碳化硅晶须增强陶瓷复合材料及其制造方法技术

使用双峰分布的“粗”和“细”的亚微米级、单晶碳化硅晶须增强陶瓷材料与使用相等数量的粗或细晶须相比在切削性能方面有所提高。粗晶须的平均直径范围从０．５到小于１．０微米，细晶须的平均直径范围从０．１到小于０．５微米。这种双峰分布的晶须在所形成的晶须增强陶瓷复合材料中占体积的５－４０％。所形成的材料用作切削刀具。（*该技术在2010年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般地说是关于用碳化硅晶须增强的陶瓷复合材料。该复合材料在一些需要高温物理和化学稳定性、耐磨损及抗脆性损坏的应用中，具有应用性。这些应用之一就是金属的切削或者机加工。金属的切削或机加工广泛地用于机械制造领域中。典型的机加工操作包括修刨、刨削、铣削、刮削、拉削、磨削、锯、车削、镗孔、钻孔和铰孔。有些操作，如锯，同时作用在内、外表面上，而其它操作仅作用在内表面(铰孔)、或者外表面(铣削)。机加工操作中常用的生产率测量方法是单位时间内从工件上去除的金属的总量。切削刀具性能的具体参数包括被切削材料、切削速度、切削深度，进刀速度和刀具寿命。Tipnis在“Cutting Tool Wear”，“Wear Control Handbook，P891-893”中指出，磨损是切削刀具的主要损坏方式。其它损坏方式如断裂、剥落、软化或热破裂，将导至灾难性的和无规律的损坏。Tipnis指出，尽管磨损是主要的损坏方式，但却没有一个能预侧刀具磨损的理论。因此，实际采用的方法是将刀具磨损数据与工件材料的去除量和刀具寿命相平衡来使用和加工。Tipnis概括了对切削刀具的基本要求，这些要求如下“(a)它必须比所切削的材料更坚硬以便能够承受切削时产生的应力;(b)它必须具有一定韧性使其不至于在该力作用下断裂;(c)它必须能够承受在刀具切削界面产生的高温而不变形;及(d)磨损不能太快。”Tipnis认为“切削刀具最重要的性能是热硬度(即，在刀具刃口产生高温时抗软化)，韧性(即在冲击下耐破损)，化学稳定性和反应性(即，在刃口所产生的温度和压力下抗分解和转化)，和元素扩散趋势(即在高切削温度下抗磨顶槽能力)”。本文中所说的术语“韧性”是指抗过早损坏能力，特别是碳化硅晶须增强陶瓷刀具在切削开始时的抗过早损坏能力。该“韧性”未必等于按韧性的断裂力学定义在室温测定的KIC。切削性能与说明这些定义的数据并没有相对应的关系。M.C.Shaw，在Metal Cutting Principles，P334(Oxford，1984)中强调了在选择切削刀具材料的三个指标。这些指标是(a)在使用温度下的物理和化学稳定性;(b)耐磨损性和(c)耐脆性损坏能力。例如在使用温度下化学性质不稳定会发生如熔化、过量扩散、或熔焊和切削的结合，使刀具材料过快损坏。Shaw在P353-357建议，在选择切削刀具材料时要考虑三个关键的物理性能指标。一个指标是四点抗折试验(军方标准1942b)的抗折强度;第二个指标是用维克斯压头(Vickers indentor)测得的硬度;第三个指标是抗断裂性能。通常用断裂韧性作为耐脆性损坏的指标，采用单槽光束技术(Single Notch Beam Technique)或者山形缺口技术(Chevron Notch Technique)测试断裂韧性。抗裂纹扩展性或帕姆奎斯特韧性(Palmqvist Toughness)的测定与硬度试验一同进行。耐磨性(w)是硬度和韧性的函数。E.D.Whitney在《国际粉末冶金》(Powder Melallurgy International)Vol.15，No.4，P201-205(1983)中一篇题为“现代陶瓷切削刀具材料”的文章中指出，刀具材料应足够坚硬以抵抗切削中的材料磨损。作为良好的切削刀具，硬度是必须的条件，但并不充分。令人满意的切削刀具材料必须具有足够的韧性和强度以承受切削过程中产生的机械冲击或类似情况。Wei在U.S.Re.32843中公开了以增加韧性和抗断裂性为特征的陶瓷复合材料，并公开了这种复合材料的制造方法。该复合材料中含有5-60%(体积)的碳化硅晶须，它们均匀地分布在陶瓷材料基体中。这种晶须为单晶结构，直径约0.6微米，长度10～80微米。该陶瓷材料可以是氧化铝、莫来石或碳化硼。Wei指出，含有单晶晶须的陶瓷复合材料比不含单晶晶须的陶瓷材料的断裂韧性有明显的改善。他认为晶须可以吸收裂化能量。Rhodes等人在美国专利4，789，277中公开了一种用烧结的复合材料作切削刀具切削金属的方法。该复合材料的基体中主要有氧化铝和在其基体中均匀分布的2-40%(体积)的碳化硅晶须。这种晶须为单晶结构，平均直径约0.6微米，长径比为15至150。本专利技术的目的是提供一种含有陶瓷晶须的陶瓷复合材料，当其用作，例如，切削刀具时其耐磨性能得到提高。另外，还希望这种改进比简单地依靠改进机械性能，如韧性的先有技术更为可行。本专利技术是一种含有陶瓷材料基体的致密的晶须增强陶瓷复合材料，该陶瓷材料基体中均匀分布着5-40%(体积)，双峰分布、化学兼容的单晶晶须。晶须可以是碳化硅、氮化硅、碳化钛、莫来石、二硼化钛、氧化铝、氧化镁或氮化硼，但是要求这些所选用的晶须与陶瓷基体材料不同，其双峰分布以晶须宽度对应的晶须体积为基础，并且包含的粗单晶晶须与细单晶晶须的体积比为0.1至1。致密前，粗晶须的平均直径大于或等于0.5微米，小于1.0微米，直径范围约为0.1～3微米。致密前，细晶须的平均直径大于或等于0.1微米小于0.5微米，直径范围为0.01～1.3微米。和等量的粗晶须或细晶须相比，这种双峰分布的晶须提高了刀具的切削性能。所希望的晶须是单晶碳化硅晶须。本专利技术使用的碳化硅晶须为单晶，其中含有β相和α与β混合相碳化硅。这些晶须从两种平均直径范围不同的晶须中选出，形成以体积为基的双峰尺寸分布。称为“粗晶须”的晶须的平均直径范围为0.5微米至小于1.0微米，其直径范围为0.1-3微米。称为“细晶须”的晶须的平均直径范围为0.1微米至小于0.5微米，其直径范围为0.01～1.3微米。粉末状陶瓷基体材料和晶须转变成致密的晶须增强陶瓷复合材料之前，以体积为基准的明显的晶须双峰分布，在形成的致密复合材料中变化很小。对应的晶须体积百分比与晶须宽度相比较而作出的曲线为两条高斯曲线，从而证实了双峰分布的存在。该曲线图用五点平滑连接法绘制(通道宽度0.1和0.2微米)。为得到该图的数据，把用标准金相方法制备的致密的复合材料的磨光截面在扫描电子显微镜(SEM)下放大5000倍。扫描电子显微镜的图象被传到Zeiss-Kontron图象处理系统。用标准颗粒分析参数(Standard sizing parameters)测量DMIN(纤维宽度)和DMAX(纤维长度)。每个晶须或微粒的体积V用V＝DMIN 2 DMAX计算。用五点平滑连接方法将数据连接并用带两条特定高斯曲线的适当函数RS/1处理。“A”形的数据曲线表明了典型的双峰分布。由于粗晶须的体积大，少量粗晶须就可与大量细晶须占据相等的体积。实例表明，用氧化铝和34%(体积)的碳化硅晶须(14%粗晶须，20%细晶须)的混合物制备致密复合材料的磨光截面的扫描电子显微图象中所统计的2356条晶须中只有77条的宽度大于1.4微米，这77条晶须只占统计数量的3%，但其占据的体积大约是统计晶须体积的68%。因此，与仅用晶须数相比，对应的粗晶须占据的体积与细晶须占据的体积相比较提供了一幅更清楚的晶须分布图。使用亚微米双峰分布的单晶碳化硅晶须比只从一种分布方式选用同样数量的晶须在切削性能方面有所提高。实例表明10%(体积)双峰分布的晶须与25%(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种致密的、晶须增强陶瓷复合材料，它包括：一种陶瓷材料基体，该基体含有５－４０％（体积）的均匀分布在陶瓷基体材料中的双峰分布、化学兼容的碳化硅、氮化硅、碳化钛、莫来石、二硼化钛、氧化铝、氧化镁或氮化硼的单晶晶须，而且所提供的晶须与陶瓷基体材料不同，其双峰分布是以不同晶须宽度对应的晶须体积为基础的，实质上包含的粗单晶晶须与细单晶晶须的体积比为０．１至１，在致密化前粗晶须的平均直径大于或等于０．５微米但小于１．０微米，其直径范围从０．１微米至３微米，在致密化前，细晶须的平均直径大于或等于０．１微米但小于０．５微米，其直径范围从０．０１微米至１．３微米，这种双峰分布与等量的粗晶须或细晶须相比在切削性能方面有所提高。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿历山大J派齐克，
申请(专利权)人：唐化学原料公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]