SE444930B - Skerplatta for spanavskiljande bearbetning samt forfarande for dess framstellning - Google Patents

Description

15 20 25 30 8004098-3 har sådana skärplattors formstabilitet redan ökats. Ge- nom den förhållandevis höga stabilisatorhalten på 4 viktprocent kalciumoxid blir emellertid dessa skärplattors varmhållfasthet så starkt nedsatt att deras prestations- förmåga vid höga skärhastigheter ligger under motsvarande för en ren aluminiumoxidkeramik.

Den problematik, som föreligger beträffande med tillsat- ser försedd aluminiumoxid-skärkeramik, ligger generellt däri, att vid alltför ringa mängd av tillsatser är den önskade effekten, exempelvis att förhindra sprödhet, alltför ringa, vid större mängder av tillsatser sjunker förmågan att motstå de högre temperaturer som uppstår genom höga skärhastigheter.

Föreliggande uppfinning har till uppgift att bryta denna onda krets och framställa en skärplatta vars prestations- förmåga har märkbart höjts och medelst vilken ett större styckeantal kan uppnås per skärplatta och tidsenhet, särskilt framstår nödvändigheten härav vid bearbetning av ståldelar, särskilt av sätthärdnings- och seghärdnings- stål, såsom axlar, spindlar och liknande för bearbetning avsedda arbetsstycken.

Denna uppgift löses genom en skärplatta för spånavskiljande bearbetning, vilken består av vid hög temperatur sintrad aluminiumoxid med tillsatser av zirkonoxid och magnesium- oxid genom att den innefattar kombinationen av följande kännetecken: a) den är framställd av en blandning av 70 - 90 viktprocent aluminiumoxid 10 - 30 viktprocent zirkonoxid 0,1-0,5 viktprocent magnesiumoxid varvid övriga oxidföroreningar utgör mindre än 0,6 viktprocent och varvid alla andelar kompletterats till 100 10 15 20 25 30 8004098-3 b) en porositet på mindre än 2% c) en medelkornstorlek < 1,7 pm d) en brottseghet KIC vid rumstemperatur på minst 190 N/mm3/2 och på minst 140 N/mm3/2 vid 1000°C, mätt på ur skärplattor utskurna prismatiska små stavar med bredd = 2,5 mm, höjd = 3,5 mm och längd = 12 mm, försedda med ett sågsnitt med bredd = 120 pm, djup = 0,8 i 0,1 mm och en skårradie mellan 50 och 60 pm.

Sinterkroppar med en matris av de mest skilda material, däribland också aluminiumoxid och inlagrade små delar av ostabiliserad zirkonoxid är i och för sig kända, exempel- vis genom DE-OS 2549652 och där föreslagna för gasturbin- element, vid vilka fordras hög beständighet mot tempera- turväxlingar. Det var emellertid helt överraskande att genom samverkan av alla kännetecken enligt kraven har uppnåtts egenskaper hos en skärplatta som framför allt vid bearbetning av stål möjliggör en väsentligt högre pres- tation än alla hittills kända skärplattor, och detta spe- ciellt vid höga skärhastigheter, dvs. sådana på 500 m/min och mer. Detta var därför särskilt överraskande, emedan helt andra och artskilda anspråk föreligger vid skärplat- tor än exempelvis vid gasturbiner. Vid skärplattor upp- står såväl speciellt hög förslitning som kantbelastningar och växelverkningar gentemot det material som skall bear- betas, varvid avsevärda tillsatser av material, som gör plattorna mer tänjbara, har en negativ inverkan. I Det kan för närvarande ännu icke fastställas vilket av des- sa kännetecken som har en större betydelse än de övriga. Av helt avgörande betydelse är att de enskilda materialbe- stândsdelarna var för sig föreligga i mycket ren form och att halten av magnesiumoxid icke överskrider ett bestämt 10 15 20 25 30 8004098-3 värde. De ringa mängderna av 0,1 - 0,5 viktprocent mag- nesiumoxid är tillräckliga för att på känt sätt förhind- ra en ohejdad korntillväxt. Å andra sidan föreligger ge- nom den ringa mängden magnesiumoxid och den helt ringa mängden av övriga oxidföroreningar den till aluminium- oxiden försatta zirkonoxiden i utgângsmaterial i sin monoklina form. Under sintringsförloppet omvandlas den till tetragonal.fas, vilken som sådan vid avkylning re- versibelt âteromvandlas till monoklin fas. Avsevärt in- flytande har sannolikt det faktum, att genom den förhål- landevis ringa kornstorleken på mindre än 1 um, företrä- desvis till och med mindre än 0,5 um, hälles omvandlingen till den monoklina fasen tillbaka, varigenom spänningar latent inbygges i kristallstrukturen, vilka är lämpliga att fånga upp en stor del av de krafter, som uppträder vid den spånavskiljande bearbetningen.; Mycket stor betydelse för den höjda skärprestationen och särskilt skärplattans kanthâllfasthet enligt uppfinningen har det känneteckne; som anger en ringa porositet pâ mind- re än 2%, företrädesvis är denna till och med mindre än 1,0%. Därför vidtages lämpliga åtgärder så att porerna som sådana blir så små som möjligt, företrädesvis inom median- värdet < 2 pm.

Helt avgörande betydelse har vidare brottsegheten KIC på minst 190 N/mm3/2 vid rumstemperatur och framför allt det faktum, att vid 1000oC, alltså temperaturer som lätt upp- träda vid spånavskiljande bearbetning vid höga skärhastig- heter, uppgår brottsegheten KIC fortfarande till minst 140 N/mm3/2. Företrädesvis ligger brottsegheten KIC vid rums- temperatur till och med vid mer än 200 N/mm3/¿ och vid 1ooët minst vid 1so N/mm3/2.

Den erforderliga ringa porositeten hos skärplattan enligt uppfinningen går hand i hand med en hög täthet hos mate- 10 15 20 25 30 8004098-3 rialet, vilken utgör minst 98% av den teoretiska tätheten.

Vid en föredragen andel av 13 till 17 viktprocent zirkon- oxid uppgår tätheten företrädesvis till 4,1 hos en på sed- vanligt sätt sintrad skärplatta.

Det höga KIC-värdet garanterar att under skärförloppet och den därvid uppträdande höga kantbelastningen på skärplat- tan sker ingen utbrytning av korn i kristallförbindningen.

Varför en längre livslängd på verktyget uppnås och mate- rialen därigenom kan bearbetas vid höga hastigheter, vil- ket hittills icke varit ekonomiskt möjligt vid den kon- ventionella skärkeramiken.

Det var fullkomligt överraskande att med den förhållande- vis höga andelen av zirkonoxid, vilken i för sig sänker temperaturbelastningsförmågan, kunde uppnås en längre livslängd om alla kännetecknaïgå i kraven angivet sätt är kombinerade och därmed en kornstruktur som i förhål- lande till alla hittills kända skärplattor uppvisar op- tímala egenskapskombinationer. Av alldeles speciell be- tydelse är därvid den täta och fasta kornförbindningen, som är så bra, att även vid överbelastningar brytes icke hela hörn av skärplattan bort så att skärplattan därige- nom blir obrukbar.

För att uppnå denna specifika egenskapskombination, som hittills icke hållits för möjlig, och som svarar för skär- kanternas väsentligt högre belastningsförmâga, är för- farandet för framställning av skärplattan enligt uppfin- ningen av alldeles särskild betydelse.

Ett föredraget förfarande består i att 70 - 90 viktprocent aluminiumoxid med en Al2O3-halt på minst 99% och en medelkornstorlek med ett median- värde < 1,0 um, 10 15 20 25 30 8004098-3 10 - 30 viktprocent zirkonoxid med en ZrO2-halt på minst 99% och en medelkornstorlek med ett medianvär- de < 1,0 pm, och 0,1 - 0,5 viktprocent ren magnesiumoxid, varvid oxid- föroreningarna i denna utgångspulverblandning uppgår till mindre än 0,6 viktprocent, under tillsats av presshjälpmedel blandas intimt med va- randra och att av blærkdnga1 pressas skärplattor av öns- kad geometrisk form och sintras vid temperaturer på 1500 till 1600°C under en tidslängd av minst 3 timmar. Företrä- desvis sintras formkroppen vid en sintringstemperatur mel-* lan 1520 och 1560OC under en tidslängd av 6 till 10 timmar.

Helt allmänt finnes ett beroende mellan sintringstiden och sintringstemperaturen såtillvida att vid lägre sintrings- temperaturer väljes längre sintringstider, vid högre tempe- raturer däremot kortare sintringstider. Under 1500OC sint- ringstemperatur uppvisar formkropparna i allmänhet icke längre den erforderliga höga tätheten och den erforderliga ringa porositeten. över 1600°C tilltager däremot korntill- växten märkbart, kornstorleken i den färdiga sinterproduk- ten stiger inom medelstorleken till ömer 1,7 pm, den homo- gena uppbyggnaden i kristallstrukturen går tillbaka och där- med försämras skärplattans egenskaper avsevärt, särskilt vid de eftersträvade höga skärhastigheterna.

Det har ovan redan påpekats nödvändigheten av att använda mycket rena utgångsmaterial. Särskilt gynnsamma resultat, .framför allt med hänsyn till skär-plattornas livslängd, upp- nås om renheten på såväl den använda aluminiumoxiden som ock- så zirkonoxiden ligger ännu högre och om Al2O3-halten resp.

ZrO2-halten tom. överskrider ett värde på 99,9%. Beträffan- de Zr02-halten må visserligen påpekas att i denna inräknas däri ingående andel av hafniumoxid. Som bekant är båda ele- 10 15 20 25 30 8004098-3 menten och deras föreningar i avseende på sina egenska- per så nära besläktade att de i naturen förekommer till- sammans och blott med svårighet kan skiljas från varand- till 2%, avskiljas vanligtvis icke. Uppgifterna 99 viktprocent och 99,9 vikt- ra. Hafniumoxidandelen, som kan uppgå procent ZrO hänför sig därför till summan av ZrO2 + HfO2. 2 Därvid är det av mycket väsentlig betydelse - och här skil- jer sig ansökningsföremâlet från hittills förut kända skär- plattor på basis av aluminiumoxid och zirkonoxid - att de övriga oxidföroreningarna såsom SiO2, kalciumoxid och lik- nande i utgångspulverblandningen utgör mindre än 0,6 vikt- procent, företrädesvis ligger de till och med någon tion- del under detta värde. För att garantera detta måste också den såsom korntillväxthämmare tillsatta magnesiumoxiden vara mycket ren. Med fördel tillsättes ett aluminiumoxidpulver, till vilket redan vid framställningen försatts den erfor- derliga mängden ren magnesiumoxid.

Av mycket väsentlig betydelse är också utgångsstorleken på de pulverformiga utgångsmaterialen. För att uppnå den fina och likformiga strukturuppbyggnaden ligger medianvärdet för aluminiumoxidèn och zirkonoxiden under 1,0 pm, för zir- konoxiden företrädesvis under 0,5 um. Uttrycket “under me- dianvärdet" innebär: Fördelningen av storleken på de små delarna angives vanligt- vis i en summafördelning på så sätt att storleksparametern uppdrages till den procentuella frekvensen upp till 100%.

Motsvarande summafördelningskurvor kännetecknas vanligtvis i förenklad form därav, att medianvärdet angives.

Medianvärdet definieras såsom summakurvans skärningspunkt :ed frekvensfunktionens 50%-linje och betecknar därmed den genomsnittliga storleken (storleken på de små delarna eller porstorleken) vid vilken 50% är större om 50% är mindre än denna. 10 15 20 25 sd 8004098-3 Pressningen av utgångspulverblandningen sker lämpligen vid ett presstryck av minst 6000 N/cmz, företrädesvis vid ett sådant av 12000 till 16000 N/cmz. Även här förefinnes en viss lagbundenhet så tillvida att vid lägre presstryck väljes något högre sintringstemperatur och vid högre press- tryck något lägre sintringstemperatur.

Såsom presshjälpmedel är olika ämnen lämpliga. Särskilt för- delaktigt har visat sig vara polyvinylalkohol, som lämp- ligen användes i 1%-ig lösning. Prcssfuktigheten i utgångs- pulvret ligger vid ca. 4 viktprocent.

Ett avsevärt inflytande pâ skärplattans kvalitet, i synner- het på dess höga täthet och ringa porositet, har också upp- hettnings- och avkylningsintervallen, dvs. den tid under vilken det pressade ämnet upphettas till den avsedda sin- tertemperaturen och den tid under vilken den åter nedkyles till rumstemperatur. Företrädesvis sker denna upphettning resp. avkylning med ca. ZOOOC per timme.

Lämpligen brännes skärplattorna enligt uppfinningen i en oxiderande atmosfär och detta innebär en mycket avsevärd fördel gentemot de förut kända skärplattorna med tillsat- ser av karbider resp. nitrider. Genom halten av karbider och nitrider kan dessa skärplattor endast sintras i redu- cennfie resp. inert atmosfär eller i vakuum, vilket natur- ligtvis innebär en mycket större kostnad för erforderlig apparatur, vilket gör dessa skärplattor mycket dyra. Na- turligtvis kan skärplattorna enligt ansökningsföremâlet sintras i enlighet med andra förfaranden, exempelvis en- ligt hetpressningsförfarandet. I detta fall är sintrings- tiderna väsentligt kortare och temperaturerna i genomsnitt ca. 1oo°c högre.

Såsom tidigare redan påpekats flera gånger är ett mycket väsentligt kännetecken på skärplattorna enligt upp- 10 15 20 25 8004098-3 IC-värdet, särskilt det vid 1000°C dvs. vid de vid höga skärhastigheter uppträdande höga finningen det höga K temperaturerna. I den grafiska framställningen har KIC- -värdena för en ZrO2- och TiC- haltig Al203-sinterkera- mik enligt DE-OS 2741295 (kurva 1) jämförts med motsva- rande K -värden för en sinterkeramik enligt uppfinningen IC (kurva 2). Därav framgår tydligt att K -värdena vid rumstemperatur i stor utsträckning öveíšnsstämmer under det att med stigande temperatur sjunker de värden, som hänför sig till teknikens ståndpunkt mycket fortare än de värden som hänför sig till ansökningsföremålet.

I det följande skall bestämningen av K -värdet (den kri-K IC tiska spänningsintensitetsfaktorn), som är ett mått på brottsegheten, förklaras: Provdimensioner: Ur skärplattor utskäres små prismatiska stavar med bredden B = 2,5 mm, höjden W = 3,5 mm och längden L = 12 mm. I an- slutning härtill anbringas medelst en diamantbesatt koppar- skiva ett spricksimulerande sâgsnitt med en bredd d = 120 pm och ett djup a = 0,8 1 0,1 mm över bredden B vid L/2.

Skårradien uppgår till mellan 50 och 60 um.

Genomförinw av försöket: Det skårade provet belastas i ett trepunkt-böjförsök intill brott. Provet lägges därvid över ett avstånd S = 11 mm på högkant på bredden och belastas med provlasten på den_såg- snittet motbelägna sidan. Genomböjningshastigheten på stäl- let för det största böjmomentet uppgår till 0,25 mm/min.

Brottmotståndsvärdet KIC erhålles genom relationen 10 15 20 25 8004098-3 10 KIC-värae = °bß ' y Här betyder 3 sr obB z B 2 2 BW den till tvärsnittet (W.B) hänförda böjbrotthållfastheten och y en tabellkonstant som endast är beroende av förhål- landet a/W. FB är brottbelastningen.

Provdimensionerna och genomförande av försöket har fast- ställts i anslutning till ASTM-föreskriften E 399-72 för standardtestmetoder för bestämning av brottmotståndet hos metalliska material. Keramiska material förhåller sig okri- tiska med hänsyn till inställningen av det förutsatta jämna töjningstillståndet och utbildningen av plastiska zoner.

Simuleringen av skarpa sprickor genom fina sågsnitt utgör ett vanligt underlättande vid KIC-värdemätningar vid kera- miska material (se T.?. Wishaw et al., Eng. Fraat Mech. 1 (1968) 191, R.F. Pabst, Dissertation, Stuttgart 1972, R.L.

Bertolotti, 2. Amer. Ceram. Soc. ââ (1973) 107).

Framställningen av en skärplatta enligt uppfinningen beskri- ves i det följande i anslutning till ett exempel: 42 kg Al2O3 med en MgO-halt på 0,2 viktprocent dispergeras med 7,5 kg ostabiliserad Zr02 i destillerat vatten och ma- les i och för uppnående av en genomgående homogen blandning 30 min i en kulsvängkvarn. Efter malningen omröres suspen- sionen intensivt under tillsats av 1% polyvinylalkohol un- der 10 min med 500 varv/min och siktas i en 40 pm sikt. Den siktade suspensionen torkas i en förstoftningstork och gra- nuleras. Det granulerade och därmed rinnande pulvret pres- sas i automatiska pulverpressar under ett presstryck av 12000 N/cmz till skärplattor av-önskad geometrisk form med 10 15 20 25 30 8004098-3 11 en gröntäthet på 2)52 g/cm3. Efter detta formgivningsför- lopp sintras fcrmkropparna vid 15500C och en hålltid på 8 timmar. Upphettningen och avkylningen sker med 2000 per timme.

Efter sintringen slipas och fasas skärplattorna genom be- arbetning med diamantslipskivor till sin slutgiltiga skär- plattegeometri enligt normföreskriften SNG.

Skärplattorna enligt detta exempel uppvisar följande egen- skaper: En täthet på 4,17 g/cm3 en porositet på O,5% en medelkornstorlek med ett medianvärde på 1,45 Pm en hårdhet enligt Vickers på 19700 N/mmz en böjbmtthålifeetnet på sao N/mmz en brottseghet på 201 N/mm3/2 vid rumstemperatur och en brefiteeghet på 150 N/mm3/2 vid 1ooo°c.

Samtliga kornstorleksuppgifter i denna beskrivning är be- stämda enligt Synder-Graff-metoden.

En sådan skärplatta motstär en väsentligt högre specifik be- lastning på skärhörnen. Kontrollen av belastbarheten pâskär- hörnen sker genom sk. matningstest.

Denna består i att vid ett förutbestämt snittdjup a - i detta fall 3 mm - och under en bestämd inställningsvinkel - i detta fall = 850 - och vid en bestämd skärplattegeomet- ri - i detta fen typ sNGN 120816 T (0,2 x 2o°) - inställ- ningsvärdet ökas så länge att skärplattan ännu utan brott uthärdar en ingreppstid på 10 min vid en skärhastighet på 500 m/min.

Under ovannämnda testbetingelser framkom för skärplattan en- ligt exemplet ett inställningsvärde på 0,70 mm/varv. 8004098-3 12 Ett så högt inställningsvärde innebär gentemot förut kän- da skärplattor på basis av endast Al2O3 eller på basis av ZrO2- och TiC-haltig skärkeramik enligt DE~0S 2741 295 i praktiken en mycket avsevärd ökning av antalet arbets- stycken som bearbetas med en skärplatta. Sålunda har i för- hållande till en AIZO3 eller i förhållande till en AIZO3- -ZrO2-TiC-keramik styckeantalet ökat 6-faldigt, vilket upp- nåtts vid bearbetning av exempelvis en bakaxel av 41 Cr4V90.

Claims (8)

10 15 20 25 30 8004098-3 13 P a t e n t k r a v

1. Skärplatta för spànavskiljande bearbetning av arbets- stycken såsom axlar, spindlar o s v av metall, särskilt av sätthärdnings- och seghärdningsstål - företrädesvis för insättning vid skärhastigheter > 500 m/min - bestående av vid hög temperatur sintrad aluminiumoxid med tillsatser av zirkonoxid och magnesiumoxid som korntillväxtbegränsare, k ä n n e t e c k n a d av kombinationen av följande kännetecken: a) den är framställd av en blandning av 70 - 90 viktprocent aluminiumoxid, 10 - 30 viktprocent monoklin zirkonoxid, 0,1 - 0,5 viktprocent mag- nesiumoxid, varvid övriga oxidföroreningar utgör mindre än 0,6 viktprocent och varvid alla andelar komplet- teras till 100 b) en porositet av mindre än 2% c) en medelkornstorlek < 1,7 pm d) en brottseghet KIC vid rumstemperatur på minst 190 N/mm3/2 och på minst 140 N/mm3/2 vid 1000°c, mätt på ur skärplattor utskurna prismatiska små stavar med bredd = 2,5 mm, höjd = 3,5 mm och längd 12 mm, försedda med ett sàgsnitt med breda = 120 pm, djup = 0,8 i 0,1 mm och en skår- radie mellan 50 och 60_pm.

2. Skärplatta enligt krav 1, k ä n n e't e c k n a d av att medelkornstorleken ligger mellan 1,4 och 1,6 pm och att 90% av alla kroppar ligger inom detta storleksomrâde.

3. Skärplatta enligt något av kraven 1 eller 2, k ä n - n e t e c k n a d av att brottsegheten KIC vid rumstempe- ratur uppgår till minst 200 N/mm3/2 vid 1000°C till minst 150 N/mm3/2. 10 15 20 25 8004098-3 14

4. Skärplatta enligt något av kraven 1 - 3, k ä n n e - t e c k n a d av att vid en föredragen andel på 13 till 17 viktprocent zirkonoxid är tätheten minst 4,1 g/cm .

5. Förfarande för framställning av en skärplatta enligt k ä n n e t e c k n a Å av att något av kraven 1 - 4, 70 - 90 viktprocent aluminiumoxid med en Al2O3 -halt på minst 99% och en medelkornstorlek med ett median- värde < 1,0 pm 10 - 30 viktprocent zirkonoxid med en ZrO2-halt pâ minst 99% och en medelkornstorlek med ett medianvär- de < 1,0 pm och 0,1 - 0,5 viktprocent ren magnesiumoxid varvid oxidföroreningarna i denna utgângspulverbland- ning uppgår till mindre än 0,6 viktprocent under tillsats av presshjälpmedel blandas intimt med va- randra och att av blandningen pressas skärplattor av öns- kad geometrisk form och sintras vid temperaturer på 1500 till 1600°C under en tidslängd av minst 3 timmar.

6. Förfarande enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a t av att formkropparna sintras vid en sintertemperatur mel- lan 1520 och 156o°c under en tiasiängd av 6 till 10 tim- mar.

7. Förfarande enligt något av kraven 5 och 6, k ä n n e - t e c k n a L av'att upphettningsintervallet till sintrings~ temperatur och avkylningsintervallet efter sintringen till rumstemperatur ligger på ca. 2000 per timme.

8. Förfarande enligt något av kraven 5 - 7, k ä n n e ~ t e c k n a t av att sintringen sker i oxiderande atmosfär.