SE451195B

SE451195B - Keramiskt material baserat pa kiselnitrid

Info

Publication number: SE451195B
Application number: SE8401101A
Authority: SE
Inventors: G Brandt; J Akerman
Original assignee: Sandvik Ab
Priority date: 1984-02-29
Filing date: 1984-02-29
Publication date: 1987-09-14
Also published as: GB2155007A; GB8505001D0; IT1183431B; IT8519702A0; GB2155007B; SE8401101L; AT386596B; SE8401101D0; ATA57985A

Description

»w 10 15 20 25 30 35 451 195 systemet. Karakteristiskt för dessa material är att de förutom av den refraktära karbiden eller nitriden utgörs av en kristallin fas av kiselnitrid eller beta'-sialon och eventuellt ytterligare en fas som innehåller en stor del av sintringshjälpmedlen såsom t ex yttriumoxid och som kan vara amorf. * Det har enligt uppfinningen överraskande visat sig att egenska- perna vid skärande bearbetning i vissa fall avsevärt kan för- bättras hos ett material väsentligen baserat på kiselnitrid, refraktär karbid/nitrid-fas samt en fas innehållande sintrings- hjälpmedel om den kiselnitridbaserade komponenten som härvid är-sialon föreligger i tvâ kristallina modifikationer nämligen alfa' och beta'.

Alfa' är en hexagonal fas med den allmänna formeln Mx(Si,Al)12(O,N)16 där M = Li, Ca, Y eller andra lantanider och där x i 2.

Beta' är en hexagonal fas med den allmänna formeln si6_zA1zozN8_z där 0 < z < 4.2.

Närvaro av alfa'-fas ökar hårdheten mätt vid rumstemperatur men har också en gynnsam inverkan på motståndet mot plastisk deformation (se nedan) varför det är troligt att varmhàrdheten också ökas i gynnsam riktning. Plastisk deformation av skär- eggen sker under förhållanden då denna utsätts för hög tempera- tur d v s vid hög skärhastighet och stor matning. Den plas-- tiska deformationen leder till sprickinitiering i skärkanten och då sprickorna tillväxer fås skärbrott. Denna typ av sprick- bildning har beskrivits i bl a Met. Tech. lQ(l983):December, sid 482-9 (Bhattacharyya et al, Wear mechanisms of Syalon ceramics tools when machining nickelbase materials). Det har överraskande visat sig att närvaro av alfa'-sialon väsentligt ökar materialets förmåga att motstå plastisk deformation var- igenom högre skärhastighet och skärmatning kan användas utan ~ risk för katastrofiska brott. 10 15 20 25 30 451 195 Egenskapsförbättringen yttrar 'sig framförallt i att motståndet mot eggurflisningar s k chipping ökas väsentligt i vissa ar- betsmaterial. Denna fördel har framförallt kunnat observeras i vissa varmhållfasta material baserade pà nickel på grund av de rådande höga skärtemperaturerna. Samma fenomen uppträder emel- lertid även i andra arbetsmaterial då man överskrider vissa värden på skärhastighet och matning. Föreliggande uppfinning avser därför ett material som kännetecknas av att det innnehål- ler en alfa'-fas av sialon-typ och en beta'-fas av sialon-typ samt ytterligare en intergranulär fas som vanligen är glas- artad men även kan utgöras av kristallina faser förutom den refraktära hårdämnesfasen som utgöres av av karbider, nitrider eller karbonitrider av metallerna från grupp IVB, VB och/eller VIB i periodiska systemet.

Samexistens av alfa' och beta'-faserna är möjlig vid vissa materialkompositioner och har beskrivits av bl a H.K. Park et al i "Alfa'~sialon ceramics", Science of Ceramics, Vol.l0, sid 251-256, H.Hausner(Ed), och vidare i den svenska patent- ansökningen 83009282. Den nämda ansökningen behandlar således keramiska skärmaterial av kiselaluminiumoxinitrid omfattande en alfa'-fas av Si-Al-O-N samt en beta'-fas av Si-Al-O-N samt en glasartad fas. Det kända materialet innehåller dock ej någon refraktär karbid, nitrid eller karbonitrid.

De för uppfinningen specifika materialegenskaperna framgår av den följande beskrivningen. Närvaro av en refraktär fas syftar till att förbättra slitstyrkeegenskaperna och den föreligger i materialet i form av en findispers diskret fas. I den efter- följande beskrivningen används titannitrid som refraktär fas då det är ett vanligen förekommande hårdämne men det är uppen- bart att liknande egenskapsförbättringar kan erhållas med and- ra typer av refraktära hárdämnen som karbider, nitrider eller karbonitrider eller blandningar därav av metallerna titan, tantal, krom, molybden, niob, zirkonium, hafnium och volfram.

Närvaro av syre i de refraktära hårdämnena har ej visat sig vara ofördelaktigt, utan kan tvärtom påverka sintringen i gynn- sam riktning. Ur tillverkningssynpunkt är nitriderna att före- 10 15 20 25 30 35 451. 195 H _ draga då de möjliggör trycklös'sintring till en tätsintrad kropp. Med användning av karbider kan sintringen ofta inte genomföras utan tryck.

Den för uppfinningen nödvändiga förekomsten av sialon av alfa'- och beta'-fas åstadkommes genom reglering av ingående råvaror på så sätt att mindre mängd aluminiumoxid och kisel- dioxid samt större mängd aluminiumnitrid och yttrbmtmid elLæ:nwt- /âlæšmëâfäïoânimêlrudâåren. Förekomst av alfa'-sialon leder till ökad hårdhet utan märkbar försämring av böjbrotthàllfastheten.

Vid framställning av ovanstående produkt utnyttjas sintrings- hjälpmedel förträdesvis yttríumoxid men liknande resultat kan erhållas med en eller flera oxider av t ex strontium, cerium, lantan och de övriga elementen i lantanidserien; Användning av yttrium som sintringshjälpmedel ger upphov till en intergranulär fas som till övervägande del är glasartad men kan inbegripa även andra faser t ex YAG (en kubisk fas med formeln Y3Al5O12), Y-N-alfa-wollastonit (en monoklinisk fas med formeln YSiO2N), YAM (monoklinisk med formeln Y4Al2O9) och N~YAM (monoklinisk fas med formeln Y4Si2O7N2).

Den i uppfinningen beskrivna produkten består av flera faser och kan framställas enligt nedanstående beskrivning.

Kiselnitrid, aluminiumnitrid, aluminiumoxid och kiseldioxid, där oxiderna kan utgöras av föroreningar i nitriderna bringas att reagera med en oxid av minst ett av elementen yttrium, skandium, cerium, lantan eller övriga metaller av lantanid- serien varvid erhålles vid lämpliga materialsammansättningar två faser av sialon-typ nämligen en hexagonal första fas (beta'-fas) vilken uppfyller den allmänna formeln Si6_zAlzOzN8_z där 0l.5) fås en sänkning av seghetsbeteendet medan vid låga z-värden materialsammansättningen kan bli svår att tätsintra utan tryck. Den undre gränsen för z väljs lämpligen på ett sådant 10 15 20 25 30 35 5 '451 195 sätt att sintring utan tryck blir möjlig. Den exakta undre gränsen för z vid vilken trycklös tätsintring fortfarande är möjlig är svär att fastställa, då denna kan vara beroende av naturen hos de ingående refraktära faserna. Så har material- kompositioner med t ex titannitrid som refraktärt hårdämne visat sig vara möjliga att sintra trycklöst vid så låga z-värden som 0.1 vilket inte är möjligt utan denna tillsats.

De refraktära hårdämnena kan därför förutom att ge material- kombinationen en hög slitstyrka bidraga till en effektiv por- slutning under sintringen. Den exakta naturen av detta hän- delseförlopp är inte känd men säkerligen spelar de i de refrak- tära karbiderna och nitriderna ingående föroreningarna en viss roll i detta sammanhang.

Den andra fasen av sialontyp (alfa'-fas) som också är hexa- gonal uppfyller den allmänna formeln Mx(Si,Al)12(0,N)16 där M t ex kan vara en eller flera av elementen litium, kal- cium, yttrium eller andra lantanider och 0.l dessa metaller medför förutom bildning av alfa'-fas även bild- ning av en glasfas i den sintrade produkten. Denna glasfas har visat sig nödvändig för att kunna genomföra tätsintring utan tryck. Om mängden glasfas i den sintrade produkten är hög kan det medföra en försämring av högtemperaturegenskaperna. Mäng- den glasfas kan dock minskas genom något mindre yttriumoxid- tillsats (eller motsvarande tillsats av andra föreningar) eller genom värmebehandling varvid en del av glaset övergår i kristallin form t ex som YAM, YAG, N-YAM eller Y-N-alfa- wollastonit. Den refraktära hàrdämnesfasen som utgöres av kar- bider, nitrider eller karbonitrider av titan, niob, tantal, vanadin, krom, molybden, wolfram, hafnium och/eller zirkonium tillsätts i form av en finkornig pulverråvara för att ge en homogen dispersion i den ovannämnda grundmassan.

Mängden av de ingående råvarorna väljs på ett sådant sätt att den sintrade strukturen innehåller 5 ~ 60 vol% av en refraktär hårdämnesfas utgörande en eller flera karbider eller nitrider av de tidigare nämnda refraktära metallerna i en grundmassa bestående av 10 - 70 vol % av en alfa'-fas av sialon-typ, 20 - 10 15 20 25 30 35 o 451 195 6 90 vol% av en beta'-fas av sialon-typ och en glasartad fas utgörande 0.1 - 20 vol% som delvis kan vara kristallin.

I allmänhet innehåller grundmassan högst 40 vo1% alfa'~fas.

Vidare är grundmassans halt av intergranulär fas normalt högst 15 vol%. Den sintrade strukturen innehåller vanligen högst 45 vol% hàrdämnesfas, vilken som tidigare nämnts med fördel ut- göres av nitrider, företrädesvis titannitrid.

Den beskrivna materialstrukturen kan naturligtvis erhållas på annat sätt än vad som ovan beskrivits. Så beskriver t ex US patentskrift 4,l27,4l6 användning av kiselaluminiumoxinitrider av polytyp i stället för aluminiumnitrid vid framställning av sialon av beta'-typ.

Exemgel 1 En blandning bestående av 85 % Si3N4, (varav ca 2 % utgörs av SiO2) 1.5 % A1203, 7 % AlN, (varav 2-3 % Al2O3) och 6.5 % YZO3 samt utgörande 85 % av totala sammansätt- ningen blandades med 15 % TiN, maldes i propanol, torkades, pressades till provkroppar och sintrades i kvävgasatmosfär vid 1775 OC. Röntgenanalys uppvisade starka reflexer av alfa' och beta' sialon och medium reflex av TiN. Materialet upp- visade en mycket finkornig och jämnt fördelad TiN-fas till- sammans med alfa'+beta'-fas med viss andel glasfas( tydlig mikroporositet kunde urskiljas.

Exemgel 2 Komposition som ovan men sialonsammansättningen utgjorde 70 % av totala vikten. 30 % TiN utgjorde resten. Sintring utfördes vid 1790 OC i kvävgas i l timme. Jämn och finkornig struktur erhölls med låg mikroporositet. Densitet 3.55 g/cm3. Röntgen- diffraktionsmätníngar gav starka reflexer av TiN och beta'- sialon och medium reflex av alfa'-sialon. Hårdhet 1550 HV1. p 10 15 30 .35 451 195 Exempel 3 62 % Si3N4 (innehållande ca 2% SiO2) blandades med 15 % TiN, 16 % av egentillverkad polyfas av typ 2lR (ungefärlig formel SiAl6O2N6, innehållande ca 5 % AlN), 5 % YZO3 och 2 % Al2O3 samt mldes i vibrationslwam fylld med propanol, varvid ytterligare 1.2 % AIZO3 (räknat på torkat pulver utan pressmedel) tillfördes genom inmalning av malkropps- material. Pulvret torkades, pressade till provstavar, sintra- des p s s som i exempel l dvs vid 1775 OC. En tät och jämn struktur erhölls med densitet 3,32 g/cm3 och en hårdhet av ca 1560 HV1. Obetydlig mikroporositet erhölls. Röntgenunder- sökning gav starka reflexer av alfa' och beta' sialon och medium reflex av TíN.

Exempel 4 Material framställt enligt exempel l och 2 prövades i en längd- svarvningsoperation i stål SS 2541 - 03 varvid uppmättes fas- och gropförslitning, VB (mm) resp KT (/um), som funktion av ingreppstiden T (min). Som referensmaterial vid provningen användes två kommersiellt tillgängliga material nämligen Sandvik CC680 (Sialon) och Sandvik CC650 (Al2O3 + 30 vikt% Ti(N,C)). Provningen genomfördes med följande skärgeometri och skärdata: Skärgeometri: ISO SNGN 120416, förstärkningsfas 0,2 mm x 200 Skärhastighet: 100 m/min Matning: 0.36 mm/varv Skärdjup: 2.0 mm Förslitningen redovisas i figur 1 och 2 som medelvärde av två prov varvid Fig 1 visar fasförslitningen och Fig 2 gropför- slitningen som funktion av ingreppstiden. I Fig 1 och 2 beteck- nar de olika kurvorna följande material: l - CC680, 2 - Ex 1, 3 - Ex. 2 och 4 - CC650. 10 15 20 ü 451 195 Vidare provades seghetsbeteendet i en speciellt utformad gjuten provkropp varvid skärmaterialet utsattes för kraftiga mekaniska och termiska chockbelastningar.

Skärgeometri: ISO SNGN 120416, förstärkningsfas 0,2 mm x 200 Skärhastighet: 300 m/min Matning: 0.50 mm/varv Skärdjup: 3.0 mm Livslängden begränsas vid denna provning av skärbrott. Medel- livslängden, som kan erhållas ur den ackumulerade brott- frekvensen i fig 3 (beteckningar enligt fig 1 och 2), är bestämd ur 15 prov. Den blev för de provade varianterna: CC680 7.93 min Ex 1 4.87 min Ex 2 6.00 min CC650 1.20 min Som framgår av den teknologiska provningen av slitstyrka och seghetsbeteende karakteriseras material enligt uppfinningen av att man lyckats kombinera den överlägsna slitstyrkan hos oxid- baserade keramer med det överlägsna seghetsbeteendet hos kisel- nitridbaserade keramer. Enligt figur 1 och 2 överensstämmer förslitningsbilden bäst med det oxidbaserade materialet medan seghetsbeteendet enligt figur 3 bäst överensstämmer med det kiselnitridbaserade materialet. Material enligt uppfinningen har därför ett betydligt bredare applikationsomràde än hit- tills kända keramiska skärmaterial. :(1

Claims

10 15 20 25 30 35 451 195

Patentkrav
Keramiskt material baserat pà kiselnitrid och omfattande en första komponent I bestående av, i volymsprocent, 10 ~ 70 % alfa'-fas med formeln Mx(Si,Al)l2(0,N)l6, där
M är en eller flera av Li, Ca, Y eller andra lantanider och 0.l
Si6_ZAlzOzN8_z, där 0 granulär fas innehållande sintringshjälpmedel sásom av en inter- oxider av M, företrädesvis yttriumoxid, k ä n n e - t e c k n a t därav att den sintrade strukturen av det keramiska materialet dessutom innehåller, i volyms-
5 - 60 % en refraktär hàrdämnesfas av karbider, nitrider och/ eller karbonitrider av Ti, Nb, Ta, V, Cr, Mo, W, Hf Och/ procent, av en andra komponent II bestående av eller Zr, varvid den första komponenten I innehåller högst 40 volymsprocent alfa'-fas och högst 15 volyms- procent intergranulär fas. _,. ,,.,_ ,-_,.._.-n1..,\.._,, ,.. _. ..... _ _ ...__ ......... v-.. n.. _ ._ _.. s -......,.- .