DE69610180T3

DE69610180T3 - Keramischer Sinterkörper und keramische Werkzeuge für Metallbearbeitung

Info

Publication number: DE69610180T3
Application number: DE69610180T
Authority: DE
Inventors: Keiji Nagoya-shi Suzuki; Takayoshi Nagoya-shi Morishita; Tetsuji Nagoya-shi Yogo
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1995-11-07
Filing date: 1996-11-06
Publication date: 2004-05-27
Anticipated expiration: 2016-11-07
Also published as: EP0841309B1; DE69611831T2; JPH09221352A; JP3541108B2; EP0773201B1; DE69610180D1; EP0841309A1; US5916833A; DE69611831D1; EP0773201A1; KR970027007A; US5994250A; EP0773201B2; DE69610180T2; KR100202739B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft gesinterte keramische Körper sowie ein Verfahren zur Herstellung der keramischen Körper.
Insbesondere betrifft die Erfindung gesinterte Keramikkörper, welche durch (spanabhebende) Drahtschneidebearbeitung unter elektrischer Entladung oder (spanabhebende) Gesenkfräsbearbeitung (die-milling) unter elektrischer Entladung bearbeitet werden können, ohne daß mechanische Eigenschaften wie die Festigkeit beeinträchtigt werden, wobei die Drahtschneide- und die spanabhebenden Gesenkfräsbearbeitungen unter elektrischer Entladung in beständiger Weise durchgeführt werden können; und ein Verfahren zur Herstellung solcher keramischen Körper.
Hintergrund der Erfindung
Keramische Materialien besitzen ausgezeichnete mechanische Eigenschaften, insbesondere Hochtemperaturfestigkeit, Härte, Beständigkeit gegenüber thermischem Schock, sowie Oxidationsbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit etc., doch es heißt, daß sie metallischen Materialien bezüglich der Bearbeitbarkeit merklich unterlegen sind.
Seit kurzem werden jetzt Materialien mit hoher Festigkeit und großer Härte, wie Sintercarbidmaterialien bzw. Aufschweißhartlegierungsmaterialien, durch spanabhebende Bearbeitung unter elektrischer Entladung geformt, und die Technik macht einen raschen Fortschritt. Die spanabhebende Bearbeitung unter elektrischer Entladung schließt allgemein die spanabhebende Drahtschneidebearbeitung unter elektrischer Entladung und die spanabhebende Gesenkfräsbearbeitung unter elektrischer Entladung ein.
Die spanabhebende Drahtschneidebearbeitung unter elektrischer Entladung ist ein Formungsverfahren, welches die Verwendung eines dünnen Drahtes aus Kupfer oder Messing mit einem Durchmesser von 0,05–0,25 mm umfaßt, welcher unter Spannung als eine Elektrode aufgewik kelt wird, wobei Entladungsenergie zwischen dem Draht und einem Werkstück erzeugt wird, wobei der Draht wie eine Dekopier- oder Stichsäge vorwärts bewegt wird und somit eine zweidimensionale Gestalt bildet.
Die spanabhebende Gesenkfräsbearbeitung unter elektrischer Entladung ist eine Methode, bei welcher eine Elektrode einer spezifischen Gestalt verwendet wird und die umgekehrte Gestalt durch elektrische Entladung zwischen der Elektrode und einem Werkstück geformt wird.
Die Anwendung der spanabhebenden Bearbeitung unter elektrischer Entladung auf keramische Materialien, die, so nimmt man an, dadurch schwierig zu formen sind, wird in jüngster Zeit untersucht. Als ein Resultat ergab sich, daß ZrO₂ und Al₂O₃ durch spanabhebende Bearbeitung unter elektrischer Entladung durch Zusetzung einer geeigneten Menge an TiN, TiC, TiCN, TiB₂, ZrN, NbC etc. formbar gemacht werden; und Si₃N₄ durch die Zusetzung von TiN, ZrN etc. formbar gemacht werden.
Bei der spanabhebenden Bearbeitung unter elektrischer Entladung ist der Einfluß der Bearbeitungsflächenwirkung groß. Daher ist es erforderlich, daß winzige Erhebungen über den gesamten Bearbeitungsflächenbereich dispergiert und verteilt vorliegen, um die elektrische Entladung leicht zu induzieren und die spanabhebende Bearbeitung unter elektrischer Entladung in beständiger Weise durchzuführen. In diesem Fall gilt, je kleiner die Bearbeitungsfläche, desto geringer ist der Verteilungsgrad, und daher tendiert die elektrische Entladung dazu, an bestimmten Positionen oder Punkten aufzutreten. Daher ist es erforderlich, mit einem kleineren Impaktkoeffizienten durch Verringerung der Arbeitsgeschwindigkeit, Entladungsspannung etc. zu arbeiten. Die hierin erwähnte "Bearbeitungsflächenwirkung" bedeutet den Abfall der Arbeitsgeschwindigkeit, wenn die Bearbeitungsfläche extrem klein ist.
Bei der spanabhebenden Drahtschneidebearbeitung unter elektrischer Entladung ist die Bearbeitungsoberfläche eine kleine Fläche, welche der Elektrode aus dünnem Draht gegenüberliegt, und damit leidet die spanabhebende Bearbeitung stets unter dem Einfluß der Bearbeitungsflächenwirkung.
Wenn ein elektrisch leitfähige Keramiken enthaltender keramischer Körper durch spanabhebende Drahtschneidebearbeitung unter elektrischer Entladung bearbeitet wird, ist die winzige Fläche, welche der Drahtelektrode gegenüberliegt, die Teilchen der nichtleitenden Keramik an sich. Wenn daher die leitfähigen keramischen Teilchen in einem gesinterten keramischen Körper nicht gleichmäßig verteilt sind, ist eine beständige spanabhebende Drahtschneidebearbeitung unter elektrischer Entladung unmöglich.
Als eine Maßnahme zur Verbesserung der Effizienz der spanabhebenden Drahtschneidebearbeitung unter elektrischer Entladung ist es denkbar, die Menge der zuzusetzenden leitfähigen Keramiken zu erhöhen. Es wurde deutlich, daß die Zunahme der leitfähigen Keramiken die inhärenten mechanischen Eigenschaften, wie Festigkeit, Härte etc., der gesinterten keramischen Körper beeinträchtigt.
Wenn leitfähige Keramiken zugesetzt werden, müssen die leitfähigen Keramiken gleichmäßig verteilt sein, um die spanabhebende Drahtschneidebearbeitung unter elektrischer Entladung in beständiger Weise durchzuführen. Wenn in diesem Fall leitfähige Keramiken mit einer hohen Teilchengröße verwendet werden, führen die Teilchen zu dem Arbeitsflächeneffekt, und die Drahtelektrode bricht, es sei denn, die Arbeitsgeschwindigkeit wird verringert.
Bei der spanabhebenden Gesenkfräsbearbeitung unter elektrischer Entladung ist die Elektrode wesentlich größer im Vergleich zu einem Draht, und die Bearbeitungsfläche ist weitaus größer in der Bearbeitungsrichtung als im Falle der Drahtelektrode, und der Bearbeitungsflächeneffekt zeigt sich in effektiver Weise und die Flächenarbeitsgeschwindigkeit kann erhöht werden.
Neben der vorgenannten Bearbeitbarkeit bringen die gesinterten keramischen Körper die folgenden Probleme mit sich.
Allgemein gleiten bei der Formungsarbeit unter Verwendung einer Form bzw. eines Gesenks, bei Stanzarbeiten zum Beispiel, Werkstücke auf der Oberfläche der Form bzw. des Schneidwerkzeugs, und gleichzeitig wird die Form an sich einer hohen Beanspruchung ausgesetzt. Wenn dies wiederholt wird, wird die Formoberfläche abgerieben. Die mikroskopische Begutachtung des Abriebs zeigt, daß dieser durch den Abrieb von Teilchen der das Werkzeug bildenden Komponente, Abfallen von Teilchen der das Werkzeug bildenden Komponente selbst und das gleichzeitige Auftreten der zwei Phänomene verursacht wird.
Im Falle von Sintercarbid- bzw. Aufschweißhartlegierungs-Werkzeugen werden die Werkstücke allmählich verschmutzt, wenn sie wiederholt zum Einsatz kommen, das heißt, sie werden durch das Sintercarbidmaterial fleckig bzw. verunreinigt. Die Sintercarbid-Werkzeuge, die einem Oberflächenabrieb ausgesetzt waren, können durch Schleifen und Polieren für den weiteren Ge brauch nachgeformt werden, gleichwohl werden sie verworfen, wenn sie aufgrund ihrer komplizierten Form nicht nachgeformt werden können.
Andererseits sind gesinterte keramische Werkzeuge frei von Fleckenbildung von Werkstücken und erfahren weniger Abrieb aufgrund der Härte der Teilchen, und die Werkzeuglebensdauer (Zeitraum, bis ein Nachformen erforderlich ist) ist länger als bei Sintercarbid-Werkzeugen.
Obwohl gesinterte keramische Werkzeuge weniger an einem Abrieb durch Abfallen von Teilchen aufgrund der starken Haftung zwischen den Teilchen im Vergleich mit Sintercarbidwerkzeugen leiden, ist ein Nachformen bei diesem Schritt erforderlich, nachdem einmal der Abrieb durch abfallende Teilchen eingetreten ist und besonders große Teilchen abgefallen sind. Allerdings werden die Teilchen verworfen, wenn die Gestalt kompliziert ist und ein Nachformen unmöglich ist. Auch wenn Teilchen großen Durchmessers abfallen, sind Werkstücke für ein Verkratzen empfänglich und somit fallen zu verwerfende Produkte an.
Die US-A-4 626 517 beschreibt einen gesinterten Körper, bestehend im wesentlichen aus 40– 99,5 Gew.-% an teilweise stabilisiertem ZrO₂ und 0,5 bis 60 Gew.-% an TiN. Der gesinterte Körper wird durch Naßmischen von teilweise stabilisierten ZrO₂-Teilchen mit feinen Teilchen aus TiN mit einer mittleren Teilchengröße von 0,1 μm, Trocknen, Pulverisieren, Preßformen und Sintern der resultierenden Mischung bei 1400 bis 1650°C hergestellt. Bei allen hierdurch erhaltenen Probeexemplaren war die mittlere Korngröße geringer als 3 μm.
Die EP-A-0 373 848 betrifft einen elektrisch leitfähigen, gesinterten Körper auf ZrO₂-Basis, umfassend 50–10 Vol.-% TiN und 50 bis 90 Vol.-% TiO₂ + ZrO₂. Der gesinterte Körper wird aus kommerziell verfügbarem ZrO₂-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 0,5 mm (enthaltend 3 Mol-% Y₂O₃) und einem TiN-Pulver (325 Mesh passierendes Produkt, entsprechend einer Teilchengröße von kleiner als 44 μm).
Die vorliegende Erfindung wurde vollendet, um die obengenannten, verschiedenen Probleme bezüglich gesinterter keramischer Werkzeuge zu lösen. Das bedeutet, das Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung gesinterter, keramischer Körper, aus welchen langlebige Metallbearbeitungswerkzeuge, die ausgezeichnete mechanische Eigenschaften besitzen, kaum Fehler bei Werkstükken verursachen und leicht erzeugt werden können, hergestellt werden können. Weiterhin ist ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung die Bereitstellung gesinterter keramischer Körper, die sowohl durch spanabhebende Drahtschneidebearbeitung unter elektrischer Entladung als auch spanabhebende Gesenkfräsbearbeitung unter elektrischer Entladung gestaltbar sind und zu Metallbearbeitungswerkzeugen geformt werden können.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung stellt einen gesinterten keramischen Körper bereit, umfassend isolierende keramische Teilchen und elektrisch leitfähiger Teilchen, wobei der mittlere Teilchendurchmesser der elektrisch leitfähigen, keramischen Teilchen nicht größer als 10 μm ist und der Gehalt der elektrisch leitfähigen keramischen Teilchen 25–60 Vol.-% in 100 Vol.-% der Gesamtmenge der isolierenden keramischen Teilchen und der elektrisch leitfähigen keramischen Teilchen beträgt, wobei die isolierenden keramischen Teilchen mindestens eines sind, gewählt aus der Zirkoniumdioxid und Zirkoniumdioxid-Aluminiumoxid umfassenden Gruppe, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilchendurchmesser der isolierenden keramischen Teilchen beim kumulativen Mengenverhältnis von 90% nicht größer als 10 μm ist.
Bei diesen gesinterten keramischen Körpern beträgt das Verhältnis (ε) des mittleren Teilchendurchmessers der leitfähigen keramischen Teilchen (dsp) zu dem mittleren Teilchendurchmesser der isolierenden keramischen Teilchen (dm) vorzugsweise nicht mehr als 9.
Bei diesen gesinterten keramischen Körpern beträgt der mittlere Teilchendurchmesser der leitfähigen keramischen Teilchen vorzugsweise 0,3–10 μm.
Bei diesen gesinterten keramischen Körpern beträgt der mittlere Teilchendurchmesser der leitfähigen keramischen Teilchen weiter bevorzugt 0,5–4 μm.
Bei diesen gesinterten keramischen Körpern beträgt das Anteilsverhältnis der leitfähigen keramischen Teilchen vorzugsweise 30–50 Vol.-%.
Bei diesen gesinterten keramischen Körpern ist das Verhältnis (ε) weiter bevorzugt 0,01–9.
Bei diesen gesinterten keramischen Körpern ist die elektrische Resistivität vorzugsweise nicht höher als 10 Ω·cm.
Bei diesen gesinterten keramischen Körpern ist die elektrische Resistivität weiter vorzugsweise nicht höher als 5 Ω·cm.
Bei diesen gesinterten keramischen Körpern ist die elektrische Resistivität am meisten bevorzugt nicht höher als 0,1 Ω·cm.
Bei diesen gesinterten keramischen Körpern sind die leitfähigen Teilchen mindestens eines, gewählt aus der Titannitrid, Zirkoniumnitrid, Titancarbid, Titancarbonitrid, Titanborid, Wolframcarbid und Niobcarbid umfassenden Gruppe.
Bei diesen gesinterten keramischen Körpern ist das Zirkoniumdioxid weiter bevorzugt mindestens ein teilweise stabilisiertes Zirkoniumdioxid, gewählt aus der Gruppe, bestehend aus Zirkoniumoxid, stabilisiert mit 1,5–6 Mol-% Y₂O₃, Zirkoniumoxid, stabilisiert mit 8–10 Mol-% MgO, und Zirkoniumoxid, stabilisiert mit 6–12 Mol-% CeO₂.
Die Erfindung stellt weiterhin bereit: Ein Verfahren zur Herstellung eines gesinterten keramischen Körpers, umfassend isolierende keramische Teilchen und elektrisch leitfähige Teilchen, wobei die isolierenden keramischen Teilchen mindestens eines sind, gewählt aus der Zirkoniumdioxid und Zirkoniumdioxid-Aluminiumoxid umfassenden Gruppe, und der Teilchendurchmesser der isolierenden keramischen Teilchen beim kumulativen Mengenverhältnis von 90% nicht größer als 10 μm ist, der mittlere Teilchendurchmesser der elektrisch leitfähigen keramischen Teilchen nicht größer als 10 μm ist und der Gehalt der elektrisch leitfähigen Teilchen 25–60 Vol.-% in 100 Vol.-% der Gesamtmenge aus den isolierenden keramischen Teilchen und der elektrisch leitfähigen keramischen Teilchen beträgt, umfassend die Schritte:

a) Vermischen von isolierenden keramischen Teilchen mit einem Teilchendurchmesser beim kumulativen Mengenverhältnis von 90% von nicht größer als 10 μm mit elektrisch leitfähigen keramischen Teilchen mit einem mittleren Teilchendurchmesser von nicht größer als 10 μm in einem Verhältnis von 25 bis 60 Vol.-% der elektrisch leitfähigen keramischen Teilchen in 100 Vol.-% der Gesamtmenge aus den isolierenden keramischen Teilchen und den elektrisch leitfähigen keramischen Teilchen;
b) Kompaktieren der Mischung; und
c) Sintern des Kompakts.

In diesem Verfahren zur Herstellung gesinterter keramischer Körper werden vorzugsweise die isolierenden keramischen Teilchen mit einem Teilchendurchmesser beim kumulativen Mengenverhältnis von 90% von weniger als 10 μm verwendet.
Der gesinterte keramische Körper gemäß der Erfindung kann zur Herstellung von Metallbearbeitungswerkzeugen durch ein Verfahren, welches das Formen des gesinterten keramischen Körpers durch spanabhebende Bearbeitung unter elektrischer Entladung umfaßt, verwendet werden.
Ausführliche Beschreibung der Erfindungen
Die Bezeichnung "mittlerer Teilchendurchmesser" der keramischen Teilchen in den gesinterten keramischen Körpern bedeutet den Teilchendurchmesser beim kumulativen Mengenverhältnis von 50%.
Die Bezeichnung "kumulatives Mengenverhältnis" kann durch Polieren eines gesinterten keramischen Körpers zur Spiegelgätte, Durchführung des Plasma-Ätzens und Messen der Teilchengrößenverteilung in einer SEM-Photographie durch die Schwarts-Saltykov-Methode bestimmt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung enthalten leitfähige keramische Teilchen und isolierende keramische Teilchen enthaltende gesinterte keramische Körper isolierende keramische Teilchen, deren Teilchendurchmesser beim kumulativen Mengenverhältnis von 90% nicht größer als 10 μm ist, und leitfähige keramische Teilchen, deren mitterer Teilchendurchmesser (dsp) nicht größer als 10 μm, vorzugsweise 0,3–10 μm, und weiter bevorzugt 0,5–4 μm, beträgt.
Wenn der Teilchendurchmesser beim kumulativen Mengenverhältnis bei 90% nicht größer als 10 μm ist, können die resultierenden gesinterten keramischen Körper geeigneterweise durch spanabhebende Drahtschneidebearbeitung unter elektrischer Entladung bearbeitet werden. Die Beschädigung von Werkstücken, die durch abfallende Teilchen von den aus solchen gesinterten keramischen Körpern hergestellten Werkzeugen verursacht werden, kann auf ein Minimum beschränkt werden.
Weiterhin, wenn der mittlere Teilchendurchmesser (dsp) leitfähiger keramischer Teilchen nicht größer als 10 μm ist, werden, zusätzlich zu der Bedingung, daß der Teilchendurchmesser beim kumulativen Mengenverhältnis von 90% nicht größer als 10 μm ist, die mechanischen Festigkeiten, insbesondere die Biegefestigkeit und die Bruchzähigkeit sowie die Bruchzähigkeit in Querrichtung der erhaltenen gesinterten keramischen Körper verbessert, und diese weisen eine lange Werkzeuglebensdauer auf.
Bei den gesinterten keramischen Körpern der vorliegenden Erfindung ist es auch wichtig, daß das Verhältnis (ε) des mittleren Teilchendurchmessers der leitfähigen keramischen Teilchen (dsp) und der mittlere Teilchendurchmesser der isolierenden keramischen Teilchen (dm) (ε = dsp/dm) nicht größer als 9, insbesondere 0,01–9, ist.
Wenn das Verhältnis (ε) nicht größer als 9 ist, ist die Oberflächenrauhigkeit (Ra) der resultierenden gesinterten keramischen Körper nicht höher als 5 μm, wobei die aus solchen gesinterten keramischen Körpern hergestellten Formen kaum zu Fehlern bei Werkstücken führen.
Es ist wichtig, daß die gesinterten keramischen Körper der vorliegenden Erfindung isolierende keramische Teilchen, deren Teilchendurchmesser beim kumulativen Mengenverhältnis von 90 % nicht größer als 10 μm ist, und leitfähige keramische Teilchen, deren mittlerer Teilchendurchmesser nicht größer als 10 μm ist, in einem Verhältnis von 25–60 Vol.-%, vorzugsweise 30–50 Vol.-%, der letztgenannten mit der kombinierten Menge als 100 Vol.-%, umfassen.
Mit leitfähigen keramischen Teilchen von weniger als 25 Vol.-% kann der resultierende gesinterte
keramische Körper nicht durch spanabhebende Drahtschneidebearbeitung unter elektrischer Entladung geformt werden.
Die gesinterten keramischen Körper der vorliegenden Erfindung weisen eine Resistivität von nicht höher als 10 Ω·cm, vorzugsweise nicht höher als 5 Ω·cm, und weiter bevorzugt nicht höher als 0,1 Ω·cm, auf. Gesinterte keramische Körper mit einer Resistivität von höher als 10 Ω ·cm können nicht in geeigneter Weise durch spanabhebende Drahtschneidebearbeitung unter elektrischer Entladung bearbeitet werden.
Die gesinterten keramischen Körper der vorliegenden Erfindung können in geeigneter Weise wie folgt hergestellt werden.
Zunächst wird keramisches Pulver (im Folgenden wird die Bezeichnung "Pulver" als Sammelbegriff für Teilchen verwendet), welches insbesondere ein isolierendes keramisches Pulver und ein leitfähiges keramisches Pulver umfaßt, in einer Naßkugelmühle beispielsweise unter Verwendung einer Flüssigkeit, welche ein Bindemittel wie Wachsbindemittel, Acrylbindemittel, povale Bindemittel etc., dispergiert in einem Medium wie Wasser, Alkohole, Ketone etc., gemischt.
Wenn gesinterte keramische Körper hergestellt werden, werden isolierende keramische Teilchen, deren Teilchendurchmesser beim kumulativen Mengenverhältnis von 90% weniger als 10 μm beträgt, verwendet, da isolierende keramische Pulver einem Kristallwachstum während des Sinterverfahrens unterliegen. Der Teilchendurchmesser beim kumulativen Mengenverhältnis von 90 % der verwendeten isolierenden keramischen Teilchen sollte vorzugsweise nicht größer als 8 μm, weiter bevorzugt nicht größer als 3 μm, und am stärksten bevorzugt nicht größer als 1,5 μm sein.
Nach dem Naßmischen wird das Medium (Lösungsmittel) der Bindemitteldispersion durch eine geeignete Methode wie Sprühtrocknen entfernt.
Das erhaltene granulierte Pulver kann kalziniert werden, um die Teilchengrößenverteilung einzustellen. Die Kalzinierung wird durch Wärmebehandlung des Ausgangspulvermaterials bei einer Temperatur von 800–1200°C in der Atmosphäre für isolierendes keramisches Pulver und in einer Inertatmosphäre für leitfähiges keramisches Pulver während 1–3 Stunden durchgeführt. Die Kalzinierung bewirkt ein Kristallwachstum der keramischen Teilchen.
Das unkalzinierte granulierte Pulver und das kalzinierte granulierte Pulver werden gemischt mit dem Ziel, daß der Teilchendurchmesser beim kumulativen Mengenverhältnis nicht größer als 10 μm ist, falls erforderlich. Die Einstellung der Teilchengröße kann auch durch Mischen von größenklassierten Teilchen durchgeführt werden.
Das granulierte Pulver, dessen Teilchengröße eingestellt wurde, wird durch Preßformen zu der gewünschten Form geformt. Das Preßformen kann durch Gummiformen, Werkzeugformen, Spritzgießen, Strangpressen etc. bewerkstelligt werden.
Der so gebildete grüne Kompakt wird entfettet, das heißt, das Bindemittel wird entfernt, wenn eine Oxidation der Teilchen bei hoher Temperatur in der Atmosphäre befürchtet wird.
Das Entfetten oder die Bindemittelentfernung wird durch Wärmebehandeln des Kompakts bei einer Temperatur von 300–800°C, vorzugsweise 450–530°C, durchgeführt, bei welcher das Bindemittel zersetzt wird, vorzugsweise in einer Inertatmosphäre, vorzugsweise aus Stickstoff oder Argon. Auf diese Weise wird das Bindemittel zersetzt und organisches Material, aus welchem das Bindemittel zusammengesetzt ist, wird entfernt. Das Bindemittel verbrennt manchmal infolge einer Spurenmenge an Sauerstoff, der in einer Inertatmosphäre vorliegt, oder durch Er wärmung bei der Entfettung oder Bindemittelentfernung. In diesem Fall wird das Bindemittel ebenfalls entfernt.
Der entfettete Kompakt wird gesintert. Der Kompakt kann in seiner vorliegenden Form gesintert werden, kann aber zuvor vorgesintert werden vor der Hauptsinterung.
Beim Vorsintern wird der entfettete Kompakt unter Druck erwärmt, bis eine Fraktion von 95%, vorzugsweise 95–97%, der theoretischen Dichte erreicht ist. Die für das Vorsintern angewandte Temperatur, insbesondere wenn Zirkoniumoxid als isolierende Keramik verwendet wird, beträgt üblicherweise 1450–1650°C, vorzugsweise 1480–1550°C. Der angewandte Druck ist in der Regel 1,01–10,1 Bar (1–10 atm), vorzugsweise 2,02–5,06 Bar (2–5 atm).
Beim Sintern wird das Kompakt als solches oder das vorgesinterte Kompakt unter Druck erhitzt, bis 99–100% Anteil der theoretischen Dichte erreicht ist. Der beim Sintern angewandte Druck beträgt für gewöhnlich 506,6–2026,5 bar (500–2000 atm), vorzugsweise 810,6–1519.8 bar (800–1500 atm).
Die Atmosphäre, in welcher das Vorsintern oder Hauptsintern durchgeführt wird, ist ein Inertgas, wie Stickstoff, Argon etc.
Auf diese Weise können gesinterte keramische Körper der vorliegenden Erfindung hergestellt werden.
Die auf diese Weise erhaltenen gesinterten keramischen Körper sind dicht und frei an winzigen Poren im Innern und in der Oberfläche. Die gesinterten keramischen Körper können zu Metallbearbeitungswerkzeugen durch spanabhebende Bearbeitung unter elektrischer Entladung, insbesondere durch spanabhebende Drahtabschneidebearbeitung unter elektrischer Entladung gebildet werden.
Das aus den gesinterten keramischen Körpern hergestellte Metallbearbeitungswerkzeug besitzt eine hohe Härte, höhere thermische Leitfähigkeit, ausgezeichnete Stoßfestigkeit, Zähigkeit, Abriebbeständigkeit, und erreicht eine dramatisch erhöhte Zahl an Stanzschuß aufgrund dieser Charakteristika. Das aus den gesinterten keramischen Körpern hergestellte Metallbearbeitungswerkzeug der vorliegenden Erfindung verursacht keine Fleckenbildung bei den Werkstücke bei der Durchführung der Stanzarbeiten mit diesem. Wenn Führungsrahmen beispielsweise durch Stanzen hergestellt werden, verursachen herkömmliche Werkzeuge eine Fleckenbildung oder Verun reinigung auf Führungsrahmen, die einen unerwünschten Einfluß auf die Endprodukte ausübt. Jedoch ist das aus dem gesinterten keramischen Körper hergestellte Metallbearbeitungswerkzeug der vorliegenden Erfindung frei von solcher Fleckenbildung des Führungsrahmens.
Kurze Beschreibung der beiliegenden Zeichnungen
Die Erfindung wird nunmehr spezifisch mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
die 1 eine schematische Ansicht eines Führungsrahmens ist, welche das Prinzip der Herstellung von Halbleiterchips unter Verwendung des Führungsrahmens veranschaulicht;
die 2 eine perspektivische Ansicht eines Beispiels eines für eine Stanzmetallplatte verwendeten Stanzwerkzeugs ist;
die 3 eine perspektivische Ansicht eines Beispiels einer Stanzform bzw. eines Stanzwerkzeugs ist;
die 4 eine perspektivische Ansicht eines keramischen Körpers ist, welcher einer spanabhebenden Gesenkfräsbearbeitung und einer spanabhebenden Drahtschneidebearbeitung unter elektrischer Entladung für die Bewertung von dessen Bearbeitbarkeit bzw. Zerspanbarkeit unterzogen wird.
Ausführungsformen der Erfindung
Bevorzugte, aus dem gesinterten keramischen Körper der Erfindung hergestellte Metallbearbeitungswerkzeuge schließen eine Stanzform und ein in der Öffnung der Stanzform aufzunehmendes Stanzwerkzeug ein.
Führungsrahmen, die bei der Herstellung von Halbleiterchips für integrierte Schaltungen verwendet werden, können in geeigneter Weise unter Verwendung einer Stanzdüse und eines aus den gesinterten keramischen Körpern der vorliegenden Erfindung hergestellten Stanzwerkzeugs hergestellt werden.
Wie in 1 gezeigt, umfaßt der Führungsrahmen 1 den eigentlichen Rahmen 2 und Zuführungen 3, die sich von dem eigentlichen Rahmen aus erstrecken. In der 1 ist eine Grundplatte einer integrierten Halbleiterschaltung durch C angegeben. Die 1 stellt nur ein Beispiel der Führungsrahmen dar und es sollte sich verstehen, daß es Führungsrahmen mit unterschiedlichen Gestaltungen gibt, welche unter Verwendung von Metallbearbeitungswerkzeugen, die aus den gesinterten keramischen Körpern der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, angefertigt werden können.
In 2 ist ein Beispiel des aus dem gesinterten keramischen Körper der vorliegenden Erfindung hergestellten Stanzwerkzeugs eines gesinterten keramischen Körpers gezeigt. Das Stanzwerkzeug 4 besitzt eine Stirnfläche 5, die der in einer Stanzform vorgesehenen Öffnung entspricht. Es ist überflüssig zu sagen, daß in Metallblechen vorgesehene Öffnungen entsprechend der Gestaltung bzw. Konstruktion der Führungsrahmen variiert sind, und daher wird die Gestaltung der Öffnung der Stanzform und die Stirnfläche des Stanzwerkzeugs verändert.
Wenn Führungsrahmen hergestellt werden, können eines oder beide von dem gesinterten keramischen Körper der vorliegenden Erfindung hergestellten Stanzwerkzeuge und eine aus. dem gesinterten keramischen Körper der vorliegenden Erfindung hergestellte Stanzform verwendet werden. Wenn irgendeines der Stanzwerkzeuge und die aus dem gesinterten keramischen Körper der vorliegenden Erfindung hergestellte Stanzform verwendet wird, wird gewöhnlich die entsprechende Stanzform oder die/das aus Sintercarbid bestehende Stanzform oder Stanzwerkzeug verwendet.
Auf eine mit einer Öffnung oder Öffnungen mit vorbestimmten Gestalten versehenen Stanzform wird eine Schicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, aus welcher beispielsweise ein Führungsrahmen, der für das Packen von Halbleiterchips einer integrierten Schaltung verwendet wird, aufgebracht, und ein Stanzwerkzeug mit der entsprechenden Gestalt wird eingesenkt, um durch die Öffnung oder Öffnungen in der Stanzform zu gehen. Das Stanzwerkzeug wird eingesenkt und bei einer hohen Geschwindigkeit angehoben, während die Metallplatte horizontal verschoben wird, und auf diese Weise werden die notwendige Öffnung oder Öffnungen in der Metallplatte gebildet, um einen Führungsrahmen zu ergeben.
Die aus den gesinterten keramischen Körpern der vorliegenden Erfindung hergestellten Metallbearbeitungswerkzeuge besitzen eine große Härte, eine hohe elektrische Resistivität, eine ausgezeichnete Schlagbeständigkeit, eine ausgezeichnete Zähigkeit, eine ausgezeichnete Abriebbeständigkeit und weisen daher eine dramatisch erhöhte Zahl an Stanzschüssen aufgrund dieser ausgezeichneten Charakteristika auf.
Referenzbeispiel 1
In diesem Beispiel wurde eine Kombination eines Stanzwerkzeugs aus gesintertem Zirkoniumdioxid und eine Form aus Sintercarbidmaterial zur Herstellung von Führungsrahmen, die bei integrierten Halbleiterschaltungen (IC) verwendet werden, als ein Beispiel für die Metallbearbeitungswerkzeuge verwendet.
Stanzwerkzeuge wurden wie folgt hergestellt.
Eine Aufschlämmung wurde durch Dispergieren eines Zirkoniumdioxidpulvers, das teilweise mit 3 Mol-% Y₂O₃ stabilisiert wurde, mit einem mittleren Durchmesser von 0,5 μm und von Mikrowachs in Ethanol in einer Naßkugehnühle hergestellt. Die resultierende Aufschlämmung wurde sprühgetrocknet und ein granuliertes Pulver wurde erhalten.
Das granulierte Pulver wurde bei einer Temperatur von 800–1200°C 1 Stunde lang in der Atmosphäre kalziniert. Die kalzinierten granulierten Pulver und unkalziniertes granuliertes Pulver wurden gemischt mit dem Ziel, daß der Teilchendurchmesser beim kumulativen Mengenverhältnis von 90% nicht größer als 10 μm war.
Die gemischten granulierten Pulver wurden zu Plattenform geformt. Die grünen Kompakte in Plattengestalt wurden bei verschiedenen Temperaturen im Bereich von 1400–1600°C gesintert. Auf diese Weise wurden Zirkoniumdioxidkörper mit unterschiedlichen mittleren Teilchendurchmessern und Teilchendurchmessern beim kumulativen Mengenverhältnis von 90%, wie in Tabelle 1 gezeigt, erhalten.
Die gesinterten Zirkoniumdioxidkörper wurden mit einem Diamantschneider geformt, um Stanzwerkzeuge wie in 2 als 4 gezeigt herzustellen.
Unter Verwendung der auf diese Weise geformten Stanzwerkzeuge und einer Sintercarbid-Stanzform, wie in 3 als 6 gezeigt, mit einem Stanzloch 7, welches das Stanzwerkzeug aufnimmt, wurde das Stanzen getestet.
Zum Zwecke des Vergleichs mit dem Stanzwerkzeug aus einem gesinterten Zirkoniumdioxidkörper wurde das Stanzen mit Sintercarbid-Stanzwerkzeugen auch durch Stanzen von Kupferblechen durchgeführt. Das verwendete Sintercarbidmaterial war "FM10", vertrieben von Hitachi Tools Co. Ltd.
Platten der keramischen Körper wurden getrennt wie obenstehend beschrieben hergestellt. Die Oberfläche davon wurde poliert, bis sie spiegelglatt waren, einem Plasma-Ätzen unterzogen, und es wurde die Teilchengrößenverteilung durch SEM gemäß der Scharts-Saltykov-Methode bestimmt.
In Tabelle 1 sind die mittleren Teilchendurchmesser und Teilchendurchmesser beim kumulativen Mengenverhältnis von 90% der für die Herstellung der gesinterten Zirkoniumdioxidkörper verwendeten Teilchen zusammen mit der Lebensdauer des Stanzwerkzeugs gezeigt, das heißt, die Zahl der Stanzschüsse, bevor die Stanzwerkzeuge ein Nachformen erforderten. Je größer die Zahl der Stanzschüsse, desto länger ist die Lebensdauer des Stanzwerkzeugs.
In Tabelle 1 ist der Fehlergrad bei Werkstücken beim millionsten Schuß ebenfalls in Tabelle 1 angegeben. In der Spalte "Fehlergrad" bedeutet:
O, daß Rmax, gemessen durch die Oberflächenrauhigkeits-Meßvorrichtung, nicht größer als 8 μm ist, Ra nicht größer als 0,8 μm ist, und es bei den Werkstücken nur wenige oder gar keine mit dem bloßen Auge festzustellende Fehler gibt.
Δ, daß Rmax, gemessen durch die Oberflächenrauhigkeits-Meßvorrichtung, 8–15 μm beträgt, Ra 0,8–1,5 μm beträgt, und mit dem bloßen Auge feststellbare Fehler bei den Werkstücken vorliegen und deren Grad dasselbe Ausmaß besitzt wie im Falle mit Sintercarbid-Formen.
X, daß Rmax, gemessen durch die Oberflächenrauhigkeits-Meßvorrichtung, nicht kleiner als 15 μm ist, Ra nicht kleiner als 1,5 μm ist, und mit dem bloßen Auge feststellbare Fehler bei den Werkstücken vorliegen und deren Grad ein höheres Ausmaß besitzt als im Falle mit Sintercarbid-Formen.
Tabelle 1 (Gesinterte Zirkoniumdioxid-Stanzwerkzeuge)
Referenzbeispiel 2
In diesem Beispiel wurde eine Kombination eines Stanzwerkzeugs aus gesinterten Aluminiumoxid-Zirkoniumdioxid-Körpern und einer Sintercarbid-Stanzform, wie in Referenzbeispiel 1 eingesetzt, verwendet.
Stanzwerkzeuge wurden wie folgt hergestellt.
Eine Aufschlämmung wurde durch Dispergieren des in dem Referenzbeispiel 1 verwendeten Zirkoniumdioxidpulvers, das teilweise mit Y₂O₃ stabilisiert wurde, und von hochreinem Aluminiumoxid mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 0,5 μm in einem Gewichtsverhältnis von 80 : 20 zusammen mit Mikrowachs als Bindemittel in destilliertem Wasser in einer Naßkugelmühle hergestellt.
Die resultierende Aufschlämmung wurde sprühgetrocknet und ein granuliertes Pulver wurde erhalten.
Die gesinterten Aluminiumoxid-Zirkoniumdioxid-Körper in Plattenform wurden in derselben Weise wie in dem Referenzbeispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, daß die Sintertemperatur 1400–1700°C betrug.
Die auf diese Weise hergestellten gesinterten Aluminiumoxid-Zirkoniumdioxid-Körper wurden weiterhin einer HIP-Behandlung unterzogen, das heißt, sie wurden bei 1500°C unter einem Druck von 1000 atm 2 Stunden lang wärmebehandelt.
Die resultierenden gesinterten Aluminiumoxid-Zirkoniumdioxid-Körper wurden in derselben Weise zu Stanzwerkzeugen geformt, und es wurden der Stanztest und die Teilchengrößenverteilungsmessung wie in Referenzbeispiel 1 durchgeführt.
Die Testresultate wurden in derselben Weise wie in Referenzbeispiel 1 bewertet, und die Testresultate und die Bewertung sind in Tabelle 2 angegeben.
Tabelle 2 (Gesinterte Aluminiumoxid-Zirkoniumdioxid-Stanzwerkzeuge)
Beispiel 1
In diesem Beispiel wurde eine Kombination eines Stanzwerkzeugs aus gesintertem Zirkoniumdioxid-Titannitrid-Körper der vorliegenden Erfindung und eine Sintercarbid-Stanzform, wie in Referenzbeispiel 1 eingesetzt, verwendet.
Stanzwerkzeuge wurden wie folgt hergestellt.
Eine Aufschlämmung wurde durch Dispergieren des in dem Referenzbeispiel 1 verwendeten Zirkoniumdioxidpulvers, das teilweise mit Y₂O₃ stabilisiert wurde, und von Titannitrid mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 1,2 μm in einem Mengenverhältnis von 70 : 30 in destilliertem Wasser zusammen mit Mikrowachs als Bindemittel in einer Naßkugelmühle hergestellt.
Die resultierende Aufschlämmung wurde sprühgetrocknet und ein granuliertes Pulver wurde erhalten.
Das granulierte Pulver wurde in derselben Weise wie im Referenzbeispiel 2 behandelt, und es wurden gesinterte Zirkoniumdioxid-Titannitrid-Körper mit unterschiedlichen Teilchengrößenverteilungen erhalten.
Stanzwerkzeuge wurden unter Verwendung der gesinterten Zirkoniumdioxid-Titannitrid-Körper durch spanabhebende Drahtschneidebearbeitung unter elektrischer Entladung an Stelle der spanabhebenden Bearbeitung mit einem Diamantschneider hergestellt. Unter Verwendung der resultierenden Stanzwerkzeuge wurden Stanztests dwchgeführt, und die Resultate wurden in derselben Weise wie in Referenzbeispiel 1 bewertet.
Die Resultate und die Bewertung sind in Tabelle 3 angegeben.
Tabelle 3 (Gesinterte Zirkoniumdioxid-TiN-Stanzwerkzeuge)
Beispiel 2
In diesem Beispiel wurde eine Kombination eines Stanzwerkzeugs aus einem gesintertem Zirkoniumdioxid-Alumirllumoxid-Titannitrid-Körper der vorliegenden Erfindung und eine Sintercarbid-Stanzform, wie in Referenzbeispiel 1 eingesetzt, verwendet.
Stanzwerkzeuge wurden wie folgt hergestellt.
Eine Aufschlämmung wurde durch Dispergieren des in dem Referenzbeispiel 1 verwendeten Zirkoniumdioxidpulvers, das teilweise mit Y₂O₃ stabilisiert wurde, und des in dem Referenzbeispiel 2 verwendeten Aluminiumoxidpulvers und des in Beispiel 1 verwendeten Titannitrids in einem Mengenverhältnis von 50 : 20 : 30 zusammen mit Mikrowachs als Bindemittel in destilliertem Wasser in einer Naßkugelmühle hergestellt.
Die resultierende Aufschlämmung wurde sprühgetrocknet und ein granuliertes Pulver wurde erhalten.
Das granulierte Pulver wurde in derselben Weise wie im Referenzbeispiel 2 behandelt, und es wurden gesinterte Zirkoniumdioxid-Aluminiumoxid-Titannitrid-Körper mit unterschiedlichen Teilchengrößenverteilungen erhalten.
Stanzwerkzeuge wurden unter Verwendung der gesinterten Zirkoniumdioxid-Aluminiumoxid-Titannitrid-Körper durch spanabhebende Drahtschneidebearbeitung unter elektrischer Entladung an Stelle einer spanabhebenden Bearbeitung mit einem Diamantschneider hergestellt. Unter Verwendung der resultierenden Stanzwerkzeuge wurden Tests für das Stanzen von Kupferblechen durchgeführt, und die Teilchengrößenverteilung wurde in derselben Weise wie in Referenzbeispiel 1 bestimmt.
Die Testresultate wurden in derselben Weise wie im Referenzbeispiel 1 bewertet, und die Resultate und die Bewertung sind in Tabelle 4 aufgeführt.
Gemäß den Beispielen 1 und 2 erreichen gesinterte keramische Körper, die Teilchen aus leitfähigem Material wie Titannitrid enthalten, eine größere Zahl an Stanzschüssen und somit versteht es sich, daß solche keramischen Körper als Stanzwerkzeuge eine längere Lebensdauer erzielen wie im Vergleich mit anderen gesinterten keramischen Körpern, die keine leitfähigen keramischen Teilchen enthalten.
Tabelle 4 (Gesinterte Zirkoniumdioxid-Aluminiumoxid-TiN-Stanzwerkzeuge)
Beispiel 3
In diesem Beispiel wurde eine Kombination einer Stanzform aus gesintertem Zirkoniumdioxid-Titannitrid-Körper der vorliegenden Erfindung und eines Stanzwerkzeugs aus demselben Sintercarbid verwendet, wie es im Referenzbeispiel 1 verwendet wurde.
Gesinterte Zirkoniumdioxid-Titannitrid-Körper wurden in derselben Weise wie in Beispiel 1 hergestellt.
Stanzformen an Stelle von Stanzwerkzeugen wurden in derselben Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, und es wurden Stanztests in derselben Weise wie im Referenzbeispiel 1 durchgeführt.
Die Testresultate wurden in derselben Weise wie im Referenzbeispiel 1 bewertet, und die Resultate und die Bewertung sind in Tabelle 5 aufgeführt.
Tabelle 5 (Gesinterte Zirkoniumdioxid-TiN-Formen)
Außerhalb der beanspruchten Erfindung
Beispiel 4
In diesem Beispiel wurde eine Kombination aus einer Stanzform aus gesinterten Zirkoniumdioxid-Aluminiumoxid-Titannitrid-Körpern und einem Stanzwerkzeug aus demselben Sintercarbid verwendet, wie im Referenzbeispiel 1 verwendet.
Gesinterte Zirkoniumdioxid-Aluminiumoxid-Titannitrid-Körper wurden in derselben Weise wie in Beispiel 2 hergestellt.
Stanzformen an Stelle von Stanzwerkzeugen wurden in derselben Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, und es wurden Stanztests in derselben Weise wie im Referenzbeispiel 1 durchgeführt.
Die Testresultate wurden in derselben Weise wie im Referenzbeispiel I bewertet und sind in Tabelle 6 aufgeführt.
Gemäß diesem Beispiel versteht es sich, daß gesinterte keramische Körper, die leitfähige keramische Teilchen wie Titannitrid enthalten, eine größere Zahl an Stanzschüssen erreichen und Stanzwerkzeuge mit einer längeren Lebensdauer im Vergleich mit gesinterten keramischen Körpern, die keine leitfähigen keramischen Teilchen enthalten, bereitstellen.
Tabelle 6 (Gesinterte Zirkoniumdioxid-Aluminiumoxid-TiN-Formen)
Beispiel 5
Zirkoniumdtoxidteilchen, teilweise stabilisiert mit 3 Mol-% Y₂O₃, mit verschiedenen Teilchengrößenverteilungen und Teilchen von TiN, TiC, TiB₂, WC, ZrN und NbC mit verschiedenen Teilchengrößenverteilungen wurden zusammen mit Mikrowachs als Bindemittel in Ethanol in den in Tabelle 7 angegebenen Verhältnissen in Ethanol als Dispergiermedium in einer Naßkugelrriühle 16 Stunden lang dispergiert.
Die erhaltene Aufschlämmung wurde sprühgetrocknet und ein granuliertes Pulver wurde erhalten.
Das granulierte Pulver wurde zu quadratischen Platten von 75 × 75 × 20 mm unter Anwendung eines Drucks von 1,5 t/cm² mit einer Gesenkpresse geformt. Aus jeder Mischmasse wurden 101 Platten hergestellt. Diese grünen Kompakte wurden unter den in Tabelle 7 angegebenen Bedingungen in einer Stickstoffatmosphäre gebrannt, und auf diese Weise wurden leitfähige gesinterte keramische Körper erhalten.
Einer der auf diese Weise hergestellten leitfähigen gesinterten keramischen Körper wurde zu einem 3 × 4 × 40 mm großen Testexemplar für den Dreipunkt-Biegetest geformt. Die Biegefestigkeit wurde bei den Bedingungen einer Belastungsrate von 0,5 min/min und einer Spannweite von 30 mm bei Raumtemperatur durch den Dreipunkt-Biegetest auf Basis von JIS R1601 gemessen. Nach dem Biegetest wurde die Oberfläche des gesinterten keramischen Körpers bis zur Spiegelglätte poliert, und das polierte Teststück wurde einem Bruchzähigkeitstest mit einer Belastung von 30 kg und einer Verweildauer von 15 s gemäß der IF-Methode (JIS R1607) unterzogen. Die Resultate des Biegefestigkeitstests und des Bruchzähigkeitstests sind in Tabelle 7 aufgeführt.
Die polierte spiegelglatte Oberfläche des Teststücks wurde einem Plasma-Ätzen unterworfen, und die jeweiligen Teilchendurchmesser der isolierenden keramischen Teilchen und der leitfähigen keramischen Teilchen wurden durch SEM-Betrachtung gemessen. Die Teilchengrößenverteilung wurde durch die Schwarts-Saltykov-Methode bestimmt.
Der Teilchendurchmesser beim kumulativen Mengenverhältnis von 90% der isolierenden keramischen Teilchen und der mittlere Teilchendurchmesser der leitfähigen keramischen Teilchen wurden in Tabelle 7 angegeben.
Die restlichen 100 Testplatten wurden für die Bewertung bezüglich der Eigenschaft bei der spanabhebenden Drahtschneidebearbeitung unter elektrischer Entladung verwendet. Insbesondere wurde unter Verwendung einer Vorrichtung für die spanabhebende Gesenkfräsbearbeitung unter elektrischer Entladung mit einer Kupferelektrode mit einem Durchmesser von 2 mm ein Anfangsloch 8 in der Platte 9 hindurchgeschnitten, wie in 4 gezeigt. Anschließend wurde eine Messingdrahtelektrode 10 mit einem Durchmesser von 0,2 mm in dem Anfangsloch 8 untergebracht, und es wurde die spanabhebende Drahtschneidebearbeitung unter elektrischer Entladung durchgeführt. Wie in 4 gezeigt, wurde die spanabhebende Drahtschneidebearbeitung unter elektrischer Entladung entlang des angezeigten Pfeils 11 durchgeführt. Die Länge der spanabhebenden Drahtschneidebearbeitung unter elektrischer Entladung, das heißt die Länge der Bewegung des Drahtes, war etwa 500 mm für eine gesinterte keramische Platte.
Die spanabhebende Gesenkfräsbearbeitbarkeit unter elektrischer Entladung und die spanabhebende Drahtschneidebearbeitbarkeit unter elektrischer Entladung sind in Tabelle 7 aufgeführt. Als alle 100 Platten einer spanabhebenden Bearbeitung unterzogen waren, kam man zu der Bewertung, daß der gesinterte keramische Körper durch spanabhebende Gesenkfräsbearbeitung unter elektrischer Entladung bearbeitbar ist, angegeben mit 0. Selbst wenn eine einzige Platte nicht durch Gesenkfräsbearbeitung unter elektrischer Entladung bearbeitet werden konnte, wird diese als nicht bearbeitbar durch spanabhebende Gesenkfräsbearbeitung unter elektrischer Entladung bewertet, angegeben in Tabelle 7 mit X. Auch bei der spanabhebenden Drahtschneidebearbeitung unter elektrischer Entladung wird diese, wenn alle 100 Platten durch spanabhebende Drahtschneidebearbeitung unter elektrischer Entladung bearbeitet wurden, durch spanabhebende Drahtschneidebearbeitung unter elektrischer Entladung als bearbeitbar bewertet, angegeben mit O in Tabelle 7. Selbst wenn eine Platte von 100 Platten nicht durch spanabhebende Drahtschneidebearbeitung unter elektrischer Entladung bearbeitet werden konnte, kommt man zu der Bewertung, daß die spanabhebende Drahtschneidebearbeitung unter elektrischer Entladung unmöglich ist, angegeben durch X in Tabelle 7.
Die thermische Leitfähigkeit der gesinterten keramischen Körper wurde gemäß der Laser-Flash-Methode nach JIS R1611 gemessen. Die Härte der gesinterten keramischen Körper wurde gemäß der Vickers-Methode nach JIS R1610 gemessen. Die Resultate sind in Tabelle 7 aufgeführt.
Wie anhand der in Tabelle 7 aufgeführten Resultate offensichtlich wird, sind gesinterte keramische Körper, die isolierende keramische Teilchen, deren Teilchendurchmesser beim kumulativen Mengenverhältnis von 90% nicht größer als 10 μm ist, und leitfähige keramische Teilchen, deren mittlerer Teilchendurchmesser nicht größer als 10 μm ist, in einem Anteilsverhältnis von 25– 60 Vol.-% der leitfähigen keramischen Teilchen umfassen, unter der Bedingung, daß die Gesamtmenge der isolierenden keramischen. Teilchen und der leitfähigen keramischen Teilchen 100 Vol.-% beträgt, sowohl durch spanabhebende Gesenkfräsbearbeitung unter elektrischer Entladung als auch durch spanabhebende Drahtschneidebearbeitung unter elektrischer Entladung bearbeitbar und besitzen gute mechanische Eigenschaften, wie Biegefestigkeit. Weiterhin besitzen sie eine ausgezeichnete thermische Leitfähigkeit und Härte.
Außerdem verdeutlicht eine Durchsicht von Tabelle 7 die folgenden Fakten. Wenn der Anteil der leitfähigen keramischen Teilchen weniger als 25 Vol.-% beträgt, ist eine spanabhebende Drahtschneidebearbeitung unter elektrischer Entladung unmöglich. Wenn dieser 60 Vol.-% übersteigt, ist die mechanische Festigkeit, insbesondere die Biegefestigkeit, schlecht, und die gesinterten keramischen Körper können in der Praxis nicht verwendet werden. Wenn der Teilchendurchmesser beim kumulativen Mengenverhältnis von 90% der isolierenden keramischen Teilchen größer als 10 μm ist, kann es zu einem Bruch der Drahtelektrode während der spanabhebenden Drahtschneidebearbeitung unter elektrischer Entladung kommen. Wenn der mittlere Teilchendurchmesser der leitfähigen keramischen Teilchen größer als 10 μm ist, kann die Biegefestigkeit der gesinterten keramischen Körper abnehmen.
Tabelle 7
Tabelle 7 (Fortsetzung)
Beispiel 6
Zirkoniumdioxidteilchen, teilweise mit 3 Mol-% Y₂O₃ stabilisiert, mit verschiedenen Teilchengrößenverteilungen und Teilchen von Aluminiumoxid hoher Reinheit mit verschiedenen Teilchengrößenverteilungen wurden in einem Gewichtsverhältnis von 80 : 20 gemischt, und die erhaltene Mischung und die Teilchen von TiN, TiC, TiB₂, WC, ZrN und NbC mit verschiedenen Teilchengrößenverteilungen wurden in den in Tabelle 8 angegebenen Mischverhältnissen in derselben Weise wie in Beispiel 5 gemischt, und es wurden Aufschlämmungen in derselben Weise wie in Beispiel 5 erhalten. Die Aufschlämmungen wurden in derselben Weise wie in Beispiel 5 getrocknet und grüne Materialien wurden erhalten.
Leitfähige gesinterte keramische Körper wurden aus diesem grünen Material in derselben Weise wie in Beispiel 5 hergestellt.
Auf diesselbe Weise wie in Beispiel 5 wurde die Biegefestigkeit und die Bruchfestigkeit sowie die Teilchengrößenverteilung der gesinterten keramischen Körper bestimmt. Der Teilchendurchmesser beim kumulativen Mengenverhältnis von 90% der isolierenden keramischen Teilchen und der mittlere Teilchendurchmesser der leitfähigen keramischen Teilchen wurden bestimmt. Die thermische Leitfähigkeit und die Härte wurden ebenfalls gemessen. Die Resultate sind in Tabelle 8 angegeben.
Die spanabhebende Bearbeitbarkeit dieser leitfähigen gesinterten keramischen Körper bei der spanabhebenden Gesenkfräsbearbeitung und der spanabhebenden Drahtschneidebearbeitung unter elektrischer Entladung wurden in derselben Weise wie in Beispiel 5 bewertet und die Resultate sind in Tabelle 8 angegeben.
Wie anhand von Tabelle 8 offensichtlich wird, kann eine spanabhebende Drahtschneidebearbeitung unter elektrischer Entladung in beständiger Weise durchgeführt werden, wenn der Anteil der leitfähigen keramischen Teilchen im Bereich von 25–60 Vol.-% liegt. Wenn der Anteil der leitfähigen keramischen Teilchen höher als 60 Vol.-% ist, nimmt die Biegefestigkeit des gesinterten leitfähigen keramischen Körpers ab.
Wenn der Teilchendurchmesser der isolierenden keramischen Teilchen beim kumulativen Mengenverhältnis von 90% größer als 10 μm ist, kann die Drahtelektrode während der spanabhebenden Drahtschneidebearbeitung unter elektrischer Entladung brechen, und wenn der mittlere Teilchendurchmesser größer als 10 μm ist, nimmt die Biegefestigkeit des gesinteren Körpers ab.
Gesinterte keramische Körper, welche isolierende keramische Teilchen, deren Teilchendurchmesser beim kumulativen Mengenverhältnis von 90% nicht größer als 10 μm ist, und leitfähige keramische Teilchen, deren mittlerer Teilchendurchmesser nicht größer als 10 μm ist, in einem Anteilsverhältnis von 25–60 Vol.-% der leitfähigen keramischen Teilchen umfassen, besitzen unter der Bedingung, daß die Gesamtmenge der isolierenden keramischen Teilchen und der leit fähigen keramischen Teilchen 100 Vol.-% beträgt, eine ausgezeichnete Biegefestigkeit und Bruchzähigkeit und sind sowohl durch spanabhebende Drahtschneidebearbeitung unter elektrischer Entladung als auch durch spanabhebende Gesenkfräsbearbeitung unter elektrischer Entladung bearbeitbar. Diese gesinterten keramischen Körper besitzen eine gute thermische Leitfähigkeit und eine hohe Härte. Damit brechen aus den gesinterten keramischen Körpern hergestellte Metallbearbeitungswerkzeuge infolge der während der Arbeit erzeugten Wärme nicht so leicht, wenn sie in Kombination mit anderen Teilen verwendet werden, die eine thermische Leitfähigkeit aufweisen, welche sich von derjenigen der gesinterten keramischen Körper unterscheidet. Solche Metallbearbeitungswerkzeuge brechen nicht so leicht infolge des mechanischen Kontakts bei der Bearbeitung.
Die nachstehenden Beispiele betreffen gesinterte keramische Körper, welche isolierende keramische Teilchen, deren Teilchendurchmesser beim kumulativen Mengenverhältnis von 90% nicht größer als 10 μm ist, und leitfähige keramische Teilchen, deren mittlerer Teilchendurchmesser 0,3–10 μm beträgt, umfassen, wobei das Verhältnis (ε) des mittleren Teilchendurchmessers der leitfähigen keramischen Teilchen (dsp) zu dem mittleren Teilchendurchmesser (dm) der isolierenden keramischen Teilchen (ε = dsp/dm) nicht größer als 9 ist und der Anteil der leitfähigen keramischen Teilchen 25–60 Vol.-% beträgt, wenn die Gesamtmenge der leitfähigen keramischen Teilchen und der isolierenden Teilchen 100 Vol.-% beträgt.
Tabelle 8
Tabelle 8 (Fortsetzung)
Beispiel 7
Zirkoniumdioxidpulver, teilweise mit 3 Mol-% Y₂O₃ stabilisiert, mit verschiedenen mittleren Teilchendurchmessern (dm) und Titannitridpulver mit verschiedenen mittleren Teilchendurchmessern (dsp), wie in Tabelle 9 gezeigt, wurden hergestellt.
Die Zirkoniumdioxidpulver und Titannitridpulver werden jeweils in den in Tabelle 9 angegebenen Verhältnissen (ε) und in den in Tabelle 10 angegebenen Zusammensetzungen zusammen mit Mikrowachs als Bindemittel in destilliertem Wasser als Dispersionsmedium in einer Naßkugelmühle gemischt.
Die erhaltenen Aufschlämmungen wurden sprühgetrocknet und granulierte Pulver wurden erhalten.
Gesinterte Zirkoniumdioxid-Titannitrid-Körper wurden in derselben Weise wie im Referenzbeispiel 1 erhalten, mit der Ausnahme, daß die Kalzinierungstemperatur 800–1200°C war und die Sintertemperatur 1350–1650°C war.
Die resultierenden gesinterten Zirkoniumdioxid-Titannitrid-Körper wurden einer HIP-Behandlung unterworfen, das heißt, sie wurden bei 1500°C unter einem Druck von 1013,2 Bar (1000 atm) 2 Stunden lang behandelt. Auf diese Weise wurden am Ende Zirkoniumdioxid-Titannitrid-Körper erhalten.
Die spezifischen Resistivitäten dieser gesinterten Zirkoniumdioxid-Titannitrid-Körper wurden durch das Vier-Endpunkt-Verfahren, wie in JIS C2561 beschrieben, gemessen. Die Resultate sind in Tabelle 10 aufgeführt.
In Tabelle 10 bedeutet E + 0 = 10⁰, E + 8 bedeutet zum Beispiel 10⁸, und die anderen Angaben bedeuten dasselbe.
Tabelle 9 Mittlerer Teilchendurchmesser von Zirkoniumdioxid (dm), mittlerer Teilchendurchmesser von Titannitrid (dsp) und das Verhältnis (ε) (ε = dsp/dm)
Tabelle 10 Elektrische Resistivität (Ω·cm)
Diese gesinterten Zirkoniumdioxid-Titannitrid-Körper wurden einer spanabhebenden Drahtschneidebearbeitung unter elektrischer Entladung unterzogen, und es wurde die Oberflächenrauhigkeit (Ra) der bearbeiteten Körper mit einer Oberflächengenauigkeits-Meßvorrichtung, vertrieben von Rank Tailor Hobson, Inc., gemessen. Die Resultate sind in Tabelle 11 aufgeführt.
Wie in Tabelle 11 gezeigt, weisen die gesinterten keramischen Körper innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung eine Oberflächenrauhigkeit Ra von nicht größer als 2 μm auf ^und können deshalb als Metallbearbeitungswerkzeuge verwendet werden, ohne die Oberfläche zu polieren, bis sie spiegelglatt ist.
Tabelle 11 Oberflächenrauhigkeit Ra (μm)
Beispiel 8
Zirkoniumdioxidpulver, teilweise mit 3 Mol-% Y₂O₃ stabilisiert, mit verschiedenen mittleren Teilchendurchmessern (d: 50%) und verschiedenen Teilchendurchmessern (dsp) beim kumulativen Mengenverhältnis von 90% (d: 90%), wie in Tabelle 12 angegeben, wurden mit Titannitrid mit verschiedenen mittleren Teilchendurchmessern (d: 50%), wie in Tabelle 12 angegeben, so daß das Anteilsverhältnis der letzteren 30 Vol.-% war, zusammen mit Mikrowachs als Bindemittel in destilliertem Wasser als Dispersionsmedium in einer Naßkugelmühle vermischt.
Von den resultierenden Aufschlämmungen wurden gesinterte Zirkoniumdioxid-Titannitrid-Körper in derselben Weise wie in Beispiel 7 erhalten.
Die Biegefestigkeit dieser Zirkoniumdioxid-Titannitrid-Körper wurde gemäß JIS R1601 gemessen. Die Resultate sind in Tabelle 12 aufgeführt.
Diese Zirkoniumdioxid-Titannitrid-Körper wurden einer spanabhebenden Drahtschneidebearbeitung unter elektrischer Entladung unterzogen, und es wurde die spanabhebende Bearbeitbarkeit dadurch in derselben Weise wie in Beispiel 5 bewertet. Die Resultate sind in Tabelle 12 aufgeführt.
Stanzwerkzeuge, wie in 2 gezeigt, wurden aus den Zirkoniumdioxid-Titannitrid-Körpern durch spanabhebende Drahtschneidebearbeitung unter elektrischer Entladung hergestellt. Unter Verwendung dieser Stanzwerkzeuge und von Sintercarbid-Stanzformen wurden Stanztests in derselben Weise wie im Referenzbeispiel 1 durchgeführt. Die Resultate sind in 12 aufgeführt.
Tabelle 12 Eigenschaften von gesinterten keramischen Körpern, enthaltend 30 Vol.-% Titannitrid
Tabelle 12 (Fortsetzung)
Beispiel 9
Die Verfahrensweisen von Beispiel 8 wurden wiederholt, mit der Ausnahme, daß der Titannitridgehalt 50 Vol.-% statt 30 Vol.-% war, und es wurden Stanzwerkzeuge und Stanzformen hergestellt. Es wurde die Biegefestigkeit, die spanabhebende Bearbeitbarkeit beim Drahtschneiden und die spanabhebende Gesenkfräsbearbeitung unter elektrischer Entladung gemessen. Ferner wurde die Werkzeuglebensdauer durch einen Stanztest bestimmt. Die Resultate sind in Tabelle 13 aufgeführt.
Tabelle 13 Eigenschaften von gesinterten keramischen Körpern, enthaltend 50 Vol.-% Titannitrid
Tabelle 13 (Fortsetzung)
Anhand der in Tabelle 12 und 13 gezeigten Resultate wird offensichtlich, daß mit einem Titannitridgehalt von weniger als 25 Vol.-% gesinterte Zirkoniumdioxid-Titannitrid-Körper nicht durch spanabhebende Drahtschneidebearbeitung unter elektrischer Entladung bearbeitet werden können; wenn der mittlere Teilchendurchmesser der leitfähigen keramischen Teilchen im Bereich von 0,3–10 μm liegt und der Teilchendurchmesser der isolierenden keramischen Teilchen beim kumulativen Mengenverhältnis von 90% höchstens 10 μm beträgt, können gesinterte keramische Körper hergestellt werden, welche eine gute Biegefestigkeit, spanabhebende Bearbeitbarkeit beim Drahtschneiden und spanabhebende Gesenkfräsbearbeitung unter elektrischer Entladung aufweisen, aus welchen langlebige Stanzwerkzeuge angefertigt werden können.
Das aus den gesinterten keramischen Körpern innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung hergestellte Metallbearbeitungswerkzeug verursacht keine Fleckenbildung bei den Werkstücken. Das bedeutet, Führungsrahmen werden nicht verunreinigt und deshalb erfahren Halbleiterchips keine unerwünschte Einwirkung.
Auswirkung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden gesinterte keramische Körper, welche sowohl durch spanabhebende Drahtschneidebearbeitung als auch spanabhebende Gesenkfräsbearbeitung unter elektrischer Entladung bearbeitet werden können und ausgezeichnete mechanische Festigkeiten besitzen, bereitgestellt. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden gesintere keramische Körper, welche eine hohe mechanische Festigkeit besitzen und zu keramischen Werkzeugen verarbeitet werden können, die eine lange Lebensdauer besitzen und kaum eine Fleckenbildung bei Werkstücken verursachen, sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher gesinterten keramischen Körper bereitgestellt.

Claims

Gesinterter keramischer Körper, umfassend isolierende keramische Teilchen und elektrisch leitfähige Teilchen, wobei der mittlere Teilchendurchmesser der elektrisch leitfähigen keramischen Teilchen nicht größer als 10 μm ist, und der Gehalt der elektrisch leitfähigen keramischen Teilchen 25–60 Vol.-% in 100 Vol.-% der Gesamtmenge aus den isolierenden keramischen Teilchen und den elektrisch leitfähigen keramischen Teilchen beträgt, wobei die isolierenden keramischen Teilchen mindestens eines sind, gewählt aus der Zirkoniumdioxid und Zirkoniumdioxid-Aluminiumoxid umfassenden Gruppe, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilchendurchmesser der isolierenden keramischen Teilchen beim kumulativen Mengenverhältnis von 90% nicht größer als 10 μm ist.
Gesinterter keramischer Körper nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis (ε) des mittleren Teilchendurchmessers der leitfähigen keramischen Teilchen (dsp) zu dem mittleren Durchmesser der isolierenden keramischen Teilchen (dm) nicht größer als 9 ist.
Gesinterter keramischer Körper nach Anspruch 1, wobei der mittlere Teilchendurchmesser der leitfähigen keramischen Teilchen 0,3–10 μm beträgt
Gesinterter keramischer Körper nach Anspruch 3, wobei der mittlere Teilchendurchmesser der leitfähigen keramischen Teilchen 0,5–4 μm beträgt.
Gesinterter keramischer Körper nach Anspruch 1, wobei das Anteilsverhältnis der leitfähigen keramischen Teilchen 30–50 Vol.-% beträgt.
Gesinterter keramischer Körper nach Anspruch 2; wobei das Verhältnis 0,01–9 beträgt.
Gesinterter keramischer Körper nach Anspruch 1, dessen elektrische Resistivität nicht höher als 10 Ω·cm ist.
Gesinterter keramischer Körper nach Anspruch 7, dessen elektrische Resistivität nicht höher als 5 Ω·cm ist.
Gesinterter keramischer Körper nach Anspruch 8, dessen elektrische Resistivität nicht höher als 0,1 Ω·cm ist.
Gesinterter keramischer Körper nach Anspruch 1, wobei die leitfähigen keramischen Teilchen mindestens eines sind, gewählt aus der Titannitrid, Zirkoniumnitrid, Titancarbid, Titancarbonitrid, Titanborid, Wolframcarbid und Niobcarbid umfassenden Gruppe.
Gesinterter keramischer Körper nach Anspruch 10, wobei das Zirkoniumdioxid mindestens ein teilweise stabilisiertes Zirkonium ist, gewählt aus der Gruppe, bestehend aus Zirkoniumoxid, stabilisiert mit 1,5–6 Mol-% Y₂O₃, Zirkoniumoxid, stabilisiert mit 8-10 Mol-% MgO und Zirkoniumoxid, stabilisiert mit 6–12 Mol-% CeO₂.
Verfahren zur Herstellung eines gesinterten keramischen Körpers, umfassend isolierende keramische Teilchen und elektrisch leitfähige Teilchen, wobei die isolierenden keramischen Teilchen mindestens eines sind, gewählt aus der Zirkoniumdioxid und Zirkoniumdioxid-Aluminiumoxid umfassenden Gruppe, und der Teilchendurchmesser der isolierenden keramischen Teilchen beim kumulativen Mengenverhältnis von 90% nicht größer als 10 μm ist, der mittlere Teilchendurchmesser der elektrisch leitfähigen keramischen Teilchen nicht größer als 10 μm ist, und der Gehalt der elektrisch leitfähigen keramischen Teilchen 25–60 Vol.-% in 100 Vol.-% der Gesamtmenge aus den isolierenden keramischen Teilchen und der elektrisch leitfähigen keramischen Teilchen beträgt, umfassend die Schritte a) Vermischen von isolierenden keramischen Teilchen mit einem Teilchendurchmesser beim kumulativen Mengenverhältnis von 90% von nicht größer als 10 μm mit elektrisch leitfähigen keramischen Teilchen mit einem mittleren Teilchendurchmesser von nicht größer als 10 μm in einem Verhältnis von 25 bis 60 Vol.-% der elektisch leitfähigen keramischen Teilchen in 100 Vol.-% der Gesamtmenge aus den isolierenden keramischen Teilchen und den elektrisch leitfähigen keramischen Teilchen; b) Kompaktieren der Mischung; und c) Sintern des Kompaktes.
Verfahren zur Herstellung eines gesinterten keramischen Körpers nach Anspruch 12, wobei isolierende keramische Teilchen mit einem Teilchendurchmesser beim kumulativen Mengenverhältnis von 90% von weniger als 10 μm verwendet werden.