Cao kom till användning. Dessa formkroppar hade följande sammansättning (uppgifter i vikt-%): Formkropp 1 74,8 % AIZO3 19,4 % Zr0 5,0 % TiC 0,6 % bigO 0,2 % SiO 2 2 Eormkropp 3 74,3 % Al 0 2 3 19,4 % zr02 5,0 % TiC 0,5 % Y2o3 0,6 % MgO 0,2 % S102 Formkropp 5 41,5 % A1 O 2 3 17,7 % ZrO2 35,0 % TiC 2,5 % Mo 2,5 % Ni 0,6 % Mg0 0,2 % S102 7809330-9 Formkropp 2 65,15 % AIZO3 19,05 % Zr0 15,0 % TiC 0,6 % MgO 0,2 % S10 2 2 Formkropp 4 46,2 % Al203 18,0 % ZrO 35,0 % TiC 0,6 % MgO 0,2 % SiO2 2 Vidare tillverkades en formkropp med en tillsats av fullständigt stabiliserad zirkonoxid, som hade följande sammansättning: Formkropp 6 74,8 % A1203 19,4 % Zr02 5,0 % TiC 0,6 % Mgo 0,2 % SiO2 Formkropparnas beståndsdelar blandades och våtmaldes till en partikelstorlek på 1 - 2 p. Pulverblandningen torkades 1 luft vid 13o°c under 24 timmar varefter t11Lv@rkaa@s presskroppar med 500 kp/cmz tryck. Presskropparna sintrades i vätgasatmosfär vid 760 torr i en timme. De enskilda form~ kropparna sintrades vid följande temperaturer 7809330-9 Formkropp 1 lsoo - 1asø°c Formkropp 2 1600 - l650oC Formkropp 3 l600oC Formkropp 4 l550°C Formkropp 5 16oo°c 1600 - 1sso°c Formkropparna kyldes i den vid sintringen befintliga Formkropp 6 atmosfären. Kyltiden uppgick till 8-12 tfimnar.

De med förfarande enligt uppfinningen tillverkade sprickfria formkropparna hade jämfört med i handeln förekommande keramikskär på aluminiumoxidbasis och jämfört med keramikskär av aluminiumoxid med mikrosprickor och inlagrad ostabiliserad zirkonoxid de i tabell l återgivna data. Av tabell 2 framgår att ökningen av karbidhalten och tillsatsen av YZO3 ledde till en ytterligare förbättring.

Tabell 1: Data från svarvförsök Provningsbetingelser vid svarvning med intermittent skärning: Material : stål C 45 KN Skärhastighet : 250 m per minut Skärdjup : a = 2 mm , Matning : s = 0,125 mm per varv Skär : SNGN 120812 T Antal övergångar vid svarvning med intermittent skärning till skärhaveri: Känt keramikskär påci-Al2O3-bas = 25 (l00%) Känt keramikskär av avAl2O3 och ostabiliserad zirkonoxid = 53 (2l2%) _ Formkropp l enligt uppfinningen = 7l (284%) Provningsvillkor vid svarvning med kontinuerlig skärning: Material : stål C 60 Skärhastighet : 500 m per minut Skärdjup : a = 2 mm Matning : = 0,1 mm per varv Svarvtid : = 10 minuter Skfïr : SNCM 120812 T 1 7809330-9 Ytförslitning VB i mm vid svarvning med kontinuerlig skärning efter t = 10 minuter Känt keramikskär på(x-Al2O3-bas = 0,21 (l00%) Känt keramikskär av ostabiliserad zirkonoxid = 0,78 (27%) Formkropp l enligt uppfinningen = 0,22 (96%) Éggell 2: Data från svarvförsök ,Provningsvillkor vid svarvning med intermittent skärning: Material : stål C 45 KN Skärhastighet : 250 m per minut Skärdjup : a = 2 mm Matning : s = 0,125 mm per varv Skär : SNGN l20412T Formkropp l Formkropp 2 Førmkropp 3 Antal övergångar 33 33 39 (1oo%) (1oo%) (11%) Ytförslitning vB i mm 0,24 0,16 0,14 (iooæ) (15%) (l72%)

Claims (2)

1. 78 09333030-39 PATENTKRAV l. Keramisk formkropp för spånavskiljande bearbetning av metalliska samt icke-metalliska material och för avnöt- ningsskydd, vilken innehåller aluminiumoxid och zirkonoxid, k ä n n e t e c k n a d därav, att den i obelastat till- stånd är sprickfri och förutom alfa-aluminiumoxid innehåller .0,5 - 35 vikt-%, företrädesvis l - 20 vikt-%, stabiliserad zirkonoxid, varvid den stabiliserade zirkonoxiden har en astabiliseringsgrad på 40 -,ca 100 %, företrädesvis 70 - 90 %, och en stabilisatorhalt på 3 -;9 vikt-%, räknad på magne- siumoxid och/eller kalciumoxid.

2. Formkropp enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d därav, att den innehåller 0,5 - 35 vikt-% av en eller flera oxider, karbider, nitrider och/eller borider av metallerna titan, zirkonium, hafnium, vanadin, niob, tantal, krom, molybden och volfram. i3. "Formkropp enligt krav l och 2, k ä n n e t e c k - n aïd därav, att den innehåller 0,2 ~"5 vikt-% av en eller flera oxider av yttrium, thorium och lantaniderna. 4. Formkropp enligt krav l, 2 och 3, k ä n n e t e c k- n a d därav, att den innehåller 0,1 - 15 vikt-%, företrä- desvis l - 10 vikt-%, järn, kobolt, nickel, titan, zirko- -nium, hafnium, vanadin, niob, tantal, krom, molybden och/eller volfram. ~5. Formkropp enligt krav l - 4, k ä n n e t e c k - n a d därav, att den innehåller upp till 3,5 vikt-%, före- trädesvis 0,1 - l vikt-%, magnesiumoxid och/eller kiseldioxid såsom sinterhjälpmedel. 6. Förfarande för framställning av en formkropp för spånavskiljande bearbetning av metalliska samt icke-metalliska material och för avnötningsskydd enligt något eller nâgra av kraven lf- 5, kïä n n~e t"e c k n a t därav, att stabilise- rad zirkonoxid med en stabiliseringsgrad på 40 - ca 100 % .samt en stabilisatorhalt på 3»- 9 vikt-%, räknad på magne- siumoxid och/eller kalciumoxid samt övriga i patentkraven l--'5 omnämnda beståndsdelar blandas, våtmales till en par- 7809330-9 9 tikelstorlek på mindre än 3 U, torkas vid temperaturer upp till l50°C och pressas till presskroppar, att presskropparna sintras vid temperaturer mellan 1450 - l750°C i vakuum eller någon skyddsgasatmosfär under 0,1 - 3 timmar och därefter i vakuum och/eller en skyddsgasatmosfär kyls ned till rums- temperatur. 7. Förfarande enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a t därav, att kroppen efter sintringen underkastas en isostatisk varmkompaktering. 7809330-9 S A M M A N F A T T N I N G Uppfinningen avser en keramisk formkropp för spånav- skiljande bearbetning av metalliska samt icke-metalliska material och för avnötningsskydd samt ett förfarande för framställning av en dylik keramisk formkropp. Föreliggande uppfinning har till uppgift att åstadkomma mycket hög avnötningsbeständighet, god seghet samt slaghâll- fasthet och lämplighet speciellt för bearbetning av järn- material. Den till grund för uppfinningen liggande uppgiften löses på överraskande sätt därigenom, att formkroppen i obelastat tillstånd är sprickfri och består av alfaaluminiumoxid samt av 0,5 - 35 vikt-%, företrädesvis l-20 vikt-%, stabiliserad zirkonoxid, varvid den stabiliserade zirkonoxiden har en sta- biliseringsgrad på 40- ca 100%, företrädesvis 70-90%, och en stabilisatorhalt på 3-9 vikt-%, räknat på magnesium- resp. kalciumoxid. Förfarandet kännetecknas därav, att stabiliserad zirkonoxid med en stabiliseringsgrad på 40- ca l0O% samt en stabilisator- halt på 3-9 vikt-%, räknat på magnesiumoxid och/eller kalcium- oxid, samt övriga beståndsdelar blandas, våtmales till en par- tikelstorlek på mindre än 3 p, torkas vid upp till 15000 och pressas till presskroppar. Presskropparna sintras mellan 1450 - l750°C i vakuum eller någon skyddsgasatmosfär under 0,1 - 3 tim- mar och kyls därefter i vakuum och/eller en skyddsgasatmosfär till rumstemperatur.