DE68910986T2 - Zusammensetzungen aus aluminiumoxid-zirconiumoxid-siliciumcarbid enthaltend magnesiumoxid und schneidwerkzeuge. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft keramische Schneidwerkzeuge auf Aluminiumoxid-Basis, die Zirkoniumoxid und Siliciumcarbid enthalten. Sie betrifft ins besondere keramische Schneidwerkzeuge, die zum Schnellvordrehen von weichen Stählen und duktilen Gußeisen oder Tempereisen verwendbar sind.
• In der Vergangenheit wurde Zirkoniumoxid in bestimmten Mengen zu ausgewählten, Siliciumcarbid-verstärkten Aluminiumoxidzusammensetzungen zugegeben, wie sie in den US-Patenten Nr. 4 534 345 und 4 507 224 beschrieben sind, um eine erhöhte Bruchzähigkeit und/oder Biegefestigkeit zu erhalten (siehe: US-Patente Nr. 4 657 877 und 4 749 667; japanische Patentschrift Nr. Sho 62-265182; Clausen et al, "Whisker-Reinforced Oxide Ceramics," Journal de Physique Colloque C1, Supplement für Nr. 2, Tome 47, Februar 1986, Seiten C1-693 bis C1-702; Becher et al, "Toughening of Ceramics by Whisker Reinforcement," Fracture Mechanics of Ceramics 7, herausgegeben von Bradt et al, Plenum Press, New York (1986), Seiten 61 bis 73).
• Es wurde darauf hingewiesen, daß das Zirkoniumoxid in der monoklinischen und/ oder (metastabilen) tetragonalen Phase vorliegen soll, um eine verbesserte Bruchzähigkeit und/oder Biegefestigkeit zu erhalten. Man hat ferner darauf hingewiesen, daß die metastabile tetragonale Phase durch Verkleinerung der Teilchengröße des Zirkoniumoxids oder durch die Verwendung eines die Stabilität von kubischem Zirkoniumoxid fördernden Mittels, wie z. B. Yttriumoxid, Calciumoxid, Magnesiumoxid und die Oxide der Seltenen Erden, in Mengen unterhalb der zur vollständigen Stabilisierung der kubischen Zirkoniumoxidphase erforderlichen Mengen erhalten wird.
• Es wurden Schneidwerkzeuge vorgeschlagen, die aus einer Vielzahl von Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid und Siliciumcarbidwhisker enthaltenden Zusammensetzungen, mit weiteren Zusätzen oder ohne weitere Zusätze, zusammengesetzt sind (siehe: Europäische Patentanmeldung Nr. 86107916.8, veröffentlicht am 21. Januar 1987 als Nr. 0 208 910; US-Patent Nr. 4 749 667; "Multitoughening Ceramic," Techno Japan, Band 19, Nr. 10, Oktober 1986, Seite 78; und die Europäische Patentanmeldung Nr. 86301597.0, veröffenflicht am 17. September 1986 als Nr. 0 194 811).
• Wenn ein Hinweis auf das von diesen Werkzeugen geschnittene Material gegeben wird, dann wurden die Werkzeuge zur Bearbeitung von Gußeisen, gehärteten Stählen und Superlegierungen auf Nickelbasis verwendet. Dies sind alles Materialien, die eine relativ geringe Reaktivität gegenüber dem Siliciumcarbid in dem Schneideinsatz bei den während des Metallschneidens auftretenden hohen Temperaturen aufweisen. Keine der vorgenannten Druckschriften lehrt oder schlägt vor, daß die Schneidleistung von Schneideinsätzen für die Metallbearbeitung, die zum Schnellvordrehen von weichen Stählen verwendet werden, durch die Steuerung der Keramik-Zusammensetzung auf Aluminiumoxid-Basis in bezug auf die Kombination kritischer Bereiche der Anteile an Zirkoniumoxid, Magnesiumoxid, Siliciumcarbid und tetragonalem Zirkoniumoxid verbessert werden kann, wie dies jetzt gefunden wurde.
• Es wurde überraschenderweise gefunden, daß keramische Schneideinsätze auf Aluirmiumoxidbasis, die (in Volumenprozent, Vol.-%) etwa 1,5 bis 10,5 Vol.-% Siliciumcarbidwhisker, etwa 5 bis 17,5 Vol.-% Zirkoniumoxid, einen Rest eines Magnesiumoxidzusatzes oder eines anderen Zusatzes einer Magnesium-Sauerstoff- Verbindung und wenigstens 4 Vol.-% tetragonales Zirkoniumoxid enthalten, hervorragende Lebensdauern der Schneidkanten aufweisen, wenn diese beim Schnellvordrehen von weichem Stahl Anwendung finden. Es wurde überraschenderweise gefunden, daß, obwohl geringe Magnesiumoxidzusätze eine Verringerung des Anteils an tetragonalem (d. h., an metastabilem tetragonalen) Zirkoniumoxid bei Raumtemperatur bewirken, eine wirksame Menge dieses Zusatzes einen merklich positiven Einfluß auf die Lebensdauer der Schneidkante beim Schnellvordrehen von weichen Stählen, wie z. B. AISI (American Iron and Steel Institute) 1045 Stahl, besitzt.
• Erflndungsgemäß wurde überraschenderweise gefunden, daß der Magnesiumoxidzusatz zu der vorliegenden Zusammensetzung in Mengen zugegeben werden kann, die in der Lage sind, der Schneidkante vorzugsweise eine Lebensdauer von wenigstens 12 Minuten beim Drehen von AISI 1045 Stähl mit einer Brinell-Härtezahl im Bereich von 190 bis 200, unter den Bedingungen von 305 m/Minute (1000 surface feet/minute), 0,635 mm (0,025 inch) pro Umdrehung und 2,54 mm (0,100 inch) Schnittiefe, zu verschaffen. Diese Magnesiumoxidzusätze können besonders bevorzugt Lebensdauern der Schneidkanten von wenigstens 15 Minuten, und am meisten bevorzugt Lebensdauern von wenigstens 20 Minuten, hervorrufen. Es wird bevorzugt, das Magnesiumoxid in Mengen von etwa 0,03 bis 3 Vol.-%, besonders bevorzugt in Mengen von etwa 0,03 bis 2,0 Vol.-% und am meisten bevorzugt in Mengen von etwa 0,04 bis 1 Vol.-% zuzugeben.
• Vorzugsweise enthält die erfindungsgemäße Keramikzusammensetzung auf Aluminiumoxidbasis 1,5 bis 5 Vol.-% Siliciumcarbidwhisker.
• Der Zirkoniumoxidgehalt beträgt gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise 7,5 bis 17,5 Vol.-% und besonders bevorzugt etwa 10 bis 15 Vol.-%. Gemäß der vorliegenden Erfindung liegt ein merklicher Anteil des Zirkoniumoxids (vorzugsweise wenigstens 22 Vol.-%) in Form von tetragonalem Zirkoniumoxid vor; dieser muß mindestens 4 Vol.-% der Zusammensetzung bilden. Vorzugsweise liegen mindestens 6 Vol.-%, besonders bevorzugt mindestens 7 Vol.-% und am meisten bevorzugt mindestens 8 Vol.-% der Zusammensetzung in Form von tetragonalem Zirkoniumoxid vor.
• Diese und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung, in der auf die Zeichnung Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:
• Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines viereckigen Schneideinsatzes; und
• Fig. 2 eine Darstellung des Vol.-%-Anteils an tetragonalem Zirkoniumoxid in dem Verbundwerkstoff als Funktion des Vol.-%-Anteils eines Magnesiumoxid- oder Yttriumoxid-Zusatzes.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird, wie in Fig. 1 gezeigt, ein vorzugsweise wendbarer Schneideinsatz 10 für Metall bereitgestellt, der eine Spanfläche 30, eine Freifläche 50 und eine Schneidkante 70 am Zusammentreffen der Spanflächen und der Freiflächen aufweist. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist die Schneidkante 70 vorzugsweise abgeschrägt (z. B. K-land). Der Schneideinsatz für die Metallbearbeitung ist aus einer Keramikzusammensetzung auf Aluminiumoxidbasis zusammengesetzt, die etwa 1,5 bis 10,5 Vol.-% Siliciumcarbidwhisker, etwa 5 bis 17,5 Vol.-% Zirkoniumoxid und einen Rest eines Magnesiumoxidzusatzes oder eines anderen Zusatzes einer Magnesium-Sauerstoff-Verbindung enthält, wobei der Magnesiumoxidzusatz oder der Zusatz der anderen Magnesium-Sauerstoff-Verbindung in einer Menge zugegeben ist, die in der Lage ist, die Lebensdauer der Schneidkante beim Schneiden von Metall zu verlängern, wenn diese beim Schnellvordrehen einer weichen Eisenlegierung, wie beispielsweise AISI 1045 Stahl mit einer Härte von etwa 190 bis 200 BHN (Brinell-Härtezahl), zur Anwendung gelangt. Die Silicumcarbidwhisker, das Zirkoniumoxid und der Magnesiumoxidrest sind im wesentlichen homogen in einer Matrix auf Aluminiumoxidbasis verteilt.
• Die Siliciumcarbidwhisker sind in einer Menge von wenigstens etwa 1,5 Vol.-% vorhanden, um minimale Verbesserungen der Lebensdauer der Schneidkante zu gewährleisten. Besonders bevorzugt sind die Siliciumcarbidwhisker in einer Menge von etwa 2,5 Vol.-% oder mehr vorhanden. Der Siliciumcarbidwhiskergehalt sollte etwa 10,5 Vol.-% der Zusammensetzung nicht überschreiten. Es wird angenommen, daß Siliciumcarbidwhiskeranteile über diesem Wert eine merkliche Verkürzung der Lebensdauer der Schneidkante während des Schnellvordrehens von weichen Stählen zur Folge haben. Um daher die Lebensdauer der Schneidkante während des Schnellvordrehens von Stählen, wie beispielsweise AISI 1045, weiter zu maximieren, wird bevorzugt, daß der Maximalgehalt an Siliciumcarbidwhiskern bei oder unterhalb etwa 10,5 Vol.-%, und besonders bevorzugt bei oder unterhalb 5 Vol.-% der Keramikzusammensetzung auf Aluminiumoxidbasis gehalten wird.
• Als Siliciumcarbidwhisker kann hier jede der im Handel erhältlichen Marken verwendet werden, die in der Vergangenheit in Schneideinsätzen für Metall auf Aluminiumoxidbasis zur Bearbeitung von Superlegierungen auf Nickelbasis benutzt wurden.
• Obwohl dies weniger bevorzugt ist, kann in dieser Erfindung ein Teil der Siliciumcarbidwhisker durch Siliciumcarbidteilchen mit einer im allgemeinen equiaxialen Form oder einer Plättchenform ersetzt werden.
• Der Zirkoniumoxidgehalt liegt im Bereich von etwa 5 bis 17,5 Vol.-% der Keramikzusammensetzung. Es wird angenommen, daß ein Zirkoniumoxidgehalt außerhalb dieses Bereiches Zusammensetzungen ergibt, die eine reduzierte Lebensdauer der Schneidkante während des Schnellvordrehens von AISI 1045 Stähl aufweisen. Der Zirkoniumoxidgehalt sollte vorzugsweise innerhalb eines Bereiches von etwa 7,5 bis 17,5 Vol.-%, und besonders bevorzugt innerhalb eines Bereiches von etwa 10 bis 15 Vol.-% der Zusammensetzung liegen, um die Lebensdauer der Schneidkante zu maximieren. Obgleich wir annehmen, daß die Konzentration an tetragonalem Zirkoniumoxid für beste Schneidleistungen maximal sein soll, ist es nach unserer Auffassung gleichermaßen wichtig, wenn nicht wichtiger, daß soviel wie möglich des bei Raumtemperatur vorhandenen tetragonalen Zirkoniumoxids bei oder so nahe wie möglich an den Temperaturen, die während der Bearbeitung an der Schneidkante auftreten, für die durch die Phasenumwandlung hervorgerufene Zähigkeit (transformation toughening) zur Verfügung steht. Es ist daher wesentlich für die vorliegende Erfindung, daß das Magnesiumoxid in gewissen kleinen aber wirksamen Mengen vorhanden ist, die sich als kritisch für die Maximierung der Lebensdauer der Schneidkante erwiesen haben. Erfindungsgemäß müssen wenigstens etwa 22 Vol.-% des vorhandenen Zirkoniumoxids und wenigstens 4 Vol.-% der Keramikzusammensetzung tetragonales Zirkoniumoxid sein. Vorzugsweise bildet das tetragonale Zirkoniumoxid wenigstens etwa 6 Vol.-% der Zusammensetzung, besonders bevorzugt wenigstens etwa 7 Vol.-% der Zusammensetzung und am meisten bevorzugt wenigstens etwa 8,0 Vol.-% der Zusammensetzung.
• Trotz der Tatsache, daß Magnesiumoxidzusätze die Menge an bei Raumtemperatur beobachtbarem tetragonalen Zirkoniumoxid herabsetzen, werden diese in dem Bereich von etwa 0,03 bis 3 Vol.-%, vorzugsweise etwa 0,03 bis 2 Vol.-% und besonders bevorzugt im Bereich von etwa 0,04 bis 1,0 Vol.-% der Zusammensetzung zugegeben. Das Magnesiumoxid kann in das Aluminiumoxid oder das Zirkoniumoxid eingemischt werden, unmittelbar bevor der Grünling gepreßt wird, oder es kann mit dem Aluminiumoxid oder dem Zirkoniumoxid vorvermischt oder vorlegiert sein. Vorvermischen des Magnesiumoxidpulvers wird bevorzugt, da angenommen wird, daß das vorvermischte Magnesiumoxid zur Erzeugung eines bei hoher Temperatur metastabilen tetragonalen Zirkoniumoxids wirksamer ist, so daß eine kleinere Menge an Magnesiumoxid zugesetzt werden kann und die schädlichen Wirkungen von hohen Magnesiumoxidzusätzen (z. B. die Bildung eines niedrig schmelzenden Glases und Mg-Al-O-Bildungen) minimiert werden. Äquivalente Mengen anderer Magnesium-Sauerstoff-Verbindungen, wie z. B. Magnesiumcarbonat, die einen zusätzlichen Verfahrensschritt erforderlich machen können, wie z. B. eine Calcinierung zur Herstellung von Magnesiumoxid, können die Magnesiumoxidzugabe ganz oder teilweise ersetzen. Nach dem Sintern der vermischten Zusammensetzungen darf der Magnesiumoxidzusatz nicht als separate Phase, sondern muß als ein Rest vorliegen. Dieser Rest kann beispielsweise eine feste Lösung aus Magnesiumoxid und Aluminiumoxid, Magnesiumaluminat, eine feste Lösung aus Magnesiumoxid und Zirkoniumoxid und/oder ein Glas einschließen, wie beispielsweise ein mit Siliciumdioxid-Verunreinigungen gebildetes Glas, wobei die Siliciumdioxid-Verunreinigungen als ein dünner Uberzug auf den Siliciumcarbidwhiskern vorgelegen haben können.
• Im übrigen besteht die Keramikzusammensetzung im wesentlichen aus Aluminiumoxid und vorzugsweise ganz aus Aluminiumoxid, mit Ausnahme von Verunreinigungen. In allen Fällen enthält die vorliegende Keramikzusammensetzung auf Aluminiumoxidbasis wenigstens 40 Vol.-%, vorzugsweise wenigstens 50 Vol.-% Aluminiumoxid.
• Titancarbid kann in Form von Whiskern und/oder in Form von im wesentlichen equiaxialen Teilchen in einer Menge von etwa 2 bis 35 Vol.-%, vorzugsweise in einer Menge von etwa 10 bis 30 Vol.- % der Zusammensetzung zugegeben werden. Titancarbid besitzt einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als Aluminiumoxid. Es wird daher angenommen, daß mit Hilfe von Titancarbidzusätzen mehr tetragonales Zirkoniumoxid bei Raumtemperatur zurückbehalten werden kann. Titancarbidwhisker können mit den in A. Kato et al, "Growth Rate of Titanium Carbide Whiskers in Chemical Vapor Deposition", J. Cryst. Growth, 37 (1977), Seiten 293 bis 300, und den in N. Tamari et al, "Catalytic Effects of Various Metals and Refractory Oxides on the Growths of TiC Whiskers by Chemical Vaper Depesition", J. Cryst. Growth, 46 (1979), Seiten 221 bis 237, beschriebenen Methoden hergestellt und eingebracht werden. Titancarbidwhisker und deren Aufnahme und Verwendung in Schneideinsätzen auf Aluminiumoxidbasis sind in der auf die Kennametal Inc. übertragenen US-Patentanmeldung Nr. 056,091 von Mehrotra et al, eingereicht am 28. Mai 1987, jetzt US-Patent Nr. 4 852 999, offenbart.
• Die hier verwendeten Aluminiumoxidpulver sollten aus hochreinem Aluminiumoxid sein (d. h. aus Aluminiumoxid mit einer Reinheit > 99 %), wie beispielsweise von ALCOA (z. B. der Typ A16SG), von Ceralox (z. B. der Typ HPA - 0.5, mit oder ohne Magnesiumoxid) oder von Reynolds Chemicals (Typ RC-HP oder RC-HP- DBM) hergestelltes Aluminiumoxid.
• Yttriumoxid, Calciumoxid, die Oxide der Seltenen Erden und andere Verbindungen, die aufgrund einer Herabsetzung der Phasenumwandlungstemperatur von der tetragonalen in die monoklinische Phase eine gegenteilige Wirkung auf die Lebensdauer der Schneidkante ausüben, sind, wenn überhaupt, vorzugsweise nur als Verunreinigungen vorhanden.
• Das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Material kann zur Herstellung von Keramikzusammensetzungen auf Aluminiumoxidbasis mit einer Dichte von mindestens 98 %, und vorzugsweise wenigstens 99 % der theoretischen Dichte gemahlen, vermischt und bei hoher Temperatur verdichtet werden, wobei die Keramikzusammensetzungen vorzugsweise eine vollständig aus Aluminiumoxid bestehende Aluminiumoxidmatrix aufweisen, in der das Siliciumcarbid, der Magnesiumoxidrest aus dem Magnesiumoxidzusatz, das Zirkoniumoxid und, gegebenenfalls, das Titancarbid wenigstens im wesentlichen homogen verteilt sind. Die Temperaturen beim Heißpressen oder Sintern werden vorzugsweise unterhalb 1700ºC, besonders bevorzugt unterhalb 1650ºC und am meisten bevorzugt unterhalb 1600ºC gehalten, um das Wachstum der Zirkoniumoxidteilchen zu minimieren und dadurch die im Endprodukt vorhandene tetragonale Zirkoniumoxidphase zu maximieren. Die durchschnittliche Teilchengröße des Zirkoniumoxids in dem Schneideinsatz sollte etwa 5 um, vorzugsweise 2 um und besonders bevorzugt 1 um nicht überschreiten. Die Zirkoniumoxidteilchen sollten im Durchschnitt jedoch groß genug sein, damit sich das meiste tetragonale Zirkoniumoxid während der Verwendung in monoklinisches Zirkoniumoxid umwandeln kann. Diese Mindestgröße hängt von der jeweiligen Keramikzusammensetzung ab und ist gegenwärtig unbestimmt.
• Obgleich die Bindung an eine bestimmte Theorie nicht beabsichtigt ist, wird die folgende Erklärung für die vorliegende Erfindung angeboten. In Aluminiumoxid-Siliciumcarbidwhisker-Zirkoniumoxid-Zusammensetzungen kann die Menge an bei Raumtemperatur erhältlichem metastabilen tetragonalen Zirkoniumoxid durch eine Verminderung der Zirkoniumoxidteilchengröße oder durch den Zusatz der sogenannten Stabilisierungsmitteln für die kubische Phase, wie beispielsweise Yttriumoxid, Calciumoxid und/oder die Oxide der Seltenen Erden, erhöht werden (siehe Stevens, "An Introduction to Zirconia--Zirconia and Zirconia Ceramics," Magnesium Elektron Pub. Nr. 113, Magnesium Elektron Ltd., England (1986)). Während in der Literatur Magnesiumoxid gewöhnlich in die vorgenannte Liste der Stabilisierungsmittel eingeschlossen wird, wurde hier gefunden, daß Magnesiumoxid die bei Raumtemperatur vorhandene Menge an tetragonalem Zirkoniumoxid herabsetzt, wenn das Magnesiumoxid in einer Menge von etwa 0,03 bis 3 Vol.-% zu den vorliegenden Zusammensetzungen zugegeben wird. Wenn Yttriumoxid zu dem Zirkoniumoxid zugegeben wird, neigt es dazu, die tetragonale und die kubische Phase von Zirkoniumoxid bei einer niedrigeren Temperatur zu stabilisieren. Alle vorgenannten Stabilisierungsmittel und die meisten Verunreinigungen, mit Ausnahme von Magnesiumoxid, beeinflussen ZrO&sub2; in gleicher Weise (d. h., sie setzen die Temperatur herab, bei der die tetragonale Zirkoniumoxidphase stabil ist). Bei Raumtemperatur kann ein Teil des Zirkoniumoxids als metastabiles tetragonales Zirkoniumoxid vorliegen. Unter der Wirkung einer Zugbeanspruchung kann dieses tetragonale Zirkoniumoxid monoklin werden, was eine durch Phasenumwandlung bewirkte Zähigkeitserhöhung verursacht. Wenn jedoch die Temperatur ansteigt, wird das tetragonale Zirkoniumoxid stabil und steht deshalb nicht mehr für eine Umwandlung in die monokline Kristallstruktur zur Verfügung. Somit ist jede Verunreinigung oder jeder Zusatz, wie beispielsweise Yttriumoxid, die tetragonales Zirkoniumoxid bei niedriger Temperatur stabilisieren, für Anwendungen zum Schneiden von Metall ungeeignet, da die Temperatur an der Schneidkante bei Hochleistungsbearbeitungen auf etwa 1000 bis 1200ºC ansteigen kann. Daher werden in Einklang mit der Theorie der vorliegenden Erfindung für die durch Phasenumwandlung bewirkte Zähigkeitserhöhung bei hoher Temperatur Zusätze benötigt, welche die Umwandlungstemperatur des Zirkoniumoxids von der monoklinischen in die tetragonale Phase anheben. Es wurde gefunden, daß es nur zwei Oxidzusätze gibt, MgO und HfO&sub2;, welche die Umwandlungstemperatur erhöhen. Daher wird angenommen, daß durch Legieren des Zirkoniumoxids mit Magnesiumoxid oder Hafniumoxid ein großer Anteil des Zirkoniumoxids bei der hohen Temperatur des Metallschneidens als metastabiles tetragonales Zirkoniumoxid zurückbehalten werden kann, wenn die Teilchengröße des Zirkoniumoxids klein gehalten wird. Es wird angenommen, daß dies dabei hilft, verbesserte Lebensdauern der Werkzeuge während des Metallschneidens zu erhalten. Es sollte angemerkt werden, daß Zirkoniumoxid normalerweise bis zu etwa 2 Gew.-% Hafniumoxid als eine Verunreinigung enthält.
• Der beträchtliche positive Einfluß, den Magnesiumoxidzusätze auf die Schneidleistung beim Schneiden von Metall haben, wird durch die folgenden, rein beispielhaften Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung noch besser verdeutlicht.
• Es wurden sechs Zusammensetzungen (Tabelle 1) mit den nominalen Zusammensetzungen Al&sub2;O&sub3; - 10 Vol.-% SiCw (Siliciumcarbidwhisker) - 10 Vol.- % ZrO&sub2; hergestellt. Geringe Mengen an Y&sub2;O&sub3; und MgO wurden zugesetzt. Im Falle des Gemisches Nr. 6 waren durch den Pulverhersteller schon etwa 0,05 Gew.-% (etwa 0,06 Vol.-%) MgO mit dem Al&sub2;O&sub3; vermischt. Dies ergab das Gemisch Nr. 6 mit einem Magnesiumoxidgehalt von etwa 0,04 Vol.-%. Es wurden 50 g-Ansätze dieser Pulver hergestellt, wobei zuerst Al&sub2;O&sub3;- und ZrO&sub2;-Aufschlämmungen (in Propanol), und gegebenenfalls stabilisierende Zusätze, in einer Kugelmühle unter Verwendung von Al&sub2;O&sub3;-Zykloiden eine Stunde lang vermischt wurden. Danach wurde eine ultraschallbehandelte SiCw-Aufschlämmung zugegeben und das ganze Gemisch wurde eine Stunde lang vermischt. Die Al&sub2;O&sub3;- und ZrO&sub2;-Aufschlämmungen waren vorher gemahlen worden, um mittlere Teilchengrößen von 0,5 bis 0,6 um bzw. 0,6 bis 0,8 um zu erhalten (die zugehörigen, mittels BET gemessenen spezifischen Oberflächen waren 10 bis 14 m²/g bzw. 20 bis 40 m²/g). Danach wurde die Mischung getrockuet, durch ein Sieb mit 150 um-Öffnungen (100 mesh) gesiebt und in einer Graphitform mit einem Durchmesser von 25,4 mm (1 inch) bei den unten in Tabelle 1 angegebenen Temperaturen und Drücken eine Stunde lang unter Argon heißgepreßt. Die erhaltenen Barren hatten eine Dichte von größer als 99 % der theoretischen Dichte und wurden zur Messung physikalischer und mechanischer Eigenschaften geschnitten, geschliffen und poliert. Die Barren wurden außerdem zur Herstellung von wendbaren Schneideinsätzen für das Schneiden von Metall zu Testzwecken geschnitten und geschliffen. Tabelle 1: Zusammensetzungen Nominale Zusammensetzung: Alcoa A16SG Tokai Carbon Co. (Tokyo, Japan) TOKAWHISKER (TOKAMAX) Typ 1 (Durchmesser 0,3 - 1,0 um; Länge 20 - 50 um) Zircar - nicht stabilisiert Fisher Scientific Corp. - Reagent-Grade BET = 40,4 m²/g MolyCorp, BET = 15,4 m²/g Heißpressen Gemisch Nr. Temp. (ºC) Druck MPa (psi) Zusammensetzung Nominal Nominal, außer daß Al&sub2;O&sub3; von Ceralox, Typ HPA-0.5, mit einer mittleren Teilchengröße von 0,5 - 0,7 um verwendet wurde. Nominal, ausgenommen, daß Al&sub2;O&sub3; von Ceralox, Typ HPA-0.5, mit MgO (0,05 Gew.-%) verwendet wurde. Tabelle 2: Eigenschaften Tetragonales ZrO&sub2; **) Gemisch Nr. RA-Härte Bruchzähigkeit KIC(E&C)*) (MPa m1/2) in Vol.-% bezogen auf ZrO&sub2; in Vol.-% des Verbundwerkstoffs *) Evans and Charles, "Fracture Toughness Determination by Indentation", J. American Ceramic Society, Band 59, Nr. 7-8, Seiten 371, 372 unter Verwendung einer 18,5 kg Last.**) Gemessen mittels Röntgenbeugung an einer polierten Fläche. Es wird angenommen, daß der Rest des Zirkoniumoxids monoklines Zirkoniumoxid ist. Kubisches Zirkoniumoxid, welches in geringen Mengen vorhanden sein kann, ist in dem berechneten Wert für tetragonales Zirkoniumoxid enthalten.
• In Tabelle 2 sind die physikalischen und mechanischen Eigenschaften der heiß gepreßten Verbundwerkstoffe angegeben.
• Um den Anteil an monoklinischem ZrO&sub2; (Vm) as den Signalintensitäten der 111- Reflektion des monoklinisehen ZrO&sub2; (Im(111)) und der 111-Reflektion des tetragonalen ZrO&sub2; (It(111)) abzuschätzen, wurde eine modifizierte Porter-Heuer- Formel (Porter et al, J. American Ceramic Society, Band 62, Nr. 5-6 (1979), Seiten 298 bis 305) verwendet:
• und Vt = 1-Vm (2)
• Vt bedeutet darin den Anteil des ZrO&sub2;, der tetragonales ZrO&sub2; ist.
• Der berechnete Volumenanteil an tetragonalem Zirkoniumoxid in dem gesamten Verbund ist (vt):
• vt = Vt vz (3)
• worin vz der Volumenanteil des gesamten zu der Mischung zugegebenen ZrO&sub2; ist. Die vorstehende Beziehung setzt voraus, daß das ZrO&sub2; mit Ausnahme der oben erörterten Phasenumwandlungen während der Verdichtung im wesentlichen unverändert bleibt.
• Fig. 2 zeigt die Wirkung der verschiedenen Zusätze auf die Menge an tetragonalem Zirkoniumoxid in den Verbundwerkstoffen. Es ist deutlich erkennbar, daß Magnesiumoxidzusätze die Menge an tetragonalem Zirkoniumoxid bei Raumtemperatur herabsetzen (Kurve 1), wohingegen Yttriumoxid-Zusätze die Menge an tetragonalem Zirkoniumoxid bei Raumtemperatur erhöhen (Kurve 2). Tabelle 3: Drehen von AISI 1045*) Stahl (192-200 BHN) EinsatzMaterial Lebensdauer der Schneidkante und Verschleißart Durchschnittliche Lebensdauer (Minuten) Gemisch
Testbedingungen:
• 305 m/min (1000 sfm (suface feet/minute))
• 0,635 mm/Umdrehung (0,025 ipr (inch/revolution))
• 2,54 mm Schnittiefe (0,100 inch doc; depth of cut)
• SNGN-453T (Amerikanische Normbezeichnung gemäß ANSI B212.4 - 1986) wendbarer Schneideinsatztyp (Herstellung der Schneidkante: 0,2 mm (0,008 inch) x 200 Fase (K-land))
• 15º Freiwinkel (lead angle; Winkel der seitlichen Schneidkante)
• -5º Seitenspanwinkel
• -5º Rückenspanwinkel
• keine Kühlung
Kriterien für die Lebensdauer der Schneidkante:
• FW - 0,381 mm (0,015 inch) gleichförmiger Flankenabrieb
• MW - 0,762 mm (0,030 inch) konzentrierter Flankenabrieb
• CR - 0,102 mm (0,004 inch) Kolkverschleiß (crater wear)
• DN - 0,762 mm (0,030 inch) Schnittkerbentiefe (depth of cut notch)
• CH - 0,762 mm (0,030 inch) konzentrierter Abrieb oder Abspanen
• BK - Bruch *) AISI 1045 entspricht der Unified Numbering System (UNS)-Bezeichnung G10450.
• Die Lebensdauern von Schneidkanten wendbarer Einsätze beim Schnellschruppen von vorbearbeitetem AISI 1045 Stahl sind in Tabelle 3 angegeben. Es ist deutlich erkennbar, daß durch die Zugabe von Magnesiumoxid eine beträchtliche Verbesserung der Lebensdauer der Schneidkante erreicht wird, wogegen trotz des hohen Anteils an tetragonalem Zirkoniumoxid in den Yttriumoxid enthaltenden Zusammensetzungen eine Verkürzung der Werkzeuglebensdauern auftritt, wenn Yttriumoxid zugegeben wird. Tabelle 4: Zusammensetzungen Nominale Zusammensetzung: Al&sub2;O&sub3; - 5 Vol.-% SiCw - 10 VoI.-% ZrO&sub2; Al&sub2;O&sub3;: Ceralox-HPA-0.5 ohne MgO SiCw: Tokai Typ 1 ZrO&sub2;: Magnesium Elektron (SC15) - nicht stabilisiert (Teilchengröße 0,5 bis 0,6 um; BET 5 bis 8 m²/g) Heißpressen Gemisch Nr. Temp.ºC Zusammensetzung Nominal
• Zur weiteren Beschreibung der Wirkung des Anteils an Magnesiumoxid auf den Gehalt an tetragonalem Zirkoniumoxid und auf die Lebensdauer der Schneidkante wurde eine zweite Reihe von Gemischen 7 bis 11, wie in Tabelle 4 angegeben, hergestellt. Alle Proben wurden im wesentlichen so wie in bezug auf die aus den Gemischen 1 bis 6 hergestellten Proben beschrieben, verarbeitet und heißgepreßt.
• Die physikalischen und mechanischen Eigenschaften der Materialien sind in Tabelle 5 angegeben. Es ist deutlich erkennbar, daß wiederum der Gehalt an tetragonalem Zirkoniumoxid mit zunehmenden Mengen des Magnesiumoxidzusatzes deutlich abnimmt. Diese Wirkung ist auch in Kurve 3 der Fig. 1 gezeigt. Es ist zu sehen, daß die Gemische 7 bis 11 einen höheren Gehalt an tetragonalem Zirkoniumoxid aufweisen als die in der Kurve 1 dargestellten Materialien. Es wird angenommen, daß diese Wirkung auf den niedrigeren SiCw-Gehalt (5 Vol.-% gegenüber 10 Vol.-%) zurückzuführen ist, der in den zweiten Gemischen verwendet wird. Es wurde beobachtet, daß im allgemeinen mit zunehmendem SiC-Whiskergehalt der Anteil an tetragonalem Zirkoniumoxid bei einem gegebenen Zirkoniumoxidgehalt abnimmt, wenn alle anderen Bedingungen konstant gehalten werden. Tabelle 5: Eigenschaften Gemisch Nr. Vol.-% MgO RA-Härte Bruchzähigkeit KIC(E&C) (MPa m1/2) Tetragonales ZrO&sub2; in Vol.-% de Verbundwerkstoffs
• Die Lebensdauern von Schneidkanten wendbarer Einsätze beim Schnellschruppen von AISI 1045 Stahl sind in Tabelle 6 angegeben. Tabelle 6: Drehen von AISI 1045 Stahl (197 bis 199 BHN) Material de Einsatzes Lebensdauer der Schneidkante und Verschleißart Durchschnittliche Lebensdauer (Minuten) Gemisch
• Die Testverfahren und Bedingungen, sowie die zur Erzeugung der in den Tabellen 5 und 6 angegebenen Daten verwendeten Kriterien für die Lebensdauer der Schneidkante waren dieselben, wie für die Tabellen 2 und 3 beschrieben.
• Für ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel wurde eine Al&sub2;O&sub3; - 2,5 Vol.-% SiCw - 10 Vol.-% ZrO&sub2; - 1,05 Vol.-% MgO enthaltende Zusammensetzung hergestellt. Es wurde ein 50 g-Ansatz dieser Zusammensetzung hergestellt, wobei zuerst eine Aufschlämmung (in Propanol) aus Al&sub2;O&sub3; (Ceralox Typ HPA-0.5 mit MgO (0,05 Gew.-%)), ZrO&sub2; (Magnesium Elektron SC15) und MgO (Fisher Reagent Grade) in einer Kugelmühle unter Verwendung von Al&sub2;O&sub3;-Zykloiden eine Stunde lang gemischt wurden. Danach wurde eine ultraschallbehandelte SiCw-Aufschlämmung (Tokal Typ 1) zugegeben und die gesamte Mischung wurde eine Stunde lang gemischt. Die Al&sub2;O&sub3; und ZrO&sub2; enthaltenden Aufschlämmungen waren vorher zur Erzeugung von mittleren Teilchengrößen von etwa 0,5 bis 0,7 um bzw. 0,5 bis 0,6 um gemahlen worden. Danach wurde das Gemisch getrocknet, durch ein Sieb mit 150 um Öffnungen (100 mesh) gesiebt und isostatisch bei Raumtemperatur und 207 MPa (30000 psi) kompaktiert. Aus dem so erhaltenen, kalt kompaktierten Rohling wurden Stücke geschnitten und diese eine Stunde lang bei 1700ºC unter 1 Atmosphäre Argon gesintert, gefolgt von isostatischem Heiß pressen bei 1600ºC während einer Stunde unter 117 MPa (17000 psi) Argon. Die so erhaltenen Proben wiesen eine Dichte von größer als 99 % der theoretischen Dichte auf (d. h., sie waren voll verdichtet). Danach wurden Proben für physikalische und mechanische Untersuchungen hergestellt und zu wendbaren Schneideinsätzen geschliffen, wie in den vorstehenden Beispielen beschrieben. Der Gehalt an tetragonalem Zirkoniumoxid der Proben wurde zu etwa 6,6 Vol.-% bestimmt. Es wird geschätzt, daß das in dieser Weise hergestellte Material eine Zirkoniumoxidteilchengröße von etwa 5 um oder weniger aufweist. Schneideinsätze des in Tabelle 3 beschriebenen Typs wurden unter den in Tabelle 3 angewandten Bedingungen getestet. Es wurden Lebensdauern für die Schneidkanten von 14,4 Minuten (DN-Verschleiß) und 18,9 Minuten (FW & CH-Verschlelß) erhalten.
• Es wird angenommen, daß die Lebensdauer der Schneidkante verlängert oder gleichförmiger gemacht werden kann, wenn die Schneidkante gehont und/oder die Oberfläche des Einsatzes geläppt oder poliert wird, um Oberflächenmaterial mit einem höheren Anteil an monoklinischem und einen niedrigeren Anteil an tetragonalem Zirkoniumoxid zu entfernen, als dies charakteristisch für den Großteils des Materials ist (d. h., eine polierte Oberfläche). Es ist bekannt, daß Beanspruchungen beim Abschleifen eine Oberflächenschicht erzeugen, in der ein Teil des metastabilen tetragonalen Zirkoniumoxids in monoklinisches Zirkoniumoxid umgewandelt ist. Es wird bevorzugt, daß wenigstens solche Oberfiächenbereiche des Einsatzes, die während der Verwendung hohen Temperaturen ausgesetzt sind, die maximale Menge an tetragonalem Zirkoniumoxid aufweisen, das für die Umwandlung bei hoher Temperatur zur Verfügung steht.

Claims (29)

1. Schneideinsatz für die Metallbearbeitung mit einer Spanfläche, einer Freifläche und einer Schneidkante am Zusammentreffen der Spanfläche und der Freifläche, wobei der Schneideinsatz eine Keramik-Zusammensetzung auf Aluminiumoxid-Basis aufweist, die im wesentlichen besteht aus

etwa 1,5 bis 10,5 Vol.-% Siliziumkarbid-Whiskern,

etwa 5 bis 17,5 Vol.-% Zirkoniumoxid,

einem Rest eines in einer Menge von etwa 0,03 bis 3 Vol.-% zugegebenen Magnesiumoxid-Zusatzes,

wobei Aluminiumoxid im wesentlichen den Rest der Zusammensetzung bildet, wobei die Siliziumkarbid-Whisker, das Zirkoniumoxid und der Rest an Magnesiumoxid-Zusatz im wesentlichen homogen in einer aus dem Aluminiumoxid gebildeten Matrix dispergiert sind und mindestens etwa 4,0 Vol.-% der Keramikzusammensetzung tetragonales Zirkoniumoxid sind.

2. Schneideinsatz nach Anspruch 1, bei dem mindestens etwa 6,0 Vol.-% der Zusammensetzung tetragonales Zirkoniumoxid sind.

3. Schneideinsatz nach Anspruch 1, bei dem mindestens 7 Vol.-% der Zusammensetzung tetragonales Zirkoniumoxid sind.

4. Schneideinsatz nach Anspruch 1, enthaltend etwa 0,03 bis 2 Vol.-% des Restes an Magnesiumoxid-Zusatz.

5. Schneideinsatz nach Anspruch 1, enthaltend etwa 0,04 bis 1 Vol.-% des Restes an Magnesiumoxid-Zusatz.

6. Schneideinsatz nach Anspruch 1, enthaltend etwa 1,5 bis 5,0 Vol.-% Siliziumkarbid-Whisker.

7. Schneideinsatz nach Anspruch 1, enthaltend etwa 7,5 bis 17,5 Vol.-% Zirkoniumoxid.

8. Schneideinsatz nach Anspruch 1, enthaltend 10 bis 15 Vol.-% Zirkoniumoxid.

9. Schneideinsatz nach Anspruch 1, bei dem das Zirkoniumoxid eine mittlere Teilchengröße von weniger als 2 um aufweist.

10. Schneideinsatz nach Anspruch 1, bei dem das Zirkoniumoxid eine mittlere Teilchengröße von 1 um oder weniger aufweist.

11. Schneideinsatz für die Metallbearbeitung mit einer Spanfläche, einer Freifläche und einer Schneidkante am Zusammentreffen der Spanfläche und der Freifläche, wobei der Schneideinsatz eine Keramik-Zusammensetzung auf Basis von Aluminiumoxid aufweist, welche

etwa 1,5 bis 10,5 Vol.-% SiC-Whisker

etwa 5 bis 17,5 Vol.-% ZrO&sub2;,

einen Rest eines in einer Menge zugegebenen Magnesiumoxid-Zusatzes, die der Schneidkante eine Lebensdauer von mindestens 12 Minuten zu verschaffen in der Lage ist, und zwar beim Drehen von AISI 1045-Stahl mit einer Brinell-Härte im Bereich von 190 bis 200, unter den Bedingungen von 305 m/Min. (1000 surface feet/min.), 0,635 mm (0,025 inch)/Umdrehung und 2,54 mm (0,100 inch) Schnittiefe, und

eine Matrix auf Basis von Aluminiumoxid aufweist, in der die Siliziumkarbid-Whisker, das Zirkoniumoxid und der Rest an Magnesiumoxid-Zusatz im wesentlichen homogen verteilt sind,

und worin tetragonales Zirkoniumoxid mindestens 4 Vol.-% der Keramik-Zusammensetzung auf Basis von Aluminiumoxid bildet.

12. Schneideinsatz nach Anspruch 11, bei dem die Lebensdauer mindestens etwa 15 Minuten beträgt.

13. Schneideinsatz nach Anspruch 11, bei dem die Lebensdauer mindestens etwa 20 Minuten beträgt.

14. Schneideinsatz nach Anspruch 11, enthaltend mindestens 6 Vol.-% tetragonales Zirkoniumoxid.

15. Schneideinsatz nach Anspruch 11, enthaltend mindestens 7 Vol.-% tetragonales Zirkoniumoxid.

16. Schneideinsatz nach Anspruch 11, enthaltend mindestens 8 Vol.-% tetragonales Zirkoniumoxid.

17. Schneideinsatz nach Anspruch 11, bei dem die Matrix auf Basis von Aluminiumoxid vollständig aus Aluminiumoxid besteht, mit Ausnahme von Verunreinigungen.

18. Schneideinsatz nach Anspruch 11, bei dem das Zirkoniumoxid eine mittlere Teilchengröße von nicht mehr als 5 um besitzt.

19. Schneideinsatz nach Anspruch 11, bei dem das Zirkoniumoxid eine mittlere Teilchengröße von weniger als 2 um besitzt.

20. Keramik-Zusammensetzung auf Basis von Aluminiumoxid, im wesentlichen bestehend aus

etwa 1,5 bis 10,5 Vol.-% Siliziumkarbid-Whiskern,

etwa 5 bis 17,5 Vol.-% Zirkoniumoxid,

einem Rest eines in einer Menge von etwa 0,03 bis 3 Vol.-% zugegebenen Magnesiumoxid-Zusatzes,

wobei Aluminiumoxid im wesentlichen den Rest der Zusammensetzung bildet, wobei die Siliziumkarbid-Whisker, das Zirkoniumoxid und der Rest an Magnesiumoxid-Zusatz im wesentlichen homogen in einer aus dem Aluminiumoxid gebildeten Matrix dispergiert sind und mindestens etwa 4,0 Vol.-% der Keramik- Zusammensetzung tetragonales Zirkoniumoxid sind.

21. Keramik-Zusammensetzung nach Anspruch 20, bei der mindestens etwa 6,0 Vol.-% der Zusammensetzung tetragonales Zirkoniumoxid sind.

22. Keramikzusammensetzung nach Anspruch 20, bei der mindestens 7,0 Vol.-% der Zusammensetzung tetragonales Zirkoniumoxid sind.

23. Keramikzusammensetzung nach Anspruch 20, enthaltend etwa 0,03 bis 2 Vol.-% des Restes an Magnesiumoxid-Zusatz.

24. Keramikzusammensetzung nach Anspruch 20, enthaltend etwa 0,04 bis 1 Vol.-% des Restes an Magnesiumoxid-Zusatz.

25. Keramikzusammensetzung nach Anspruch 20, enthaltend etwa 1,5 bis 5 Vol.-% Siliziumkarbid-Whisker.

26. Keramikzusammensetzung nach Anspruch 20, enthaltend etwa 7,5 bis 17,5 Vol.-% Zirkoniumoxid.

27. Keramikzusammensetzung nach Anspruch 20, enthaltend 10 bis 15 Vol.-% Zirkoniumoxid.

28. Keramikzusammensetzung nach Anspruch 20, bei der das Zirkoniumoxid eine mittlere Teilchengröße von weniger als 2 um besitzt.

29. Keramikzusammensetzung nach Anspruch 20, bei der das Zirkoniumoxid eine mittlere Teilchengröße von 1 um oder weniger besitzt.