SE510809C2 - Whiskerförstärkt keramiskt skärverktygsmatierial - Google Patents

Description

lO 15 20 f\) (J 'I 30 40 510 809 z oxid. En övergång av de tetragonala 'metastabila' zirkoniumoxid- partiklarna till en stabil monoklin fas med en samtidig ökning av volymen av ZrO2-partiklarna under användning ökar båda styrka och seghet och medför så en mera förutsägbar livslängd.

De termiska egenskaperna hos sagda typ av material är, emel- lertid, endast något bättre än dem för ren aluminiumoxid. Därför, är initiering och tillväxt av termiskt inducerade sprickor fortfa- rande ett stort problem i praktiska skäroperationer som förorsakar höga skäreggstemperaturer såsom bearbetning av stål.

Det har visats att förstärkning med SiC-whiskers av en matris av aluminiumoxid medför en i hög grad förbättrad brottseghet och hållfasthet. Keramiska skärverktygsmaterial baserade på sagda kon- cept har visat mycket goda prestanda i bearbetning av varmhåll- fasta material särskilt men vid bearbetning av stål har de visat överraskande korta livslängder på grund av preferentiellt kemiskt angrepp på SiC-whiskers. Detta medför en försvagning av ytzonen med åtföljande hög förslitning och risker för sprickinitiering.

I US 4,867,761 förstärks oxidbaserade keramiska skärverktygs- material med whiskers av karbider, nitrider och borider av Ti el- ler Zr eller fasta lösningar därav, med en låg löslighet i stål resulterande i ett skärverktygsmaterial med samtidigt en bättre och mer förutsägbar seghet, såväl som förbättrad hållfasthet och motstånd mot termiska chocker utan försämring av slitstyrkan i nå- gon avsevärd grad speciellt vid bearbetning av stål. Detta var inte möjligt med tidigare kända materialsammansättningar.

Ytterligare förbättringar speciellt med avseende på motstånd och US 5,23l,O60, som beskriver oxidbaserade keramiska skärverktygsmate- mot termisk chock och brottseghet gjordes i US 5,l4l,901, rial förstärkta med whiskers med en linjär termisk längdutvidg- ningskoefficient som är lägre än den för Al2O3, företrädesvis av den för Al2O3 mätt vid 300-l3OOK. De föredragna whiskers är karbider, högst 85 % nitrider och borider av Ta, karbider av Nb, Hf och V och nitrider av Hf.

Svenska patentansökan 9601335-4 beskriver ett sätt att produ- cera whiskers i stora volymer och till låg kostnad att användas som förstärkningsmaterial. Whiskerna består av fasta lösningar mellan två eller flera övergångsmetallkarbider, nitrider och kar- bonitrider med företrädesvis submikrona diametrar.

Egenskaperna hos ett whiskerförstärkt skärverktygsmaterial ba- serat på aluminiumoxid beror i stor utsträckning på egenskaperna 10 20 3 510 809 hos själva whiskerna och även på skillnaden i termoelastiska egen- skaper mellan whiskers och matrismaterial. Det är känt att slit- styrka vid bearbetning i stål i först hand beror på lösligheten för whiskermaterialet i stål eftersom aluminiumoxid är praktiskt taget olöslig, B.M. Kramer, An Analytical Approach To Tool Wear Prediction, Ph. D. Thesis, Massachusetts Institute of Technology, May 1979. Experimentellt har det visat sig att gropförslitnings- hastigheterna för olika karbidbeläggningar vid bearbetning av stål kan någorlunda förutsägas från löslighetsdata. Experimentellt har följande relativa gropförslitningshastigheter bestämts.

TABELL l Relativa gropförslitningshastigheter vid bearbetning av stål Karbid Förslitnings- hastighet HfC 1 TiC 2,6 ZrC 5,7 TaC lO,4 NbC 16,7 De termiska chock- och brottseghetsegenskaperna for kompositen beror à andra sidan på den termiska utvidgningskoefficienten för whiskermaterialet. De motsvarande termiska utvidgningskoefficien- terna vol 5 and 6,l967 ed. Y.S. Tolkian) (Thermal Physical Properties of High Temperature Materials, ges i Tabell 2.

TABELL 2 Termisk utvidgningskoefficient (300-l3OO0C) Karbid Termisk utvidgningskoefficient, 10-6.K-1 HfC 6,5 TiC 7,5 ZrC 7,0 TaC 4-6,5 NbC 5-7 Vid jämförelse av Tabell l och 2 är det uppenbart att whiskers med den högsta potentialen för en termisk chockresistent komposit t ex TaC har en betydligt lägre slitstyrka än TiC, vilken à andra sidan kan ge en komposit benägen för termisk sprickbildning under tunga termiska laster. lO l5 20 25 30 u.) U l 40 510 809 4 Aluminiumoxidbaserade kompositer tillverkade från karbid-, nitrid- och borid-whiskers av övergångsmetaller såsom Ti, Ta, Nb, Zr och Hf enligt känd teknik har följaktligen ett ganska smalt ap- plikationsintervall eftersom kompositens egenskaper huvudsakligen beror på egenskapen hos själva whiskern, som ges av övergångsme- tallen i fråga. Detta innebar att för många tillämpningar kan de optimala egenskaperna inte uppnås med användning av någon av de förutnämnda whiskers.

Det är ett ändamål med föreliggande uppfinning att åstadkomma ett bättre whiskerförstärkt keramiskt skärverktygsmaterial för ma- skinbearbetning stål- och aerospacelegeringar, speciellt under be- tingelser som kräver motstånd mot termisk chock d v s. korta bear- betningstider och med skärvätska.

Det keramiska verktygsmaterialet enligt föreliggande uppfin- företrädesvis aluminiumoxidbaserad helst 20-35, mogent fördelade whiskers baserade på en fast lösning med en all- ning omfattar en oxidbaserad, matris med 5-50, företrädesvis 10-40, volyms% av ho- män sammansättning av (TaXHfyTi1_x_y)C där 0 och x+y>O,25. I en föredragen utföringsform är y=O och x företrä- desvis >O.4. I en annan föredragen är utföringsform y>0.05, före- trädesvis y>O.l, helst >0.25 och x företrädesvis >O.l5. Förutom kol och kväve innehåller whiskerna något restsyre från syntesen.

Mängden ökar med ökande mängd av Ti och kan vara upp till någon viktprocent. Det är möjligt att designa egenskaperna så att en önskad termisk utvidgningskoefficient eller en önskad kemisk egen- skap hos whiskern kan erhållas och följaktligen kan kompositens egenskaper formas i enlighet därmed för att möta specifika krav på bearbetningsegenskaper.

Whiskermaterialet består av monokristaller med en diameter av 0.2-5, företrädesvis 0,2-l,O um och en längd av 2.5-lOO um, företrädesvis 2,5-40 um, och ett längd/diameterförhållande som är företrädesvis 5-10. Kornstorleken hos oxidmatrisen skall vara um företrädesvis <4 um. Oxidmatrisen är väsentligen keramisk oxid eller keramisk oxid blandad med hårda karbider och/eller nitrider och/eller borider av mikron- eller submikron (nano-) storlek och/eller bindemetall och lämpliga sintringstillsatser.

Företrädesvis innehåller den keramiska matrisen Verktygsmaterialet tillverkas med våt-malning och blandning av oxidbaserat pulver, eventuella sintringstillsatser och whisker- kristaller. Efter torkning, pressas blandningen till önskad geome- 10 |._| (n 20 25 30 35 5 510 809 trisk form och sintras med eller utan tryck till nära teoretisk är de densitet. (Gas Tryck Sintring) Trycklös sintring eller GPS föredragna konsolideringsmetoderna men hög whiskerhalt kan nödvän- diggöra varmpressning i ett grafitverktyg eller varmisostatisk pressning efter kapsling. Sintringsmetoden är beroende på mängden av whiskers, whiskersammansättningen och även mängden av sintringstillsatser och väljs så att materialet når en densitet överskridande 99% av den teoretiska densiteten.

Användning av whiskerförstärkning i en aluminiumoxidbaserad matris medför en betydelsefull ökning av brottsegheten. Mekanismen som förorsakar sagda ökning kan vara lastöverföring mellan whisker och matris, sprickavlänkning och whisker pull-out. Sagda mekanis- mer utnyttjar och beror på sprickfortplantning längs en tillräck- ligt svag gränsyta mellan whisker och matris. Bindingskraften mel- lan whisker och matris blir därför en viktig parameter som kan på- verkas med beläggning av whiskermäterialet med tunna skikt av till exempel BN eller grafit för att ytterligare förbättra brotthåll- fastheten. I det aktuella fallet erhålls också ett bidrag från inre spänning som uppstår vid användning av whiskers med lägre termisk utvidgningskoefficient än den hos matrisen.

XEMPEL 1 30 volyms% av whiskermäterialet enligt Tabell 3 våtblandades FJ med 70 volyms% av högren Al2O3 (sort APA-0,5 från Ceralox) med 0,2 (sort Marinco OLMN 3221 från Merck&Co). varmpressades blandningen till kroppar vid 1650 OC, 99% vikts% MgO Efter torkning, 30 MPa till av den teoretiska densiteten.

(Ta,Ti)C whiskermäterialet, tillverkat enligt svensk patentan- sökan 9601335-4 hade en sammansättning av (Ta0,58Ti0,42)C enligt EDS-analys (Ta,Hf,Ti)C whiskermäterialet tillverkat enligt svensk paten- tansökan 9601335-4 hade en sammansättning av (Taorgl HfO,39 f" Tig,40)~ enligt EDS-analys.

KIC mättes med hjälp av 'Indentation Fracture Toughness' meto- den. I sagda metod görs ett intryck med hjälp av en pyramiddia- manttopp och KIC beräknas från storleken av sprickan som utgår från hörnen av intrycket.

Vid mätningen användes en referens av ren Al2O3.

KIC-värden för de olika materialen ges i Tabell 3.

U'| | x (_11 510 809 e TABELL 3 # Material KIC 1, känd teknik Al203-TiC whiskers 4,5 2, känd teknik Al203-TaC whiskers 5,0 3, uppfinningen Al203-(Ta,Ti)C whiskers 4,9 4, uppfinningen Al203-(Ta,Hf,Ti)C whiskers 4,7 5, känd teknik Al203-SiC whiskers 5,0 6, känd teknik Al203 3,6 En intrycks-släckningsmetod användes for att fastställa mot- ståndet mot termisk chock. Skären som skulle provas forspräcktes med Vickersintryck for att få sprickor av väl definierad storlek och läge. Skäret värmdes sedan till olika temperaturer varierande från 300 till 900 OC (med 25 OC intervall) därefter i kokande vatten. i en ugn och släcktes Den kritiska temperaturskillnaden ATC definierades som den lägsta temperaturskillnaden (Tugn - 100 OC) där följande två betingelser var samtidigt uppfyllda: a) medelforlängningen av sprickan var mer än 10% av dess ur- sprungliga längd b) mer än 25 % av sprickan hade propagerat ATC-värden for materialet ges i Tabell 4.

TABELL 4 # Material ATC 1 känd teknik Al203-TiC whiskers 175 2 känd teknik Al203-TaC whiskers 600 3 uppfinningen Al203-(Ta,Ti)C whiskers 450 4 uppfinningen Al203-(Ta,Hf,Ti)C whiskers 500 5 känd teknik Al2O3-SiC whiskers 625 6 känd teknik Al203 150 Av Tabell 4 är det tydligt att genom forstärkning av matrisen med whiskers med en làg termisk utvidgningskoefficient är det moj- ligt att erhålla en stor ökning i motstånd mot termisk chock.

I Tabell 5 listas verktygets forslitning efter 10 minuter ef- ter en kontinuerlig svarvningsoperation i stål SS 2511 (liknande AISI 5115). Skärdata var vc= 550 m/min, f= 0,36 mm/varv och aD= 2,0 mm.

TABELL 5 10 15 20 v 510 809 # Material VB, mm l, känd teknik Al203-TiC whiskers 0,15 2, känd teknik Al203-TaC whiskers 0,25 3, uppfinningen Al203-(Ti,Ta)C whiskers 0,18 4, uppfinningen Al203-(Ta,Hf,Ti)C whiskers 0,16 5, känd teknik Al203-SiC whiskers * 6, känd teknik Al203 0,14 * snabbt eggbrott beroende på avsevärd forslitning Motståndet mot termisk chock provades ytterligare i en diskon- tinuerlig planingsoperation av stål SS 2511 med skärvätska. Pla- ningen var diskontinuerlig så att nio ingångar och utgångar er- holls under en planing för att variera skäreggens temperatur.

Skärdata var vc= 550 m/min, f= 0,36 mm/varv och ap= 2,0 mm.

I tabell 6 ges livslängder efter bearbetning TABELL 6 Livslängd efter en planing operation med skärvätska (genomsnitt efter tre planingar) # Material Livslängd, (Antal planingar) l, känd teknik Al203-TiC whiskers 2 , känd teknik Al2O3-TaC whiskers >l0 , uppfinningen Al203-(Ti,Ta)C whiskers >l0 uppfinningen A1203-(Ta,Hf,Ti)C whiskers >10 känd teknik känd teknik Al203-SiC whiskers >lO(gropforslitning) Al2O3 <1 ONUWßLUN) \~\ Resultatet visar att en överlägsen kombination av brottseghet, termochockmotstånd och slitstyrka kan erhållas med den speciella typen av whiskermaterial enligt uppfinningen.

Användning av whiskers av fasta lösningar tillåter utformning av verktygskompositen for optimala prestanda for specifika til- lämpningar. Vid bearbetning av stål med skärvatska, som är den do- minerande applikationen uppnås den bästa slitstyrkan med ren alu- miniumoxid eller aluminiumoxid-TiC-whisker förstärkta verktyg.

Livslängden bestäms emellertid för dessa material av termisk sprickbildning som gor kommersiella tillämpningar omojliga.

Aluminiumoxid-tantalkarbid whisker å andra sidan har ett till- räckligt motstånd mot termisk chock men forslitningshastigheterna är tämligen höga vilket leder till onödigt korta livslängder.

(Il 510 809 s Aluminiumoxid förstärkt med (Ta,Hf,Ti)C-whisker kan utformas for att erhålla tillräckligt motstånd mot termisk chock utan att offra slitstyrka i någon stor utsträckning genom att reglera de relativa mängderna av Ta, Hf och Ti till det nödvändiga ATC-vär- det.

Claims (9)

510 809 m ”7

1. l. Oxidbaserat keramiskt skär för spànformande bearbetning av stål, omfattande en keramisk oxidbaserad matris av aluminium- oxid och mindre än 10 volyms% zirkoniumdioxid och 5-40 volyms%, av homogent fördelade whiskers k ä n n e t e c k n a t av att sagda whiskers består av (TaxHfyTi1_x_y)C där O 0gy0.25.

2. Skär enligt krav l, k ä n n e t e c k n a av att y=0.

3. Skär enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a av att x>0.4.

4. Skär enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a av att t e c k n m: 33 13

5. Skär enligt krav l, k SD av att y>0.l.

6. Skär enligt krav 1, k ä n n e t e c k n y>o.25. SD aV aflt

7. Skär enligt nàgot av kraven 4 till 6, k ä n n e t e c k n a t av att x>O.l5.

8. Skär enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att den oxidbaserade matrisen innehàl- ler 10-40 volyms% av sagda whiskers.

9. Skär enligt nàgot av kraven 1 till 7 k ä n n e t e c k n a t av att den oxidbaserade matrisen innehäl- ler 20-35 volyms% av sagda whiskers.