DE3529265C2

DE3529265C2 -

Info

Publication number: DE3529265C2
Application number: DE3529265A
Authority: DE
Inventors: Junichiro Hashima Gifu Jp Suzuki; Shoji Kasugai Aichi Jp Sakakibara
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1984-08-22
Filing date: 1985-08-16
Publication date: 1988-12-15
Also published as: US5106788A; DE3529265A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Verfahren zur Herstellung einer Keramik mit sehr hoher Zähigkeit gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Erfindung befaßt sich mit der Herstellung von Keramikmaterialien von hoher Dichte und großer Härte bzw. Zähigkeit und insbesondere mit einem Verfahren zur Herstellung sehr harter bzw. zäher Keramik auf der Basis von Al₂O₃-TiC, welche als Material für Schneidwerkzeuge bzw. spanabhebende Werkzeuge geeig net ist.

Bei spanabhebenden Werkzeugen bzw. bei Schneidwerk zeugen, die an ihren Kantenbereichen erhebliche Kräfte oder eine hohe Hitzeentwicklung aushalten müssen, ergibt sich die Notwendigkeit, daß die Materialien die folgenden Eigenschaften aufweisen:

1. Große Härte bei hohen Temperaturen;
2. große Zähigkeit speziell bei hohen Temperaturen;
3. chemische Stabilität und keine Reaktion des Werk zeugmaterials an seiner Kante mit dem Werkstück, d. h. mit dem zu bearbeitenden Material.

Von den gegenwärtig verwendeten Materialien für span abhebende Werkzeuge auf der Basis von Aluminiumoxid bzw. Tonerde werden die vorstehend mit 1. und 3. bezeichneten Eigenschaften im wesentlichen erfüllt, wobei jedoch Probleme im Zusammenhang mit der Eigen schaft 2. entstehen. Man entwickelte Keramik auf der Basis von Al₂O₃-TiC mit der Zielsetzung, diese Be schränkung zu überwinden. Die Keramik eines derartigen Systems stellt eine epochemachende Verbesserung auf dem Gebiet von Materialien auf der Basis von Al₂O₃ dar und ist ein typisches und ein erfolgreiches Beispiel für eine Misch- bzw. Verbundkeramik. Da sie jedoch ein Gemisch aus Oxiden und Carbiden ist, ist die Verdichtung derselben durch einfaches Erhitzen schwierig. Es ist dann notwendig, bestimmte Maßnahmen zu ergreifen, die ein Entstehen von Gasen in großem Umfang zwischen den Al₂O₃-Teilchen und den zugehörigen dispersen Teilchen (TiC) verhindern. Typische industrielle Verfahren zur Herstellung stabiler Pro dukte von hoher Qualität sind das Heißpressen (das im folgenden mit "HP" bezeichnet wird), bei dem gemein sam mit Hitze eine mechanische Kraft ausgeübt wird, und das isostatische Heißpressen (das im folgenden mit "HIP" bezeichnet wird), bei dem große und gleich mäßige Kräfte von der gesamten Umgebung des zu pres senden Körpers aufgebracht werden. Einer derartige Keramik auf der Basis von Al₂O₃-TiC weist eine gute Abriebfestigkeit und eine geringe Affinität gegenüber Eisen auf, so daß sie in der Präzisionsnachbearbeitung, dem Präzisions-Feinschliff oder beim Hochge schwindigkeitsschneiden von Gußeisen häufig verwendet wird. Gegenwärtig besteht ein Bedarf nach sehr hohen Schneidgeschwindigkeiten, um auf verschiedenen tech nischen Anwendungsgebieten, z. B. in der Kraftfahr zeug- und Flugzeugindustrie, die Produktivität zu steigern. Andererseits wurden spanabhebende Werkzeuge entwickelt, welche eine derart hohe Schneidge schwindigkeit zulassen.

Mit der Zunahme von automatisierten Produktions straßen ist es notwendig, die Zuverlässigkeit von Werkzeugen, u. a. auch von Keramik-Werkzeugen, zu erhöhen.

Zur spanabhebenden Bearbeitung bei hoher Geschwindigkeit und zur Verbesserung der Zuverlässigkeit der Schneidwerkzeuge ist es notwendig, die Leistungs fähigkeit, speziell die Zähigkeit, der gegenwärtig verfügbaren Keramik auf der Basis von Al₂O₃-TiC zu verbessern.

Als eine Maßnahme zur Verbesserung der Zähigkeit hat man erwogen, die Grenzflächenbereiche der TiC-Teil chen und der Al₂O₃-Teilchen sowie die Bereiche zwi schen den TiC-Teilchen und den Al₂O₃-Teilchen zu verstärken.

Zu diesem Zweck wurden im Stand der Technik Titan oder Titanverbindungen zugegeben.

Aus der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 51-569 ist ein Rohmaterial für Keramikwerkzeuge bekannt, das 19 bis 70 Gew.-% stöchiometrisches Titancarbidpulver, 1 bis 10 Gew.-% Titanoxidpulver und 20 bis 80 Gew.-% Al₂O₃-Pulver enthält.

Die japanische Patentveröffentlichung Nr. 50-20963 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines gesin terten Keramikkörpers aus Al₂O₃, einem Inhibitor für das Kornwachstum des Al₂O₃, stöchiometrischem Titan carbid und metallischem Titan durch Calcinieren und Pulverisieren der Mischung sowie Heißpressen des erhaltenen Pulvers.

Die US-PS 38 86 254 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Sinterkörpers unter Einsatz von Aluminiumoxid, stöchiometrischem Titan carbid und metallischem Titan als Ausgangsstoffe. Der erhaltene Sinterkörper weist jedoch in seiner Mikro struktur eine schlechte Homogenität auf und ist folg lich als Schneidwerkzeug unbefriedigend.

Aus keiner dieser Druckschriften ist die Verwendung von nicht-stöchiometrischem TiC_x mit x<1 bekannt.

Aus der US-PS 44 07 968 ist ein Verfahren zur Her stellung eines Keramikkörpers aus Aluminiumoxid und nicht-stöchiometrischem Titancarbid bekannt. Das Aus gangsgemisch enthält jedoch kein Titancarbid, sondern vielmehr liegen die Titancarbidkomponenten in Form des Gemisches (Ti+TiH₂+C) vor. Durch Einsatz von metallischem Titan ist jedoch das vollständige Mischen sehr schwierig, so daß der erhaltene gesinterte Körper keine homogene Struktur aufweist.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Keramik mit sehr hoher Zähigkeit, hoher Festigkeit und hoher Verschleißfestigkeit bereitzustellen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 oder 2 gelöst. Bevor zugte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Patentansprüchen 3 bis 8 angegeben.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer sehr zähen Keramik geschaffen, welches darin besteht, daß man einen Versatz herstellt, der im wesentlichen aus 20 bis 50 Gew.-% Titancarbid der allgemeinen Formel TiC_x, bei der x eine Zahl von 0,65 bis 0,93 bedeutet, 0,1 bis 2 Gew.-% eines oder mehrerer Sin terhilfsmittel und 48 bis 79,9 Gew.-% Al₂O₃ besteht, und daß man diesen Versatz durch das später noch im einzelnen beschriebene Preß-Sinterverfahren sintert.

Es versteht sich, daß sich die Bezeichnung "Preß- Sintern" auf ein Verfahren bezieht, bei dem die zu sinternde Masse unter mechanischem Druck gesintert wird. Die angewandte Gasatmosphäre kann unter einem reduzierten Druck, normalem Umgebungsdruck oder einem erhöhten Druck stehen. Typisch für das Preß-Sintern ist das Heißpressen.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer hochzähen Keramik geschaffen, welches darin besteht, daß man einen Versatz herstellt, der im wesentlichen aus 20 bis 50 Gew.-% Titancarbid der allgemeinen Formel TiC_x, worin x eine Zahl von 0,65 bis 0,93 bedeutet, 0,05 bis 3,0 Gew.-% eines oder mehrerer Seltenerd metalloxide und 47 bis 79,95 Gew.-% Al₂O₃ besteht, den Versatz in einem Inertgas einem primären Sinter vorgang unterzieht, bis eine relative theoretische Dichte von 95 bis 99% erreicht ist, und die erhal tene Masse durch ein später noch im einzelnen be schriebenes isostatisches Heißpressen sintert.

Im Vergleich zu dieser zweiten Ausführungsform benö tigt man bei der ersten Ausführungsform eine geringere Menge von Sinterhilfsmitteln und kann leichter Produkte erhalten, die bei hohen Temperaturen eine überragende Eigenschaft aufweisen. Jedoch hat die zweite Ausführungsform den Vorteil, daß sie eine größere Freiheit in der Gestaltung der Produkte er möglicht sowie bezüglich der Herstellungskosten gün stiger ist.

Sowohl nach der ersten als auch nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung ist es notwendig, daß TiC_x in einer Menge von 20 bis 50 Gew.-%, vor zugsweise von 20 bis 35 Gew.-%, zur Anwendung kommt.

Das vorgenannte TiC_x ist ein nicht-stöchiometrisches Titancarbid, bei dem ein Titan-Überschuß vorhanden ist und das eine Kristallstruktur aufweist, die un vollständiger und instabiler ist als bei stöchiome trischem Titancarbid, das durch TiC wiedergegeben wird. Aus diesem Grunde erfolgt die Sinterreaktion, z. B. die Festphasenreaktion, leicht, so daß die Grenzflächenbereiche zwischen den Al₂O₃-Teilchen und den TiC_x-Teilchen sowie diejenigen zwischen den TiC_x- Teilchen verbessert werden, verglichen mit den Grenz flächenbereichen zwischen den Al₂O₃-Teilchen und den TiC-Teilchen, sowie denjenigen zwischen den TiC- Teilchen. Die interatomare Bindung von Ti und C_x erfolgt in einer Art metallischer Bindung zusätzlich zur kovalenten Bindung, was zu einer Verbesserung der Zähigkeit führt.

Wenn x in TiC_x unter 0,65 liegt, nimmt die Lei stungsfähigkeit, insbesondere die Abriebfestigkeit, der gesinterten Masse ab. Wenn x größer als 0,93 ist, bringt das TiC_x einen geringeren Effekt, so daß eine unzureichende Zähigkeit erhalten wird. Der Wert x liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,80 bis 0,90.

Wenn die Menge von TiC_x unter 20 Gew.-% liegt, wird der auf die Verwendung von TiC_x zurückgehende Effekt unzureichend, während dann, wenn die Menge über 50 Gew.-% liegt, die Sinterfähigkeit verringert wird, so daß keine ausreichende Festigkeit bzw. Zähigkeit erhalten wird. TiC_x wird daher vorzugsweise in einer Menge von 20 bis 35 Gew.-% verwendet.

Al₂O₃, wie es in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, weist eine Reinheit von 99,5 Gew.-% oder mehr und eine mittlere Teilchengröße von 2 µm oder weniger, insbesondere von 1 µm oder weniger, auf.

Im folgenden wird auf die Erfindung gemäß der ersten Ausführungsform näher eingegangen.

Gemäß dieser Ausführungsform ist es notwendig, daß ein oder mehrere Sinterhilfsmittel, wie MgO oder CaO, in einer Menge von 0,1 bis 2 Gew.-% verwendet werden. Das Sinterhilfsmittel wird vorzugsweise in einer Menge von 0,3 bis 1,5 Gew.-% verwendet.

Die Sinterhilfsmittel bilden eine Verbindung mit Al₂O₃, die ihrereseits dazu dient, das Sintern der Keramik zu fördern, was zu einer Verbesserung im Sinterverhalten führt. Darüberhinaus macht es die Zugabe der Sinterhilfsmittel möglich, das Kornwachs tum von Al₂O₃ während des Sinterns zu beschränken. Die Bezeichnung "Sinterhilfsmittel" bezieht sich bei dieser Ausführungsform auf diejenigen Sinterhilfsmit tel, die üblicherweise für das Sintern von Keramik, welche hauptsächlich aus Al₂O₃ besteht und z. B. auf Al₂O₃, Al₂O₃-TiC oder Al₂O₃-ZrO basiert, verwendet werden. Spezielle Beispiele für das Sinterhilfsmittel sind MgO, CaO, SiO₂, ZrO₂, NiO, Th₂O₃, AlN, TiO, TiO₂, Cr₂O₃ oder Seltenerdmetalloxide, wie Y₂O₃, Dy₂O₃, Er₂O₃, Ho₂O₃, Gd₂O₃ oder Tb₄O₇.

Bei einer Menge des Sinterhilfsmittels von unter 0,1 Gew.-% ist der vorgenannte Effekt unzureichend. Bei Zugabe einer Menge von über 2 Gew.-% setzt das Sin terhilfsmittel die Hochtemperatureigenschaften der keramischen Materialien herab.

Bei der Erfindung gemäß der ersten Ausführungsform kommen für das Sintern das Preß-Sintern, vorzugsweise das Heißpressen, zur Anwendung. Das Preß-Sintern wird bei einer Temperatur von 1600 bis 1900°C, vorzugs weise von 1700 bis 1850°C, und einem Druck von etwa 50 kPa oder mehr, vorzugsweise von 100 kPa oder mehr, in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre, vorzugsweise in einer Inertgasatmosphäre, durchgeführt. Als Sin terperiode dient üblicherweise eine Zeit von 5 bis 120 min, vorzugsweise 10 bis 40 min. Das Preß-Sintern kann mit oder ohne eine vorausgehende Verdichtung des Versatzes durchgeführt werden. Während ein derartiges Vorverdichten durch Kaltpressen bewirkt werden kann, kann ein Vorsintern über ein normales Sintern wahl weise vor dem Preß-Sintern durchgeführt werden. Das Vorverdichten oder das Preß-Sintern wird mit oder ohne Verdichtungshilfsmittel (organische oder anorga nische Bindemittel) durchgeführt.

Im folgenden wird auf die Erfindung gemäß der zweiten Ausführungsform näher eingegangen. Bei dieser Ausfüh rungsform ist es notwendig, daß zusätzlich zu Al₂O₃ und TiC_x ein oder mehrere Seltenerdmetalloxide, bei spielsweise Y₂O₃ oder Dy₂O₃, in einer Menge von 0,05 bis 3 Gew.-% eingesetzt werden.

Die Seltenerdmetalloxide werden bei einer relativ niedrigen Temperatur von beispielsweise 1750°C bei dem primären Sintervorgang verwendet, um die relative theoretische Dichte des Versatzes auf mindestens 95% zu bringen, was als Ausgangszustand für die später noch zu beschreibende HIP-Behandlung notwendig ist.

Wenn die Menge der Seltenerdmetalloxide unter 0,05 Gew.-% liegt, erreicht die relative theoretische Dichte des Versatzes keine 95%, es sei denn, daß der primäre Sintervorgang bei einer relativ hohen Temperatur durchgeführt wird. In diesem Falle kommt es zu einem Kornwachstum des Al₂O₃, so daß die Festigkeit der gesinterten Masse abnimmt.

Liegt die Menge der Seltenerdmatalloxide über 3 Gew.-%, kann umgekehrt zwar eine in gewisser Weise gesin terte Masse erhalten werden. Deren Zähigkeit ist jedoch stark herabgesetzt, so daß sie im Hinblick auf die bei der vorliegenden Erfindung angestrebten Ei genschaften nicht mehr als Werkzeug einsetzbar ist.

Die Oxide der Seltenden Erden, d. h. Dy₂O₃, Y₂O₃, Tb₄O₇, Ho₂O₃, Er₂O₃ und Gd₂O₃, oder ihre Gemische, sind in dem vorgenannten primären Sintervorgang schon bei einer relativ niedrigen Temperatur zur Einstel lung einer bestimmten relativen theoretischen Dichte sehr wirksam.

Es ist des weiteren möglich, dem gesamten Versatz ein oder mehrere Sinterhilfsmittel in einer Menge von nicht über 2 Gew.-% zuzugeben, wobei als Sinterhilfs mittel diejenigen dienen können, die zum Sintern einer Keramik verwendet werden, die hauptsächlich aus Al₂O₃ besteht und z. B. auf Al₂O₃, Al₂O₃-TiC oder Al₂O₃-ZrO₂ basiert. Das Sinterhilfsmittel kann bei spielsweise MgO, CaO, SiO₂, ZrO₂ oder NiO oder ein Sinterhilfsmittel gemäß der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform der Erfindung, ausgenommen die Seltenerdmetalloxide, sein. Diese Maßnahme wird be vorzugt, weil dabei das Kornwachstum während des Sintervorgangs weiter beschränkt wird, so daß ein Keramikmaterial mit hoher Festigkeit erhalten wird. Das Sinterhilfsmittel wird in einer Menge von minde stens 0,1 Gew.-%, vorzugsweise von 0,5 bis 2 Gew.-%, eingesetzt, um wirksam zu sein. Die Gesamtmenge der Seltenerdmetalloxide und der anderen Sinterhilfsmit tel liegt vorzugsweise bei 1 bis 3 Gew.-%.

Gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung wird der Versatz durch ein normales Sintern oder Preß- Sintern vorgesintert. Das Preß-Sintern kann mit oder ohne Vorverdichten erfolgen, während beim normalen Sintervorgang ein Vorverdichten notwendig ist. Das Vorverdichten kann mit oder ohne Verdichtungshilfs mittel durchgeführt werden. Bei der zweiten Ausfüh rungsform der Erfindung wird der Versatz in die ge wünschte Gestalt durch normale Form- oder Verdich tungsverfahren, z. B. durch ein Druckformverfahren, unter Verwendung herkömmlicher Verdichtungshilfen, z. B. organischer Bindemittel, gebracht. Anschließend wird die gebildete Masse einem primären Sintervorgang bis zu einer relativen theoretischen Dichte von 95 bis 99% in einem Inertgas unterworfen, um die Oxida tion von TiC_x zu verhindern. Der primäre Sintervor gang enthält üblicherweise einen vorhergehenden Schritt, bei dem die Formhilfsmittel entfernt werden. Der primäre Sintervorgang wird so durchgeführt, daß bei einem beliebigen Sinterverfahren, z. B. dem norma len Sintern oder dem HP-Prozeß, eine relative theore tische Dichte von zumindes 95% erreicht wird. Unter normalem Sintern ist das Sintern zu verstehen, bei dem kein mechanischer Druck auf die zu sinternde Masse ausgeübt wird.

Der primäre Sintervorgang wird bei einer Temperatur von 1600 bis 1800°C, vorzugsweise von 1650 bis 1750°C, über einen Zeitraum von 30 bis 180 min wie beim normalen Sintern durchgeführt.

Wenn die relative theoretische Dichte nach dem primä ren Sintervorgang unter 95% liegt, wird keine aus reichende Verdichtung in der anschließenden HIP- Behandlung erreicht. Wenn sie größer als 99% ist, findet ein Kornwachstum von Al₂O₃ statt. In beiden Fällen ist die Festigkeit der gesinterten Masse ge ring.

Die HIP-Behandlung wird unter den üblichen Bedingun gen durchgeführt, z. B. bei einer Temperatur von 1400 bis 1580°C und unter einem Druck von nicht weniger als 200 kPa, vorzugsweise bei 1000 bis 2000 kPa. Nach der HIP-Behandlung muß die relative theoretische Dichte zumindest 99,5% erreichen, um eine für prak tische Zwecke ausreichende Festigkeit zu erhalten.

Gemäß der Erfindung hat die erhaltene gesinterte Masse einen ähnlichen Wert für x in der Formel wie der Ausgangsversatz, d. h. x liegt in einem Bereich von ±0,02 (absolut). Wenn organische Bindemittel verwendet werden, kann x aufgrund des Restkohlen stoffs, der von dem organischen Bindemittel stammt, zunehmen. Dagegen kann x abnehmen, wenn kein organi sches Bindemittel verwendet wird.

Werkzeuge, die aus einer gemäß der ersten und der zweiten Ausführungsform der Erfindung hergestellten Keramik erhalten wurden, haben eine hervorragende Haltbarkeit, d. h. Verschleißfestigkeit und Zähigkeit. Die Gründe hierfür sind die hohe Bindefestigkeit von Al₂O₃ und TiC_x und das sehr kleine Kristallkorn des Al₂O₃. Aus diesem Grund ist die durch die erfin dungsgmäßen Verfahren erzeugte Keramik für spanab hebende Schneidwerkzeuge zur Bearbeitung von z. B. Gußeisen, Kupfer, hochlegiertes Nickel, Aluminium, Titan oder Nichtmetalle oder für mechanische Teile, auf die starke Schwingungen oder große Hitze einwir ken, geeignet.

Die beiliegenden Zeichnungen dienen zur Erläuterung der in den folgenden Beispielen angegebenen spanab hebenden Bearbeitung. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch die Durchführung der spanab hebenden Bearbeitung;

Fig. 2 einen vergrößerten Bereich der Spitze eines spanabhebenden Werkzeugs;

Fig. 3 schematisch die Bestimmung der Flankenver schleißbreite V _B;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines durch spanabhebende Bearbeitung gemäß Beispiel 1 erhaltenen Werkstückes;

Fig. 5 eine Mikrofotografie eines erfindungsgemäß hergestellten Sinterkörpers; und

Fig. 6 eine Mikrofotografie eines Sinterkörpers gemäß US-PS 38 86 254.

Beispiel 1

Das Beispiel erläutert die erste Ausführungsform der Erfindung.

α-Al₂O₃ mit einer Reinheit von 99,9 Gew.-% und einer mittleren Teilchengröße von 0,7 µm, TiC_x, hergestellt gemäß den Angaben von Tabelle I, sowie Sinterhilfs mittel wurden gemäß Tabelle II zu verschiedenen Ver sätzen zusammengegeben. Die Versätze wurden 40 h in einer Kugelmühle naßgemischt. Nach anschließendem Trocknen erhielt man ein Mischpulver. Die Mischpulver wurden bei den in Tabelle II angegebenen Temperaturen gesintert, wobei ein Druck von 196 bar über einen Zeitraum von 15 min in einer Graphitform durch Heiß pressen ausgeübt wurde. Die erhaltenen gesinterten Massen wurden in Stücke von 13×13×15 mm² ge schnitten und mittels einer Diamantschleifscheibe endbehandelt, wobei ein spitzer Prüfkörper gemäß SNGN 432 (JIS) erhalten wurde. Eine abgeschrägte Kante von 0,1 mm×25° wurde gebildet. Mit derartigen Prüfkör pern wurde die spanabhebende Bearbeitung gemäß den nachfolgenden Bedingungen A und B durchgeführt. Die Ergebnisse sind in der Tabelle II wiedergegeben.

Spanabhebende Bearbeitung

A. Zu bearbeitendes Material:FC 20 (HB190-220) Bedingungen:Schneidgeschwindikgeit V = 800 m/min; Schneidtiefe t = 0,5 mm; Vorschubgeschwindigkeit f = 0,25 mm/U. Beurteilung der Haltbarkeit:Messung der Flankenver schleißbreite V _B (mm), nachdem die Außenseite eines Werkstücks von 120 mm Durchmesser und 15 mm Länge 100mal einer spanabhebenden Bearbeitung unterzogen worden war. B. Material:SKD11 (HRC 62) Bedingungen:Schneidgeschwindigkeit V = 150 m/min; Schneidtiefe t = 0,5 mm; Vorschubgeschwindigkeit f = 0,17 mm/U. Beurteilung der Haltbarkeit:Messung der Flankenver schleißbreite V _B (mm) der geprüften Spitzen, nach dem ein stabförmiges Werk stück mit einem Durchmesser von 120 mm über einen Zeitraum von 15 min span abhebend bearbeitet wor den war.

Tabelle I

Tabelle IIa

Tabelle IIb

Die in Tabelle II wiedergegebenen Ergebnisse zeigen, daß bei den nachfolgend mit (1) bis (6) bezeichneten Keramiken die Abnutzung zunimmt und es in einigen Fällen auch zu Brüchen kommt.

(1) Gehalt an TiC_x über 50 Gew.-% (Probe 17).
(2) Gehalt an TiC_x unter 20 Gew.-% (Probe 18).
(3) x in TiC_x über 0,93 (Probe 19).
(4) x in TiC_x unter 0,65 (Probe 20).
(5) Menge des Sinterhilfsmittels unter 0,1 Gew.-% (Probe 21).
(6) Menge des Sinterhilfsmittels über 2 Gew.-% (Probe 22).

Aus den vorstehenden Darlegungen ergibt sich, daß es absolut notwendig ist, daß die Werte von x in TiC_x und die Mengen von TiC_x sowie der Sinterhilfsmittel in den angegebenen Bereichen liegen.

Beispiel 2

Das Beispiel erläutert die zweite Ausführungsform der Erfindung.

α-Al₂O₃ mit einer Reinheit von 99,9 Gew.-% und einer mittleren Teilchengröße von 0,7 µm, TiC_x, das wie in Tabelle I angegeben hergestellt worden war, Selten erdmetalloxide und ggf. Sinterhilfsmittel wurden zusammengegeben, wie dies in Tabelle III angegeben ist. Die Versätze wurden in einer Kugelmühle 40 h lang naß gemischt. Nach anschließendem Trocknen er hielt man jeweils ein Mischpulver. 4 Gew.-% Paraffin wurden den Mischpulvern zugegeben und die erhaltenen Produkte in einer Form bei einem Druck von 981 bar zu einem Probenkörper gepreßt, der nach dem Sintervor gang eine Größe von 13×13×5 mm³ aufwies. Die erhaltenen Massen wurden in einer Inertgasatmosphäre einem primären Sintervorgang unterworfen, so daß sie eine relative theoretische Dichte von 95 bis 99% (bei Normaltemperatur) erhielten, wobei Temperaturen angewandt wurden, wie sie in Tabelle III wiedergege ben sind. Nach dem primären Sintervorgang wurde in einem HIP-Ofen ein weiterer Sintervorgang bei einer Temperatur von 1450°C und bei einem Druck von 1472 bar während 1 h durchgeführt. Das verwendete Inert gas war Argon. Die erhaltenen gesinterten Produkte wurden mittels einer Diamantschleifscheibe in eine spitze Form gemäß SNGN 432 (JIS) gebracht. Die Ab schrägung betrug dann 0,1 mm×25°. Mit diesen Spit zen wurden spanabhebende Materialbearbeitungen durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle III wiedergegeben.

Spanabhebende Bearbeitung

A. Zu bearbeitendes Material:FC 20 (HB200-220) Bedingungen:Schneidgeschwindigkeit V = 900 m/min; Schneidtiefe t = 0,5 mm; Vorschubgeschwindigkeit f = 0,25 mm/U. Beurteilung der Haltbarkeit:Messung der Flankenver schleißbreite V _B der ge prüften Spitzen, nachdem die Außenseite eines Werk stücks von 120 mm Durch messer und 15 mm Länge 100mal einer spanabheben den Bearbeitung unterzogen worden war. B. Zu bearbeitendes Material:SKD11 (HRC 60) Bedingungen:Schneidgeschwindigkeit V = 120 m/min; Schneidtiefe t = 0,5 mm; Vorschubgeschwindigkeit f = 0,1 mm/U. Beurteilung der Haltbarkeit:Messung der Flankenver schleißbreite V _B, nach dem ein stabförmiges Ele ment mit einem Durchmes ser von 120 mm 20 min lang einer spanabhebenden Bearbeitung unterzogen worden war.

Die Ergebnisse der Tabelle III zeigen, daß bei den nachfolgend mit (1′) bis (8′) bezeichneten Keramiken die Abnutzung zunimmt und es in einigen Fällen zu Zerstörungen bzw. Brüchen kommt.

(1′)Gehalt an TiC_x über 50 Gew.-% (Probe Nr. 19). (2′)Gehalt an TiC_x unter 20 Gew.-% (Probe Nr. 20). (3′)x in TiC_x über 0,93 (Probe 21). (4′)x in TiC_x unter 0,65 (Probe 22). (5′)Menge eines oder mehrerer Seltenerdmetalloxide unter 0,05 Gew.-% (Probe Nr. 23). (6′)Menge eines oder mehrerer Seltenerdmetalloxide über 3 Gew.-% (Probe Nr. 24). (7′)Relative theoretische Dichte nach dem primären Sintervorgang unter 95% (Probe Nr. 25). (8′)Relative theoretische Dichte nach dem primären Sintervorgang über 99% (Probe Nr. 26).

Tabelle IIIa

Tabelle IIIb

Vergleich der Erfindung mit dem Stand der Technik gemäß US-PS 38 86 254

Mit den Versuchen wird die besondere Wirkung des als Ausgangsmaterial eingesetzten Titancarbids TiC_x ver deutlicht. Dabei ergeben sich klare Unterschiede zwischen der Lehre gemäß der Druckschrift und gemäß der Erfindung.

Es wurde das Beispiel, Probe Nr. 3, der Druckschrift wiederholt. Weitere Versuche wurden durchgeführt, um die Wirkung auf die Mikrostruktur und die Schneid eigenschaften zu vergleichen, wenn die Ausgangsstoffe TiC_x oder TiC+Ti unter den gleichen Bedingungen wie im Beispiel 1, Probe Nr. 6 (Tabelle IIa), der vorlie genden Anmeldung angewandt wurden. Als Ausgangsstoff wurde ein Gemisch aus 25,4 Gew.-% TiC (tatsächlich TiC_0,97) und 4,6 Gew.-% Ti als TiC+Ti eingesetzt.

Die erhaltenen Sinterkörper wurden hinsichtlich der Härte, der relativen theoretischen Dichte und der Mikrostruktur überprüft. Spanabhebende Schneidver suche gemäß den vorgenannten Bedingungen B zur Messung der Flankenverschleißbreite V _B wurden unter den gleichen Bedingungen wie im erfindungsgemäßen Beispiel 1 durchgeführt, wobei eine Bearbeitung gemäß der hier beigefügten Fig. 4 erfolgte. Die Ergebnisse sind aus der nachfolgenden Tabelle IV und den Fig. 5 und 6 ersichtlich. Für die Probe Nr. 6 wurde TiC_x eingesetzt, während für die Probe Nr. 23 dagegen TiC+Ti verwendet wurde. Fig. 5 und 6 sind Mikrofotogra fien, die den Verteilungszustand der Komponenten in der Probe Nr. 6 und in der Probe Nr. 3 gemäß der Druckschrift zeigen. Der Verteilungszustand der Kom ponenten in der Probe Nr. 23 war ähnlich jenem der Probe Nr. 3 gemäß der Druckschrift. Beide Mikrofoto grafien wurden mit 200facher Vergrößerung aufgenom men.

Aus der Tabelle IV ist ersichtlich, daß das Aus gangsmaterial TiC+Ti, worin x in TiC_x den Wert von 0,93 überschreitet, zu einem Mißerfolg bei der Span abhebung führt, obwohl metallisches Titan zugegeben wurde. Wie aus den Mikrofotografien ersichtlich ist, weist der erfindungsgemäß hergestellte Körper auf der Basis von TiC_x eine Mikrostruktur auf, worin die TiC_x- Komponente in der Aluminiumoxidmatrix homogen und feinverteilt vorliegt (Fig. 5), während der Sinter körper auf der Basis von TiC+Ti eine Mikrostruktur mit groben Aggregaten aus TiC hat (Fig. 6). Die weißen Körner repräsentieren das TiC.

Somit zeigt dieser Vergleich der Strukturen und der Schneideigenschaften deutlich, daß die gemäß den bekannten und dem erfindungsgemäßen Verfahren erhal tenen Sinterkörper sehr unterschiedlich sind. Die besonderen Vorteile des erfindungsgemäß hergestellten Körpers sind wesentlich auf das nicht-stöchiometri sche TiC_x zurückzuführen, das anders wirkt als das Ausgangsmaterial TiC+Ti gemäß dem Stand der Tech nik.

Vergleich der Erfindung mit dem Stand der Technik gemäß der US-PS 44 07 968

Das in der Druckschrift angegebene Verfahren zur Herstellung des Werkzeuges Nr. 1, gemäß der Tabelle II im Beispiel 3, wurde wiederholt.

Es wurden folgende Stoffe, Mengen und Verfahrensbe dingungen angewandt:

1. Zusammensetzung 2. Art und Teilchengröße der Ausgangsstoffe 3. Mischen

Nasses Mahlen mit 90 g Ethanol mittels Al₂O₃- Kugeln (⌀ 15 mm) in einer Mühle mit einem Poly ethylenbehälter; Durchgang durch ein Sieb der Größe 0,250 mm nach dem Trocknen.

4. Verdichten

Nach dem Vorverdichten mittels einer Metallform unter einem Druck von 490 bar folgt ein isostati sches Kaltpressen unter einem Druck 1962 bar.

Gemäß der Druckschrift, Beispiel 1, wird ein Druck von 5880 bar beim Pressen in einer Metall form angewandt. Jedoch hält eine normale Metall form einem derart hohen Druck nicht stand. Des halb wären für das bekannte Verfahren spezielle Vorrichtungen erforderlich.

5. Sintern

Erhöhen der Temperatur mit einer Steigerung von 20°C/min bis auf 1800°C und Halten dieser Tem peratur während 30 min; Abkühlen innerhalb eines in Aluminiumoxidpulver (10 µm) eingebetteten Graphitbehälters im Ofen unter einem Unterdruck von 26,66 Pa.

Nach dem Sintern ist das umgebende Bett aus Alu miniumoxidpulver fast verbraucht.

6. Gesintertes Produkt

Relative Dichte unter 90%; sehr grobkörnige Struktur.

Das Produkt ist als Schneidwerkzeug fast unbrauch bar und kann in der Praxis nicht eingesetzt wer den.

7. Allgemeines

Für den Fall, daß der im vorstehenden Versuch an gewandte, im Vergleich zur Lehre der Druckschrift niedrigere Druck zur Herstellung des gewünschten Produkts kritisch sein sollte, ist das bekannte Verfahren wegen des erforderlichen hohen Drucks in der Praxis nicht einsetzbar. Die Druckschrift gibt auch keinen Hinweis darauf, wie die bekann ten Körper wirtschaftlich hergestellt werden kön nen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Keramik mit sehr hoher Zähigkeit, bestehend aus einer Al₂O₃-Phase und einer nicht- stöchiometrischen Titancarbid-Phase, wobei ein Gemisch aus Al₂O₃-Pulver und nicht-stöchiometrischem Titancarbidpulver erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch aus im wesentlichen 20 bis 50 Gew.-% Titan carbid der allgemeinen Formel TiC_x, worin x eine Zahl von 0,65 bis 0,93 bedeutet, 0,1 bis 2 Gew.-% mindestens eines Sinterhilfsmittels und 48 bis 79,9 Gew.-% Al₂O₃ gebildet und einem Preß-Sintern bei einer Temperatur von 1600 bis 1900°C unter einem Druck von 50 kPa oder mehr unterworfen wird, bis eine relative theoretische Dichte der gesinterten Masse von mindestens 99% erreicht ist.

2. Verfahren zur Herstellung einer Keramik mit sehr hoher Zähigkeit, bestehend aus einer Al₂O₃-Phase und einer nicht- stöchiometrischen Titancarbid-Phase, wobei ein Gemisch aus Al₂O₃-Pulver und nicht-stöchiometrischem Titancarbidpulver erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch aus 20 bis 50 Gew.-% Titancarbid der allge meinen Formel TiC_x, worin x eine Zahl von 0,65 bis 0,93 mit einer Schwankungsbreite von ±0,02 bedeutet, 0,05 bis 3,0 Gew.-% mindestens eines Seltenerdmetalloxids und 47 bis 79,95 Gew.-% Al₂O₃ gebildet und in einem Inertgas ein primärer Sintervorgang bei einer Temperatur von 1600 bis 1800°C durchgeführt wird, bis eine relative theoretische Dichte von 95 bis 99% erreicht ist, sowie die erhaltene Masse durch isostatisches Heißpressen bei einer Temperatur von 1400 bis 1580°C unter einem erhöhten Druck von 200 kPa oder mehr gesintert wird, bis die relative theoretische Dichte des erhaltenen Produkts durch das isostatische Heiß pressen auf einen Wert von mindestens 99,5% gebracht ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Seltenerdmetalloxid mindestens eine der Verbindungen Dy₂O₃, Y₂O₃, Tb₄O₇, Ho₂O₃, Er₂O₃ und Gd₂O₃ eingesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Preß-Sintern mit Vorverdichten durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der primäre Sintervorgang mit Vorverdichten durchgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Sinterhilfsmittel mindestens eine der Verbindungen MgO, CaO, SiO₂, ZrO₂, NiO, Th₂O₃, AlN, TiO, TiO₂, Cr₂O₃ und/oder ein Seltenerdmetalloxid eingesetzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Seltenerdmetalloxid mindestens einer der Verbindungen Dy₂O₃, Y₂O₃, Tb₄O₇, Ho₂O₃, Er₂O₃ und Gd₂O₃ eingesetzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Sinterhilfsmittel weniger als 2 Gew.-% mindestens einer der Verbindungen MgO, CaO, SiO₂, ZrO₂, NiO, Th₂O₃, AlN, TiO, TiO₂ und Cr₂O₃ eingesetzt werden.