SE502052C2 - SiC-whiskers och partikel-förstärkt keramiskt skärmaterial - Google Patents

Description

502 052 2 finkorniga zirkoniumoxidpartiklar i en matris av aluminiumoxid.

En omvandling av de 'metastabila' zirkoniumoxidpartiklarna un- der användning ökar bäde hàllfasthet och seghet och medför sä- lunda en mer förutsägbar verktygslivslängd.

De termiska egenskaperna för sagda typ av material är, emellertid, endast nàgot bättre än för dem av rent aluminium- oxidmaterial. Därför är uppkomst och tillväxt av termiskt uppkomna sprickor fortfarande ett stort problem i praktiska skäroperationer, som genererar hög skäreggstemperaturer sàsom vid bearbetning av stäl.

Det har nyligen visats att inlegering av SiC-whiskers, mono-kristallina härkristalller, i en matris av aluminiumoxid medför en i hög grad förbättrad brottseghet och hällfasthet.

Keramiska skärmaterial baserade pà sagda koncept har visat mycket gott uppförande särskilt vid bearbetning av värmebe- ständiga material.

Det är välbekant att partikeltillsatser kan användas för att förbättra egenskaperna hos ett sprött keramiskt material, t.ex., USP 4,320,203 som avser tillsatser av TiN och TifiC,N).

Beroende pä naturen av tillsatserna kan de verksamma här- dande mekanismerna vara sprickavlänkning, mikrosprickbildning, omvandlingsförstärkning eller spricköverbryggning. Det är karakteristiskt för dessa partikeltillsatser att storleken av partiklarna är av samma storleksordning som matrismaterialet t.ex. i storlekordningen 1-5 pm och att de är belägna i korn- Endast i fallet ZrO2-tillsatser är en mindre kornstorlek än matrisen nödvändig för att under- trycka en omvandling under tillverkningen av materialet. Men zirkoniumoxidpartiklarna är fortfarande övervägande lokalise- rade i korngränserna i aluminiumoxidmatrismaterialet.

Det är ocksà karakteristiskt för de partikelförstärkta ma- terialen att egenskapsförbättringar erhálls till ganska höga partikelinnehäll, normalt upp till 15-30 volym-%.

Den har nyligen pávisats att ytterligare förbättringar av egenskaperna är möjliga i skärmaterial förstärkt med kiselkar- bidwhiskers, speciellt hállfastheten, om smä tillsatser av partiklar av nano-storlek är tillsatta till de whiskerför- I USP 5,123,935 är ett sådant material gränserna i matrismaterialet. stärkta materialen. 10 15 20 25 30 35 3 502 Û52 beskrivet innehällande Ti-föreningar av nanostorlek. Det anses att funktionen hos de smä Ti-föreningarna är att förstärka aluminiumoxidmatrisen och att förfina mikrostrukturen.

Den har nu överraskande visat sig att ytterligare förbätt- ringar är möjliga om de tillsatta nano-storlek partiklarna har en mycket lägre termisk expansionskoefficient än matrismateria- let dvs. aluminiumoxid.

Den termiska expansionskoefficienten för aluminiumoxid är 8.4-10-6 K*1 (zoo-1300 K). Publicerat värde för Tic (7.4-8.6) är nagot lägre än för aluminiumoxid och publicerat värde för TiN (8.0-9.3) nägot högre.

Om smá nano-partiklar med mycket lägre termisk expansion koefficient såsom TaN (5.0), TaC (4-6.5) och TaB2 (5.5) till- sätts erhälls högre hällfasthet än som tros vara förorsakat av en mer effektiv kornförfining. Detta skulle kunna vara förorsa- kad av de ganska stora inre spänningarna som skapas inom alumi- niumoxidkornen vid kylning fràn sintringstemperaturen. De inre spänningarna sjàlva kan även ha en förstärkande effekt pá grund av växelverkan med ett yttre spänningsfält.

Den keramiska skàrmaterialet enligt föreliggande uppfinning omfattar en oxidbaserad, helst aluminiumoxidbaserad, matris med 10-50, helst 20-40 volym-% av homogent fördelade whiskers base- rade pà kiselkarbid och 1-40, företrädesvis 1-25, eller helst 3-8 volym-% partikeltillsatser med en storlek <500 nm baserade pà karbider, nitrider och/eller borider av metaller frän grupp VIB(V,Nb,Ta) helst TaC, TaN, NbC, HfC, HfN eller VC eller fasta lösningar därav. Sagda whiskers skall bestä av enkristaller med en diameter av 0.5 - 10 um och en längd av 2.5 - 100 um med ett längd/diameter förhållande av helst 5 - 10. Whiskerna kan åt- minstone delvis vara ersatta av enkristallplattor med en diame- ter av 5 - 20 um och en tjocklek av 0.5 - 4 um. Sagda matris skall bestà väsentligen av keramiska oxider, helst aluminium- oxid, eller av keramiska oxider blandade med hárda karbider och/eller nitrider och/eller borider och/eller bindemetall.

Kornstorlekén hos matrisen skall vara Nano-storlek föreningarna kan innehälla syre upp till 5 vikt-% och kan vara stökiometriska säväl som ickestökiometris- ka.

W U 20 25 30 502 052 4 Materialet kan vidare innehälla zirkoniumoxidpartiklar till 20 vikt %, vilka kan ge ökad hàllfasthet och brottseghet.

Uppfinningen har beskrivits med hänvisning till en oxidba- serad matris. Men samma fördelaktiga resultat kan även erhállas för en nitrid-baserad matris sàdan som Si3N4.

Skármaterialet enligt uppfinningen tillverkas genom vätmal- ning och blandning av matrispulver, nanostorlekpulver, whiskers och/eller plattor och konventionella sintringshjälpmedel. Efter torkning pressas blandningen till önskad geometrisk form och sintras till nära teoretisk densitet Efter sintring kan eventu- ell äterstáende porositet ytterligare minskas genom hetisosta- tisk pressning. Om det inte är möjligt att erhàlla sluten porositet vid trycklös sintring kan materialet trycksintras i ett lämpligt grafitverktyg eller efter inkapsling hetisosta- tiskt pressas till önskad densitet. Sintringsbetingelserna beror pá rämaterialet och väljs sä att materialet uppnär en densitet som överskrider 98%, företrädesvis 99.5% av teoretisk densitet.

Exempel 1 Aluminiumoxid, med en kornstorlek av 0.6 pm, blandades med 25 vikt-% kiselkarbidwhiskers med en diameter av 0,6 pm. Smä (0,2 um) partiklar av TiN och TaN tillsattes i en mängd av 5 volym-%. I ett experiment gjordes en ytterligare tillsats av zirkoniumoxid tillsammans med TaN-tillsatser. Alla material varmpressades vid l840°C vid 28 MPa i en timme. Smä provstavar skars ut frán den varmpressade skivan för att utvärdera böj- brotthällfastheten (TRS) i tre-punkts böjprov. Provstavarna po- lerades före provning.

Brottsegheten (Klc) utvärderades genom att en sä kallad in- trycksmetod. I sagda metod görs en fördjupning med hjälp av en pyramidformig diamantspets och brottsegheten beräknas frän storleken hos sprickorna frän hörnen av fördjupningen.

Hällfasthets- och brottseghetsvärden är angivna i tabell 1. 10 15 502 052 5 Tabell 1 'ms (MPa) Klc Mpaml/z 1. Al2O3 + 25 vikt% SiC-whiskers 850 6.8 2. Al2O3 + 25 vikt% SiC-whiskers 900 6.9 + 5 vol% TiN 3.Al2O3 + 25 vikt% SiC-whiskers 1100 7.1 + 5 vol% TaN 4. Al2O3 + 25 vikt% SiC-whiskers 1045 7.4 + 5 vol% TaN + 10 vikt% ZrO2 Av tabell 1 framgàr att redan smá tillsatser av partiklar av nanostorlek ger signifikant hàllfasthetsökning men brott- segheten pàverkas inte mycket. Ökad hàllfasthet innebar att risken för verktygshaveri pà grund av överbelastning av skáret minskas och följaktligen förbättras tillförlitligheten.

Claims (1)

10 502 052 6 Kšâï

1. Ett keramiskt skärmaterial omfattande en keramisk, fore- trädesvis aluminiumoxidbaserad, matris med 5-50, företrädesvis 10-40 volym-% homogent fördelade SiC-whiskers och 1-20, fore- trädesvis 3-8 volym-% partikeltillsatser med en storlek <500 nm baserade pá karbider och/eller nitrider och/eller borider av metaller frän grupp Vb(V,Nb,Ta) i det periodiska systemet eller fasta lösningar därav k á n n e t e c k n a t därav att sagda partikeltillsatser är väsentligen lokaliserade inuti matrisens korn och inte i korngränserna.