SE465319B - A1203-baserat skaer foer spaanavskiljande bearbetning av staal - Google Patents

Description

465 519 2 därför en ökad livslängd vid bearbetning av hårdare arbets- material och vid termochockkrävande operationer. Denna mate- rialtyp har dock ett alltför dåligt seghetsbeteende för en mer generell användning vid bearbetning av stål.

Ett annat senare utvecklingssteg innefattar inlegering av jämnt dispergerade finkorniga zirkoniumoxidpartiklar i en grundmassa av aluminiumoxid. Omvandling av de "metastabila" zirkoniumoxidpartiklarna vid användning ökar både hållfast- het och seghet och medför sålunda en mer förutsägbar livs- längd.

De termiska egenskaperna hos denna materialtyp är dock obe- tydligt bättre än för rena aluminiumoxidmaterial varför initíering och tillväxt av termiskt inducerade sprickor fortfarande utgör ett stort problem vid praktiska bearbet- ningsoperationer som genererar höga skäreggstemperaturer t ex stålbearbetning.

Det har nyligen visats att inlegering av SiC-whiskers, en- kristallina hårkristaller, i en grundmassa av aluminiumoxid leder till en starkt förbättrad brottseghet och hållfasthet.

Keramiska skärmaterial baserade på detta koncept har visat sig ha mycket goda prestanda vid bearbetning av främst varm- hållfasta material men har vid bearbetning av stål visat överraskande korta livslängder beroende på preferentiella angrepp av SiC-kristallerna vilket leder till en försvagning av ytzonen med åtföljande hög förslitning och risk för brottinitiering.

Det är således ett ändamål med uppfinningen att åstadkomma ett keramiskt material för skärande bearbetning av främst stål där de ovan nämnda svagheterna hos de idag kända alumi- niumoxidbaserade skärmaterialen har eliminerats. Således föreligger hos material enligt uppfinningen en unik kombina- tion av hållfasthet, seghet, termochockbeständighet och slitstyrka, som ej varit möjlig att erhålla med tidigare kända oxidbaserade skärmaterial. 10 15 20 25 30 35 465 319 3 Det primära syftet med föreliggande uppfinning är att fram- ställa oxidbaserade keramiska skärmaterial förstärkta med whiskers med låg löslighet i stål, som medför att skär- materialet får en förbättrad och mer förutsägbar seghet, hållfasthet och termochockbeständighet utan att slitstyrkan vid speciellt bearbetning av stål nämnvärt försämras, vilket ej varit möjligt med tidigare kända materialsammansätt- ningar.

Ett sådant material beskrivs i den svenska patentansökan 8701172-2 som avser whiskers baserade på karbider, nitrider och borider av Ti eller Zr eller fasta lösningar därav.

Det har nu överraskande visat sig att ytterligare förbätt- ringar av brottseghet och termochockbeständighet kan erhål- las om skillnader i termoelastiska egenskaper mellan alu- miniumoxid och whiskersmaterial är mycket stora.

Enligt R.W. Rice, Ceram. Eng. Sci. Proc., 2 (1981) 661. och A.G. Evans, H.K. Bowen, R.W. Rice and K.M. Prewo, Rep.

Materials Research Council Summer Conf., La Jolla, Ca, 1983. är de väsentligaste kriterierna för utveckling av ett fiber- förstärkt keramiskt material: 1. En hög fibermodul och hållfasthet (företrädesvis mer än två gånger matrix för en effektiv lastöverföring till fibern). 2. En liten fiberdiameter (samma storleksordning som korn- storleken i matrix). 3. En homogen fiberfördelning. 4. Ingen eller liten kemisk bindning mellan fiber och matrix. 5. Inga kemiska reaktioner som förstör eller ändrar egen- skaperna hos fibern. 6. En hög volymfraktion fibrer. 10 15 20 25 30 35 465 319 4 7. Jämförbara termiska utvidgningskoefficienter (alpha), men helst större utvidgningskoefficient för fibern än för matrix så att tryckspänningar erhålls i matrix.

Det anges speciellt under punkt 7 att den termiska utvidg- ningskoefficienten skall vara större än eller lika med den för matrix. Detta krav är uppfyllt för ovanstående svenska patentansökan då skillnad i termiska utvidgningskoefficient mellan TiC, TiN, TiB2 resp ZrC, ZrN och ZrB2 och Al2O3 är mycket liten.

Det har nu visat sig speciellt gynnsamt att använda whiskers med lägre termisk utvidgningskoefficient än Al203 vilket leder till dragspänningar i aluminiumoxiden och tryckspän- ningar i whiskern. De exakta mekanismerna för förbättringar i brottseghet och termochockbeständighet är inte kända men troligen sker bildning av mikrosprickor under avsvalning vilket gynnsamt påverkar seghetsbeteende och termochockbe- ständighet. En annan faktor som kan vara betydelsefull är att dragspänningar i aluminiumoxiden är orienterade paral- lellt med whiskerns längdaxel varför sprickutbredning sker vinkelrätt mot whiskern vilket gynnar spricköverbryggning (whiskern överbryggar en passerande spricka och strävar att hålla ihop den).

Det keramiska skärmaterialet enligt föreliggande uppfinning utgöres av en oxidbaserad, företrädesvis aluminiumoxidba- serad, grundmassa med 5-50, företrädesvis 10-40, helst 25-35 vol-%, homogent dispergerade whiskers baserade på nitrider, karbider och/eller borider eller fasta lösningar därav av metaller från grupp IVB (Ti, Zr eller Hf) och/eller VB (V, Nb eller Ta) i periodiska systemetsom karakteriseras av en termisk utvidningskoefficient som är lägre än Al2O3 och en låg löslighet i stål.

I°tabell 1 nedan ges exempel på whiskersmaterial som uppfyl- ler kriteriet på låg löslighet i stål. 10 15 20 25 30 35 465 319 5 Tabell 1.

Termisk utvidgningskoefficient (lO_6 K-1 300-1300 K) Al2O3 8.4 ca 8 TiN 7.5-8.9 HfC HfN 6.3 ca 6 NbC 5-7 TaC 4-6.5 TaN 5.0 ca 5 TaB2 5.2 Som framgår av tabellen kan inga eller mycket små egen-spän- ningar förväntas vid användning av TiN-whiskers. Användning av HfC, HfN och NbC ger dragspänningar i aluminiumoxiden.

Dessa blir ännu högre vid användning av TaC, TaN och TaB2.

Whiskersmaterialet utgöres av enkristaller med en diameter av 0,5-10/um och en längd av 2,5-100/um kännetecknade därav att längd/diameter förhållandet är företrädesvis 5-10. Korn- storleken hos oxidgrundmassan skall vara trädesvis < 4 /um. Oxidgrundmassan skall utgöras av väsent- ligen keramiska oxider eller av keramiska oxider blandade med hårda karbider och/eller nitrider och/eller borider och/eller bindemetall. Företrädesvis skall den keramiska matrisen innehålla < 20 vol-% ZrO2.

Det aktuella skärmaterialet tillverkas genom våtmalning och blandning av oxidbaserat pulver och enkristallina whiskers- kristaller. Efter torkning pressas blandningen till önskad geometrisk form och sintras utan tryck till nära teoretisk täthet. Efter sintringen kan eventuell kvarvarande s k sluten porositet avlägsnas genom en varmisostatisk press- ning. Om det vid sintring ej är möjligt att uppnå en sluten porositet kan materialet trycksintras med lämpligt grafit- verktyg eller efter inkapsling varmisostatpressas till 10 15 20 25 30 35 465 319 6 önskad densitet. Sintringsmetoden är beroende av whiskers- materialet och väljes så att skärmaterialet uppnår en densi- tet som överstiger 99 % av teoretisk densitet.

Användning av whiskersförstärkning i den aluminiumoxid- f baserade grundmassan leder till en signifikant ökning av brottsegheten. De mekanismer, som orsakar denna förhöjning Ü kan vara lastöverföring mellan whisker och matrix, sprickav- länkning och whiskerutdragning. Dessa mekanismer utnyttjar och är beroende av att sprickutbredning sker längs en till- räckligt svag gränsyta mellan whisker och matrix. Bindnings- styrkan mellan whisker och matrix är därför en viktig para- meter vilken kan påverkas genom beläggning av whiskers- materialet med tunna skikt av t ex BN eller grafit för att ytterligare förbättra brottsegheten. I det aktuella fallet fås dessutom ett bidrag från de inre spänningar som erhålles genom användning av whiskers med lägre termisk utvidgnings- koefficient än matrix.

Exempel 1 30 vol-% titannitrid-, hafniumniumnitrid- resp tantalnitrid- Whiskers våtblandas med 70 vol-% av en blandning av 95,5 vikts-% Al2O3, 4,2 vikts-% ZrO2 och 0,3 vikts-% MgO. Efter torkning i vakuumskåp torrblandas blandningarna och pressas till formkroppar. Ämnena sintras vid 155000 till 99 % av teoretisk täthet med isostatisk varmtryckning.

KIC uppmäts med hjälp av den s k intrycksmetoden. Vid denna görs ett intryck med hjälp av en pyramidformad diamantspets och KIC beräknas med hjälp av storleken på de sprickor som induceras från intryckets hörn.

Vid mätningen används en referens av A120 + 4,2 vikt-% ZrO + 0,3 vikts-% MgO. 3 2 f) .

KIC-värden för de olika materialkombinationerna framgår av tabell 1. 10 15 20 1.

AV heten ökar med ökande skillnad i termisk utvidg- . Al Tabell l Al2O3+4,2 vikts-% ZrO2 + 30 vol-% TiN(whiskers) Al O +4,2 vikts-% ZrO 2 3 2 + 30 vol-% HfN(whiskers) Al2O3+4,2 vikts-% ZrO2 + 30 vol-% TaN(whiskers) O +4,2 vikts-% ZrO 2 2 3 +0,3 +0,3 +0,3 +0,3 vikts-% MgO vikts-% MgO vikts-% MgO vikts-% MgO 465 319 IC 6.1 7.0 tabellen framgår att inlegering av TiN-, HfN- resp TaN- whiskers ger en betydande ökning av brottsegheten. Brottseg- ningskoefficient. Den föredragna utföringsformen är därför ett whiskersmaterial som har en utvidgingskoefficient max 85 % av den för Al2O3 mätt i temperaturintervallet (300- l300K). Brottseghet är en parameter som visar ett materials förmåga att motstå mekaniska pàkänningar utan att leda till katastrofala brott. I fallet skärande bearbetning innebär detta att högre matningar kan tillåtas dvs materialavverk- ningshastigheten kan ökas för given skärhastighet.

Claims (2)

465 319 10 15 Patentkrav

1. A1203-baserat keramiskt skär för spànavskiljande bearbetning av stål varvid skäret förutom den oxidbaserade grundmassan innehåller 5-50-vol %, företrädesvis 10-40 vol- %, homogent dispergerade whiskers av nitrider, karbider och/eller borider (eller fasta lösningar därav) av metaller från grupp IVB (Ti, Zr eller Hf) och/eller VB (V, Nb eller Ta) i periodiska systemet, k ä n n e t e c k n a t av att sagda whiskers har en längdutvidgningskoefficient som är lägre än den för Al203 företrädesvis max 85 % av den för Al203 mätt vid 300-1300 K.

2. Skär enligt föregående krav, k ä n n e t e c k n a t av att grundmassan är baserad på aluminiumoxid och < 20 vol-% Zr02. *Pw- '-