KR0156377B1 - 지르코니아 및 실리콘 카바이드를 포함하는 알루미나 주성분 세라믹 절삭 인서트 - Google Patents

지르코니아 및 실리콘 카바이드를 포함하는 알루미나 주성분 세라믹 절삭 인서트 Download PDF

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Abstract

내용없음.

Description

[발명의 명칭]
지르코니아 및 실리콘 카바이드를 포함하는 알루미나 주성분 세라믹 절삭 인서트
[발명의 상세한 설명]
[발명의 배경]
본 발명은 지르코니아(zirconia) 및 실리콘 카바이드(silicon carbide)를 포함하는 알루미나 주성분 세라믹(alumina based ceramic)절삭 인서트에 관한 것이다. 특히 본 발명은, 철 및 비철금속 및 합금의 고속 황삭(荒削) 가공(rough machining)에 유용한 세라믹 절삭 인서트에 관한 것이다.
종래에는 지르코니아가 미합중국 특허 제4,534,345호 및 제4,507,224호에 설명된 선택된 알루미나-실리콘 카바이드 휘스커 강화 조성물에 지정된 양으로 첨가되어, 향상된 파괴인성 및/또는 굽힘강도를 제공했다 (참조:Clausen 등에 의해 허여된 일본 공개공보 소하 제62-265182호, 미합중국 특허 제4,657,877호 및 4,749,667호, 1986년 2월에 Becher 등에 의해 발간된 Whisker-Reinforced Oxide Ceramics Journal de Physique Colloque Cl, Supplement au 2호. Tome 47의 Cl-693 내지 Cl-702페이지, 1986년 Bradt 등에 의해 발간된 Toughening of ceramics by Whisker Reinforcement Fractrue Mechanics of Ceramics 7, ed Plenum Press, New York의 61-73 페이지).
지르코니아는 단사정계(monoclinic)및/또는 (준안정성 (metastable)) 정방정계(tetragonal)상으로 될 수 있어, 향상된 파괴인성 및/또는 굽힘강도를 얻을 수 있는 것으로 알려져왔다. 또한, 준안정성 정방정계상은, 지르코니아 입자 크기를 감소시켜 얻어지며, 또는 입방 지르코니아상을 완전하게 안정화시키는데 필요한 양 이하의 양으로 회토류 산화물(rare earth oxide), 마그네시아, 카르시아(calcia ; 산화칼슘) 및 이트리아(yttria ; 산화이트륨)와 같은 입방 지르코니아 안정화 조촉매(promoter)의 사용으로 얻어지는 것으로 알려져왔다.
다른 부가물들을 지니거나, 지니지 않은 실리콘 카바이드 휘스커, 지르코니아 및 알루미나를 포함하는 여러 가지의 조성물들로 구성된 절삭 공구들이 제안되어 왔다(참조 : 유럽특허출원 제86107916.8 호 (1987. 1. 21. 에 제 0208910 호로 공개됨) ; 미합중국 특허 제4,749,667호 ; 1986년 10월에 발간된 Multitoughening Ceramic Techno Japan 19 권, 10호, 78페이지 ; 1986. 9. 17 에 제0194811호로 공개된 유럽 특허출원 제86301597.0호).
철 및 비철 금속 및 합금의 고속 황삭가공에 사용하는 금속절삭 인서트들에 대해서는, 현재 지르코니아, 마그네시아, 실리콘 카바이드 및 정방정계 지르코니아 함유량에 대하여 본 출원인에 의해 밝혀진 임계 범위들의 화합물내에서 알루미나 주성분 세라믹 조성물을 조절하므로써 절삭성능이 현저하게 향상될 수 있다는 것을 선행명세서들 중 어떠한 것도 제시 혹은 제안하지 않았다.
[발명의 요약]
본 발명은 알루미나 주성분제품, 바람직하게는 약 1.5 내지 37.5 v/o (volume percent : 체적 퍼센트)실리콘 카바이드 휘스커 (silicon carbide whisker), 약 5 내지 17.5 v/o의 지르코니아, 그 외의 나머지는 산화마그네슘이나 다른 마그네슘-산호 화합 부가물 및 적어도 2 v/o의 정방정계 지르코니아를 함유하는 세라믹 절삭 인서트를 제공한다. 소량의 마그네시아 부가물들이 실온에서 정방정계 (즉, 준안정성 정방정계) 지르코니아의 양을 감소시키게 작용하는 재료임에도 불구하고, 상기와 같은 부가물의 유효량이 놀랍게도 AISI(American Iron and Steel Institute) 1045 강과 같은 연강들의 고속황삭가공중 절삭에지 수명에 현저히 확실한 요과를 일으키는 것으로 발견되었다.
마그네시아는, 바람직하게는 약 0.03 내지 3 v/o, 더 바람직하게는 약 0.03 내지 2.0 v/o, 가장 바람직하게는 약 0.04 내지 1.0 v/o 로 첨가된다.
본 발명에 따르는 알루미나 주성분 세라믹 조성물은, 바람직하게는 약 2.5 내지 35 v/o, 더 바람직하게는 5 내지 32.5 v/o의 실리콘 카바이트 휘스커들을 포함한다.
본 발명에 따르는 지르코니아 함유량은, 바람직하게는 7.5 내지 17.5 v/o, 더 바람직하게는 10 내지 15 v/o 이다. 본 발명에 따르면, 아주 적은 량의 지르코니아가 정방정계 지르코니아형이며, 적어도 2 v/o의 조성물을 형성한다. 정방정계 지르코니아는, 조성물에 대해 바람직하게는 적어도 4 v/o, 더 바람직하게는 적어도 6 v/o, 가장 바람직하게는 적어도 8 v/o를 형성한다.
본 발명에 대한 상기 설명 및 또다른 면들이 후기에 간략하게 설명된 특징에 관련된 본 발명의 상세한 설명의 재고찰로 더 명백하게 될 것이다.
[도면의 간단한 설명]
제1도는 본 발명에 따르는 정방형 절삭 인서트의 실시예에 대한 등각도.
제2도는 마그네시아 또는 이트리아(yttria)부가물의 체적 페센트 함수에 따른 조성물내의 정방정계 지르코니아 체적퍼센트의 그래프.
[발명의 상세한 설명]
본 발명에 있어서, 제1도에 도시된 바와같이, 바람직하게는 분할 가능한 형태 (indexable type)의 금속절삭 인서트 (10) 는 레이크(rake)면 (30), 플랭크(flank)면 (50) 및 레이크면과 플랭크면의 연접부에 있는 절삭 에지 (70)를 지닌다. 절삭에지 (70)는, 제1도에 도시된 바와같이 챔퍼 가공된 상태 (에컨대 K-랜드) 인 것이 바람직하다. 금속절삭 인서트는, 약 1.5 내지 37.5 v/o의 실리콘 카바이드 휘스커 ; 약 5 내지 17.5v/o의 지르코니아 ; 및 절삭 에지의 금속 절삭 수명을 향상시키기에 유효한 양으로 첨가된 마그네슘산화물이나 다른 마그네슘-옥시겐 화합 부가물의 잔여 성분 ; 을 포함하는 알루미나 주성분 세라믹 조성물로 구성된다. 실리콘 카바이드 휘스커, 지르코니아 및 잔여 마그네시아들은 알루미나 주성분 매트릭스내에 대체로 균일하게 분포된다.
실리콘 카바이드 휘스커들이 적어도 약 1.5 v/o의 수준으로 존재하고 있어, 최소 수준의 절삭에지 수명을 개선한다. 더 바람직하게는, 실리콘 카바이드 휘스커는 약 2.5 v/o 이상, 가장 바람직하게는 약 5 v/o 이상 첨가된다. 실리콘 카바이드 휘스커 함유량은 조성물에 대해 약 37.5 v/o를 초과하지 않는 것이 바람직하다. 본 출원인은, 상기와 같은 값 이상의 실리콘 카바이드 휘스커가 절삭에지 수명의 현저한 감소를 초래하는 것으로 믿는다. 그러므로, 고속 황삭가공중 절삭 에지 수명을 최대화시키기 위하여, 실리콘 카바이드 휘스커의 최대 함유량을 알루미나 주성분 세라믹 조성물에 대해 약 35 v/o, 더 바람직하게는 32.5 v/o로 또는 그 이하로 유지시키는 것이 바람직하다. 최적의 실리콘 카바이드 휘스커 수준은 용도에 따라 정해진다.
본 명세서에 사용된 실리콘 카바이드 휘스커들은, 예컨대 종래에 니켈 주성분 초경합금을 기계가공하기 위해 알루미나 주성분 절삭 인서트에 사용되어 온 상업적으로 이용가능한 제품일 수 있다.
덜 바람직하지만, 대체로 등축 (等軸 : equiaxed)형상이나 플레이트 (plate) 화된 형상의 실리콘 카바이드 입자들이 본 발명의 실리콘 카바이드 휘스커들의 일부를 대신할 수 있다.
지르코니아 함유량은, 세라믹 조성물에 대해 약 5 내지 17.5 v/o의 범위내에 있다. 상기와 같은 범위 밖의 지르코니아 함유량은, AISI 1045 강의 고속 황삭가공중 절삭 에지 수명을 감소시키는 것으로 믿어진다. 절삭 에지 수명을 최대화하기 위해, 지르코니아 함유량이 바람직하게는 조성물에 대해 7.5 내지 17.5 v/o, 더 바람직하게는 10 내지 15 v/o의 범위내에 있어야 한다. 본 출원인들은, 최상의 절삭 성능을 위해 정방정계 지르코니아의 농도를 최대화하여야 할 것으로 믿지만, 본 출원인들의 견해에서 볼 때, 실온에 존재하는 가능한한 많은량의 정방정계 지르코니아가, 기계가공중 절삭에지에 발생하는 온도 또는 가능한 한 그 온도에 근접한 온도에서 변태 강인화 (transformation toughening) 에 유용하게 될 수 있는 것이, 더 중요하지는 않지만, 마찬가지로 중요하다. 그러므로, 마그네시아가 적지만 유효한 양으로 존재하여, 절삭 에지 수명의 최대화에 중요한 역할을 하는 것이 본 발명의 중요한 점이다. 본 발명에 따르면, 세라믹 조성물의 적어도 2 v/o 는 정방정계 지르코니아로 되어야 한다. 정방정계 지르코니아는, 조성물에 대해 바람직하게는 적어도 약 4 v/o, 더 바람직하게는 적어도 약 6 v/o, 가장 바람직하게는 적어도 약 8 v/o를 형성한다.
마그네시아 부가물들이 실온에서 관찰된 정방정계 지르코니아의 양을 감소시킨다는 사실에도 불구하고, 마그네시아 부가물은 조성물에 대해 약 0.03 내지 3 v/o의 범위로, 바람직하게는 약 0.03 내지 2 v/o의 범위로, 더 바람직하게는 0.04 내지 1.0 v/o의 범위의 양으로 첨가된다. 마그네시아는, 성형 압축 처리(compact pressing) 바로전에 알루미나 또는 지르코니아와 함께 혼합될 수 있거나, 또는 알루미나나 지르코니아와 함께 예비 혼합되거나 미리 합금처리될 수 있다. 예비혼합된 마그네시아가 고온 준안정성 정방정계 지르코니아 생산공정에 더 효과적인 것이라 믿어지므로, 마그네시아 분말의 예비 혼합 처리가 바람직하며, 따라서, 더 적은 양의 마그네시아를 첨가하는 것이 허여되어, 고 (high) 마그네시아 부가물들 (에컨대, 저융점 유리 및 Mg-Al-O 조성물들)의 해로운 효과를 최소화한다. 마그네시아를 생산하기 위한 배소 (焙燒 ; calcination)와 같은 부가적인 공정 단계를 필요로 할 수 있는, 마그네슘 카보네이트와 같은 등량의 다른 마그네슘-옥시겐 화합물들이, 마그네시아 부가물의 전체 또는 일부를 대신할 수 있다. 혼합된 조성물의 소결작용 이후, 마그네시아 부가물은 분리상으로써 존재하지 않고 잔여량으로 존재할 수 있다. 이같은 잔여량은, 예컨대 마그네슘 알루미네이트, 마그네시아 알루미나 고용체, 마그네시아 지르코니아 고용체 및/또는 예컨대 실리콘 카바이드 휘스커들상에 얇은 코팅(coating) 으로 존재될 수 있는 실리콘 디옥사이드 불순물들로 형성된 유리를 포함할 수 있다.
세라믹 조성물의 잔여량은 알루미나가 필수적이며, 불순물을 제외한 순수 알루미나가 바람직하다. 모든 경우에 있어서, 본 말루미나 주성분 세라믹 조성물은 적어도 40 v/o 알루미나, 바람직하게는 적어도 50 v/o 알루미나를 포함한다.
휘스커 및/또는 대체로 등축의 미립자들과 같은 티타늄 카바이드가, 조성물에 대해 약 2-35v/o의 양으로, 바람직하게는 약 10 내지 30v/o의 양으로 첨가될 수 있다. 티타늄 카바이드는 알루미나보다 높은 열팽창율을 지닌다. 그러므로, 티타늄 카바이드 부가물들은 실온에서 더 많은 정방정계 지르코니아가 보유되게 할 것으로 믿어진다. 티타늄 카바이드 휘스커들은, A. Kato 등에 의해 1977년 출간된 Growth Rate of Titanium Carbide Whiskers in Chemical Vapor Deposition 의 J. Cryst. Growth 37 의 293-300 페이지에 설명된 방법 및 n. Tamari 등에 의해 1979 년에 출간된 Catalytic Effects of Various Metals and Refractory Oxides on the Growth of TiC Whiskers by Chemical Vapor Deposition 의 J. Cryst. Growth 46 의 221-237 페이지에 설명된 방법으로 제조 및 생산될 수 있다. 알루미나 주성분 절삭 인서트에 사용하는 티타늄 카바이드 휘스커들 및 그것들의 혼합물은, Mehrotra 등에 의해 1987. 5. 28 에 미합중국 특허 출원 제056,091호로 출원되어, Kennametal Inc.에 양도된 미합중국 특허 제4,852,299호에 기술되어 있다.
본 발명에 이용된 알루미나 분말들은, ALCOA (예컨대, A16SG 등급), 또는 Ceralox (예컨대, 마그네시아가 있거나 없는 HPA-0.5 등급), 또는 Reynolds Chemicals (RC-HP 나 RC-HP-DBM 등급)으로 제조된 바와같은 고순도의 알루미나 (즉, 순도 99% 이상)로 되어야 한다.
이트리아, 카르시아, 회토류 산화물 및 정방정계로부터 단사정계로의 전환 온도에서의 환원을 통하여 절삭 에지 수명에 악영향을 주는 화합물은, 모두 존재한다면, 단지 불순물로서 존재하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 전술한 재료는 분쇄되고, 혼합되며, 고온에서 치밀화되어, 알루미나 주성분 매트릭스를 지닌, 바람직하게는 순수한 알루미나인, 적어도 99% 밀도의, 바람직하게는 적어도 99% 밀도의 알루미나 주성분 세라믹을 생성하는바, 만일 실리콘 카바이드, 마그네시아 부가물로 부터의 마그네시아 잔여량, 지르코니아 및 티타늄 카바이드가 조금이라도 존재한다면 이는 적어도 대체로 균일하게 분포된다. 고온압축 온도를 바람직하게는 1750℃ 이하로, 더 바람직하게는 1650 ℃ 이하로, 가장 바람직하게는 약 1600℃이하로 유지시켜, 지르코니아 입자 성장을 최소화 함으로써, 최종 제품내의 정방정계 (즉, 준안정성 정방정계) 지르코니아상의 존재를 최대화한다. 절삭 인서트내의 지르코니아 입자의 평균 크기는, 5 미크롱을 초과하면 않되며, 바람직하게는 2 미크롱을, 더 바람직하게는 1 미크롱을 초과할 수 없다. 그러나, 평균 지르코니아 입자는 사용중 대부분의 정방정계 지르코니아를 단사정계 지르코니아로 변형시킬만큼 충분히 커야한다. 이같은 최소 크기는 세라믹 조성물에 따를 것이며, 현재는 결정되어 있지 않다.
특정의 입자 이론에 의해 제약되는 것을 바라지 않지만, 본 출원인은 본 발명에 대한 후기 설명을 제공한다. 알루미나-실리콘 카바이드 휘스커-지르코니아 조성물에 있어서, 실온에서 얻을 수 있는 준안정성 정방정계 지르코니아의 양은, 지르코니아 입자 크기의 감소, 또는 이트리아, 카르시아 및/또는 희토류 산화물과 같은 소위 입방정계 안정화제의 부가에 의해 증대될 수 있다 (참조 : 1986 년 Stevens 에 의해 Magnesium Elektron Ltd. 에서 발간된 Magnesium Elektro Pub. 제113호의 An Introduction to Zirconia--Zirconia and Zirconia Ceramics). 상기 문헌은, 선행 리스트의 안정화제들 가운데 마그네시아를 포함하지만, 본 출원인은, 마그네시아가 본 조성물에 대해 약 0.03 내지 3v/o 의 양으로 첨가되면 마그네시아가 실온에서의 정방정계 지르코니아 존재량을 감소시키는 것을 발견했다. 이트리아가 지르코니아에 첨가되면, 지르코니아의 정방정계 및 입방정계의 상을 보다 낮은 온도까지 안정화시키는 경향이 있다. 마그네시아를 제외한 상기 모든 안정화제와 대부분의 불순물은 유사한 방식으로 ZrO2에 작용한다 (즉, 상기 성분들은 정방정계 지르코니아 상이 안정한 온도를 저하시킨다). 실온에서, 다소의 지르코니아는 준안정성 정방정계 지르코니아로서 존재할 수 있다. 인장응력작용하에서, 이 같은 정방정계 지르코니아는 단사정계로 되어, 변형인성작용을 일으킬 수 있다. 그러나, 온도가 증가함에 따라, 정방정계 지르코니아는 안정화되며, 따라서, 단사정계 결정구조로의 변형에 유용하지 못하다. 이리하여, 보다 낮은 온도에서 정방정계 지르코니아를 안정화시키는 이트리아와 같은 불순물이나 부가물은, 고속 기계가공중 절삭 팁의 온도가 약 1000℃ 내지 1200℃ 까지 상승할 수 있기 때문에, 금속 절삭용으로 적합하지 못하다. 그러므로, 본 발명의 이론에 따르면, 지르코니아의 단사정계로부터 정방정계로의 변형 온도를 상승시키는 부가물들이 고온 변형인성작용을 위해 필요하다. 본 출원인은, 변형온도를 상승시키는 산화물 부가제는, 단지 MgO와 HfO22가지 뿐이라는 것을 발견했다. 그러므로, 본 출원인은, 지르코니아 입자 크기를 작게 유지하는 것에 의해, 대부분의 지르코니아가, 마그네시아 또는 하프니아와 지르코니아를 합금처리하는 것에 의해 금속절삭의 고욘에서 준안정성 정방정계 지르코니아로 유지될 수 있는 것으로 믿는다.
이것은 금속절삭 작업중 향상된 절삭 에지 수명을 얻는데 도움을 줄것으로 믿어진다. 지르코니아는, 통상 불순물로서 약 2w/o(준량 퍼센트) 에 이르는 하프니아를 포함하는 것으로 주목된다.
마그네시아 부가물들이 금속절삭 성능에 미치는 현저하고 명확한 영향이, 본 발명에 대해 명확하게 설명하는 후기 실시예에 의해 더 명백히 설명된다.
표 1 에 Al2O3-10 SiCw(실리콘 카바이드 휘스커)-10v/o ZrO2로 되는 공칭 조성물과 함께 6 가지 조성물들이 준비되어 있다. 소량의 Y2O3및 MgO 의 첨가가 행해졌다. 혼합물 번호 제6번 (Mix No. 6) 의 경우에 있어서, 약 0.05w/o (거의 0.06v/o) 의 MgO 가 분말 제조업자에 의해 Al2O3와 함께 미리 혼합되어 있다. 약 0.04v/o 의 마그네시아 함유량이 혼합물 번호 6 에 제공되어 있다. 이같은 분말들의 50g 의 뱃치(batch) 가, 1시간 동안 Al2O3사이클로이드를 사용한 자아 밀 (jar mill)에서 우선 Al2O3와 ZrO2(만약 존재한다면, 안정화용 부가물과의) 슬러리 (프로파놀)와 혼합되어 준비되었다. 초음파 처리된 SiCw 슬러리가 첨가되어, 전체 혼합물이 1시간동안 혼합되었다. Al2O3및 ZrO2슬러리가 미리 분쇄되어, 0.5 내지 0.6㎛ 및 0.6 내지 0.8㎛ 의 평균입자 크기를 각각 얻는다 (BET 에 의해 측정된 상응하는 비표면적은, 각각 10 내지 14m2/g 및 20 내지 40m2/g 이다). 이후, 혼합물은 팬에서 건조되고, 100 메쉬 스크린을 통해 걸러져, 아르곤에서 1시간동안 표 1 의 아래에 제시된 온도 및 압력으로, 1 인치 직경의 혹연 다이에서 가열 압착되었다. 결과로서 생성된 빌릿(billet) 들은 99% 이상의 밀도이며, 물리적 및 기계적 특성의 측정을 위해 절단되고, 연삭되고 연마되었다. 그 빌릿들은, 또한 금속 절삭 테스트용의 분할가능한 절삭 인서트들을 생산하기 위해 절단되고 연삭된다.
Fracture Toughness Determination by Indentation, J. American Ceramic Society, 제59권, 7-8호, 페이지 371, 372에서 Evans와 Charles 씨는 18.5kg 의 하중을 사용함.
연마된 표면의 x-레이 회절로 측정된 바와같음. 지르코니아의 잔여량은 단사정계 지르코니아로 되는 것으로 가정된다. 최소량으로 존재될 수 있는 입방정계 지르코니아는 정방정계 지르코니아 견적내에 포함된다.
표 2에는 가열 압착된 조성물들의 물리적 및 기계적 특성들이 제시되어 있다.
Porter-Heuer 공식 (Porter 등에 의한 J. American Ceramic Society, 제62권, 제5-6호 (1979), 페이지 298-305) 이, 단사정계 ZrO(Im(111))의 111 반사 및 정방정계 ZrO(It(111)) 의 111 반사의 최고강도로부터 단사정계 ZrO(Vm) 의 단편을 평가하도록 수정되어 사용되었는바:
식중, Vt 는 정방정계 ZrO2인 ZrO2의 단편이다.
전체 조성물의 정방정계 ZrO2의 추정된 체적 단편은 vt 인바:
식중, vz 는 혼합물에 첨가된 전체 ZrO2의 체적 단편이다. 상기 관계에 의하면, ZrO2가 상기 설명된 상변형을 제외한 경화중에 실질적으로 변하지 않은채로 있는 것으로 추측된다.
제2도에는 여러 가지 부가물들이 조성물들의 정방정계 지르코니아에 미치는 영향이 도시되어 있다. 마그네시아 부가물은 정방정계 지르코니아의 양을 저하시키는 반면 (곡선 1), 이트리아 부가물은 실온에서 정방정계 지르코니아의 양을 증가시키는 (곡선 2) 것을 명확히 알 수 있다.
시험 조건 :
1000 sfm (표면 피트/분)
0.025 ipr (인치/회전)
0.100 inch doc (절삭 길이)
SNGN-453T (ANST B212.4-1986 에 따르는 American National Standard Designation) 분할 가능한 절삭 인서트형(절삭 에지 준비 : 0.008 인치X20°K-land)
15° 리드각 (측방절삭 에지각)
-5° 측방 레이크각
-5° 후방 레이크각
냉각제 없음
절삭 에지 수명의 기준
FW - 0.015 균일 플랭크 마모
MW - 0.030 집중된 플랭크 마모
CR - 0.004 크레이터 마모
DN - 0.030 절삭 노치 깊이
CH - 0.030 집중된 마모나 치핑(chipping)
BK - 파단
*AISI 1045 는 Unified Numbering Symtem (UNS) Designation - G10450 과 같다.
표 3에는, 미리 기계가공된 AISI 1045 강의 고속 황삭가공에 있어서 분할가능한 인서트 절삭 에지 수명들이 제시되어 있다. 마그네시아의 부가에 의해 절삭 에지의 수명이 현저히 개선되지만, 이트리아 함유 조성물에 존재하는 높은 수준의 정방정계 지르코니아에도 불구하고 이트리아가 첨가되면, 공구 수명이 단축되는 것을 명백히 알 수 있다.
표 4 에 제시된 제2의 일련의 혼합물들 (7 내지 11) 은, 마그네시아 수준이 정방정계 지르코니아 함유량 및 절삭 에지 수명에 미치는 영향을 설명한다. 모든 샘플들은, 기본적으로 혼합물 1 내지 6 으로부터 생성된 샘플들에 관련하여 기술된 바와같이 처리되고 가열 압착되었다.
표 5 에는, 재료들의 물리적 및 기계적 특성들이 기록되어 있다. 정방정계 지르코니아 함유량이, 마그네시아 첨가물의 양을 증가시키므로써 다시 명확하게 감소되는 것을 확실히 알 수 있다. 이같은 효과가 제2도에 도시된 곡선 (3) 에 표시되어 있다. 혼합물 7 내지 11 은 곡선 (1) 에 의해 표시된 재료들에서 발견된 함유량보다 더 많은 정방정계 지르코니아 함유량을 지니는 것을 알 수 있다. 그 결과는 제2그룹의 혼합물에 사용된 보다낮은 SiC함유량 (5v/o 대 10v/o)에 기인하는 것으로 믿어진다. 본 출원인은 일반적으로, SiC 휘스커 함유량이 증가함에 따라, 정방정계 지르코니아량은, 주어진 소정의 지르코니아 함유량과 지르코니아 입자 크기에 비해 감소하며, 그 밖의 모든 것은 일정하게 유지되는 것을 알았다.
표 6 에는, AISI 1045 강의 고속 황삭가공에 있어서, 분할 가능한 인서트 절삭 에지 수명이 제시되어 있다.
표 5 및 6 에 제시된 데이터를 제공하기 위하여 사용된 테스트 절차 및 조건 그리고 절삭 에지 수명의 기준들은 표 2 및 3 에 대하여 설명된 것과 같다.
본 발명에 따르는 또 다른 실시예에 있어서, AlO-2.5v/o SiC-10v/o ZrO-1.05v/o MgO 를 함유하는 조성물이 형성되었다. 이같은 조성물의 50g 의 뱃치가, 1시간 동안 AlO사이클로이드를 사용한 자아 밀에서 우선 AlO(Carlalax Grade HPA-0.5, MgO (0.05 w/o)를 지님), ZrO(Magnesium Elektron SC15) 및 MgO (Fisher Regant Grade) 슬러리 (프로파놀)와 혼합처리 준비되었다. 그후, 초음파 처리된 SiC(Tokai Grade 1) 슬러리가 첨가되어, 전체 혼합물이 1시간 동안 혼합되었다. AlO및 ZrO를 포함하는 슬러리가 각각 약 0.5-0.7㎛ 및 0.5 내지 0.6㎛ 의 평균 입자 크기를 얻도록 미리 분쇄되었다. 이후, 혼합물이 팬에서 건조되고, 100 메쉬 스크린을 통해 걸러져, 실온에서 30,000 psi 의 압력으로 평형상태 (isostatic) 에서 압축되었다. 결과로서 생성된 냉간 압축된 블랭크로부터 조각들이 절단되어, 1 기압의 아르곤에서 1시간동안 1700℃ 로 소결되었으며, 이어서 17,000 psi 의 아르곤에서 1시간 동안 1600℃ 로 평형상태에서 가열 압착되었다. 그결과 얻어진 샘플들은 99% 이상의 밀도 (즉, 완전한 밀도) 이다. 선행 실시예들에 설명된 바와같이, 샘플들은 기계적 및 물리적 테스트를 위해 준비되었으며, 분할가능한 절삭 인서트로 연마되었다. 그 샘플 들은 약 6.6 v/o 의 정방정계 지르코니아를 함유한 것으로 결정되었다. 이같은 방식으로 처리된 재료는 약 5㎛, 또는 그 이하의 지르코니아 입자 크기를 지니는 것으로 추정된다. 표 3에 설명된 형태의 절삭 인서트들이 표 3에 사용된 조건하에서 테스트되었다. 14.4분 (DN 파괴) 과 18.9 분 (FW 및 CH 파괴)의 절삭 에지 수명이 얻어졌다.
만일 절삭 에지가 호우닝(honing) 처리되고 및/또는 인서트 표면이 래핑 (lapping) 되거나 또는 연마되어, 재료의 체적(즉, 연마된 표면)의 특성보다도 큰 퍼센트의 단사정계 지르코니아와 보다 낮은 퍼센트의 정방정계 지르코니아를 포함하는 표면재료를 제거하면, 절삭 에지 수명이 연장되거나 더 균일하게 될 것으로 믿어진다. 연삭 응력은, 준안정성 정방정계 지르코니아의 일부가 단사정계 지르코니아로 전환되어 있는 표면층을 형성하는 것으로 공지되어 있다. 사용중에 고온에 노출되는 인서트의 적어도 일부분의 표면 영역은 고온전환에 유용한 최대량의 정방정계 지르코니아를 지니는 것이 바람직하다.
상기 실시예들은, 연강을 절삭하는데 있어서 본 발명의 가치를 제시하고 있지만, 본 발명에 따른 절삭 인서트들은 최상의 결과를 발생시키도록 조성물을 최적화하는 것에 의해 다른 재료들을 기계가공하는데 이용될 수 있는 것으로 이해될 것이다. 예컨대, 니켈 주성분 초합금(superalloy)의 고속 황삭가공에 대해서는 약 25 내지 37.5v/o 의 실리콘 카바이드 휘스커를 함유하는 조성물이 가장 적합할 것이다.
본 명세서에 참조된 모든 특허출원 및 문헌은, 결과적으로 참고로서 본원에 통합되었다.
본 명세서에 개시된 본 발명의 명세서나 실시예를 고찰함으로써 본 발명의 또 다른 실시예들이 당업자에게 자명하게 될 것이다. 본 발명의 진정한 기술적 범위 및 정신은, 후술되는 청구의 범위에 의해 지시될 것이며, 명세서와 실시예들은 단순한 사례에 지나지 않는 것으로 고려된다.

Claims (3)

  1. 레이크 (rake)면 ; 플랭크 (flank) 면; 및 상기 레이크면과 플랭크면의 연접부에 있는 절삭 에지 ; 를 포함하여 구성되며, 약 1.5 내지 37.5v/o (체적 퍼센트) 의 실리콘 카바이드 휘스커; 약 5 내지 17.5v/o 의 지르코니아; 약 0.03 내지 약 3v/o 의 양으로 첨가된 마그네시아 부가물의 잔여 성분 ; 및 잔여 알루미나 및 불순물 ; 로 구성되는 알루미나 주성분 세라믹 조성물을 지니며, 상기 알루미나는, 상기 실리콘 카바이드 휘스커, 상기 지르코니아 및 상기 마그네시아 부가물의 잔여 성분이 대체로 균일하게 분포된 매트릭스를 형성하며, 상기 세라믹 조성물의 적어도 약 2v/o 는 정방정계 지르코니아 인 것을 특징으로 하는 금속절삭 인서트.
  2. 제1항에 있어서, 상기 조성물의 적어도 약 6v/o 는 정방정계 지르코니아인 것을 특징으로 하는 금속절삭 인서트.
  3. 적어도 약 5 MPam1/2의 KIC(E＆C) 인성 ; 적어도 93 의 록크웰 A 경도 ; 및 적어도 98% 의 이론밀도를 지니는 알루미나 주성분 세라믹 조성물을 포함하며, 상기 알루미나 주성분 세라믹 조성물은, 약 1.5 내지 37.5v/o 의 실리콘 카바이드 휘스커; 약 5 내지 17.5v/o 의 지르코니아 ; 약 0.03 내지 3v/o 의 양으로 첨가된 마그네시아 부가물의 잔여 성분 ; 및 상기 조성물의 잔여량을 형성하는 알루미나 및 분술물 ; 로 구성되며, 상기 실리콘 카바이드 휘스커, 상기 지르코니아 및 상기 마그네시아 부가물의 잔여 성분은 상기 알루미나로 형성된 매트릭스에 균일하게 분포되며, 상기 세라믹 조성물의 적어도 2.0 v/o 은 정방정계 지르코니아인 제품.
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