FR2458518A1 - Sintered aluminium oxide cutting plate - contains zirconium oxide and magnesium oxide for machining case-hardened steel - Google Patents
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Abstract
Description
"Plaquette de coupe pour travail par enlèvement de copeaux
et son procédé de fabrication."
La présente invention concerne une plaquette de coupe pour le travail, par enlèvement de copeaux, de pièces métalliques telles que les arbres, axes, etc., notamment de piè- ces en acier cémenté et en acier à revenu, de préférence pour utilisation à des vitesses de coupe supérieures à 500 m/min, constituée par de l'oxyde d'aluminium fritté à haute température avec des additions d'oxyde de zirconium."Cutting insert for work by chip removal
and its manufacturing process. "
The present invention relates to a cutting insert for working, by removing chips, metal parts such as shafts, axes, etc., in particular of hardened steel and tempered steel, preferably for use at cutting speeds greater than 500 m / min, constituted by aluminum oxide sintered at high temperature with additions of zirconium oxide.
Pour le travail par enlèvement de copeaux, les plaquettes de coupe à base d'oxyde d'aluminium fritté ont donné des résultats exceptionnels au cours des dernières décennies et se sont assuré une part toujours plus grande dans l'éventail des matériaux de coupe, notamment pour les cas où il s'agit d'opérations d'usinage à grande vitesse de coupe et de ce fait à hautes températures. Cependant, en dépit de la grande dureté et de la résistance à l'usure des plaquettes de coupe en oxyde d'aluminium, on s'est efforcé d'améliorer encore les propriétés de ce matériau, car celui-ci présente une certaine fragilité qui fait que la durée de coupe des tranchants de la plaquette ne donne pas entièrement satisfaction. For cutting work, sintered aluminum oxide cutting inserts have given exceptional results over the past decades and have secured an ever-increasing share in the range of cutting materials, in particular for cases where machining operations are carried out at high cutting speed and therefore at high temperatures. However, despite the great hardness and resistance to wear of the aluminum oxide cutting inserts, efforts have been made to further improve the properties of this material, since it has a certain brittleness which fact that the cutting time of the cutting edges of the insert is not entirely satisfactory.
Pour cette raison, on a déjà fait toute une série de propositions visant à conférer, par des additions, une plus grande ductilité aux plaquettes de coupe à base d'oxyde d'aluminium qui sont relativement fragiles, c'est-à-dire à augmenter leur résistance à la rupture. Les additifs de ce genre peuvent, par exemple, être des métaux, et on obtient alors ce qu'on appelle des "cermets" (céramique à métal). For this reason, a whole series of proposals have already been made with a view to imparting, through additions, greater ductility to cutting inserts based on aluminum oxide which are relatively fragile, i.e. increase their breaking strength. Additives of this kind can, for example, be metals, and one then obtains what are called "cermets" (ceramic to metal).
Les additions de carbures, nitrures et borures métalliques, tels que, par exemple, le carbure de titane, qui augmentent la résistance à l'usure, ont elles aussi donné toute satisfaction.Additions of metal carbides, nitrides and borides, such as, for example, titanium carbide, which increase wear resistance, have also been very satisfactory.
Une proposition antérieure, faite par la Société demande resse dans la demande de brevet allemande publiée n 23 07 654, prévoit d'utiliser comme matériau pour plaquettes de coupe, l'oxyde de zirconium stabilise au préalable, à
savoir un oxyde de zirconium partiellement stabilisé avec une proportion de phase cubique comprise entre 75 et .95 X. Dans la demande de brevet allemande n- 27 41 295, cette suggestion est reprise et modifiée de telle manière que 0,5 à 35 % (en poids) d'un tel oxyde de zirconium partiellement stabilisé soient incorporés dans une matrice d'oxyde d'alu- minium a. Ceci a déjà permis d'améliorer la stabilité de forme de ces plaquettes de coupe.Mais la teneur relativement élevée en stabilisant que constituent les 4 X (en poids) d'oxyde de calcium entrain une telle réduction de la résistance à chaud de ces plaquettes de coupe que leur capacité aux vitesses de coupe élevées est même moindre que celle d'une céramique à base d'oxyde d'aluminium pur.A previous proposal, made by the Company request resse in the German patent application published n 23 07 654, envisages to use as material for cutting inserts, the zirconium oxide stabilizes beforehand, at
namely a partially stabilized zirconium oxide with a proportion of cubic phase of between 75 and .95 X. In German patent application No. 27 41 295, this suggestion is taken up and modified in such a way that 0.5 to 35% ( by weight) of such partially stabilized zirconium oxide are incorporated into an aluminum oxide matrix a. This has already made it possible to improve the shape stability of these cutting inserts. However, the relatively high content of stabilizer constituted by the 4 X (by weight) of calcium oxide results in such a reduction in the hot resistance of these inserts. their capacity at high cutting speeds is even less than that of a ceramic based on pure aluminum oxide.
Les problèmes, que pose cette céramique de coupe à base d'oxyde d'aluminium comprenant des additifs, portent généralement sur le fait qu'avec des additions trop faibles l'effet recherché, par exemple pour éviter la fragilité, n' est pas suffisamment atteint, et qu'avec des additions plus importantes la résistance aux hautes températures, telles qu'elles interviennent avec des vitesses de coupe élevées, diminue à nouveau. The problems posed by this cutting ceramic based on aluminum oxide comprising additives generally relate to the fact that with too small additions the desired effect, for example to avoid brittleness, is not sufficiently reached, and with greater additions the resistance to high temperatures, as they occur with high cutting speeds, decreases again.
La présente invention a pour objet de rompre ce cercle vicieux et de mettre au point une plaquette de coupe dont la capacité soit nettement améliorée, c'est-à-dire qui permette d'obtenir une production plus grande, donc une plus grand nombre de pièces par plaquette de coupe et par unité de temps. Ceci est absolument et particulièrement nécessaire pour le travail des pièces en acier, notamment des pièces en acier cémenté et en acier à revenu telles que les arbres, axes, etc. The object of the present invention is to break this vicious circle and to develop a cutting insert whose capacity is markedly improved, that is to say which allows a greater production to be obtained, therefore a greater number of pieces per cutting insert and per time unit. This is absolutely and particularly necessary for the work of steel parts, especially hardened steel and tempered steel parts such as shafts, axes, etc.
Ce problème est résolu, selon la présente invention, par une plaquette de coupe pour le travail par enlèvement de copeaux, du type décrit en préambule, qui est réalisée avec un oxyde d'aluminium fritté, à haute température avec des additions d'oxyde de zirconium, et qui présente, selon la présente invention, une combinaison des caractéristiques suivantes : a) Composition chimique :
70 à 90 X (en poids) d'oxyde d'aluminium
10 à 30 X (en poids) d'oxyde de zirconium 0,1 à 0,5 % (en poids) d'oxyde de magnésium
diverses impuretés sous forme d'oxydes constituant moins de 0,6 % (en poids) et toutes les teneurs se complétant à 100 %.This problem is solved, according to the present invention, by a cutting insert for the work by removal of shavings, of the type described in the preamble, which is produced with a sintered aluminum oxide, at high temperature with additions of zirconium, and which, according to the present invention, has a combination of the following characteristics: a) Chemical composition:
70 to 90 X (by weight) aluminum oxide
10 to 30 X (by weight) zirconium oxide 0.1 to 0.5% (by weight) magnesium oxide
various impurities in the form of oxides constituting less than 0.6% (by weight) and all the contents complementing each other at 100%.
b) Porosité inférieure à 2% c) Grosseur de grain moyenne inférieure à 1,7 lum d) Résistance (ténacité) à la rupture KI d'au moins
190 N/mm ssà la température ambiante et de 140 N/mm3/2
à lOOO'C, mesurée sur des barreaux prismatiques de 2,5 mm
de largeur, 3,5 mm de hauteur et 12 mm de longueur, dé
coupées dans des plaquettes de coupe, et présentant une
entaille de 120 pm de largeur, 0,8 + 0,1 mm de profondeur,
le rayon de l'entaille étant compris entre 50 et 60
Les corps frittés comportant une matrice de matières très variées, dont l'oxyde d'aluminium et des particules incorporées d'oxyde de zirconium non stabilisé, sont connus, par exemple par la demande de brevet allemande n- 25 49 652, à l'inspection publique dans laquelle ils ont été proposés pour les éléments de turbines à gaz qui doivent présenter une grande résistance aux variations de température. Cependant, le fait que l'action combinée ou conjuguée de toutes les caractéristiques revendiquées permette d'obtenir une plaquette de coupe dont les propriétés garantissent une capacité nettement supérieure à celle de toutes les autres plaquettes de coupe connues jusqu'à ce jour, et notamment pour l'usinage de l'acier, ceci en particulier à de grandes vitesses de coupe, c'est-à-dire à des vitesses égales ou supérieures à 500 m/min, est tout à fait surprenante.Ce fait était notamment surprenant parce que, dans le cas des plaquettes de coupe, les sollicitations existantes sont totalement différentes de celles qui interviennent, par exemple, pour les turbines à gaz, et parce que les plaquettes de coupe subissent notamment une forte usure ainsi que des contraintes sur les tranchants, et que des interactions se produisent avec le matériau usiné, sur lesquelles les additions importantes de matériaux augmentant la ductilité ont généra lement une influence négative.b) Porosity less than 2% c) Average grain size less than 1.7 lum d) Resistance (tenacity) to breaking KI of at least
190 N / mm ss at room temperature and 140 N / mm3 / 2
at lOOO'C, measured on 2.5 mm prismatic bars
wide, 3.5 mm high and 12 mm long, thimble
cut into cutting inserts, and having a
notch 120 pm wide, 0.8 + 0.1 mm deep,
the radius of the notch being between 50 and 60
Sintered bodies comprising a matrix of very varied materials, including aluminum oxide and incorporated particles of unstabilized zirconium oxide, are known, for example from German patent application No. 25 49 652, in public inspection in which they have been proposed for gas turbine components which must have a high resistance to temperature variations. However, the fact that the combined or combined action of all the characteristics claimed makes it possible to obtain a cutting insert whose properties guarantee a capacity clearly greater than that of all other cutting inserts known to date, and in particular for steel machining, this in particular at high cutting speeds, i.e. at speeds equal to or greater than 500 m / min, is quite surprising. This fact was particularly surprising because that, in the case of cutting inserts, the existing stresses are completely different from those which occur, for example, for gas turbines, and because the cutting inserts undergo in particular heavy wear as well as stresses on the cutting edges, and that interactions occur with the material being machined, on which large additions of materials increasing ductility generally have a negative influence.
Il n'est pas encore possible actuellement d'établir avec précision laquelle des caractéristiques précédemment mentionnées a l'importance la plus grande. Une très grande pureté des différentes matières constitutives et le maintien de la teneur en oxyde de mangésium à une valeur maximale bien définie sont des facteurs d'une influence considérable. It is not yet possible at present to establish with precision which of the characteristics mentioned above has the greatest importance. A very high purity of the various constituent materials and the maintenance of the content of mangesium oxide at a well-defined maximum value are factors of considerable influence.
Les faibles quantités d'oxyde de magnésium allant de 0,1 à 0,5 % en poids suffisent pour èmpêcher, de façon connue, un grossissement anarchique des grains. D'autre part, par suite de la faible quantité d'oxyde de magnésium et des très faibles quantités des diverses impuretés présentes sous forme d'oxydes, l'oxyde de zirconium ajouté à l'oxyde d'aluminium se présente sous sa forme monoclinique dans le matériau de départ. Pendant le processus de frittage, cet oxyde se transforme en phase tétragonale qui, lors du refroidissement, se retransforme de façon réversible en phase monoclinique.Le fait que, par suite de la grosseur de grain relativement faible, à savoir inférieure à 1 rm, de préférence même infé rieure à 0,5 #m, , la transformation en phase monoclinique soit retardée, ce qui crée des tensions latentes dans la structure cristalline, tensions qui sont aptes à reprendre une grande partie des efforts provoqués pendant le travail par enlèvement de copeaux, a probablement une influence con sidérable. Small amounts of magnesium oxide ranging from 0.1 to 0.5% by weight are sufficient to prevent, in known manner, an uncontrolled magnification of the grains. On the other hand, due to the small amount of magnesium oxide and very small amounts of the various impurities present in the form of oxides, the zirconium oxide added to the aluminum oxide occurs in its monoclinic form. in the starting material. During the sintering process, this oxide changes to the tetragonal phase which, upon cooling, reversibly converts back to the monoclinic phase. preferably even less than 0.5 #m, the transformation into monoclinic phase is delayed, which creates latent tensions in the crystal structure, tensions which are able to take up a large part of the forces caused during work by removal of shavings , probably has a considerable influence.
La caaactér.i?stique de faible porosité, a savoir-une porosité infé-- rieure a 2%, de préférence même inférieure à 1%, revêt une importance tout a fait considérable pour l'augmentation de la capacité de coupe et notamment pour la résistance des tranchants de la plaquette dé coupe selon la présente invention.On s'assure donc, par des dispositions appropriées, que les pores propement dits soient aussi petits que possible, de préférence inférieurs à 2#m (valeur médiane). 32
La résistance à la rupture KIc ,qui est au min m de 190 N lm3/2 à la température ordinaire et surtoutlie fait qu'à 1000 C, donc a des tempe ratures qui sont facilement atteintes lors du travail par enlèvement de copeaux a des vitesses de coupe élevées, la résistance à la rupture KIc', atteigne encore au moins 140 N/mm /, ont en outre une influence dét- minante. La Résistance à la rupture KIc est de préférence même supérieure à 200 N/mm / à la température ordinale et d'au moins 150 Vmm à looooc. The low porosity characteristic, that is to say a porosity of less than 2%, preferably even less than 1%, is of quite considerable importance for increasing the cutting capacity and in particular for the resistance of the cutting edges of the cutting insert according to the present invention. We therefore ensure, by appropriate provisions, that the pores proper are as small as possible, preferably less than 2 # m (median value). 32
The breaking strength KIc, which is at least m of 190 N lm3 / 2 at ordinary temperature and above all it causes that at 1000 C, therefore has temperatures which are easily reached during work by removal of chips at speeds in addition, the breaking strength KIc ', which still reaches at least 140 N / mm /, has a decisive influence. The tensile strength KIc is preferably even greater than 200 N / mm / at the ordinal temperature and at least 150 Vmm at looooc.
La nécessité de conférer une faible porosité à la plaquette de coupe selon la présente invention va de pair avec une densité élevée du matériau, qui doit atteindre au moins 98 % de la densité théorique. Avec une teneur préférentielle en oxyde de zirconium, comprise entre 13 et 17 en poids, la densité est de préférence d'au moins 4,1, dans le cas d'une plaquette de coupe frittée de manière usuelle. The need to impart low porosity to the cutting insert according to the present invention goes hand in hand with a high density of the material, which must reach at least 98% of the theoretical density. With a preferential content of zirconium oxide, between 13 and 17 by weight, the density is preferably at least 4.1, in the case of a sintered cutting insert in the usual manner.
La valeur élevée KIC garantit qu'au cours du processus de coupe et en présence des fortes contraintes subies par les tranchants de la plaquette de coupe, les grains ne s'échappent pas du réseau cristallin, ce qui se traduit par une augmentation de la durée de coupe de l'outil ou bien permet d'usiner avec celui-ci, et à des vitesses élevées, des matériaux pour lesquels on ne pouvait pas jusqu'ici utiliser de façon économique les céramiques de coupe classiques. The high KIC value guarantees that during the cutting process and in the presence of the strong stresses suffered by the cutting edges of the cutting insert, the grains do not escape from the crystal lattice, which results in an increase in the duration cutting tool or allows to machine with it, and at high speeds, materials for which we could not previously use economically conventional cutting ceramics.
Le fait que des proportions relativement élevées d'oxyde de zirconium, qui entrain par lui-même une réduction de la résistance aux hautes températures, permettent d'obtenir une augmentation de la production lorsque toutes les caractéristiques sont combinées de la manière revendiquée, ce qui donne une structure cristalline présentant des combinaisons de propriétés optimales par rapport à toutes les plaquettes de coupe connues jusqu'à ce jour, est tout à fait surprenant, C'est la densité et la solidité du réseau cristallin, qui sont telles que, même en présence de surcharges, il ne se produit plus de rupture d'angles entiers de la plaquette de coupe rendant cette dernière inutilisable, qui ont une importance particulière. The fact that relatively high proportions of zirconium oxide, which in itself leads to a reduction in resistance to high temperatures, makes it possible to obtain an increase in production when all the characteristics are combined in the claimed manner, which gives a crystal structure with combinations of optimal properties compared to all cutting inserts known to date, is quite surprising, It is the density and the solidity of the crystal lattice, which are such that, even in presence of overloads, there is no longer any breakage of entire angles of the cutting insert making it unusable, which are of particular importance.
Pour obtenir cette combinaison toute particulière des propriétés, que l'on considérait jusqu'ici comme irréalisable, et à laquelle est due l'augmentation sensible de la capacité de charge spécifique des tranchants, le procédé de fabrication de la plaquette de coupe selon la présente invention a une importance toute spéciale. To obtain this very particular combination of properties, which hitherto was considered impractical, and to which is due the appreciable increase in the specific load capacity of the cutting edges, the method of manufacturing the cutting insert according to the present invention has special significance.
Un procédé de fabrication préférentiel est caractérisé par le fait que l'on mélange intimement, avec addition d'adjuvants de compression - 70 à 90 % en poids d'oxyde d'aluminium ayant une teneur
minimale en Al203 de 99 % et dont la grosseur de grain
troyenne correspond à unevaleur médiane inférieure à l,Omi,.l0 à 30%
en poids d'oxyde de zirconium. ayant une teneur dniina1e en ZrO2 de 99%
et dont la grosseur de grain moyenne correspond à ure valeur médiane
inférieure à l,O,mstet
- 0,1 a 0,5% en poids d'oxyde de magnésium pur, la teneur en impuretés contenues sous forme d'oxydes dans ce mélange initial pulvérulent étant inférieure à 0,6 X en poids, que des plaquettes de coupe ayant la forme géométrique souhaitée sont réalisées par compression, à partir de ce mélange, et ces plaquettes sont frittées pendant au moins trois heures à des températures comprises entre 1500, et 160C. Le corps façonné est de préférence fritté à une température comprise entre 1520 et 1560-C pendant 6 à 10 heures.A preferred manufacturing process is characterized by the fact that intimately mixed, with the addition of compression aids - 70 to 90% by weight of aluminum oxide having a content
minimum in Al203 of 99% and whose grain size
troyenne corresponds to a median value lower than l, Omi, .10 to 30%
by weight of zirconium oxide. having a ZnO2 content of 99%
and whose average grain size corresponds to a median value
less than l, O, mstet
- 0.1 to 0.5% by weight of pure magnesium oxide, the content of impurities contained in the form of oxides in this initial pulverulent mixture being less than 0.6 X by weight, than cutting inserts having the desired geometric shape are produced by compression, from this mixture, and these plates are sintered for at least three hours at temperatures between 1500 and 160C. The shaped body is preferably sintered at a temperature between 1520 and 1560-C for 6 to 10 hours.
Il y a une relation générale entre la durée et la température de frittage, qui est telle que les durées de frittage choisies seront plus longues à des températures de frittage plus basses, et qu'elles seront par contre plus courtes à des températures de frittage plus élevées. Mais au-dessous d'une température de frittage de 1500C, le corps façonné ne présente généralement plus la forte densité et la faible porosité nécessaires.Au-dessus de 1600-C, le grossissement des grains s'accroit, par contre, nettement, la grosseur des grains du produit fritté terminé augmente, au-dessus de 1,7 pm (valeur moyenne), l'homogénéité de la structure cris talline diminue et les propriétés de la plaquette de coupe se dégradent, de ce fait, considérablement, notamment aux vitesses de coupe élevées que l'on s'efforce d'atteindre. There is a general relationship between duration and sintering temperature, which is such that the chosen sintering times will be longer at lower sintering temperatures, and will be shorter at more sintering temperatures. high. But below a sintering temperature of 1500C, the shaped body generally no longer has the necessary high density and low porosity. Above 1600-C, the grain magnification increases, on the other hand, markedly, the grain size of the finished sintered product increases, above 1.7 μm (average value), the uniformity of the cris talline structure decreases and the properties of the cutting insert therefore deteriorate considerably, in particular at the high cutting speeds that we strive to achieve.
La nécessité d'utiliser des matériaux de départ très purs a déjà été signalée précédemment. On obtient des résultats particulièrement favorables, notamment en ce qui concerne la durée de vie des plaquettes de coupe, lorsque le degré de pureté est encore plus élevé , tant pour oxyde d'aluminium utilisé que pour l'oxyde de zirconium, et que la teneur en Al203 ou en Zr02 excède m'erit*e ta proportion de 99,9 X. The need to use very pure starting materials has already been mentioned previously. Particularly favorable results are obtained, in particular with regard to the service life of the cutting inserts, when the degree of purity is even higher, both for the aluminum oxide used and for the zirconium oxide, and the content in Al203 or Zr02 exceeds me erit * e your proportion of 99.9 X.
En ce qui concerne la teneur en ZrO2, il faut, il est vrai, noter que celle-ci peut éventuellement contenir aussi une proportion d'oxyde de hafnium. On sait que ces deux éléments et leurs composés sont si voisins par leurs propriétés qu'ils se présentent ensemble dans la nature et sont très difficiles à séparer l'un de l'autre. C'est pourquoi on n'élimine habituellement pas la fraction d' oxyde de hafnium, qui peut atteindre 2 %. Les proportions indiquées de 99 % en poids et de 99,9 % en poids de ZrO2 se rapportent par conséquent à l'ensemble Zr02 + Hf02. As regards the content of ZrO2, it should be noted that it may also contain a proportion of hafnium oxide. We know that these two elements and their compounds are so close in their properties that they occur together in nature and are very difficult to separate from each other. This is why we do not usually eliminate the hafnium oxide fraction, which can reach 2%. The indicated proportions of 99% by weight and 99.9% by weight of ZrO2 therefore relate to the whole Zr02 + Hf02.
Il est alors essentiel, et c'est en cela que l'objet de la présente demande se distingue des plaquettes de coupe connues jusqu'à présent qui sont à base d'oxyde d'aluminium et d'oxyde de zirconium, que les diverses impuretés contenues sous forme d'oxydes, telles que SiO2, l'oxyde de calcium, etc., dans le mélange initial pulvérulent, représentent une proportion inférieure à 0,6 X en poids, de préférence même inférieure à cette valeur d'une puissance de dix. Pour garantir cette faible teneur, il faut évidemment que l'oxyde de magnésium, ajouté comme inhibiteur du grossissement des grains, soit lui aussi très pur, On utilise avantageusement un oxyde d'aluminium pulvérulent, auquel on a ajouté, déjà au cours de sa fabrication, la quantité nécessaire d'oxyde de magnésium pur. It is therefore essential, and it is in this that the subject of the present application is distinguished from the cutting inserts known up to now which are based on aluminum oxide and zirconium oxide, that the various impurities contained in the form of oxides, such as SiO2, calcium oxide, etc., in the initial pulverulent mixture, represent a proportion less than 0.6 X by weight, preferably even less than this value of a power of ten. To guarantee this low content, it is obviously necessary that the magnesium oxide, added as a grain growth inhibitor, is also very pure. Advantageously, a powdered aluminum oxide is used, to which one has already added during its manufacturing, the necessary amount of pure magnesium oxide.
La grosseur initiale des grains des matériaux de départ à l'état pulvérulent a évidemment elle aussi une influence considérable. Pour permettre d'obtenir la structure très fine et homogène souhaitée, la valeur médiane de l'oxyde d'aluminium et de l'oxyde de zirconium est inférieure à 1,0 um et, dans le cas de l'oxyde de zirconium, est même de préférence inférieure à 0,5 lum. La "valeur médiane" est définie de la manière suivante. The initial grain size of the starting materials in the pulverulent state also obviously has a considerable influence. To allow the desired very fine and homogeneous structure to be obtained, the median value of aluminum oxide and zirconium oxide is less than 1.0 μm and, in the case of zirconium oxide, is even preferably less than 0.5 lum. The "median value" is defined as follows.
La répartition granulométrique est habituellement représentée sous forme de distribution cumulée, de telle manière que les paramètres de grosseur sont représentés en fonction de la fréquence des pourcentages jusqu 100 %. On trouve habituellement les courbes de distribution cumulée sous forme simplifiée, avec indication de la valeur médiane. Celle-ci est définie comme le point d'intersection de la courbe des sommes avec la ligne de 50 % de la fonction de fréquence, et elle désigne ainsi la grosseur moyenne (grosseur des particules ou dimension des pores), à laquelle 50 % sont supérieures et 50 X sont inférieures. The particle size distribution is usually represented in the form of a cumulative distribution, so that the size parameters are represented as a function of the frequency of the percentages up to 100%. The cumulative distribution curves are usually found in simplified form, with an indication of the median value. This is defined as the point of intersection of the sum curve with the line of 50% of the frequency function, and it thus designates the average size (particle size or pore size), at which 50% are higher and 50 X are lower.
Le pressage du mélange initial pulvérulent se fait avan tageusement sous une pression d'au moins 6000 N/cm2, de préférence sous une pression comprise entre 12 000 et 16 000 2
N/cm . Ceci se fait aussi dans une certaine mesure conformé- ment à une loi, à savoir qu'à une pression basse la température de frittage choisie est un peu plus élevée, et à une pression plus élevée la température de frittage choisie est un peu plus basse.The pressing of the initial powder mixture is advantageously carried out under a pressure of at least 6000 N / cm 2, preferably under a pressure of between 12,000 and 16,000 2
N / cm. This is also done to a certain extent in accordance with a law, namely that at a low pressure the chosen sintering temperature is a little higher, and at a higher pressure the chosen sintering temperature is a little lower .
Les matières les plus diverses conviennent en tant qu'adjuvants de compression. Des alcools polyvinyliques, qu'ils est recommandé d'utiliser en solution à 1 X, ont notamment donné satisfaction. L'humidité de compression de la poudre initiale est d'environ 4 s en poids. The most diverse materials are suitable as compression aids. Polyvinyl alcohols, which it is recommended to use in a 1 × solution, have been particularly satisfactory. The compression humidity of the initial powder is approximately 4 s by weight.
La qualité de la plaquette de coupe, et notamment sa forte densité et sa faible porosité, sont aussi fortement influencées par la vitesse de chauffage et de refroidissement, c'est-à-dire par le temps nécessaire pour chauffer l'ébauche pressée à la température de frittage spécifiée et le temps nécessaire pour la refroidir à nouveau à la température ordinaire. Cette vitesse de chauffage et cette vitesse de refroidissement, sont de préférence d'environ 200C par heure. The quality of the cutting insert, and in particular its high density and low porosity, are also strongly influenced by the speed of heating and cooling, that is to say by the time necessary to heat the preform pressed to the specified sintering temperature and the time required to cool it back to room temperature. This heating rate and this cooling rate are preferably around 200C per hour.
Les plaquettes de coupe olon la présente invention sont avantageusement cuites sous atmosphère oxydante, ce qui constitue un avantage considérable par rapport aux plaquettes de coupe déjà connues comportant des additions de carbures ou de nitrures. En raison de la présence de ces additifs, ces plaquettes de coupe ne peuvent être frittées que sous atmosphère réductrice ou inerte, ou bien sous vide, ce qui nécessite évidemment la mise en oeuvre d'un appareillage beaucoup plus important et rend ces plaquettes de coupe très onéreuses. Mais les plaquettes de coupe selon la présente invention peuvent évidemment aussi être frittées d'après un autre procédé, selon l'objet de la présente invention, par exemple par compression à chaud.Dans ce cas, les durées de frittage sont nettement plus courtes et Xs tempratures sont en moyenne supérieures d'environ lOOC. The olon cutting inserts of the present invention are advantageously cooked under an oxidizing atmosphere, which constitutes a considerable advantage compared to already known cutting inserts comprising additions of carbides or nitrides. Due to the presence of these additives, these cutting inserts can only be sintered under a reducing or inert atmosphere, or else under vacuum, which obviously requires the use of much larger equipment and makes these cutting inserts very expensive. However, the cutting inserts according to the present invention can obviously also be sintered according to another method, according to the subject of the present invention, for example by hot compression. In this case, the sintering times are much shorter and These temperatures are on average about lOOC higher.
Comme cela a édéjà été mentionné précédemment à plusieurs reprises, la valeur KIC élevée, notamment celle que l'on obtient à 1 0000C, c'est-à-dire aux hautes températures qui règnent pour les grandes vitesses de coupe, constitue une caractéristique particulièrement importante des plaquettes de coupe selon la présente invention. Sur le graphique ciannexé, on compare les valeurs KIC d'une céramique frittée à base d'Al203 contenant du Zr02 et du TiC, selon la demande de brevet allemande n- 27 41 295 (courbe 1) à celles qui sont obtenues avec une céramique selon la présente invention (courbe 2).On constate nettement une grande concordance des valeurs K Ic à la température ordinaire, mais on observe une baisse beaucoup plus rapide de KIC avec l'augmentation de la température dans le cas de la céramique correspondant à l'6tat antérieur de la technique, que dans le cas de celle de l'invention. As has already been mentioned several times previously, the high KIC value, in particular that which is obtained at 1 0000C, that is to say at the high temperatures which prevail for high cutting speeds, constitutes a particularly characteristic. important cutting inserts according to the present invention. On the attached graph, the KIC values of a sintered ceramic based on Al 2 O 3 containing ZrO 2 and TiC are compared, according to German patent application No. 27 41 295 (curve 1), with those obtained with a ceramic. according to the present invention (curve 2). There is clearly a great agreement of the values K Ic at ordinary temperature, but a much more rapid drop in KIC is observed with the increase in temperature in the case of ceramic corresponding to l 'Prior state of the art, that in the case of that of the invention.
La détermination de la valeur KIC (facteur d'intensité de contrainte critiquez, qui est une mesure de la résistance à la rupture, est expliquée ci-dessous. The determination of the KIC (Critical Stress Intensity Factor) value, which is a measure of the ultimate strength, is explained below.
Dimension des éprouvettes
On découpe aux dimensions voulues des barreaux prismatiques d'une largeur B = 2,5 mm, d'une hauteur W = 3,5 mm et d'une longueur L = 12 mm dans des plaquettes de coupe. On pratique ensuite, à l'aide d'un disque de cuivre garni de diamants, un trait de scie simulant une fissure, d'une largeur d = 120 pm et d'une profondeur a = 0,8 + 0,1 mm sur la largeur B pour L/2. Le rayon de 11 entaille est compris entre 50 et 60 tlm. Dimension of test pieces
Prismatic bars with a width B = 2.5 mm, a height W = 3.5 mm and a length L = 12 mm are cut from cutting inserts to the desired dimensions. Then, using a copper disc garnished with diamonds, a saw cut simulating a crack, with a width d = 120 pm and a depth a = 0.8 + 0.1 mm over width B for L / 2. The radius of 11 notches is between 50 and 60 tlm.
Mode opératoire appliqué pour l'essai
L'éprouvette entaillée est chargée jusqu'à rupture au cours d'un essai de pliage en trois points. Pendant l'essai, elle est alors posée debout sur sa largeur sur une distance
S = 11 mm et la charge d'essai est appliquée sur le côté opposé au trait de scie. Au point où le moment de flexion atteint son maximum, la vitesse de pliage est de 0,25 mm/min.Procedure applied for the test
The notched test piece is loaded until failure during a three-point bend test. During the test, it is then placed upright across its width over a distance
S = 11 mm and the test load is applied to the side opposite the saw cut. At the point where the bending moment reaches its maximum, the folding speed is 0.25 mm / min.
La valeur KIC de la résistance à la rupture est déterminée selon I'exbresion ::
dans laquelle
qui est la résistance à la rupture rapportée à la section transversale ( W.B) et Y est une constante consignée sur des tables, qui n'est fonction que du rapport a/W, F B étant la charge de rupture.The KIC value of the breaking strength is determined according to the expresion:
in which
which is the breaking strength reported in cross section (WB) and Y is a constant recorded on tables, which is a function only of the ratio a / W, FB being the breaking load.
Les dimensions des éprouvettes et le mode opératoire appliqué pour les essais ont été établis sur la base de la norme ASTM E 399-72 rugissant les méthodes essai standard pour la détermination de la résistance à la rupture des matériaux métalliques. Les matériaux céramiques, en ce qui concerne le réglage de l'état d'allongement plan supposé et l'apparition de zones plastiques, se comportent d'une fa çon non critique. La simulation de fissures nettes par de fins traits de scie constitue une facilité usuelle pour les mesures de la valeur KIC des matériaux céramiques [ Voir
T.R. WISHAW et ai, ENG.FRAe0MECH.1 (1968) 191, R.F. PABST,
Dissertation, STUTTGART 1972, R.L. BERTOLOTTI, 2.AMER. CERDAN. The dimensions of the test pieces and the procedure applied for the tests were established on the basis of ASTM E 399-72 roaring the standard test methods for the determination of the breaking strength of metallic materials. Ceramic materials, with regard to the adjustment of the assumed plane elongation state and the appearance of plastic zones, behave in a non-critical manner. The simulation of sharp cracks by fine saw cuts is a usual facility for measuring the KIC value of ceramic materials [See
TR WISHAW et ai, ENG.FRAe0MECH.1 (1968) 191, RF PABST,
Dissertation, STUTTGART 1972, RL BERTOLOTTI, 2.AMER. CERDAN.
SOC. 56 (1937 > 107 ] .SOC. 56 (1937> 107].
La présente invention est illustrée par l'exemple descriptif et non limitatif ci-après relatif à la fabrication d'une plaquette de coupe. The present invention is illustrated by the following descriptive and nonlimiting example relating to the manufacture of a cutting insert.
On disperse 42 kg d'A1203 ayant une teneur en MgO de 0,2 X en poids et 7,5 kg de ZrO2 non stabilisé dans de l'eau distillée et l'on broie le tout pendant 30 minutes dans un broyeur à boulets oscillant pour obtenir un mélange homogène. 42 kg of A1203 having an MgO content of 0.2 X by weight and 7.5 kg of unstabilized ZrO2 are dispersed in distilled water and the whole is ground for 30 minutes in an oscillating ball mill to obtain a homogeneous mixture.
Après le broyage, on ajoute 1 % d'alcool polyvinylique, on agite vigoureusement la suspension pendant 10 minutes à 500 tours/minute, et on la passe sur un tamis de 40 Um. On sèche et granule la suspension tamisée dans un séchoir à pulvérisation. La poudre granulée et de ce fait fluide est comprimée dans des presses à poudre automatiques, sous une pression de 12000 N/cm2, pour former des plaquettes de coupe ayant la forme géométrique voulue et une densité verte de 2,52 g/cm . After grinding, 1% of polyvinyl alcohol is added, the suspension is vigorously stirred for 10 minutes at 500 rpm, and it is passed through a 40 μm sieve. The sieved suspension is dried and granulated in a spray dryer. The granulated powder and therefore fluid is compressed in automatic powder presses, under a pressure of 12000 N / cm2, to form cutting inserts having the desired geometric shape and a green density of 2.52 g / cm.
Après ce processus de façonnage, le corps façonné est fritté à 15500C pendant 8 heures. La vitesse de chauffage et de refroidissement est de 200 /h. After this shaping process, the shaped body is sintered at 15500C for 8 hours. The heating and cooling rate is 200 / h.
Après le frittage, les plaquettes de coupe sont meulées et biseautées à l'aide de meules diamantées jusqu'à l'obtention de leur forme géométrique définitive, conformément aux stipulations des normes SNG. After sintering, the cutting inserts are ground and bevelled using diamond wheels until their final geometric shape is obtained, in accordance with the stipulations of the SNG standards.
La plaquette de coupe réalisée selon le présent exemple a les propriétés suivantes - Poids spécifique 4,17N g/cm3 - Porosité 0,5 % - Grosseur de grain moyenne ayant
une valeur médiane de : 1, 45 #m - Dureté VICKERS : 19700N/mm - Résistance à la rupture par pliage : 580 N/mm2 - Résistance à la rupture 201 N/rn.m3/2 à la température
ordinaire, et
150 N/mm / à 1000 C
Toutes les indications relatives aux grosseurs de grain, qui sont contenues dans la présente description, sont déterminées selon la méthode de SYNDER-GRA. The cutting insert produced according to this example has the following properties - Specific weight 4.17N g / cm3 - Porosity 0.5% - Average grain size having
a median value of: 1.45 #m - VICKERS hardness: 19700N / mm - Resistance to breaking by bending: 580 N / mm2 - Resistance to rupture 201 N / rn.m3 / 2 at temperature
ordinary, and
150 N / mm / at 1000 C
All the indications relating to grain sizes, which are contained in the present description, are determined according to the SYNDER-GRA method.
Une telle plaquette de coupe suppor une charge nettement plus élevée aux angles de coupe. Le contrôle de la charge admissible aux angles de coupe est effectué au cours de l'essai dit "d'avance". Such a cutting insert assumes a significantly higher load at the cutting angles. The admissible load at the cutting angles is checked during the so-called "advance" test.
Celui-ci consiste à augmenter la valeur d'avance, avec une profondeur de coupe a préétablie, dans ce cas, 3 mm et sous un angle d'attaque bien défini, dans ce cas 850, et avec une géométrie de la plaquette de coupe déterminée, dans ce cas du type SNGN 120816 T (0,2 x 20-) , jusqu'à ce que la plaquette de coupe supporte tout juste encore sans rupture une durée d'action de 10 minutes pour une vitesse de coupe de 500 m/min. This consists in increasing the feed value, with a preset cutting depth, in this case, 3 mm and at a well defined angle of attack, in this case 850, and with a geometry of the cutting insert. determined, in this case of the SNGN 120816 T type (0.2 x 20-), until the cutting insert barely withstands an action time of 10 minutes without breaking for a cutting speed of 500 m / min.
Aux conditions d'essai indiquées ci-dessus, on a obtenu une valeur d'avance de 0,70 mm/tour pour la plaquette de coupe selon l'exemple cité. Under the test conditions indicated above, an advance value of 0.70 mm / revolution was obtained for the cutting insert according to the example cited.
Une valeur d'avance aussi élevée signifie dans la pratique, par rapport aux plaquettes de coupe, déjà connues, à base d'Al 03 seul ou à base d'une céramique de coupe contenant
Zr02 ei Tic, selon la demande de brevet allemande nv 27 41 295, une augmentation considérable du nombre de pièces pouvant être usinées avec une plaquette de coupe. On a ainsi pu multiplier par 6 le nombre de pièces usinées par rapport à une céramique à base d 'Al203 et par rapport à une céramique à base d'A1203, de Zr02 et de TIC, cette augmentation ayant été déterminée sur l'exemple d'un arbre arrière de roue motrice en 41 Cr4V90. Such a high feed value means in practice, compared to already known cutting inserts, based on Al 03 alone or based on a cutting ceramic containing
Zr02 ei Tic, according to German patent application nv 27 41 295, a considerable increase in the number of parts that can be machined with a cutting insert. It was thus possible to multiply by 6 the number of parts machined compared to a ceramic based on Al203 and compared to a ceramic based on A1203, Zr02 and TIC, this increase having been determined on the example d '' a rear drive wheel shaft in 41 Cr4V90.
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