JP2709732B2 - アルミナでコートされた炭化珪素ホイスカー・アルミナ組成物 - Google Patents

アルミナでコートされた炭化珪素ホイスカー・アルミナ組成物

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、アルミナをベースとした母材中に炭化珪素
ホイスカーが分散し、しかも表面がアルミナでコートさ
れた被覆組成物に関する。特に本発明はこうした被覆組
成物でつられた金属切削用インサートに関する。
従来技術では種々の材料が鉄や非鉄金属材料の機械加
工に利用されてきた。鋼類の機械加工に利用されてきた
従来技術の材料の中では、コートされた及びコートされ
ない結合されたカーバイドが両方とも用いられてきた。
特定のコートされた結合されたカーバイドが米国特許第
4.610.931号に記載されており、また前記特許に従って
作られた従来技術の市販のKC950グレードが例示されて
いる［KC950はコートされた切削用インサート用のケン
ナメタル社（Kennametal Inc.）の商標である］。
さらに、鋼類の機械加工は又、米国特許第3.971.656
号に記載されているようなTiC−TiNサーメット（Cerme
t）を利用して行われてきた。また鋼類は、アルミナや
アルミナ・チタンカーバイドセラミックのようなセラミ
ックを用いて商業的に切削されてきた。従来技術による
アルミナ・ィタンカーバイドの切削用インサートグレー
ドの例としてK090グレードがあるが、これは約30容積％
のチタンカーバイドを含有している［K090はアルミナ・
チタンカーバイド切削用インサートに用いるケンナメタ
ル社の商標である］． 前記組成物が鋼類の機械加工に有効であったが、結合
されたカーバイドは高い送り込みと低速度の組合わせで
一般に利用されて居り、一方セラミックグレードは高速
度で低い送り込みの組合わせで利用されている。しか
し、われわれは高速度高・送り込みの組合わせで、鋼を
機械加工する切削工具が一般に使用され、しかもこれを
市場で入手できるということを聞いたことがない。
アルミナ・シリコンカーバイドホイスカー組成物（米
国特許第4.543.345号参照のこと）から作られた切削用
インサートが開発された。これらのインサートは、市場
的にはニッケルベースの超合金の機械加工に有用である
が、工具の場合の寿命が短いため鋼類の機械加工には実
際上利用されなかった。このように工具の寿命が短いの
は、機械加工中に切削刃が高温となり、それによって鋼
中の鉄と切削用インサート中のシリコンカーバイドとが
強く化学反応するためだと信じられている。
ニッケルベース合金の切削に使用される従来技術の市
販グレードのアルミナ・シリコンカーバイドホイスカー
組成物には30v/o（容量％）ないし約36v/oのシリコンカ
ーバイドホイスカーが含まれているが、その理由はこの
組成範囲内で最適な機械加工性能が得られるからであ
り、またこのレベルのSiCホイスカーの場合最大の破壊
靭性が得られるからである。
発明の概要 本出願人等はいまや驚くべきことに次のような事実を
見出だすに至った。即ち、アルミナと或る特定量のSiC
ホイスカーを含有した基材にアルミナコーテイングを施
すことにより、アルミナ・SiCホイスカー組成物を実際
的に鋼製品の機械加工に用いることを可能とするばかり
でなく、これら組成物を高速度・高送り込みの組合わせ
条件下で、鋼類の高速荒削り機械加工に使用可能な切削
工具が製造できることを見出だしたのである。
本発明によって、アルミナベース母材（母材は50v/o
以上のアルミナを含有）中にSiCホイスカーが分散した
基材を用い、かつその基材上にアルミナをコv/o未満の
シリコンカーバイドホイスカーと、約95v/o未満、好ま
しくは70v/oを超えるアルミナとが含まれている。また
この製品は、前述のものを含み、且つレーキ面とフラン
ク面の接合部に形成された切削刃を有する切削用インサ
ートであることが好ましい。機械加工の目的によって異
なるがSiCホイスカー含有量は、軟鋼（soft steels）用
には好ましくは5v/oないし約20v/o未満、さらに好まし
くは約10v/oないし18v/oであり、またはより硬い鋼用に
は、好ましくは20v/oないし30v/o未満、さらに好ましく
は約22v/oないし28v/oである。
アルミナコーテイングの厚さは、好ましくは約1.5な
いし10ミクロンであり、さらに好ましくは約３ないし７
ミクロンである。
アルミナコーテイングは直接基材に接着されてもよ
く、またアルミナコーテイングを基材に接着させるため
に、基材とアルミナの間に中間コーテイングを設けても
よい。ある実施例においては、TiNコーテイングをアル
ミナコーテイングの外側面に接着することができる。
図面の簡単な説明 本発明とその利点は、図面とともに次に記す本発明の
詳細な説明を再検討することにより一層明瞭になるであ
ろう。すなわち図面において； 図−１は、容量パーセント（v/o）で表したSiCホイス
カー（SiCw）含有量の関数としてのAISI1045鋼の旋盤加
工時の切削工具の寿命のグラフである。
図−２は、SiCホイスカー含有量の関数としてのAISI4
340鋼旋盤加工時の切削工具の寿命のグラフである。
発明の詳細な説明 本出願人等は、特定なSiCホイスカー・アルミナ基材
組成物にアルミナコーテイングすることによって、コー
トしない基材の切削性能に比較し、鋼を高速荒削り機械
加工する場合工具寿命が著しく向上した切削工具が得ら
れることを見出だしたのである。驚いたことには、ニッ
ケルベース合金の機械加工に使用される従来技術による
市販グレードのSiCホイスカーにより強化された、コー
テイングなしの切削インサートに使用されているものよ
り、SiCホイスカーの含有量が低い基材組成物の工具に
おいて最上の工具寿命性能が得られたことである。前述
したように、これら従来技術による組成物は、アルミナ
母材中に分散した30v/oないし36v/oのSiCホイスカーを
含有し、またSiCホイスカー含有量がこの程度の場合
に、破壊靭性が最大となる。
しかし、本発明では基材のSiCホイスカー含有量は5v/
oを超えかつ30v/o未満に定められており、この組成範囲
は従来技術の市販切削インサートの組成に比べ破壊靭性
が低い筈の組成範囲である。実際には、しかしAISI1045
鋼のような軟鋼に対しては、基材SiCホイスカー含有量
は約５ないし約20v/o未満であるべきことが見出された
のである。
理論によって束縛されることを望むものではないが、
本出願人は本発明によって得られた有利かつ予想を上回
る結果は、次に理論によって説明できるものと信じてい
る。
鋼を高速で荒削り機械加工する際、工具の寿命を最大
にするには、アルミナ母材中に分散したSiCホイスカー
を含有する基材における破壊靭性と化学反応性との間の
バランスを崩す必要がある。これら材料の破壊靭性は、
SiCホイスカーが30v/oないし36v/oの範囲において増加
し最大になるが鋼の機械加工中の基材の化学反応性は、
SiCホイスカー含有量の増加と共に大きくなることが信
じられている。本発明においては基材は鋼との接触を避
けるためアルミナでコートしてあるが、使用中にアルミ
ナコーテイングは摩耗し、基材は高温の鋼と加圧された
状態で直接接触し、チップは高速度でレーキ面を横切っ
て移動する。この状態においては、SiCホイスカー含有
量が多い程、基材の反応性が高くなり、そして亀裂の進
行による工具の早期破損の可能性が大きくなるものと考
えられる。従って、工具の寿命を最大化するためにアル
ミナコーテイングによって基材の反応性と破壊靭性との
間のバランスを崩されなければならないことが理論づけ
られる。さらに、上記バランスが生じる時のSiCホイス
カー含有量は、鋼の組成と硬度いかんで異なることが理
論づけられる。たとえば、低炭素鋼とか中炭素鋼のよう
なより軟い鋼はより硬い鋼よりも、SiCホイスカーとの
反応性が高いと信じられている。さらに、インサートの
破壊靭性は軟らかい材料を旋盤加工する時はそれ程高く
なくてもよいと信じている。
従って、低または中炭素鋼を高速荒削り機械加工する
際には、SiCホイスカー含有量を下げると最適な切削工
具寿命が得られる。
本発明を全く例証するためのみの次の諸実施例を考察
することによって、本発明はさらに明らかにされる。表
−Ｉに記載の約725ないし750グラムの混合組成物１ない
し５は、まず超音波震動によって約１時間半SiCホイス
カーの塊りをとき（直径0.3〜0.7ミクロン、長さ20〜50
ミクロン）、次に適当量の高純度のアルミナ、3.2〜3.5
リットルのイソプロピルアルコール及び2.3キログラム
の6.35mmアルミナサイクロイドを加えて調整された。こ
れらの材料を徹底的にしかも穏やかにボールミルで１時
間混合することによって、SiCホイスカーを過剰に破砕
することなくアルミナ中にほぼ均一に分散させた。また
予め高純度のアルミナ（ALCOAグレードA16GS）を予め粉
砕して、平均寸法を約0.5ないし0.6ミクロンにしておい
た。混合後、得られた粉末混合物は乾燥され、100メッ
シのふるいに通し大きな塊りはすべて除去された。各混
合物の粉末を次に直径44.45mmのグラファイトのダイの
中で1800℃、１時間、圧力281.2kg/cm（4000psi）で熱
間プレスしてほぼ最高密度（即ち理論密度の98％以上）
を有するビレットをホイスカーの形状を目立つ程には破
壊しないで得た。なお熱間プレス時約１気圧の不活性ア
ルゴンの雰囲気が維持された。
熱間プレスして得たビレットは切断され研摩されて、
SGN−453Tタイプの切削用インサートを得られた。
文字ＴはＫランドまたは面取りを表わす。本インサー
トの場合、面取りはレーキ表面に0.008インチの突出し
た幅を有し、またレーキ面の平面から切削刃とフランク
面に向かってこれが伸びるとき20度の角度で傾斜してい
る。次に、各組成物による若干のインサートは約950℃
で普通の化学蒸着法によってインサート基材に厚さ３〜
５ミクロンのアルミナコーテイングがコートされ接着さ
れた。
各混合物を用いた切削用インサート（コートされた場
合及びコートされない場合と両方の場合）を、表−II、
表−IIIに示す機械加工条件に従い、AISI1045鋼と4340
鋼の高速荒旋削り旋盤加工に使用された。その結果は表
−II、表−IIIに示されている。
前記諸表およびSiCホイスカー含有量の関数として切
削用工具の寿命データを要約した図−１、図−２から明
らかなように、アルミナコートした特定組成のSiSホイ
スカー強化アルミナ切削用インサートによって、切削用
工具の寿命が顕著にしかも予想を上回って改善される。
比較的軟らかい材料である1045鋼（ブリネル硬度No.192
〜202）に対しては、混合物No.1の基材（SiCホイスカ
ー:15v/o）を用いたアルミナコートしたインサートの場
合に、最高の切削工具寿命が得られた。SiCホイスカー
含有量が増大すると、寿命が短くなる。これは基材と鋼
との反応性が増大するためであると信じられている。Si
Cホイスカー含有量が15v/o未満の場合の試験は行われな
かったがSiCホイスカー含有量が5v/o未満の基材はこの
材料を機械加工するのに必要な破壊靭性を持っていない
と信じられている。
したがって1045のような中炭素鋼を機械加工し、高速
荒削り時に最大工具寿命を得るための基材のSiCホイス
カー含有量は好ましくは約５ないし20v/o、さらに好ま
しくは10ないし18容量パーセントである。
一般に硬度が295BHN（ブリネル硬度）である4340鋼に
対しては、供試されたアルミナコートされた材料のう
ち、切削用工具の寿命が最もながかったのはSicホイス
カー含有量が約25v/o（混合物No.3）のものであった。S
iCホイスカー含有量を30〜35v/oに増すと、切削用工具
の寿命が顕著に減少することが観察された。こうした寿
命の減少は基材の反応性が高くなるためであると信じら
れている。SiCホイスカー含有量が20や15v/oに減少され
ると、切削用工具の寿命は再び顕著に減少した。しかし
ながら、これら減少はSiCホイスカー含有量減少にもと
づく破壊靭性減少によるものと信じられている。従っ
て、4340のような低合金鋼を機械加工し、高速荒削り時
に最大工具寿命を得るためには、基材のSiCホイスカー
含有量が好ましくは20v/oを上回り30v/o未満であり、さ
らにより好ましくは22v/o以上28v/o未満であることであ
ると信ずる。
SiCホイスカー濃度範囲が5v/oないし30v/oである場
合、低炭素鋼、中炭素鋼、高炭素鋼、低合金鋼およびス
テンレス鋼のような種々の鋼類を高速荒削りするよう設
計された、一連のアルミナコートされたグレードを開発
できることは今や明らかである。必要とされる特定な基
材の組成は、基材と鋼との反応性および鋼の硬度または
強度によって左右される。
受容できる結果は、アルミナコーテイングの厚さが1.
5ないし10ミクロンの範囲に在るときに、より好ましく
は３ないし７ミクロンの範囲に在るときに達せられるも
のと信じられている。更に寿命の一層の改善は、もしTi
Nコーテイングをアルミナコーテイングの上に塗られて
接着させられるならば達せられるものと期待される。Ti
Nコーテイングはアルミナコーテイングに直接施すか、
或は例えばTiCNの中間コーテイングによってアルミナコ
ーテイングに接着され得ることが現在では考えられてい
る。TiNコーテイングはアルミナコーテイングよりも摩
擦係数が低いことが技術的によく知られている。もし、
TiNコーテイングを施すとすれば、その厚さは好ましく
は0.5ないし10ミクロンであるべきであり、さらに好ま
しくは0.5ないし５ミクロンであるべきである。
さらに、中間コーテイングをアルミナコーテイングと
基材の間に設けることによってアルミナコーテイングの
接着を改善することができるものと信じられている。現
在、この中間コーテイングはチタニウムカーバイド、窒
化チタニウム、又は炭窒化チタニウムのコテイングが考
えられている。
さらに、これら材料の焼結性を改善するために焼結助
剤を加えることができると考えられている。現在、ジル
コニア、マグネシア、及び／又はイットリアのような希
土類酸化物を少量、全部で約2v/o以下使用することが考
えられている。しかしジルコニアについては、基材の破
壊靭性をさらに改善するため、基材に対し20v/oを超え
ない範囲で添加することができる。
さらに、本発明の製造コストは、もし基材の密度をほ
ぼ完全に最大化するためこれまで使用されてきた熱間プ
レスのかわりに、本出願と共に出願されたピー・ケー・
メロトラ外（P.K.Mehrotra et al）によりペンデイング
の米国特許出願番号第092.118号に記載の圧縮化方法を
用いれば、低減できるものと信じられている。出願番号
092.118の場合は、セラミック基材を含有するホイスカ
ーを焼結して実質的に最大密度にする方法において：
（ａ）焼結性セラミック組成物からなる成形体を形成す
る段階と；（ｂ）後続の静圧プレス（isostaticpressin
g）段階の前または同段階中にガラス質に変化しないセ
ラミック組成物を蒸着によって前記成形体にコートする
段階と；（ｃ）前記成形を理論密度に接近させるため
の、プレス温度およびプレス圧力においてコーテイング
及び／又は成形体と反応する雰囲気中でコートされた成
形体を加熱しそして静圧プレスする段階とからなる方法
が示されている。ここに言及した本出願番号第092.118
および他の全ての出願と特許は参考としてここに引用す
るものである。
本発明の他の実施例は、当業者にはここに開示した発
明の明細書または実施を考慮すれば明らかであろう。ま
た、本明細書と実施例は単に例示的なものに過ぎず、本
発明の真の範囲と精神は次に述べるクレームによって示
されることを意図するものである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ビルマン エリザベス アール アメリカ合衆国 ペンシルヴアニア州 15217 ピツツバーグ ウイルキンス アヴエニユウ 5430 (56)参考文献 特開 昭57−16162（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−145087（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−74585（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−227787（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−106478（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−186491（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−45190（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−147884（ＪＰ，Ａ)

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】切削インサートにおいて、 当該切削インサートのレーキ面とフランク面の接合部に
    形成された切削刃と、 レーキ面の平面の中において一定の巾をもつ面取りされ
    た面であって、切削刃とフランク面の方向に伸びるとき
    レーキ面の平面から傾斜する面取りされた面と、 基材と当該基材に接着されたアルミナコーテイングとを
    有する当該切削インサートであって、 当該基材が５容量パーセント以上で、20容量パーセント
    未満のシリコンカーバイドホイスカーと、95容量パーセ
    ント未満80容量パーセント以上のアルミナとを含み、か
    つ当該アルミナコーコーテイングが1.5μｍから10μｍ
    の間の厚さを有することを特徴とする切削インサート。
  2. 【請求項２】請求項１記載の切削インサートにおいて、 当該アルミナコーテイングは約３から約７μｍの間の厚
    さを有することを特徴とする切削インサート。
  3. 【請求項３】請求項１記載の切削インサートにおいて、 当該SiCホイスカーは当該基材の約10と18容量パーセン
    トの間より成ることを特徴とする切削インサート。
  4. 【請求項４】請求項１記載の切削インサートは、更に当
    該アルミナコーテイングの上に接着されたTiNコーテイ
    ングを含むことを特徴とする切削インサート。
  5. 【請求項５】請求項１又は３記載の切削インサートにお
    いて、 当該基材は更に焼結助剤を含むことを特徴とする切削イ
    ンサート。
  6. 【請求項６】請求項１又は３記載の切削インサートにお
    いて、 当該基材は更に当該基材の約２容量パーセントより大き
    い量であるが20容量パーセントを超えないジルコニアを
    含むことを特徴とする切削インサート。
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