JPH08510965A

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

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Publication number: JPH08510965A
Application number: JP6513104A
Authority: JP
Inventors: パンカジクマルメイロトラ; ジヨイスエルスイオクラ; ロバートデイニクソン
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 1992-11-30
Filing date: 1993-08-27
Publication date: 1996-11-19
Anticipated expiration: 2013-11-18
Also published as: KR950704089A; KR100232739B1; US5370716A; CA2146662A1; WO1994012317A1; JP2824701B2; AU5094493A; CA2146662C; AU673546B2

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０．００８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Ｋ_Ic（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−２４７、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７０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Ｋ_Ic（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７１８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、１４−１６ｄm²/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７１８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Ｋ_Ic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Ｋ_Ic（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Ｋ_Ic／Ｅα又はＫ_IcＫ／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Ｋ_Ic／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（１００％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２０００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、Ｋ_Ic（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０．００８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０．００５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Ｋ_Ic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Ｋ_Ic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Ｋ_Ic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Ｋ_Ic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Ｋ_Ic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

【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０．００８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０．００５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Ｋ_Ic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Ｋ_Ic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Ｋ_Ic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Ｋ_Ic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。