KR100232739B1 - 하이 제트 시아론 및 그것으로 제조된 절삭공구 및 그것의 사용방법 - Google Patents

하이 제트 시아론 및 그것으로 제조된 절삭공구 및 그것의 사용방법 Download PDF

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Abstract

고온합금 및 주철의 고속 기계가공에 절삭공구로서 사용하기 위한 세라믹 재료(10)는 베타 프라임 시아론(Si6-zAlzOzN8-2; 여기서 1＜Z＜3) 및 입계상의 조성물을 구비한다. 그 세라믹 재료(10)는 플랭크면(50), 레이크면(30) 및 절삭날(70)로 구성된다. 그 세라믹 재료(10)는, 300 내지 1500 표면피트/분의 속도에서 고온합금들의 고속 기계가공에 사용될 때 높은 내마모성과 신뢰성을 지닌다.

Description

[발명의 명칭]
하이제트시아론 및 그것으로 제조된 절삭공구 및 그것의 사용방법
[발명의 상세한 설명]
[발명의 배경]
본 발명은 시아론(sialon) 조성물에 관한 것이며, 특히 금속재료의 기계가공을 위한 절삭공구로서 사용되는 시아론 조성물에 관한 것이다.
높은 내마모성과 신뢰성을 지닌 절삭공구는 고온합금의 고속 기계가공에서 생산성 향상을 위하여 매우 중요하다. 고온합금(또는 초(超) 함금)은 일반적으로 낮은 절삭성(machinability)을 지니는 것으로 분류된다. 따라서, 그것들은, 초경합금 공구를 사용할 때 강철에 대하여 사용된 속도의 단지 10 내지 20퍼센트의 속도에서 기계가공된다. 그러나, 실리콘 니트라이드, 시아론(미합중국 특허 제4,711,644호: 3,991,166호; 4,818,635호 참조) 또는 실리콘 카바이드 위스커 강화된 알루미나 공구(미합중국 특허 제45,196호 및 4,789,277 제4,961,757호 참조)를 사용함으로써, 고온합금의 기계가공속도는 현저히 증가될 수 있다. 이들중에서, 실리콘 카바이드 위스커 강화된 알루미나 공구는 최고의 내마모성을 제공하지만, 실리콘 카바이드 위스커의 비싼 가격와 상기 공구를 제조하는데 필요한 제작기술, 즉(콜드 프레싱 후의 신터링에 대한)핫 프레싱으로 인하여 가장 비싸다. 시아론을 포함하는 세라믹 절삭공구는 일반적으로 베타 프라임 시아론(Si6-ZAlzOzN8-Z)과 입계상(intergranular phase), 또는 베타 프라임 플러스 알파 프라임 시아론 [(Si, Al)12Mx(O, N)16여기서 X는 0.1과 2 사이이며, M은 Li, Ca, Mg, Hf, Zr, Ce, Y, SC 또는 다른 란탄족 원소들로 될 수 있다]과 입계상을 포함한다. 베타프라임 시아론에 대한 Z 값은 0보다 크고 4.2보다 더 적게 할 수 있다. 그러나, Z값이 증가함에 따라 시아론의 인성(靭性)이 저하되기 때문에, 모든 상업적 등급의 시아론-주성분(즉, 50 v/o 또는 그 이상의 시아론을 포함하는)절삭공구는 1.0 이하의 현저히 낮은 Z 값을 지닌다.
블랙 세라믹(Al2O3+ TiC) 및 약간의 화이트세라믹(Al2O3및 Al2O3+ ZrO2) 은 또한 상기 적용에서 우수한 내마모성을 나타내지만, 신뢰성이 부족한 결정이 있다.
따라서, 고온합금의 고속 기계가공에 있어서, 높은 내마모성과 인성의 조합을 지닌 경제적 세라믹 공구재료에 대한 필요성이 있다. 마찬가지로 주철, 경화주철 및 경화강의 기계가공에서도 높은 내마모성과 인성의 조합을 지닌 경제적 세라믹재료에 대한 필요성이 있다.
[발명의 개요]
고온합금의 고속 기계가공에 있어서, 현저히 향상된 내마모성과 인성을 지니는 신규한 세라믹 재료가 발견되었다. 베타 프라임 시아론과 유리상(glassy phase)으로 이루어지는 상기 신규한 세라믹 재료는, 고온합금의 고속 기계가공에 있어서 다양한 기계가공 조건하에서 실리콘 카바이드 위스커 강화된 알루미나의 성능과 동등하거나 보다 나은 성능을 제공하는 것으로 발견되었다. 상기 신규한 재료의 중요하고 예기치 않은 장점은, 그것이 SiC 위스커를 사용하지 않으며 제조를 위해 핫 프레싱을 필요로 하지 않기 때문에, 금속절삭에 있어서 높은 내마모성과 파괴저항을 낮은 비용으로 겸비하는 것이다. 이러한 재료로 제조된 절삭공구는 비용이 적게드는 콜드 프레싱과 신터링 방법으로 제조될 수 있다. 이러한 재료는 또한 주철과 강철의 기계가공에도 유리하게 사용될 수 있다고 믿어진다.
본 발명에 다르면, 세라믹 금속절삭 인서트가 고온합금의 고속(즉, 적어도 300 표면피트/분)의 칩을 형성하는 기계가공용으로 제공한다. 이 절삭공구는 플랭크면, 레이크면 및 레이크면과 플랭크면의 접합부에 형성된 절삭날을 지닌다. 이 세라믹 재료는 시아론 입자와 시아론 입자 사이에 배치된 입계상을 지닌다. 바람직하게는 70용량퍼센트(v/o), 더 바람직하게는 적어도 85 v/o의 시아론이 베타 프라임 시아론(Si6-zAlzOzN8-z)이며, 그 Z 값은 1.0보다 크지만 3.0보다 작다. Z는 바람직하게는 약 1.5이상의, 더 바람직하게는 1.7이상의 값을 지닌다. 이러한 재료는 금속절삭가공중 우수한 열충격에 대한 저항을 지니는 것으로 믿어진다.
그 재료는 바람직하게는 285GPa이하의, 더 바람직하게는 270 GPa 이하의 영율(E)을 지닌다. KIC(E&C) 파괴인성은 바람직하게는 4.0 내지 6.0 MPam1/2이며, 더 바람직하게는 약 4.6 내지 5.7 MPam1/2이다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기의 세라믹 절삭 인서트를 300 내지 1500 표면피트/분의 속도에서 사용하는 고온합금의 고속 기계가공 방법이 제공된다. 상기 범위중에서 적절한 속도는 다음질 및 거친절삭에 대하여 각각 500 내지 1200 표면피트/분 및 300 내지 800 표면피트/분이다. 다듬질에는 0.001 내지 0.008 인치/회전의 이송속도가 사용되는 것이 바람직하다. 거친절삭에는 0.005 내지 0.018 인치/회전의 이송속도가 사용되는 것이 바람직하다.
본 발명의 이러저러한 면들이 본 발명의 후술되는 상세한 설명과 관련하여 아래에서 간단히 설명된 첨부도면들을 검토함으로써 더 명백해질 것이다.
[도면의 간단한 설명]
제1도는 본 발명에 따른 절삭 인서트의 한가지 실시예의 도면.
제2도는 본 발명에 따른 시아론 재료의 전형적인 마세구조를 10,000 배율로 본 도면.
제3도는 Z 값의 함수로서의 KIC(E&C) 파괴인성의 그래프.
제4도는 로크웰 경도 34를 지니는 인코넬 718 (Inconel 718)을 가공하는 중, 베타 프라임 시아론의 Z 값의 함수로서의 공구마모의 그래프.
제5도는 온도의 함수로서 본 발명의 실시예의 비커즈경도(1kg)를 kg/㎜로 제시한 그래프.
제6도는 인코넬 718의 고속 기계가공에서, 실질적으로 일정한 금속제거속도에 대한 기계가공의 속도와 이송속도의 함수로서 공구수명의 분단위 그래프.
[발명의 상세한 설명]
본 발명에 따라, 제1도는 본 발명자들에 의해 개발된 세라믹 재료로 구성되는 분할가능한 세라믹 금속절삭 인서트(10)의 적절한 실시예를 제시한다. 그 금속절삭 인서트(10)는, 예를 들면 니켈 주성분 합금--인커넬 625, 인코넬 718 및 인콜로이 901(Incoloy 901) 및 철 주성분 합금 인콜로이 909; 코발트 주성분 합금-MAR-M-509 및 MAR-M-247; 분말금속 합금-Rene 95 및 IN-100; 및 스텔라이트 및 하스텔로이와 같은 고온합금의 고속 칩 형성 기계가공(예를 들면, 터닝, 밀링, 그루빙 및 드레딩)에 사용되는 것이 바람직하다. 이러한 재료는 또한 주철(예를 들면, 그레이 아이언(grey iron))의 고속 기계가공 및 경화강 및 경화주철의 기계가공에도 사용될 수 있다. 금속절삭 인서트는, 고온합금 주철 도는 강철의 고속 기계가공중에 형성된 칩들이 그 위로 유동하는 레이크 면(30)을 지닌다. 플랭크면(50)이 레이크면(30)에 접합된다. 레이크면과 플랭크면(50)의 접합부에는 고온합금, 주철 또는 강철에 절삭을 위해 고속으로 침입하는 절삭날(70)이 형성된다. 절삭날(70)은 호우닝가공(honed)되든가, 챔퍼가공되든가 또는 챔퍼가공과 호우닝가공된 상태이다. 그 호우닝은 산업 분야에 사용되는 어떠한 유형 또는 크기의 호우닝이어도 좋다. 다수의 적용에서 양호한 결과들을 제공하는 한가지 특정 유형은 0.001 내지 0.002인치 반경의 호우닝이다. 변형적으로, 절삭날 (70)은 0.003인치×20°의 챔버(즉, T형 랜드(T-1and)를 지닐 수 있다. 이러한 챔퍼는 단독으로 사용될 수 있거나 또는 호운의 결합되어 사용될 수 있다.
상기 금속절삭 인서트는 본 발명에 따른 세라믹 조성물로 구성된다. 이러한 조성물은 시아론 입자들 사이에 배치된 입계상들을 지니는 시아론 입자의 미세구조를 지닌다. 단일 또는 복수의 시아론상은 전체 세라믹 조성물의 적어도 50 v/o를 형성한다. 적어도 70 v/o 퍼센트의 시아론이 베타 프라임 시아론이며, 바람직하게는 85 v/o의 시아론이 베타 프라임 시아론이며, 더 바람직하게는 100v/o의 시아론이 베타 프라임 시아론이다.
입계상은 비결정질로 되는 것이 바람직하지만, 소량의 YAG(이트륨 알루미늄가닛) Y-N-α-월라스토나이트(규회석), YAM, N-YAM과 같은 결정질을 포함할 수도 있다. 입계상(들)은 사용된 신터링 에이드(sintering aid)의 생성물이다.
조성물중에서 입계상의 범위는 1.0 내지 15v/o 이지만, 약 5 내지 15 v/o 로 되는 것이 바람직하다. 약 15v/o 이상에서, 비결정질의 입계상은 고온의 변형에 대한 저항과 열전도도를 수용할 수 없는 정도까지 감소시킬 수 있다. 입계상을 생성하기 위해 사용되는 신터링에이드는 리듐, 칼슘, 마그네슘, 지르코늄, 하프늄, 세륨, 이트륨, 스칸듐, 란탄 또는 란탄족의 다른 원소들중 하나의 산화물로부터 선택될 수 있다. 상기 원소들중에서, 이트륨이 적합한 바, 그 이유는 이트륨이 고도의 내열성의 산화물을 지니며, 이 산화물은 재료에 존재하는 실리카와 알루미나와 함께 높은 용융점의 유리를 생성함으로써, 낮은 온도의 유리로 가능한 것보다 더 높은 온도에서 그 제품이 사용되는 것을 허여하기 때문이다. 신터링 혼합물중에서 산화이트륨(ytria)이 존재함으로써, 신터링중 압력을 가하지 않고 높은 밀도로 강도 높은 제품을 발생시킨다는 것을 알 수 있다. 최적의 절삭 성능을 제공하기 위하여, 재료는 1 퍼센트 이하의 다공도를 지녀야하며, 완전 밀집상태(fully dense)로 되는 것이 바람직하다. 바로 다음의 실시예에 있어서, 양적인 금속 표면 확대도를 이용하여, Z 값이 약 2로 되고, 그 중 시아론이 100% 베타 프라임으로되는 재료중의 입계상의 용량퍼센트의 특성을 나타냈다. 분석된 2개의 롯(lot)에 있어서, 입계상의 평균 용량퍼센트은 각각 약 3.1과 1.2의 표준편차를 지닌, 약 11과 12용량퍼센트로 된다. 전형적인 미세구조가 제2도에 도시되어 있다. 밝은 또는 화이트 상은 입계상이며, 블랙 상은 시아론이다. 본 발명에 따른 대표적인 재료의 X-선 회절 모양에서는 어떠한 결정질 입계상도 탐지할 수 없었다.
이제 본 발명의 시아론상을 고찰하면, 시아론은 100% 베타 프라임 시아론으로 되는 것이 적절하지만, 소량의 다른 시아론상이 또한 존재할 수 있다. 상기 다른 시아론상은 전체 시아론 존재의 5v/o보다 더 적은 수준의 폴리타이프(polytype)상(Ekstrom의 미합중국 특허 제4,818,635호 참조)들을 포함한다. 그것의 높은 경도때문에 내마모성을 향상시키는 알파 프라임 시아론은 인성에 대하여 역효과를 지니며, 따라서, 존재하여도, 전체 시아론의 30v/o이하의 수준에 존재하여야 하며, 더 바람직하게는 15v/o이하이다.
본 발명의 변형실시예에 있어서, 바람직하게는 30v/o이하의, 더 바람직하게는 15v/o이하의 소량의 경질의 내열상이 조성물에 첨가될 수 있다. 첨가될 수 있는 양은 상기 상들이 재료의 내마모성을 증가시킬 수 있지만, 높은 열 팽창율로 인하여 열충격 저항을 감소시키는 정도로 제한된다. 사용될 수 있는 내열재료는 하나 또는 그 이상의 TiN, TiCN, TiC, HfN, HfCN, HfC, ZrN, ZrCN 및 ZrC를 포함한다.
본 조성물에 존재하는 베타 프라임 시아론은 조성물에 존재하는 시아론의 적어도 70v/o, 바람직하게는 전체 시아론을 형성하며, 화학식 Si6-zAlzOzn8-z을 지니는바, 여기서 Z은 1보다 크지만 3보다는 적다. 본 발명의 배경에서 주지된 바와 같이, 본 발명 이전의 시아론 주성분 절삭공구의 전체 상업적 등급은, Z 값을 증가시키면 감소된 인성(KIC(E&C))을 초래한다는 확신에 기초하여, 1이하의 Z값을 지녔다. 본 발명자들은 Z값이 약 0.1 내지 3.0으로 변화하는 시아론과 입계상(4.7 w/o의 일정 Y2O3추가)을 포함하는 샘플들을 시험함으로써 상기 확신을 입증했다. 상기 시험의 결과를 제시하는 제3도는 KIC(E&C) 파과인성이 Z0.1의 7MPam1/2로 부터 Z3.0의 약 4.0MPam1/2로 지속적으로 감소하는 것을 지시한다. 이러한 정보에 부분적으로 기초하여, 본 발명의 Z 값은 2.5보다 크지 않게, 더 바람직하게는 2.3 또는 그 이하로 유지하는 것이 바람직하다.
그러나, 발명자들은 1보다 적은 Z값의 베타 프라임 시아론을 지니는 세라믹은 높은 인성을 지니고, 신뢰성있는 절삭공구들을 제조하지만, 그것들은 고온합금의 고속 기계가공에서 비교적 낮은 내마모성을 지닌다는 것을 발견했다. 실은, 베타 프라임 시아론과 입계상으로 구성된 세라믹 절삭공구들의 평가된 Z값의 함수로서 공구마모를 인치로 제시하는 제4도에서 증명된다. 터닝으로 기계가공된 재료는 콘크웰 C 정도 34를 지니는 인코넬 718이었다. 그 시험조건은 800 표면피트/분 ; 0.008 인치/회전 이송속도; 0.06 인치의 절삭깊이; 및 5분의 시간이었다. 제4도에서 알 수 있는 바와 같이, 제한 마모인자는 최대 플랭크 마모(MW)이다. 최대 플랭크 마모저항은 약 1 또는 그 이하의 Z 값에서 현전히 저하된다는 것을 제4도에서 알 수 있다. 따라서, 본 발명에서는, 고온합금들의 고속 기계가공중 최상의 내마모성을 제공하기 위하여 Z 값이 1이상, 바람직하게는 약 1.5이상, 더 바람직하게는 1.7이상으로 되는 것이 매우 중요하다. 제4도에 주지된 다른 마모 메카니즘은 플랭크 마모(FW), 노우즈마모(NW) 및 절삭 깊이의 노칭(DCN)이다. 놀랍게도, 본 발명(즉,Z＞1)에 따른 재료들의 낮은 파괴 인성에도 불구하고, 상기 실험에서 공구 파손의 문제는 없었다.
본 발명의 고온합금들의 고속 가공에서 지니는 중요한 장점이, 순전히 예시적으로 의도되는 본 발명의 후술실시예들에 의해 더 지적된다. 약 1.5, 2.0 및 2.5의 Z 값을 지니는 SNGN-453 (SNGN 12 07 12) 스타일의 절삭인서트들이 후술하는 기술을 사용하여 제조되었다. 후술되는 설명은 Z=2.0의 조성물에 관한 것이다.
다른 조성물은, 초기의 혼합물이 원하는 Z값을 얻기에 적절하도록 변화된 것을 제외하고, 유사한 방식으로 제조되었다.
초기의 재료는 표 1에 제시된 비율로 72시간 밀링가공되어, 14-16㎡/g의 BET 표면적과 적어도 90%의 분말이 0.9㎛이하로 되는 입자크기 범위를 얻었다.
밀링후에, 분말들은 건조되고, 6.5 w/o의 윤활제/결합제와 함께 조립(造粒)되며, 단축방향으로 콜드 프레스되어, 원하는 형상의 그린(green)인서트들을 형성했다.
그후 그린 인서트들은 윤활제거(delube) 되며, 계속하여 1기압의 니트로겐하에서 100분동안 1720 내지 1800℃에서 적절한 세팅 분말을 사용하여 신터링되었다.
[표 1]
그레이드 SN-E10의 Si3N4분말은 일본의 도쿄에 소재하는 우베 인더스트리즈, 엘티디.로부터 입수할 수 있다. 이러한 분말은 등축(equaxe)이고, 약 0.2㎛의 평균입자 크기를 지니며, 95퍼센트 이상이 알파 실리콘 니트라이드이며, 만일 존재할 경우 나머지 부분이 베타 실리콘 니트라이드인 거의 100퍼센트 결정질이다. 그레이드 SN-E10의 실리콘니트라이드의 조성물은 (w/o)에 있어서, N＞38.0; 0＜2.0; C＜0.2; C1＜100ppm; Fe＜100 ppm; Ca＜50 ppm; Al＜50 ppm; 이며 나머지는 Si이다.
그레이드 C의 AIN은 뉴욕주의 뉴욕시에 소재하는 허먼 씨, 스타랙, 아이엔씨.로부터 입수가능하다. 이러한 분말은 육각형의, B4 단상 결정구조를 지닌다.
그레이드 C의 알루미늄 니트라이드의 조성물은 (w/o에 있어서), N≥29.5; 0≤2.5; C≤0.1; Fe≤0.0005; 다른 금속 불순물 ≤0.01; 이며 나머지는 알루미늄이다.
그레이드 세라록스 HPA 0.5는 아리조나주 튜크손의 세라록스코퍼레이션으로 부터 입수가능하다. 세라록스 HPA 분말은 (ppm으로) Na-44; Si-93; Fe-21; Ca-21; 및 Mg, Cr, Cu, Mn, Li, Ga, K, Ni, Ti 및 Mo 각각은 1 내지 5ppm이하의; 최대의 불순물을 지니는 고순도 알루미나 분말(≥99.97% 순도)이다. 세라록스 HPA 0.5 그레이드에 있어서, 500ppm의 마그네시아(Mgo)가 고순도 알루미나에 가해진다.
세립(fine) 그레이드 Y2O3는 또한 허먼 씨. 스타랙, 아이엔씨로부터 입수가능하다. 이러한 분말은 중량으로 적어도 99.95%의 Y2O3고순도 분말이다. 금속 불순물의 최대 중량 퍼센트는 0.05이다.
신터링후, Z=2 재료의 전형적 특성들이 표 II에 제시되어 있다.
[표 2]
실온 및 상승된 온도에서 얻어진 경도들이 제5도에 제시되어 있으며, 그것들은 1이하의 Z 값을 지니는 시아론 조성물들에서 얻어진 것과 유사하다. 그러나, 1000℃의 상승된 온도에서의 경도는, 1000℃에서 약 950kg/m㎡의 경도를 지나는 SiC 위스커 강화된 알루미나 절삭공구의 상업적 등급에서 관찰된 것보다 현저히 더 크다.
본 발명에 따라 약 1.5, 2.0 및 2.5의 Z 값들을 지니는 절삭인서트들이 표III, IV 및 V에 제시된 조건하에서 시험되어, 그들의 마모특성을 결정한다. 표 3에 제시된 조건하에서 가장 신속한 타입의 마모는 최대 플랭크 마모이지만; 그러나, Z 값이 1.5 에서 2.5로 증가함에 따라(제4도 참조)그것은 감소했다. 표 IV에 제시된 조건하에서, 플랭크 마모, 최대 플랭크마모 및 노우즈마모 전부가 Z=2의 재료에서 최소로 되었다. 이러한 재료에서 조차, 절삭 깊이의 노칭은 동일한 시험 조건에 종속된 상업적 SiC 위스커-강화된 재료에서 관찰된 것의 약 절반에 지나지 않았다. 표 V의 시험에 있어서, 절삭 깊이의 노칭은 가장 신속한 타입의 마모였지만, 그러나, 표 IV의 시험에 관련하여 주지된 바와 같이, 그것은 동일한 시험에 종속된 상업적 SiC 위스커-강화된 재료에서 관찰된 것보다 더 적었다.
[표 3]
절삭조건
소재 : 인코넬 718(34HRC)
속도 : 800 sfm(244m/min)
이송 : 0.008ipr(0.203㎜/r)
절삭깊이 : 0.06in.(1.524㎜)
리이드각 : 45℃
인서트 : SNGN 453 (SNGN 12 07 12)
냉각제 : 플러드(Flood)
날의 준비 : 0.002"-0.003" (0.051-0.076㎜)호우닝
[표 4]
절삭조건
소재 : 인코넬 718(34HRC)
속도 : 400 sfm(122m/min)
이송 : 0.012ipr(0.305㎜/r)
절삭깊이 : 0.06in.(1.524㎜)
리이드각 : 45℃
인서트 : SNGN 453 (SNGN 12 07 12)
냉각제 : 플러드(Flood)
날의 준비 : 0.002"-0.003" (0.051-0.076㎜)호우닝
[표 5]
절삭조건
소재 : 인코네 718(45HRC)
속도 : 400 sfm(122m/min)
이송 : 0.008ipr(0.203㎜/r)
절삭깊이 : 0.06in.(1.524㎜)
리이드각 : 45℃
인서트 : SNGN 453 (SNGN 12 07 12)
냉각제 : 플러드(Flood)
날의 준비 : 0.002"-0.003" (0.051-0.076㎜)호우닝
제6도에서는, 본 발명에 따른 세라믹재료(Z=2)가, 통상 인코넬 718을 기계가공하기 위해 사용되는 알파 프라임 플러스 베타 프라임 시아론(Z0.8)과 SiC 위스커 강화된 알루미나의 상업적 등급에 대하여 시험되었다. 도면에 도시된 바와 같이, 공구수명은 3가지 기계가공 조건에 의해 결정된다. 기계가공속도는 좌측에서 우측으로 증가되는 반면 이송속도는 우측에서 좌측으로 증가하며, 절삭의 깊이는 아래에 제시된 바와 같이 일정하게 유지된다.
조건 A : 800 sfm (244 m/min.)
0.012 ipr (0.31 ㎜/rev.)
0.060 inch 절삭깊이 (1.52/min)
조건 B : 1000 sfm (305 m/min.)
0.010 ipr (0.25 ㎜/rev.)
0.060 inch 절삭깊이 (1.52/min)
조건 C : 1200 sfm (366 m/min.)
0.008 ipr (0.20 ㎜/rev.)
0.060 inch 절삭깊이 (1.52/min)
금속제거 속도는 각각의 조건에 대하여 실질적으로 일정 (A=B=6.9in.3/min. (113㎤/min); C=7.2 in.3/min (118㎤/min))하다. 기계가공된 재료는 로크웰 C 경도 26을 지니는 인코넬 718이었다. 1200 sfm (366 m/min.) 이하의 속도에서, 본 발명은 위스커 강화된 재료보다 더 긴 공구수명을 지니고 있었다.
1200 sfm(366m/min)에서, 실리콘 카바이드 위스커 강화된 아룰미나는 더 긴 공구 수명을 지니고 있었다. 800 sfm(244m/min.) 에서, 본 발명의 공구 수명은 10분보다 더 길었었다. 시험된 모든 조건하에서, 본 발명은 낮은 Z값의 시아론 재료보다 더 나은 공구수명을 지니고 있었다. 이러한 시험에 있어서, 낮은 Z값의 시아론재료는 플랭크 마모로 인하여 사용불능으로 되고, 실리콘 카바이드 위스커 강화 된 재료는, 거의 예상할 수 없는 파괴메카니즘인, 절삭깊이의 노칭으로 인하여 사용불능으로 되며; 본 발명에 따른 재료는 노우즈 마모로 인하여 사용불능으로 되었다.
이러한 결과에 따르면, 본 발명은 종래의 시아론 조성물과 비교하여 개선된 내마모성을 지니며, 놀랍게도 동시에 고온합금의 고속 기계가공에서 충분한 인성을 지녀, 상기 다수의 적용에서 SiC 위스커 강화된 알루미나재료에 대하여 효과적으로 대항한다는 것이 명백해졌다. 실리콘 카바이드 위스커 강화된 알루미나가 본 발명보다 더 긴 공구수명을 지니는 기계가공의 적용에 있어서는, 기계가공속도는 감소되고, 이송속도는 증가되는 것이 적합하다. 이러한 방식으로, 본 발명의 공구수명은 실리콘 카바이드 위스커 강화된 알루미나의 공구수명과 동일하게 되거나 또는 그 보다 더 낮게 되도록 증가되며, 한편 제6도에 제시된 바와 같이 실질적으로 동일한 금속제거속도를 유지한다.
이론에 의해 제한되는 것은 바람직하지 않지만, 본 발명의 낮은 KIC파괴인성에도 불구하고, 본 발명이 발견된 기계가공에서의 놀라운 정도의 인성에 대하여 그 이유를 더 잘 이해하도록 설명하기 위하여 다음의 이론이 제시된다.
과거의 낮은 Z 값의 시아론 금속절삭 공구와 같이, 본 발명은 침상(needle-like)의 베타 프라임 입자 구조를 포함한다)제2도 참조). 그러나, 낮은 Z 값의 시아론과는 다르게, 그것은 일반적으로 Z2에 대하여 약 5.0의 낮은 KIC(E&C)파괴인성을 지닌다(표 VI참조). 그러나, 고온합금의 기계가공중, 본 발명의 가공에서의 신뢰성 또는 인성(즉, 파손에 대한 저항)은 약 0.4의 Z 값을 지니는 베타 프라임 시아론과 약 0.8의 Z 값을 지니는 알파 프라임 플러스 베타 프라임 시아론 사이로 되며, 실리콘 카바이드 위스커 강화된 알루미나 보다 더 우수하다.
기계가공에서의 이러한 놀라운 인성은 재료의 열충격저항에 의한 것일 수 있다. 한가지 재료를 다른 재료에 대하여 비교할 목적으로, 열충격저항은 KIC/Eα 또는 KICK/Eα와 같은 열충격 변수에 의해 추정된다. 표VI에 제시된 바와 같이, 열충격 변수(KIC/Eα)는 본 발명의 기계가공에서 놀라운 인성의 가능한 설명으로서 제공될 수 있는바, 여기서 상기 변수 Z=0.4 및 Z=0.8의 시아론 사이에 존재한다. 이것은 본 발명의 영율이 낮은 Z 값 재료에서의 상기 특성값보다 현저히 더 낮은 것에 의한 것이다. 본 발명에 대한 열팽창 계수(α)는 측정되지 않았지만, 낮은 Z 값 시아론에 나타나는 것과 동일하게 추정된다. 표 VI에서 알수 있는 바와 같이, 상기 이론에 기초하여, 본 발명의 열충격저항은 실리콘 카바이드 위스커 강화된 알루미나의 열충격저항보다 더 우수한 것으로 보인다.
[표 6]
본 발명에 대한 니켈, 철 및 코발트 주성분 고온합금을 터닝시키는데 있어서 적합한 적용범위가 표 7에 제시되어 있다.
[표 7]
경화강 및 경화주철, 연성철 및 그레이 주철들을 터닝시키는데 있어서 적합한 적용범위들이 표 8에 제시되어 있다.
[표 8]
본 발명의 다른 변형 실시예에 있어서, 전술된 바와 같은 세라믹 절삭 인서트는, 고속 기계가공에서 내마모성을 개선하기 위하여 경질의 내열성코팅으로 피복될 수 있다. 초경합금 공구 또는 세라믹 절삭공구를 피복시키기 위해 사용되는 화학적 증착같은 통상의 코팅 기술이 사용되어, Al2O3, TiCN 및 TiN 단독 도는 그것들의 조합과 같은 내열성재료의 1층 또는 다층을 포함하는 1-10㎛의 내열성 피복을 가한다. Al2O3또는 TiN 층, 가장 바람직하게는, Al2O3층이 직접 기재에 도포되어, 코팅과 기재사이의 최상의 부착력을 보장하는 것이 바람직하다. 예비시험에서, 본 발명에 따른 기재(100% Z=2의 베타 프라임 시아론 및 유리)가 SNGN-453T (0.008"×20°의 챔프)스타일의 절삭 인서트로 제작되며, 통상의 CVD기술에 의해 우선 기재에 인접하여 1㎛ 두께의 Al2O3층으로 피하고, 이어 3㎛의 TiCN, 2㎛의 A12O3및 최종적으로 1㎛의 TiN을 피복했다. 피복된 인서트는 그후 2000 표면피트/분의 속도에서, 0.015 인치/회전의 이송속도로, 0.080 인치의 절삭깊이, 15도의 리이드각으로 클래스 40 그레이 주철의 고속 건식 터닝가공으로 코팅되지 않은 동일한 재료에 대비하여 시험되었다. 피복되지 않은 재료는 8.5분의 평균 공구수명을 지니는 반면, 피복된 재료는 놀랍게도 피복되지 않은 공구의 평균수명의 2 배이상인, 17.5분이 넘는 평균 공구수명을 지녔다. 더우기, 피복되지 않은 공구는 파손에 의해 사용불능으로 되지만, 놀랍게도 피복된 공구는 플랭크 마모에 의해 사용불능으로 되거나, 또는 20분간의 기계가공에서 시험이 종료되기까지 전혀 사용불능으로 되지 않았다.
본원에 사용된 바와 같은, KIC(E&C)는 비커즈 인덴터상에서 18.5kg의 부하를 사용하는 팜퀴비스트(palmqvist)압흔기술을 이용하여 연마된 표면상에서 측정된 파괴인성이다(Evans 및 Charles의 "Fracture Toughness Determination by Indentation" J. American Ceramic Society, Vol. 59, No. 7-8, page 371, 372 참조).
본원에 참조된 모든 특허 및 다른 간행물은 본원에서 완전히 참고문헌으로 구체화된다.
본 발명의 다른 실시예들이 본원에 개시된 본 발명의 상기 명세서 또는 실시에를 고찰함으로써 당업자들에게 자명해질 것이다. 명세서 및 실시예들은 후술되는 특허청구범위에 의해 지시된 본 발명의 진정한 범위 및 정신에 단지 전형예로 간주되도록 의도되어 진다.

Claims (15)

  1. 고온합금 및 주철을 고속 칩 형성 기계가공하는 것 및 경화강 및 경화주철을 칩 형성 기계가공하는 것을 포함하는 금속재료의 기계가공을 위한 세라믹 금속절삭 공구에 있어서, 플랭크면, 상기 금속재료의 상기 칩 형성 기계가공중 형성되는 상기 칩이 그 위로 유동하는 레이크면; 및 상기 금속재료의 상기 칩 형성 기계가공중 상기 금속재료를 절삭하기 위해 상기 레이크면과 상기 플랭크면의 접합부에 형성된 절삭날; 을 포함하여 구성되며, 상기 세라믹은 시아론 입자들 및 상기 시아론 입자들 사이에 배치된 입계상을 지니며, 상기 시아론은 50 v/o 또는 그 이상의 상기 세라믹을 구성하며, 상기 세라믹은 1v/o의 다공도를 지니며, 상기 시아론는 베타 프라임 시아론을 포함하며, 상기 베타 프라임 시아론은 1.5와 3.0 사이의 Z 값을 지니는 세라믹 금속절삭공구.
  2. 제1항에 있어서, 상기 입계상은, 상기 세라믹의 5 내지 15v/o를 형성하는 비결정질 상을 포함하는 세라믹 금속절삭 공구.
  3. 제2항에 있어서, 상기 세라믹 금속절삭 공구는 고온합금의 고속칩 형성 기계가공을 위해 사용되며, 상기 고속은 300 내지 1500 표면피트/분으로 되는 세라믹 금속절삭 공구.
  4. 제1항에 있어서, 상기 세라믹은 4.0 MPam1/2과 6.0 MPam1/2 사이의 KIC 파괴인성을 지니는 세라믹 금속절삭 공구.
  5. 제1항에 있어서, 영율(Young's Modulus)이 285GPa 보다 작게 되는 세라믹 금속절삭 공구.
  6. 제1항에 있어서, 알파 프라임 시아론이 상기 시아론의 30v/o까지 제공되어 형성하며, 베파 프라임 시아론이 상기 시아론의 나머지를 형성하는 세라믹 금속절삭 공구.
  7. 제1항에 있어서, 알파 프라임 시아론이 존재하며 상기 입계상은 유리이며 상기 세라믹의 5 내지 15v/o를 형성하는 세라믹 금속절삭 공구.
  8. 제6항에 있어서, 상기 입계상은 유리이며, 상기 세라믹의 5 내지 15v/o를 형성하는 세라믹 절삭공구.
  9. 제1항 및 제6항중 어느 한 항에 있어서, 상기 세라믹이 경질의 내열상을 더 지니는 세라믹 금속절삭 인서트.
  10. 제9항에 있어서, 상기 경질의 내열상은 상기 세라믹의 30v/o를 형성하는 세라믹 금속절삭 인서트.
  11. 제10항에 있어서, 상기 경질의 내열상은 Ti, Zr, Hf 및 그들 상호간의 합금의 카바이드, 니트라이트, 카보나이트라이드의 단독 또는 조합으로 되는 세라믹 금속절삭 인서트.
  12. 제11항에 있어서, 상기 경질의 내열상은 티타늄 니트라이드로 되는 세라믹 금속절삭 인서터.
  13. 제2항에 있어서, 상기 세라믹 금속절삭 공구는 주철의 칩 형성기계가공을 위해 사용되며, 상기 속도는 700 내지 3500 표면피트/분으로 되는 세라믹 금속절삭 공구.
  14. 제1항에 있어서, 상기 시아론의 70v/o 또는 그 이상이 베타 프라임 시아론으로 되는 세라믹 금속절삭 공구.
  15. 제2항에 있어서, 상기 세라믹 금속절삭 공구는 경화강 및 경화주철의 칩 형성 기계가공을 위해 사용되며, 상기 속도는 150 내지 600 표면피트/분으로 되는 세라믹 금속절삭 공구.
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