DE2919370C2

DE2919370C2 - Keramischer Formkörper für die spanende Bearbeitung und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE2919370C2
Application number: DE2919370A
Authority: DE
Inventors: Kenji Komaki Aichi Sakurai; Hirsohi Aichi Tanaka; Yoshihiro Iwakura Aichi Yamamoto
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1978-06-13
Filing date: 1979-05-14
Publication date: 1983-08-04
Also published as: JPS6041017B2; JPS54161612A; DE2919370A1; US4204873A

Description

45

Die Erfindung geht aus von einem keramischen Formkörper der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung. Ein solcher keramischer Formkörper ist bereits aus der DE-OS 27 41 295 bekannt und kann neben Aluminiumoxid als Hauptkomponente 0,5 bis 35 Gew.-°/o Zirkoniumoxid, 03 bis 35 Gew.-% Oxide, Carbide, Nitride und/oder Boride des Titans, Zirkoniums, Hafniums, Vanadiums, Niobs, Tantals, Chroms, Molybdäns sowie Wolframs enthalten, wobei außerdem 0,2 bis 5 Gew.-% eines oder mehrerer Oxide des Ytiriums, Thoriums und der Lanthaniden enthalten sein können.

Keramische Formkörper dieser Art haben sich in der Praxis nicht als Werkzeugwerkstoffe für die spanende Metallbearbeitung durchsetzen können, weil sie über unbefriedigende Festigkeits- und Temperaturwechselbeständigkeitseigenschaften verfügen. Insbesondere kommt es bei Werkstoffen der bekannten Art dazu, daß sich ein Teil des in den Carbiden enthaltenen Kohlenstoffs mit AI₂Oa unter Bildung von sprödem W₂C umsetzt, wodurch die Werkstoffestigkeit deutlich herabgesetzt wird. Außerdem neigen die bekannten Werkstoffe zu einem beträchtlichen Kornwachstum der Al^rKristalle, wodurch die Temperaturwechselbeständigkeit nachteilig beeinflußt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen keramischen Sinterförmkörper der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung so auszubilden, daß deutlich verbesserte Gebrauchseigenschaften bei Verwendung als Werkzeug für die spanende Bearbeitung erreicht werden. Diese Aufgabe wird bei einem keramischen Formkörper der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

Die Erfindung bezweckt ferner das Schaffen eines Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen keramischen Formkörper. Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 5 angegebene Erfindung gelöst

Der mit Hilfe der Erfindung erzielbare technische Fortschritt ergibt sich in erster Linie daraus, daß das heiß zu verpressende Pulvergemisch den im Patentanspruch 1 angegebenen Kohlenstoffanteil aufweist, da durch diesen Kohlenstoffanteil die Bildung der unerwünschten Sprödphase W₂C weitgehend unterbunden werden kann. Außerdenm wird durch die erfindungsgemäße Dosierung des Kohlenstoffzusatzes ein unerwünschtes· Kornwachstum der Kristalle im Werkstoff verhindert

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungs- und Vergleichsbeispielen sowie unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert In dieser zeigt

F i g. 1 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Quotienten aus dem Al₂O₃-Volumen und dem Gehalt an Al₂O₃+WC+TiN und der Schnittzahl bis zum Bruch,

Fig.2 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Volumenverhältnis von TiN zu der Summe aus WC+TiN und der Schnittzahl bis zum Bruch,

Fig.3 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen Zw₂C(101 )//wc(l 11) und dr? Schnittzahl bis zum Bruch, und

Fig.4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der zugesetzten Kohlenstoffmenge und dem Intensitätsverhältnis.

Versuch 1

Zu einem «-Al₂O₃-Pulver mit einer Reinheit von 99,9% und einem mittleren Partikeldurchmesser von 0,7 μπι werden hinzugesetzt: WC-Pulver einer Reinheit von 99,0% einem mittleren Partikeldurchmesser von 0,6 μπι und einem Kohlenstoffgehalt von 6,18%, TiN-Pulver mit einer Reinheit von 99,0% einem mittleren Partikeldurchmesser von 1,1 μπι und einem Stickstoffgehalt von 21,2% und 0,6 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht von WC-Pulver und TiN-Pulver, Kohlenstoffpulver. Die Pulver vermischt man 40 Stunden in herkömmlicher Weise. Das Volumenverhältnis von WC-Pulver zu TiN-Pulver hält man konstant bei 1 :1,1 :10 bzw. 10 :1 zur Herstellung von entsprechenden Gemischen (a) bis (c). Das Gemisch füllt man in eine Graphitform und preßt es 15 Minuten heiß bei einer Temperatur von 2073° K (1800° C) und einem Druck von 200 kg/cm². Die heißgepreßte Struktur schleift man mittels eines Diamantenschleißmittels zu einer Spitze mit der Abmessung von 12,7 χ 12,7 χ 4,8 mm und unterwirft sie einem Bruchtest beim Fräsen unter den folgenden Bedingungen.

Fräsbedingungen

Schneidgeschwindigkeit:

177 m/min
Schnitt:

1,0 mm
Zufuhr:

03 mm/Klinge
Schneidwerkzeug:

NLFO 6R

(verwendet mit einer Einzelklinge)
Angriffswinkel:

20°
Werkstück:

100x100 mm

Oberfläche Chrom-Molybdän-Stahl

(HRC 39-41)·)
Testmethode:

Es wird die Schnittzahl bis zum Bruch der Spitze bestimm:. Der Test wird lOmal wiederholt und der Mittelwert wird berechnet.

*) Härtewert gemessen nach JIS Z 2245 durch Rockwell C-Scala

Die Ergebnisse des Versuchs sind in F i g. 1 gezeigt In F i g. 1 bezieht sich (a) auf das Gemisch, bei welchem das Volumenverhältnis von WC-Pulver zu TiN-Pulver 1 :1 beträgt; (b) bezieht sich auf das Gemisch, bei welchem das Verhältnis 1:10 beträgt; und (c) bezieht sich auf das Gemisch, bei welchem das Verhältnis 10:1 beträgt

Aus den erhaltenen Ergebnissen ist ersichtlich, daß dann, wenn die Menge an AI2O3 mehr als 95 Vol.-% ausmacht, der Zusatz von WC und TiN wirkungsvoll bleibt, und daß bei weniger als 60 Vol.-% kein kompakter Sinterkörper mit kleiner Korngröße und ausreichender Festigkeit erhalten wird.

Der nachstehende Versuch 2 demonstriert, daß das Volumenverhältnis der Komponenten WC und TiN etwa 5 :95 bis 95 :5, vorzugsweise etwa 1 :2 bis 2 :1, am meisten bevorzugt etwa 9 :10 bis 10 :9 sein sollte.

Versuch 2

Der Versuch 1 wird wiederholt mit der Ausnahme, daß insgesamt 14 Vol.-% WC-Pulver und TiN-Pulver mit variierenden Volumenverhältnissen, und 0,6 Gew.-% Kohlenstoff, bezogen auf das Gesamtgewicht der WC- und TiN-Pulver, zu 86 Vol.-% <x-Al₂O₃-Pulver hinzugesetzt werden. Es wird derselbe Bruchtest beim Fräsen wie in Versuch 1 durchgeführt und die Ergebnisse sind in F i g. 2 gezeigt.

Die Ergebnisse demonstrieren klar, daß in dem Fall, wo nicht das Volumenverhältnis von WC und TiN innerhalb des erfindungsgemäßen Bereiches liegt, der synergistische Effekt der beiden Komponente WC und TiN sind nicht gezeigt und ein gesinterter Körper hinreichender Festigkeit nicht erhalten werden kann. Wenn der gesinterte Körper nur aus AI₂O₃ und WC besteht, so entspricht er dem Fall, in welchem TiN/(WC+TiN) in Fig.2 gleich Null ist und die Schnittzahl bis zum Bruch beträgt lediglich 23. Wenn in ähnlicher Weise der gesinterte Körper nur aus Aj₂Q₃ und TiN besteht, so entspricht dieses dem Fall, wo TiN/(WC+TiN) in Fig.2 gleich 1 ist und die Schnittzahl bis zum Bruch lediglich 3,9 ist. Wenn der gesinterte Körper aus AI2O3, WC und TIN besteht, so steigert sich die Anzahl Schnitte bis zum Bruch durch die synergistische Wirkung von WC und TiN.

Beim erfindungsgemäßen gesinterten Körper geht ein Teil des Wolframcarbid» bisweilen in W₂C über. Wenn die Menge an WC, weiche in W₂C übergeht unterhalb fiiner bestimmten Grenze liegt, so ist die Festigkeit des sich ergebenden Produktes nicht bemerkenswert herabgesetzt Durch Messen des Intensitätsverhältnisses /w2c(101)//wc(lll) bei der Röntgenstrahlenbeugung unter Anwendung von CuKa-Strafalen als Maß für das Verhältnis von W₂C zu WC, sowie auf der Basis der Ergebnisse des nachstehenden Versuches 3 ist ersichtlich, daß das sich ergebende Produkt für Schneidwerkzeuge voll brauchbar ist, falls dieses Intensitätsverhältnis nicht mehr als etwa 0,5 beträgt

Versuch 3

Der Versuch 2 wird mit der Ausnahme wiederholt, daß die Menge an Kohlenstoffpulver nicht auf 0,6 Gew.-°/o festgesetzt, sondern variiert wird. Der Bruchtest beim Fräsen wird in der gleichen Weise wie in Versuch 2 durchgeführt Es wird das Intensitätsverhältnis der Rön'genstrahlenbeugung gemessen.

Verfahrensbedingungen der Röntgeftftrahlenbeugung

Gestalt der Probe:
12,7 χ 12,7 χ 4,8 mm

Bedingungen:
Cu-Kathode
Ni-Filter
35 KV-2OmA
zn Zeitkonstante (T. C.)=4 sek.

Rotationsgeschwindigkeit (G. S.)= l°/n>in
Spaltbreite = l-1-O3

Die Ergebnisse sind in Fig.3 gezeigt Aus den

α Ergebnissen ist ersichtlich, daß der sich ergebende gesinterte keramische Körper hohe Bruchfestigkeit besitzt, wenn /W₂C(IOIyZWc(Il)) nicht größer als 0,5 ist Es ist wesentlich, daß der erfindungsgemäße gesinterte Körper aus den Komponenten A1₂O3- WC4-W2C und TiN einen mittleren KristallpartikeldurchinessüT von nicht mehr als 2 μπι, vorzugsweise 1 μπι oder weniger besitzt Wie aus den folgenden Beispielen und Vergieichsbeispielen klar ersichtlich, wird der gesinterte keramische Körper spröde und kann dem Fräsen nicht 5 standhalten, wenn die Kristailkorngröße des gesinterten Körpers im Mittel oberhalb 2 μπι liegt.

Zum Herstellen des erfindungsgemäßen gesinterten Körpers werden Al₂O₃, WC, TiN und C zunächst in den angegebenen Verhältnissen miteinander vermischt Das pulvrige Ausgangsgemisch wird dann bei hoher Temperatur und hohem Druck gesintert. Das Sintern vollzieht man gewöhnlich mittels einer einachsigen Heißpresse in einer Graphitform oder mittels einer hydrostatischen Heißpresse. Die Sintertemperatur beträgt Tf. allgemeinen etwa 1873 bis 2173°K (1600 bis 1900°C) und die Sinterzeit beträgt im allgemeinen etwa 5 bis 30 Minuten, 'm allgemeinen erhält man besser gesinterte Körper bei höheren Drucken. Gewöhnlich beträgt der Druck etwa 100 bis 300 kg/cm² in einer Heißpresse und etwa 500 bis 2000 kg/cm² in einer hydrostatischen Hdßpresse. Die hydrostatische Heißpresse ist geeignet zum Gewinnen einheitlicher kompakter gesinterter Körper auf Massenprodaktionsbasis.

Es wurde gefunden, daß der Zusatz an Kohlenstoffpulver dazu dient, die Umwandlung einer großen Menge von WC in W₂C während des Sinterns zu verhindern. Wenn eine große Menge an W₂C gebildet wird, so

vermindert sich die Festigkeit des gesinterten Körpers, wie dies oben erläutert ist. Der Versuch 4 zeigt, daß das Kohlenstoffpulver maximal in solcher Menge zugesetzt werden soll, daß das Intensitätsverhältnis Av₂C(IOl)/ Avc(l 11) etwa 0,5 nicht überschreitet, jedoch die mittlere > Kristallkorngröße des gesinterten Keramikmaterials nicht mehr als 2 μπι beträgt. Die untere Grenze des Kohlenstoffanteils ■ beträgt 0,05 Gewichtsteile je 100 Gewichtsteile WC und TiN.

Versuch 4

Kohlenstoffpulver (Ruß) wird in variierenden Mengen hinzugesetzt zu (1) einem Ausgangspulvergemisch, bestehend aus 71 Vol.-% a-AI₂O₃-Pulver, 16 Vol.-% WC-Pulver und 13 Vol.-% TiN-Pulver, und auch zu (2) r> einem Ausgangspulvergemisch, bestehend aus 93 Vol.-% .X-Al₂O₃-Pulver, 4 Vol.-% WC-Pulver und 3 Vol.-% TiN-Pulver. Das Sintern erfolgt in der gleichen

bei Versuch 1 beschrieben, benutzt.

Die Ergebnisse sind in Fig.4 gezeigt. In Fig.4 bezieht sich (d) auf den Fall des Hinzusetzens von Kohlenstoffpulver zu dem obigen Ausgangspulvergemisch (1) und (e) bezieht sich auf den Fall seines Hinzusetzens zum obigen Ausgangspulvergemisch (2). Aus F i g. 4 ist ersichtlich, daß dann, wenn die Menge an Kohlenstoff pulver weniger als 0,05 Gewichtsteile je 100 Gewichtsteile des kombinierten WC und TiN beiträgt, Av₂Ci 101 )//wc{Hl) · 0.5 überschreitet (d.h. die Menge des gebildeten W₂C nimmt zu), der sich ergebende gesinterte Keramikkörper dem Fräsen nicht standhalten kann. Wenn die Menge an Kohlenstoffpulver stark zunimmt, so findet die Bildung von W₂C nicht statt, tritt jedoch ein Kornwachstum der AIjO₃- und WC-Kristalle auf. Aus diesem Grunde ist die obere Grenze des Kohlenstoffanteils so bestimmt, daß die mittlere Kristallkorngröße des gesinterten keramischen Stoffes nicht mehr als 2 μΐπ beträgt. Beispielsweise, im Falle des Ausgangspulvers (1) in Versuch 4, beträgt die obere Grenze des Kohlenstoffpulvers 0,8 Gewichtsteile. Im

Falle des Ausgangspulvergemisches (2), beträgt die obere Grenze der Menge an Kohlenstoffpulver 0,3 Gewichtsieile. Spezifische Beispiele an Kchlenstoffpulver sind Ruß und Acetylenschwarz. Wenn es wahrscheinlich ist, daß Kohlenstoff aus anderen Rohmaterialien während der Herstellung des gesinterten keramischen Materials anfällt, so kann die Menge des Kohlenstoffzusatzes entsprechend herabgesetzt werden.

Der erfindungsgemäße gesinterte keramische Körper zur Verwendung bei Schneidwerkzeugen besitzt eine ausgezeichnete Temperaturwechselbeständigkeit und Schneidwerkzeuge, welche aus diesem keramischen Körper hergestellt sind, zeigen eine mehr als zweimal so hohe Beständigkeit gegen Bruch wie herkömmliche Schneidwerkzeuge.

Die folgenden Beispiele und Vergleichsbeispiele erläutern die Erfindung noch näher.

Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1

Das gleiche «-A^OrPulver, WC-Pulver, TiN-Pulver und Ruß, wie in Versuch 1 verwendet, werden in den in Tabelle I angegebenen Mengen vermischt. In einer

.'i Kugelmühle aus rostfreiem Stahl werden 0,5 kg des sich ergebenden Gemisches 40 Stunden mit 5 kg Superlegierungskugeln und 0,4 kg Aceton kugelgemahlen. Das Aceton wird verflüchtigt und es bildet sich ein Testansatz. Den Ansatz füllt man in eine Graphitform

jo und preßt 5 Minuten heiß bei einer Temperatur von 1973 bis 2173° K(1700 bis 1900° C) und einem Druck von 200 kg/cm³. Die Gestalt dor Heißpresse ist 13,5 χ 13,5x5,3 mm. Die heißgepreßten Gegenstände unterwirft man einem Bruchtest beim Fräsen in der gleichen Weise, wie in Versuch 1. Die Ergebnisse sind in Tabelle I zusammengestellt.

Zum Vergleich werden andere Massen, welche in Tabelle I angegeben sind, heißgepreßt und einem Bruchtest beim Fräsen wie oben unterworfen. Die

■Ό Ergebnisse sind ebenfalls in Tabelle I zusammengestellt

Tabelle I Probe Zusammensetzung (Vol.-%) Andere Sin- Physikalische vorhandene Phasen Nr. ter- Eigenschaften AI₂O₃ WC TiN C*¹) TiC TaC TuN Co ^tcmp· spez. Vickers-

( C) Gew. härte

Mittel. Bruch- Bemerkungen

Partikel- lebensdauer durchm. beim Fräsen Schnittzahl

1	86	7	7	0,5
2	93	4	3	ο,ι
3'	71'	16	13	0,3
4·	60	25	15	0,9
5	86	7	7	0,05
6	86	7	7	0,8
7	70-
8	80	15
9	86·	14		0,1
10	60	25

30

15

1800 4,87 2010 Al₂Oj, WC. TiN 4,46 1880 Ai₁O₁₁WCTiN₁W₁C(W₁C/ WC*²) = 0,4)

5,98 1920 AI₂O₁₁WCTiN₁W₂C(W₁C/ WC = 0,3)

1850 6,95 1850 AI₂O₁, WC, TiN

4,91 1980 AI₁O₃₁WC₁TiN₁W₁CZW₁C/ WC = 2,5)

1800 4,85 1780 AI₂O₁₁WCTiN

1800 4,3 1950 Al₂O₃₁TiC

1650 5,95 1790 AI₂O₁, WC, Co

1800 5,86 1640 Al₂Oj₁WC

1850 7,01 1850 Al₂Oj₁(Ti₁W)C

0,8	14,50	erfinclungs gemäß
1,2	11.20	erfindungs gemäß
0,9	12,80	erfindungs gemäß
1.0	13,50	erfindungs gemäß
0.9	1,35	Vergleich
3,0	2,50	Vergleich
2,1	4,90	Vergleich
3,2	2,60	Vergleich
3,5	2,20	Vergleich
2,1	5,20	Vergleich

♦') Kohlenstoffmenge.(C) (Gewiehtsteile je 100 Gewiehtsteile des kombinierten WC- und TiN-Pulvers). •²) W₂C/WC steht für /w₂c (101)//wc

■MKWBSii,

Aus den in Tabelle I gezeigten Ergebnissen ist ersichtlich, daß die Proben Nr. 1 bis 4, bei denen die Bestandteile innerhalb der erfindungsgemäß gekennzeichneten Bereiche liegen, eine weit bessere Bruchlebensdauer beim Fräsen zeigen, als die Proben Nr. 5 und 6, bei denen ein Bestandteil außerhalb der erfindungsgemäßen Bereiche liegen. Die Proben Nr. 7 bis 10, welche unterschiedliche Bestandteile gegenüber den erfindungsgemäßeii keramischen Massen besitzen, weisen eine unterlegene Bruchlebensdauer beim Fräsen auf.

Beispiel 2 und Vergleichsbeispiel 2

Man vollzieht einen Schneidtest unter den folgenden Bedingungen unter Verwendung der in Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 hergestellten Spitzen und man mißt die Lebensdauer der Schneidwerkzeuge, welche dauert, bis Vb =»0,4 mm erreicht sind. Die Ergebnisse sind in Tabelle II gezeigt.

Werkstück:

Graues Gußeisen FC20
Sch neidgeschwindigkeit:

500 m/min, 200 m/min
Schnitt:

1,0 mm
Zufuhr:

03 mm/rev.

Werkzeugprofil:

-5, -7,5,7.15,15,08

Tabelle II

Probe Schneidgeschwindigkeit (m/min.) Bemerkungen ^Nr/) 500 200

1	56 Minuten	131 Minuten	Erfindung
2	49 Minuten	116 Minuten	Erfindung
3	61 Minuten	140 Minuten	Erfindung
7	40 Minuten	101 Minuten	Vergleich
8	15 Minuten	49 Minuten	Vergleich
9	Schneiden	2 Minuten	Vergleich

*') Die verwendeten Proben besitzen die gleiche Zusammensetzung wie in Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1.

Die Ergebnisse in Tabelle !! zeiger·, daß die erfindungsgemäßen gesinterten Keramikkörper Schneidwerkzeuge mit langer Betriebslebensdauer liefern.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beispielsweise wiedergegebenen Ausführungsformen allein abgestellt. Im Rahmen der Erfindung sind dem Fachmann vielmehr mannigfaltige Abänderungen ohne weiteres gegeben.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Keramischer Formkörper für die spanende Bearbeitung, enthalten 60 bis 95 VoL-% Al₂O₃ und 5 bis 40VoL-% WC+TiN, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens 0,05 Gewichtsteile Kohlenstoff je 100 Gewichtsteile WC+TiN vorhanden sind, daber maximal lediglich soviel Kohlenstoff vorhanden ist, daß das Intensitätsverhältnis /W₂C(IOl)ZrWc(IIl) bei der Röntgenstrahlbeugung unter Verwendung von CuK«-Strahlung maximal 0,5 beträgt und die Kristallkomgröße des fertigen Formkörpers 2 μπι nicht überschreitet, und daß das Volumenverhältnis von WC zu ΉΝ 5 :95 bis 95 :5 beträgt

2. Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumenverhältnis von WC zu TiN I:2bis2:l beträgt.

3. Formkörper nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet tlarch einen Al₂O₃-GeIIaIt von 85 bis 87 Gew.-%, Rest im wesentlichen Wolframcarbid und Titannitrid, wobei WC und TiN in einem Volumenverhältnis von 9 :10 bis 10 :9 vorliegen.

4. Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Al₂O3-Gehalt 65 bis 90 VoL-% beträgt.

5. Verfahren zum Herstellen eines 60 bis 95 Vol.-% Al₂O₃ und 5 bis 40 Vol.-% WC+TiN enthaltenden Formkörpers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einem Ausgangspulver der vorstehenden Zusammensetzung wenigstens 0,05 Gewichtsteile Kohlenstoff je 100 Gewichtsteile WC+TiN zugesetzt werden, jedoch maximal lediglich soviel Kohlenstoff zugesetzt wird, daß die Kristallkorngröße des fertigen Formkörpers 2 μπι nicht überschreitet und das Intensitätsverhältnis /_W2c(101)//wc(lll) bei der Röntgenstrahlbeugung unter Verwendung von CuKx-Strahlung maximal 0,5 beträgt, und daß das Gemisch bei einer Temperatur von 1600 bis 1900° C und einem Druck von 100 bis 300 kg/cm² heißgepreßt wird.