DE4000777A1 - Sintered silicon nitride-based body - with wear resistant surface region and tough interior region - Google Patents
Sintered silicon nitride-based body - with wear resistant surface region and tough interior regionInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Siliziumnitridgrundstoff- Sinterkörper und insbesondere einen Siliziumnitrid grundstoff-Sinterkörper, der eine verbesserte Ver schleißfestigkeit aufweist, ohne in seinen wesentlichen Eigenschaften, wie Zähigkeit, verschlechtert zu sein. Die vorliegende Erfindung kann für Werkzeugmaschinen, verschleißfeste (abnutzungsfeste) Teile und übereinan dergleitende Teile verwendet werden.The invention relates to a silicon nitride base material. Sintered body and in particular a silicon nitride base material sintered body, which has an improved ver has wear resistance without being essential Properties, such as toughness, to be deteriorated. The present invention can be used for machine tools, wear-resistant (wear-resistant) parts and on top of each other sliding parts are used.
In der japanischen Auslegeschrift 63-1278 ist ein üblicher Siliziumnitrid-Sinterkörper beschrieben, der einen Oberflächenüberzug aus einem keramischen Material mit einer hohen Härte oder einer verbesserten Ver schleißfestigkeit hat.In Japanese version 63-1278 there is a Described conventional silicon nitride sintered body, the a surface covering made of a ceramic material with a high hardness or an improved ver has wear resistance.
Ein weiterer Siliziumnitrid-Sinterkörper ist bekannt, bei dem Kristallphasen von sowohl α-Sialon als auch β- Sialon homogen über den gesamten Sinterkörper verteilt sind (japanische Auslegeschrift Nr. 63-35594 (1988) usw.). Mit der Erfindung sollen die nachfolgenden Probleme gelöst werden:Another silicon nitride sintered body is known in which crystal phases of both α- sialon and β -sialon are homogeneously distributed over the entire sintered body (Japanese Auslegeschrift No. 63-35594 (1988), etc.). The following problems are to be solved with the invention:
Bei dem zuerst genannten Sinterkörper ist es schwierig, eine ausreichende Haltekraft mit dem Substrat zu erhal ten, da unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffi zienten und/oder chemische Affinitäten zwischen dem keramischen Überzugsmaterial und dem Siliziumnitridsub strat vorhanden sind, aus denen sich hohe Kosten erge ben, die als ökonomisches Problem anzusehen sind. Aus diesem Grunde hat der zuerst genannte Sinterkörper fast keine praktische Anwendung gefunden.With the first-mentioned sintered body, it is difficult to obtain a sufficient holding force with the substrate due to different thermal expansion coefficients cients and / or chemical affinities between the ceramic coating material and the silicon nitride sub strat are available, which result in high costs ben that are to be regarded as an economic problem. Out for this reason, the first sintered body has almost no practical application found.
Der zuletzt genannte Sinterkörper, der sowohl Kristall phasen von α- und β-Sialon in gleichmäßiger Verteilung über den gesamten Sinterkörper enthält, leidet unter der Veränderung in seinen Eigenschaften, wenn ihre Anteile sich ändern und kann nicht jede Eigenschaft entfalten. Insbesondere wenn man versucht, eine Eigen schaft zu verbessern, wird eine andere der Eigenschaf ten zwangsweise verschlechtert, was in eine mittelmäßi ge Leistungsfähigkeit beim Ausgleich beider Eigenschaf ten resultiert.The last-mentioned sintered body, which contains both crystal phases of α - and β- sialon in an even distribution over the entire sintered body, suffers from the change in its properties when their proportions change and cannot develop every property. In particular, when trying to improve one property, another of the properties is forcibly deteriorated, resulting in mediocre performance in balancing both properties.
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Siliziumnitridgrundstoff-Sinterkörper zu schaf fen, bei dem die Oberfläche verbessert ist, um einen Oberflächenbereich zu bilden, der eine höhere Ver schleißfestigkeit aufweist, wobei die Eigenschaften des Materials im Oberflächenbereich und im Innenbereich in zufriedenstellender Weise vorkommen.It is therefore an object of the present invention to create a silicon nitride base sintered body in which the surface is improved by one To form surface area that a higher ver has wear resistance, the properties of the Materials in the surface area and indoors in occur satisfactorily.
Als Ergebnis der Nachforschungen nach dem Grund der schlechten Verschleißfestigkeit von Siliziumnitrid wurde die nachfolgende Erkenntnis gewonnen, auf der die vorliegende Erfindung aufbaut.As a result of research into the reason of the poor wear resistance of silicon nitride the following knowledge was gained, on which the builds the present invention.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die oben angegebene Aufgabe durch eine Siliziumnitridgrundstoff-Sinterlegierung gelöst werden, die einen Oberflächenbereich und einen inneren Bereich aufweist, die einstückig miteinander geformt sind, wobei die Menge an Kristallkörnern aus Siliziumnitrid und Sialon in dem Oberflächenbereich um 30 Volumen prozent oder mehr kleiner als in dem inneren Bereich ist.According to a first embodiment of the present Invention can achieve the object specified above by a Silicon nitride base sintered alloy can be solved, which has a surface area and an inner area which are integrally formed with one another, where the amount of crystal grains made of silicon nitride and Sialon in the surface area by 30 volumes percent or more smaller than in the inner area is.
In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung kann die oben angegebene Aufgabe durch einen Siliziumnitrid grundstoff-Sinterkörper gelöst werden, der einen Ober flächenbereich und einen inneren Bereich aufweist, die einstückig miteinander geformt sind, wobei das Verhält nis des Inhalts an kristallinen Verbindungen, die einen Teil oder die ganze Korngrenzenphase in dem inneren Be reich bilden, zu dem des Oberflächenbereichs, wie es durch die Röntgenstrahlenmaximalintensitätenverhältnis methode ermittelbar ist, kleiner als 0,5 ist.In a second embodiment of the invention, the task given above by a silicon nitride basic sintered body can be solved, the one upper surface area and an inner area that are integrally formed with each other, the ratio nis the content of crystalline compounds that unite Part or all of the grain boundary phase in the inner Be form rich to that of the surface area like it by the X-ray maximum intensity ratio method can be determined is less than 0.5.
Gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung, die eine weitere Verbesserung gegenüber der ersten und der zweiten Ausführungsform bietet, ist das Verhältnis des Gehalts an kristallinen Verbindungen, die einen Teil oder die ganze Korngrenzenphase in dem inneren Bereich bilden, zu dem Gehalt an Siliziumnitrid und Sialon desselben Bereichs, wie es durch die Röntgenstrahlen maximalintensitätenverhältnismethode ermittelbar ist, 0,3 oder größer ist.According to a third embodiment of the invention, the another improvement over the first and the offers second embodiment is the ratio of Content of crystalline compounds that are part or the whole grain boundary phase in the inner region form, to the content of silicon nitride and sialon the same area as it was by the x-rays maximum intensity ratio method can be determined, Is 0.3 or greater.
Gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung ist Melilith "die kristalline Verbindung, die ganz oder zum Teil die Korngrenzenphase" des Oberflächenbereichs gemäß der zweiten Ausführungsform bildet.According to a fourth embodiment of the invention Melilith "the crystalline compound, the whole or to the Part of the grain boundary phase "of the surface area according to the second embodiment.
Gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung ist Melilith "die kristalline Verbindung, die ganz oder zum Teil die Korngrenzenphase" des Oberflächenbereichs gemäß der dritten Ausführungsform bildet.According to a fifth embodiment of the invention Melilith "the crystalline compound, the whole or to the Part of the grain boundary phase "of the surface area according to the third embodiment.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind in den folgenden Ausführungsbeispielen beschrieben.The advantages of the present invention are in the following embodiments described.
Im ersten Ausführungsbeispiel kann die Korngrenzenphase eine Glasphase oder auch eine kristalline Phase sein, bei der die ganze oder ein Teil der Korngrenzenphase kristallisiert ist. Die Korngrenzenphase des Oberflä chenbereichs ist größtenteils in der Glasphase, wenn Y₂O₃ nicht (oder nur in geringem Ausmaß) vorkommt. In einem Fall, in dem das Kristallisationsverfahren nicht angewandt wird, wird die Glasphase in der Grenzphase des Oberflächenbereichs verbleiben. Die in der Korn grenzenphase enthaltene kristalline Phase, die Si₃N₄- Y₂O₃-Grundverbindung (Si₃N₄ · nY₂O₃ · mX), bildet die Melilith-Phase, die J-, K-, H- oder A-Phase, oder eine hieraus gebildete Mischphase. Diese Phasen können entsprechend den folgenden Formeln ausgedrückt werden:In the first embodiment, the grain boundary phase can be a glass phase or a crystalline phase in which all or part of the grain boundary phase is crystallized. The grain boundary phase of the surface area is mostly in the glass phase if Y₂O₃ does not occur (or only to a small extent). In a case where the crystallization method is not used, the glass phase will remain in the boundary phase of the surface area. The crystalline phase contained in the grain boundary phase, the basic Si₃N₄- Y₂O₃ compound (Si₃N₄ · n Y₂O₃ · m X), forms the melilite phase, the J, K, H or A phase, or a mixed phase formed therefrom . These phases can be expressed according to the following formulas:
M-Phase (Melilith) Si₃Y₂O₃N₄ (Si₃N₄ · Y₂O₃)
J-Phase (Mohlerit) Si₂Y₄O₇N₄ (Si₂N₂O · 2 Y₂O₃)
K-Phase (Wollastonit) SiYO₂N (Si₃N₄ · 2 Y₂O₃ · SiO₂)
H-Phase (Apatit) Si₇Y₁₀O₂₃N₄ (Si₃N₄ · 5 Y₂O₃ · 4 SiO₂)
A-Phase (-) Si₃Y₁₀Al₂O₁₈N₄ (Si₃N₄ · 5 Y₂O₃ · Al₂O₃)M phase (melilite) Si₃Y₂O₃N₄ (Si₃N₄ · Y₂O₃)
J phase (mohlerite) Si₂Y₄O₇N₄ (Si₂N₂O · 2 Y₂O₃)
K phase (wollastonite) SiYO₂N (Si₃N₄ · 2 Y₂O₃ · SiO₂)
H-phase (apatite) Si₇Y₁₀O₂₃N₄ (Si₃N₄ · 5 Y₂O₃ · 4 SiO₂)
A phase (-) Si₃Y₁₀Al₂O₁₈N₄ (Si₃N₄ · 5 Y₂O₃ · Al₂O₃)
Diese Phasen können durch die folgende Summenformel angegeben werden:These phases can be summarized by the following formula be specified:
Si₃N₄-n Y₂O₃-m XSi₃N₄- n Y₂O₃- m X
(n = 1-5; X = SiO₂, Al₂O₃; m = 0-4). (n = 1-5; X = SiO₂, Al₂O₃; m = 0-4).
Es wurde gefunden, daß das Werkstück oder das zu schneidende Material meistens eine auf Eisen basierende Legierung ist, für die Silizium Si, das Hauptelement des Siliziumnitrids, eine hohe chemische Affinität zeigt, was die schlechte Verschleißfestigkeit von Siliziumnitrid erklärt. Beim Sintern von Siliziumnitrid wurden bis jetzt Versuche unternommen, um eine Zerset zung und Verdampfung von Siliziumnitrid zu vermeiden.It was found that the workpiece or that too cutting material mostly an iron-based one Alloy is the main element for the silicon Si of silicon nitride, a high chemical affinity shows what the poor wear resistance of Silicon nitride explained. When sintering silicon nitride Attempts have been made to make a decomposition to avoid the formation and evaporation of silicon nitride.
Die vorliegende Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei einem Sinterkörper aus Siliziumnitrid-Grund stoff, bei dem die Zersetzung und die Verdampfung des Siliziumnitrid-Bestandteils in geschickter Weise ausge nutzt wird und bei dem die Größe des Abfallens der Konzentration des Silizium im Oberflächenbereich einen vorbestimmten Wert beträgt oder vielmehr in Beziehung zum Siliziumgehalt im Siliziumnitrid im inneren Bereich steht, die Verschleißfestigkeit verbessert werden kann, ohne die Zähigkeit zu verschlechtern.The present invention is based on the finding that that with a sintered body made of silicon nitride substance in which the decomposition and evaporation of the Silicon nitride component in a clever way is used and in which the size of the drop of the Concentration of silicon in the surface area predetermined value or rather in relation on the silicon content in the silicon nitride in the inner area stands, the wear resistance can be improved, without deteriorating toughness.
Es ist somit ein Merkmal der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, daß der Siliziumgehalt im Oberflächenbereich des Sinterkörpers aus Siliziumnitrid sich von demjenigen im Innenbereich unterscheidet und daß der Anteil der Grenzphase in dem Oberflächenbereich dementsprechend ansteigt. Die Steilheit des Abfallens im Siliziumgehalt wird gemäß der nachfolgend gezeigten Formel berechnet:It is thus a feature of the first embodiment of the present invention that the silicon content in Surface area of the sintered body made of silicon nitride differs from that indoors and that the proportion of the boundary phase in the surface area increases accordingly. The steepness of the fall in silicon content is according to that shown below Formula calculated:
Bei dem Sinterkörper aus Siliziumnitrid gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die Steilheit des Abfallens von Si₃N₄ und/oder der Sialonkörner im Ober flächenbereich um 30 Volumenprozent oder mehr gegenüber dem Innenbereich verringert, in dem Si₃N₄ unverdampft verbleibt. Aus diesem Grunde können die wesentlichen Eigenschaften in zufriedenstellender Weise erreicht werden, wobei eine von ihnen die höhere Verschleißfe stigkeit des Oberflächenbereichs und die andere die hohe Zähigkeit des Innenbereichs ist. In anderen Wor ten, der Sinterkörper gemäß der Erfindung hat nicht die Eigenschaften, die zwischen diesen beiden Eigenschaften liegen. Demgemäß wurde es mit dem vorliegenden Sinter körper möglich, die Verschleißfestigkeit durch eine Oberflächenveränderung zu verbessern, ohne die wesent lichen Eigenschaften im Innenbereich des Körpers zu verschlechtern.In the sintered body made of silicon nitride according to the present embodiment is the slope of the Falling of Si₃N₄ and / or the sialon grains in the upper area by 30 volume percent or more reduced the interior in which Si₃N₄ evaporated remains. Because of this, the essential ones Properties achieved in a satisfactory manner be one of them the higher Wearfe stability of the surface area and the other the high toughness of the interior. In other wor ten, the sintered body according to the invention does not have the Properties between these two properties lie. Accordingly, it was with the present sinter body possible, the wear resistance through a To improve surface change without the essential properties inside the body worsen.
Der Oberflächenbereich und der Innenbereich blättern nicht voneinander ab, da diese Bereiche einen Festkör per bilden, die miteinander durch eine starke Binde kraft zusammengehalten und vereinigt werden.The surface area and the interior area scroll do not differ from each other because these areas are solid per form that together with a strong bandage held together and united by force.
Die vorliegende Erfindung schafft auch ein Verfahren zum Erzeugen des verbesserten Siliziumnitridgrundstoff- Sinterkörpers, was später erörtert werden wird.The present invention also provides a method to produce the improved silicon nitride base Sintered body, which will be discussed later.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Steilheit des Konzentrationsabfalls des Siliziumnitrids und der Sialonkörner so gewählt, daß sie nicht kleiner als 30 Volumenprozent ist, da, wenn die oben erwähnte Steilheit des Konzentrationsabfalls nicht ausreicht, der Abfalleffekt ungenügend ist, wohingegen wenn die Steilheit des Abfalls gleich oder größer als 30 Volu menprozent ist, die Verschleißfestigkeit verbessert werden kann, ohne die Zähigkeit zu verringern, die die Eigenschaft des Innenbereichs ist. Die Steilheit des Abfalls ist vorzugsweise nicht kleiner als 50 Volumen prozent, da dann die Verschleißfestigkeit deutlich verbessert werden kann. Der Gehalt an Siliziumnitrid und an Sialonkörnern im Oberflächenbereich kann sogar fast Null sein. Jedoch kann sich in einem solchen Fall, obwohl die Verschleißfestigkeit noch deutlicher verbes sert werden kann, die Rauhigkeit unter Umständen ver schlechtern. Aus diesem Grunde sollte diese Steilheit des Abfalls im Oberflächenbereich vorzugsweise in einem solchen Maß verkleinert werden, daß eine spröde Verbin dung nicht erzeugt wird. In a preferred embodiment, the Slope of the drop in concentration of silicon nitride and the sialon grains chosen so that they are not smaller than 30 volume percent is there when the above mentioned The slope of the concentration drop is not sufficient, the waste effect is insufficient, whereas if the The slope of the waste is equal to or greater than 30 volu is percent, the wear resistance improves can be without reducing the toughness that the Property of the interior is. The steepness of the Waste is preferably not less than 50 volumes percent, because then the wear resistance is clear can be improved. The silicon nitride content and even on sialon grains in the surface area be almost zero. However, in such a case, although the wear resistance is even better can be adjusted, the roughness under certain circumstances worse. For this reason, this steepness the waste in the surface area preferably in one be reduced to such an extent that a brittle connection is not generated.
Der Siliziumnitridgrundstoff-Sinterkörper der vorlie genden Erfindung, der hauptsächlich aus Siliziumnitrid besteht, kann auch aus Si-Al-O-N, daß als Sialon bezeichnet wird, hergestellt werden. Das Siliziumnitrid und/oder das Sialon kann gemäß dem vorgesehenen Zweck und Anwendungsbereich ausgewählt werden und aus dem α- oder β-Typ oder aus einem Gemisch davon bestehen.The silicon nitride base sintered body of the present invention, which mainly consists of silicon nitride, can also be made of Si-Al-ON, which is referred to as sialon. The silicon nitride and / or the sialon can be selected according to the intended purpose and field of application and can consist of the α or β type or of a mixture thereof.
Die Komponenten neben dem Siliziumnitrid und dem Sialon können die die Korngrenzenphase bildenden Komponenten oder dritte Komponenten neben der Korngrenzenphase sein. Die die Korngrenzenphase bildenden Komponenten können im allgemeinen als Sinterhilfen eingestuft werden, und können nur aus glasartigen (glasigen) Phasen bestehen oder können verschiedene Kristallphasen statt der glasartigen Phasen enthalten. Die dritten Komponenten können solche Komponenten sein, die wirksam sind, um die Verschleißfestigkeit oder Zähigkeit zu verbessern. Daher können die dritten Komponenten Ver bindungen umfassen, beispielsweise Carbide, Nitride oder Oxide der Übergangsmetalle der Gruppen IVa, Va und VIa des internationalen Periodensystems oder eine oder mehrere feste Lösungen aus zwei oder mehr von diesen Verbindungen. Diese Verbindungen liegen vorzugsweise in einer Menge von nicht mehr als 30 Gewichtsprozent vor, um auf diese Weise die Zähigkeit des Sinterkörpers nicht zu verkleinern. Bevorzugte dritte Komponenten sind TiN, ZrO₂, TiC, WC, TiB₂, HfO₂, ZrC und/oder Whisk ers wie SiC und/oder Si₃N₄, vorzugsweise mit einem Durchmesser von 0,3 bis 2,0 Mikrometer und einer Länge von 10 bis 100 Mikrometern. Üblicherweise dienen ver streute Körner in Partikelform dazu, die Härte zu erhöhen oder um die Zähigkeit aufgrund der Kornwachs tumsverhinderung zu verbessern. The components in addition to the silicon nitride and the sialon the components forming the grain boundary phase or third components in addition to the grain boundary phase be. The components forming the grain boundary phase can generally be classified as sintering aids and can only be made from glassy Phases exist or can have different crystal phases included instead of the glassy phases. The third Components can be those components that are effective are to increase wear resistance or toughness improve. Therefore, the third components Ver Bonds include, for example carbides, nitrides or oxides of transition metals of groups IVa, Va and VIa of the international periodic table or one or several solid solutions from two or more of these Links. These connections are preferably in an amount of not more than 30% by weight in order to increase the toughness of the sintered body not to downsize. Preferred third components are TiN, ZrO₂, TiC, WC, TiB₂, HfO₂, ZrC and / or whisk ers like SiC and / or Si₃N₄, preferably with one Diameters from 0.3 to 2.0 microns and a length from 10 to 100 micrometers. Usually serve ver sprinkled particles in particle form to increase hardness increase or increase the toughness due to the grain wax improve prevention.
Der Innenbereich ist der Bereich des Sinterkörpers ausschließlich des Oberflächenbereichs, das heißt der Bereich des Sinterkörpers, der die inhärenten Eigen schaften des Sinterkörpers aufweist. Da Si₃N₄ nicht durch Zersetzung oder Verdampfung im Innenbereich entfernt wird, bleiben das oben erwähnte Siliziumni trid, die die Korngrenzenphase bildenden Komponenten und die dritten Komponenten wie sie sind.The interior is the area of the sintered body excluding the surface area, i.e. the Area of the sintered body that contains the inherent eigen has properties of the sintered body. Since Si₃N₄ not through decomposition or evaporation inside the silicon ni mentioned above remains trid, the components forming the grain boundary phase and the third components as they are.
Der Oberflächenbereich ist der Bereich des Sinterkör pers, in dem andere Komponenten als Si₃N₄ und/oder Sialon in dem Maß zurückbleiben, wie der Siliziumgehalt beim Verdampfen von Si₃N₄ verkleinert wird. Somit ist der relative Anteil der Komponenten neben dem Si₃N₄ und/oder beim Sialon entsprechend im Oberflächenbereich angereichert. Die Dicke des Oberflächenbereichs hängt vom Zweck, von der Verwendung und der Herstellungsme thode ab und liegt gewöhnlich im Bereich von mehreren Mikrometern bis 0,1 Millimeter, in einigen Fällen bis zu 1 Millimeter. Es sei bemerkt, daß ein Sinterkörper, in dem die obigen Zusammensetzungsverhältnisse sich nicht abrupt ändern, sondern sich kontinuierlich an der Grenze zwischen dem Oberflächenbereich und dem Innenbe reich ändern, auch in den Bereich der vorliegenden Erfindung fällt. Somit ist es ausreichend, daß der Sinterkörper über einen Oberflächenbereich verfügt, der eine erste spezielle relative Zusammensetzung und einen Innenbereich der eine zweite spezielle relative Zusam mensetzung aufweist.The surface area is the area of the sintered body pers, in which components other than Si₃N₄ and / or Sialon remain as much as the silicon content is reduced when evaporating Si₃N₄. So is the relative proportion of the components in addition to the Si₃N₄ and / or correspondingly in the surface area of the Sialon enriched. The thickness of the surface area depends the purpose, the use and the manufacturing method and is usually in the range of several Micrometers to 0.1 millimeters, in some cases up to to 1 millimeter. It should be noted that a sintered body in which the above compositional relationships not change abruptly, but continuously changing Border between the surface area and the interior change richly, even in the field of the present Invention falls. It is therefore sufficient that the Sintered body has a surface area that a first special relative composition and one Interior of a second special relative together has composition.
Insoweit wie der vorliegende Sinterkörper gewöhnlich mit seiner rohgesinterten Oberfläche, wobei die Si₃N₄- Oberflächenkomponente weggedampft ist, verwendet wird, muß eine besondere Aufmerksamkeit gegen das Verschlech tern der Oberflächenrauhigkeit durch eine derartige Verdampfung ausgeübt werden. Daher sollte die Oberflä chenverdampfung gesteuert werden, so daß die Oberflä chenrauhigkeit vorzugsweise nicht mehr als 12,5S gemäß der Norm JIS B 0601 ist. Bei Anwendungen, bei denen der Oberflächenrauhigkeit eine besondere Bedeutung zukommt, ist es für die Korngrenzenphasen bildenden Komponenten vorzuziehen, diese zu belassen, so daß sie die Oberflä che des Sinterkörpers überdecken.As far as the present sintered body usually with its raw sintered surface, the Si₃N₄- Surface component is evaporated, is used must pay special attention to the deterioration tern the surface roughness by such Evaporation can be exercised. Therefore, the surface Chen evaporation can be controlled so that the surface roughness preferably not more than 12.5S according to the JIS B 0601 standard. For applications where the Surface roughness is of particular importance, it is for the components forming the grain boundary phases preferable to leave them so that they have the surface Cover the surface of the sintered body.
Die folgenden Merkmale sind allen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gemein. Dabei handelt es sich darum, daß (i) der Anteil der Korngrenzenphase im Oberflächenbereich wesentlich größer als der im inneren Bereich ist und daß (ii) der Kristallisationsgrad im Oberflächenbereich höher als im inneren Bereich ist. Durch den synergistischen Effekt dieser beiden Merkmale ist die Abnutzungsfestigkeit wesentlich erhöht. Die in den ersten bis dritten Ausführungsformen aufgeführten Merkmale bestimmen die Bereichsgrößen mit einer wirksa men Erhöhung der Abnutzungsfestigkeit.The following features are all embodiments of the present invention common. It is about because (i) the fraction of the grain boundary phase in Surface area much larger than that inside Range and that (ii) the degree of crystallization in Surface area is higher than the inner area. Through the synergistic effect of these two characteristics the wear resistance is significantly increased. In the the first to third embodiments listed Features determine the area sizes with an effective increase wear resistance.
Melilith ist von den Kristallverbindungen, die die Korngrenzenphase an der Oberfläche bilden, das bevor zugte für den Fall, daß die Grenzphase eine kristalline Phase enthält. Es wurde gefunden, daß, wenn die tetra gonale Si₃N₄ · Y₂O₃-Verbindung, die mit Melilith be zeichnet wird, hauptsächlich kristallisiert in dem Oberflächenbereich auftritt und in diesem Bereich in einer höheren Konzentration als in dem inneren Bereich vorkommt, die Abnutzungsfestigkeit wesentlich erhöht ist.Melilite is one of the crystal compounds that the Form grain boundary phase on the surface, that before in the event that the boundary phase is a crystalline one Contains phase. It was found that when the tetra gonal Si₃N₄ · Y₂O₃ compound that be with melilith is mainly crystallized in the Surface area occurs and in that area in a higher concentration than in the inner area occurs, the wear resistance increases significantly is.
Weiterhin wurde festgestellt, daß die meisten Werkstücke aus einer auf Eisen basierenden Legierung sind, wobei Silizium als Hauptbestandteil des Siliziumnitrids eine hohe chemische Affinität aufweist, so daß seine Abnutzungsfestigkeit kleiner ist und der Grad der Reaktion in einem solchen Ausmaß gesenkt wird, daß der Gehalt an Silizium im Vergleich zum Si₃N₄ verkleinert ist, um die Stabilität gegenüber Chemikalien und Ab nutzung zu verbessern. Es ist kritisch für die kristal line Korngrenzenphasenbestandteile im Oberflächenbe reich in einer größeren Konzentration und im inneren Bereich in einer kleineren Konzentration aufzutreten, da die Kristallisation eines höheren Gehalts der kri stallinen Korngrenzenphasen-Si₃N₄-Y₂O₃-Grundverbindung in dem inneren Bereich zu einer verminderten Zähigkeit bei Raumtemperatur führt.It was also found that most workpieces are made of an iron-based alloy with silicon as the main component of silicon nitride has a high chemical affinity, so that its Wear resistance is smaller and the degree of Response is reduced to such an extent that the Content of silicon reduced compared to Si₃N₄ is to ensure stability against chemicals and ab improve usage. It is critical for the kristal line grain boundary phase components in the surface rich in greater concentration and inside Area to appear in a smaller concentration since the crystallization of a higher content of the kri stallinen grain boundary phase Si₃N₄-Y₂O₃ basic compound reduced toughness in the inner region leads at room temperature.
Die vorliegende Erfindung ist auf der Basis des Vorbe schriebenen ausgeführt worden. Gemäß der ersten Ausfüh rungsform ist der Gehalt an Kristallkörnern aus Si₃N₄ und/oder Sialon in dem Oberflächenbereich um 30 Volu menprozent oder mehr geringer als in dem inneren Be reich. Mit einer kleineren Differenz als 30 Volumen prozent kann ein genügender Effekt der Oberflächenver änderung, d. h. Erhöhung der Abnutzungsfestigkeit, nicht erreicht werden.The present invention is based on the preamble have been written. According to the first version Form is the content of crystal grains from Si₃N₄ and / or sialon in the surface area around 30 volu percent or more less than in the inner portion rich. With a smaller difference than 30 volumes percent can have a sufficient effect of the surface ver change, d. H. Increase wear resistance, not can be achieved.
Gemäß der zweiten Ausführungsform ist ein wirksamer Effekt der Oberflächenveränderung nicht erreichbar, wenn das Verhältnis des Gehaltes der Korngrenzenphasen- Kristallverbindung in dem Oberflächenbereich zu dem in dem inneren Bereich, gemessen mit der Röntgenstrahlen maximalintensitätenverhältnismethode, 0,5 oder mehr beträgt.According to the second embodiment, an effective one Effect of surface change not achievable, if the ratio of the content of the grain boundary phase Crystal compound in the surface area to that in the inner area, measured with the x-rays maximum intensity ratio method, 0.5 or more is.
In der dritten Ausführungsform, bei der das Verhältnis des Gehaltes an kristallinem Gemisch in der Korngren zenphase im Oberflächenbereich zu dem des Gehaltes an Kristallkörnern aus Si₃N₄ und/oder Sialon im selben Bereich 0,3 oder größer ist, wie es durch das Verfahren der Erfassung der maximalen Röntgenstrahlenintensität erfaßbar ist, kann die Abnutzungsfestigkeit noch weiter erhöht werden.In the third embodiment, in which the ratio the content of the crystalline mixture in the grain size Zen phase in the surface area to that of the content Crystal grains of Si₃N₄ and / or sialon in the same Range is 0.3 or greater as determined by the procedure the detection of the maximum X-ray intensity the wear resistance can be determined even further increase.
Der vorliegende Grundstoff-Sinterkörper wird gewöhnlich durch übliches Sintern unter atmosphärischem Druck hergestellt. Jedoch kann er auch hergestellt werden, indem ein Sintern unter einer unter Druck stehenden Gasatmosphäre oder gemäß einem heißen isostatischen Sintern (HIP-Methode) erfolgt. Es ist grundsätzlich notwendig, daß die Sinteratmosphäre Stickstoff enthält, jedoch unter der Bedingung, z. B. derart, daß die Menge an Siliziumnitrid und/oder Sialonkörnern im Oberflä chenbereich abnimmt. Der Sinterdruck kann zwischen einem Vakuum (oder reduziertem Druck) bis zu mehreren tausend Atmosphären variieren. Die Sintertemperatur ist vorzugsweise in der Größenordnung von 1500 bis 1800 Grad Celsius und liegt insbesondere im Bereich zwischen 1600 und 1700 Grad Celsius.The present raw material sintered body becomes ordinary by usual sintering under atmospheric pressure produced. However, it can also be made by sintering under pressure Gas atmosphere or according to a hot isostatic Sintering (HIP method) takes place. It is fundamental necessary that the sintering atmosphere contains nitrogen, however on the condition, e.g. B. such that the amount on silicon nitride and / or sialon grains in the surface area decreases. The sinter pressure can be between one vacuum (or reduced pressure) up to several a thousand atmospheres vary. The sintering temperature is preferably in the order of 1500 to 1800 Degrees Celsius and is particularly in the range between 1600 and 1700 degrees Celsius.
Der erfindungsgemäße Sinterkörper kann im wesentlichen in der folgenden Weise hergestellt werden. Pulverför miges Siliziumnitrid und Sinterhilfen werden mit einem erwünschten Mischungsverhältnis ausgewogen, gemischt und pulverisiert. Die Sinterhilfen können solche sein, die beim Sintern unter Atmosphärendruck oder Gasdruck oder Sintern gemäß dem HIP-Verfahren verwendet werden und enthalten vorzugsweise das Element Si nicht. Somit können als Beispiele folgende Sinterhilfen wie Al₂O₃, AlN, MgO, CaO, Y₂O₃ oder Oxide der seltenen Erden auf gezählt werden. Die pulverartige Ausgangsmasse wird geformt und unter Druck auf die gewünschte Gestalt verdichtet und gesintert. Zum Verdampfen (oder Ver flüchtigen) des Si₃N₄ auf der Oberfläche während des Sintern können die Partialdrücke des Stickstoffs und/ oder Silizium erniedrigt werden, oder es kann eine reduzierende Atmosphäre eingesetzt werden.The sintered body according to the invention can essentially can be made in the following manner. Powder feed Silicon nitride and sintering aids are combined with one desired mixing ratio balanced, mixed and powdered. The sintering aids can be those those when sintering under atmospheric pressure or gas pressure or sintering according to the HIP method and preferably do not contain the element Si. Consequently The following sintering aids such as Al₂O₃, AlN, MgO, CaO, Y₂O₃ or rare earth oxides be counted. The powdery starting mass is shaped and under pressure to the desired shape compacted and sintered. For vaporizing (or ver volatile) of Si₃N₄ on the surface during the The partial pressures of nitrogen and / or silicon, or it can be reducing atmosphere can be used.
Üblicherweise kann die pulverförmige Ausgangsmasse wie folgt zusammengesetzt sein:Usually the powdered starting mass can be like be composed as follows:
Die Ausgangspulvermasse (Mischung) hat eine durch schnittliche Teilchengröße von vorzugsweise 5 Mikro meter oder weniger, am besten 2 Mikrometer oder weni ger.The starting powder mass (mixture) has a through average particle size of preferably 5 micro meters or less, preferably 2 microns or less ger.
Somit kann der Herstellungsprozeß wie folgt zusammen gefaßt werden:Thus, the manufacturing process can be as follows to get nabbed:
- (a) Vorbereiten einer Ausgangspulvermasse definierter Zusammensetzung, einschließlich Mischen (gewöhn lich mit gleichzeitiger Pulverisierung), (a) Prepare a starting powder mass defined Composition, including mixing (habit with simultaneous pulverization),
- (b) Herstellen eines Preßkörpers der gewünschten Gestalt,(b) making a compact of the desired Shape,
- (c) Sintern des Preßkörpers unter der Bedingung, daß das an der Oberfläche des Sinterkörpers vorhan dene Siliziumnitrid verdampft werden kann, um einen Si-verarmten Oberflächenbereich bei einer spezifischen Temperatur zu bilden.(c) sintering the compact on the condition that existing on the surface of the sintered body whose silicon nitride can be evaporated to a Si-depleted surface area at a specific temperature.
Das Sintern wird für eine gewisse Zeitperiode durchge führt, die ausreicht, um den Preßkörper zu sintern, vorzugsweise 0,5 bis 5 Stunden und am besten 1 bis 3 Stunden. Die Sinterbedingung wird durch eine spezielle Atmosphäre zum Sintern bereitgestellt, wobei reduzierte Teildrücke des Stickstoffs und/oder des Silizium oder eine reduzierende Atmosphäre vorliegen, wie solche, die (insbesondere zusätzlich zu redzierten Partialdrücken) CO₂ und/oder Co enthalten. Im allgemeinen vari ieren die Sinterbedingungen in Abhängigkeit von der Zusammensetzung und der Sintertemperatur. Dies bedeu tet, daß die Atmosphäre auf einen geringfügig niedrige ren Partialdruck des N₂ und/oder Si eingestellt ist als diejenigen, die als für eine gewisse Zusammensetzung bezüglich der Temperatur, zum Beispiel gemäß Fig. 5, als geeignet angesehen werden. In dieser Art und Weise kann eine geeignete Menge von Si und N zersetzt und vom Oberflächenbereich in einem solchen Ausmaß verflüchtigt werden, daß keine rauhe Oberfläche erzeugt wird.The sintering is carried out for a certain period of time sufficient to sinter the compact, preferably 0.5 to 5 hours and most preferably 1 to 3 hours. The sintering condition is provided by a special atmosphere for sintering, with reduced partial pressures of nitrogen and / or silicon or a reducing atmosphere, such as those which (in addition to reduced partial pressures) contain CO₂ and / or Co. In general, the sintering conditions vary depending on the composition and the sintering temperature. This means that the atmosphere is set to a slightly lower partial pressure of N₂ and / or Si than those which are considered suitable for a certain composition in terms of temperature, for example according to FIG. 5. In this manner, an appropriate amount of Si and N can be decomposed and volatilized from the surface area to such an extent that no rough surface is generated.
Der resultierende Oberflächenbereich des Sinterkörpers wird hauptsächlich durch die Sinterhilfen und/oder resultierenden Verbindungen davon (oder weiteren drit ten Komponenten) gebildet, in denen Si und/oder N als feste Lösung enthalten ist. Durch Verdampfen von Si und N werden die verbleibenden Grenzphasen und dritten Komponenten in dem Oberflächenbereich relativ zum Innenbereich angereichert, was eine Veränderung in der Dichte und der Zähigkeit (die Härte wird verbessert) nach sich zieht. Die Menge von Siliziumnitrid und/oder Sialon im Oberflächenbereich ist relativ kleiner als im inneren Bereich (vorzugsweise um wenigstens 30 Volu menprozent, bis hin zu 100 Volumenprozent).The resulting surface area of the sintered body is mainly through the sintering aids and / or resulting compounds thereof (or other third th components) in which Si and / or N as solid solution is included. By evaporating Si and N become the remaining border phases and third Components in the surface area relative to the Enriched inside what a change in the Density and toughness (hardness is improved) entails. The amount of silicon nitride and / or Sialon in the surface area is relatively smaller than in inner area (preferably by at least 30 vol percent, up to 100 percent by volume).
Gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung unter scheidet sich der Gehalt an Melilith in dem Oberflä chenbereich von dem im inneren Bereich, wenn eine Messung wie die Röntgenstrahlenmaximalverhältnismethode durchgeführt wird. Dieses Verhältnis des Melilith-Ge halts in dem inneren Bereich zu dem in dem Oberflächen bereich wird kleiner als 0,5 vorherbestimmt, weil ein wirksamer Effekt nicht bei 0,5 oder größer gezeigt werden kann. Die Abnutzungsfestigkeit kann erhöht werden ohne die gewünschten Eigenschaften der höheren Zähigkeit in dem inneren Bereich zu vermindern.According to the fourth embodiment of the invention under the melilite content in the surface differs area of the inner area, if one Measurement like the X-ray maximum ratio method is carried out. This ratio of the Melilith-Ge hold in the inner area to that in the surface range is predetermined less than 0.5 because of a effective effect not shown at 0.5 or greater can be. The wear resistance can be increased be without the desired properties of the higher To reduce toughness in the inner region.
Gemäß der fünften Ausführungsform ist das maximale Röntgenstrahlenintensitätsverhältnis des Melilith- Gehalts zu dem Siliziumnitrid-Gehalt in dem Oberflä chenbereich nicht kleiner als 0,3. In diesem Fall kann der Melilith-Gehalt erhöht werden, während der Silizi um-Gehalt vermindert werden kann, um die Abnutzungsfe stigkeit bedeutend zu erhöhen.According to the fifth embodiment, this is the maximum X-ray intensity ratio of the Melilith Content to the silicon nitride content in the surface area not less than 0.3. In this case the melilith content will be increased during the silizi order content can be reduced to reduce wear significantly increase stability.
Obwohl der Sinterkörper auf Siliziumnitrid-Basis in vielen Fällen im wesentlichen aus Siliziumnitrid be steht, kann er auch aus Sialon hergestellt sein, wie es oben angegeben wurde, da der Zweck der vorliegenden Erfindung in der Oberflächenveränderung liegt, welche dadurch hervorgerufen wird, daß der Gehalt an einer Korngrenzenphasen-Kristallverbindung, wie z. B. Meli lith, in dem Oberflächenbereich gegenüber dem entspre chenden Gehalt in dem inneren Bereich erhöht wird. Siliziumnitrid oder Sialon des α- oder β-Typs oder eine Mischung daraus kann entsprechend dem Zweck und der Anwendung ausgewählt werden.Although in many cases the silicon nitride-based sintered body consists essentially of silicon nitride, it can also be made of sialon, as stated above, since the purpose of the present invention is to change the surface, which is caused by the content on a grain boundary phase crystal compound, such as. B. Meli lith, is increased in the surface area compared to the corre sponding content in the inner region. Silicon nitride or sialon of the α or β type or a mixture thereof can be selected according to the purpose and the application.
Erfindungsgemäß liegt das Mischungsverhältnis von Y₂O₃ üblicherweise zwischen 1 und 20 Gewichtsprozent und vorzugsweise zwischen 1 und 10 Gewichtsprozent im Falle, daß die Korngrenzenphase die Kristallbestand teile enthält. Y₂O₃ wird als Donator von Yttrium Y vorgezogen, das ein wesentliches Element der Korngren zenphase-Kristallverbindung, wie z. B. Melilith, ist; und mindestens 1 Gewichtsprozent Y₂O₃ ist hierfür not wendig. Ein Überschuß an Y₂O₃ führt zu einer Erniedri gung des Hochtemperaturverhaltens als eine Folge des Anwachsens der Korngrenzenphase. Das Element Y kann auch eingeführt werden, wenn es nicht als ein Bestand teil eines Oxids, sondern z. B. eines Nitrids oder Silicids vorliegt. Diese Verbindungen werden in einer gemäß Y₂O₃ berechneten Menge verwendet. Al₂O₃ und/oder AlN, die eine bedeutende Rolle in der Melilith-Kristal lisation spielen, können zeitgleich mit Y₂O₃ zugeführt werden. Die bevorzugten Mengen an Al₂O₃ und AlN sind 1 bis 10 Gewichtsprozent bzw. 1 bis 10 Gewichtsprozent. AlN kann in einem etwas stärkerem Maße als Al₂O₃ beige fügt werden, um ein besseres Ergebnis zu erhalten. Zusätzlich können übliche Sinterhilfen zum Normaldruck sintern von Si₃N₄ verwendet werden, wie z. B. wenigstens eine der folgenden Verbindungen, MgO, SiO₂, ZrO₂ oder Oxide der seltenen Erden-Elemente.According to the mixture ratio of Y₂O₃ usually between 1 and 20 weight percent and preferably between 1 and 10 weight percent in Case that the grain boundary phase the crystal stock contains parts. Y₂O₃ is used as a donor of yttrium Y preferred that an essential element of the grain size Zen phase crystal compound, such as. B. Melilith; and at least 1 percent by weight Y₂O₃ is not necessary agile. An excess of Y₂O₃ leads to a lowering generation of high temperature behavior as a result of Growth of the grain boundary phase. The element Y can also be introduced if it is not as a stock part of an oxide, but z. B. a nitride or Silicids is present. These connections are in one used amount calculated according to Y₂O₃. Al₂O₃ and / or AlN, which played a significant role in the Melilite crystal lisation play, can be fed simultaneously with Y₂O₃ will. The preferred amounts of Al₂O₃ and AlN are 1 up to 10 percent by weight or 1 to 10 percent by weight. AlN can be beige to a somewhat greater extent than Al₂O₃ be added to get a better result. In addition, conventional sintering aids can be used at normal pressure sintering of Si₃N₄ can be used, such as. B. at least one of the following compounds, MgO, SiO₂, ZrO₂ or Oxides of the rare earth elements.
Siliziumnitrid kann auch durch dritte Komponenten ersetzt werden, die zur Erhöhung der Abnutzungsfestig keit und der Bruchfestigkeit führen. In diesem Zusam menhang können folgende Verbindungen als Beispiel genannt werden, ein oder zwei Carbide, Nitride oder Oxide der Übergangsmetalle der Gruppen IVa, Va und VIa des Periodensystems oder Elemente, oder eine feste Lösung von zwei oder mehr dieser Verbindungen. Diese Ersatzverbindungen liegen vorzugsweise in einer Menge von nicht mehr als 30 Gewichtsprozent vor, um auf diese Weise die Zähigkeit des Sinterkörpers nicht zu verklei nern.Silicon nitride can also be caused by third components be replaced to increase wear resistance strength and breaking strength. In this together Menhang can use the following connections as an example be called, one or two carbides, nitrides or Group IVa, Va and VIa transition metal oxides of the periodic table or elements, or a fixed Solution of two or more of these connections. These Replacement compounds are preferably in an amount of no more than 30 percent by weight to go on this Do not reduce the toughness of the sintered body nern.
Mit dem inneren Bereich ist der Bereich des Siliziumni tridgrundstoff-Sinterkörpers ohne den Oberflächenbe reich bezeichnet. Der innere Bereich macht seinen Hauptanteil aus, d. h. es ist der Bereich, der die inhärenten Eigenschaften des vorliegenden Silizium nitridgrundstoff-Sinterkörpers zeigt.With the inner area is the area of the silicon ni sintered body without the surface coating richly designated. The inner area does its thing Main part from, d. H. it is the area that the inherent properties of the present silicon shows nitride base material sintered body.
Bei dem Oberflächenbereich handelt es sich, gemäß der zweiten Ausführungsform, um den Abschnitt des Sinter körpers, in dem der relative Gehalt der Si₃N₄-Y₂O₃- Grundverbindung, wie z. B. Melilith erhöht ist. Die Dicke des Oberflächenbereichs liegt üblicherweise in dem Bereich zwischen einigen Mikrometern und 0,1 Milli meter und reicht manchmal bis 1 Millimeter, je nach dem Zweck, der Anwendung oder dem Produktionsverfahren. Wenn eine große Menge der Kristalle der Si₃N₄-Y₂O₃- Grundverbindung die gesamte Oberfläche des Sinterkör pers bedeckt, ist diese Schicht in einem Zustand, in dem fast kein Si₃N₄ und/oder Sialonkörner enthalten sind (jedoch ist die dritte Komponente=verstreute Phase ist enthalten) und die daher zu einem 100pro zentigen Abfall an Si₃N₄ und Sialon führt. Die Dicke einer solchen kristallinen Schicht (100prozentiger Zustand der Verminderung) beträgt vorzugsweise nicht mehr als 5 Mikrometer, um zu verhindern, daß die Stärke des Sinterkörpers in seiner Gesamtheit vermindert ist. The surface area is according to the second embodiment to the section of the sinter body in which the relative content of Si₃N₄-Y₂O₃- Basic connection, such as B. Melilith is increased. The The thickness of the surface area is usually in the range between a few micrometers and 0.1 milli meters and sometimes ranges up to 1 millimeter, depending on the Purpose, application or production process. If a large amount of the crystals of Si₃N₄-Y₂O₃- Basic connection the entire surface of the sintered body pers covered, this layer is in a state in which contain almost no Si₃N₄ and / or sialon grains are (however, the third component = scattered Phase is included) and therefore to a 100pro percent drop in Si₃N₄ and sialon leads. The fat such a crystalline layer (100 percent State of reduction) is preferably not more than 5 microns to prevent the strength of the sintered body is reduced in its entirety.
Die vorliegende Erfindung umfaßt auch den Fall, in dem das obige Zusammensetzungsverhältnis sich nicht abrupt, sondern kontinuierlich verändert; es reicht aus, daß der Sinterkörper einen Oberflächenbereich mit einem vorbestimmten ersten Zusammensetzungsverhältnis und einen inneren Bereich mit einem vorbestimmten zweiten Zusammensetzungsverhältnis aufweist.The present invention also includes the case where the above compositional relationship does not change abruptly, but continuously changed; it is sufficient that the sintered body has a surface area with a predetermined first composition ratio and an inner area with a predetermined second Has composition ratio.
Das Verfahren zur Herstellung des Sinterkörpers in der vierten Ausführungsform der Erfindung entspricht dem oben Beschriebenen. Obwohl Sintern vorzugsweise unter Verdampfungsbedingungen für den Oberflächenbereich mit einer geeigneten Menge an Siliziumnitrid durchgeführt wird, ist die vorliegende Erfindung nicht auf ein solches Verfahren festgelegt. Das Sintern wird in einer Stickstoff-enthaltenden Atmosphäre durchgeführt und der Stickstoff-Partialdruck liegt zwischen dem Vakuum und einigen tausend Atmosphären. Atmosphären, die üblicher weise beim Sintern von Siliziumnitrid oder Sialon verwendet werden, können zum Sintern gemäß der vorlie genden Erfindung verwendet werden.The process for producing the sintered body in the fourth embodiment of the invention corresponds to that described above. Although sintering is preferably under Evaporation conditions for the surface area with an appropriate amount of silicon nitride the present invention is not limited to one set such procedure. The sintering is done in one Nitrogen-containing atmosphere performed and the Partial nitrogen pressure is between the vacuum and a few thousand atmospheres. Atmospheres that are more common wise when sintering silicon nitride or sialon can be used for sintering according to the present ing invention can be used.
Zum Formen der Oberfläche des Sinterkörpers gemäß der vorliegenden Erfindung vor dem (oder nach dem oder während des) Sinterns ist es vorzuziehen, die Korn grenzenphasen zu einer Si₃N₄-Y₂O₃-Grundverbindung, wie Melilith, auszukristallisieren. Zu diesem Zweck wird die Temperatur in einem Bereich zwischen 1400 und 1700° Celsius und vorzugsweise zwischen 1500 und 1650° Celsius für eine vorbestimmte Zeit gehalten oder die Kühlrate wird verzögert. Das Halten dieser Tempera tur kann im Anschluß an das Sintern durchgeführt werden oder durch Wiederaufheizen auf die oben angegebene Temperatur nach dem üblichen Sintern. Während des Kristallisationsprozesses muß besondere Vorsicht ge zeigt werden, um nicht ein Überheizen zu bewirken, da sonst die Si₃N₄-Y₂O₃-Grundverbindung, wie z. B. Melilith, nicht nur an der Oberfläche, sondern auch in der inneren Korngrenzenphase des Sinterkörpers kristallisiert. Zur Erhöhung des Ausmaßes der Melilith-Kristallisation im Oberflächenbereich im Vergleich zu der im inneren Bereich, kann die Sinteratmosphäre, wie z. B. der Stick stoff- und/oder der Sauerstoff-Partialdruck, entspre chend kontrolliert werden oder die Oberfläche kann durch eine Verbindung abgedeckt sein, die die Melilith- Kristallisation fördert.For shaping the surface of the sintered body according to the present invention before (or after or during sintering it is preferable to use the grain boundary phases to a Si₃N₄-Y₂O₃ basic compound, such as Melilith crystallize out. For this purpose the temperature in a range between 1400 and 1700 ° Celsius and preferably between 1500 and Held at 1650 ° Celsius for a predetermined time or the cooling rate is delayed. Keeping that tempera tur can be carried out after the sintering or by reheating to the above Temperature after the usual sintering. During the Crystallization process must be particularly careful be shown so as not to cause overheating since otherwise the Si₃N₄-Y₂O₃ basic compound, such as. B. Melilith, not only on the surface, but also on the inside Grain boundary phase of the sintered body crystallized. To Increasing the extent of melilite crystallization in the Surface area compared to that inside Area, the sintering atmosphere, such as. B. the stick substance and / or the oxygen partial pressure, correspond be checked accordingly or the surface can be covered by a connection that connects the Melilith Promotes crystallization.
Das Voranschreiten der Kristallisation der M-, J-, K-, H- und A-Phasen auf dem Oberflächenbereich wird im wesentlichen durch die Einstellung der Sinterzeit und der Menge der Y₂O₃-Komponente beeinflußt. Gemäß der vorliegenden Erfindung unterliegt die Zusammensetzung des Oberflächenbereichs der komplexen Veränderung aufgrund der Verdampfung ihrer Komponenten. Deshalb sind die resultierenden Kristallphasen durch die Verän derung der Atmosphäre und auch durch die kompositori sche Absonderung während des Kühlens beeinflußt. Hier für kann Bezug genommen werden, soweit es ein lokales Auftreten betrifft, auf ein SiO₂-Si₃N₄-Y₂O₃ ternäres Phasendiagramm Fig. 11 (von F.F. Lange et al., J. Am. Ceram. Soc. 60 (5-6), S. 249-252 (1977)) oder auf einen Artikel von Hayasi, Yoh et al. (Fig. 3 aus Powder and Powder Metallurgy 34 (1), S. 26-31).The progress of the crystallization of the M, J, K, H and A phases on the surface area is essentially influenced by the setting of the sintering time and the amount of the Y₂O₃ component. According to the present invention, the composition of the surface area is subject to the complex change due to the evaporation of its components. Therefore, the resulting crystal phases are affected by the change in the atmosphere and also by the compositional secretion during cooling. As far as local occurrence is concerned, reference can be made to an SiO₂-Si₃N₄-Y₂O₃ ternary phase diagram Fig. 11 (by FF Lange et al., J. Am. Ceram. Soc. 60 (5-6), p 249-252 (1977)) or an article by Hayasi, Yoh et al. (Fig. 3 from Powder and Powder Metallurgy 34 (1), pp. 26-31).
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigtThe invention is described below with reference to the drawing described in more detail. It shows
Fig. 1 eine grafische Darstellung zur Veranschau lichung des Zusammenhanges zwischen der Steilheit des Si₃N₄-Sialon-Abfalls im Ober flächenbereich und der Verschleißfestigkeit. Fig. 1 is a graphical representation to illustrate the relationship between the slope of the Si₃N₄ sialon waste in the upper surface area and the wear resistance.
Fig. 2 eine Querschnittsansicht der Gestalt eines Werkstückes, das im Test 1 verwendet wurde, Fig. 2 is a cross sectional view of the shape of a workpiece, which was used in Test 1,
Fig. 3 eine Querschnittsansicht der Gestalt eines Werkstückes, das im Test 2 verwendet wurde, Fig. 3 is a cross sectional view of the shape of a workpiece, which was used in Test 2,
Fig. 4 eine Querschnittsansicht der Gestalt eines Werkstückes, das im Test 3 verwendet wurde, Fig. 4 is a cross sectional view of the shape of a workpiece, which was used in Test 3,
Fig. 5 ein bekanntes Phasendiagramm, das die Bezie hung zwischen der Si₃N₄-Phase und den Parti aldrücken der Sinteratmosphäre veranschau licht, Fig. 5 is a well-known phase diagram hung the Bezie between the Si₃N₄ phase and the Parti the sintering atmosphere alPress light illustrate,
Fig. 6 eine grafische Darstellung zur Veranschau lichung des Zusammenhanges zwischen dem Oberflächenbereich/innerer Bereich-Anteils- Verhältnis R₂ des Gehalts an Melilith und der Abnutzungsfestigkeit, Fig. 6 is a diagram for illustrating lichung the relationship between the surface area / inner area ratio for unit R₂ of the content of melilite and the wear resistance,
Fig. 7 eine grafische Darstellung zur Veranschau lichung des Zusammenhanges zwischen dem Melilith/Siliziumnitrid-Gehalts-Verhältnis R₁ im Oberflächenbereich und der Abnutzungs festigkeit, Fig. 7 is a diagram for illustrating the relationship between the melilite lichung / silicon nitride content ratio R₁ in the surface region and the wear resistance,
Fig. 8 eine grafische Darstellung der Ergebnisse einer Röntgenstrahlenbeugungsanalyse des Oberflächenbereichs des Sinterkörpers von Probe Nr. 28, Fig. 8 is a graphical representation of the results of X-ray diffraction analysis of the surface region of the sintered body of Sample Nos. 28,
Fig. 9 eine grafische Darstellung der Ergebnisse einer Röntgenstrahlenbeugungsanalyse des inneren Bereichs des Sinterkörpers von Probe Nr. 28, Fig. 9 is a graphical representation of the results of X-ray diffraction analysis of the inner portion of the sintered body of Sample Nos. 28,
Fig. 10 (a) und (b) Diagramme, die die Struktur je weils des Oberflächenbereichs und des inne ren Bereichs zeigen, und Fig. 10 (a) and (b) are diagrams each weils of the surface area and of the area occupied ren show the structure, and
Fig. 11 ein bekanntes SiO₂-Si₃N₄-Y₂O₃ ternäres Phasen diagramm, das von bei 1600 bis 1750° Celsius heißgepreßten Mustern erzeugt wurde. Fig. 11 is a known SiO₂-Si₃N₄-Y₂O₃ ternary phase diagram, which was generated by at 1600 to 1750 ° Celsius hot pressed patterns.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf zahlreiche beispielhafte Ausführungsbeispiele beschrie ben.The invention is described below with reference to FIG described numerous exemplary embodiments ben.
Ein erstes Ausführungsbeispiel betrifft die erste bis dritte Ausführungsform.A first embodiment relates to the first to third embodiment.
Der Si-Gehalt im Oberflächenbereich ist im Vergleich zu dem in dem inneren Bereich abgesenkt worden, während das Grenzphasen-Kristallgemisch, d. h. die Si₃N₄-Y₂O₃- Grundverbindung, auf dem Oberflächenbereich kristal lisiert wurde. Die Untersuchungen wurden auf die Aus wirkungen dieser Maßnahmen gerichtet.The Si content in the surface area is compared to which has been lowered in the inner area while the boundary phase crystal mixture, d. H. the Si₃N₄-Y₂O₃- Basic connection, crystalline on the surface area was identified. The investigations were on the off effects of these measures.
Als Pulver für das Ausgangsmaterial wurden pulverför miges Si₃N₄ mit einer mittleren Teilchengröße von 0,6 Mikrometer (a-Si₃N₄-Anteil nicht geringer als 90 Volu menprozent), pulverförmiges Al₂O₃ oder MgO mit einer mittleren Teilchengröße von 0,5 Mikrometern, AlN-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 1,3 Mikrometern, pulverförmiges Y₂O₃ mit einer mittleren Teilchengröße von 1,2 Mikrometern, pulverförmiges ZrO₂ mit einer mittleren Teilchengröße von 0,4 Mikrometern, pulverför miges TiN mit einer mittleren Teilchengröße von 1,2 Mikrometern, pulverförmiges HfN mit einer mittleren Teilchengröße von 1,7 Mikrometern und pulverförmiges WC mit einer mittleren Teilchengröße von 2,0 Mikrometern unter Berücksichtigung der Zusammensetzungsverhältnisse in der Tabelle genommen und in einer Naß-Kugelmühle 48 Stungen gemischt. Dem resultierenden Gemisch wurde ein Formmittel beigefügt und es wurde getrocknet. As powder for the starting material, powdery Si₃N₄ with an average particle size of 0.6 micrometer ( a -Si₃N₄ portion not less than 90 vol%), powdered Al₂O₃ or MgO with an average particle size of 0.5 micron, AlN powder with an average particle size of 1.3 microns, powdery Y₂O₃ with an average particle size of 1.2 microns, powdery ZrO₂ with an average particle size of 0.4 microns, powder TiN with an average particle size of 1.2 microns, powdered HfN with a average particle size of 1.7 micrometers and powdery toilet with an average particle size of 2.0 micrometers taking into account the composition ratios in the table and mixed 48 hours in a wet ball mill. A molding agent was added to the resulting mixture and it was dried.
Jede der resultierenden Pulvermischungen (Ausgangspul vermasse) wurde in einer Metallform druckgeformt und in einer Atmosphäre, die hauptsächlich Stickstoff ent hielt, unter der Stickstoffatmosphäre von 0,7 bis 10 atom (und teilweise auch unter der Anwesenheit von Kohlensäuregas) und bei einer Temperatur von 1650 bis 1750 Grad Celsius gesintert, um Sinterprodukte herzu stellen. Die Dicke des Oberflächenbereichs von diesen Sinterprodukten war etwa 0,01 bis 0,1 Millimeter für beide Fälle, wobei diese durch Oberflächenentfernung, durch Schleifen und Röntgenstrahlbrechung eines kleinen Bereiches (Röntgenstrahl-Mikroanalysator) gemessen wurde.Each of the resulting powder mixtures (starting coil dimensions) was compression molded in a metal mold and in an atmosphere that contains mainly nitrogen held under the nitrogen atmosphere from 0.7 to 10 atom (and partly also in the presence of Carbonic acid gas) and at a temperature of 1650 to Sintered at 1750 degrees Celsius to produce sintered products put. The thickness of the surface area of these Sintered products was about 0.01 to 0.1 millimeters for both cases, this by surface removal, by grinding and x-ray refraction of a small one Range (X-ray microanalyser) measured has been.
Die gesinterten Produkte wurden auf eine Größe von SNMN 432 gemäß der JIS B 4103 nachbearbeitet, um Teststücke (oder Spitzen) 2 zu bilden. Das Nachbearbeiten der Sinterprodukte erfolgte durch Schleifen der oberen und unteren Oberflächen, wobei die Seitenflächen des Sin terproduktes im Zustand der rohgesinterten Flächen blieb. Die Größe der Teststücke wurde zum Zeitpunkt der Druckformung angepaßt. Eine Auswertung wurde durch die folgenden drei Tests 1 bis 3 durchgeführt, wobei die Tests 1 und 2 zur Bewertung der Verschleißfestigkeit und der Test 3 zur Bewertung der Festigkeit dienen. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 und in Fig. 1 darge stellt.The sintered products were reworked to a size of SNMN 432 according to JIS B 4103 to form test pieces (or tips) 2. The finishing of the sintered products was carried out by grinding the upper and lower surfaces, the side surfaces of the sintered product remaining in the state of the raw sintered surfaces. The size of the test pieces was adjusted at the time of printing. Evaluation was carried out by the following three tests 1 to 3, tests 1 and 2 being used to assess wear resistance and test 3 being used to assess strength. The results are shown in Table 1 and in Fig. 1 Darge.
Alle Beispiele zeigen Dichten von wenigstens 99,5 Prozent bezüglich der theoretischen Dichte. Der Innen bereich bestehend aus Sialon war vom β-Typus in Nr. 3, Nr. C2 und Nr. 4 und (β-Typus+α-Typus) in den Nrn. 5-9 und Nr. C3, in denen das α-Verhältnis jeweils 0,33, 0,28, 034, 042, 0,36 und 0,22 in dieser Reihen folge ist. Das α-Verhältnis ist definiert durch α/(α+β) gemessen gemäß der Röntgenstrahlenmaximalintensitäten verhältnismethode.All examples show densities of at least 99.5 percent in terms of theoretical density. The inner area consisting of sialon was of the β type in No. 3, No. C2 and No. 4 and ( β type + α type) in No. 5-9 and No. C3, in which the α ratio 0.33, 0.28, 034, 042, 0.36 and 0.22 respectively in this order. The α ratio is defined by α / ( α + β ) measured according to the X-ray maximum intensities ratio method.
α-Sialon ist eine feste Lösung des Substitu tions/Zwischengittertypes, bei der ein Teil der Sili ziumatome in der α-Si₃N₄-Struktur durch Aluminium er setzt ist und ein Teil der N-Atome in der gleichen Struktur durch O ersetzt ist, und bei der weiterhin Elemente wie Li, Na, Mg, Ca, Y oder seltene Erden-Ele mente eine feste Lösung bilden, die in den Zwischengit terraum zwischen (Si, Al) und (O, N) eindringt. Im allgemeinen ist ein solches α-Sialon durch die Formel α -Sialon is a solid solution of the substitution / interstitial type, in which a part of the silicon atoms in the α -Si₃N₄ structure is replaced by aluminum and a part of the N atoms in the same structure is replaced by O, and in the elements such as Li, Na, Mg, Ca, Y or rare earth elements form a solid solution that penetrates into the interstitial space between (Si, Al) and (O, N). In general, such an α- sialon is by the formula
Mx (Si, Al)₁₂ (O, N)₁₆Mx (Si, Al) ₁₂ (O, N) ₁₆
ausgedrückt, wobei M=Li, Na, Mg, Ca, Y oder ein seltenes Erde-Element und 0<x2 ist.expressed where M = Li, Na, Mg, Ca, Y or a rare earth element and 0 < x 2.
Auf der anderen Seite ist b-Sialon eine feste Lösung des Substitutionstypes, die aus einer festen Lösung von Al₂O₃, AlN und SiO₂ in β-Siliziumnitrid gebildet ist, das heißt, bei der Al und O ein Teil der Si-Atome und N-Atome in dem β-Siliziumnitrid jeweils substituieren.On the other hand, b- sialon is a solid solution of the substitution type, which is formed from a solid solution of Al₂O₃, AlN and SiO₂ in β- silicon nitride, that is, in which Al and O are part of the Si atoms and N atoms each in the β- silicon nitride.
Dieses β-Sialon wird durch die FormelThis β- sialon is represented by the formula
Si₆-z Al z O z N₈-z Si₆ - z Al z O z N₈ - z
mit 0 < z 4 ausgedrückt.expressed with 0 < z 4.
Die Bedingungen für die Tests 1, 2 und 3 sind wie unten dargestellt, wobei die Bedingungen für den Test 2 in Klammern gezeigt sind und diejenigen für den Test 3 in rechteckigen Klammern. Die Haltbarkeit im Verfahren 1 ist als die Zeit gegeben, die bis zur Zerstörung oder Versagen, wie nachfolgend beschrieben, führt. Die Zerstörung oder das Versagen in diesem Fall ist nicht nur eine Folge der mechanischen Festigkeit, sondern auch der Vergrößerung des Schneid- und Bearbeitungs widerstandes infolge der Abnutzung und ist als Maß für die Verschleißfestigkeit verwendet.The conditions for tests 1, 2 and 3 are as below shown, the conditions for test 2 in Brackets are shown and those for Test 3 in rectangular brackets. The durability in procedure 1 is given as the time to destruction or Failure, as described below, leads. The Destruction or failure in this case is not just a result of mechanical strength, but also the enlargement of the cutting and processing resistance due to wear and is a measure of the wear resistance used.
Ringröhrenform mit einem Außendurchmesser von 300 mm und einem Innendurchmesser von 200 mm, wie in Fig. 2 dargestellt.Ring tube shape with an outer diameter of 300 mm and an inner diameter of 200 mm, as shown in Fig. 2.
(Stabform mit einem Außendurchmesser von 240 mm, wie in Fig. 3 gezeigt).(Rod shape with an outer diameter of 240 mm as shown in Fig. 3).
[Stabform bis zum Auftreten von Ringnuten mit der Furchtiefe von 15 mm und dem Außendurchmesser von 240 mm, wie in Fig. 4 gezeigt].[Rod shape until the occurrence of ring grooves with the groove depth of 15 mm and the outer diameter of 240 mm, as shown in Fig. 4].
Das Bezugszeichen 3 in der Zeichnung bezieht sich auf einen Werkzeughalter. Die Haltbarkeit oder Abnutzungs festigkeit wurde im Test 2 durch die Abnutzung an den Seitenflächen bewertet.The reference number 3 in the drawing relates to a tool holder. The durability or wear resistance was evaluated in test 2 by the wear on the side surfaces.
Die Proben Nrn. 1 bis 8 aus Tabelle 1 beziehen sich auf die erste Ausführungsform, Probe Nr. 9 auf die zweite Ausführungsform und Proben Nrn. 10 bis 13 auf die dritte Ausführungsform. Die Probe Nr. 9 wurde durch Sinterung der Probe Nr. 3 erhalten, die anschließend zur Kristallisation einer Wärmebehandlung bei 1500° Celsius für 4 Stunden unterzogen wurde. Die Proben Nrn. 12 bis 14 sind durch Sinterung der Probe 11 bei ver schiedenen Sintertemperaturen, Sinterzeiten und Sinter atmosphären (Sinterposition, z. B. Anordnung in Schiff chen oder Schmelzöfen) erzeugt worden.Sample Nos. 1 to 8 from Table 1 refer to the first embodiment, sample No. 9 on the second Embodiment and Sample Nos. 10 to 13 on the third embodiment. Sample No. 9 was made by Sintering of sample No. 3 obtained, which subsequently for the crystallization of a heat treatment at 1500 ° Celsius was subjected to 4 hours. Sample Nos. 12 to 14 are by sintering the sample 11 at ver different sintering temperatures, sintering times and sintering atmospheres (sintering position, e.g. arrangement in ship Chen or melting furnaces) were generated.
Das Zusammensetzungsverhältnis für Si₃N einschließlich des Sialon wird als Funktion der Verwendung oder Anwen dung bestimmt. Es ist daher schwierig, alle Proben unter den gleichen Bedingungen zu vergleichen. Somit ist ein Typ höherer Festigkeit und ein zweiter mehr für Ni-Legierungen besser geeigneter Typ sowie ein dritter für Gußerzeugnisse mehr geeigneter Typ als Vergleichs proben Nrn. 1, 2 und 3 jeweils dargestellt. Es gibt praktisch keinen Sinn, diese drei Typen miteinander zu vergleichen, aber es ist sinnvoll, die Eigenschaften innerhalb jeden dieses Typs gegenüberzustellen. Daher ist die Tabelle 1 so aufgebaut, daß die Eigenschaften leicht innerhalb des gleichen Typs, der die gleiche oder ähnliche Zusammensetzung des Ausgangsmaterials (Ausgangspulvermasse) hat, verglichen werden können. Ergebnisse des Vergleichs sind nachstehend wiedergege ben. Die Teststücke der Vergleichsproben C1 und C3 wurden durch Schleifen derjenigen gemäß den Proben Nrn. 1 und 6 durch Beseitigen des Materials bis zu einer Tiefe von mehr als 2 Millimetern von der Oberfläche vorbereitet, um den Oberflächenbereich vollständig zu beseitigen, bis der Innenbereich offengelegt wird (festgestellt durch Röntgenanalyse). Das Teststück der Vergleichsprobe C2 hat eine Zusammensetzung, die die gleiche wie die Zusammensetzung der Probe Nr. 3 ist und hat eine rohgesinterte Oberfläche, in der der Si-Gehalt auf der Oberfläche kaum reduziert worden ist.The composition ratio for Si₃N inclusive The Sialon is used as a function or application determined. It is therefore difficult to make all the samples compare under the same conditions. Consequently is one type of higher strength and a second more for Ni alloys more suitable type and a third more suitable type for cast products than comparison samples Nos. 1, 2 and 3 each shown. There is practically no sense getting these three types together compare, but it makes sense to compare the properties to face within each of this type. Therefore Table 1 is structured so that the properties easily within the same type, the same or similar composition of the starting material (Starting powder mass), can be compared. Results of the comparison are shown below ben. The test pieces of the comparative samples C1 and C3 were obtained by grinding those according to Sample Nos. 1 and 6 by removing the material up to one Depth of more than 2 millimeters from the surface prepared to complete the surface area remove until the interior is exposed (determined by X-ray analysis). The test piece of the Comparative sample C2 has a composition that the is the same as the composition of Sample No. 3, and has a raw sintered surface in which the Si content has hardly been reduced on the surface.
Die Proben Nrn. 1 und 2 wurden nicht besonderen Ober flächen-Kristallisationsverfahren unterworfen und die Grenzphase des Oberflächenbereichs bestand hauptsäch lich aus Glasphasen (außer für die dritte Komponente HfN).Sample Nos. 1 and 2 were not special waiters subjected to surface crystallization processes and The boundary phase of the surface area mainly existed made of glass phases (except for the third component HfN).
Ein Vergleich der erfindungsgemäßen Proben mit den Vergleichsproben mit dem reduzierten Si₃N₄ und Sialon korn-Anteil im Oberflächenbereich (Probe Nr. 1 mit der Vergleichsprobe C1, Probe Nr. 3 mit der Vergleichsprobe C2 und Proben Nrn. 6 bis 8 mit der Vergleichsprobe C3) bringt zutage, daß die Verschleißfestigkeit ungewöhn lich stark verbessert ist. Obwohl die Festigkeit in jedem Fall leicht verringert ist, bedeutet dies noch keinen praktischen Nachteil. Die relative Verschleißfe stigkeit in den Proben Nr. 6 bis 8 und der Vergleichs probe C3 ist in Fig. 1 dargestellt, aus der entnommen werden kann, daß die Verschleißfestigkeit um so größer wird, je größer der Abfall im Si₃N₄ und Sialonkorn- Anteil ist, und daß ein derartiger Effekt am stärksten bei einem Abfall der Si₃N₄- und Sialon-Körner von mehr as 30 Volumenprozent vorliegt.A comparison of the samples according to the invention with the comparison samples with the reduced Si₃N₄ and Sialon grain content in the surface area (sample No. 1 with the comparison sample C1, sample No. 3 with the comparison sample C2 and sample numbers 6 to 8 with the comparison sample C3) shows that the wear resistance is unusually greatly improved. Although the strength is slightly reduced in any case, this does not represent a practical disadvantage. The relative Wear resistance in samples Nos. 6 to 8 and the comparative sample C3 is shown in Fig. 1, from which it can be seen that the wear resistance is greater, the greater the drop in the Si₃N₄ and Sialonkorn proportion, and that such an effect is most pronounced when the Si₃N₄ and Sialon grains drop by more than 30 percent by volume.
Auf der anderen Seite zeigt der Vergleich der Proben Nrn. 2, 4 und 6 beim Vergleich der Proben Nrn. 1, 3 und 5 jeweils plus den Verbindungen der Übergangsmetalle der Gruppen IVa und VIa (HfN, WC und TiN) mit den Proben Nrn. 1, 3 und 5, daß die Verschleißfestigkeit gegenüber derjenigen gemäß den Proben Nrn. 1, 3 und 5 verbessert ist. Jedoch mit einer größeren Menge des Zusatzes der Verbindung des Übergangsmetalls kann es vorkommen, daß die Festigkeit wesentlich verringert ist, wie in der Vergleichsprobe C4.On the other hand, the comparison of the samples shows Nos. 2, 4 and 6 when comparing sample Nos. 1, 3 and 5 each plus the compounds of the transition metals of groups IVa and VIa (HfN, WC and TiN) with the Samples Nos. 1, 3 and 5 that wear resistance compared to that according to sample Nos. 1, 3 and 5 is improved. However, with a larger amount of It can add the compound of the transition metal occur that the strength is significantly reduced is, as in comparative sample C4.
Aus dem obigen kann entnommen werden, daß bei den Proben Nrn. 1 bis 8, bei denen der Abfall von Si₃N₄- Sialonkörnern bei oder über 30 Volumenprozent liegt, die Verschleißfestigkeit verbessert ist, während die Festigkeit unverändert bleibt und daß die Eigenschaften der Materialien der oberflächigen und der inneren Abschnitte sich zufriedenstellend darstellen.From the above it can be seen that the Sample Nos. 1 to 8, in which the drop of Si₃N₄- Sialon grains is at or above 30 percent by volume, the wear resistance is improved while the Strength remains unchanged and that the properties the materials of the surface and the inner Sections present themselves satisfactorily.
Die Proben Nrn. 9 bis 13 zeigen Si₃N₄-Y₂O₃-Basis-Kri stallkörner im Oberflächenbereich, die aus der Oberflä chen-Kristallisationsbehandlung stammen. Diese Proben zeigen eine spürbare Verbesserung im Test 1 und auch zufriedenstellende Ergebnisse in Test 3. Sample Nos. 9 to 13 show Si₃N₄-Y₂O₃ base Kri stall grains in the surface area, which from the surface Chen crystallization treatment. These samples show a noticeable improvement in Test 1 and also satisfactory results in test 3.
Ein zweites Ausführungsbeispiel betrifft die vierte und fünfte Ausführungsform.A second embodiment relates to the fourth and fifth embodiment.
Die Wirksamkeit der Melilith-Phase als Kristallisati ons-Korngrenzenphase ist studiert worden. Die Proben sind unter Bedingungen hergestellt worden, die die zur Herstellung der Melilithphase günstigen Zusammensetzun gen und Sinterbedingungen benutzen.The effectiveness of the melilite phase as crystals ons grain boundary phase has been studied. Samples have been manufactured under conditions Production of the melilith phase favorable composition conditions and use sintering conditions.
Als Pulver für das Ausgangsmaterial wurden pulverför miges Si₃N₄, pulverförmiges Al₂O₃ oder MgO, AlN-Pulver, pulverförmiges Y₂O₃, pulverförmiges ZrO₂, pulverförmiges TiN, wie in Beispiel 1, und zudem pulverförmiges Yb₂O₃ mit einer mittleren Teilchengröße von 5,1 Mikrometern unter Berücksichtigung der Zusammensetzungsverhältnisse in der Tabelle 2 genommen und in einer Naß-Kugelmühle 48 Stunden gemischt. Dem resultierenden Gemisch wurde ein Formmittel beigefügt und es wurde getrocknet.As powder for the starting material were powdered miges Si₃N₄, powdered Al₂O₃ or MgO, AlN powder, powder Y₂O₃, powder ZrO₂, powder TiN, as in Example 1, and also powdery Yb₂O₃ with an average particle size of 5.1 micrometers taking into account the compositional relationships taken in Table 2 and in a wet ball mill Mixed 48 hours. The resulting mixture was a molding agent was added and it was dried.
Diese resultierenden Pulvermischungen wurden in einer Metallform druckgeformt und in verschiedenen Atmosphä ren, die Stickstoffdrücke von 0,7 bis 10 atom aufwie sen, und bei einer Temperatur von 1650 bis 1750 Grad Celsius gesintert, um Sinterkörperprodukte mit ver schiedenen Melilithanteilen herzustellen. Die Ergebnis se sind in der Tabelle 2 gezeigt. Die Steilheit des Abfalls an Si₃N₄ und Sialonkörnern im Oberflächenbe reich für die Proben Nrn. 27 bis 29 beträgt 100 Volu menprozent. Die Dicke des Oberflächenbereichs der Probe Nr. 27 ist etwa 3,5 Mikrometer, wohingegen die des Oberflächenbereichs der Probe Nr. 28 ungefähr 1 Mikro meter ist. Die Ergebnisse der Röntgenstrahlbrechungs analysen der Oberflächenbereiche und der inneren Berei che der Probe Nr. 28 sind jeweils in den Fig. 3 bzw. 4 gezeigt. Die Dicke des Oberflächenbereichs wurde nach einer Oberflächenentfernung durch Schleifen mit Rönt genstrahlbrechung eines kleinen Bereiches (Röntgen strahl-Mikroanalysator) des Oberflächenbereichs gemes sen. Das Melilith/Siliziumnitrid-Gehaltsverhältnis R₁ in dem Oberflächenbereich wurde gemäß Fig. 8 mit der Formel R₁=I M ₁/I S berechnet, wohingegen das Verhält nis des Melilith-Gehalts in dem inneren Bereich zu dem in dem Oberflächenbereich durch das Verhältnis von I M ₂ aus Fig. 4 zu I M ₁ aus Fig. 3 bestimmt wurde, d. h. durch die Formel R₂=I M ₂/I M ₁.The resulting powder mixtures were compression molded in a metal mold and sintered in various atmospheres having nitrogen pressures of 0.7 to 10 atom and at a temperature of 1650 to 1750 degrees Celsius to produce sintered body products with various melilite contents. The results are shown in Table 2. The slope of the waste of Si₃N₄ and sialon grains in the surface area for the sample nos. 27 to 29 is 100 percent by volume. The thickness of the surface area of Sample No. 27 is about 3.5 microns, whereas that of the surface area of Sample No. 28 is about 1 micron. The results of the X-ray diffraction analysis of the surface areas and the inner areas of Sample No. 28 are shown in FIGS . 3 and 4, respectively. The thickness of the surface area was measured after a surface removal by grinding with X-ray refraction of a small area (X-ray micro-analyzer) of the surface area. The melilite / silicon nitride content ratio R 1 in the surface area was calculated as shown in FIG. 8 with the formula R 1 = I M 1 / I S , whereas the ratio of the melilite content in the inner area to that in the surface area was determined by the ratio was determined from I M ₂ from Fig. 4 to I M ₁ from Fig. 3, ie by the formula R ₂ = I M ₂ / I M ₁.
Die gesinterten Produkte wurden auf eine Größe von SNMN 432 gemäß der JIS B 4103 nachbearbeitet. Das Nachbe arbeiten der Sinterprodukte erfolgte durch Schleifen der oberen und der unteren Oberflächen, wobei die Seiten flächen des Sinterproduktes im Zustand der rohgesin terten Flächen blieben. Die Sinterkörper wurden als Teststücke (oder Spitzen) 2 benutzt. Die Größe der Teststücke 2 wurde zum Zeitpunkt der Druckformung ange paßt. Eine Auswertung wurde durch die folgenden zwei Tests durchgeführt. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 und in den Fig. 5 bis 8 dargestellt.The sintered products were reworked to a size of SNMN 432 according to JIS B 4103. The after-work of the sintered products was carried out by grinding the upper and lower surfaces, the side surfaces of the sintered product remaining in the state of the raw-sintered surfaces. The sintered bodies were used as test pieces (or tips) 2 . The size of the test pieces 2 was adjusted at the time of printing. Evaluation was carried out by the following two tests. The results are shown in Table 2 and in FIGS. 5 to 8.
Die Testbedingungen für die Tests 4 und 5 sind unten beschrieben, wobei die für Test 5 in Klammern darge stellt sind. Die Haltbarkeit in Test 4 wird durch die Höhe der Abnutzung in Millimeter und die in Test 5 durch die Anzahl der geschnittenen Furchen (Rissen) bis zum Bruch beschrieben. The test conditions for tests 4 and 5 are below described, the Darge for test 5 in parentheses represents are. The durability in test 4 is determined by the Height of wear in millimeters and that in test 5 by the number of cut furrows (cracks) to described to break.
Stabform mit einem Außendurchmesser von 240 mm, wie in Fig. 3 gezeigt.Rod shape with an outer diameter of 240 mm, as shown in Fig. 3.
(Stabform mit einer Ringnut mit einem Außen durchmesser von 240 mm und mit einer Furchtiefe von 15 mm, wie in Fig. 4 gezeigt).(Rod shape with an annular groove with an outer diameter of 240 mm and with a groove depth of 15 mm, as shown in Fig. 4).
Die Haltbarkeit für Test 4 wurde auf der Basis der Höhe an Verschleiß an den seitlichen Begrenzungen beurteilt.The durability for Test 4 was based on the amount assessed for wear on the side boundaries.
Die Zusammensetzungsverhältnisse für Si₃N₄ und/oder Sialon wird als Funktion der Verwendung oder den Anwen dungen bestimmt. Daher gibt es praktisch keinen Sinn, diese Typen mit anderen, ihrer Verwendung entsprechen den Zusammensetzungsverhältnissen zu vergleichen, aber es ist sinnvoll, die Proben innerhalb jeden Typs einan der gegenüberzustellen. Die Proben der Vergleichsproben C21 und C24 sind in einer Dicke von mehr als 0,5 Milli meter von der Oberfläche aus abgeschliffen worden, um den Oberflächenbereich vollständig zu beseitigen, bis der Innenbereich offengelegt ist. Diese sind mit * in Tabelle 2 markiert.The composition ratios for Si₃N₄ and / or Sialon is used as a function or application determined. So there's practically no point these types with others to suit their use compare the composition, but it makes sense to mix the samples within each type to face the. The samples of the comparative samples C21 and C24 are more than 0.5 mils thick meters from the surface have been sanded to to completely remove the surface area until the interior is exposed. These are marked with * Table 2 marked.
Bei den erfindungsgemäßen Proben Nrn. 21 und 22 im Vergleich mit den Vergleichsproben C21 und bei den Proben Nrn. 27 bis 30 im Vergleich mit den Vergleichs proben C22 bis C24 war die Höhe des Verschleißes ver mindert und die Abnutzungsfestigkeit verbessert, wäh rend die Anzahl der Furchen bis zum Bruch unverändert bleibt und so die Bruchfestigkeit erhalten bleibt. Die Proben Nrn. 23, 24, 25 und 26 zeigten ebenfalls eine höhere Abnutzungsfestigkeit. Die Testergebnisse über die Höhe des Verschleißes sind in den Fig. 5 und 6 im Vergleich zu den Proben Nrn. 27 bis 30 und den Ver gleichsproben C22 und C23 gezeigt.In the case of the sample Nos. 21 and 22 according to the invention in comparison with the comparative samples C21 and for the sample Nos. 27 to 30 in comparison with the comparison samples C22 to C24, the amount of wear was reduced and the wear resistance improved, while the number of Furrows remain unchanged until they break and so the breaking strength is retained. Sample Nos. 23, 24, 25 and 26 also showed higher wear resistance. The test results on the amount of wear are shown in Figs. 5 and 6 in comparison to the sample Nos. 27 to 30 and the comparative samples C22 and C23.
Die Fig. 5 zeigt, daß die Höhe des Verschleiß in den erfindungsgemäßen Proben mit einem Innen-/Oberflächen- Verhältnis an Melilith-Gehalt kleiner als 0,5 kleiner als der entsprechende Wert in den Vergleichsproben ist, bei denen dieses Verhältnis nicht kleiner als 0,5 ist. Der Vergleich zwischen den Proben Nr. 21 und Nr. 22 und der Vergleichsprobe C21, zwischen den Proben Nrn. 23 und 24 und zwischen den Proben Nrn. 25 und 26 zeigt, daß die Höhe des Verschleiß in den zuerst genannten Proben kleiner als in den zuletzt genannten Proben ist. Es kann daraus erkannt werden, daß man die bessere Abnutzungsfestigkeit erhält, wenn das Verhältnis klei ner ist, d. h. wenn der Melilith-Gehalt in dem Oberflä chenbereich höher als in dem inneren Bereich ist. FIG. 5 shows that the amount of wear in the samples according to the invention with an internal / surface ratio of melilite content less than 0.5 is less than the corresponding value in the comparison samples, in which this ratio is not less than 0 , 5 is. The comparison between Sample Nos. 21 and 22 and Comparative Sample C21, between Sample Nos. 23 and 24 and between Sample Nos. 25 and 26 shows that the amount of wear in the first-mentioned samples is smaller than in the last-mentioned samples is. It can be seen from this that the better wear resistance is obtained when the ratio is smaller, ie when the melilite content in the surface area is higher than in the inner area.
Die Fig. 6 zeigt auch, daß je höher der Gehalt an Meli lith in dem Oberflächenbereich der Probe ist, desto höher ist die Abnutzungsfestigkeit der Probe. Dies kann durch die Tatsache gestützt werden, daß bei dem Ver gleich zwischen den Proben Nrn. 21 und 22 und der Ver gleichsprobe C21, zwischen den Proben Nrn. 23 und 24 und zwischen den Proben Nrn. 25 und 26 die Höhe der Abnutzung in den zuerst genannten Proben mit dem höhe ren Wert des obigen Verhältnisses kleiner als in den zuletzt genannten Proben mit dem kleineren Wert des obigen Verhältnisses ist. Die Fig. 7 zeigt, daß, wenn das Produkt der beiden Verhältnisse R₁ und R₂ größer wird und der Melilith-Gehalt in der Korngrenzenphase in dem inneren Bereich erhöht wird, wie in den Proben Nrn. 27 und 28, die Anzahl der geschnittenen Furchen vermin dert ist und die Bruchfestigkeit kleiner ist. Fig. 6 also shows that the higher the content of Meli lith in the surface area of the sample, the higher the wear resistance of the sample. This can be supported by the fact that in the comparison between Sample Nos. 21 and 22 and Comparative Sample C21, between Sample Nos. 23 and 24 and between Sample Nos. 25 and 26, the amount of wear in the the former samples with the higher value of the above ratio is smaller than in the latter samples with the smaller value of the above ratio. Fig. 7 shows that when the product of the two ratios R ₁ and R ₂ increases and the melilite content in the grain boundary phase in the inner region is increased, as in the samples Nos. 27 and 28, the number of cut Furrows are reduced and the breaking strength is lower.
Das übliche Sialon-Schneidwerkzeug der Vergleichsprobe C25 ist besonders anfällig für Verschleiß, während das üblich beschichtete Siliziumnitrid-Schneidwerkzeug der Vergleichsprobe C26 äußerst anfällig für Bruch ist.The usual Sialon cutting tool of the comparison sample C25 is particularly prone to wear and tear during that commonly coated silicon nitride cutting tool Comparative sample C26 is extremely susceptible to breakage.
Es kann aus dem obigen gesehen werden, daß bei den Proben Nrn. 21 bis 30 mit dem Melilith/Siliziumnitrid- Gehalts-Verhältnis im Oberflächenbereich zwischen 0,37 und 4,5 und mit dem Innenbereich/Oberflächenbereich-Ge halts-Verhältnis an Melilith zwischen 0,02 und 0,31 die Verschleißfestigkeit verbessert und die Bruchfestigkeit nicht gesenkt wird, so daß die Eigenschaften der Werk stoffe, die die Oberflächen- und inneren Bereiche bilden, sehr zufriedenstellend sind. Die Steilheit des Abfalls an Si₃N₄-Sialonkörnern zeigt, daß (i) die Korn grenzenphase in dem Oberflächenbereich reichhaltiger als in dem inneren Bereich auftritt. Es kann jedoch nicht gesagt werden, daß die Steilheit des Abfalls der Si₃N₄-Sialonkörner nicht notwendigerweise mit dem Ge haltsverhältnis R₂ korreliert ist. Es wird gesehen, daß (ii) die Kristallisation eher in dem Oberflächenbereich als in dem inneren Bereich auftritt. Daher wird das Verhältnis R₂ in denkbarer Weise durch die synergisti schen Effekte von (i) und (ii) vorherbestimmt.It can be seen from the above that in Sample Nos. 21 to 30 with the melilite / silicon nitride content ratio in the surface area between 0.37 and 4.5 and with the inside / surface area content ratio in melilith between 0.02 and 0.31 improves the wear resistance and the breaking strength is not reduced, so that the properties of the materials that form the surface and inner areas are very satisfactory. The steepness of the waste of Si₃N₄ sialon grains shows that (i) the grain boundary phase occurs more abundantly in the surface area than in the inner area. However, it cannot be said that the steepness of the drop of the Si₃N₄ sialon grains is not necessarily correlated with the Ge ratio R ₂. It is seen that (ii) crystallization occurs in the surface area rather than the inner area. Therefore, the ratio R ₂ is conceivably predetermined by the synergistic effects of (i) and (ii).
Bei dem Siliziumnitridgrundstoff-Sinterkörper gemäß der vierten und fünften Ausführungsform kommen die inhären ten Eigenschaften der höheren Abnutzungsfestigkeit im Oberflächenbereich und der hohen Zähigkeit in dem inne ren Bereich jeweils voll zum Ausdruck, da ein höherer Melilith-Gehalt in dem Oberflächenbereich als in dem inneren Bereich auftritt. Daher treten bei dem vorlie genden Sinterkörper keine mittleren Eigenschaften auf, die durch einen Ausgleich zwischen zwei Eigenschaften auftreten, wie es bei üblichen Sinterkörpern der Fall ist. Nun ist es mit dem vorliegenden Sinterkörper mög lich, die Abnutzungsfestigkeit durch eine Oberflächen veränderung zu verbessern, ohne die inhärenten Eigen schaften des inneren Bereichs zu vermindern. Die Ober flächenbereiche und die inneren Bereiche sind einstückig mit einer großen Haftstärke miteinander verbunden, so daß sie nicht voneinander abblättern.In the silicon nitride base sintered body according to the fourth and fifth embodiments come inherent properties of higher wear resistance in the Surface area and the high toughness inside full range, as a higher one Melilite content in the surface area than in that inner area occurs. Therefore occur in the present sintered body has no medium properties, by balancing two properties occur, as is the case with conventional sintered bodies is. Now it is possible with the present sintered body Lich, the wear resistance through a surface improve change without losing the inherent inherent to reduce the inner area. The waiter surface areas and the inner areas are in one piece bonded together with a large adhesive strength, so that they don't peel off each other.
Bei dem Siliziumnitridgrundstoff-Sinterkörper gemäß der fünften Ausführungsform ist der Melilith-Gehalt in dem Oberflächenbereich höher als der Siliziumnitridgehalt, um die andauernde Abnutzungsfestigkeit zu gewährlei sten.In the silicon nitride base sintered body according to the fifth embodiment is the melilite content in the Surface area higher than the silicon nitride content, to ensure the permanent wear resistance most.
Wie sich aus den vorstehenden Ausführungsbeispielen ergibt, ist die Verbesserung signifikant. Jedoch können zusätzliche Überzugsschichten oder Schichten auf den erfindungsgemäß gesinterten Körper aufgebracht werden, wobei die Überzugsschicht aus Al₂O₃, TiC, TiN, AlON oder dergleichen mit einer Stärke von 0,5 bis 10 Mikro metern gebildet ist.As can be seen from the above exemplary embodiments the improvement is significant. However, can additional coating layers or layers on the sintered bodies according to the invention are applied, wherein the coating layer made of Al₂O₃, TiC, TiN, AlON or the like with a thickness of 0.5 to 10 micro meters is formed.
Es soll erwähnt werden, daß Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne vom Kern- und Grundgedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen, wie er hierin innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche geof fenbart ist. It should be noted that modifications are made can be without the core and basic idea of the present invention as set forth herein geof within the scope of the appended claims fenbt is.
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