JPH08510965A - 高zシアロンとこれから作られた切削工具及び使用方法 - Google Patents

高zシアロンとこれから作られた切削工具及び使用方法

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Abstract

(57)【要約】 高温合金及び鋳鉄の高速度機械加工における切削工具として用いられるためのセラミック材料がベータプライムシアロン(Si6_z AlzOzN8_z,ここで1<Z<3)及び粒子間相の組成で与えられている。この材料は300から1500表面フィート/毎分の速度で高温合金の高速機械加工に用いられた時に高い耐摩耗性と信頼性とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】 高Zシアロンとこれから作られた切削工具及び使用方法 発明の背景 本発明はシアロンの組成に関し、特に金属材料の機械加工用の切削工具として 用いられるものに関する。 高い耐摩耗性と信頼性をもつ切削工具は高温合金の高速機械加工において生産 性向上のために極めて重要である。 高温合金(又は超合金)は一般に機械加工性が乏しいものとして分類されてい る。この結果結合されたカーバイドの工具を用いる時には鋼に対して用いられる 高速の単に10から20パーセントの速度でのみこれらは機械加工されている。 しかし乍ら、高温合金の機械加工の速度は、シリコン窒化物、シアロン(米国特 許No.4.711.644,3.911.166,4.789.277)又はシリコンカーバイドホイスカーで 強化されたアルミナ工具(米国特許No.Re.45.196,4.789.277及び4.961.757)を 用いることによって大巾に増加されることができる。これらの中でシリコンカー バイドホイスカーで強化されたアルミナ工具は最も高い耐摩耗性を与えるが、し かしシリコンカーバイドホイスカーが高価であることと、これらの工具を製造す るために必要とされる製作技術即ちホットプレッシング(冷間プレッシング後の 焼結に対して)のために最も高価である。シアロンを含むセラミックの切削工具 は一般にベータプライムシアロン(Si6_z AlzOzN8_z)と粒子間相又はベータプ ライムとアルフアプライムシアロン(Si,Al)12 Mx(O,N)16、ここにおいてX は 0.1と2の間であり、MはLi,Ca,Mg,Hf,Zr,Ce,Y,Sc又は他のランタン系 列元素であることができる〕及び粒子間相を含む。ベータプライムシアロンのZ の価は0よりも大きくてもよいが、4.2よりも小さい。しかしシアロンベース の(即ち50v/o又はそれ以上のシアロンを含む)切削工具の凡ての市販の品位 は大巾に1.0以下のZの価をもつ。何故ならばZの価が増加するとシアロンの 靭性が低下すると信じられているからである。 異色のセラミック(Al2O3+TiC)及び若干の白色セラミック(Al2O3及びAl2O3+ ZrO2)も又これらの応用においてすぐれた耐摩耗性を示すが信頼性に欠ける欠点 がある。 従って、高温合金の高速機械加工において高い耐摩耗性と靭性の組合わせをも つ経済的なセラミックの工具の材料に対する必要性がある。同様に鋳鉄、硬化さ れた鋳鉄及び硬化された鋼の機械加工においても高い耐摩耗性と靭性の組合わせ を有する経済的なセラミックの材料に対する必要性がある。 本発明の簡単な概要 高温合金の高速機械加工において大巾に強化された耐摩耗性と靭性をもつ新し いセラミック材料が驚くべきことに発見された。ベータプライムシアロンとガラ ス状の相から成るこの新しいセラミック材料は、高温合金の高速機械加工におい て色々な機械加工条件の下で、シリコンカーバイドホイスカーで強化されたアル ミナの性能と同等又はよりよい性能を与えることができることが発見された。こ の新しい材料の重要な且つ予期されなかった利点は、これが金属切削において高 い耐摩耗性と破断 抵抗を安いコストで組み合わせることである。何故ならばこれはSiCホイスカー を利用せず且つ製造のためにホットプレッシングを必要としないからである。こ の材料から作られた切削工具はより安い冷間プレッシングと焼結のルートによっ て作られる。この材料は又鋳鉄と鋼の機械加工にも有利に用いられるものと信じ られる。 本願発明によればセラミック金属切削用インサートが高温合金の高速(即ち少 なくとも300表面のフイート/毎分)のチップを形成する機械加工用に与えら れる。この切削工具はフランク面と、レーキ面と及びレーキ面とフランク面の接 合部に形成された切削刃とを有する。このセラミック材料はシアロンの粒子とシ アロン粒子の間に配置された粒子間相とを有する。好ましくは70容量パーセン ト(v/o)及びより好ましくは85v/oのシアロンがベータプライムシアロン(Si6 _zAl2OzN8_z)であって、このZの値は1.0よりも大きく3.0よりも小さい 。好ましくはZは約1.5以上の値をもち、より好ましくは1.7以上である。 この材料は金属切削の間のすぐれた熱衝撃に対する抵抗をもつものと信じられて いる。 好ましくはこの材料は285GPa以下のより好ましくは270GPa以下のヤング 率Eを有する。好ましくはK1c(E&C)割れ靭性は4.0と6.0MPam1/2 であり、より好ましくは約4.6と約5.7GPaの間である。 又本発明によると上述のセラミックの切削インサート300から1500表面 フイー卜/毎分の速度で利用する高温合金の高速機械加工の方法が与えられてい る。この範囲の中の好まし い速度は仕上げと荒削りに対して夫々500から1200及び300から800 表面フイート/毎分である。好ましくは仕上げにおいては0.001から0.0 08インチ/回転の送りのレートが用いられている。好ましくは荒削りにおいて は0.005から0.018インチ/回転の送りのレートが用いられている。 本発明のこれら及び他の面は、下記の詳細な説明に関連し、下記に簡単に説明 した図面を検討することにより一層明らかとなるであろう。 図面の簡単な説明 第1図は本発明による切削インサートの1つの実施例を示す。 第2図は本発明によるシアロン材料の典型的な微細構造を10.000倍で示 す。 第3図はZの値の関数としてのKIc(E&C)割れ靭性のグラフである。 第4図はベータプライムシアロンのZの値の関数としての工具の摩耗のグラフ であり、他方機械加工されるインコネル718はロックウエル硬度34を有して いる。 第5図は温度の関数として本発明の実施例のヴイッカース硬度(1kg)をkg/ mm2で示す。 第6図はインコネル718の高速機械加工において、実質的に一定の金属の除 去比率に対し、機械加工の速度と送りのレートの関数としての工具の寿命の分単 位のグラフである。 本発明の詳細な説明 本発明に従って、第1図は本発明者によって開発されたセラ ミック材料から成る割り出し可能なセラミックの金属切削インサート10の好ま しい実施例を示す。金属切削インサート10は、ニッケルベースの合金……イン コネル625、インコネル718及びインコロイ901及び鉄ベースの合金イン コロイ909、コバルトベースの合金−MAR−M−509及びMAR−M−2 47、粉末金属の合金−Rene95及びIN−100、並びにステライト及び ハステロイのような高温合金の高速度のチップを形成する機械加工(たとえば旋 盤加工、フライス加工、溝掘り加工、及びねじ切り)に使用されるのが好ましい 。この材料は又鋳鉄(例えばねずみ鉄)の高速機械加工及び硬化された鋼及び硬 化された鋳鉄の機械加工にも用いられる。金属切削インサートはレーキ面30を 有し、この面の上を高温合金、鋳鉄、又は鋼の高速度機械加工の間に形成される チップが流れる。レーキ面30に接合してフランク面50がある。このレーキ面 とフランク面50の接合部に、高温合金、鋳鉄又は鋼に高速で切り込む切削刃7 0が形成されている。切削刃70はホーニングされるか、面取りされるか又は面 取りとホーニングされた状態にある。このホーニングは産業界で用いられる如何 なるスタイル又は寸法のホーニングであってもよい。多くの応用においてよい結 果を与えることが見出された1つの特定のスタイルは0.001から0.002 インチの半径のホーニングである。この代りに、切削刃70は0.003インチ ×20°の面取り(即ちT−ランド)をもってもよい。この面取りは単独で用い られてもよく又はホーニングと組み合わされてもよい。 上述の金属切削インサートは本発明によるセラミック組成物より成り立ってい る。この組成はシアロン粒子の間に配置された粒子間相を有するシアロン粒子の 微細構造を有する。単一又は複数のシアロン相は少なくとも全体のセラミックの 組成物の50v/o(容量パーセント)を形成する。少なくともシアロンの70v/o はベータプライムシアロンであり、且つ好ましくはシアロンの85v/oはベータ プライムシアロンであり、且つより好ましくはシアロンの100v/oがベータプ ライムシアロンである。 粒子間相は好ましくは非結晶体であるが、又小量のYAG(イットリウムアル ミニウムカーネット)Y−N−α−珪灰石、YAM、N−YAMのような結晶相 を含んでもよい。粒子間相は用いられた焼結助剤からの生成物である。組成の中 における粒子間相は1.0から15v/oであるが、約5から15v/oであることが 好ましい。約15v/o以上においては、非結晶体の粒子間相は高温の変形に対す る抵抗と熱伝導度を許容できない程度に迄減少させる。粒子間相を生成するため に用いられる焼結助剤はリチウム、カルシウム、マグネシウム、ジルコニウム、 ハフニウム、セリウム、イットリウム、スカンディウム、ランタン又はランタン 系列元素の他のもの1つの酸化物から選ばれる。上記にリストされた元素の中で はイットリウムが好ましい。何故ならばイットリウムは高度の耐熱性の酸化物を 有し、この酸化物は材料の中に存在するシリカとアルミナと共に高い融点のガラ スを生成し、これによって低い温度のガラスで可能なものより高い温度でこの製 品を使用することを可能とするからで ある。焼結混合物中にイットリアが存在することによって、焼結する間に圧力を 加えることなく高密度で強度の高い製品を生む結果となることが見出された。最 適の切削性能を与えるために、この材料は1%以下の多孔性を有し、且つ好まし くは完全に密であるべきである。このすぐあとに述べる実例において、量的な金 属表面拡大図を利用してZが略2に等しく、この中のシアロンが100%ベータ プライムである材料の中の粒子間相の容量パーセントの特性を表わした。分析さ れた2つのロットにおいて、粒子間相の平均の容量パーセントは夫々約3.1と 1.2の標準偏位をもって約11と12容量パーセントであった。典型的な微細 構造は第2図に示されている。明るい又は白い相は粒子間相であり、一方黒い相 はシアロンである。本願発明による代表的な材料のX線回折模様では、何等の結 晶形粒子間相を探知することはできなかった。 今本願発明のシアロン相の議論に立戻ると、シアロンが100%ベータプライ ムシアロンであることが好まれる一方で、小量の他のシアロン相が存在してもよ いことが認められる。これらの其の他のシアロン相はポリタイプ相(エクストロ ームの米国特許No.4.818.635参照)を存在する全シアロンの5v/o以下のレベル で含む。アルフアプライムシアロンは、その高い硬度のために耐摩耗性を向上さ せる一方で靭性には影響を及ぼし、従って存在するとしても、全シアロンの30 v/o迄のレベル、より好ましくは15v/o以下のレベルでのみ存在すべきである。 本願発明の代案の実施例においては、好ましくは30v/o以下の且つより好ま しくは15v/o以下の小量の耐熱相が組成に 加えられてもよい。加えられる量は、これらの相が我々の材料の耐摩耗性を増加 させる一方で、高い熱膨張係数のために熱衝撃抵抗を減少させるようであること によって制限される。用いられる耐熱性材料はTiN,TiCN,TiC,HfN,HfCN,HfC ,ZrN,ZrCN及びZrCの中の1つ又はそれ以上を含む。これらの化合物の中ではTi N及びZrNが好まれる。 我々の組成の中にあるベータプライムシアロンは組成中に存在するシアロンの 少なくとも70v/o且つ好ましくは凡てを形成し、且つフオーミュラSi6_z Al2 O zN8_zを有し、ここでZは1よりも大きく3よりも小さい。本発明の背景におい て認められるように、本願発明以前のシアロンベースの切削工具の凡ての市版品 のグレードでは、Zの値を増加すると靭性(K(E&C))を減少させる結果となる と信じていることに基いて、Zの値は1よりずっと低くされていた。本願申請人 は、Zの値が約0.1から3.0に変化するシアロンと粒子間相(4.7w/oのY2O3 を常に加えて)を含むサンプルをテストすることによってこの信ずることを立証 した。第3図はこれらのテストの結 3.0における約4.0MPam1/2の低い点へKIc(E&C)割れ靭性が連続して減少して いることを示している。部分的にこの情報に基いて、本願発明のZの値を2.5 以下に、且つより好ましくは2.3又はそれ以下に保つことが好ましい。 しかし乍ら、1より小さいZの値を有するベータプライムシアロンをもつセラ ミックが高い靭性をもち、且つ信頼できる切削工具を作る一方で、これらは高温 合金の高速機械加工におい て比較的耐摩耗性に乏しいことが実際の応用により判明した。このことは第4図 に表示され、インチ単位の工具の摩耗が、ベータプライムシアロンと粒子間相か ら成るセラミックの切削工具の想定されたZの値の関数として示されている。旋 盤により機械加工された材料はロックウエルC硬度34を有するインコネル71 8であった。テスト条件は、800表面フィート/毎分0.008インチ/回転 の送りのレート、0.06インチの切削の深さであり、且つ時間は5分間であっ た。第4図に見られるように限界の摩耗のフアクターは最大のフランクの摩耗( MW)である。第4図からは又最大のフランクの摩耗抵抗はZの値の約1又はそれ 以下において大巾に低下することが見られる。 従って本願発明に対して高温合金の高速機械加工の間に最良の耐摩耗性の保証 を与えるためには、Zが1以上、好ましくは約1.5以上、より好ましくは1. 7以上であることが極めて重要である。第4図において認められる其の他の摩耗 の機構は、フランクの摩耗(FW)、ノーズの摩耗(NW)及び切削深さのノッチン グ(DCN)である。 驚くべきことに、本願発明による材料のより低い割れ靭性(すなわちZ>1) にも拘らず、このテストにおいて工具の破損については問題がなかった。 本願発明が高温合金の高速機械加工に対して有する重要な利点は次の実例によ って更に示されているが、これらの実例は本願発明を全く例示することのみを意 図されているものである。 Zの値が約1.5,2.0及び2.5であるSNGN-453のスタイル(SNGN 12 07 12)の切削インサートが以下の技術を用いて 製造された。以下の記述はZ=2.0の組成に対するものである。他の組成のも のは、出発する混合物が所望のZの値を得るために適当するように変化されたこ とを除いては類似のやり方で作られた。 出発する材料は表1に示された比率であって、72時間ミルされて、14−1 6dm2/gのBETの表面積と粉末の少なくとも90%が0.9μmより小さい粒子 寸法範囲を得た。ミリング後に、粉末は乾燥され、6.5w/oの潤滑剤/バイン ダーと共にペレットを作られ且つ次に単軸に冷間プレスされて所望の形状のグリ ーンインサートを形成した。グリーンインサートは次にデルーブ(delube)され 、引続き窒素1気圧の下で100分間1720から1800℃において適当なセ ッテイング粉末を用いて焼結された。 グレードSN−E10のSi3N4の粉末は日本国東京の宇部興産(株)から入手できる 。この粉末は等軸で、約0.2μmの平均粒子寸法を有し、略100パーセント 結晶体であり、95パーセント以上がアルファシリコン窒化物で、残りは若しあ るとすればベータシリコン窒化物である。グレードSN−E10のシリコン窒化物の 組成は(重量パーセントで)N>38.0,O<2.0,C<0.2,Cl<100PPm,Fe<100ppm,Ca <50PPm,Al<50PPm,及び残りSiである。 グレードCのAlNはニューヨーク州ニューヨーク市のヘルマンCスターク社か ら入手できる。この粉末は6角形のB4単相の結晶構造をもっている。グレード Cのアルミニウム窒化物の組 アルミニウムである。 グレードセラロックスHPA0.5はアリゾナ州タクソンのセラロックス社から入手 できる。セラロックスHPA粉末は高純度の で)、Na−44,Si−93,Fe−21,Ca−21,及びMg,Cr,Cu,Mn,Li,Ga,K,Ni ,TiとMoの夫々が1から5PPm以下である。セラロックスHPA0.5グレードにおい ては500PPmのマグネシア(MgO)が高純度アルミナに加えられている。 フアイングレードのY2O3も又ヘルマンC、スターク社から入手できる。この粉 末は重量で少なくとも99.5%のY2O3の高純度粉末である。金属不純物の最大 の重量パーセントは0.05である。 焼結後典型的なZ=2の材料の特性は表IIに示されている。 室温と高温にて得られた硬度は第5図に示され、これらはZの値が1以下のシ アロン組成物において得られたものと類似である。しかし乍ら、1000℃にお ける高温の硬度は、市販のSiCホイスカーで強化されたアルミナの切削工具にお いて認められるものよりも大巾に大きい。ちなみに市販のSiCホイスカーで強化 されたアルミナの切削工具は1000℃において約950kg/mm2の硬度をもつ にすぎない。 本願発明に従って、約1.5、2.0及び2.5のZの値を有する切削インサ ートが、表III、IV及びVに示された条件の下で次にテストされてこれらの摩耗 特性を決定された。表IIIに記述された条件の下で最も速いタイプの摩耗は最大 のフランクの摩耗であった。しかし乍らZの値が1.5から2.5に増加するに つれてこれは減少した(第4図参照)。表IVに記載の条件 の下ではフランクの摩耗、最大のフランクの摩耗及びノーズの摩耗の凡てがZ= 2の材料において最小に達した。この材料においてすら、切削ノッチングの深さ は、同じテスト条件に曝された市販のSiCホイスカーで強化された材料で認めら れるものの約半分にしかすぎなかった。表Vのテストにおいて、切削ノッチング の深さは再び最も速いタイプの摩耗であった。しかし乍ら表Vのテストに関連し て認められるように、同じテストに曝された市販のSiCホイスカーで強化された 材料において認められるものよりも少なかった。 第6図において、本願発明のセラミック材料(Z=2)が、通常インコネル7 18を機械加工するために用いられるアルフ イスカーで強化されたアルミナの市販のグレードに対してテストされた。図に示 されたように工具の寿命は3つの機械加工条 件に対してプロットされた。機械加工の速度は左から右へと増加しており、一方 フィードのレートは右から左へと増加し、切削の深さは下に示されたように一定 に保たれた。 条件A : 800sfm(244m/min) 0.012ipr(0.31mm/rev) 0.060 インチDOC(1.52/min) 条件B : 1000sfm(305m/min) 0.010ipr(0.25mm/rev) 0.060 インチDOC(1.52/min) 条件C : 1200sfm(366m/min) 0.008ipr(0.20mm/rev) 0.060 インチ DOC(1.52/min) 金属を取除く比率は夫々の条件に対して実質的には一定であった(A=B=6. 9in3/min(113cm3/min);C=7.2in3/min)(118cm3/min)。機械加工された材 料はロックウエルC硬度26を有するインコネル718であった。 1200sfm(366m/min)以下の速度においては、本願発明のものはホイスカ ーで強化された材料よりも長い工具寿命を有していた。1200sfm(366m/min)に おいては、シリコンカーバイドホイスカーで強化されたアルミナはより長い工具 の寿命を有していた。800sfm(244m/min)においては、本願発明の工具の寿命は 10分間よりも大きかった。テストされた凡ての条件の下で本願発明は低シアロ ン材料よりもよい工具寿命を有していた。このテストにおいて、低Zのシアロン 材料はフランクの摩耗に よって使用不能となり、シリコンカーバイドホイスカーで強化された材料は切削 深さのノッチングと云うあまり予測できない破損の機構のために使用不能となり 、本発明による材料はノーズの摩耗によって使用不能となった。 これらの結果によれば、本願発明は従来のシアロンの組成物と比較して改良さ れた耐摩耗性を有し、一方驚くべきことに、同時に高温合金の高速機械加工にお いて、SiCホイスカーで強化されたアルミナに対して、多くのこれらの応用にお いて効果的にこれと対抗し得るだけの十分な靭性を有することが明らかに示され ている。シリコンカーバイドホイスカーで強化されたアルミナが本願発明よりも 長い寿命を有する機械加工の応用においては、機械加工の速度を減少させフィー ドのレートを増加させることがのぞましい。 このようにして、本願発明の工具の寿命はシリコンカーバイドホイスカーで強 化されたアルミナの工具の寿命と等しいか又はこれよりもよいものに増加され、 一方第6図に示されているように、実質的に同じ金属除去のレートを維持してい る。 理論によってしばられることはのぞましくないが、本願発明のKIc割れ靭性が 低いにも拘らず本願発明が発見された機械加工における驚くべき程度の靭性に対 してその理由をより良く理解しようとする説明のために次の理論が提示されてい る。 本願発明の過去の低シアロンの金属切削工具のように、針状のベータプライム 粒子構造を含む(第2図参照)。しかし、低 の低いKIc(E&C)割れ靭性を有する(表VI参照)。 しかし高温合金の機械加工の間に本願発明の機械加工における信頼性又は靭性 (即ち破損への抵抗)は約0.4のZの値をもつベータプライムシアロンと約0 .8のZの値を有するアルファプライムとベータプライムシアロンとの間にあり 且つシリコンカーバイドホイスカーで強化されたアルミナよりもよい。この驚く べき機械加工における靭性は材料の熱衝撃抵抗によるものであろう。1つの材料 を他のものに対して比較する目的のために、熱衝撃抵抗はKIc/Eα又はKIcK /Eαのような熱衝撃パラメーターによって推定される。表VIに示されているよ うに、熱衝撃パラメーターKIc/Eαは本願発明の機械加工において、これがZ =0.4とZ=0.8シアロンの間にあると云うことにおいて驚くべき靭性の可 能な説明として提供される。このことは本願発明のヤング率が低Z材料における この性質の値よりも驚く程低いことによるものである。本願発明に対する熱膨張 係数αは計測されなかったが、低Zシアロンに見出されるものと同じであると推 定される。表6から見ることができるように、上記の理論に基いて、本願発明の 熱衝撃抵抗は、シリコンカーバイドホイスカーにより強化されたアルミナの熱衝 撃抵抗よりもよいように見える。 本願発明に対するニッケル、鉄、及びコバルトベースの高温合金の旋盤加工に おける好ましい応用範囲は表VIIに示されている。 硬化された鋼、硬化された鋳鉄、ダクタイル鉄及びねずみ鋳鉄を旋盤加工する ときの好ましい応用範囲は表VIIIに示されている。 本願発明のもう1つの代案の実施例においては、前述のセラミックの切削イン サートは、高速度機械加工において耐摩耗性を改善するために耐熱性コーテイン グをコートされてもよい。結合されたカーバイド又はセラミック切削工具をコー トするために用いられる化学蒸着のような通常のコーテイング技術が用いられて 、Al2O3,TiCN及びTiN単独又は組合わせのような耐熱性材料の1層又は多層を含 む1−10μmの耐熱性コーテイングを塗る。最も好ましいのはAl2O3ではある が、Al2O3又はTiN層は好ましくは直接基板に塗られて、コーテイングと基板との 間の最良の接着を保証する。予備テストにおいて、本願発明に従った基板(10 0%Z=2のベータプライムシア ルの切削インサートに製作され、且つ通常のCVD技術によって先ず基板に隣接 して1μm厚さのAl2O3の層をコートし、次に3μmのTiCN,2μmのAl2O3及び 最後に1μmのTiNをコートした。コートされたインサートは、次に毎分200 0表面フィートの速度で、1回転当り0.015インチのフィードレートで、0 .080インチの切削深さで、15度のリード角でクラス40ねずみ鋳鉄の高速 乾式旋盤加工でコーテイングのない同じ材料に対比してテストされた。コートさ れていない材料は8.5分の工具の平均寿命を持っていたが、一方コートされた 材料は驚くべきことに17.5分を越える平均 の工具寿命をもち、これはコートされない工具の平均寿命の2倍以上であった。 更に加えて、コートされない工具が破損により使用不能になったのに対して、驚 くべきことにコートされた工具はフランクの摩耗で使用不能となるか又は20分 間の機械加工テストの終了迄全く使用不能とはならなかった。 ここに用いられたように、KIc(E&C)はヴイッカースのインデンター(inde ntor)上で18.5kgの負荷を用いるパームクヴィスト(Palmqvist)インデン テーション技術を用いて磨かれた表面上で計測された割れ靭性である(エヴアン ス及びチャールスの「インデンテーション(indentation)による割れ靭性の決 定」J.American Ceramic Society,59巻No.7−8、371、372頁参照)。 ここに参照された凡ての特許及び他の刊行物は完全な形で参考として組入れら れる。 本発明の他の実施例はここに開示された本発明の実際又は本明細書を考察する ことにより当業者には明らかとなろう。この明細書と実例は単に例示するものと して考えられ本発明の真の範囲と精神は次の請求項によって指示されることが意 図されているものである。
【手続補正書】特許法第184条の7第1項 【提出日】1994年9月30日 【補正内容】 請求の範囲 1.高温合金の高速のチップを形成する機械加工用のセラミックの金属切削用イ ンサートにおいて、 フランク面と、 当該高温合金の当該高速機械加工の間に形成される当該チップがその上を流れ るレーキ面と、 当該レーキ面と当該フランク面の接合部に形成され、当該高温合金の当該高速 チップ形成機械加工の間に当該高温合金の中へ切り込むための切削刃とを含み、 当該セラミックはシアロンの粒子と当該シアロン粒子の間に配置された粒子間 相とを有し、 シアロンは当該セラミックの少なくとも50v/oを構成し、 当該セラミックは1v/o以下の多孔性を有し、 当該シアロンの少なくとも70v/oはベータプライムシアロンであり、且つ 当該ベータプライムシアロンは1.5より大きいが3.0よりは小さいZの値 を有することを特徴とするセラミックの金属切削インサート。 2. 請求項1のセラミック金属切削インサートにおいて、当該粒子間相は、当 該セラミックの約5から約15v/oを形成する非結晶相を含むことを特徴とする セラミックの金属切削インサート。 3. 高温合金の高速のチップを形成する機械加工の方法において、 当該高合金の表面から、セラミックの切削インサートを用いて高速で、当該高 温合金と係合して当該高温合金のチップを形成することによって当該高温合金の 表面から取除き、 当該切削インサートはフランク面とレーキ面とを有し且つ当該レーキ面と当該 フランク面の接合部に形成された切削刃は、 当該高温合金の当該チップを当該レーキ面を横切って流し、 当該セラミック切削インサートはシアロンの粒子と粒子間相とを有し、当該粒 子間相は当該シアロン粒子の間に配置され、 当該シアロンは当該セラミックの少なくとも50v/oを含み、 当該セラミックは1v/o以下の多孔性を有し、 当該シアロンの少なくとも70v/oはベータプライムシアロンであり且つ当該 粒子間相は当該セラミックの5から15v/oを形成し、 当該ベータプライムシアロンは1.5よりも大きく、しかし3.0よりも小さ いZの値を有し、 当該高速とは300から1500表面フィーと/毎分であることを特徴とする 方法。 4. 請求項3の方法において、当該速度は500から1200表面フィート/ 毎分であることを特徴とする方法。 5. 請求項3の方法において、当該速度は300から800表面フィート/毎 分であることを特徴とする方法。 6. 請求項4の方法において、当該材料の当該除去は0.001から0.00 8インチ/回転のフィードレートで行われることを特徴とする方法。 7. 請求項5の方法において、当該材料の当該除去は0.0 05から0.018インチ/回転のフィードレートで行われることを特徴とする 方法。 8. 高温合金の高速のチップを形成する機械加工用のセラミックの金属切削用 インサートにおいて、 フランク面と、 当該高温合金の当該高速機械加工の間に形成された当該チップがその上を流れ るレーキ面と、 当該レーキ面と当該フランク面の接合部に形成されて、当該高温合金の当該高 速のチップを形成する機械加工の間に当該高温合金の中に切り込む切削刃とを含 み、 当該セラミックはシアロンの粒子と当該シアロン粒子の間に配置された粒子間 相とを有し、 当該シアロンは当該セラミックの少なくとも50v/oを構成し、 当該セラミック1v/o以下の多孔性を有し、 当該シアロンはベータプライムシアロンより成り、 且つ当該ベータプライムシアロンは1.0よりも大きいが3.0よりも小さい 理論的なZの値を有することを特徴とするセラミック金属切削インサート。 9. 請求項8のセラミック金属切削工具において、 当該粒子間相はガラスであって且つ当該セラミックの約5から15v/oを形成 することを特徴とするセラミック金属切削工具。 10. 請求項8のセラミック金属切削工具において、 当該セラミックは4.0よりも大きいがしかし6.0 MPam1/2よりも小さいK 割れ靭性を有することを特徴とする金属切削工具。 11. 請求項8のセラミック金属切削工具において、 ヤング率は285GPaよりも少ないことを特徴とする金属切削工具。 12. 請求項8のセラミックの切削工具において、アルファプライムシアロン が存在し、且つ当該シアロンの30v/o迄を形成し、及びベータプライムシアロ ンは当該シアロンの残りを形成することを特徴とするセラミックの切削工具。 13. 請求項8のセラミックの切削工具において、アルファプライムシアロン が存在し、当該粒子間相はガラスであって、当該セラミックの約5から15v/o を形成することを特徴とするセラミック切削工具。 14. 請求項12のセラミックの切削工具において、当該粒子間相はガラスで あり、且つ当該セラミックの約5から15v/oを形成することを特徴とするセラ ミックの切削工具。 15. 請求項8及び12の何れかのセラミックの金属切削インサートにおいて 、当該セラミックは更に硬質の耐熱相を有することを特徴とするセラミックの金 属切削インサート。 16. 請求項15のセラミックの金属切削インサートにおいて、 当該硬質の耐熱相は当該セラミックの30v/o以下を形成することを特徴とす るセラミックの金属切削インサート。 17. 請求項16のセラミックの金属切削インサートにおいて、 当該硬質の耐熱相はTi,Zr,Hf及びこれらの相互の合金のカーバイド、窒化物 、炭窒化物の単独又は組合わせであることを特徴とする金属切削インサート。 18. 請求項17のセラミックの金属切削インサートにおいて、 当該硬質の耐熱相はチタニウム窒化物であることを特徴とするセラミック金属 切削インサート。 19. セラミック材料において、 シアロン粒子と当該シアロン粒子の間に配置された粒子間相とを含み、 シアロンは当該セラミックの少なくとも50v/oを形成し、 当該シアロンの少なくとも70v/oはベータプライムシアロンであり、 当該セラミックは1v/o以下の多孔性を有し、 番ベータプライムシアロンは1.5と3の間のZの値を有し、且つ 当該セラミックは285GPa以下のヤング率を有することを特徴とするセラミ ック材料。 20. 請求項19のセラミック材料において、当該ヤング率は270以下であ ることを特徴とするセラミック材料。 21. 請求項19のセラミック材料は4.0と6.0MPam1/2の間のKIc割れ 靭性を有することを特徴とするセラミック材料。 22. 請求項19のセラミック材料は4.6と5.7MPam1/2の間のKIc割れ 靭性を有することを特徴とするセラミ ック材料。 23. 請求項20のセラミック材料は4.6と5.7MPam1/2の間のKIc割れ 靭性を有することを特徴とするセラミック材料。 24. 高速のチップを形成する鋳鉄の機械加工のためのセラミックの金属切削 インサートにおいて、 フランク面と、 当該鋳鉄の高速機械加工の間に形成される当該チップがその上を流れるレーキ 面と、 当該レーキ面と当該フランク面の接合部に形成され、当該鋳鉄の当該高速のチ ップを形成する機械加工の間に当該鋳鉄の中に切込むための切削刃とを含み、 当該セラミックはシアロンの粒子と当該シアロン粒子の間に配置された粒子間 相とを有し、 当該シアロンは当該セラミックの少なくとも50v/oを構成し、 当該セラミックは1v/o以下の多孔性を有し、 当該シアロンの少なくとも70v/oはベータプライムシアロンであり、 且つ、当該ベータプライムシアロンは1.0よりも大きく、3.0よりも小さ いZの値を有することを特徴とするセラミック金属切削インサート。 25. 鋳鉄の高速のチップを形成する機械加工において、 セラミック切削インサートを用いて高速において当該鋳鉄と係合させて当該鋳 鉄のチップを形成することにより当該鋳鉄の 表面から材料を取り去り、 当該切削インサートはフランク面とレーキ面と更に当該レーキ面と当該フラン ク面の接合部に形成された切削刃とを有し、 当該鋳鉄の当該チップを当該レーキ面を横切って流し、 当該セラミック切削インサートはシアロン粒子と粒子間相を有し、 当該粒子間相は当該シアロン粒子の間に配置され、 当該シアロンは当該セラミックの少なくとも50v/oを構成し、 当該セラミックは1v/o以下の多孔性を有し、 当該シアロンの少なくとも70v/oはベータプライムシアロンであり、当該粒 子間相は当該セラミックの5から15v/oを形成し、 当該ベータプライムシアロンは1.5よりも大きく3.0よりも小さいZの値 を有し、且つ 当該高速度は700から3500表面フィート/毎分であることを特徴とする 方法。 26. 硬化された鋼と硬化された鋳鉄のチップを形成する機械加工のためのセ ラミックの金属切削インサートにおいて、 フランク面と、 当該硬化された鋼と硬化された鋳鉄の当該機械加工の間に形成される当該チッ プをその上に流すレーキ面と、 当該レーキ面と当該フランク面の接合部に形成され、 当該硬化された鋼と硬化された鋳鉄の当該チップを形成する機械加工の間に当 該硬化された鋼と硬化された鋳鉄の中に切り 込む切削刃とを含み、 当該セラミックはシアロン粒子と当該シアロン粒子の間に配置された粒子間相 を有し、 シアロンは当該セラミックの少なくとも50v/oを構成し、 当該セラミックは1v/o以下の多孔性を有し、 当該シアロンの少なくとも70v/oはベータプライムシアロンであり、 且つ当該ベータプライムシアロンは1.5より大きく、3.0より小さいZの 値を有することを特徴とするセラミック金属切削インサート。 27. 硬化された鋼と硬化された鋳鉄のチップを形成する機械加工の方法にお いて 当該硬化された鋼又は硬化された鋳鉄と予め定められた速度においてセラミッ クの切削インサートで係合することによって、当該硬化された鋼又は硬化された 鋳鉄のチップを形成して当該硬化された鋼又は硬化された鋳鉄の表面から材料を 取除き、 当該切削インサートは、レーキ面とフランク面と、且つ当該レーキ面と当該フ ランク面の接合部に形成された切削刃とを有し、 当該硬化された鋼又は硬化された鋳鉄の当該チップを当該レーキ面を横切って 流し、 当該セラミック切削インサートはシアロン粒子と粒子間相とを有し、当該粒子 間相は当該シアロン粒子の間に配置され、 当該シアロンは当該セラミックの少なくとも50v/oを構成し、 当該セラミックは1v/o以下の多孔性を有し、 少なくとも当該シアロンの70v/oはベータプライムシアロンであり、且つ当 該粒子間相は当該セラミックの5から15v/oを形成し、 当該ベータプライムシアロンは1.5よりも大きいが、3.0よりは小さいZ の値を有し、 当該速度は150から600表面フィート/毎分であることを特徴とする方法 。 28. 請求項19のセラミック材料において当該Zの値は2.3よりも大きく ないことを特徴とするセラミック材料。 29. 請求項1のセラミックの金属切削インサートにおいて、 当該セラミックは本質的にシアロンと粒子間相から成り、当該ベータプライム シアロンは当該シアロンの少なくとも85v/oを形成し、当該セラミックは4. 0より大きく6.0MPam1/2 より小さいKIc割れ靭性を有し、且つ当該セラミックは285GPa以下のヤング 率を有することを特徴とするセラミックの金属切削インサート。 30. 請求項29のセラミックの金属切削インサートにおいて、 当該割れ靭性は5.7MPam1/2よりも小さいことを特徴とするセラミックの金 属切削インサート。 31. 請求項29と30の何れかのセラミックの金属切削インサートにおいて 、当該ヤング率は270GPa以下であることを特徴とするセラミックの金属切削 インサート。 32. 請求項20、21、22、23及び29の何れかのセ ラミック材料は、本質的にシアロンと粒子間相とより成り、当該ベータプライム シアロンは当該シアロンの少なくとも85v/oを形成することを特徴とするセラ ミック材料。 33. 請求項20のセラミック材料は本質的にシアロンと粒子間相とより成り 、当該ベータプライムシアロンは当該シアロンの100%を形成し且つ4.0と 6.0の間のKIc割れ靭性を有することを特徴とするセラミック材料。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ニクソン ロバート デイ アメリカ合衆国 ペンシルヴアニア州 15601 グリーンスバーグ セミナリイ ドライヴ 2956

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1. 高温合金の高速のチップを形成する機械加工用のセラミックの金属切削用 インサートにおいて、 フランク面と、 当該高温合金の当該高速機械加工の間に形成される当該チップがその上を流れ るレーキ面と、 当該レーキ面と当該フランク面の接合部に形成され、 当該高温合金の当該高速チップ形成機械加工の間に当該高温合金の中へ切り込 むための切削刃とを含み、 当該セラミックはシアロンの粒子と当該シアロン粒子の間に配置された粒子間 相とを有し、 シアロンは当該セラミックの少なくとも50v/oを構成し、 当該セラミックは1v/o以下の多孔性を有し、 当該シアロンの少なくとも70v/oはベータプライムシアロンであり、且つ 当該ベータプライムシアロンは1.0より大きいが3.0よりは小さいZの値 を有することを特徴とするセラミックの金属切削インサート。 2. 請求項1のセラミック金属切削インサートにおいて、 当該粒子間相は、当該セラミックの約5から約15v/oを形成する非結晶相を 含むことを特徴とするセラミックの金属切削インサート。 3. 高温合金の高速のチップを形成する機械加工の方法において、 当該高合金の表面から、セラミックの切削インサートを用いて高速で、当該高 温合金と係合して当該高温合金のチップを形成することによって当該高温合金の 表面から取除き、 当該切削インサートはフランク面とレーキ面とを有し且つ当該レーキ面と当該 フランク面の接合部に形成された切削刃は、 当該高温合金の当該チップを当該レーキ面を横切って流し、 当該セラミック切削インサートはシアロンの粒子と粒子間相とを有し、当該粒 子間相は当該シアロン粒子の間に配置され、 当該シアロンは当該セラミックの少なくとも50v/oを含み、 当該セラミックは1v/o以下の多孔性を有し、 当該シアロンの少なくとも70v/oはベータプライムシアロンであり且つ当該 粒子間相は当該セラミックの5から15v/oを形成し、 当該ベータプライムシアロンは1.0よりも大きく、しかし3.0よりも小さ いZの値を有し、 当該高速とは300から1500表面フィート/毎分でくあることを特徴とす る方法。 4. 請求項3の方法において、当該高速は500から1200表面フイート/ 毎分であることを特徴とする方法。 5. 請求項3の方法において、当該速度は300から800表面フィート毎分 であることを特徴とする方法。 6. 請求項4の方法において、当該材料の当該除去は0.001から0.00 8インチ/回転のフィードレートで行われることを特徴とする方法。 7. 請求項5の方法において、当該材料の当該除去は0.0 05から0.018インチ/回転のフィードレートで行われることを特徴とする 方法。 8. 高温合金の高速のチップを形成する機械加工用のセラミックの金属切削用 インサートにおいて、 フランク面と、 当該高温合金の当該高速機械加工の間に形成された当該チップがその上を流れ るレーキ面と、 当該レーキ面と当該フランク面の接合部に形成されて、 当該高温合金の当該高速のチップを形成する機械加工の間に当該高温合金の中 に切り込む切削刃とを含み、 当該セラミックはシアロンの粒子と当該シアロン粒子の間に配置された粒子間 相とを有し、 当該シアロンは当該セラミックの少なくとも50v/oを構成し、 当該セラミックは1v/o以下の多孔性を有し、 当該シアロンはベータプライムシアロンより成り、 且つ当該ベータプライムシアロンは1.0より大きいが3.0よりも小さい理 論的なZの値を有することを特徴とするセラミック金属切削インサート。 9. 請求項8のセラミック金属切削工具において、 当該粒子間相はガラスであって且つ当該セラミックの約5から15v/oを形成 することを特徴とするセラミック金属切削工具。 10. 請求項8のセラミック金属切削工具において、 当該セラミックは4.0よりも大きいがしかし6.0 MPam1/2よりも小さいKIc割れ靭性を有することを特徴とする金属切削工具。 11. 請求項8のセラミック金属切削工具において、 ヤング率は285GPaよりも少ないことを特徴とする金属切削工具。 12. 高温合金の高速のチップを形成する機械加工のためのセラミックの金属 切削インサートにおいて、 フランク面と、 当該高温合金の当該高速機械加工の間に形成された当該チップがその上を流れ るレーキ面と、 当該レーキ面と当該フランク面の接合部に形成されて、 当該高温合金の当該高速のチップを形成する機械加工の間に当該高温合金の中 に切り込むための切削刃とを含み、 当該セラミックはシアロン粒子と、当該シアロン粒子の間に配置された少なく とも1つの粒子間相とを有し、 当該シアロンは当該セラミックの少なくとも50v/oを構成し、 当該セラミックは1v/o以下の多孔性を有し、 当該シアロンはベータプライムシアロンとアルファプライムシアロンとより成 り、 当該ベータプライムシアロンは1.5よりも大きいが3.0よりも小さいZの 値を有することを特徴とするセラミックの金属切削インサート。 13. 請求項12のセラミックの切削工具において、アルファプライムシアロ ンが存在し且つ当該シアロンの30v/o迄を 形成し、及びベータプライムシアロンは当該シアロンの残りを形成することを特 徴とするセラミックの切削工具。 14. 請求項12のセラミックの切削工具において、 当該粒子間相はガラスであり且つ当該セラミックの約5から15v/oを形成す ることを特徴とするセラミックの切削工具。 15. 請求項13のセラミックの切削工具において、 当該粒子間相はガラスであり、且つ当該セラミックの約5から15v/oを形成 することを特徴とするセラミックの切削工具。 16. 請求項8のセラミックの金属切削インサートにおいて、 当該セラミックは更に硬質の耐熱相を有することを特徴とするセラミックの金 属切削インサート。 17. 請求項16のセラミックの金属切削インサートにおいて、 当該硬質の耐熱相は当該セラミックの30v/o以下を形成することを特徴とす るセラミックの金属切削インサート。 18. 請求項17のセラミックの金属切削インサートにおいて、 当該硬質の耐熱相はTi,Zr,Hf及びこれらの相互の合金のカーバイド、窒化物 、炭窒化物単独又は組合わせであることを特徴とする金属切削インサート。 19. 請求項18のセラミックの金属切削インサートにおいて、 当該硬質の耐熱相はチタニウム窒化物であることを特徴とするセラミック金属 切削インサート。 20. 請求項12のセラミックの金属切削インサートにおい て、 当該セラミックは更に硬質の耐熱相を有するこよを特徴とするセラミックの金 属切削インサート。 21. 請求項20のセラミックの金属切削インサートにおいて、 当該硬質の耐熱相は当該セラミックの30v/o以下を形成することを特徴とす るセラミックの金属切削インサート。 22. 請求項21のセラミックの金属切削インサートにおいて、 当該硬質の耐熱相はTi,Zr,Hf及びこれらの相互の合金のカーバイド、窒化物 、炭窒化物単独又は組合わせであることを特徴とするセラミックの金属切削イン サート。 23. 請求項22のセラミックの金属切削インサートにおいて、 当該硬質の耐熱相はチタニウム窒化物であることを特徴とするセラミックの金 属切削インサート。 24. セラミック材料において、 シアロン粒子と当該シアロン粒子の間に配置された粒子間相とを含み、 シアロンは当該セラミックの少なくとも50v/oを形成し、 当該シアロンの少なくとも70v/oはベータプライムシアロンであり、 当該セラミックは1v/o以下の多孔性を有し、 当該ベータプライムシアロンは1と3の間のZの値を有し、且つ 当該セラミックは285GPa以下のヤング率を有することを特徴とするセラミ ック材料。 25. 請求項24のセラミック材料において、当該ヤング率は270以下であ ることを特徴とするセラミック材料。 26. 請求項24のセラミック材料は4.0と6.0MPam1/2の間のKIc割れ 靭性を有することを特徴とするセラミック材料。 27. 請求項24のセラミック材料は4.6と5.7MPa1/2の間のKIc割れ靭 性を有することを特徴とするセラミック材料。 28. 請求項25のセラミック材料は4.6と5.7MPam1/2の間のKIc割れ 靭性を有することを特徴とするセラミック材料。 29. 高速のチップを形成する鋳鉄の機械加工のためのセラミックの金属切削 インサートにおいて、 フランク面と、 当該鋳鉄の高速機械加工の間に形成される当該チップがその上を流れるレーキ 面と、 当該レーキ面と当該フランク面の接合部に形成され、当該鋳鉄の当該高速のチ ップを形成する機械加工の間に当該鋳鉄の中に切込むための切削刃とを含み、 当該セラミックはシアロンの粒子と当該シアロン粒子の間に配置された粒子間 相とを有し、 当該シアロンは当該セラミックの少なくとも50v/oを構成し、 当該セラミックは1v/o以下の多孔性を有し、 当該シアロンの少なくとも70v/oはベータプライムシアロンであり、且つ、 当該ベータプライムシアロンは1.0よりも大きく、3.0よりも小さいZの値 を有することを特徴とするセラミック金属切削インサート。 30. 鋳鉄の高速のチップを形成する機械加工において、 セラミック切削インサートを用いて高速において当該鋳鉄と係合させて当該鋳 鉄のチップを形成することにより当該鋳鉄の表面から材料を取り去り、 当該切削インサートはフランク面とレーキ面と更に当該レーキ面と当該フラン ク面の接合部に形成された切削刃とを有し、 当該鋳鉄の当該チップを当該レーキ面を横切って流し、 当該セラミック切削インサートはシアロン粒子と粒子間相を有し、 当該粒子間相は当該シアロン粒子の間に配置され、 当該シアロンは当該セラミックの少なくとも50v/oを構成し、 当該セラミックは1v/o以下の多孔性を有し、 当該シアロンの少なくとも70v/oはベースプライムシアロンであり、当該粒 子間相は当該セラミックの5から15v/oを形成し、 当該ベータプライムシアロンは1.0よりも大きく3.0よりも小さいZの値 を有し、且つ 当該高速度は700から3500表面フィート/毎分であることを特徴とする 方法。 31. 硬化された鋼と硬化された鋳鉄のチップを形成する機械加工のためのセ ラミックの金属切削インサートにおいて、 フランク面と 当該硬化された鋼と硬化された鋳鉄の当該機械加工の間に形成される当該チッ プをその上に流すレーキ面と、 当該レーキ面と当該フランク面の接合部に形成され、 当該硬化された鋼と硬化された鋳鉄の当該チップを形成する機械加工の間に当 該硬化された鋼と硬化された鋳鉄の中に切り込む切削刃とを含み、 当該セラミックはシアロン粒子と当該シアロン粒子の間に配置された粒子間相 を有し、 シアロンは当該セラミックの少なくとも50v/oを構成し、 当該セラミックは1v/o以下の多孔性を有し、 当該シアロンの少なくとも70v/oはベータプライムシアロンであり、 且つ当該ベータプライムシアロンは1.0より大きく、3.0より小さいZの 値を有することを特徴とするセラミックの金属切削インサート。 32. 硬化された鋼と硬化された鋳鉄のチップを形成する機械加工の方法にお いて、 当該硬化された鋼又は硬化された鋳鉄と予め定められた速度においてセラミッ クの切削インサートで係合することによって、当該硬化された鋼又は硬化された 鋳鉄のチップを形成して当該硬化された鋼又は硬化された鋳鉄の表面から材料を 取除き、 当該切削インサートは、レーキ面とフランク面と、且つ当該 レーキ面と当該フランク面の接合部に形成された切削刃とを有し、 当該硬化された鋼又は硬化された鋳鉄の当該チップを当該レーキ面を横切って 流し、 当該セラミック切削インサートはシアロン粒子と粒子間相とを有し、当該粒子 間相は当該シアロン粒子の間に配置され、 当該シアロンは当該セラミックの少なくとも50v/oを構成し、 当該セラミックは1v/o以下の多孔性を有し、 少なくとも当該シアロンの70v/oはベータプライムシアロンであり、且つ当 該粒子間相は当該セラミックの5から15v/oを形成し、 当該ベータプライムシアロンは1.0よりも大きいが、3.0よりは小さいZ の値を有し、 当該速度は150から600表面フィート/毎分であることを特徴とする方法 。
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