專(zhuān)利名稱(chēng)：SiAlON基材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的主題涉及一種SiAlON基材料及其制造方法和應(yīng)用。
公知的Si3N4和SiAlON刀具材料在灰口鑄鐵(GG)上通常連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間切削時(shí)切削刃上開(kāi)始非常迅速地卷起，這一點(diǎn)稱(chēng)為起始磨損。
因此，本發(fā)明的目的在于，克服已知刀具材料的這種缺點(diǎn)。
依據(jù)本發(fā)明，該目的通過(guò)提供一種由成分A和B組成的材料得以實(shí)現(xiàn)，其中，A表示α/β-SiAlON和B表示硬質(zhì)材料。在此方面，本發(fā)明的材料含有70-97Vol％，最好80-95Vol％，特別優(yōu)選84-91Vol％的成分A和3-30Vol％，最好5-20Vol％，特別優(yōu)選9-16Vol％的成分B。
本發(fā)明所使用的成分A的原材料混合物由主要成分Si3N4、AlN、其他添加劑例如像Al2O3、Y2O3、Sc2O3、稀土金屬的氧化物和少量含有Li、Ca、Mg、Sr的化合物組成?？杀容^的混合物已由DE 35 11 734 A1公開(kāi)。本發(fā)明的材料由上述原材料混合物和添加的硬質(zhì)材料在1800-2000℃溫度下進(jìn)行熱處理和在最高溫度保溫0.5-5小時(shí)形成。
成分A由α-和β-SiAlON以及非晶形或者部分結(jié)晶的晶界相組成。在材料的燒結(jié)狀態(tài)下燒結(jié)體內(nèi)部的SiAlON相由10-90Vol％，優(yōu)選12-60Vol％，特別優(yōu)選15-50Vol％的α-SiAlON和90-10Vol％，優(yōu)選88-40Vol％，特別優(yōu)選85-50Vol％的β-SiAlON組成。α-和β-SiAlON成分的比例借助X射線衍射照片確定(根據(jù)Gazzara and Messier，J.Am.Ceram.Soc，Bull.56(1977))。
晶界相的含量小于10Vol％，優(yōu)選小于5Vol％。晶界相可以是非晶形的，但優(yōu)選應(yīng)是部分結(jié)晶的。燒結(jié)體內(nèi)部的A的組成已知可以通過(guò)制備參數(shù)，例如通過(guò)粉末混合物的的組成、爐內(nèi)的燒結(jié)條件、坩堝材料、氣體類(lèi)型、溫度和燒結(jié)時(shí)間改變。成分A內(nèi)可以在燒結(jié)體表面和內(nèi)部之間存在梯度，從而在所謂的燒成表面的α-SiAlON含量最高可以為100％。
如果燒結(jié)體的表面比內(nèi)部冷卻迅速或者表面的化學(xué)組成通過(guò)與大氣反應(yīng)進(jìn)行改變的話，成分A內(nèi)的梯度可以在確定條件下產(chǎn)生。富含α-SiAlON的表面導(dǎo)致一種具有韌性芯的硬質(zhì)外層。
作為硬質(zhì)材料成分B例如可以使用SiC、Ti(C、N)、TiC、TiN、元素周期表(PSE)第IVb、Vb和VIb族元素的碳化物和/或氮化物以及碳化鈧和/或碳氧化鈧或者所列舉的硬質(zhì)材料的混合物。硬質(zhì)材料在熱處理期間嵌入晶間和/或者晶內(nèi)，也就是既嵌入SiAlON晶粒之間也嵌入內(nèi)部并在熱處理期間不變。所使用的硬質(zhì)材料顆粒的尺寸因此不應(yīng)超過(guò)其他結(jié)構(gòu)成分α-和β-SiAlON晶粒的尺寸，否則硬質(zhì)材料使本發(fā)明材料的機(jī)械特性變差。這意味著，硬質(zhì)材料的平均粒度小于30μm，最好小于15μm，特別優(yōu)選小于5μm。硬質(zhì)材料顆?？梢允乔驙罹Я！⑵Щ蛘呔ы?，特別優(yōu)選球狀晶粒。
α-和β-SiAlON晶粒的最大尺寸應(yīng)小于90μm，優(yōu)選小于65μn，特別優(yōu)選小于50μm。在公知的材料中通常追求小粒度，而在本發(fā)明的材料中令人驚異地表明，應(yīng)用性能僅受粒度的次要影響。
為使非晶形晶界相結(jié)晶，可以并甚至優(yōu)選進(jìn)行熱處理。根據(jù)公知技術(shù)，按照像粉末混合物的組成這種制備參數(shù)和像溫度、氣體組成、氣壓、時(shí)間、絕緣材料和坩堝材料這些燒結(jié)條件產(chǎn)生結(jié)晶相，特別優(yōu)選含鋁的黃長(zhǎng)石或者二硅酸鹽。
本發(fā)明的材料與已知材料相比的優(yōu)點(diǎn)是其具有＞1550HV10的更高硬度并因此具有更高的耐磨強(qiáng)度。
此外，本發(fā)明的材料具有更高的熱硬度，也就是說(shuō)，即使在刀尖溫度上升時(shí)在高切削速度下也具有更高的耐磨強(qiáng)度。
此外，玻璃相與所要加工工件材料的化學(xué)反應(yīng)即使在高切削速度下也明顯變小。
本發(fā)明的材料可以涂覆有例如像Al2O3、TiN或者TiC的降低磨損的已知涂層，從而提高耐磨強(qiáng)度。
依據(jù)本發(fā)明的材料可以按照本身已知的方法制造，如也是在通過(guò)粉末混合、成型、燒結(jié)和通過(guò)磨削的最終加工制造高效陶瓷組件，特別是SiAlON材料時(shí)使用。
燒結(jié)時(shí)的氣氛應(yīng)為惰性的并可以是N2或者由N2和例如像Ar其他惰性氣體組成的混合氣體。
下列附表中列出依據(jù)本發(fā)明材料組成的實(shí)施例。值得注意的是均為高硬度。
附表實(shí)施例的組成和特性
在最終密度中th.＝理論密度已知的Si3N4-和SiAlON-刀具材料為淺灰色至深灰黑色，而本發(fā)明的材料在添加SiC時(shí)為灰綠色，在添加Ti(C、N)時(shí)為灰褐色。
本發(fā)明的材料作為刀具材料在加工灰口鑄鐵時(shí)通常連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間切削時(shí)令人驚異地沒(méi)有出現(xiàn)已知刀具材料起始磨損的缺點(diǎn)，而是直至其耐用度結(jié)束仍保持鋒利的切削刃。此外看出，本發(fā)明的材料即使在所謂的“條紋狀磨損”時(shí)仍令人驚異地證明是具有優(yōu)點(diǎn)的切削具有特別是腐蝕性鑄件砂皮的灰口鑄鐵時(shí)，迄今為止已知的刀具材料短時(shí)間后便形成深缺口。這種磨損主要是通過(guò)化學(xué)磨損，也就是刀具材料和工件材料之間的化學(xué)反應(yīng)造成的。本發(fā)明的材料在明顯更長(zhǎng)的耐用度后才表現(xiàn)出這種磨損。
從

圖1和圖2的兩個(gè)曲線圖中可以看出本發(fā)明的材料“新型刀具材料”相比于“參照物”由氮化硅組成材料的優(yōu)點(diǎn)。圖1說(shuō)明主切削刃上的磨損寬度“VBH”取決于切削數(shù)量。在切削速度(車(chē)削件在切削刃上的圓周速度)“vc＝1000m/min”，進(jìn)刀量“f＝0.5mm/U”和橫向進(jìn)刀(切削深度)“ap＝2.0mm”的情況下車(chē)削GG15的制動(dòng)盤(pán)。
圖2示出同樣與氮化硅刀具相比在車(chē)削具有鑄件砂皮的GG25合金灰口鑄鐵時(shí)，取決于切削數(shù)量的角的磨損寬度“VBE”。在切削速度(車(chē)削件在切削刃上的圓周速度)“vc＝800m/min”，進(jìn)刀量“f＝0.5mm/U”和橫向進(jìn)刀(切削深度)“ap＝2.0mm”的情況下車(chē)削。
本發(fā)明材料除了作為刀具材料使用外，也可以設(shè)想在取決于高耐磨強(qiáng)度和任選出現(xiàn)材料的熱和化學(xué)負(fù)荷的其他應(yīng)用領(lǐng)域使用。例如本發(fā)明的材料可以設(shè)想有利地作為密封圈使用或者在燃油泵和冷卻液泵上，在壓縮機(jī)、渦輪增壓器、換熱器和空調(diào)機(jī)上使用。
權(quán)利要求
1.SiAlON基材料，其特征在于，該材料的原料混合物由α/β-SiAlON成分A和硬質(zhì)材料成分B組成，組成為70-97Vol％，最好80-95Vol％，特別優(yōu)選84-91Vol％的成分A和3-30Vol％，最好5-20Vol％，特別優(yōu)選9-16Vol％的成分B。
2.按權(quán)利要求1所述的材料，其特征在于，成分A由α-和β-SiAlON以及非晶形或者部分結(jié)晶的晶界相組成。
3.按權(quán)利要求1或2所述的材料，其特征在于，在燒結(jié)狀態(tài)下燒結(jié)體內(nèi)部α-SiAlON的含量占整個(gè)SiAlON相的10-90Vol％，優(yōu)選12-60Vol％，特別優(yōu)選15-50Vol％，而β-SiAlON的含量則為90-10Vol％，優(yōu)選88-40Vol％，特別優(yōu)選85-50Vol％。
4.按權(quán)利要求1-3之一所述的材料，其特征在于，晶界相的含量小于10Vol％，優(yōu)選小于5Vol％，而且晶界相為非晶形的。
5.按權(quán)利要求1-3之一所述的材料，其特征在于，晶界相的含量小于10Vol％，優(yōu)選小于5Vol％，而且晶界相為部分結(jié)晶的。
6.按權(quán)利要求5所述的材料，其特征在于，晶界相含有結(jié)晶相，優(yōu)選含鋁的黃長(zhǎng)石或者二硅酸鹽。
7.按權(quán)利要求1-6之一所述的材料，其特征在于，該材料的燒結(jié)體具有一種從外向內(nèi)下降的α-SiAlON梯度，而且在燒成表面的α-SiAlON含量最高可以為100％。
8.按權(quán)利要求1-7之一所述的材料，其特征在于，α-和β-SiAlON晶粒的最大尺寸小于90μm，優(yōu)選小于65μm，特別優(yōu)選小于50μm。
9.按權(quán)利要求1-8之一所述的材料，其特征在于，硬質(zhì)材料成分B使用SiC、Ti(C、N)、TiC、TiN、元素周期表(PSE)第IVb、Vb和VIb族元素的碳化物和/或者氮化物以及碳化鈧和/或者碳氧化鈧或者所列舉的硬質(zhì)材料的混合物，它們?cè)跓Y(jié)后具有不變的狀態(tài)。
10.按權(quán)利要求1-9之一所述的材料，其特征在于，硬質(zhì)材料嵌入晶間和/或者晶內(nèi)，也就是既嵌入SiAlON晶粒之間也嵌入其內(nèi)部。
11.按權(quán)利要求1-10之一所述的材料，其特征在于，硬質(zhì)材料的平均粒度小于30μm，優(yōu)選小于15μm，特別優(yōu)選小于5μm。
12.按權(quán)利要求11所述的材料，其特征在于，硬質(zhì)材料晶粒為球狀、針狀或者碎片狀。
13.按權(quán)利要求1-12之一所述的材料，其特征在于，其硬度＞1550HV10。
14.按權(quán)利要求1-13之一所述的材料，其特征在于，其涂覆有降低磨損的涂層像Al2O3、TiN或者TiC涂層。
15.一種制備根據(jù)權(quán)利要求1-14之一的SiAlON基材料的方法，通過(guò)粉末混合、成型、燒結(jié)和磨削制造，該方法在制造特別是由SiAlON材料組成的高效陶瓷成分時(shí)使用。
16.按權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，成分A是在1800-2000℃溫度下進(jìn)行熱處理，在0.5-5小時(shí)的最高溫度的保溫時(shí)間期間形成的。
17.按權(quán)利要求15或16所述的方法，其特征在于，燒結(jié)氣氛為惰性的并含有N2或者由N2和其他惰性氣體，特別是氬組成的混合氣體。
18.按權(quán)利要求1-14之一所述的材料，按照權(quán)利要求15-17所述的一種方法制造，作為刀具材料使用。
19.按權(quán)利要求1-14之一所述的材料，按照權(quán)利要求15-17所述的一種方法制造，作為加工灰口鑄鐵的刀具材料使用。
20.按權(quán)利要求1-14之一所述的材料，按照權(quán)利要求15-17所述的一種方法制造，作為密封圈使用。
21.按權(quán)利要求1-14之一所述的材料，按照權(quán)利要求15-17所述的一種方法制造，在燃油泵和冷卻液泵、壓縮機(jī)、渦輪增壓器、換熱器和空調(diào)機(jī)上使用。
全文摘要
公知的Si
文檔編號(hào)B23B27/14GK1845884SQ200480022628
公開(kāi)日2006年10月11日 申請(qǐng)日期2004年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月7日
發(fā)明者B·比特利希, K·弗里德里希, U·莫萊 申請(qǐng)人:創(chuàng)新陶瓷工程技術(shù)公司