專利名稱：：碳化硅晶須增強陶瓷復合材料及其制造方法
技術領域：
：本發(fā)明一般地說是關于用碳化硅晶須增強的陶瓷復合材料。該復合材料在一些需要高溫物理和化學穩(wěn)定性、耐磨損及抗脆性損壞的應用中，具有應用性。這些應用之一就是金屬的切削或者機加工。金屬的切削或機加工廣泛地用于機械制造領域中。典型的機加工操作包括修刨、刨削、銑削、刮削、拉削、磨削、鋸、車削、鏜孔、鉆孔和鉸孔。有些操作，如鋸，同時作用在內、外表面上，而其它操作僅作用在內表面(鉸孔)、或者外表面(銑削)。機加工操作中常用的生產率測量方法是單位時間內從工件上去除的金屬的總量。切削刀具性能的具體參數包括被切削材料、切削速度、切削深度，進刀速度和刀具壽命。Tipnis在“CuttingToolWear”，“WearControlHandbook，P891-893”中指出，磨損是切削刀具的主要損壞方式。其它損壞方式如斷裂、剝落、軟化或熱破裂，將導至災難性的和無規(guī)律的損壞。Tipnis指出，盡管磨損是主要的損壞方式，但卻沒有一個能預側刀具磨損的理論。因此，實際采用的方法是將刀具磨損數據與工件材料的去除量和刀具壽命相平衡來使用和加工。Tipnis概括了對切削刀具的基本要求，這些要求如下“(a)它必須比所切削的材料更堅硬以便能夠承受切削時產生的應力;(b)它必須具有一定韌性使其不至于在該力作用下斷裂;(c)它必須能夠承受在刀具切削界面產生的高溫而不變形;及(d)磨損不能太快?！盩ipnis認為“切削刀具最重要的性能是熱硬度(即，在刀具刃口產生高溫時抗軟化)，韌性(即在沖擊下耐破損)，化學穩(wěn)定性和反應性(即，在刃口所產生的溫度和壓力下抗分解和轉化)，和元素擴散趨勢(即在高切削溫度下抗磨頂槽能力)”。本文中所說的術語“韌性”是指抗過早損壞能力，特別是碳化硅晶須增強陶瓷刀具在切削開始時的抗過早損壞能力。該“韌性”未必等于按韌性的斷裂力學定義在室溫測定的KIC。切削性能與說明這些定義的數據并沒有相對應的關系。M.C.Shaw，在MetalCuttingPrinciples，P334(Oxford，1984)中強調了在選擇切削刀具材料的三個指標。這些指標是(a)在使用溫度下的物理和化學穩(wěn)定性;(b)耐磨損性和(c)耐脆性損壞能力。例如在使用溫度下化學性質不穩(wěn)定會發(fā)生如熔化、過量擴散、或熔焊和切削的結合，使刀具材料過快損壞。Shaw在P353-357建議，在選擇切削刀具材料時要考慮三個關鍵的物理性能指標。一個指標是四點抗折試驗(軍方標準1942b)的抗折強度;第二個指標是用維克斯壓頭(Vickersindentor)測得的硬度;第三個指標是抗斷裂性能。通常用斷裂韌性作為耐脆性損壞的指標，采用單槽光束技術(SingleNotchBeamTechnique)或者山形缺口技術(ChevronNotchTechnique)測試斷裂韌性。抗裂紋擴展性或帕姆奎斯特韌性(PalmqvistToughness)的測定與硬度試驗一同進行。耐磨性(w)是硬度和韌性的函數。E.D.Whitney在《國際粉末冶金》(PowderMelallurgyInternational)Vol.15，No.4，P201-205(1983)中一篇題為“現代陶瓷切削刀具材料”的文章中指出，刀具材料應足夠堅硬以抵抗切削中的材料磨損。作為良好的切削刀具，硬度是必須的條件，但并不充分。令人滿意的切削刀具材料必須具有足夠的韌性和強度以承受切削過程中產生的機械沖擊或類似情況。Wei在U.S.Re.32843中公開了以增加韌性和抗斷裂性為特征的陶瓷復合材料，并公開了這種復合材料的制造方法。該復合材料中含有5-60%(體積)的碳化硅晶須，它們均勻地分布在陶瓷材料基體中。這種晶須為單晶結構，直徑約0.6微米，長度10～80微米。該陶瓷材料可以是氧化鋁、莫來石或碳化硼。Wei指出，含有單晶晶須的陶瓷復合材料比不含單晶晶須的陶瓷材料的斷裂韌性有明顯的改善。他認為晶須可以吸收裂化能量。Rhodes等人在美國專利4，789，277中公開了一種用燒結的復合材料作切削刀具切削金屬的方法。該復合材料的基體中主要有氧化鋁和在其基體中均勻分布的2-40%(體積)的碳化硅晶須。這種晶須為單晶結構，平均直徑約0.6微米，長徑比為15至150。本發(fā)明的目的是提供一種含有陶瓷晶須的陶瓷復合材料，當其用作，例如，切削刀具時其耐磨性能得到提高。另外，還希望這種改進比簡單地依靠改進機械性能，如韌性的先有技術更為可行。本發(fā)明是一種含有陶瓷材料基體的致密的晶須增強陶瓷復合材料，該陶瓷材料基體中均勻分布著5-40%(體積)，雙峰分布、化學兼容的單晶晶須。晶須可以是碳化硅、氮化硅、碳化鈦、莫來石、二硼化鈦、氧化鋁、氧化鎂或氮化硼，但是要求這些所選用的晶須與陶瓷基體材料不同，其雙峰分布以晶須寬度對應的晶須體積為基礎，并且包含的粗單晶晶須與細單晶晶須的體積比為0.1至1。致密前，粗晶須的平均直徑大于或等于0.5微米，小于1.0微米，直徑范圍約為0.1～3微米。致密前，細晶須的平均直徑大于或等于0.1微米小于0.5微米，直徑范圍為0.01～1.3微米。和等量的粗晶須或細晶須相比，這種雙峰分布的晶須提高了刀具的切削性能。所希望的晶須是單晶碳化硅晶須。本發(fā)明使用的碳化硅晶須為單晶，其中含有β相和α與β混合相碳化硅。這些晶須從兩種平均直徑范圍不同的晶須中選出，形成以體積為基的雙峰尺寸分布。稱為“粗晶須”的晶須的平均直徑范圍為0.5微米至小于1.0微米，其直徑范圍為0.1-3微米。稱為“細晶須”的晶須的平均直徑范圍為0.1微米至小于0.5微米，其直徑范圍為0.01～1.3微米。粉末狀陶瓷基體材料和晶須轉變成致密的晶須增強陶瓷復合材料之前，以體積為基準的明顯的晶須雙峰分布，在形成的致密復合材料中變化很小。對應的晶須體積百分比與晶須寬度相比較而作出的曲線為兩條高斯曲線，從而證實了雙峰分布的存在。該曲線圖用五點平滑連接法繪制(通道寬度0.1和0.2微米)。為得到該圖的數據，把用標準金相方法制備的致密的復合材料的磨光截面在掃描電子顯微鏡(SEM)下放大5000倍。掃描電子顯微鏡的圖象被傳到Zeiss-Kontron圖象處理系統。用標準顆粒分析參數(Standardsizingparameters)測量DMIN(纖維寬度)和DMAX(纖維長度)。每個晶須或微粒的體積V用V＝DMIN2DMAX計算。用五點平滑連接方法將數據連接并用帶兩條特定高斯曲線的適當函數RS/1處理?！癆”形的數據曲線表明了典型的雙峰分布。由于粗晶須的體積大，少量粗晶須就可與大量細晶須占據相等的體積。實例表明，用氧化鋁和34%(體積)的碳化硅晶須(14%粗晶須，20%細晶須)的混合物制備致密復合材料的磨光截面的掃描電子顯微圖象中所統計的2356條晶須中只有77條的寬度大于1.4微米，這77條晶須只占統計數量的3%，但其占據的體積大約是統計晶須體積的68%。因此，與僅用晶須數相比，對應的粗晶須占據的體積與細晶須占據的體積相比較提供了一幅更清楚的晶須分布圖。使用亞微米雙峰分布的單晶碳化硅晶須比只從一種分布方式選用同樣數量的晶須在切削性能方面有所提高。實例表明10%(體積)雙峰分布的晶須與25%(體積)只含粗或細單晶碳化硅晶須相比，所得到的切削性能至少是一樣好。雙峰分布的單晶碳化硅晶須的體積范圍以占復合材料總體積的5-40%較為合適，最好是10-34%(體積)。晶須含量低于5%則達不到所要求的韌性，晶須含量超過40%(體積)會造成加工困難，特別是在熱壓處理過程中。如能解決這些加工難題可以使用超過40%(體積)的晶須。雙峰分布中粗晶須與細晶須的合適比例為0.3至1.0，最好是0.4至0.8。碳化硅晶須長徑的合適比例為10或更小，最好是10。如該比例大于15，增強復合材料中沿晶須橫向產生裂紋的可能超過沿其長度方向產生的可能。因此，較大的長徑比不會帶來特殊的好處，但也不會產生不利的效果。長徑比小于2.5不會產生有利效果，實際上還可能會產生一嚴重的問題，即增加了形成的復合材料脆性。單晶碳化硅晶須通常是以晶須與少量碳化硅顆粒的混合物的形式獲得。實際上很難做到從晶須中分離出顆粒而不造成晶須的大量損失。幸好，少量碳化硅顆粒的存在不會對形成的復合材料的性能造成不利影響。但必須小心，應避免碳化硅顆粒的過量，因為脆性和偶然發(fā)生斷裂的可能隨顆粒量的增加而增加。碳化硅晶須特別適合于本發(fā)明的目的。然而使用其他晶須，例如從氮化硅、碳化鈦、莫來石、二硼化鈦、氧化鋁、氧化鎂或氮化硼這些材料制成的晶須也可以獲得滿意的結果。該晶須應選自一種具有化學兼容性的材料并與基體材料不同。這里所說的“化學兼容性”是指晶須與基體材料不反應生成新相。本發(fā)明的陶瓷復合材料適合在足夠的壓力和溫度條件下熱壓陶瓷材料顆粒和兩種不同尺寸的碳化硅晶須的均勻混合物制備形成密度大于約99%理論密度的陶瓷材料。如果需要，可以用高溫等靜壓或燒結法制備陶瓷復合材料。在熱壓前需要將雙峰分布的碳化硅晶須與陶瓷粉末混合均勻?？梢杂萌魏芜m合的方法混合該混合物以使晶須在粉末中均勻分布，并使陶瓷粉末結塊、晶須結團和晶須斷裂最少。當陶瓷材料是氧化鋁時，特別適合用帶有3/16英吋(0.48cm)或更小氧化鋁球的磨碎攪拌機混合。攪拌過程中必須小心，即使不能避免也要盡量減少晶須的損壞或斷裂。將pH值大約10.5的含水、分散劑和充足氫氧化銨的溶液與氧化鋁粉以每分鐘330轉混合大約30分鐘以形成均勻分散體。將用水浸濕的大碳化硅晶須、分散劑和極少量的氫氧化銨加入該均勻的分散體中并且同時進行混合。在大碳化硅晶須全部加入后10分鐘，將用水浸濕的小碳化硅晶須加到該分散體中，同時繼續(xù)混合。小晶須全部加入后兩分鐘停止混磨，把里面的東西倒在30號篩網(550微米)上分離出磨球。對磨球進行洗滌并配入去離子水，得到的東西轉變成加有去離子水的稀釋漿。在pH值為7.2時用50%的硝酸對該稀釋漿進行絮凝。將絮凝物放在100℃的空氣循環(huán)爐中干燥。干燥物用60號(250微米)篩網篩選，得到最大凝結塊約為100微米的粉末狀混合物。將該粉末狀混合物成型，得到適當的外形并熱壓成密度大于約99%理論密度的陶瓷材料。熱壓可以在帶有沖頭或沖壓元件的感應爐或電阻加熱爐中完成，沖頭或沖壓元件由能夠承受所需壓力和溫度而不與復合材料的成分發(fā)生有害反應的石墨或其它合適的材料構成。以一個適當的方法為例，將粉末狀混合物注入一個長3英吋(7.6cm)、寬2.5英吋(6.4cm)、深0.5英吋(1.3cm)的石墨沖模中。向沖模施加1000Psig(大約70kg/cm2)的起始壓力，同時用約30分鐘將溫度從室溫升到約1200℃，然后將壓力增到5000Psig(約350kg/cm2)并保持在這一水平，同時用約30分鐘使溫度升到1725℃。把沖模在此壓力和溫度下再保持45分鐘。然后，用兩小時使沖模冷卻到100℃，并從1500℃開始逐漸減壓。上面所述的熱壓操作及下面的實施例是單方向或單軸向熱壓粉末狀混合物，以使復合材料中的晶須優(yōu)選成直線并無規(guī)則地分布在一平面上或其軸與熱壓軸垂直。用其他處理方法，如高溫等靜壓和快速全向壓縮也可得到滿意的效果。下面的實施例僅僅是對本發(fā)明進行說明而不應把它看作是對本發(fā)明范圍的限制。除非另有說明，所有成分和百分比都以重量為基準。阿拉伯數字表示本發(fā)明范圍內的實施例，字母表示對比例。實施例1用66%(體積)的氧化鋁粉末(Al2O3，顆粒尺寸0.8μm)和34%(體積)的碳化硅晶須的混合物制備一組熱壓材料。將該混合物用上文提到的混合和熱壓步驟進行制備及熱壓。氧化鋁粉末選用Reynolds金屬公司RC-HP級產品。碳化硅晶須是所說的粗晶須、細晶須或它們的混合物。粗晶須的平均直徑為0.94μm，平均長徑比約10.7(范圍從1.1至77)從AmericanMetrix商購。細晶須的平均直徑為0.22至0.26μm，平均長徑比約10.6，從TatehoChemicalIndustriesCo.，Ltd商購。晶須的體積百分比及大小晶須之間的比例(包括兩種晶須的尺寸)連同形成的復合材料的切削性能都在表Ⅰ中列出。粗晶須和細晶須在表Ⅰ中分別用字母“C”和“F”表示。將熱壓材料按美國國家標準局(A.N.S.I)標準用金剛石磨成KNG45型切削刀具鑲塊。刃口倒角成20度角，寬0.003英吋(0.008cm)。用裝有可變速(DC)設備的30馬力LeBlond1610重型車床對鑲塊進行單刃車削試驗。切削刀具安裝在鎢鈦鈷類硬質合金(Kennametal)座上。在一直徑4英吋(10.2cm)、長12英吋(30.5cm)、硬度為241布氏硬度系數的鉻鎳鐵合金(Inconel)718工件上對刀具進行試驗。用5號組合鉆及錐口鉆給工件鉆一中心孔，用一個12英吋(30.5cm)、自動定心的三爪卡盤將工件夾住3英吋(7.6cm)長，并用4號莫氏錐度Nirol活頂針(livecenter)將工件固定在車床上。將刀座和帶有活頂針的尾架主軸的懸垂部分調到最小以保障最大的穩(wěn)定性。機器以每分鐘750英尺的切削速度旋轉，每轉的進刀速度0.007英吋，切削深度0.100英吋。不使用切削潤滑液。刀具連續(xù)走過并檢驗其刃口的側面磨損和剝落。切削一分鐘后停止試驗，按均勻磨損量測量其切削性能并在表Ⅰ中例出。表＊非常脆，試驗時有斷裂的趨勢表Ⅰ中的數據表明，至少從均勻磨損這方面講，用粗、細晶須混合物的刀具的切削性能比只用粗晶須或細晶須的刀具的切削性能有了明顯的改善。晶須混合物比單一尺寸的粗或細晶須提供了更為一致的結果。用本發(fā)明的其他復合材料也可以得到同樣的結果。實施例2用不同的粗晶須重復實施例1的步驟。這種晶須的平均直徑為0.67微米，平均長徑比為11.0，從AmericanMatrix商購。切削刀具鑲塊的制備步驟如實施例1，其切削性能列在表Ⅱ中。實施例3用1-3號復合材料的樣品重復實施例1的步驟制成熱壓材料。按前面所述的步驟用接有Zeiss-Kontron圖象處理系統的掃描電子顯微鏡(SEM)對形成的材料進行檢驗。在對熱壓材料樣品的檢驗過程中，從11個區(qū)域統計出2356個晶須。由下面的等式計算出碳化硅晶須的附加值，以相對體積百分數表示，其中X是DMIN(纖維寬度)相對體積百分比＝5.475e-(x-1.004)2/1.56+7.47e-(x-2.401)2/0.416相對體積百分比表示以晶須總體積為基準的給定的體積百分比。最平滑的數據連接曲線圖是兩條高斯曲線分布。曲線下的面積給出的體積百分比如下大約56%的細晶須及44%的粗晶須。細和粗晶須各自對應的最大分布尺寸為1.0μm和2.4μm。粗、細晶須的體積比是0.8。1-3號復合材料的樣品中含有14%(體積)的粗晶須、20%(體積)的細晶須。將這些數據轉換成相對體積百分比得出下例數值粗晶須約41%，細晶須約59%。該數據表明碳化硅晶須最初的雙峰分布在熱壓后仍然保留著。用本發(fā)明所述的其他復合材料也可獲得同樣的結果。實施例4改變碳化硅晶須的體積百分比重復實施例1的步驟。所有樣品中都保持1-3號樣品中粗、細晶須的比例。按實施例1的步驟制造切削刀具并試驗其均勻磨損。試驗結果與碳化硅晶須的體積百分比一起在表Ⅲ中列出。表Ⅲ</tables>表Ⅲ的數據表明了兩個結論。第一，百分之四十和更高體積的晶須填料造成的加工困難無疑會降低切削性能。當晶須填料超過45%(體積)時切削性能進一步變壞。第二，10%(體積)的晶須混合物比34%(體積)的單種晶須提供更好的切削性能。即使是晶須混合物，當其體積低于10%時，切削性能也會降低。這一結論不用過多的試驗就容易證實。本發(fā)明的其他復合材料具有同樣的結果。實施例5和對比例A-C用不同的陶瓷材料重復實施例1的熱壓步驟。陶瓷材料為一種混合物，其中含有92%UBE工業(yè)公司商業(yè)標號UBE-SN-10的氮化硅，6%的氧化釔和2%實施例1中用的氧化鋁。所有的百分比都以混合物的重量為基準。晶須的數量在表Ⅳ中列出。用金剛石將形成的熱壓材料磨成切削刀具鑲塊以便與普通切削刀具作比較。按美國國家標準局(A.N.S.I)標準SNG434型制造鑲塊，刃口倒角30度，0.006英吋(0.015cm)寬的倒角。用帶有5馬力可變速度工作臺的40馬力辛辛那提＃5單主軸、升降臺和座架的立式銑床的中央銑面試驗該鑲塊。工件是4英吋寬(10.2cm)、12英吋(30.5cm)長、硬度為170布氏硬度系數的30級灰鑄鐵。所用銑刀是直徑12英吋(30.5cm)、軸向前角-5°、徑向前角-5°及15°導角的單齒銑刀。機器以每分鐘3000表面英尺(公制的)的切削速度旋轉，切削深度0.60英吋(0.152cm)，每轉的進刀速度0.013英吋(0.033cm)。銑刀的中心線與工件的中心線同軸。不使用切削潤滑液。銑刀在鑄鐵工件上連續(xù)走過。每次走過后檢驗刃口的側面磨損和剝落。用30倍的顯微鏡測到側面磨損或剝落的深度超過0.010英吋(0.025cm)時停止試驗。表Ⅳ中用去掉的材料的立方英吋(立方厘米)表示銑刀的切削性能。對比例C是Boride產品公司商業(yè)標號U.S.-20的非增強氮化硅切削刀具。表Ⅳ表Ⅳ中的數據表明使用粗和細晶須混合物比只用粗或細晶須的優(yōu)越性存在于陶瓷復合材料中，但氧化鋁除外，這些數據連同表Ⅰ中的數據證實雙峰分布晶須增強的切削刀具適用于不同的切削應用。用本發(fā)明所述的其他復合材料也可以得到同樣的結果。權利要求1.一種致密的、晶須增強陶瓷復合材料，它包括一種陶瓷材料基體，該基體含有5-40%(體積)的均勻分布在陶瓷基體材料中的雙峰分布、化學兼容的碳化硅、氮化硅、碳化鈦、莫來石、二硼化鈦、氧化鋁、氧化鎂或氮化硼的單晶晶須，而且所提供的晶須與陶瓷基體材料不同，其雙峰分布是以不同晶須寬度對應的晶須體積為基礎的，實質上包含的粗單晶晶須與細單晶晶須的體積比為0.1至1，在致密化前粗晶須的平均直徑大于或等于0.5微米但小于1.0微米，其直徑范圍從0.1微米至3微米，在致密化前，細晶須的平均直徑大于或等于0.1微米但小于0.5微米，其直徑范圍從0.01微米至1.3微米，這種雙峰分布與等量的粗晶須或細晶須相比在切削性能方面有所提高。2.根據權利要求1的復合材料，其中碳化硅晶須的體積百分比為10%至34%。3.根據權利要求1的復合材料，其中體積比為0.3至1.0。4.根據權利要求1的復合材料，其中陶瓷材料是氧化鋁、氮化硅、莫來石、二氧化硅、AlN及其混合物。5.根據權利要求1的復合材料，其中晶須的長徑比約大于3。6.一種用權利要求1的復合材料制造的切削刀具。7.一種致密的、晶須增強陶瓷復合材料其特征在于，一種陶瓷材料基體，其中均勻分布著5-40%(體積)的雙峰分布的單晶碳化硅晶須，其雙峰分布以不同晶須寬度對應的晶須體積為基礎，包含的粗單晶碳化硅晶須與細單晶碳化硅晶須的體積比為0.1至1，在致密化前，粗晶須的平均直徑大于或等于0.5微米但小于1.0微米，直徑范圍從0.1微米至3微米，在致密化前，細晶須的平均直徑大于或等于0.1微米但小于0.5微米，直徑范圍從0.01微米至1.3微米，這種雙峰分布與等量的粗晶須或細晶須相比在切削性能方面有所提高。全文摘要使用雙峰分布的“粗”和“細”的亞微米級、單晶碳化硅晶須增強陶瓷材料與使用相等數量的粗或細晶須相比在切削性能方面有所提高。粗晶須的平均直徑范圍從0.5到小于1.0微米，細晶須的平均直徑范圍從0.1到小于0.5微米。這種雙峰分布的晶須在所形成的晶須增強陶瓷復合材料中占體積的5-40％。所形成的材料用作切削刀具。文檔編號C04B35/80GK1053603SQ9011042公開日1991年8月7日申請日期1990年12月12日優(yōu)先權日1989年12月13日發(fā)明者阿歷山大·J·派齊克申請人:唐化學原料公司