KR910009896B1 - 세라믹스 절삭공구와 그 제조법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

세라믹스 절삭공구와 그 제조법

본 발명은 강인하고 내마모성이 뛰어난 세라믹스 절삭공구 및 그 제조법에 관한 것이다.

Al₂O₃세라믹스는 내산화성이 풍부하고, 내열성도 높은 것이므로, 또 고온에서 경도가 높고, 철과의 반응성도 없으므로, 절삭공구 특히 고속으로 사용하는 절삭공구로서는 이상적인 재료이다. 그러나, Al₂O₃세라믹스는 강도, 인성 모두 불충분하므로 절삭공구로서는 내결손성이 부족하다는 치명적인 결함을 가지기 때문에 그 사용영역은 극히 한정된 것이었다.

그 때문에 Al₂O₃세라믹스 절삭공구의 개발은 어떻게 내결손성을 개선할 것인가가 최대 중요과제이다. 먼저, Al₂O₃세라믹스에 TiC를 첨가함으로써 열적인 인성을 향상시키는 것이 제안되어서 주물고속절삭 및 담금질한 강철등의 고경도재의 절삭에 실용화되고 있다.

다음에, 서독 공개공보 제2,549,652호 등에 ZrO₂함유 세라믹스에 있어서, ZrO₂의 상(相)변태에 의해 먼저 도입된 미세균열에 의해, 균열진전 에너지를 흡수하여, 매트릭스의 강인화를 도모하거나, 서독 공개공보 제2,744,700호 등에 Al₂O₃매트릭스중에 분산첨가시켜 ZrO₂의 정방정(tetragonal crystal)으로부터 단사정(monoclinic crystal)으로의 변태에 의해 체적팽창에 의한 미세균열 진전억제 효과를 이용한 세라믹스 절삭공구의 강인화가 제안되어 있다.

또한 일본국 특공소 62-19391호 공보에는 Al₂O₃매트릭스중에 분산시킨 SiC 위스커(whisker)의 균열진전에 따라 균열이 상하면에 걸쳐서 균열선단부의 응력집중의 완화, 소위 위스커의 드로우잉 효과에 의한 세라믹스의 고강도화도 제안되어 있다.

또한 일본국 특개소 61-174165호 및 미국 특허공보 제4,789,650호 공보에는 Al₂O₃-SiC 위스커 세라믹스를 절삭공구로 사용하는 것도 제안되어 있다. 또한, 일본국 특개소 61-270266호 공보에는 Al₂O₃에 SiC 위스커와 ZrO₂를 함께 첨가한 것에 의해 복합강인화에 의해서 고강도와 고KIC화도 제안되어 있다. 또, 일본국 특개소 63-45182호 공보에는 Al₂O₃-SiC 위스커-ZrO₂세라믹스에 있어서 Al₂O₃와 ZrO₂를 용적비로(63:38)-(72:28)로 한 Al₂O₃입자직경이 1.0㎛이하의 고강도, 고경도 세라믹스 소결체가 제안되어 있다.

이들 Al₂O₃-TiC 세라믹스 절삭공구는 Al₂O₃세라믹스 절삭공구에 대하여 인성, 특히 내열충격성이 약간 개선되어 있어, 최근에 세라믹스 절삭공구중에서는 표준재질로 되어 있으나, 그 개선은 매우 불충분하며, 주물과 같이 절삭저항이 적은 재료, 혹은 내열강등의 절삭이 곤란한 재료에서는 절삭깊이의 변동이 적은 마무리 절삭등, 극히 한정된 영역밖에 사용할 수 없다.

또, Al₂O₃-ZrO₂세라믹스 공구는 Al₂O₃세라믹스 공구에 비하면, 인성의 향상이 현저하고 KIC면에서 보면 약 1.5배 이상이나 증가하기 때문에 강(鋼)의 고속절삭에도 일부 사용되고 있다.

그러나, ZrO₂를 Al₂O₃에 첨가하면 경도가 떨어지기 때문에 Al₂O₃-TiC 세라믹스 절삭공구등에 비하면 내마모성이 나쁘므로, 내열강등 절삭이 곤란한 재료의 절삭에는 전혀 사용할 수 없다. 또 ZrO₂를 첨가하면 KIC는 향상되나 항절력이 떨어진다는 큰 결점이 있다.

그점에서 Al₂O₃-SiC 위스커 세라믹스 절삭공구는 경도, KIC 항절력 모두, 종래의 Al₂O₃-TiC 세라믹스 절삭공구에 비하면, 개선되어 있어, 인코넬등의 내열재료의 절삭에도 사용할 수 있게 되어 있다. 그러나, 실제적으로 인코넬(inconel)등의 내열재료를 절삭하면, 특히 100m/min 이상의 고속으로 절삭하면 경계마모의 진전이 현저하여 극히 수명이 짧았다.

이것은, Al₂O₃-SiC 위스커 세라믹스 절삭공구가 Al₂O₃-TiC 세라믹스 절삭공구에 비해서 KIC의 증가가 불충분하기 때문이라고 유추할 수 있다. 그점에서 Al₂O₃-SiC 위스커-ZrO₂세라믹스는 확실히 Al₂O₃-TiC 세라믹스 절삭공구에 비해서 고강도, 고KIC화 되어 있다.

그러나, 인코넬등의 내열재료를 절삭하는 바와 같은 엄밀한 환경하에서 사용할려면, 아직도 만족스럽지 못한 것이었다. 경계마모리의 진행은 결코 충분히 억제되어 있지 않아 단수명이고, 실용에 견딜 수 없었다.

또, 주철절삭용 공구로서 Al₂O₃-SiC 위스커 세라믹스 절삭공구나 Al₂O₃-SiC 위스커-ZrO₂세라믹스 절삭공구를 적용하였을 경우, 내결손성은 충분한 레벨에 도달하고 있으나, 그 내마모성은 결코 최적화되어 있지 못하였다.

본 발명은 Al₂O₃-SiC 위스커-ZrO₂세라믹스 절삭공구에 있어서, SiC 위스커와 ZrO₂와의 첨가량을 최적화함과 동시에, 제조조건을 정밀하게 제어함으로써 Al₂O₃가 입자성장하지 않는 범위에서 가능한한 이 세라믹스를 치밀화하여 절삭공구로서 특히 뛰어난 특성을 가진 것을 목적으로 해서 이루어진 것이다.

즉, 본 발명은 Al₂O₃-SiC 위스커-ZrO₂로 이루어진 세라믹스 절삭공구에 있어서, SiC 위스커를 27체적% 이상, 35체적% 이하, ZrO₂를 3체적% 이상, 12체적% 이하, 나머지가 Al₂O₃로 이루어진 것을 특징으로 한다.

SiC 위스커는 27체적% 미만에는 인코넬등의 내열재료를 절삭할 때, 강도의 향상이 충분하지 못하고, 35체적% 보다 많으면, 상대적으로 Al₂O₃의 양이 부족하므로, 내마모성이 부족하여 어느것이나 바람직하지 못하다. ZrO₂는 3체적% 미만에서는 Al₂O₃세라믹스에 비하여 KIC의 증가가 불충분하며, 12체적%보다 많으면, 이 세라믹스의 강도저하가 발생하여, 절삭시의 내마모성이 저하되기 때문에 어느것이나 바람직하지 못하다.

다음에, 본 발명의 소결체를 구성하는 Al₂O₃입자의 평균직경은 1.5㎛ 이하인 것이 바람직하다. 이것은 평균입자직경이 1.5㎛를 초과한 소결체에서는, 이것을 절삭공구로 사용하였을 경우, 내마모성의 저하가 크기 때문이다. 본 발명의 Al₂O₃-SiC 위스커-ZrO₂세라믹스는 ZrO₂첨가에 의해, 본래 소결성이 나쁜 Al₂O₃-SiC 위스커 세라믹스의 소결성이 개선되어 있어, 소결온도의 저온화가 가능하게 되어 있다. 이 때문에 본 발명의 제조법과 함께 Al₂O₃의 평균입자직경 1.5㎛를 달성할 수 있는 것이며, 절삭공구로서 사용하였을 경우의 내마모성의 향상에 기여하는 효과가 크다.

또한, 본 발명의 실시태양으로서 Al₂O₃, SiC 위스커, ZrO₂의 혼합분말을 가압소결하거나, 혹은 가압소결한 후 열간정수입처리하는 것이 바람직하여, 통상의 상압소결에서는 절삭공구로서 실용에 견딜 수 있는 정도로는 치밀화하지 못하다.

열간정수입처리를 하지 않고, 가압소결할 경우에는 1500℃ 미만에서는 치말화가 불충분하며, 1750℃보다 높으면 Al₂O₃가 입자성장하게 되어 내마모성이 떨어져서 바람직하지 못하고, 또 5시간이상 소결하면, 역시 Al₂O₃가 입자성장하게 되어 내마모성이 떨어져서 바람직하지 못하고, 30분미만에서는 치밀화가 불충분하여 이것도 바람직하지 못하다. 가압소결을 행하는 압력으로서는 150㎏/㎠ 미만에서는 치밀화가 불충분하여 바람직하지 못하고, 500g/㎠보다도 높은 압력에서는 효과에 차이가 없어 공업적으로 의미가 없다.

다음에, 열간정수입처리를 사용할 경우, 먼저 가압소결에 의해서 이 세라믹스 소결체내의 구멍을 독립구멍으로 한 후, 열간정수입처리를 하지 않으면 안된다. 이를 위해서는 가압소결이 1450℃미만에서는 이 세라믹스 소결체내의 구멍이 독립구멍이 되지 않고 연결구멍으로 되어 있기 때문에 열간정수입처리에서는 치밀화되지 않는다. 1750℃보다 높은 온도에서 가압소결하면 Al₂O₃가 입자성장하게 되어 이것도 바람직하지 못하다.

또, 30분미만에서는 이 세라믹스 소결체내의 구멍이 독립구멍이 되지 않고, 연결구멍으로 되어 있기 때문에 열간정수입처리로는 치밀화되지 않으며, 5시간보다 길면 Al₂O₃가 입자성장하게 되어 이것도 바람직하지 못하다. 가압소결에 의해서 이 세라믹스 소결체내의 구멍을 독립구멍으로 하기 위한 압력으로서는 10㎏/㎠ 미만으로는 불충분하며, 500㎏/㎠보다 고압력에서는 효과에 차이가 없어 공업적으로 의미가 없다.

열간정수입 처리조건에 관해서도 1500℃미만, 10기압미만, 30분미만에서는 치밀화가 불충분하고, 1800℃보다 높고 5시간보다 길면 Al₂O₃가 입자성장하게 되어 이것도 바람직하지 못하다. 또, 300기압보다 고압력에서는 효과에 차이가 없어 공업적으로 무의미하다.

또한, 본 발명에 있어서는 이 세라믹스 절삭공구의 소결을 촉진하기 위하여 MgO, Y₂O₃, NiO등의 Al₂O₃세라믹스의 소결조제로서 이미 알려진 소결조제를 첨가해도 되며, Y₂O₃, CaO, HfO₂등으로 부분 안정화한 ZrO₂를 원료분말로서 사용해도 되는 것도 당연하다. 이하, 본 발명의 실시예에 관하여 상세히 설명한다.

[실시예 1]

평균입자직경 1㎛이하의 α-Al₂O₃가 63체적%, Y₂O₃를 3중량% 함유한 부분 안정화된 ZrO₂가 5체적% 및 평균입자직경이 0.6㎛, 가로세로비 5∼50의 SiC 위스커가 32체적%가 되도록 배합한 혼합분말을 에탄올중에서 초음파를 사용해서 충분히 균일하게 분산시킨 후, 건조시켰다.

이 혼합물을 드라이백을 사용해서 약 ø100×6㎜로 성형하였다. 이 성형체를 C/C 합성제의 가압소결 금형에서 1Pa의 진공하에 1650℃에서 400㎏/㎠의 압력으로, 1시간 가압소결하였다. 이와 같이 해서 얻은 소결체로부터 형식번호 SNGN 120408의 절삭칩을 연삭가공하였다. 이 칩을 A라고 하고, 비교를 위하여 시판의 Al₂O₃-TiC 세라믹스 절삭공구[스미도모덴기고오교오(주)제 NB90S]를 B, 시판의 Al₂O₃-ZrO₂세라믹스 절삭공구(쿄오세라제 SN60)를 C, 시판의 Si₃N₄세라믹스 절삭공구[스미도모덴기고오교오(주)제 NS130]를 D, 시판의 Al₂O₃-SiC 위스커 세라믹스 절삭공구(그리인 리이프제 WG300)를 E라고 하고, 이하의 조건에서 절삭시험을 행하였다.

[절삭조건 1]

피절삭제 : 인코넬 718(용체화처리 후 시효)

절삭속도 : 100m/min

이송속도 : 0.15㎜/rev

절삭깊이 : 2㎜

칩형식번호 : SNGN 120408

호울더 : FN 11R-44A

절삭제 : 사용하지 않음

이 결과, B는 12초동안 절삭시에 경계결손, C는 21동안 절삭시에 절삭날의 선단부가 녹았고, D,E 및 A는 1분동안 절삭하였으나, D는 플랭크마모(V_B)가 0.38㎜, 경계마모(V_N)가 0.52㎜, E는 V_B가 0.12㎜, V_N이 0.55㎜였던 것에 대하여 A는 V_B가 0.13㎜, V_N이 0.18㎜였다. 마찬가지로 이하의 조건으로 다시 절삭시험을 행하였다.

[절삭조건 2]

피절삭제 : FC30

절삭속도 : 350m/min

이송속도 : 0.15㎜/절삭날

절삭깊이 : 2㎜

칩형식번호 : SNGN 120408

커터 : DNF 4160 R(1매의 칼날로 시험을 행하였다)

절삭제 : 사용하지 않음

이 결과, A는 30분동안 절삭해서 V_B가 평균으로 0.13㎜였던 것에 대하여, B는 4분 38초 절삭시결손, C는 4분 18초동안 절삭시에 절삭날의 선단부가 녹았고, D는 30분동안 절삭하였을 때 V_B가 평균으로 0.31㎜, E는 30분동안 절삭했을 때 V_B가 평균 0.23㎜였다.

[실시예 2]

실시예 1에 있어서 칩(A)을 얻는 방법과 완전히 마찬가지의 제조방법으로 제1표에 기재한 세라믹스 절삭공구를 제조하였다. 실시예 1의 절삭조건 1에서 절삭시험을 행한 결과와 함께 제1표에 기재하였다.

[제1표]

[실시예 3]

실시예 1에서 얻은 칩(A)과 동일한 조성의 세라믹스 절삭공구를, 제2표에 기재한 제조조건으로 제조하였다. 그리고, 실시예 1의 절삭조건 1과 같은 조건으로 절삭시험을 행하고, 그 결과를 제2표에 기재하였다.

또, 열간정수입처리의 효과를 조사하기 위하여 A와 동일한 조성의 세라믹스 절삭공구를, 먼저 1600℃, 100㎏/㎠, 40분간 가압소결한 후 각종 조건하에서 열간정수입처리를 하였다. 처리조건과 절삭조건 1에 의한 시험결과를 제3표에 기재하였다.

또한, 열간정수입처리에 앞서 가압소결조건에 대해서도 각각 검토를 행한 결과, 처리온도가 1500℃미만일 때에는 제3표의 0과 완전히 같은 결과이고, 처리압력이 10㎏/㎠ 미만 또는 처리시간이 30분미만일 때는 모두 30초이하의 수명이었고, 또 처리온도가 1800℃보다 높거나, 처리시간이 5시간보다 길면, Al₂O₃가 열간정수입처리 후에는 입자가 성장하기 때문에 모두 30초이하의 수명이었다.

[제2표]

[제3표]

[실시예 4]

다음에 칩(L∼U) 및 칩(A)을 이하의 조건으로 다시 절삭시험을 행하였다.

[절삭조건 3]

피절삭제 : FC25

절삭속도 : 300m/min

특허공고 91-9896

이송속도 : 0.4㎜/rev

절삭깊이 : 1.5㎜

칩형식번호 : SNGN 12408

호울더 : FN 11R-44A

절삭오일 : 건식

절삭시간 : 10분간

그 결과를 제4표에 기재한다.

[제4표]

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의해서 얻은 세라믹스 절삭공구는 강인성 및 내마모성이 뛰어난 것이 확인되었다.

Claims (4)

1. Al₂O₃, SiC 위스커, ZrO₂로 이루어진 세라믹스 절삭공구에 있어서, SiC 위스커가 27체적%이상, 35체적%이하, ZrO₂가 3체적%이상 12체적%이하, 나머지가 Al₂O₃인 것을 특징으로 하는 세라믹스 절삭공구.
2. 제1항에 있어서, 세라믹스 소결체가 평균입자직경 1.5㎛ 이하인 Al₂O₃입자로 이루어진 것을 특징으로 하는 세라믹스 절삭공구.
3. Al₂O₃, SiC 위스커, ZrO₂의 혼합분말을 1500℃ 이상 1750℃ 이하에서 30분이상, 5시간이하, 150㎏/㎠ 이상, 500㎏/㎠ 이하의 압력하에서 가압소결하는 것을 특징으로 하는 세라믹스 절삭공구의 제조법.
4. Al₂O₃, SiC 위스커, ZrO₂의 혼합분말을 1450℃ 이상 1750℃ 이하에서 30분이상, 5시간이하, 10㎏/㎠ 이상, 500㎏/㎠ 이하의 압력하에서 가압소결한 후, 1500℃ 이상, 1800℃ 이하, 10기압이상, 300기압이하, 30분이상, 5시간이하 열간정수입처리를 하는 것을 특징으로 하는 세라믹스 절삭공구의 제조법.