KR20140005909A - 사이알론계 재료로 제조되는 절삭 공구 - Google Patents

Abstract

본 발명은 절삭 공구 인서트용 세라믹 재료에 관한 것이고, 상기 세라믹 재료는 β-사이알론 (Si_{6 - z}AL_zO_zN_{8 -z}), α-사이알론 (Y_xSi_{12 -(m+n)} Al_(m+n)O_nN_16-n), TiN, Ti(C,N), TiC, 또는 주기율표의 IVb, Vb 및 VIb 족들 중 하나로부터의 원소의 탄화물, 또는 주기율표의 IVb, Vb 및 VIb 족들 중 하나로부터의 원소의 질화물, 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함하는 내화성 경질 상, 비정질 또는 부분 결정질의 입계 상을 포함하는 사이알론에 기초한다. 본 발명은 또한 상기 세라믹 재료로 제조되는 절삭 공구 인서트 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

Description

사이알론계 재료로 제조되는 절삭 공구{CUTTING TOOL MADE OF SIALON BASED MATERIAL}

본 발명은 절삭 공구 인서트용의 사이알론 (sialon) 에 기초한 세라믹 재료 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 이 세라믹 재료는 β-사이알론 (Si_{6 - z}AL_zO_zN_{8 -z}), α-사이알론 (Y_xSi_{12 -(m+n)} Al_(m+n)O_nN_16-n), 비정질 또는 부분 결정질의 입계 상 및 TiN, Ti(C,N), TiC, 또는 주기율표의 IVb, Vb 및 VIb 족들 중 하나로부터의 원소의 탄화물 또는 질화물 또는 주기율표의 IVb, Vb 및 VIb 족들 중 하나로부터의 원소의 질화물 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함하는 내화성 경질 상을 포함한다. 본 발명은 또한 상기 세라믹 재료로 제조되는 절삭 공구 인서트에 관한 것이다.

사이알론은 원소 Si, Al, O 및 N로 이루어지고, 때때로 양이온 Me^{n +}에 의해 추가적으로 안정화되는 세라믹 재료로서, 여기서 Me는 Y, Yb, Dy, Lu, Li, Ca, Mg, Sc 등과 같은 다수의 희토류 금속 및 란타니드로부터 선택될 수 있다. 금속 이온 (Me) 의 선택은 α-사이알론 상을 안정화시키는 것 외에도 또한 입계 상의 특성에 영향을 준다.

전형적으로 사이알론은 분쇄, 가압성형 및 소결과 같은 분말 야금법에 의해 제조된다. 통상적으로 원료는 질화 규소, 알루미나 및 AlN의 혼합물 또는 α-사이알론 상 (Me_xSi_{12 -(m+n)} Al_(m+n)O_nN_16-n) 및 β-사이알론 상 (Si_{6 - z}AL_zO_zN_{8 -z}), 및 경우에 따라 YAG (Y₃Al₅O₁₂), 멜리라이트 (Y₂Si₃O₃N₄), B-상 (Y₂SiAlO₅N), 12H 등과 같은 다른 상이 결정화되는 과도적 융체를 형성하는 금속 산화물 또는 란타니드를 구비하는 일부의 사이알론 다상 (polyphase) 이다. 입계 상은 소결 후 결정립들 사이에 유지된다. 생성된 입계 상의 양은 사용된 원료의 조성 뿐만 아니라 소결 조건에 의해 영향을 받는다.

세라믹 재료로 제조되는 절삭 공구는, 그 세라믹 재료의 높은 고온 경도 및 열 안정성으로 인해, 고온 및 낮은 열 확산율에서 고경도, 고인장강도의 공작물 재료를 기계 가공하는 것에 적합하다. 사이알론계 세라믹 재료로 제조되는 절삭 공구는 특히 회주철에 대해 그리고, 예를 들면, 내열 초합금 (HRSA) 과 같은 일부 유형의 니켈계 및 코발트계 재료와 같은 자경성 (self-hardening) 재료에 대해 유용하다. 절삭 공구용 사이알론계 세라믹 재료는 내마모성의 증가를 위해 내화성 경질 상을 포함할 수 있다.

α-사이알론/β-사이알론계 세라믹 재료로 제조되는 절삭 공구의 예는 US2008119349에 개시되어 있고, 소결 첨가제로서 Sc, Y, Dy, Yb 또는 Lu, 및 TiN, TiC 또는 Ti(C,N) 으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 경질 성분을 이용한다.

α-사이알론/β-사이알론계 세라믹 재료로 제조되는 절삭 공구의 다른 예는 GB2155007에 개시되어 있고, 소결 첨가제로서 Ca, Li, Y, Sc, La 또는 기타 란타니드, 또한 탄화물, 질화물 및/또는 탄질화물의 경질 상을 이용한다.

α-사이알론/β-사이알론계 세라믹 재료로 제조되는 절삭 공구의 다른 예는 US5432132에 개시되어 있고, 이 문헌은 이트륨 산화물 중량% 및 알루미늄 질화물 중량% 뿐만 아니라 TiN의 중량% 사이에 특수 관계를 갖는 세라믹 재료를 기재한다.

이트륨을 함유하는 TiN-강화된 α-사이알론/β-사이알론 절삭 공구의 다른 예는 EP1939155에 개시되어 있다.

사이알론계 세라믹 재료를 처리하여 고성능을 갖는 절삭 공구를 얻는 것은 어렵고, 또한 개선된 내마모성을 갖는 절삭 공구에 대한 수요가 항상 존재한다.

본 발명의 목적은 절삭 공구 인서트용의 개선된 사이알론계 세라믹 재료를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 높은 기계적 및 화학적 내마모성을 갖는 절삭 공구 인서트를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 내열 초합금 (HRSA) 의 기계 가공을 위해, 그러나 이것에 한정되지 않는 가공을 위해, 최적화된 절삭 공구를 제공하는 것이다.

이 목적들은 독립 청구항들에 한정된 세라믹 재료 및 절삭 공구 인서트에 의해 달성된다. 바람직한 실시형태들은 종속 청구항에 한정되어 있다.

본 발명에 따른 절삭 공구 인서트는 사이알론에 기초한 세라믹 재료로 제조된다. 이 세라믹 재료는, β-사이알론 (Si_{6 - z}AL_zO_zN_{8 -z}), α-사이알론 (Y_xSi_{12 -(m+n)} Al_(m+n)O_nN_16-n), 비정질 또는 부분 결정질의 입계 상, TiN, Ti(C,N), TiC, 또는 주기율표의 IVb, Vb 및 VIb 족들 중 하나로부터의 원소의 탄화물, 또는 주기율표의 IVb, Vb 및 VIb 족들 중 하나로부터의 원소의 질화물, 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함하는 내화성 경질 상, 상기한 원소들 이외의 0.15 중량% 미만의 임의의 다른 원소들을 포함하고, 상기 세라믹 재료는 0.01 < Y_eq < 0.03 의 이트륨, 0.03 < O_eq < 0.06 의 산소, 및 0.04 < Al_eq < 0.055 의 알루미늄을 포함하는 원료로부터 제조된다. Y_eq, O_eq 및 Al_eq는 이하에 개시된 바와 같은 원료의 총 조성으로부터 계산된다. "eq" 는 분쇄 전에 원료 내의 존재하는 원소의 계산된 당량 몰 분율을 표시한다.

본 발명에 따른 절삭 공구 인서트용 세라믹 재료의 이점은, 날 (edge) 파단에 대한 우수한 저항성으로 인해, 인성을 요구하는 용도에서, 특히 HRSA 재료의 선반 작업에서 고성능인 것이다.

본 발명에 따른 사이알론계 세라믹 재료는 분쇄, 가압성형 및 소결과 같은 분말 야금법에 의해 제조된다. 출발 재료인 원료는, 예를 들면, 질화 규소, 티타늄 질화물, 알루미나, Y의 산화물 또는 질화물, 알루미늄 질화물, 다상 21R, 12H, 27R 또는 15H, 경우에 따라, 분산제, 및 분쇄되고, 분말로 건조되고, 또한 블랭크로 가압성형되는 가압 성형제의 분말 혼합물이다. 블랭크는 소실 (burnt off) 된 후 소결 노 내에서 소결된다. 소결의 최종 부분은, 예를 들면, 질소 압력 하에서 1700 ~ 1900 ℃ 에서 실행될 수 있다. 소결된 세라믹 재료는 분말 특성 및 소결 공정의 적절한 제어에 의해 무시할 수 있는 공극율을 갖는 것이 바람직하다.

입계 상은, α-사이알론 및/또는 β-사이알론이 소결 중에 융체로부터 결정화된 후에 잔류하는 재료로 이루어진다. 입계 상은 비정질 또는 부분 결정질이고, 본 발명의 하나의 실시형태에 따르면 비정질인 것이 바람직하다. 입계 상의 조성은 원료의 O 당량, Al 당량 및 Y 당량을 조절함으로써, 또한 적절한 처리를 통해, 소결된 세라믹 재료 내의 α-사이알론 및 β-사이알론의 최대 결정화도 (degree of crystallization) 를 보장함으로써 제어된다.

사이알론계 세라믹 재료의 구조를 기술하는 종래의 방법은 X선 회절을 통해 측정된 α 상 및 β 상의 상대적인 양을 β 상의 z 값과 함께 특정하는 것이다. 비정질 상은 X선 회절법을 이용하여 볼 수 없으므로, 특히 소결 후 분석을 위해 이용할 수 있는 양이 적다는 것을 고려하면, 이 상의 양 및 조성은 측정하기가 어렵다. 비정질 상의 양은, 정밀도가 크지 않지만, 세라믹 재료의 폴리싱된 단면의 SEM (주사 전자 현미경) 으로부터의 전자 현미경사진의 화상 분석을 이용하여 추정될 수 있다.

사이알론의 조성은 다차원 상태도에 의해 설명될 수 있다. Si-Al-O-N-Me계를 위한 이 다차원 상태도를 표시하는 하나의 방법은 소위 "재네케 프리즘 (Jaenecke prism)" (도 1 참조) 을 이용하는 것이다.

본 발명에 따른 세라믹 재료는 원료의 계산된 조성에 의해 규정된다. 다음의 식들이 이용되었다:

Al_eq = 3Al_at/(3Al_at + pMe_at + 4Si_at)

Me_eq = pMe_at/(3Al_at + pMe_at + 4Si_at)

O_eq = 2O_at/(2O_at + 3N_at)

첨자 "at" 및 "eq" 는 각각 TiN, TiC, Ti(C,N) 등과 같은 임의의 불용성 경질 탄화물 및/또는 질화물을 제외한 사이알론의 제조에 사용되는 모든 원료에 존재하는 원소의 원자 분율 및 당량을 의미한다. 경질 상은 소결 중에 용융하지 않으므로 결정질 상 또는 비정질 상에 중대한 영향을 주지 않는다. "p" 는 Me 이온의 전하를 표시하고, 이트륨의 경우에는 3 이다.

Al, Me 및 O 의 당량은 다음의 식에 의해 직각 좌표 x, y, z 에 관련될 수 있다.

Al_eq = x - (1/(3)^1/2)z

O_eq = y

Me_eq =(2/(3)^1/2)z

Me 가 3가 양이온이면, 상태도 (재네케 프리즘) 내의 임의의 소정의 점의 조성은 다음 식에 의해 주어진다.

Si_{3 (1- Aleq - Meeq )}Al_4AleqMe_4MeeqO_6OeqN_{4 (1- Oeq )}

위의 식들로부터 계산된 원료의 조성으로부터의 계산된 당량을 이용함으로써, 종래의 X선 회절 (XRD) 및 SEM 분석으로부터 쉽게 얻을 수 없는 세라믹 재료에 관한 보충 정보를 얻을 수 있다. 전술한 바와 같이, 비정질 상의 조성 및 특히 양의 측정은 종래의 분석 방법을 이용하면 쉽게 실행될 수 없다. 이것은, 절삭 공구의 경우, 비정질 (유리) 상은 비결정질 구조의 저강도 및 낮은 용융 온도로 인해 기계적으로 또한 화학적으로 모두 취약 점이라는 것이 명백하므로, 중요하다. 비정질 상의 화학 조성은 절삭 공구의 화학적 내마모성에 직접 영향을 준다. 종래의 XRD 기법과 당량으로서 표현되는 원료의 전체 조성으로부터의 계산을 결합함으로써, 절삭 공구의 세라믹 재료의 더 우수한 특징 평가가 얻어진다.

본 발명의 하나의 바람직한 실시형태에 따르면, 이트륨의 양은 바람직하게는 0.01 < Y_eq < 0.03 이고, 더 바람직하게는 0.02 < Y_eq < 0.03 이다. 산소의 양은 바람직하게는 0.03 < O_eq < 0.06 이고, 더 바람직하게는 0.04 < O_eq < 0.06 이다. 알루미늄의 양은 바람직하게는 0.04 < Al_eq < 0.055 이고, 더 바람직하게는 0.04 < Al_eq < 0.05 이다.

본 발명에 따른 사이알론계 세라믹 재료의 산소 함량은 낮은 것이 바람직하다. 원료의 분쇄가 물을 함유하는 액체 내에서 수행되는 경우, 분쇄된 분말 내의 산소 함량의 증가를 제한하기 위해 분쇄 시간이 제한되어야 한다. 유기 용매, 예를 들면, 에탄올, 이소프로판올 또는 시클로헥산과 같은 대안적 분쇄 액체가 이용될 수 있다. 산소를 함유하지 않는 이점을 갖는 원료 AlN 은 알루미늄 공급원으로서 사용될 수 있다. AlN 은 물에 분해되므로, AlN 은 분쇄 액체로서 물을 이용하는 경우에 바람직하지 않다.

본 발명의 하나의 실시형태에 따르면, Si, Al, O, N, Y, Ti, C 또는 주기율표의 IVb, Vb 및 VIb 족들 중 하나로부터의 원소 이외의 임의의 다른 원소의 양은, 인서트의 세라믹 재료에서, 0.15 중량% 미만, 바람직하게는 0.06 중량% 미만이어야 한다. 이 다른 원소는, 예를 들면, 원료 분말로부터의 불순물을 포함할 수 있다.

본 발명의 하나의 실시형태에 따르면, 인서트 체적 (bulk) 내의 α-사이알론, β-사이알론 및 TiN 이외의 결정질 상 또는 임의의 다른 입방정 질화물 또는 탄화물 경질 상의 양은, 임의의 코팅을 고려하지 않고, 1 중량% 미만, 바람직하게는 0.5 중량% 미만이다. YAM, YAG, 멜리라이트 등과 같은 많은 다른 결정질 상은 세라믹 재료의 기계적 특성에 유해하므로 그 양이 감소되는 것이 바람직하다.

본 발명의 하나의 실시형태에서, 입계 상은 비정질이므로 X선 회절에 의해 전술한 결정질 상 이외의 다른 결정질 상이 검출되지 않는다.

본 발명의 하나의 실시형태에 따르면, 소결된 세라믹 재료 내의 β-사이알론 (Si_6-zAL_zO_zN_8-z) 의 조성은 0 ≤ z ≤ 4.2, 바람직하게는 0.6 이하, 가장 바람직하게는 0.3 ≤ z ≤ 0.5 이다. β-사이알론 상 내의 z 값은 소결된 세라믹 재료 내의 경도, 인성, 및 입경 분포에 영향을 준다. 바람직한 z 값의 이점은 이 값이 고인성 및 노치 마모에 대한 개선된 저항성을 제공하는 것이다.

본 발명의 하나의 실시형태에 따르면, 내화성 경질 상은 TiN, Ti(C,N), TiC, 또는 주기율표의 IVb, Vb 및 VIb 족들 중 하나로부터의 원소 (Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg) 의 탄화물 또는 주기율표의 IVb, Vb 및 VIb 족들 중 하나로부터의 원소의 질화물을 포함한다. 대안적으로, 경질 상은 상이한 탄화물들, 질화물들 및/또는 탄질화물들의 조합을 포함할 수 있다. 경질 상의 주 기능은 사이알론의 내마모성을 개선하고, 파단 인성을 증가시키는 것이다.

본 발명의 하나의 실시형태에서, 경질 상은 TiN 을 포함한다. 경질 상으로서 TiN 을 이용하면, 세라믹 재료의 인성이 증가하고, 또한 경질 상의 비교적 높은 열 전도성으로 인해 내열충격에 대해 유리할 수 있다. 예를 들면, Ti의 입방정 질화물 및 탄화물과 같은 경질 상 입자는 종종 소결 중에 융체의 일부를 형성하지 않는다. 이것이, 사이알론계 세라믹 재료의 총 조성에 대한 경질 상 입자의 기여가 원료의 중량이나 몰 분율 및 소결된 세라믹 재료 내의 최종 평균 입경의 관점에서 매우 쉽게 설명될 수 있는 이유이다. TiN 은 소결 중에 융체에 의해 양호하게 웨팅되고, 또한 사이알론 재료에 접착되어 세라믹 재료의 일체 부분을 형성한다.

본 발명의 바람직한 실시형태에서, 경질 상의 양은 5 중량% 를 초과하고, 25 중량% 미만이고, 바람직하게는 약 15 중량% 이다. 경질 상의 입경은 SEM 현미경사진으로부터 측정될 수 있고, 바람직한 입경은 10 마이크로미터 미만, 바람직하게는 0.5 ~ 3 마이크로미터, 더 바람직하게는 1 ~ 2 마이크로미터이다.

본 발명은 또한 사이알론 재료의 세라믹 절삭 공구 인서트의 제조 방법을 포함하고, 상기 사이알론 재료는 0.01 < Y_eq < 0.03 의 이트륨, 0.03 < O_eq < 0.06 의 산소, 및 0.04 < Al_eq < 0.055 의 알루미늄을 포함하는 원료로부터 제조된다.

본 발명의 하나의 실시형태에서, 원료는 Si₃N₄, Al₂O₃, Y₂O₃, 및 사이알론 폴리타이프 (polytypes) 인 21R (SiAl₆O₂N₆), 27R (SiAl₈O₂N₈), 12H (SiAl₅O₂N₅), 15R (SiAl₄O₂N₄) 및 AlN의 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 사이알론을 포함한다. 원료는 64 ~ 83 중량% 의 Si₃N₄, 0 ~ 2.7 중량% 의 Al₂O₃, 5.6 ~ 7.2 중량% 의 Y₂O₃, 0 ~ 6.4 중량% 의 SiAl₆O₂N₆ 및 5 ~ 25 중량% 의 경질 상을 포함하는 것이 바람직하다. 다른 실시형태에서, 상기 원료는 경질 상으로서 TiN 을 더 포함한다. 원료 AlN 은 산소를 포함하지 않는다는 이점을 갖는 알루미늄 공급원으로서 사용될 수 있으나, AlN 은 물에서 분해되므로 분쇄 용액으로서 물이 사용되지 않는 것이 바람직하다는 단점을 갖는다. 원료가 AlN 을 포함하는 경우, 분쇄는 유기 용매, 예를 들면, 에탄올, 이소프로판올 또는 시클로헥산 내에서 수행되는 것이 바람직하다. 원료가 21-RF, 12H, 27R, 15R 및 AlN 을 포함하는 경우, 용매는 또한 유기 용매인 것이 바람직하다.

본 발명의 하나의 실시형태에서, 이 방법은 액체 내에서 원료를 분쇄하여 슬러리를 형성하는 단계, 상기 슬러리를 분무 건조하여 과립을 형성하는 단계, 상기 과립으로 적어도 하나의 형 (form) 을 충전하고, 상기 과립을 상기 형 내에서 가압성형하여 생 성형체 (green body) 를 형성하는 단계, 상기 생 성형체를 질소 압력 하에서 1700 ~ 1900 ℃ 에서 소결하여, 사이알론 재료의 세라믹 절삭 공구 인서트를 형성하는 단계를 포함한다.

본 발명의 하나의 실시형태에서, 상기 원료는 Si₃N₄, Al₂O₃, Y₂O₃, SiAl₆O₂N₆ 및 TiN 으로 이루어지고, 액체 내에서 원료의 분쇄 단계는 물 내에서 수행되는 것이 바람직하다. 물은 요구되는 설비 및 통기의 단순성으로 인해 분쇄 액체로서 유리하다. 물은 또한 그 무독성 특성으로 인해 바람직하다.

소결 후, 블랭크는 금속 절삭용 인서트를 위한 원하는 형상 및 치수로 연삭될 수 있다. 선택적으로, 인서트는 본 기술분야에 공지된 바와 같이, TiN, Ti(C,N), Al₂O₃ 또는 (Ti,Al)N 또는 이들의 임의의 조합의 코팅을 구비할 수 있다.

본 발명의 다른 목적, 이점 및 새로운 특징은, 첨부한 도면 및 청구항에 관련하여 고려될 때, 이하의 본 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

도 1 은 1750 ℃ 에서의 종래 기술에 따른 Y 사이알론계의 개략도로서, 소위 "재네케 프리즘"[Gauckler, L.J., Petzow, G., in Nitrogen Ceramics, ed. Riley, F.L., Noordhoff, Leyden p.41 (1977)]이다.
도 2 는 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 α-사이알론 (α), β-사이알론 (β), 입계 상 (IGP) 및 TiN (TiN) 을 표시하고 있는 세라믹 재료의 폴리싱된 단면의 SEM 현미경사진이다.
도 3 은 직각 좌표계 내에서 본 발명에 따른 실시예들인 A, D, E, H 뿐만 아니라 GB2155007, US5432132 및 EP1939155 로부터의 TiN 을 함유하는 실시예들의 Al_eq, O_eq 및 Y_eq의 값의 개략도로서, 여기서 Al_eq, O_eq 및 Y_eq는 각각 x축, y축 및 z축을 표시한다.

이하의 실시예들은 본 발명의 새로운 특징을 설명하는 역할을 하는 것이고, 그러나 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.

예시적 조성에 따른 분말 원료는 표 1 에 표시되어 있다. 표 1 에 제시된 원료 조성은 실시예들에서 슬러리에 첨가되는 분말의 양을 중량으로 표시한다. 원료 21R-F 는 SiAl₆O₂N₆ 의 분말이다. 공기 및 습기와의 접촉으로부터의 산화로 인해, Si₃N₄ 및 21-RF 의 분말은 추가의 산소를 함유하고, 21-RF 의 경우 분말의 화학양론 조성을 초과하는 산소를 함유한다. Al₂O₃ 및 Y₂O₃ 의 산화물 분말은 공급될 때 완전히 산화된 것으로 가정된다.

제조자에 따르면, Si₃N₄ 분말은 약 0.01 중량% 의 산소를 포함하고, 이것은 원소 조성의 계산을 위해 사용되는 값이다. 21RF 분말은 LECO 기기 분석에서 그 원소 조성에 관하여 조사되었다. 표 1 에 제시된 Al, O 및 Y의 원소 조성은 21-RF 에 대한 LECO 측정값 및 Si₃N₄ 에 대한 제조자의 규격으로부터 약간 더 높은 값의 산소에 기초한다.

LECO 분석은 LECO RO-416DR 산소 분석기를 구비하는 LECO TC 436DR 에서 산소 함량의 측정을 위한 표준 수순에 따라 수행된다.

전형적으로, 21-RF 의 측정된 산소 값은 화학양론 값보다 약 20 % 더 크다. 실시예 A 의 경우, 측정된 값은 12 중량% 이고, 한편 계산된 값은 10 중량% 이다.

분말 원료는 분쇄 매체로서 사이알론 본체를 사용하여 물 속에서 슬러리로 분쇄되었다. 이 슬러리 내에 유기질 점결제가 혼합되었고, 다음에 이것은 분무 건조를 통해 과립화되었다. 과립화된 분말은 일축으로 냉간 가압성형되어 생 성형체들로 형성되고, 다음에 생 성형체들은 650 ℃ 에서 별도로 소실 (burnt off) 되었다. 다음에 소실된 생 성형체들은 1810 ℃ 의 최대 소결 온도에서 질소 압력 하에서 소결되었다.

소결된 세라믹 재료는 금속조직학적으로 분석되었고, 공극율이 측정되었다. z 값을 측정하기 위해 X선 회절 패턴이 사용되었고, 결정질 상의 중량% 는 측정된 스펙트럼과 이론적 XRD 스펙트럼의 비교에 기초한 리트펠트법 (Rietveld refinement) 을 통해 측정되었다. 리트펠트법을 위해 Bruker사의 컴퓨터 프로그램인 Topas v2.1 이 사용되었다. 밀도는 아르키메데스 원리에 기초하여 측정된다. 사이알론계 세라믹 재료들의 경도 및 K1c 값은 사이알론 재료에 대한 전형적인 값이거나 그보다 높을 것으로 예상된다. 분석의 결과는 표 2 에 표시되어 있고, 조성 A 의 구조를 보여주는 SEM 현미경사진은 도 2 에 도시되어 있다.

배경기술 부분에 개시된 일부의 실시예들 뿐만 아니라 본 발명에 따른 실시예에 대한 Al_eq, O_eq 및 Y_eq는 도 3 의 Al_eq, O_eq 및 Y_eq 좌표계에 작도되어 있다.

표 2 의 재료 특성을 갖는, 표 1 에 도시된 예시적인 조성들인 A, D, E 및 H에 따른 세라믹 재료들은 ISO RPGX120700T01020 유형의 인서트로 연삭되었고, 절삭 시험에서 시험되었다. 상기 절삭 시험은 280 m/분 의 속도, 0.2 ㎜/회전 의 이송, 및 각 절삭 방향에서 2.5 ㎜ 의 절삭 깊이를 사용하여 인코넬 718 의 숄더 (shoulder) 에 대한 이중 대면 (double facing) 작업을 포함하였다. 냉각제가 사용되었고, 인서트들은 시험 사이클들로 가동되었고, 하나의 시험 사이클은, 각각 새로운 세트의 인서트들을 사용하는 3 개의 동시 시험 가동에서, 설명된 대면 작업에 대응한다. 날 파단 또는 1.0 ㎜ 이상의 플랭크 (flank) 마모 깊이 (VB) 까지 각 인서트가 생존하는 각 인서트의 수명 길이, 즉 사이클 수가 기록되었다. 결과는 3 개의 동시 시험 가동에 걸친 평균으로서 표 3 에 표시되어 있다.

실시예 A 및 D 는 실시예 E 및 H 보다 성능이 우수하다. 실시예 E 및 실시예 H 는 실시예 A 및 D 에 비해 더 큰 O_eq, 더 큰 Al_eq 및 더 큰 값의 α/(α+β)% 를 갖는 재료의 실시예이다. 실시예 A 는 모든 다른 실시예들에 비해 플랭크 내마모 및 날 파단의 면에서 분명한 이점을 보여준다.

실시예 A 및 D 는 거의 동일한 Al_eq 값 Y_eq 값을 갖고, 상이한 O_eq 값을 갖는다. 이것에 의해, 도 1 에 도시된 상태도에서의 위치가 변화되는 바와 같이, 상이한 양의 α-사이알론 (z 값의 0.1 단위의 변화는 측정의 오차 한계 내에 있다) 뿐만 아니라 입계 상의 양 및 조성의 차이가 유발된다. 전술한 바와 같이, 입계 상의 양 및 조성의 변화는 측정하기 어렵지만, 차이는 표 3 에 도시된 바와 같이, 절삭 시험으로부터의 결과에서 분명하게 보여진다. 실시예 D, E 및 G 에 대한 실시예 A 의 개선은 α-사이알론의 상이한 양에 전적으로 기인될 수 없다. 본 발명은 당량으로 표현되는 원료의 조성이 결정질 및 사이알론 입계 상들의 적절한 조합을 갖는 소결된 재료를 개시하는 하나의 방법이라는 통찰에 기초한다.

본 발명은 다양한 예시적 실시형태들에 관련하여 설명되었으나, 본 발명은 개시된 예시적 실시형태들에 제한되지 않고, 반대로 첨부된 청구항들 내에서 다양한 개조 및 등가의 구조를 포함시키고자 한다는 것이 이해되어야 한다.

Claims (14)

1. 절삭 공구 인서트용 세라믹 재료로서, 상기 세라믹 재료는,
   β-사이알론 (Si_{6 - z}AL_zO_zN_{8 -z}),
   α-사이알론 (Y_xSi_{12 -(m+n)} Al_(m+n)O_nN_16-n),
   TiN, Ti(C,N), TiC, 또는 주기율표의 IVb, Vb 및 VIb 족들 중 하나로부터의 원소의 탄화물, 또는 주기율표의 IVb, Vb 및 VIb 족들 중 하나로부터의 원소의 질화물, 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함하는 내화성 경질 상,
   비정질 또는 부분 결정질의 입계 상,
   상기한 원소들 이외의 0.15 중량% 미만의 임의의 다른 원소들
   을 포함하는 사이알론에 기초하고,
   상기 세라믹 재료는 0.01 < Y_eq < 0.03 의 이트륨, 0.03 < O_eq < 0.06 의 산소, 및 0.04 < Al_eq < 0.055 의 알루미늄을 포함하는 원료로부터 형성되는, 절삭 공구 인서트용 세라믹 재료.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 세라믹 재료는 α-사이알론, β-사이알론 및 상기 경질 상 이외의 1 중량% 미만의 임의의 다른 결정질 상을 포함하는, 절삭 공구 인서트용 세라믹 재료.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 입계 상은 비정질인, 절삭 공구 인서트용 세라믹 재료.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   0.3 ≤ z ≤ 0.5 인, 절삭 공구 인서트용 세라믹 재료.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   5 ~ 25 중량% 의 상기 경질 상을 포함하는, 절삭 공구 인서트용 세라믹 재료.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 경질 상은 TiN 을 포함하는, 절삭 공구 인서트용 세라믹 재료.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 경질 상의 최대 입경은 10 ㎛ 미만인, 절삭 공구 인서트용 세라믹 재료.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 세라믹 재료로 이루어진 절삭 공구 인서트.
9. 사이알론 재료의 세라믹 절삭 공구 인서트의 제조 방법으로서,
   상기 사이알론 재료는 0.01 < Y_eq < 0.03 의 이트륨, 0.03 < O_eq < 0.06 의 산소, 및 0.04 < Al_eq < 0.055 의 알루미늄을 포함하는 원료로부터 형성되는, 사이알론 재료의 세라믹 절삭 공구 인서트의 제조 방법.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 원료는 Si₃N₄, Al₂O₃, Y₂O₃, 및 21-RF, 12H, 27R, 15R 및 AlN의 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는, 사이알론 재료의 세라믹 절삭 공구 인서트의 제조 방법.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 원료는 TiN 을 더 포함하는, 사이알론 재료의 세라믹 절삭 공구 인서트의 제조 방법.
12. 제 9 항에 있어서,
    상기 원료는 64 ~ 83 중량% 의 Si₃N₄, 0 ~ 2.7 중량% 의 Al₂O₃, 5.6 ~ 7.2 중량% 의 Y₂O₃, 0 ~ 6.4 중량% 의 SiAl₆O₂N₆ 및 5 ~ 25 중량% 의 경질 상을 포함하는, 사이알론 재료의 세라믹 절삭 공구 인서트의 제조 방법.
13. 제 9 항에 있어서,
    액체 내에서 원료를 분쇄하여 슬러리를 형성하는 단계,
    상기 슬러리를 분무 건조하여 과립을 형성하는 단계,
    상기 과립으로 적어도 하나의 형 (form) 을 충전하고, 상기 형 내의 과립을 가압성형 (pressing) 하여 생 성형체 (green body) 를 형성하는 단계,
    상기 생 성형체를 질소 압력 하에서 1700 ~ 1900 ℃ 에서 소결하여, 사이알론계 재료의 세라믹 절삭 공구 인서트를 형성하는 단계를 포함하는, 사이알론 재료의 세라믹 절삭 공구 인서트의 제조 방법.
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 액체는 물이고,
    상기 원료는 Si₃N₄, Al₂O₃, Y₂O₃, SiAl₆O₂N₆ 및 TiN 으로 이루어지는, 사이알론 재료의 세라믹 절삭 공구 인서트의 제조 방법.

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