KR20080061314A - 양호한 내 노치 마모성을 요하는 분야에 사용되는 세라믹재료 및 이 세라믹 재료로 만들어진 절삭공구 - Google Patents

Abstract

본 발명은 β- 사이알론 (Si_6-zAl_zO_zN) 과 다형 12H 와 입자간 비결정질 상 또는 부분적으로 결정질인 상으로 이루어지는 세라믹 재료로서, 이트륨은 0.7-〈1.5 의 z 값을 갖는다. 이 세라믹 재료는 내열성 초합금을 가공하는데 절삭공구 인서트에 유익하며 양호한 노치 마모와 허용할 만한 플랭크 마모와 충분한 인성을 갖는다.

Description

양호한 내 노치 마모성을 요하는 분야에 사용되는 세라믹 재료 및 이 세라믹 재료로 만들어진 절삭공구 {CERAMIC MATERIAL AND CUTTING TOOLS MADE THEREOF FOR APPLICATIONS DEMANDING GOOD NOTCH WEAR RESISTANCE}

본 발명은 종종 내열성 초합금 (HRSA) 으로 사용되는 니켈과 코발트계 재료를 기계 가공하는데 적당하며 양호한 노치 마모와 허용할만한 플랭크 마모와 충분한 인성을 갖는 질화 실리콘계 세라믹 재료에 관한 것이다.

절삭공구용 세라믹 재료는 그의 높은 고온경도 때문에, 높은 경도와 높은 인장강도 (상승 온도에서) 와 낮은 열 확산성을 갖는 작업물을 기계가공하는데 적합하며 때때로 내열성 초합금 (HRSA) 으로 사용되는 니켈과 코발트계 재료의 종류와 같은 자경성 재료에 특히 적합하다.

많은 절삭 공구용 질화실리콘계 재료는 소결 보조제로 산화알루미늄 (Al₂O₃) 을 사용하여 제조된다. 알루미늄과 산소는 질화실리콘의 결정 구조에서 각각 실리콘과 질소를 대체할 수 있으므로, 소위 사이알론 (Sialon) 세라믹을 형성하고, 이는 Si-Al-O-N 으로 구성되며 때론 양이온 Meⁿ⁺ 에 의해서 부가적으로 안정화되며, 여기서,Me 는 다수의 (희토류) 금속과 적절한 이온반경 (r〈1.0 Å) 을 갖는 예컨데, Y,Yb,Dy,Lu,Li,Ca,Mg,Sc 등의 란탄나이드 (Lanthanides) 로부터 선택될 수 있다.

Izhevskiy V A, Genova L A, Bressiani J C 와 Aldinger F 의 " Progress in SiAlON ceramics", J. Eur. Ceram. Soc. 20, 2275-2295 (2000) 을 참조하면 많은 사이알론 상이 검출되고 특징되지만, 절삭공구 재료에 사용되는 주된 상은 α- 사일론 상인 R_XSi_12-(m+n)Al_(m+n)O_nN_(16-n) (1.0〈 m 〈2.7; n〈1.2) 상태로 남고, 여기서 R 은 전술한 금속이나 이온반경〈1.0 Å 인 란탄나이드 중의 하나이며 β- 사이알론은 Si_6-zAl_zO_zN_8-z (0 〈z〈4.2) 이다.

소결시, 보통 질화실리콘, 알루미나, AIN 또는 몇 개의 사이알론 "다상 (polyphase) " (또는 "다형(polytype)") 의 조성물로 예를 들어 12H, 21R 등으로 사용되는 원료는 란탄나이드 또는 금속 또는 란탄나이드의 산화물과 더불어 일시적인 용융물을 형성하고, 이 용융물로부터 α와β 사이알론상과 가능하게는 (만약, Y가 전술한 금속이온 R 로 사용되면) 예컨대, YAG, 메리라이트(melilite), B 상, 12 H 등과 같이 다른 상이 결정화된다. 소결 후, 결정질 입자들 간의 입자간상이 남는다. 생성된 입자간상의 양은 사용된 원료의 조성과 소결조건에 의해 영향을 받는다.

금속이온은 α-사이알론 상을 안정화시키는 것 뿐만 아니라, 소결시 사이알론 결정을 형성할 촉매로서 작용하고, 보통 베타 상에서, 기다란 사이알론 입자의 형성을 돕고, 그러나 α-사이알론의 기다란 입자 역시 생산된다 ( Fang-Fang X, Shu-Lin W, Nordberg L-O 와 Ekstroem T 의 "Nucleation and Growth of the Elongated α'-SiALON", J.Eur.Ceram. Soc. 17(13) 1631-1638 (1997) 을 참조).

사용되는 금속 이온의 결정은 비결정질 상의 특성에 영향을 미치는 것 역시 명백하다 (Fang-Fang X, Shu-Lin W,Nordberg L-O 와 Ekstroem T 의 "Nucleation and Growth of the Elongated α'-SiALON", J.Eur.Ceram. Soc. 17(13) 1631-1638 (1997) 과 Sun E Y, Becher P F, plucknett K P, Hsueh C-H, Alexander K B 와 Waters S B 의 " Microstructural Design of Silicon Nitride with Improved Fracture Toughness Ⅱ:Effects of Yttria and Alumina Additives", J.Am. Ceram. Soc. 81(11) 2831-2840 (1998) 과 Hong Z L, Yoshida H, Ikuhara Y, Sakuma T, Nishimura T 와 Mitomo M 의 " The effect of additives on sintering behavior and strength retention in silicon nitride with RE-disilicate", J. Eur. Ceram. Soc. 22, 527-534 (2002) 와 Becher P F, Waters S B, Westmoreland C G, Riester L 의 "Compositional Effects on the Properties of Si-Al-RE-Based Oxynitride Glasses (RE = La, Nd, Gd, Y or Lu)", J.Am. Ceram. Soc. 85(4), 897-902 (2002)을 참조). β- 사이알론 상 (Si_6-zAl_zO_zN_8-z ) 의 z 값은 소결된 재료에서 경도, 인성, 입도 분포에 영향을 미친다 (Ekstroem T, Nygren M 의 "SiALON ceramics", J.Am. Ceram.Soc.75 (2), 259-276 (1992) 참조). 상기 z 값은 Si₃ N₄ 격자에서 용해된 Al 과 O의 양에 관련되어 있다. 이론적인 z 값은 시작 재료의 조성으로 부터 계산될 수 있다. 소결 후, 베타 사이알론상의 실제 z 값은 X-ray 회절분석에 의해 측정될 수 있다. 측정된 z 값은 입자간 상이 베타 사이알론 상보다 더 많은 산소와 알루미나를 포함하고 있기 때문에, 항상 계산치보다는 약간 작다. GB-A-2157282 는 결정질 AIN 등을 갖거나 갖지 않으며 TiN 과 SiC 와 같은 내화첨가제를 갖거나 갖지 않으며 α 사이알론을 가지거나 가지지 않은 금속 절삭공구에 사용하기에 적당한 사이알론 재료의 범위를 나타내지만, 항상 "다형" 사이알론 상을 포함한다.

US 5,370,716 는 고온 합금과 β - 사이알론 (Si_6-zAl_zO_zN_8-z ,여기서 1〈z〈3) 과 입자간 상의 조성을 갖는 주철을 고속으로 기계가공을 하는 절삭공구로 사용되는 세라믹 재료를 나타낸다.

US 5,965,471 은 사이알론 입자와 0.2-20 v/o 입자간상을 포함하는 내열합금을 고속으로 기계 가공하는 소결된 세라믹 재료를 나타낸다. 상기 사이알론 상의 적어도 80 v/o 는 1-1.5 의 z 값을 갖는 β - 사이알론이다. 상기 세라믹 재료는 1530 이상의 비커스 경도 HV1 을 갖고 이는 가스 압력 소결로 생산된다.

본 발명의 목적은 금속, 바람직하게는 내열성 초합금을 기계가공하기 위한 최적의 조성을 가지며 또한 양호한 노치 마모와 허용할만한 플랭크 마모와 충분한 인성을 갖는 금속 절삭 공구용 질화 실리콘계 세라믹 재료를 제공하는데 있다.

본 발명은 β-사이알론 (Si_6-zAl_zO_zN) 과 다형 12H 와 입자간 비결정질 상 또는 부분적으로 결정질인 상을 기반으로 하며 3.5-5 wt%, 바람직하게는 3.9-4.5 wt% 의 이트륨을 포함하는 세라믹 재료를 제공한다. 상기 β- 사이알론상은 0.7-1.5 의 z 값을 갖는다. 입자간상의 양은 5 ~ 15% 이다. 34°의 2

값에서 CuKα피크의 x 레이 회절선도에서 피크 높이 (a) 와 33°의 2

값에서 β - 사이알론으로부터의 피크의 같은 회절선도에서의 피크 높이 (b) 의 비로 측정되는 다형 12H 의 양은 배경을 고려하면 2 ~ 20 % 이다. 게다가, 상기 재료는 YAG, B - 상 및/또는 메리라이트를 3 , 중량 퍼센트까지 포함할 수 있다.

상기 재료는 내열성 초합금 (HRSA) 을 기계가공하는 절삭공구 인서트에 특히, 유용하다. 이러한 절삭공구 인서트에는 TiN, Ti (C,N), Al₂ O₃ 또는 (Ti,Al) N 또는 이들 재료의 임의의 조합물로 된 코팅이 제공될 수 있다.

본 발명에 따른, 사이알론 재료는 분말야금 방법 예를 들면, 분쇄와 가압 그리고 소결로 제조된다. 질화실리콘과 알루미나와 이트리아 및 질화 알루미늄 또는 다상 21R 의 분말의 적절한 비율의 분말이 분쇄되고 가압되어 인서트 소재로 된다. 인서트 소재는 분말층에 파묻히지 않은 채 소결 트레이에 위치하고 개별적으로 가열되고 (burnoff) 그 후, 가스압력 소결노에서 소결된다. 이 소결의 마지막 과정은 질소압력 하에서 1700-1900°C 에서 이루어질 것이다.

소결 후, 상기 소재는 요청된 형태와 치수를 갖는 금속 절삭용 인서트로 연삭된다. 상기 인서트에는 선택적으로 종래기술에서 공지된 바와 같이, TiN, Ti (C,N), Al₂ O₃ 또는 (Ti,Al) N 또는 이들 재료의 임의의 조합물로 된 코팅이 선택적으로 제공될 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예에서, z 값은 0.7-1.3 이며 바람직하게는 0.7-〈1 이고 다형 12H 의 양은 5 ~ 20 % 이며, 바람직하게는 6-15 % 이다.

본 발명의 예시적인 실시예에서, z 값은 1.2-〈 1.5 이며, 바람직하게는 1.25-〈1.45 이고, 다형 12H 의 양은 2 ~ 15 % 이며, 바람직하게는 2 - 12 % 이다.

이 세라믹 재료는 내열성 초합금을 가공하는데 절삭공구 인서트에 사용되는데 유익하며 양호한 노치 마모와 허용할 만한 플랭크 마모와 충분한 인성을 갖는다.

통상 사이알론 절삭공구로 이용할 수 있는 분말원료 E 와 G 를 제외한 표 1a 에서의 조성에 따른 B,C,F 와 H 는 사이알론 분쇄 매체를 이용하여 수중에서 분쇄 되었다. C 와 H 의 조성물은 같은 원료 조성을 가지나, 분쇄의 정도가 다르다.

조성물 H 은 더 강한 분쇄를 받았으며, 이리하여 슬러리의 산소함량이 증가한다. 유기결합제가 슬러리에 혼합되고 그 후, 이 슬러리는 분무 건조를 통해 입상화되었다.

상기 분말은 단축방향으로 냉간 가압되어 생형체가 형성되었고 그리고 이 생형체는 650 ℃ 에서 개별적으로 가열되었다. 이 가열된 생형체는 질소압력 하에서 1810 ℃ 의 최대 소결 온도에서 소결되었다. 소결체는 ISO RPGX120700T01020 형의 인서트로 연삭되었다.

상기 재료는 금속 현미경으로 다공성에 관하여 분석되었다. X 레이 회절이 z 값을 결정하기 위해 사용되었으며, 다형 12 H 의 양은 34 도의 2 θ 각에서 12 H CuKα X 레이 회절 피크의 높이와 33 도의 β- 사이알론 피크의 높이의 비로 결정된다 (도 1 참조).

도 2 는 사이알론 재료 C 의 후방산란 모드의 4000x 확대된 SEM (Scanning Electron Microscope) 현미경사진이다. 회색 영역은 β- 사이알론과 다형 12H 이며 흰 영역은 입자간상이다. 사진의 전체 면적에 대한 입자간 상에 기인하는 면적으로 측정되는 입자간상의 양은 10 % 이다.

표 1a.

표 1b.

1) 34°의 2

값에서의 12 H 피크의 x레이 회절선도에서의 높이와 33°의 2

값에서 β - 사이알론 피크의 동일한 회절선도의 높이의 비로 측정.

2) 다공성 금속 현미경 결정에 관한 ISO 4505 표준에 따라

3) 사진의 전체면적에 대한 SEM 사진에서의 이 상에 기인하는 면적으로 측정.

4) 12H 의 백분율은 정량적으로 측정될 수 없기 때문에, β- 사이알론의 비율을 결정할 수 없다.

5) X 레이 회절로 검출할 수 있는 샘플에서 결정질 재료의 비율로 표시.

실시예 1

표 1 의 B,C 와 F 조성물에 따른 인서트는 225 m/min 속도와 0.1mm/rev 이송속도와 2.5mm 의 절삭깊이를 이용하는 인코넬 718 의 길이방향 선삭 작업에서 시험되었다. 냉각제가 이용되었다. 상기 인서트는 테스트 사이클에서 사용되었고 여기서 한 테스트 사이클은 30 초의 가공시간에 상응한다. 두 테스트 각각에서 새로운 세트의 인서트가 사용되었고, 플랭크 마모 깊이 (VB) 가 0.5 mm 이거나 노치 마모가 1 mm 가 될 때까지, 각 인서트에 의해 견딘 주기의 횟수가 기록되었다. 결과적인 수명 (분으로 표시) 이 두 테스트의 평균으로서 표 2 에 나타나있다. 경우 C 는 플랭크 내마모성과 노치 내마모성에 관하여 명확한 이점을 나타내었다. 경우 B 는 조성에 관해 본질적으로 경우 C 와 같으나 TiN 이 첨가되어져 현저한 노치 마모를 나타내었으며, 이 노치 마모는 또한 경우 B 에 있어 수명을 제한하는 요인이었다.

표 2.

실시예 2

표 1 의 조성물 B,C,F 와 G 에 따른 인서트는 속도 280 m/min 과 이송속도 0.2mm/rev 와 절삭깊이 2.5+2.5mm 를 이용하여 인코넬 718 에서 숄더에 대해 이중 면삭작업에서 시험되었다. 냉각제가 이용되었다. 상기 인서트는 테스트 주기에서 시행되고, 여기서 일 테스트 주기는 상술한 면삭 작업에 상응하며, 세개의 테스트 각각에서 새로운 세트의 인서트를 사용했다. 1.0 mm 이상의 플랭크 마모 깊이 (VB) 나 날 파손이 있을 때까지 각 인서트가 견딘 주기의 횟수가 기록되었다. 모든 세 주기의 평균으로서의 결과는 표 3 에 나타나 있다. 재료 C 와 조성 H 를 갖는 재료가 피 테스트 재료 중에서 최고의 성능을 갖는다.

표 3.

실시예 3

표 1 의 조성 C,E,F 와 G 에 따른 인서트는 속도 250 m/min 과 이송속도 0.2 mm/rev 와 절삭깊이 2.5+2.5mm 를 이용하여 인코넬 718 에서 숄더에 대해 이중 면삭 작업에서 시험하였다. 냉각제가 이용되었다. 상기 인서트는 테스트 주기를 거치고, 여기서 일 테스트 주기는 상술한 면삭 작업에 상응하며, 세개의 테스트 각각에서 새로운 세트의 인서트를 사용하였다. 1.0 mm 이상의 플랭크 마모 깊이 (VB) 나 날 파손이 있을 때까지 각 인서트가 견딘 주기의 횟수가 기록되었다. 모든 세번의 테스트의 평균의 결과가 표 4 에 나타나 있다.

0.9 의 z 값을 갖는 β- 사이알론인 재료 C 는 재료 E 에 매우 근접한 성능을 가지며, 이 재료 E 는 상용되고 있는 약 0.6 의 z 값을 갖는 α/β - 사이알론이며 이는 일반적으로 재료 C 보다 상당히 더 큰 인성을 가질 것이라고 예상된다.

표 4.

실시예 4

표 1 의 조성 C 와 E 에 의한 인서트는 속도 225 m/min 과 이송속도 0.124 mm/rev 와 절삭깊이 1.5 mm 를 이용하여 인코넬 718 에서의 길이방향 선삭 작업에서 시험하였다. 냉각제가 이용되었다. 상기 인서트는 테스트 주기를 거치고, 여기서 일 테스트 주기는 기계가공 시간의 30 초에 상응한다. 세개의 테스트 각각에서 새로운 세트의 인서트를 사용했고, 플랭크 마모깊이 (VB) 또는 노치 마모 길이가 0.5 mm 일 때까지, 각 인서트가 견딘 주기의 횟수가 기록되었다. 테스트의 평균의 결과가 표 5 에 나타나 있다. 경우 C 는 경우 E 보다 긴 사용수명을 나타낸다.

표 5.

도 1 은 본 발명에 따른 사이알론 재료에서의 X 레이 회절 패턴을 나타내며, 여기서 β 는 β- 사이알론을 말하며, 12H 는 다형 12H (6AIN·SiO₂ ) 을 가르키며, Si 는 내부 표준으로 첨가된 실리콘에서의 피크를 표시한다.

도 2 는 본 발명에 따른 사이알론 재료의 후방산란 모드에서 4000x 확대된 SEM (Scanning Electron Microscope) 현미경사진이며, 여기서 회색 입자는 β- 사이알론 또는 일부 경우에서는 다형 12H 이며, 좀 더 밝은 부분은 입자간 상이다.

Claims (5)

1. β- 사이알론 (Si_6-zAl_zO_zN) 과 다형 12H 와 입자간 비결정질 상 또는 부분적으로 결정질인 상으로 이루어지며 또한 이트륨을 함유하는 세라믹 재료에 있어서,

   SEM 사진의 전체 면적에 대해 이 사진에서의 입자간 상에 기인하는 면적으로 측정되는 입자 간 상의 양은 5 ~ 15% 이며,

   - z 값은 0.7 -〈1.5 이고,

   - 34°의 2

   

   값에서 12H 피크의 Cu-Kα x 레이 회절선도에서 피크 높이와 33°의 2

   

   값에서 β - 사이알론의 같은 회절선도에서의 피크 높이의 비로 측정되는 다형 12H 의 양은 2~20 % 이며,

   - 이트륨의 함량은 3.5-5 wt%, 바람직하게는 3.9-4.5 wt% 인 것을 특징으로 하는 세라믹 재료.
2. 제 1 항에 있어서, z 값은 0.7-1.3 이고 다형 12H 의 양은 5 ~ 20 % 인 것을 특징으로 하는 세라믹 재료.
3. 제 1 항에 있어서, z 값은 1.2 -〈 1.5 이고 다형 12H 의 양은 2 ~ 15 % 인 것을 특징으로 하는 세라믹 재료.
4. 제 1 항 내지 제 3 항에 따른 재료로 제작되는 칩 형성 금속 기계 가공용 절삭공구 인서트.
5. 제 4 항에 있어서, TiN, Ti (C,N), Al₂ O₃ 또는 (Ti,Al) N 또는 이들 재료의 임의의 조합물로 된 코팅이 제공되는 것을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트.

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