專利名稱：氧化鋁包覆的碳化硅須晶-氧化鋁復合材料的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及經(jīng)過包覆(處理的復合材料，該復合材料為氧化鋁基之基體，在該基體中分布有碳化硅須晶，而且其表面具有氧化覆層。特別是，本發(fā)明是涉及由該復合材料所制備的金屬切削刀具鑲片。
在現(xiàn)有技術中，已有多種材料被用于黑色及有色金屬的機加工。其中，用于鋼的機加工的材料一直是采用經(jīng)包覆及未經(jīng)包覆的硬質(zhì)合金。典型的包覆硬質(zhì)合金在美國專利US-4610931中給予了描述，而且，現(xiàn)有技術的市售KC950(牌號)亦給出了實例，該牌號的產(chǎn)品是根據(jù)前述專利所生產(chǎn)(KC950是凱納金屬聯(lián)合公司(Ken-nametalInc.)用于其經(jīng)包覆切削刀具鑲片的商標)。
此外，還有利用TiC-TiN合金陶瓷材料，諸如美國專利US-3971656中所描述的合金陶瓷，來進行鋼的機加工。還大量地使用陶瓷材料(諸如氧化鋁和氧化鋁-碳化鈦陶瓷)進行鋼的機加工。氧化鋁-碳化鈦鑲片類切削刀具的一個已有實例是KO90(牌)，其含有大約30%(體積)的碳化鈦(KO90是凱納金屬聯(lián)合公司(KennametalInc.)用于其氧化鋁-碳化鈦切削刀具鑲片的商標)。
盡管前述的復合材在鋼材機加工上一直是成功的，當高進刀量與低速相配合時，大量采用硬質(zhì)合金(來加工鋼)，而在高速與低進刀量相配合時卻采用陶瓷型材料。但我們並不清楚在高速與高進刀量相配合的情況下，工業(yè)上大量采用什么類型的切削刀具材料對鋼進行機加工。
由氧化鋁-碳化硅須晶復合材料制成的切削刀具鑲片業(yè)已問世(參見美國專利US-4543345)。盡管這類嵌片在鎳基高溫合金的機加工上具有工業(yè)適用性，但由于所得到的刀具壽命低，它們並沒有實際地應用于鋼的機加工。人們相信，刀具壽命低是由于在機加工過程中，在切削刃口處所產(chǎn)生的高溫條件下刀具鑲片中的碳化硅與鋼中的鐵發(fā)生了強烈的化學反應。
現(xiàn)有技術在鎳基高溫合金的機加工中所采用的工業(yè)型氧化鋁-碳化硅須晶復合材料含30到大約36V/O的碳化硅須晶，因為人們發(fā)現(xiàn)這一成分范圍其機加工性能最佳。在這一SiC須晶水平下，其斷裂韌性亦為最高。
申請人現(xiàn)已出人預料地發(fā)現(xiàn)，通過在含有氧化鋁及特定水平(量)的SiC須晶的基底上施加一層氧化鋁覆層，可產(chǎn)生一種新的切削刀具，這不僅使氧化鋁-SiC須晶復合材料可被實際應用于鋼的機加工，而且還使得這些材料在高進刀量與高速相配合的條件下適用于鋼的高速粗加工。
根據(jù)本發(fā)明提供的一種產(chǎn)量具有由分布于氧化鋁基基體中的SiC須晶所構(gòu)成的基底，並帶有一層結(jié)合于該基底上的氧化鋁覆層(基體至少含50V/O的氧化鋁)。該基底含有至少5，且小于30V/O(體積百分比)的碳化硅須晶。並含有小于大約95，且最好大于70V/O的氧化鋁。最好產(chǎn)品是一種刀具鑲片，其由上述材料構(gòu)成並其有一切削刃口，該刃口形成于其前傾面與側(cè)面的交界處。根據(jù)機加工應用，對于軟鋼SiC須晶的含量以至少大約5到少于大約20V/O為宜，最好為大約10～大約18V/O之間;對于硬鋼，以20到小于30V/O為宜，最好為大約22～大約28V/O之間。
氧化鋁覆層的厚度以1.5～10微米為宜，最好是3～7微米。盡管氧化鋁覆層可被直接結(jié)合于基底上，但也可在基底與氧化鋁覆層間施以中間覆層，以將氧化鋁覆層粘結(jié)于基底上。在一具體實例中，一種氮化鈦覆層可被結(jié)合于氧化鋁覆層的外面。
下面借助附圖對本發(fā)明的詳細描述，將能更清楚地了解本發(fā)明及其優(yōu)點。


圖1是在AISI1045鋼車削加工期間，刀具壽命與SiC須晶(SiCw)含量(以體積百分比V/O示之)的函數(shù)關系圖。
圖2是在AISI4340鋼車削加工期間，刀具壽命與SiC須晶含量的函數(shù)關系圖。
申請人業(yè)已發(fā)現(xiàn)，通過用氧化鋁覆層包覆特定的SiC須晶-氧化鋁基底材料，可生產(chǎn)新的刀具鑲片。該鑲片與未包覆基底的切削性能相比，在對鋼進行高速粗加工可顯著地提高刀具的壽命。出人預料的是，在那些具有較低的SiC須晶含量的基底復合材料，即所含SiC須晶量低于現(xiàn)有技術中用于加工鎳基合金的工業(yè)型SiC須晶強化未包覆刀具鑲片所含之SiC須晶量的基底材料，表現(xiàn)出了最佳的刀具壽命特征。正如前述，這些現(xiàn)有技術的復合材料含30～大約36V/O的分布于氧化鋁基體中的SiC須晶。這一須晶含量水平也使材料的斷裂韌到達到最大。
然而，根據(jù)本發(fā)明，基底的SiC須晶含量被限制在大于5V/O且小于30V/O，與現(xiàn)有技術的工業(yè)用刀具鑲片成份相比，這一成分范圍會引起裂斷韌性的降低。事實上，如今業(yè)已發(fā)現(xiàn)，對于如AIST1045鋼這樣的軟鋼，基底的SiC須晶含量應至少大約5到小于大約20V/O。
盡管不希望被理論所約束，但申請人仍相信本發(fā)明所獲得的意外結(jié)果及優(yōu)點可借助下述理論來解釋應該認識到，為在鋼的高速粗加工狀態(tài)下使刀具的壽命達到最高，應在由分布有SiC須晶的氧化鋁基體所構(gòu)成的基底之斷裂韌性與其化學活性之間的取得一個平衡。雖然在30～36V/O的SiC須晶范圍內(nèi)，這些材料的斷裂韌性增長到最大，但在對鋼進行機加工時，該基底的化學活性據(jù)信是隨著SiC須晶含量的增加而增加。盡管在本發(fā)明中，基底被氧化鋁覆層所包覆以防止基底與鋼相接觸，但在使用期間，由于基底與高速通過其前傾面的熱鋼屑是處于壓緊接觸狀態(tài)，故而氧化鋁覆層被磨蝕掉。在此情況下，我們相信，SiC須晶的含量愈高，基底的化學活性也就愈大，由于裂紋擴展所引起的刀具早期損壞的幾率也就愈高。由此得出結(jié)論為使刀具壽命達到最高，在有氧化鋁覆層之條件下，必須在基底之斷裂韌性與化學活性之間建立一個平衡?？蛇M一步推知，該平衡出現(xiàn)時的SiC須晶含量依據(jù)鋼的成分和硬度移動。例如，我們相信，軟鋼(如低碳和中碳鋼)對SiC須晶具有比硬鋼更高的化學活性。此外，我們還相信，在車削軟材料時(刀具)鑲片的斷裂韌性亦無需太高＊。這樣，在對低碳和中碳鋼進行高速粗加工時，通過較低的SiC須晶含量來獲得最佳的刀具使用壽命。
現(xiàn)在，結(jié)合下述實施例對本發(fā)明進行進一步的闡述。這些實施例僅僅是本發(fā)明的示范。
表Ⅰ給出了五種混合材料成分(No.1～5)。每一種成分的材料均取量大約725～750克。上述材料是通過下述步驟制備的首先，利用超聲振動對SiC須晶(直徑0.3～0.7微米，長20～50微米)進行大約1.5小時的松團處理，然后添加合適量的高純氧化鋁，3.2～3.5升的異丙醇及2.3千克的1/4英寸氧化鋁園鱗片。在磨罐中對這些材料進行完全的混合處理(操作應輕緩)大約1小時，以使SiC須晶基本均勻地分布于氧化鋁中且不引起SiC須晶的過渡破斷。所說的高純氧化鋁(ALCOA級A16SG)已先經(jīng)磨處理以使其平均尺寸為大約0.5～0.6微米?；旌咸幚砗?，將粉末混合體干燥，過100目篩以除去大的聚團體。各種混合體粉末均分別置于1.75英吋(直徑)的石墨模中，在1800℃，4000Psi的壓力條件下熱壓1小時，以產(chǎn)生完全致密的(即至少98%的理論密度)坯，且須晶的組織形態(tài)未發(fā)生顯著的變化。熱壓過程中，使用大約1個大氣壓的氬氣作為保護氣體。
熱壓坯經(jīng)切割磨制，制成SNG-453T型刀具鑲片。T代表K刃棱面或切面。在本鑲塊中，所用的切面在前面表面和平面上有一個突出的0.008吋的寬度並且在它向刃口和后面延伸時，從前面表面的平面傾斜20°。然后，利用常規(guī)化學氣相沉積技術，于大約950℃下將各種成分的鑲片之一部分包覆以3～5微米厚的氧化鋁覆層，使覆層結(jié)合于基底之上表Ⅰ混合組物(材料)混合物序號標準成分SiC須晶V/O Al2O3V/O1158522080325754307053565把由各種混合體制成的刀具嵌片(包括包覆和未包覆的)在機加工條件下用于對AISI1045及4340鋼進行高速粗車削，結(jié)果示于表Ⅱ和Ⅲ。
表ⅡAISI1045鋼的高速粗加工刀具嵌片鑲片壽命平均值斷裂模式材料(分)(分)混合物序號16.61，5.025.8DOCN，CH2＜0.5，4.02.25DOCN，BK39.5，1.05.25CH，CR-BK40.6，1.41.0CR，BK5＜0.5，0.30.4CR，BK1(包覆)8.87.07.9DOCN，BK
2(包覆)4.08.06.0CH，DOCN3(包覆)4.00.52.25CH.BK4(包覆)4.86.05.4DOCN，F(xiàn)W(CH)5(包覆)3.84.03.9DOCN，DOCN(CH)注1.第一欄中的鑲片壽命是對布氏硬度為192～202的1045鋼進行車削時的數(shù)據(jù)，條件為每分鐘1000表面呎，每轉(zhuǎn)進刀量0.025吋，切削深度0.1吋。
注2.第二欄的鑲片壽命的測定條件除了采用不同車床及0.024吋/轉(zhuǎn)的進刀量外，其余均與第一欄的相同。
DOCN＝刀片缺口深度;(衡量)標準≥0.03″CH＝崩裂(衡量)標準≥0.03″BK＝破碎CR＝月牙形磨損(衡量)標準≥0.004″FW＝側(cè)為磨損(衡量)標準≥0.015表ⅢAISI4340鋼的高速粗加工刀具鑲片鑲卡壽命破壞模式材料(分)混合體序號11CH20.7BK30.5BK40.4BK
50.25BK1(包覆)0.7CH2(包覆)0.5BK3(包覆)8.25角部BK4(包覆)2.5BK5(包覆)1.75BK注1除了所用的被加工材料是具有布氏硬度為295的AISI4340鋼以外，所有的未經(jīng)包覆的鑲片均是在表Ⅱ注1的條件下被檢測的，而包覆的鑲片是在表Ⅱ注2的條件下被檢測的。
正如上述各表及圖1和圖2所示(該圖將刀具壽命歸納為SiC須晶含量之間的函數(shù)關系)，通過用氧化鋁包覆具有特定成分的SiC須晶強化氧化鋁刀具嵌片，可使刀具壽命獲得顯著的且出人預料的改善。對于1045鋼-一種相對較軟的，布氏硬度192～202材料，壽命最高的刀具是帶有氧化鋁覆層的一號基底(15V/O的SiC須晶)。隨著SiC須晶含量增加，壽命下降。我們認為，這是由于基底對于鋼的化學活性增加。盡管沒有進行對SiC須晶含量低于15V/O的刀具的試驗，但我們相信，含少于5V/O的SiC須晶的基底將不具有加工這種材料所必需的斷裂韌性。因而，我們的觀點是，對于加工諸如1045鋼這樣的中碳鋼，基底中的SiC須晶含量應在5～20V/O，最好是10～18V/O(體積百分數(shù))，以便在高速粗加工時獲得最高的刀具壽命。
對于4340鋼(其一般具有295BHN的硬度)，在所試驗的氧化鋁包覆材料中，大約25V/OSiC須晶含量(3號材料)達到了最高的刀具壽命。隨著SiC須晶含量增加到30和35V/O，觀察到了刀具壽命的顯著降低。刀具壽命的降低被認為是由于基底化學活性的增加。隨著SiC須晶含量降低到20和15V/O，刀具壽命再次顯著下降。然而，這時的壽命降低被認為是由于斷裂韌性的降低，這種斷裂韌性的降低是由較低的SiC須晶含量所致。因此，我們認為，對于加工低合金鋼(如4340鋼)，基底的SiC須晶含量應低于30而高于20V/O，最好是低于28且大于22V/O，以便在高速粗加工期間獲得最高的刀具壽命。
現(xiàn)在可清楚地看到，在5到小于30V/OSiC須晶的含量范圍內(nèi)，可生產(chǎn)一系列的可被用于多種鋼，如低碳、中碳和高碳鋼，低合金鋼及不銹鋼的高速粗加工的氧化鋁包覆型產(chǎn)品。所需的特定基底材料將取決于基底對鋼的化學活性及鋼的硬度或強度。
我們相信，當氧化鋁覆層的厚度在1.5～10微米，最好是3～7微米時，可獲得令人滿意的結(jié)果。我們預料，如果在氧化鋁覆層上再施加一層TiN覆層，刀具的壽命可獲得進一步的改善。目前考慮的方法是，直接將TiN覆層施于氧化鋁覆層上，或借助中間層(如TiCN)將TiN層結(jié)合在氧化鋁層上。TiN覆層比氧化鋁覆層具有更低的摩擦系數(shù)，這一點在本領域是為人熟知的。假如施以TiN覆層，其厚度應在0.5～10微米范圍內(nèi)，最好是0.5～5微米。
另外，為改善氧化鋁覆層的粘結(jié)特性，可在氧化鋁覆層與基底之間施加中間層。目前考慮的中間層可以是碳化鈦，氮化鈦或碳氮化鈦覆層。
此外，我們還考慮添加燒結(jié)輔助劑以改善這些材料的可燒結(jié)性。目前考慮的輔助劑為氧化鋯，氧化鎂，和/或稀土氧化物，如氧化釔。其總用量為少量的，大約2V/O或更少。然而，可添加較大量的氧化鋯(不超過基底總量的20V/O)以進一步改善基底的斷裂韌性。
我們還相信，如果本發(fā)明中所用的將基底完全致密化的熱壓步驟被下述文獻中的致密化方法取代，則本發(fā)明的制造成本可望降低，該文獻是P.K.Mehrotra等人于本申請同期遞交的待批美國專利申請，申請?zhí)?92118。在092118號申請中，含須晶的陶瓷材料的基底被燒結(jié)以基本完全致密ɑ?，所用的方法包括箱X脅街瑁海╝)將可燒結(jié)的陶瓷材料形成壓坯;(b)采用氣相沉積的方法在壓坯上形成一層陶瓷材料覆層，該陶瓷材料在隨后的(熱)等壓制之前或期間不會成為玻璃狀;及(c)在特定氣氛中加熱並等壓壓制經(jīng)包覆處理的壓坯以使該壓坯接近理論密度，所說的氣氛在(熱)壓溫度及壓力條件下可與覆層和/或壓坯反應的一種氣氛。該092118號申請及其它所有在此引用的申請及專利均以參考文獻的形式收于本文。
在此公開的本發(fā)明之說明書和實例，本發(fā)明的其它實施對本領域一般技術人員來說是顯而易見的。我們希望本說明書及實例僅僅被認為是示范，本發(fā)明的真正范圍及設計思想由下述權利要求指明。
權利要求
1.一種包覆的復合產(chǎn)品，包括含有至少5%且小于30%(體積比)的碳化硅須晶及小于95%且大于70%(體積比)的氧化鋁的基底；以及結(jié)合于所說基底上的氧化鋁覆層。
2.根據(jù)權利要求1的包覆復合產(chǎn)品，其中，所說的SiC須晶的體積是所說的基底體積的至少5%到小于20%。
3.根據(jù)權利要求1的包覆復合產(chǎn)品，其中，所說的SiC須晶的體積是所說的基底體積的20%到小于30%。
4.根據(jù)權利要求1的包覆復合產(chǎn)品，其中，所說的氧化鋁覆層的厚度為大約1.5～大約10微米。
5.根據(jù)權利要求2的包覆復合產(chǎn)品，其中，所說的氧化鋁覆層的厚度為大約1.5～大約10微米。
6.根據(jù)權利要求3的包覆復合產(chǎn)品，其中，所說的氧化鋁覆層的厚度為大約1.5～大約10微米。
7.根據(jù)權利要求1的包覆復合產(chǎn)品，其中，所說的氧化鋁覆層的厚度為大約3～大約7微米。
8.根據(jù)權利要求2的包覆復合產(chǎn)品，其中，所說的氧化鋁覆層的厚度為大約3～大約7微米。
9.根據(jù)權利要求3的包覆復合產(chǎn)品，其中，所說的氧化鋁覆層的厚度為大約3～大約7微米。
10.一種刀具鑲片，包括形成于所說鑲片之前傾面與后面交界處的切削刃口(緣)。所說的刀具鑲片具有基底和結(jié)合于該基底上的氧化鋁覆層，所說的基底由大于5%且小于30%(體積)的碳化硅須晶和小于95%且大于70%(體積)的氧化鋁構(gòu)成。
11.根據(jù)權利要求10的刀具鑲片，其中，所說的碳化硅須晶的體積是基底為至少5%到小于大約20%。
12.根據(jù)權利要求10的刀具鑲片，其中，所說的碳化硅須晶的體積是基底體積的20%到小于30%。
13.根據(jù)權利要求10的刀具鑲片，其中，所說的氧化鋁覆層的厚度為大約1.5～大約10微米。
14.根據(jù)權利要求11的刀具鑲片，其中，所說的氧化鋁覆層的厚度為大約1.5～大約10微米。
15.根據(jù)權利要求12的刀具鑲片，其中，所說的氧化鋁覆層的厚度為大約1.5～大約10微米。
16.根據(jù)權利要求10的刀具鑲片，其中，所說的氧化鋁覆層的厚度為大約3～大約7微米。
17.根據(jù)權利要求11的刀具鑲片，其中，所說的氧化鋁覆層的厚度為大約3～大約7微米。
18.根據(jù)權利要求12的刀具鑲片，其中，所說的氧化鋁覆層的厚度為大約3～大約7微米。
19.根據(jù)權利要求10的刀具鑲片，其中，所說的碳化硅須晶的體積是基底體積的大約22%到28%。
20.根據(jù)權利要求10的刀具鑲片，其中，所說的碳化硅須晶的體積是基底體積的大約10～18%。
21.根據(jù)權利要求10的刀具鑲片，進一步包括結(jié)合于氧化鋁覆層上的TiN覆層。
22.一種刀具鑲片，包括形成于所說刀具鑲片之前傾面與后面交界處的刃口(緣)，所說的刀具鑲片具有基底和結(jié)合于基底上的氧化鋁覆層。所說的基底含有大于5%且小于30%(體積)的SiC須晶，分布于氧化鋁基的基體中。
23.根據(jù)權利要求2的包覆復合產(chǎn)品，其中所說的基底進一步還含有一種燒結(jié)輔助劑。
24.根據(jù)權利要求3的包覆復合產(chǎn)品，其中所說的基底進一步還含有一種燒結(jié)輔助劑。
25.根據(jù)權利要求11的刀具鑲片，其中所說的基底進一步還含有一種燒結(jié)輔助劑。
26.根據(jù)權利要求12的刀具鑲片，其中所說的基底進一步還含有一種燒結(jié)輔助劑。
27.根據(jù)權利要求22的刀具鑲片，其中所說的基底進一步還含有一種燒結(jié)輔助劑。
28.根據(jù)權利要求2的包覆復合產(chǎn)品，其中，所說的基底中還含有大于約2%，且不超過20%(所說的基底體積)的氧化鋯。
29.根據(jù)權利要求3的包覆復合產(chǎn)品，其中，所說的基底中還含有大于約2%，且不超過20%(所說的基底體積)的氧化鋯。
30.根據(jù)權利要求11的刀具鑲片，其中，所說的基底中還含有大于約2%，且不超過20%(所說的基底體積)的氧化鋯。
31.根據(jù)權利要求12的刀具鑲片，其中，所說的基體中還含有大于約2%，且不超過20%(所說的基底體積)的氧化鋯。
32.根據(jù)權利要求22的刀具鑲片，其中，所說的基底中還含有大于約2%，且不超過20%(基底體積)的氧化鋯。
33.根據(jù)權利要求22的刀具鑲片，其中，所說的基底含有大于5%且小于20%(體積)的碳化硅須晶。
34.根據(jù)權利要求32的刀具鑲片，其中，所說的基底含有大于5%且小于20%(體積)的碳化硅須晶。
35.一種刀具鑲片，包括形成于所說刀具鑲片之前面與后面交界處的刃口(緣)，所說的刀具鑲片具有基底和結(jié)合于該基底上的氧化鋁覆層，及所說的基底復合材料包括大于5%且小于30%(體積)的分布于氧化鋁基體中的SiC須晶。
36.根據(jù)權利要求35的刀具鑲片，其中，所說的基底復合材料含有大于5%且小于20%(體積)的分布于氧化鋁基體中SiC須晶。
37.根據(jù)權利要求35的刀具鑲片，其中，所說的基底材料進一步含有一種燒結(jié)輔助劑。
38.根據(jù)權利要求36的刀具鑲片，其中，所說的基底材料進一步含有一種燒結(jié)輔助劑。
39.根據(jù)權利要求35的刀具鑲片，其中，所說的基底材料還含有大于約2%，但不超過20%(基底體積)的氧化鋯。
40.根據(jù)權利要求36的刀具鑲片，其中，所說的基底復合材料還含有大于約2%，但不超過20%(基底體積)的氧化鋯。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有SiC須晶強化氧化鋁基體之基底的機械產(chǎn)品，其外表面還具有一氧化鋁覆層。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，這些制品可用作鋼的高速粗加工刀具鑲片。
文檔編號B23B27/14GK1032152SQ8810641
公開日1989年4月5日 申請日期1988年9月1日 優(yōu)先權日1987年9月2日
發(fā)明者潘凱杰·K·梅霍特雷, 伊麗莎白·R·比爾曼 申請人:鈷碳化鎢硬質(zhì)合金公司