專利名稱：氧化鋁-氧化鋯-碳化物晶須增強切削刀具的制作方法
技術領域：
本發明涉及含氧化鋯的氧化鋁基陶瓷切削刀具。它特別涉及用于軟鋼的高速粗加工的陶瓷切削刀具。
過去，美國專利No.4，534，345和No.4，507，224中所說明的精選的氧化鋁-碳化硅晶須增強復合材料中已經加入過規定量的氧化鋯，以提供增強的抗斷韌性和(或)抗彎強度(見美國專利No.4，657，877和No.4，749，667;日本專利公告No.昭62-265182;Clausen等人，《晶須增強的氧化物陶瓷》，JournaldephysiqueColloqueCL，Sopplement(增刊)No.2，Tome47，1986年2月，CL-693至CL-702頁;Becher等人，《利用晶須增強的陶瓷韌化》，陶瓷斷裂力學7，Bradt等人編，Plenum出版社，紐約(1986年)，61-73頁)。
人們已經指出，為了改善抗斷韌性和(或)抗彎強度，氧化鋯應當是單斜晶系和(或)(亞穩態的)四方晶系相。人們已經進一步指出，亞穩態的四方晶系相是通過縮小氧化鋯粒徑或利用含量小于完全穩定立方晶系氧化鋯相所需的量的立方晶系氧化鋯穩定促進劑如氧化釔、氧化鈣、氧化鎂和稀土氧化物來得到的。
已經提出了由許多種含氧化鋁、氧化鋯和碳化硅晶須而具有或不具有其它添加劑的復合材料制成的切削刀具(見歐洲專利申請No.86107916.8(1987年1月21日作為No.0208910公布);美國專利No.4，749，667;《多次韌化陶瓷》，TechnoJapan，19卷，第10期，1986年10月，78頁;以及歐洲專利申請No.86301597.0，1986年9月17日作為No.0194811公布)。
至于用這些刀具切削的材料，人們指出這些刀具已被用于加工鑄鐵、淬硬鋼和鎳基超級耐熱合金。這些材料在金屬切削期間遇到的高溫下與切削鑲嵌件中的碳化硅的反應都相當小。上述文獻沒有一篇指出，對于軟鋼高速粗加工用的金屬切削鑲嵌件，通過現在由本申請人發現的將氧化鋁基陶瓷的成分控制在組合的臨界范圍內的方法，可以顯著地改善切削性能。
根據本發明，氧化鋁基陶瓷切削鑲嵌件包括(按照體積百分率，V%)約1.5至12.5V%的碳化硅晶須、約7.5至17.5V%的分散在氧化鋁基體中的氧化鋯。氧化鋁基陶瓷復合材料含有四方晶系的氧化鋯，其含量當在1000表面英尺/分、0.025英寸/轉和0.100英寸切削深度的條件下車削硬度處于約190-200BHN(布氏硬度數值)范圍內的AISI1045鋼時，足以提供壽命至少為約10分鐘，較好的是至少為約12分鐘，而更好的是至少為15分鐘的切削刀刃。
較好的是，復合材料的至少約7V%為四方晶系氧化鋯。更好的是，陶瓷復合材料的至少約7.5V%為四方晶系氧化鋯，而最好的是至少約8V%為四方晶系氧化鋯。
較好的是，碳化硅晶須的含量保持在約2.5至12.5V%，更好的是，2.5至11V%，而最好的是約2.5至7.5V%。氧化鋯含量較好的是保持在約9和16V%之間。
目前的氧化鋁基陶瓷至少含40V%氧化鋁，而較好的是，至少含約50V%氧化鋁。
結合下面簡要說明的附圖考察本發明的詳細說明，將會更加清楚地理解本發明的這些方面和其它方面。


圖1是根據本發明所述的一種方形切削鑲嵌件實施例的立體圖。
圖2是高速粗加工AISI1045鋼時金屬切削鑲嵌件壽命作為各種不同的氧化鋯含量下碳化硅晶須含量的函數的圖形。
圖1表示本發明的一種優選實施例，其中金屬切削鑲嵌件10具有一個前傾面30、一個側面50和一個位于前傾面和側面交界處的切削刀刃70。較好的是，切削刀刃70處于削邊狀態(如K棱面)切削鑲嵌件是用本發明的氧化鋁-碳化硅晶須-氧化鋯復合材料制成的。
考慮下述例子將會更清楚地理解本發明。下面表1列舉的是試驗的氫化鋁-碳化硅晶須-氧化鋯成分及其熱壓溫度。
通常，每種混合物是通過在罐狀研磨機中存在約4公斤氧化鋁圓球的條件下將Al2O3(AlCOA A16SG級，純度＞9999%)和ZrO2(Zircar未穩定的)球漿一起混合1小時而制成的。而后加入經過聲波處理的碳化硅晶須(日本東京的Tokai碳公司，TOKAWHISKER(TOKAMAX)2級，純度＞997%)粉漿，全部混合物混合1小時。Al2O3和ZrO2粉漿預先受到充分的研磨，以便分別得到0.5至0.6μm和0.6至0.8μm的平均粒徑(用BET法(布魯瑙厄-埃梅特-泰勒法)測定的相應的比表面積分別為10至14m2/g和20至40m2/g)。碳化硅晶須的直徑為約0.3至0.7μm、長度為約5至50μm。所有粉漿都在異丙醇中制成，最終粉漿含有約25至30W%(重量百分率)的固體。混合后的粉漿在盤中干燥，由此得到的粉末通過100目的篩網進行篩選。通過在石墨模具中在1500至1800℃溫度(見表1)和約4000至5000psi(磅/平方英寸)的壓力下在氬氣氛中的單軸熱壓得到這些復合材料的完全致密的(＞理論密度的98%)坯料。從這些坯料上切割下樣品，用于評價物理和機械性能，并制備金屬切削試驗用的鑲嵌件。
表1混合物熱壓溫度成分編號 (℃) V%SiCw V%ZrO20403556154057.5702.5015407.510
(續表1)混合物熱壓溫度成分編號 (℃) V%SiCw V%ZrO22155012.5014155017.507540512.515302.52215207.5524650305271530517.5281650520
(續表1)混合物熱壓溫度成分編號 (℃) V%SiCw V%ZrO22957525203002003400300361800350
表2表示致密化混合物的洛氏A標(RA)硬度抗斷韌性和四方晶系氧化鋯含量。根據本發明，洛氏A標硬度較好的是至少為93，而更好的是至少為93.5。抗斷韌性(KIC)是利用Palmpvi Palmpvist壓痕技術用18.5Kg負載和維氏硬度試驗壓頭在拋光表面上測定的(見Evans和Charles，《抗斷韌性的壓痕測定》，J.Amer.Ceramic Soc.，Vol.59，No.7-8，371，372頁)，較好的是至少為5MPam 1/2 。
在室溫下具有單斜晶系(m)平衡結構的ZrO2能發生相變。當加熱超過約1200℃時，ZrO2轉變為四方晶系(t)相，它可以通過摻加化學成分(如與Y2O3)的方法或通過保持粒徑足夠小的方法在室溫下保持亞穩態。當四方晶系ZrO2轉變為單斜晶系相對體積約增大4%，這導致杭伸應力減小和抗斷韌性增大，也就是所謂“相變韌性”。ZrO2在拋光或研磨期間由于應力感生相變可能會發生變成單斜晶系形成的自發相變，從而產生表面壓縮應力。將Porter-Heuer公式(Porter等人，J.Amer.Ceramic Soc.，Vol.62，No.5-6(1979)298-305頁)修改一下，用于從單斜晶系ZrO2的111反射峰值強度(Im(111))和四方晶系ZrO2的111反射峰值強度估算單斜晶系ZrO2的百分率(Vm)1.603Im(111)Vm＝ (1)1.603Im(111)+St(111)和Vt＝1-Vm(2)
此處Vt為四方晶系ZrO2的百分率。
四方晶系ZrO2在整個復合材料中的體積百分率(Vt)估算如下vt＝Vtvz(3)式中vz是混合物中加入的全部ZrO2的體積百分率。上述關系假定在固結期間ZrO2除了上面討論的相變外基本上保持不變。
因為在進行X射線衍射、抗斷韌性測量或其它評價時必須對表面進行切割、研磨或拋光，所以作為這種機械加工的結果表面上的一部分四方晶系ZrO2轉變為單斜晶系相。在這方面，拋光表面比起研磨表面來，其四方晶系ZrO2的含量更接近于材料內部的數值，因為前者本質上是相當溫和的。對研磨表面和拋光表面進行了Vt和vvt值的比較，我們發現拋光表面顯示出比研磨表面要大的四方晶系ZrO2含量。這種增大大體上平均為vt的約2.5v%。在表2中，對研磨表面測得的四方晶系氧化鋯的體積百分率后面加注了字母“g”。在所有其它情況中，四方晶系體積百分率是在拋光表面上測得的。
我們發現，Vt和vt都隨碳化硅晶須含量的增大而減小。當碳化硅晶須含量增大時，Al2O3-SiCw基體的熱膨脹系數減小這減小了ZrO2的臨界粒徑;也就是，在熱壓后冷卻至室溫時，大于該臨界粒徑的ZrO2顆粒將自發地轉變為單斜晶系結構。對于低含量的ZrO2來說vt隨ZrO2含量而增大，通過一個最大值，而后隨ZrO2含量的進一步增大而減小。
表3車削AISI1045鋼(約190至200BHN)鑲嵌件切削刀刃壽命平均壽命材料和失效方式(分鐘)混合物12(BK)0.25(BK)1.12--310.5(CH)7(BK)10.9(DN)6.2(BK)8.747(BK)3.9(BK)7(CH)650.5(CR)0.6(CR0.6610(DN)5(DN)7.577(BK)20(BK)13.5812.5(BK)20(DN，BK)16.5911.3(DN)25.5(FW)18.41013(BK)11(BK121110.7(DN)19.2(FW)14(BK)14.7(BK)14.712--136.6(DN)16.1(BK)11.414--1510.1(BK)11.0(DN)8.1(DN)6.8(DN)9164(CR)0.7(CR)2.417--1816.8(DN8.5(DN)12.7
(續表3)鑲嵌件切削刀刃壽命平均壽命材料和失效方式(分鐘)1916.2(DN)15.1(DN)15.72012(CH)13.8(DN)12.92114(BK)21.7(DN)17.92215.4(DN)15(BK)15.223--243.2(DN)6.8(DN)5252.1(DN)2.7(DN)2.426--2712.6(DN)16.2(BK)14.4280.6(CN)0.7(DN)0.7293.5(BK)4(DN)3.8303(DN)4.9(DN)4.0311.1(CR-DN)0.7(CR)0.932 6.6(DN)5.0(CH)＊5.833 ＜0.5(DN)4.0(BK)＊2.2534 9.5(CH)1.0(CR-BK)＊5.2535 0.6(CR)1.4(BK)＊1.036 ＜0.5(CR)0.3(BK)＊0.4
(續表3)試驗條件1000Sfm(表面英尺/分鐘)0.025ipr(英寸/轉)(＊第二次試驗為0.020.024ipr)0.100英寸doc(切削深度)SNGN-453T(按照ANSIB的美國國家標準規定)可以轉換位置的切削鑲嵌件方式(切削刀刃制備0.008英寸×20°K棱面)15°導向角(側面切削刀刃角)-5°側面前傾角-5°背面前傾角無冷卻劑切削刀刃壽命判斷FW-0.015英寸均勻側面磨損MW-0.030英寸集中側面磨損CR-0.004英寸坑口磨損DN-0.030英寸深的切削缺口CH-0.030英寸集中磨損或碎裂
(續表3)BK-破裂AISI1045相當于統一編號系統(UNS)規定-G10450。
表3列舉了預加工的AISI 1045鋼的高速粗加工中可以轉變位置的鑲嵌件切削刀刃的壽命。圖2中繪制了切削刀刃壽命作為碳化硅晶須含量的函數的圖線。可以看出，切削刀刃壽命似乎在開始隨碳化硅晶須含量的增大而增大。達到最大值的碳化硅晶須含量似乎是ZrO2含量的函數。刀具壽命的最大值出現在約10至15V%的ZrO2含量。我們發現，在碳化硅晶須的高含量。刀具壽命主要由于坑口磨損而終結，可能歸因于鐵和SiC之間的快速化學反應。導致硬度降低的高含量ZrO2使刀具由于切削缺口的深度而失效。對于碳化硅晶須和ZrO2含量都比較低的刀具，破裂和碎裂是主要的失效方式，可能歸因于這些復合材料的抗斷韌性很低。
在上述幾個物理和力學參數中，我們發現四方晶系ZrO2成分的體積百分率與切削刀刃壽命直接有關。也就是，當混合物中四方晶系氧化鋯的體積百分率增大時，切削刀刃的壽命也增大了。我們相鄰這種行為的理由可為的理由可能是，因為抗斷裂能力主要通過相變韌化得到，所以高含量的四方晶系氧化鋯能提高抗斷裂能力和刀具壽命。我們也相信，需要低含量的碳化硅晶須，以盡可能減小化學磨損，盡可能增大四方晶系氧化鋯的量，和補償由于添加ZrO2而造成的硬度損失。
本發明的上述說明證實，為了盡可能增大低碳軟鋼的加工中切削刀刃的壽命，刀具材料應當在含Al2O3的基體中包含約1.5至12.5V%的碳化硅晶須，約7.5至17.5V%的ZrO2較好的范圍為約2.5至11V%的碳化硅晶須和9至16V%的YrO2。其次，較好的是，復合材料的至少約7V%應當是四方晶系ZrO2的形式。含大于17.5V%ZrO2的切削刀具可能太軟，因而可能由于過渡磨損而過早失效，另一方面，增大碳化硅晶須含量可能導至增大化學磨損和減小四方晶系氧化鋯的含量，從而縮短切削刀刃的壽命。如圖2中可見，當加入的碳化硅晶須為2.5至5V%時切削刀刃的壽命增大，在約5V%時出現最大值碳化硅晶須超過約5V%，切削刀刃壽命開始縮短。因此，最好是碳化硅晶須的最大含量為約5至7.5V%。
在本發明的另一個實施例中，除了碳化硅晶須以外(或者是部分地替代碳化硅晶須)，還可以加入復合材料的約1.5至37.5V%量的作為晶須和(或)基本上等軸的微粒的碳化鈦，較好的是2至35V%，更好的是約10至30V%。
在本發明的又一個實施例中，可以用1.5至37.5V%含量的(較好的是10至30V%含量的)碳化鈦晶須單獨地或與基本上等軸的碳化鈦微粒相結合地完全替代此處所用的碳化硅晶須。
碳化鈦具有比氧化鋁高的熱膨脹系數。因此，我們相信，碳化鈦添加劑應當能夠使更多的四方晶系氧化鋯在室溫下存留。此外，碳化鈦雖然不如碳化硅硬，但它在金屬切削遇到的高溫下與鐵的反應比碳化硅要弱得多。堿化鈦晶須可以用下述文獻的方法制造A.KatKato等人，《碳化鈦晶須在化學氣相沉積中的生長速率》，J.Cryst.Growth，37(1977)，293-300頁;N.Tamari等人，《各種金屬和難熔氧化物對化學氣相沉積法生長IiC晶須的催化效應》，J.Cryst.Growth，46(1979)，221-237頁。碳化鈦晶須及其在氧化鋁基切削鑲嵌件中的結合和應用公開在Mehrotra等人在1987年5月28日申請的美國專利申請順序號No.056，091中，該專利已轉讓給Kennametal公司，現在成為美國專利No.4，852，999。
本發明的其它實施例可以在與本發明同時申請并轉讓給此處的受讓人的P.K.Mehrotra等人的美國專利申請順序號No.266，721中找到。該專利證實，如果在本專利的復合材料(含碳化鈦和(或)碳化硅晶須)中加入氧化鎂，可以進一步改善切削刀刃的壽命，氧化鎂的含量范圍為復合材料的0.03至3V%最好是約0.04至1V%。
此處提到的所有專利、專利申請和文獻都通過參考結合進去了。
如此處所述，所提到的四方晶系氧化鋯含量是用此處所說明的技術從拋光表面的X射線衍射估算的含量。
考慮到本發明或此處公開的本發明的實施，對于那些熟悉本技術的人來說，本發明的其它實施例將是十分明顯的。我們希望，說明書和例子只作為舉例性質，同時通過下列權利要求書表明本發明的實際范圍和精神實質。
權利要求
1.一種金屬切削鑲嵌件，它包括一個前傾面；一個側面；一個位于上述前傾面和上述側面交界處的切削刀刃；上述金屬切削鑲嵌件具有主要由約1.5至12.5V%的碳化硅晶須和約7.5至17.5V%的氧化鋯組成的氧化鋁基陶瓷成分，其中上述成分的至少約7V%為四方晶系氧化鋯，而且其中上述碳化硅晶須和氧化鋯都分散在氧化鋁基的基體中。
2.如權利要求1所述的金屬切削鑲嵌件，其中上述氧化鋁基的陶瓷成分包含約2.5至11V%的碳化硅晶須。
3.如權利要求1所述的金屬切削鑲嵌件，其中上述氧化鋁基陶瓷包含約2.5至7.5V%的碳化硅晶須。
4.如權利要求1所述的金屬切削鑲嵌件，其中上述氧化鋁基陶瓷包含約9至16V%的氧化鋯。
5.如權利要求2所述的金屬切削鑲嵌件，其中上述氧化鋁基陶瓷包含約9至16V%的氧化鋯。
6.如權利要求3所述的金屬切削鑲嵌件，其中上述氧化鋁基陶瓷包含約9至16V%的氧化鋯。
7.如權利要求4所述的金屬切削鑲嵌件，它至少包含約7.5V%的四方晶系氧化鋯。
8.如權利要求5所述的金屬切削鑲嵌件，它至少包含約7.5V%的四方晶系氧化鋯。
9.如權利要求6所述的金屬切削鑲嵌件，它至少包含約7.5V%的四方晶系氧化鋯。
10.如權利要求4所述的金屬切削鑲嵌件，它至少包含約8V%的四方晶系氧化鋯。
11.如權利要求5所述的金屬切削鑲嵌件，它至少包含約8V%的四方晶系氧化鋯。
12.如權利要求6所述的金屬切削鑲嵌件，它至少包含約8V%的四方晶系氧化鋯。
13.一種金屬切削鑲嵌件，它包括一個前傾面;一個側面;一個位于上述前傾面和上述側面交界處的切削刀刃;上述金屬切削鑲嵌件具有由約1.5至12.5V%的碳化硅晶須、約7.5至17.5V%的ZrO2和作為除雜質外其余部分的Al2O3組成的氧化鋁基陶瓷成分，其中上述成分的至少約7V%為四方晶系氧化鋯，而且其中上述碳化硅晶須和上述氧化鋯部分散在由上述氧化鋯組成的基體內。
14.如權利要求13所述的金屬切削鑲嵌件，其中上述氧化鋁基的陶瓷成分包含約2.5至11V%的碳化硅晶須。
15.如權利要求13所述的金屬切削鑲嵌件，其中上述氧化鋁基陶瓷包含約2.5至7.5V%的碳化硅晶須。
16.如權利要求13所述的金屬切削鑲嵌件，其中上述氧化鋁基陶瓷包含約9至16V%的氧化鋯。
17.如權利要求14所述的金屬切削鑲嵌件，其中上述氧化鋁基陶瓷包含約9至16V%的氧化鋯。
18.如權利要求15所述的金屬切削鑲嵌件，其中上述氧化鋁基陶瓷包含約9至16V%的氧化鋯。
19.如權利要求16所述的金屬切削鑲嵌件，它至少包含約7.5V%的四方晶系氧化鋯。
20.如權利要求17所述的金屬切削鑲嵌件，它至少包含約7.5V%的四方晶系氧化鋯。
21.如權利要求18所述的金屬切削鑲嵌件，它至少包含約7.5V%的四方晶系氧化鋯。
22.如權利要求16所述的金屬切削鑲嵌件，它至少包含約8V%的四方晶系氧化鋯。
23.如權利要求17所述的金屬切削鑲嵌件，它至少包含約8V%的四方晶系氧化鋯。
24.一種金屬切削鑲嵌件，它包括一個前傾面;一個側面;一個位于上述前傾面和上述側面交界處的切削刀刃;上述金屬切削鑲嵌件具有由約1.5至7.5V%的碳化硅晶須和約7.5至17.5V%的氧化鋯組成的氧化鋁基陶瓷成分其中上述氧化鋯包含四方晶系氧化鋯，其含量當在1000表面英尺/分、0.025英寸/轉和0.100英寸切削深度的條件下車削硬度處于約180-200BHN(布皮硬度數值)范圍內的AISI 1045鋼時，足以提供壽命至少為約10分鐘的上述切削刀刃，而且其中上述碳化硅晶須和氧化鋯都分散在氧化鋁基的基體內。
25.如權利要求24所述的金屬切削鑲嵌件，其中上述壽命至少為約12分鐘。
26.如權利要求24所述的金屬切削鑲嵌件，其中上述壽命至少為約15分鐘。
27.一種金屬切削鑲嵌件，它包括一個前傾面;一個側面;一個位于上述前傾面和上述側面交界處的切削刀刃;上述金屬切削鑲嵌件具有包含碳化物晶須和約7.5至17.5V%氧化鋯的氧化鋁基陶瓷成分，碳化物晶須是從由約1.5至37.5V%碳化鈦晶須和1.5至7.5V%碳化硅晶須單獨或互相組合而組成的組中選定的，其中上述成分的至少約7V%為四方晶系氧化鋯，而且其中上述碳化物晶須和氧化鋯部分散在氧化鋁基的基體內。
28.如權利要求27所述的金屬切削鑲嵌件，其中碳化鈦晶須的存在量為上述成分的約10至30V%。
29.如權利要求27所述的金屬切削鑲嵌件，它至少包含7.7.5V%的四方晶系氧化鋯。
30.如權利要求28所述的金屬切削鑲嵌件，它至少包含8V%的四方晶系氧化鋯。
31.如權利要求24所述的金屬切削鑲嵌件，其中上述碳化硅晶須的存在量為約2.5至7.5V%。
32.如權利要求27所述的金屬切削鑲嵌件，其中上述碳化硅晶須的存在量為約2.5至7.5V%。
33.如權利要求24所述的金屬切削鑲嵌件，其中上述氧化鋯的存在量為約9至16V%。
34.如權利要求31所述的金屬切削鑲嵌件，其中上述氧化鋯的存在量為約9至16V%。
35.如權利要求27的所述的金屬切削鑲嵌件，其中上述氧化鋯的存在量為約9至16V%。
36.如權利要求32所述的金屬切削鑲嵌件，其中上述氧化鋯的存在量為約9至16V%。
37.如權利要求24所述的金屬切削鑲嵌件，其中上述碳化硅晶須的存在量為約2.5至5V%。
38.如權利要求27所述的金屬切削鑲嵌件，其中上述碳化硅晶須的存在量為約2.5至5V%。
39.如權利要求33所述的金屬切削鑲嵌件，其中上述碳化硅晶須的存在量為約2.5至5V%。
40.如權利要求35所述的金屬切削鑲嵌件，其中上述碳化硅晶須的存在量為約2.5至5V%。
41.如權利要求24所述的金屬切削鑲嵌件，其中上述氧化鋁基陶瓷成分還包含一種氧化鎂添加劑。
42.如權利要求26所述的金屬切削鑲嵌件，其中上述氧化鋁基陶瓷成分還包含一種氧化鎂加劑。
43.如權利要求27所述的金屬切削鑲嵌件，其中上述氧化鋁基陶瓷成分還包含一種氧化鎂添加劑。
44.如權利要求37所述的金屬切削鑲嵌件，其中上述氧化鋁基陶瓷成分還包含一種氧化鎂添加劑。
45.如權利要求39所述的金屬切削鑲嵌件，其中上述氧化鋁基陶瓷成分還包含一種氧化鎂添加劑。
46.如權利要求26所述的金屬切削鑲嵌件，其中上述碳化硅晶須的存在量為約2.5至5V%。
47.如權利要求42所述的金屬切削鑲嵌件，其中上述碳化硅晶須的存在量為約2.5至5V%。
全文摘要
提供了一種具有氧化鋁基陶瓷成分的金屬切削鑲嵌件，其組成為(體積百分率V％)契1.5至12.5V％的硅化硅晶須和約7.5至17.5V％的氧化鋯。碳化硅晶須和氧化鋯基本上均勻地分布在氧化鋁基基體中。最好是，氧化鋁基陶瓷成分的至少約7V％為四方晶系氧化鋯。
文檔編號B23B27/14GK1042858SQ8910832
公開日1990年6月13日 申請日期1989年11月3日 優先權日1988年11月3日
發明者潘卡耶·庫馬·麥羅特拉, 埃利薩比斯·R·比爾曼 申請人:鈷碳化鎢硬質合金公司