專利名稱：刀具嵌入件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種由改良陶瓷材料形成的刀具嵌入件及其制造方法。
背景技術(shù)：
用于刀具的陶瓷材料包括氧化鋁、氧化鋁-氧化鋯、氧化鋁-TiC-TiN、氮化硅、硅鋁氧氮聚合材料以及SiC-須晶強(qiáng)化氧化鋁。刀具的應(yīng)用環(huán)境除了明顯要求高耐磨性之外通常在強(qiáng)度、韌性和抗熱沖擊性方面要求較高。
陶瓷材料的機(jī)械性能在很大程度上受到內(nèi)部和外部缺陷例如雜質(zhì)的夾雜、孔隙、大晶粒和裂紋的影響。為了改善由陶瓷材料制成的刀具的可靠性和性能，必須確定出在產(chǎn)品中的不利缺陷并且設(shè)定處理方法以便減小不理想的特性。由于陶瓷材料在高達(dá)大約1000℃的溫度下都具有完全彈性性質(zhì)，所以不能通過由于塑性變形而導(dǎo)致的松弛來消除由這些缺陷產(chǎn)生出的應(yīng)力集中。
通過在液體中研磨組分并且隨后對(duì)該漿液進(jìn)行干燥來生產(chǎn)出用于金屬刀具的陶瓷材料。噴霧干燥對(duì)于不需要熱壓的材料而言是優(yōu)選的干燥方法。噴霧干燥產(chǎn)生出尺寸為50-200微米的顆粒。大顆粒具有非常好的粉末流動(dòng)性能，這對(duì)于采用非軸向冷擠壓大規(guī)模生產(chǎn)坯件是必要的。
目前非常確定的是，在燒結(jié)體中的缺陷與孔隙大小和在壓坯中的分布有關(guān)。由于大孔隙將不會(huì)被消除，所以這對(duì)于不用壓力或用低壓(大氣壓燒結(jié))進(jìn)行燒結(jié)的材料而言尤為重要。顆粒特性尤其是其變形性質(zhì)將是決定在壓坯狀態(tài)中的缺陷結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)。由于致密堅(jiān)硬顆粒即使在壓縮之后也將保持它們的形狀，所以已經(jīng)通過降低顆粒壓縮強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)了在燒結(jié)材料的強(qiáng)度上的相當(dāng)大的提高。
在孔隙大小和孔隙分布之外，顆粒大小對(duì)于陶瓷材料的機(jī)械性能也是至關(guān)重要的。細(xì)小均勻的顆粒大小提供了高強(qiáng)度和較小的強(qiáng)度變化。陶瓷材料的顆粒大小與燒結(jié)條件密切相關(guān)。
優(yōu)選通過在適當(dāng)氛圍中進(jìn)行無壓燒結(jié)來生產(chǎn)氧化鋁和氧化鋁-氧化鋯材料。在許多情況中，由于這是成本相對(duì)較低的工藝并且能夠生產(chǎn)出形狀復(fù)雜的零件，所以這對(duì)于陶瓷材料而言是優(yōu)選的燒結(jié)技術(shù)。
氮化硅和硅鋁氧氮聚合材料通常是通過氣體壓力燒結(jié)生產(chǎn)出的，由此一旦在材料中達(dá)到閉合性孔隙率，就施加大約為0.1-1Mpa的氣體壓力。這使得能夠在更低的燒結(jié)溫度下尤其在使用少量燒結(jié)添加劑來形成液相時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的密度。
熱等靜壓制(HIP)是另一種用于在沒有外部壓力的情況下不能固結(jié)的材料的燒結(jié)技術(shù)。通常采用1-10Mpa的壓力，但是該方法需要例如在玻璃中封裝以傳遞氣體壓力。HIP還可以用來在普通燒結(jié)或熱壓至閉合性孔隙率之后除去剩下的孔隙率，這樣的優(yōu)點(diǎn)在于HIP由于高壓所以在比燒結(jié)溫度更低的溫度下進(jìn)行，這是為什么獲得顆粒更加細(xì)小的材料的原因。
熱壓(HP)對(duì)于難以燒結(jié)的材料例如硅須晶強(qiáng)化氧化鋁而言是優(yōu)選的方法，并且對(duì)于混合陶瓷例如氧化鋁-TiC而言也是優(yōu)選的方法。利用石墨沖頭將通常為25-35MPa的壓力單軸向傳遞給材料。這樣獲得相當(dāng)大的圓柱形圓盤，然后用金剛石鋸將它切成所要求的坯件尺寸。該金剛石鋸切割是坯件生產(chǎn)工藝的相當(dāng)昂貴的部分，大約占每個(gè)坯件的生產(chǎn)成本的30-40％。
US4543345描述了用于生產(chǎn)具有體積百分比為5-60％的SiC-須晶的燒結(jié)密度大于99％的碳化硅須晶強(qiáng)化氧化鋁的方法。該工藝需要28-70MPa的壓力、1600-1900℃的溫度以及在燒結(jié)溫度下保持時(shí)間為45分鐘至2小時(shí)。須晶負(fù)載越高則需要在更高范圍中的壓力和燒結(jié)溫度。盡管晶粒生長抑制了碳化硅須晶的效果，在該熱壓燒結(jié)方法中的長燒結(jié)時(shí)間和高燒結(jié)溫度的組合導(dǎo)致氧化鋁晶粒生長。由于最大缺陷決定了材料的強(qiáng)度，所以大氧化鋁晶粒將影響在刀具應(yīng)用中的性能。
另一種方法火花等離子體燒結(jié)(SPS)將電能脈沖直接施加在粉末顆粒之間的間隙上，這些顆粒設(shè)置在石墨沖頭之間。SPS利用由火花放電產(chǎn)生出的火花等離子體的能量。該壓力沿著單軸向方向直接施加在粉末床上。
另一種方法采用了顆粒狀固體作為壓力傳遞介質(zhì)，這是為什么該方法被稱為“偽等靜壓”的原因。這種方法可以用來使形狀更復(fù)雜的預(yù)制件固結(jié)。
US5348694描述了一種燒結(jié)方法，其中通過對(duì)與位于模腔內(nèi)的預(yù)制件接觸的顆粒狀壓力傳遞介質(zhì)進(jìn)行電阻加熱來加熱預(yù)成形的坯件。該壓力傳遞介質(zhì)是導(dǎo)電的，例如石墨顆粒。該電阻加熱方法使得能夠有非常高的溫度和迅速加熱時(shí)間，從而使之適用于需要高燒結(jié)溫度的材料?？梢允┘拥膲毫τ稍跊_頭和模具中的材料強(qiáng)度限制，該材料對(duì)于高溫通常為石墨。因此，壓力通常不會(huì)比100MPa高很多。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有燒結(jié)氧化鋁和碳化硅須晶復(fù)合材料主體的刀具嵌入件及其制造方法，其中所述刀具嵌入件在金屬切削用途中具有改良的耐磨性和韌性性質(zhì)。
該目的是通過提供一種制造具有燒結(jié)氧化鋁和碳化硅須晶復(fù)合材料主體的刀具嵌入件來解決的，該方法包括以下步驟研磨并混合所述復(fù)合材料的粉末原料并且將所述材料形成為預(yù)成形工件；以20-60℃/分鐘的加熱速度將所述工件加熱至1600-2300℃的燒結(jié)溫度；并且在20-100MPa的壓力下在所述燒結(jié)溫度下保持5-60分鐘的保持時(shí)間。
本發(fā)明的方法在這里將被稱為“快速燒結(jié)”。該方法結(jié)合了使用高燒結(jié)溫度、升至燒結(jié)溫度的高溫以及在燒結(jié)溫度下同時(shí)在高壓下的短保持時(shí)間。在結(jié)合了上述參數(shù)的情況下，由于抑制了因晶粒生長而導(dǎo)致的缺陷，所以本發(fā)明的方法導(dǎo)致具有改良性能的用于刀具的須晶強(qiáng)化陶瓷材料。由于快速加熱至燒結(jié)溫度并且由于在該溫度下的短保持溫度，所以本發(fā)明保持了細(xì)小而均勻的氧化鋁晶粒大小，同時(shí)保持了完全收縮和致密。根據(jù)本發(fā)明的方法所生產(chǎn)出的刀具其耐磨性和韌性性質(zhì)比具有相同組分但是由不同燒結(jié)方法生產(chǎn)出的類似刀具材料更優(yōu)異。
本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一個(gè)非常令人驚訝的效果，這將在下面進(jìn)行說明和論證通過熱壓燒結(jié)方法和根據(jù)本發(fā)明的方法分別生產(chǎn)出具有相同組分的兩種材料。這兩種材料在密度、硬度、斷裂韌性和強(qiáng)度方面顯示出非常類似或幾乎相同的機(jī)械性能和微觀結(jié)構(gòu)特性。但是，令人驚訝的是，根據(jù)本發(fā)明的方法生產(chǎn)出的材料在刀具壽命和溝槽磨損方面顯示出好得多的刀具性能。
在根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)出的材料的刀具性能中的上述差異歸因于平均氧化鋁晶粒大小和其它微觀結(jié)構(gòu)材料特征的結(jié)合，這還沒有得到詳細(xì)解釋，但是這看起來好像與在本發(fā)明中定制的燒結(jié)工藝條件密切相關(guān)，并且是該燒結(jié)工藝條件的結(jié)果。因此，在由本發(fā)明的方法生產(chǎn)出的刀具嵌入件的優(yōu)選實(shí)施方案中，平均氧化鋁晶粒大小為2.0μm或更小，優(yōu)選小于1.5μm，更優(yōu)選小于1.0μm，并且最優(yōu)選小于0.9μm。
還已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的刀具嵌入件的改良性能看起來與氧化鋁晶粒大小分布的低寬度相關(guān)。由于在本發(fā)明的材料中的氧化鋁晶粒大小分布不會(huì)遵循理想的高斯分布，但是相當(dāng)不對(duì)稱，該晶粒大小標(biāo)準(zhǔn)偏差并非氧化鋁晶粒大小分布的有用量度。氧化鋁晶粒大小分布因此由氧化鋁晶粒大小的寬度的第80百分位(P80)確定。P80為氧化鋁晶粒大小(d)的數(shù)值，從而所有氧化鋁晶粒大小測(cè)量結(jié)果的80％小于那個(gè)數(shù)值。
本發(fā)明的刀具嵌入件的改良性能在下面的實(shí)施方案中體現(xiàn)出，其中在復(fù)合材料中的氧化鋁其第80百分位(P80)小于2.5μm，優(yōu)選小于2.0μm，更優(yōu)選小于1.8μm，最優(yōu)選小于1.3μm。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過根據(jù)本發(fā)明的快速燒結(jié)方法實(shí)現(xiàn)了在本發(fā)明的復(fù)合材料中的氧化鋁的這些平均直徑和P80數(shù)值，而標(biāo)準(zhǔn)熱壓導(dǎo)致更高的平均直徑和更高的P80數(shù)值，但是伴隨著更差的刀具性能。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，快速燒結(jié)方法包括通過施加以至少部分穿過所述工件的DC電流形式的電能來加熱所要燒結(jié)的工件的步驟。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，所述電流可以為非脈沖或脈沖DC電流。
在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，本發(fā)明的方法包括如在US5348694中所述一樣的快速燒結(jié)方法。因此，本發(fā)明的方法包括以下步驟在容納區(qū)域內(nèi)提供由導(dǎo)電可流動(dòng)顆粒的底料構(gòu)成的床；將工件放置在床中；向所述床施加壓力；在所要求的加熱速率內(nèi)向位于所述床內(nèi)的所述導(dǎo)電可流動(dòng)顆粒施加足夠量電能以將所述床加熱至所要求的工件燒結(jié)溫度。該方法允許在高達(dá)100MPa的所要求壓力下以急速加熱速度迅速加熱至燒結(jié)溫度。該方法能夠用高加熱速度獲得相當(dāng)于其它已知燒結(jié)方法的高燒結(jié)溫度。根據(jù)石墨工具的強(qiáng)度，該方法同時(shí)還允許高達(dá)100MPa的高燒結(jié)壓力。用在本發(fā)明的方法中的導(dǎo)電可流動(dòng)顆粒底料包括石墨，優(yōu)選為球狀石墨或碳化石墨材料。
根據(jù)本發(fā)明的快速燒結(jié)包括高加熱速率或急速加熱斜率、相應(yīng)的高燒結(jié)溫度和短燒結(jié)時(shí)間。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)所有這些參數(shù)都有助于小氧化鋁晶粒大小，小P80數(shù)值并且有助于優(yōu)異的刀具性能，這似乎是所述小氧化鋁晶粒大小、小P80數(shù)值以及一個(gè)或多個(gè)其它參數(shù)的組合的結(jié)果，這些都是由快速燒結(jié)方法所導(dǎo)致的。
因此，在本發(fā)明方法的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，燒結(jié)溫度為在1800-2100℃之間，更優(yōu)選在1900-2000℃之間。加熱速度優(yōu)選為20-40℃/分鐘，并且最優(yōu)選大約為25℃/分鐘。
即使可以施加高達(dá)60分鐘的保持時(shí)間，根據(jù)材料的組分，為了避免氧化鋁晶粒生長優(yōu)選采用更短的保持時(shí)間。在一優(yōu)選實(shí)施方案中，保持時(shí)間為5至30分鐘，更優(yōu)選為10至20分鐘并且最優(yōu)選為大約15分鐘。
本發(fā)明方法的可用壓力在20-100MPa的范圍內(nèi)。在更優(yōu)選的實(shí)施方案中，該壓力為30-100MPa，最優(yōu)選為40-100MPa。在大多數(shù)情況中，大約為50MPa的壓力是合適的。
在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，根據(jù)本發(fā)明方法生產(chǎn)出的復(fù)合材料包括總體積百分比至少為90％、更優(yōu)選至少為95％的氧化鋁+碳化硅須晶。碳化硅須晶在所述復(fù)合材料的體積百分比優(yōu)選為5-70％，更優(yōu)選為15-50％，并且最優(yōu)選為20-45％。
根據(jù)本發(fā)明方法所生產(chǎn)出的復(fù)合材料可以另外包括一定量的燒結(jié)添加劑例如氧化鎂或氧化釔。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，氧化鎂和/或氧化釔每種都可以以0.01-5重量％的比例，優(yōu)選以0.02-1重量％的比例，最優(yōu)選以0.03-0.5重量％的比例包含在復(fù)合材料中。


圖1a顯示出在下面實(shí)施例1中所述描述的并且根據(jù)下面實(shí)施例5進(jìn)行了處理的由本發(fā)明方法生產(chǎn)出的試樣在8000倍放大率下的掃描電子微觀照片的實(shí)施例；圖1b顯示出在如下面實(shí)施例5所述一樣進(jìn)行圖像處理之后的圖1a的微觀照片；圖2a顯示出根據(jù)下面實(shí)施例5進(jìn)行了處理的商業(yè)可用等級(jí)(商業(yè)等級(jí)A，參見下面的實(shí)施例6)的在8000倍放大率下的掃描電子微觀照片的實(shí)施例；圖2b顯示出在經(jīng)過如下面實(shí)施例5所述的圖像處理之后的圖2a的微觀照片。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1為了進(jìn)行比較，采用具有所要燒結(jié)材料的預(yù)制件的直接電加熱粉末床，利用普通的熱壓法并且通過根據(jù)本發(fā)明的快速燒結(jié)法制備出氧化鋁-碳化硅須晶復(fù)合材料刀具嵌入件。在這個(gè)和下面的實(shí)施例中，本發(fā)明的方法將簡(jiǎn)稱為“快速燒結(jié)”。
把體積百分比為71％的氧化鋁(Ceralox APA，約為0.3μm的晶粒大小)和體積百分比為29％的碳化硅須晶(Advanced Composite MaterialsCorp.SC9，平均直徑為約0.6μm)的混合物放在一起。加入0.04重量％的氧化鎂(Magnesium Electron Ltd.)和氧化釔(A.C.Starck，grade standard)中每一個(gè)作為燒結(jié)添加劑和1.25重量％PVA(Mowiol 4-88)、1.5重量％的PEG300(Pluriol E-300)以及1.5重量％的PEG1500(Pluriol E-1500)作為用來使得能夠進(jìn)行單軸向冷擠壓的加壓助劑，并且對(duì)該組分進(jìn)行濕研磨以獲得均質(zhì)混合物。
對(duì)于用熱壓(HP)進(jìn)行的普通制備而言，對(duì)混合物進(jìn)行冷凍干燥以獲得顆粒物，將它冷擠壓成圓盤，并且在空氣中在600℃下預(yù)燒結(jié)一個(gè)小時(shí)以除去加壓助劑。隨后，在1875℃和25MPa下對(duì)該材料進(jìn)行熱壓一個(gè)小時(shí)。用金剛石鋸將燒結(jié)圓盤切成坯件，然后用ISO-designationRNGN 120700 T01020將它磨成嵌入件。
對(duì)于采用根據(jù)本發(fā)明的快速燒結(jié)進(jìn)行的制備，將該混合物冷凍干燥以獲得顆粒，將這些顆粒冷擠壓成坯件，然后在空氣中在600℃下預(yù)燒結(jié)一個(gè)小時(shí)以除去加壓助劑。然后將這些坯件涂覆一層薄BN層以防止與電加熱粉末床的石墨反應(yīng)。在圓盤的熱壓中已經(jīng)將具有BN層的相同涂層施加在上述材料上。然后將這些坯件設(shè)置在填充有導(dǎo)電石墨碳的模腔中，由此使用了球形多孔石墨碳(Superior Graphite Co.，等級(jí)9400)。通過使電流穿過介質(zhì)來進(jìn)行加熱。使溫度以25℃/分鐘的速度上升，并且燒結(jié)溫度為1925℃，這在50MPa的壓力下保持15分鐘。利用計(jì)算機(jī)模型將坯件溫度計(jì)算作為時(shí)間和在模具中的位置的函數(shù)。然后使這些坯件在爐子中冷卻，并且不進(jìn)行任何另外的熱處理。在燒結(jié)之后，用ISO-designation RNGN 120700 T01020將這些坯件磨成嵌入件。
實(shí)施例2在型號(hào)為Inconel 718的耐熱合金中在開槽操作中對(duì)實(shí)施例1(分別通過熱壓和快速燒結(jié)制備出的)的試樣(坯件)進(jìn)行測(cè)試。在兩次切削中將凹槽總共加寬大約30％。當(dāng)在側(cè)面或前刀面上損壞的最大尺寸超過1mm時(shí)，到達(dá)刀具壽命。
采用下面的切削條件切削冷卻液有切削速度250米/分鐘進(jìn)刀速度0.15和0.25毫米/轉(zhuǎn)切削深度6毫米表1至刀具壽命的循環(huán)次數(shù)

在0.15毫米/轉(zhuǎn)的進(jìn)刀速度下，刀具壽命增加50％，而在0.25毫米/轉(zhuǎn)的進(jìn)刀速度下，增加28％。
實(shí)施例3采用實(shí)施例1的試樣(坯件)，在型號(hào)為Inconel 718的耐熱合金中在刨削操作中測(cè)量出溝槽磨損。
采用以下切削條件切削冷卻液有切削速度220米/分鐘切削深度1.5毫米進(jìn)刀速度0.11毫米/轉(zhuǎn)在兩次切削之后測(cè)量出溝槽磨損。
表2在兩次切削之后的溝槽磨損(mm)

在根據(jù)本發(fā)明的快速燒結(jié)方法生產(chǎn)出的刀具嵌入件的情況中，實(shí)現(xiàn)了溝槽磨損降低至大約75％，或者換句話說，實(shí)現(xiàn)了溝槽耐磨性提高大約25％。
實(shí)施例4根據(jù)實(shí)施例1的方法生產(chǎn)出的試樣其特征在于物理和機(jī)械性能以及微觀結(jié)構(gòu)特性。所測(cè)量的機(jī)械性能為密度、硬度、斷裂韌性和強(qiáng)度，這些性能在下表3中顯示出。
表3機(jī)械性能

*缺口(HV10)斷裂韌性**雙軸彎曲測(cè)試，只有兩個(gè)數(shù)值令人驚訝的是這兩種材料之間在物理和機(jī)械性能上只有很小差異，考慮到在切削性能例如刀具壽命和溝槽磨損中的較大差異。非常令人驚訝的是，在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試中顯示出幾乎相同機(jī)械性能的兩種材料在切削性能中具有較大差異?；叵雭砜?，這可以通過在溫度上的明顯差異來解釋，因?yàn)闄C(jī)械性能是在室溫下確定的，而在切削性能的檢查期間切削刃將經(jīng)受1000℃以上的溫度。本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員所公知的是，機(jī)械性能和刀具性能常常會(huì)由于這個(gè)溫度差而并不一致，但是刀具性能是得到改善或者變壞根本是不可預(yù)測(cè)的。
實(shí)施例5采用通過掃描電子顯微鏡(SEM)產(chǎn)生出的晶粒結(jié)構(gòu)的圖像利用自動(dòng)圖像分析在根據(jù)上面實(shí)施例1的試樣上作出更詳細(xì)的微觀表征。在1000℃下在氫中對(duì)與擠壓方向垂直的試樣的拋光表面進(jìn)行蝕刻以露出氧化鋁晶界，之后在酸中對(duì)它進(jìn)行蝕刻以除去任何形成的氧化物或透明層。這些層是由于存在碳化硅須晶而形成的，這些須晶在熱處理期間會(huì)氧化。然后以8000倍放大率記錄下掃描電子微觀照片(參見圖1a和2a)。采用計(jì)算機(jī)化圖像分析系統(tǒng)通過用手在晶界中填充黑線顏色來對(duì)這些圖像作進(jìn)一步處理。還用手將由碳化硅須晶晶粒覆蓋的區(qū)域填充黑色。由于這些須晶優(yōu)選在與熱壓方向垂直的平面中取向，因此它們由于其縱橫比較高所以容易被識(shí)別出。在圖像分析儀中進(jìn)行的進(jìn)一步圖像處理產(chǎn)生出黑白圖片，其中只有氧化鋁晶界和SiC-須晶晶?？梢钥吹揭员阌跍y(cè)量(參見圖1b和2b)。
平均晶粒大小是根據(jù)對(duì)完全位于測(cè)試區(qū)域邊界內(nèi)的每個(gè)晶粒的單個(gè)面積測(cè)量來確定的。對(duì)于不同區(qū)域重復(fù)測(cè)量八次以獲得足夠數(shù)量的測(cè)量結(jié)果。對(duì)該設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，從而以μm2為單位進(jìn)行面積測(cè)量。根據(jù)晶粒大小在450和1150個(gè)晶粒之間測(cè)量晶粒的每個(gè)變量，它大約為每個(gè)微觀區(qū)域50-100個(gè)晶粒。象素密度為1280×960。
假設(shè)每個(gè)晶粒為理想球形，則采用以下公式計(jì)算出等效晶粒直徑(微米)Ai＝πdi2/4其中Ai＝晶粒i的面積，并且di＝晶粒i的等效直徑采用以下公式計(jì)算出分布的平均直徑(d平均)d平均＝∑di/n其中i為測(cè)量次數(shù)。
描繪了晶粒大小分布的寬度的第80百分位(P80)是氧化鋁晶粒大小d的數(shù)值，從而這些測(cè)量結(jié)果的80％小于那個(gè)數(shù)值。在下表4中顯示出對(duì)于實(shí)施例1的兩種材料而言針對(duì)平均直徑和第80百分位(P80)的計(jì)算數(shù)值
表4氧化鋁晶粒大小和P80

表4顯示出，由根據(jù)本發(fā)明的快速燒結(jié)生產(chǎn)出的材料具有更小的氧化鋁平均直徑和更小的氧化鋁晶粒大小分布，這兩個(gè)對(duì)于切削性能而言都是至關(guān)重要的。意味著相對(duì)粗大晶粒的體積百分比增加的任一參數(shù)的增加會(huì)降低切削性能。
實(shí)施例6已經(jīng)在氧化鋁晶粒大小和分布上對(duì)基于氧化鋁和硅須晶的許多商業(yè)材料進(jìn)行了表征。在該調(diào)查中包括了所有主要供應(yīng)商。按照與在實(shí)施例5中所描述的相同的方式進(jìn)行測(cè)量，并且在表5中給出這些結(jié)果。根據(jù)本發(fā)明的試樣是根據(jù)實(shí)施例1制備的。所有商業(yè)材料具有大致相同的組分，即25重量％SiC-須晶、少量燒結(jié)添加劑以及作為剩下主要成分的氧化鋁。
表5氧化鋁晶粒大小和P80

所有商業(yè)材料顯示出比根據(jù)本發(fā)明的材料更大的平均晶粒大小和更大的P80。
實(shí)施例7為了研究處理參數(shù)的影響，評(píng)估在燒結(jié)期間的三個(gè)不同的保持時(shí)間。根據(jù)實(shí)施例1的本發(fā)明方法制備出這些試樣，除了改變燒結(jié)時(shí)間即溫度每分鐘增加25℃，燒結(jié)溫度為1925℃(在10分鐘保持時(shí)間的情況中，燒結(jié)溫度稍微更高1950℃)，并且對(duì)于所有變化壓力都為50Mpa。這些燒結(jié)時(shí)間為10分鐘、15分鐘和22分鐘。在燒結(jié)之后，用ISO-designation RNGN 120700 T01020將這些坯件磨成嵌入件。
采用如前面實(shí)施例所描述的相同的方法評(píng)估出平均氧化鋁晶粒直徑和P80。結(jié)果示于表6。
表6

針對(duì)這些處理變量也評(píng)估出硬度、斷裂韌性和密度。在圖7中顯示出這些結(jié)果。
表7

*缺口(HV10)斷裂韌性實(shí)施例8在型號(hào)為Inconel 718的耐熱合金中在刨削操作中測(cè)量實(shí)施例7的處理變量的溝槽磨損。將上述商業(yè)材料的兩個(gè)用作參考。商業(yè)等級(jí)A具有用于大多數(shù)的調(diào)查商業(yè)等級(jí)的平均晶粒大小，并且等級(jí)B具有所測(cè)量商業(yè)材料中的最小平均晶粒大小。
采用以下切削條件切削冷卻液有切削速度220米/分鐘切削深度1.5毫米進(jìn)刀速度0.11毫米/轉(zhuǎn)在四次切削之后測(cè)量出溝槽磨損。
表8在四次切削之后的溝槽磨損(mm)

溝槽耐磨性對(duì)燒結(jié)時(shí)間敏感。對(duì)于15分鐘燒結(jié)時(shí)間實(shí)現(xiàn)了最佳的溝槽耐磨性。氧化鋁晶粒大小是決定溝槽耐磨性的一個(gè)參數(shù)，但是不能單獨(dú)解釋這些結(jié)果。
實(shí)施例9在型號(hào)為Inconel 718的耐熱合金中還在開槽操作中測(cè)試前面實(shí)施例8的試樣。在兩次切削中將凹槽加寬總共30％。當(dāng)在側(cè)面或前刀面上的損壞的最大尺寸超過1mm時(shí)達(dá)到工具壽命。
采用以下切削條件切削冷卻液有切削速度250米/分鐘進(jìn)刀速度0.25毫米/轉(zhuǎn)切削深度6毫米表9到刀具壽命的循環(huán)次數(shù)

權(quán)利要求
1.一種制造具有燒結(jié)氧化鋁和碳化硅須晶復(fù)合材料主體的刀具嵌入件的方法，該方法包括以下步驟研磨并混合所述復(fù)合材料的粉末原料并且將所述材料形成為預(yù)成形工件；以20-60℃/分鐘的加熱速度將所述工件加熱至1600-2300℃的燒結(jié)溫度；并且在20-100MPa的壓力下在所述燒結(jié)溫度下保持5-60分鐘的保持時(shí)間。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括以下步驟通過施加DC電流形式的電能加熱所述工件，所述電能至少部分穿過所述工件。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述DC電流是非脈沖的。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述DC電流是脈沖的。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法，該方法包括以下步驟在容納區(qū)域中提供包括導(dǎo)電可流動(dòng)顆粒的底料的床；將所述工件設(shè)置在所述床中；向所述床施加壓力；通過向位于所述床內(nèi)的所述導(dǎo)電可流動(dòng)顆粒施加足夠量的電能來加熱所述工件，從而在所述加熱速度內(nèi)將所述床加熱至工件的所述燒結(jié)溫度。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中導(dǎo)電可流動(dòng)顆粒的底料包括石墨，優(yōu)選為球狀石墨或碳化石墨材料。
7.如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述燒結(jié)溫度在1800-2100℃之間，更優(yōu)選在1900-2000℃之間。
8.如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述加熱速度為20-40℃/分鐘，并且優(yōu)選大約為25℃/分鐘。
9.如權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述保持時(shí)間為5至30分鐘，優(yōu)選為10至20分鐘，最優(yōu)選為大約15分鐘。
10.如權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述壓力為30-100MPa，優(yōu)選為40-100MPa。
11.如權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述復(fù)合材料包括總體積百分比至少為90％、優(yōu)選至少為95％的氧化鋁+碳化硅須晶。
12.如權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述復(fù)合材料包括體積百分比為5-70％，優(yōu)選為15-50％，并且最優(yōu)選為20-45％的碳化硅須晶。
13.如權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的方法，其中在所述復(fù)合材料中的所述氧化鋁其平均直徑小于2.0μm，優(yōu)選小于1.5μm，更優(yōu)選小于1.0μm，并且最優(yōu)選小于0.9μm。
14.如權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的方法，其中在所述復(fù)合材料中的氧化鋁其第80百分位(P80)小于2.5μm，優(yōu)選小于2.0μm，更優(yōu)選小于1.8μm，最優(yōu)選小于1.3μm。
15.如權(quán)利要求1至14中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述復(fù)合材料另外包括以0.01-5重量％的比例，優(yōu)選以0.02-1重量％的比例，最優(yōu)選以0.03-0.5重量％的比例的氧化鎂和/或氧化釔。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至15中任一項(xiàng)所述的方法制備的刀具嵌入件，它具有燒結(jié)氧化鋁和碳化硅須晶復(fù)合材料主體。
17.如權(quán)利要求16所述的刀具嵌入件，其中在所述復(fù)合材料中的所述氧化鋁其平均直徑小于2.0μm，優(yōu)選小于1.5μm，更優(yōu)選小于1.0μm，并且最優(yōu)選小于0.9μm。
18.如權(quán)利要求17所述的刀具嵌入件，其中在復(fù)合材料中的氧化鋁其第80百分位(P80)小于2.5μm，優(yōu)選小于2.0μm，更優(yōu)選小于1.8μm，最優(yōu)選小于1.3μm。
全文摘要
一種具有燒結(jié)氧化鋁和碳化硅須晶復(fù)合材料體的改進(jìn)的刀具嵌入件和制造該刀具嵌入件的方法，該方法包括以下步驟研磨并混合所述復(fù)合材料的粉末原料并且將所述材料形成為預(yù)成形工件；以20－60℃/分鐘的加熱速度將所述工件加熱至1600－2300℃的燒結(jié)溫度；并且在20－100MPa的壓力下在所述燒結(jié)溫度下保持5－60分鐘的保持時(shí)間。
文檔編號(hào)B22F3/12GK1517322SQ20041000140
公開日2004年8月4日 申請(qǐng)日期2004年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月28日
發(fā)明者貢納爾·勃蘭特, 貢納爾 勃蘭特 申請(qǐng)人:山特維克公司