DE69412293T2 - Durch Siliciumcarbid und Partikel verstärktes keramisches Schneidwerkzeug - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft keramische Schneidwerkzeugmaterialien und speziell solche mit einer keramischen Matrix, in welcher monokristalline Whisker (Haarkristalle) von Siliciumcarbid und kleine (wesentlich geringer als 1 um) Teilchen von Carbiden, Nitriden und/oder Boriden von Metallen der Gruppe VB (V, Nb, Ta) gleichmäßig verteilt sind, was zu einer erhöhten Festigkeit und Zähigkeit ohne negative Beeinflussung der Verschleißbeständigkeit des Materials führt.
• Keramische Schneidwerkzeugmaterialien sind nun seit mehreren Jahrzehnten verfügbar, doch hatten sie bis vor Kurzem keine große gewerbliche Bedeutung für die Verwendung in spanabhebender Bearbeitung. Der Hauptgrund für das begrenzte Zunehmen keramischer Schneidwerkzeuge war ein plötzliches und unerwartetes Werkzeugversagen wegen ihrer inhärenten unzureichenden Festigkeit und Zähigkeit.
• In den jünstvergangenen Jahren wurden Eigenschaften keramischer Schneidwerkzeugmaterialien in vielerlei Hinsicht verbessert, und ihre Verwendung beim Schneiden von Gußeisen und hitzebeständiger Legierungen (z. B. Legierungen auf Nickelbasis) nahm relativ stark zu.
• Schneidwerkzeugmaterialien auf Aluminiumoxidbasis sind sehr empfindlich für thermische Rißbildung, da Aluminiumoxid als solches eine relativ schlechte Wärmeleitfähigkeit hat. Es führt zu sehr kurzen Werkzeugstandzeiten beim Bearbeiten von Stahl, besonders unter Bedingungen mit kurzen Arbeitszeiten und varuerender Schneidtiefe.
• In einem gewissen Umfang wurden thermische Eigenschaften durch feinteilige Zusätze von Titancarbid und/oder Titannitrid verbessert, welche die Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugmaterials verbessern. Der Zusatz von Titancarbidl-nitrid erhöht auch die Härte des Materials. Im Vergleich mit reinen Aluminiumoxidmaterialien bekommt man daher eine erhöhte Werkzeugstandzeit beim Schneiden härterer Werkstückmaterialien und bei Operationen, die Hitzeschockbeständigkeit verlangen. Diese Materialart hat jedoch ein zu geringes Zähigkeitsverhalten für eine allgemeinere Verwendung beim Schneiden von Stahl.
• Eine spätere Entwicklung betrifft das Zulegieren gleichmäßig dispergierter feinkörniger Zirkonoxidteilchen in einer Aluminiumoxidmatrix. Eine Umformung der "metastabilen" Zirkonoxidteilchen während der Verwendung erhöht sowohl die Festigkeit als auch die Zähigkeit und führt so zu einer besser vorhersagbaren Werkzeugstandzeit.
• Die thermischen Eigenschaften dieser Type von Materialien sind jedoch nur geringfügig besser als jene von reinen Aluminiumoxidmaterialien. Daher sind die Einleitung und das Wachstum thermisch induzierter Risse noch ein großes Problem bei praktischen Schneidoperationen, die hohe Schneidkantentemperaturen erzeugen, wie das Schneiden von Stahl.
• Es wurde jüngst gezeigt, daß das Legieren von SiC-Whiskern mit monokristallinen Haarkristallen in einer Matrix von Aluminiumoxid zu einer stark verbesserten Bruchzähigkeit und Festigkeit führt. Auf diesem Konzept basierende keramische Schneidwerkzeugmaterialien zeigten sehr gute Leistung beim Schneiden insbesondere hitzebeständiger Materialien.
• Es ist bekannt, daß feinteilige Zusätze verwendet werden können, um die Eigenschaften eines spröden Keramikmaterials zu verbessern, z. B. aus der US-Patentschrift Nr.4 320 203, die Zusätze von TiN und Ti(C,N) betrifft. In Abhängigkeit von der Natur der Zusätze können die wirksamen zähmachenden Mechanismen Rißablenkung, Mikrorißbildung, Umwandlungszähmachen oder Rißüberbrückung sein. Es ist charakteristisch für diese feinteiligen Zusätze, daß die Größe der Teilchen in der gleichen Größenordnung wie die des Matrixmaterials liegt, z. B. in der Größenordnung von 1 bis 5 um, und daß sie in den Korngrenzen des Matrixmaterials liegen. Nur im Falle von ZrO&sub2;-Zusätzen wird eine kleinere Korngröße als die der Matrix benötigt, um eine Umwandlung während der Herstellung des Materials zu unterdrücken. Die Zirkonoxidteilchen sind jedoch noch immer vorherrschend in den Korngrenzen des Aluminiumoxidmatrixmaterials angeordnet.
• Es ist auch charakteristisch für die mit Partikeln verstärkten Materialien, daß Eigenschaftsverbesserungen bis zu ziemlich hohen Teilchengehalten erreicht werden, normalerweise bis zu 15 bis 30 Vol.%.
• Es wurde jüngst gefunden, daß weitere Verbesserungen der Eigenschaften in den whiskerverstärkten Siliciumcarbid-Schneidwerkzeugmaterialien, besonders der Festigkeit, möglich sind, wenn kleine Zusätze von Teilchen mit Nanogröße zu den whiskerverstärkten Materialien zugegeben werden. In der US-Patentschrift Nr. 5 1 23 935 ist ein solches Material beschrieben, das Ti-Verbindungen von Nanogröße enthält. Es wird angenommen, daß die Funktion der kleinen Ti-Verbindungen die ist, die Aluminiumoxidmatrix zu verstärken und die Mikrostruktur zu verbessern.
• Die US-A-4 507 224 betrifft keramikhaltige Fasern von Siliciumcarbid. Sie beschreibt ein Keramikmaterial, das eine keramische Matrix, z. B. Aluminiumoxid, mit 5 bis 50 % SiC- Whiskern und 2 bis 20 % feinteiligen Zusätzen mit einer Größe so klein wie 200 nm, z. B. TiN, umfaßt.
• Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß weitere Verbesserungen möglich sind, wenn die zugesetzten Teilchen von Nanogröße einen viel kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Matrixmaterial, d. h. Aluminiumoxid, haben.
• Der Wärmeausdehnungs koeffizient für Aluminiumoxid ist 8,4 x 10&supmin;&sup6; K&supmin;¹ (300 bis 1300 K). Berichtete Werte für TiC (7,4 bis 8,6) sind etwas geringer als für Aluminiumoxid und berichtete Werte für TiN (8,0 bis 9,3) etwas höher.
• Wenn kleine Nano-Teilchen mit viel geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie TaN (5,0), TaC (4 bis 6,5) und TaB&sub2; (5,5) zugesetzt werden, bekommt man höhere Festigkeiten, was wohl durch eine wirksamere Kornverfeinerung verursacht wird. Dies könnte durch die leidlich großen inneren Spannungen verursacht werden, die in den Aluminiumoxidkörnern beim Kühlen von der Sintertemperatur aus erzeugt werden. Die inneren Spannungen selbst können auch eine festigende Wirkung infolge einer Wechselwirkung mit einem äußeren Spannungsfeld haben.
• Das keramische Schneidwerkzeugmaterial nach der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Matrix auf Oxidbasis, vorzugsweise Aluminiumoxidbasis, mit 5 bis 50, vorzugsweise 20 bis 40 Vol.% homogen dispergierten Whiskern auf der Basis von Silicumcarbid und 1 bis 20, vorzugsweise 3 bis 8 Vol.% teilchenförmiger Zusätze mit einer Größe < 200 nm auf der Basis von Carbiden, Nitriden und/oder Boriden von Metallen der Gruppe VB (V, Nb, Ta), vorzugsweise TaC, TaN, NbC oder Vc oder fester Lösungen hiervon. Diese Whisker sollen aus Monokristallen mit einem Durchmesser von 0,5 bis 10 um und einer Länge von 2,5 bis 100 um mit einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser von vorzugsweise 5 bis 10 bestehen. Die Whisker können wenigstens teilweise durch monokristalline Plättchen mit einem Durchmesser von 5 bis 20 mm und eine Dicke von 0,5 bis 4 um ersetzt werden. Diese Matrix soll im wesentlichen aus keramischen Oxiden, vorzugsweise Aluminiumoxid, oder keramischen Oxiden im Gemisch mit harten Carbiden und/oder Nitriden und/oder Boriden und/oder Bindemetall bestehen. Die Korngröße der Matrix soll < 10 um, vorzugsweise < 4 um betragen.
• Die Verbindungen von Nanogröße können bis zu 5 Gew.% Sauerstoff enthalten und sowohl stöchiometrisch als auch nichtstöchiometrisch sein.
• Das Material kann weiterhin Zirkonoxidteilchen bis zu 20 Gew. % enthalten, was die Festigkeit und Bruchzähigkeit weiter erhöhen kann.
• Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf eine Matrix auf Oxidbasis beschrieben. Die gleichen günstigen Ergebnisse kann man jedoch auch für eine Matrix auf Nitridbasis, wie Si&sub3;N&sub4; erhalten.
• Das Schneidmaterial nach der Erfindung wird durch nasses Zerkleinern und Mischen von Matrixpulver, Pulver von Nanogröße, Whiskern und/oder Plättchen mit herkömmlichen Sinterhilfsmitteln hergestellt. Nach dem Trocknen wird das Gemisch zu der erwünschten geometrischen Form gepreßt und auf nahezu theoretische Dichte gesintert, und nach dem Sintern kann die mögliche verbleibende Porosität weiter unter Verwendung von heißem isostatischem Pressen vermindert werden. Wenn es nicht möglich ist, eine geschlossene Porosität durch druckloses Sintern zu erhalten, kann das Material mit einem geeigneten Graphitwerkzeug unter Druck gesintert werden oder nach Einkapselung der erwünschten Dichte isostatisch gepreßt werden. Die Sinterbedingungen hängen von dem Rohmaterial ab und werden so ausgewählt, daß das Material eine Dichte erreicht, die 98 %, vorzugsweise 99,5 % der theoretischen Dichte übersteigt.
Beispiel 1
• Aluminiumoxid mit einer Korngröße vn 0,6 um wird mit 25 Gew.% (was 30 Vol.% entspricht) Siliciumcarbidwhiskern mit einem Durchmesser von 0,6 um vermischt. Kleine (< 0,2 um) Teilchen von TiN und TaN werden in einer Menge von 5 Vol.% zugegeben. In einem Experiment erfolgt eine weitere Zugabe von Zirkonoxid zusammen mit TaN-Zusätzen. Alle Materialien werden bei 1840 ºC und 28 mPa während 1 h heißgepreßt. Kleine Teststäbe werden von der heißgepreßten Scheibe abgeschnitten, um die Querbruchfestigkeit (TRS) in einem Dreipunktbiegetest zu bewerten. Die Teststäbe werden vor dem Testen poliert.
• Die Bruchzähigkeit (K1c) wird auch mit Hilfe einer sogenannten Tiefungsmethode bewertet. Bei dieser Methode wird mit Hilfe einer pyramidenförmigen Diamantspitze ein Eindruck erzeugt, und die Bruchzähigkeit wird aus der Größe der von den Ecken des Eindruckes erzeugten Rissen berechnet.
• Die Festigkeits- und Bruchzähigkeitswerte sind in der Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1
• Aus der Tabelle ist ersichtlich, daß bereits kleine Zusätze von Teilchen mit Nanogröße eine signifikante Festigung ergeben, aber die Bruchzähigkeit nicht sehr stark beeinflußt wird. Erhöhte Festigkeit bedeutet, daß die Gefahr von Werkzeugversagen infolge Überlastung des Einsatzes vermindert und folglich die Zuverlässigkeit verbessert wird.

Claims (1)

1. Keramisches Schneidwerkzeugmaterial mit einer Matrix auf keramischer Basis mit 5 bis 50 Vol.% homogen dispergierten SiC-Whiskern und 1 bis 20 Vol.% teilchenförmigen Zusätzen auf der Basis von Carbiden, Nitriden und/oder Boriden von Metallen der Gruppe VB (V, Nb, Ta) im Periodensystem oder fester Lösungen hiervon, dadurch gekennzeichnet, daß die teuchenförmigen Zusätze eine Größe < 200 nm haben und im Inneren der Matrixkörner und nicht in den Korngrenzen angeordnet sind.