SE504434C2 - Nitridbaserat keramiskt skär för spånformande maskinbearbetning - Google Patents

Description

l5 20 25 30 35 40 2 50D4et års fippenbart att inkorporeringen av hàrda partiklar av en kemiskt mer stabil förening förbättrar slitstyrkan betydligt men seghetsbeteendet maste i någon utsträckning offras.

Ytterligare förbättringar har gjorts genom att använda in- korporering av karbider, nitrider och borider av refraktära övergängselement t ex TiC i form av nàlformiga monokristaller, sa kallade whiskers, (EP-A-O 255 709). sar förbättrad brottseghet genom användning av whiskers men hallfastheten är inte mätt. Åtskilliga slag av keramiska whiskers (oxider, karbider, Denna patentansökan vi- nitrider och borider) är kända. Men för förstärkning av kera- miska skärande verktyg är SiC de enda disponibla kommersiella whiskers, som är mycket dyra och följaktligen är användningen av SiC-whiskerförstärkta keramiska verktyg begränsad till nägra fa tillämpningar där kostnad och prestanda kan konkurrera med andra existerande verktygsmaterial fastän materialet ur utfö- randesynpunkt kunde användas i en vidare skala.

Ingen kommersiell producent existerar för TiC- och TiN- whiskers fastän dessa whiskers har en stor potential för an- vändning i skärande verktyg. Dessa whiskers kan emellertid framställas med användning av CVD(Chemical Vapour Deposition)- metoder. Men för att producera rimliga kvantiteter är den före- dragna whiskerdiametern i omradet av àtskilliga (5-7) pm (US Pat 4,576,79l). kommer att negativt paverka hàllfastheten hos finkorniga kera- Det är uppenbart att sàdana stora diametrar miska kompositer för skärande verktyg.

Avsikten med denna uppfinning är att förse ett kiselnitrid- baserat material med förbättrat slitstyrka utan att de negativa effekter beträffande seghetsbeteende som observerats vid till- sats av partiklar erhálls, och samtidigt en förbättrad brott- seghet utan användning av kostsamma whiskers och dessutom en hög hàllfasthet beroende pà användning av höghällfasta poly- kristallina fibrer med liten diameter representerande en liten defektstorlek.

Den har, emellertid, nu överraskande befunnits att förutom den högre kombinationen av materialegenskaper diskuterade ovan, dvs ökning av slitstyrka och brottseghet, även betydelsefulla ökningar i hàllfasthet kan erhållas med användning av, företrä- desvis submikrona, polykristallina fibrer av TiN, TiC eller Ti(C,N) med liten diameter i en matris baserad pà kiselnitrid. 10 15 20 25 30 35 ' 3 Fibrer med hög kvalitet av TiC, TiN eller TiCN 5ÄJ4i Åfišáp kontrast till whiskers av samma föreningar, lätta att producera i stora volymer och till låg kostnad 9400613-7).

Det keramiska skärande verktygsmaterialet enligt förelig- (Svensk patentansökan gande uppfinning omfattar en kiselnitrid eller kisel-aluminium- helst 15-40 volym-% homogent fördelade mikrokristallina fibrer av TiCxNyOZ där 0 oxinitrid baserad matris med 5-50, företrädesvis 10-45, Längden av sagda mikrofibrer skall vara 2,0-100 um och dia- metern i området 0,15-5 pm, företrädesvis 0,3-3 um, känneteck- nat därav att längd/diameter-förhàllandet är 5-50, företrädes- vis 10-25.

Enligt uppfinningen är de whiskerlika fibrerna belagda med ett tunt skikt av ett annat refraktärt material med i sig välkända CVD- eller PVD-metoder för att optimera bindingen mellan fibrerna och matrisen.

En del av fibrerna, mindre än 30 %, kan ersättas av mono- kristallina whiskers och/eller partiklar av olika hårda karbi- der och/eller nitrider och/eller borider av titan, zirkonium, hafnium, niob, tantal och blandningar och fasta lösningar därav.

Matrismaterialet är väsentligen kiselnitrid eller alumi- nium-kisel-oxinitrid. Aluminium-kisel-oxinitrid eller Sialon existerar i tvà olika kristallina modifikationer nämligen alfa' och beta'.

Alfa' Mx(Si,Al)12(O,N)15 där M = Li, Ca, Y, Beta' är en hexagonal fas med den allmänna formeln 516-zAlzOzN8-z där O är en hexgonal fas med den allmänna formeln eller andra lantanider och där x < 2.

Närvaron av alfa'-fas ökar hårdheten utan att reducera brottsegheten i någon mätbar utsträckning.

Mängden av alfa'-Si-Al-O-N styrs av de relativa mängderna av olika råmaterial enligt det att en mindre mängd av alumini- umoxid och kiseldioxid och en högre mängd av aluminiumnitrid och yttriumoxid eller liknande ger en högre mängd av alfa'-sia- lon i strukturen. 10 15 20 25 30 35 40 504 434 Matrisen omfattar vidare en glasformig och/eller kristallin 4 fas bildad av kiseldioxid som alltid är närvarande pà kiselnit- ridkornen och ett eller flera sintringshjälpmedel. Föredraget sintringshjälpmedel är aluminiumoxid, kiseldioxid, yttriumoxid, magnesiumoxid och zirkoniumoxid och blandningar därav.

Användningen av yttriumoxid som ett sintringshjälpmedel le- der till en intergranulär fas vilken i stor utsträckning är glasformig men kan omfatta andra faser dvs YAG (en kubisk fas med formeln Y3Al5O12), Y-N-alfa-wollastonit (en monoklin fas med formeln YSiO2N), YAM (monoklin med formeln Y4Al2O9) och N- YAM (monoklin fas med formeln Y4Si2O7N2). Sintringshjälpmedlet omfattar l-20 vikt-% av matrisen, företrädesvis l-8 vikt-% av kiselnitridmatrisen.

I exemplen är yttriumoxid använt som ett sintringshjälpme- del men liknande resultat kan uppnàs med en eller flera oxider frán gruppen strontium, cerium, lantan och resten av elementen fran lantanidgruppen.

Skärmaterialet enligt uppfinningen tillverkas genom vàtmal- ning av en nitridbaserad pulverblandning och sintringshjälpme- del följd av vàtblandning med de mikrokristallina fibrerna. Ef- ter torkning pressas blandningen till önskad geometrisk form och sintras till mer än 99 % av teoretisk densitet. Beroende pà sammansättningen och sintringsförmàgan kan trycklös sintring, (inkapslad)HIP-sintring och varmpressning användas för att kon- solidera materialet. Sintringsförmàgan minskar med ökande mängd av mikrokristallina fibrer och med minskande mängd av flytande fas under sintring.

Användningen av TiCXNyOz-fiberförstärkt kiselnitridbaserad matris medför en betydelsefull ökning av slitstyrkan samtidigt som bade brottseghet och brotthàllfasthet ökas vilket inte har varit möjligt att erhàlla med tidigare partikel- och whisker- förstärkta verktyg.

Exempel l TiNOg,2 fibrer erhölls genom att upphetta en blandning av kolpulver och titanoxid-whiskers i en atmosfär av kväve vid en temperatur av omkring 1300 °C i 4 timmar. De därvid erhållna fibrerna hade diametrar av 0,4-1,5 pm och längder av 5-15 pm.

TiN-whiskers tillverkades i en CVD-reaktor vid beläggning av nickelsvamp fràn en gasformig blandning av TiCl4, N2 och H2 10 15 20 25 30 35 5 434 vid en temperatur av omkring 1200 °C. Whiskerkristallerna av- lägsnades med ultraljudbehandling och mekanisk borstning i ett acetonbad. Huvuddelen av kristallerna hade en diameter av om- kring S um och en längd av 20-100 pm.

Ett kiselnitridbaserat material tillverkat frán ett ut- gàngspulver bestående av 6,5 vikt-% av yttriumoxidpulver, 1,8 vikt-% aluminiumoxidpulver och àterstoden kiselnitridpulver (syreinneháll 1,3 vikt-%) maldes med Sialon-cylpebs för att blanda komponenterna.

Utgángspulvret blandades med de ovannämnda TiNO-fibrerna och TiN-whiskers. Fibrerna och whiskers vátblandades med kisel- nitridbasmaterial.

Pulversatserna torkades och varmpressades sedan vid 1700- 1750 °C vid ett tryck av 27 MPa.

En sammansättning utan tillsatser tillverkades ocksa för jämförelse.

Tabell 1 Sammansättning TiN-fiberhalt, TiN-whiskerhalt, volym-% volym-% 0 0 . 0 20 3. 20 0 Exemgel 2 Skär SNGN 120408 tillverkades fràn sammansättning l, 2 och 3 enligt tabell 1.

Materialen provades i en longitudinell stàlsvarvningsopera- tion i stal SS 2541-03 och flank- och kraterförslitning regist- rerades.

Följande skärdata användes: 100 m/min 0,36 mm/varv Hastighet: Matning: Skärdjup: 2,0 mm 10 15 20 25 30 35 504 434 Tabell 2 Verktygsförslitning efter 5 min i ingrepp Sammansättning Kraterförslitning, Flankförslitning, ,um mm 1 90 0,80 2 14 0,17 3 12 0,16 Bada TiN-whiskers och TiN-fibrer är mycket effektiva i att reducera förslitningen av kiselnitridkompositer.

Exempel 3 För att mäta hallfastheten kapades skären och polerades slutligen till tunna plattor 2x12xl2 mm och provades i en biaxiell böjprovsrigg.

Följande värden erhölls Sammansättning Hällfasthet (MPa) Standardavvikelse 1 914 i 85 2 757 3 68 3 927 3 91 Införandet av fibrer med liten diameter motsvarande diame- tern av de förlängda whiskerlika kiselnitridkornen i matrisen är inte skadlig för hàllfastheten medan 5 pm whiskers klart uppträder som fel som minskar hàllfastheten.

En hög hállfasthet är kritisk för prestanda i manga skäran- de tillämpningar eftersom lastbärarkapaciteten hos skäret ökar och tillförlitligheten förbättras.

Teoretiskt skulle en whiskers med liten diameter ge liknan- de värden pa hàllfastheten som en fiber med liten diameter men med användning av CVD-metoder är kostnaden ytterst hög för whiskers med liten diameter beroende pà det laga utbytet. TiN- fibrer enligt uppfinningen framställs med användning av kommer- siella billiga råmaterial och följaktligen fràn kostnadssyn- punkt är fiberförstärkta material överlägsna.

Claims (5)

1. 504 434 Krav l. Nitridbaserat keramiskt skär för spånformande maskin- bearbetning med gynnsamt prestanda/kostnadsförhållande varvid skäret förutom den nitrid-baserade matrisen omfattar 5-50 volym-%, företrädesvis 10-40 volym-%, av homogent fördelade, whiskerliknande polykristallina fibrer av TiCxNyOZ där Oíxíl, Oíyíl och OízíO.2, varvid längderna av sagda fibrer är 2-100 pm, diametrarna i området av 0,15-5 pm samt längd/diameter- förhållandet 5-50, k ä n n e t e c k n a t av, att fibrerna är belagda med ett tunt skikt av ett annat refraktärt material medelst CVD- eller PVD-teknik.

2. Skär enligt krav l, k ä n n e t e c k n a t av, att sagda matris väsentligen är kiselnitrid eller Sialon.

3. Skär enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a t av, att mindre än 30 % av de whisker- liknande fibrerna är ersätta av monokristallina whiskers och/eller partiklar av hårda karbider och/eller nitrider och/eller borider av titan, zirkonium, hafnium, niob, tantal och blandningar och fasta lösningar därav.

4. Skär enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t av, att 0ízí0.l

5.