[发明专利]用于对韧性有要求的操作的陶瓷材料及由其制成的切削刀具

说明书

技术领域

本发明涉及一种适合用于通过车削、钻削、铣削或者类似的成屑加工方法加工金属的陶瓷氮化硅基的材料。

背景技术

由于陶瓷材料高的热硬性，因此用于切削刀具应用的陶瓷材料适合用于加工在高温下具有高硬度、高拉伸强度并且低热扩散性的工件材料，并且尤其适合用于有时称为超耐热合金(HRSA)的自硬材料，例如一些类型的镍基的和钴基的材料。

氮化硅基的切削刀具通常用于加工灰口铸铁和HRSA。用于切削刀具的很多氮化硅基的材料利用氧化铝(Al₂O₃)作为烧结助剂而进行制造。铝和氧具有分别取代氮化硅晶体结构中的硅和氮的能力，从而形成所谓的塞隆陶瓷，这种陶瓷由Si-Al-O-N构成，有时另外还利用阳离子Meⁿ⁺进行稳定，其中Me可以选自大量的(稀土)金属和镧系元素，这些元素具有适当的离子半径(r＜1.0)，例如Y、Yb、Dy、Lu、Li、Ca、Mg、Sc等。

已经探测到了很多种塞隆相并且对其进行表征，见Izhevskiy V A，Genova L A，Bressiani J C和Aldinger F的文章“Progress in SiAlONceramics”(J.Eur.Ceram.Soc.20，2275-2295(2000))，但是用于切削刀具材料中的主要相仍然是α-塞隆相，R_xSi_12-(m+n)Al_(m+n)O_nN_(16-n)(1.0＜m＜2.7；n＜1.2)，其中R是离子半径＜1.0的前述金属或者镧系元素，和β-塞隆：Si_6-zAl_zO_zN_8-z(0＜z＜4.2)。

在烧结时，所用原材料，通常为氮化硅、氧化铝和AlN或者某种塞隆多相与金属或镧系元素的氧化物一起的混合物，形成过渡熔体，α和β-塞隆相，并且可能还有其它的相，例如YAG(Y₃Al₅O₁₂)、黄长石(Y₂Si₃O₃N₄)、B相(Y₂SiAlO₅N)、12H等从过渡熔体中结晶。在烧结之后，在晶粒之间留下非定形的或者部分结晶的晶间相。所产生的晶间相的量受到所用原材料的成分以及烧结条件的影响。

除了稳定α-塞隆相，金属离子还用作在烧结时形成塞隆晶体的催化剂，并且促进通常呈β相的细长塞隆晶粒的形成，但是也产生α-塞隆的细长晶粒，见Fang-Fang X、Shu-Lin W、Nordberg L-O和EkstrmT的文章“Nucleation and Growth of the Elongated α-SiAlON”(J.Eur.Ceram.Soc.17(13)1631-1638(1997))。还显然的是，所用金属离子的选择影响到无定形相的性质，见Sun E Y、Becher P F、PlucknettK P、Hsueh C-H、Alexander K B和Waters S B的文章“MicrostructuralDesign of Silicon Nitride with Improved Fracture Toughness II：Effects ofYttria and Alumina Additives”(J.Am.Ceram.Soc.81(11)2831-2840(1998))；Hong Z L、Yoshida H、Ikuhara Y、Sakuma T、Nishimura T和Mitomo M的文章“The effect of additives on sintering behavior andstrength retention in silicon nitride with RE-disilicate”(J.Eur.Ceram.Soc.22，527-534(2002))。

β-塞隆相中的z值影响烧结材料中的硬度、韧性和晶粒尺寸的分布，见Ekstrm T、Nygren M的文章“SiAlON ceramics”(J.Am.Ceram.Soc.75(2)，259-276(1992))。它还影响材料的切削刀具性能；较低的z值通常意味着更高的韧性和更低的抗缺口磨损性。