SE513938C2 - Skärverktygsmaterial av kiselnitrid - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 längd/diameterförhållande större än 2.5, en andra glasfas innehållande ii) förtätningshjälpmedel, iii) omvandlingshjälpmedel, iv) ett hjälpmedel som förbättrar tillväxten av beta-kiselnitridwhiskers och v) kiselsyra. US 5,120,328 beskriver ett sätt att tillverka tät in-situ- förstärkt kiselnitrid medelst trycklös sintring eller gastryckssintring vid lågt övertryck. Kiselnitridkroppen 2-10 av en andra kristallin fas av omfattar åtminstone 20 vol% beta-kiselnitrid whiskers, 0.5-5 vikt% zirkoniumoxid och valfritt 0.1-3 vikt% av en kristallin fas av vikt% av en glasfas, en metallzirkoniumsilicid och/eller metallzirkoniumkiselnitrid.

I US 5,ll8,645 beskrivs en process att bereda en kiselnitridkropp från en pulverblandning av kiselnitrid och hjälpmedel för erhållande av förbättrad densifiering, omvandling och whiskertillväxt samt förbättrad Palmqvist- seghet. US 5,091,347 beskriver en process för att bereda kiselnitrid och ii) ett kiselnitrid från en blandning av i) kiseldioxid som densifieringshjälpmedel, iii) omvandlinghjälpmedel iv) ett whiskertillväxtförbättrande hjälpmedel vid sintringstemperaturer över 1750 OC och tryck av åtminstone 20.7 MPa.

I US 4,497,228 beskrivs en abrasionsresistent kiselnitrid.

Detta åstadkommes genom att tillsätta upp till 60 vol % hårda partiklar av refraktära metall-karbider och -nitrider eller kombinationer därav. Ändamålet med denna uppfinning är att visa att med användning av en relativt liten mängd av sintringshjälpmedel och genom in-situ bildning av sekundära kristallina faser av karbid, mängden av intergranulär glasfas i slutprodukten och ökar nitrid, karbonitrider eller silicider som sänker slitstyrkan, kan ett material med god brottseghet, gott termochockmotstånd och slitstyrka tillverkas. 10 15 20 25 30 35 Fig 1 visar egt:šraåëššêsionelektronmikroskopi(TEM)- mikrofoto i 10 OOOX förstoring av mikrostrukturen hos ett kiselnitridmaterial enligt uppfinningen. De grå sfäriska och avlånga kornen är beta-Si3N4 och de svarta sfäriska kornen är NbSi2.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Föreliggande uppfinning avser ett kiselnitridbaserat skär för spånformande maskinbearbetning av gjutjärnsmaterial med förbättrade mekaniska, kemiska och förslitningsegenskaper.

Detta uppnås genom tillsats av en eller flera övergångs- metalloxider från grupp IVa, Va och VIa vilka verkar som sintringshjälpmedel tillsammans med aluminiumoxid och yttriumoxid och även främjar tillväxten av förlängda korn av betakiselnitrid. Övergàngsmetallen bildar även små partiklar av en sekundär kristallin fas av övergångsmetall-nitrid, -karbid, -karbonitrid eller -silicid under sintringen.

Det keramiska skärverktygsmaterialet enligt föreliggande uppfinning omfattar en beta-kiselnitridmatris med total mängd av 0.5-10 vikt-%, helst 0.5-4 vikt%, av en intergranulär fas och 0.05-3 vikt-%, företrädesvis 0.3-2 företrädesvis 0.5-6 vikt%, vikt% av en sekundär in situ formad kristallin fas av en övergàngsmetall-karbid,-nitrid,-karbonitrid och/eller -silicid, företrädesvis en karbonitrid och/eller silicid, som sfäriska partiklar med en storlek av 0.1-2 um, företrädesvis submikrona (0.0l-1 um). Övergàngsmetallen är niob och/eller tantal.

Materialet har mindre än 1 företrädesvis mindre än 0.3 vol-% porositet. Betakiselnitridkornen är till åtminstone 10%, företrädesvis mer än 20%, avlånga med ett längd/diameter- förhållande större än 3, företrädesvis större än 5.

Korndiametern för betakiselnitridkornen är i området 0.2-10 um, företrädesvis 0.2-5 um, och helst 0.2-3 um. 10 15 20 25 30 35 515 958 4 Materialet enligt uppfinningen tillverkas genom pulverprocesser följt av sintring. En kiselnitridslurry tillverkas genom våtdispersion av kiselnitriden tillsammans med lämpliga mängder av tillsatser i vatten eller ett organiskt lösningsmedel. Tillsatserna för den intergranulära fasen är yttrium-oxid: 0.2-3 vikt-%, helst 0.5-2 vikt % 0.1-3 vikt%, helst 0.2-2 vikt % samt aluminium- oxid: och nioboxid eller tantaloxid eller blandningar därav i en mängd av 0.2-3 vikt%, helst 0.5-2 vikt%. I några fall tillsätts även SiO2 i en mängd mindre än 1 vikt%, företrädesvis 0.1 - 0.7 vikt%. Den totala mängden av tillsatta oxider skall emellertid företrädesvis vara mindre än 6 vikt% och helst mindre än 4 vikt% men den skall Den vara mer än 0.5 vikt%, företrädesvis mer än 1 vikt%. tillsatta aluminiumoxiden skall företrädesvis föreligga i den intergranulära fasen och inte bilda en fast lösning med kiselnitriden. Den kan även vara möjligt att använda andra övergångsmetallföreningar som in situ kommer att bilda små karbonitrider eller sfäriska partiklar av nitrider, karbider, silicider som också ökar slitstyrkan. Lämpliga dispergeringshjälpmedel tillsätts möjligen tillsammans med lämpliga presshjälpmedel (organiska tillsatser). Slurryn torkas sedan och granuleras.

Den granulerade pulvret formas sedan till en kropp med en form och en storlek som efter sintring resulterar i önskad form och storlek genom användning av antingen enaxlig pressning eller isostatisk pressning. Den relativt låga mängden av intergranulär fas gör det nödvändigt att använda en tryckassisterad sintringsteknik såsom varm-pressning (HP), gas- (GPS) (HIP). Mängden av bildad intergranulär glasfas skall emellertid trycks-sintring eller varm-isostatisk-trycksintring vara tillräckligt hög så att materialet når väsentligen full 10 15 20 25 30 513 938 5 densitet under den valda sintringsprocessen. Detta gäller särskilt GPS sintringsprocessen. När varm-pressningsteknik (enaxlig trycksintring) används behövs inga presshjälpmedel och det granulerade pulvret fylls i varmpressens grafitdyna och I fallet GPS och HIP-teknik, vanligen presshjälpmedel och de avlägsnas vid en varmpressas sedan. används värmebehandling vid en temperatur i området av 400-800°C och i en lämplig atmosfär, företrädesvis väte eller vakuum.

Sintrings-temperatur och -tryck beror på vilken sintringsteknik som används. Vid varmpressning behövs en sintringstemperatur mellan 1600-2000 OC och sintringstrycket är i området 20-50 MPa. Vid HIP-sintring behövs en sintringstemperatur mellan 1500-l800°C och gastrycket är i området 50-200 MPa. Vid GPS- sintring behövs normalt en sintringstemperatur mellan 1600- 2000°C och gastrycket är i området 5-20 MPa, företrädesvis 8-12 MPa.

Under sintringen av materialet kärnbildas en kristallin fas eller faser av övergångsmetall-karbid, -nitrid, -karbo- nitrid eller -silicid från den intergranulära fasen och är sålunda bildade in-situ. Karbiden kan bildas beroende på existensen av kolmonoxid i ugnsatmosfären härstammande från grafitdelar och restsyre eller oxider i ugnen. Det är också möjligt att använda gasblandningar av kväve och kolmonoxid. De kristallina faserna reducerar mängden av den intergranulära glasfasen och bildandet av en relativt liten mängd av en in situ bildad kristallin övergångsmetallförening av denna typ har nu överraskande befunnits öka slitstyrkan hos slutmaterialet.

För vissa kombinationer av tillsatser och sintringstemperaturer kan även kristallina kiselbaserade oxider eller oxynitrider såsom Si2N2O eller Y2SiO7 bildas. Genom att ändra sintringsatmosfär, temperatur och mängd och startsammansättning av den intergranulära fasen kan typen av in situ formad sekundär övergàngsmetallfas påverkas. Det är möjligt för den skicklige fackmannen att med användning av andra råmaterial och 10 15 20 25 30 35 13 938 6 utrustningar, med hänsyn till termodynamiken bestämma villkoren genom experiment.

Den sintrade kroppen slipas till ett skär med önskad form och storlek. Kroppen kan antingen slipas på alla ytor (topp, botten, släppningsyta) eller på endast en, två eller tre av ytorna. De oslipade ytorna kommer sålunda att användas som sintrade råytor. Det fullständigt slipade eller delvis slipade eller oslipade skäret är antingen henat eller försett med en fas. Slutligen kan skäret förses med ett slitstarkt skikt med användning av antingen CVD-teknik (omfattande MT-CVD) eller PVD-teknik såsom är känt i tekniken. Skikttjockleken skall vara i intervallet 1 - 20 um, företrädesvis l - 10 um och helst 2 - 7 um. Företrädesvis skall skiktet bestå av ett 1 till 7 um, företrädesvis 1 till 5 um tjockt Al2O3 skikt och ett mindre än 4 um, företrädesvis 2 um tjockt TiN skikt. När det refraktära skiktet har applicerats eggbehandlas skäret för att reducera beläggningstjockleken vid eggen och för att få en slätare beläggningsyta.

EXEMPEL l Kiselnitrid (98 vikt%, UBE SN-E10) och l vikt% yttriumoxid (H.C. Starck, min. 99.8 vikt-% renhet) och 0.5 vikt% aluminiumoxid (Sumitomo, AKP30) tillsattes tillsammans med 0.5 vikt % nioboxid (H.C. Starck kemiskt ren sort, min. 99.8 Vikts- %), och maldes i 36 timmar i vatten med kiselnitridmalkroppar som ett malningsmedium och tillsammans med lämpliga dispergeringshjälpmedel och presshjälpmedel. Efter malningen granulerades dispersionen. Den granulerade pulvret pressades sedan enaxligt till grönkroppar av önskad geometri.

För att avlägsna det organiska bindemedlet värmdes grönkropparna i väte vid 600°C i 4 timmar. De försintrade kropparna sintrades sedan i en GPS-ugn med en sintringstemperatur av 1850°C under ett kvävetryck av 20 bar i en timme under vilken materialet nådde sluten porositet.

Trycket höjdes då till 100 bar och upprätthölls i en timme. 10 15 20 25 30 35 7 Mikrostrukturen av den šântrade materialet framgår av fig. 1.

Skären slipade sedan till SNGN 120412 T02520 geometrin och provades i en intermittent skäroperation i grått gjutjärn med gjuthud (600 m/min, 0.25 mm/varv, skärdjup 2 mm).

Fasförslitning efter 24 min är sammantälld i tabell l tillsammans med materialets hårdhet.

EXEMPEL 2 Enligt den ovan beskrivna proceduren behandlades Si3N4 (97.65 vikt-%, UBE SN-E10), YZO3 (l vikt-%), Al2O3 (0.5 vikt-%) och Ta2O5 (O.85 vikt%) och sintrades vid temperaturen l850°C under ett kvävetryck av 20 bar i en timme under vilken materialet nådde sluten porositet varefter kvävetrycket höjdes till 100 bar i ytterligare en timme för den slutliga förtätningen. Skären slipades till SNGN 120412 T02520 geometri och provades i en intermittent skäroperation i grått gjutjärn med gjuthud (600 m/min, 0.25 mm/varv, skärdjup 2 mm).

Fasförslitning efter 24 min är sammanställd i tabell 1 tillsammans med materialets hårdhet.

EXEMPEL 3 Enligt den ovan beskrivna proceduren behandlades Si3N4 (97 vikt-%, UBE SN-E10), Y2O3 (1 vikt-%), Al2O3 (0.5 vikt-%) och Nb2O5 (1.5 vikt%) ett kvävetryck av 20 bar i en timme under vilken materialet och sintrades vid temperaturen l8500C under nådde sluten porositet varefter kvävetrycket höjdes till 100 bar i ytterligare timme för slutlig förtätning. Skären slipades till SNGN 120412 T02520 geometri och provades i en intermittent skäroperation i grått gjutjärn med gjuthud (600 m/min, 0.25 Fasförslitning efter 24 min är mm/varv, skärdjup 2 mm). sammanställd i tabell 1 tillsammans med materialets hårdhet.

EXEMPEL 4 Enligt den ovan beskrivna proceduren behandlades Si3N4 (97 vikt-%, UBE ESP), 1.5 vikt% Y2O3, 0.75 vikt% Al2O3, 1.0 vikt % 10 15 20 25 513 958 8 Nb2O5, 0.25 vikt% SiO2 och sintrades vid temperaturen 1850°C under ett kvävetryck av 20 bar i en timme under vilken materialet nådde sluten porositet varefter kvävetrycket höjdes till 100 bar i ytterligare timme för slutlig förtätning. Skären slipades till SNGN 120412 TO2520 geometri och provades i en intermittent skäroperation i grått gjutjärn med gjuthud (600 m/min, 0.25 mm/varv, skärdjup 2 mm). Fasförslitning efter 24 min är sammanställd i tabell 1 tillsammans med materialets hårdhet.

Material Fasförlitning Hàrdhet HV10 Exempel 2 0.20 mm 1584 Exempel 3. 0.19 mm 1581 Exempel 4 0.23 1528 Ref#1(Känd teknik) 0.35 mm 1443 Ref#2 0.35 1597 Referensmaterialet #1 är en kommersiell sort av beta- kiselnitrid (Coromant sort CC690). Referensmaterialet #2 har samma startsammansättning som exempel 1 men utan övergångsmetalltillsatser, den har också visat ett något mera sprött uppförande.

Resultaten visar att en kombination av god brottseghet, thermochockmotstånd och slitstyrka kan uppnås med sagda typ av kiselnitrid-material. Materialet visar sålunda god slitstyrka och kapaciteten att motstå mekanisk och termisk spänning utan att det leder till katastrofala haverier.

EXEMPEL 5 Skär av typen SNGN 120412 TO2520 tillverkades enligt exempel 3 ovan. Skären delades in i tre grupper, A, B och C, och en refraktär beläggning bestående av skikt av Al2O3 och TiN applicerades genom användning av CVD-teknik. Skikttjocklekarna var enligt följande i um): 5 10 15 20 513 938 9 Al2O3 TiN (ovanpå (närmast skäret) Al2O3-skiktet 5A 4 1 5B 1.5 0.5 5C referens utan refraktärt skikt Slutligen behandlades alla eggar på skären för att reducera beläggningens tjocklek och för att få en slätare beläggningsyta.

Skären provades i en svarvningsoperation i nodulärt gjutjärn (SSO727) med kvarstående gjuthud (600m/min, 0.25 mm/varv, 2 mm skärdjup). Efter 3 minuter uppmättes följande förslitning: Fasförslitning, mm Gropförslitningsyta, mmz _________________________________ 5A 0.12 0.09 5B 0.21 0.30 5C 0.25 0.52

Claims (9)

10 15 20 25 30 35 10 513 938

1. Ett kiselnitridskär k ä n n e t e c k n a t KRAV av, att det omfattar en beta-kiselnitrid-matris med en total mängd av 0.5-10 vikt-%, fas och 0.05-3 vikt-% av en in situ formad sekundär kristallin företrädesvis 0.5-6 vikt% av en intergranulär fas av en karbid, nitrid, karbonitrid eller silicid av niob och/eller tantal i form av sfäriska partiklar med en storlek av 0.1-2 um, (0.0l-l um) betakiselnitridkornen är till åtminstone 10%, företrädesvis submikron varvid företrädesvis mer än 20%, avlånga med ett längd/diameterförhållande större än 3, företrädesvis större än 5 och med en korndiameter i området 0.2-lO um, helst 0.2-3 um, porositet mindre än 1 företrädesvis mindre än 0.3 vol-%. företrädesvis 0.2-5 um, och med en

2. Ett kiselnitridskär enligt föregående krav, k ä n n e t e c k n a t av, att det innehåller mindre än 10% kristallina kiselbaserade oxider eller oxynitrider.

3. Ett kiselnitridskär enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t av, att sagda kiselnitridskär är försett med en slitstark beläggning enligt känd teknik.

4. Ett kiselnitridskär enligt krav 3, k ä n n e- t e c k n a t av, att sagda beläggning består av ett 1 till 7 um tjockt Al2O3-skikt och ett <4 um tjockt TiN-skikt.

5. Ett kiselnitrid skär enligt krav 3 eller 4, k ä n n e- t e c k n a t av, att sagda slitstarka beläggning är tunnare vid eggarna.

6. Sätt att tillverka ett kiselnitridskär medelst pulvermetallurgiska metoder k ä n n e t e c k n a t av, att man bereder en kiselnitridslurry genom våtdispersion i vatten eller ett organiskt lösningsmedel av kiselnitridpulver med 0.2-3 vikt-%, 0.1-3 vikt% samt nioboxid eller tantaloxid eller blandningar därav i pulver av yttriumoxid: och aluminiumoxid: en mängd av 0.2-3 vikt% varigenom totalsumman av tillsatta oxider skall företrädesvis vara mindre än 6 vikt% och dispergeringshjälpmedel, eventuellt tillsammans med lämpliga presshjälpmedel, varefter slurryn torkas och granuleras till 10 ett pulver som ëolršnasgtzšiël en skär av önskad form och sintras med användning av ett tryckassisterad sintringsteknik såsom (HP), isostatisk-trycksintring (HIP). varm-pressning gas-tryck-sintring (GPS) eller varm-

7. Sätt enligt föregående krav, k ä n n e t e c k n a t av, att SiO2 tillsätts i en mängd mindre än l vikt%, företrädesvis 0.1 - 0.7 vikt%.

8. Sätt enligt krav 6 eller 7, k ä n n e t e c k n a t av, att en slitstark beläggning som känt i tekniken appliceras på skäret.

9. Metod enligt krav 8, sagda beläggning består av ett l till 7 pm tjockt Al2O3-skikt och ett <4 um tjockt TiN-skikt. k ä n n e t e c k n a t av, att