(57)【要約】本発明は、セラミックの分野に関し、特に、チップコントロールを備える高密度多結晶炭化タングステンインサートに関する。チップコントロール構造を有する、成形多結晶炭化タングステンセラミックカッティングインサートを作製することが、本発明の主な目的である。本発明の炭化タングステン（ＷＣ）セラミックは、出発ＷＣ粉末のサイズの適切な選択によって、および結晶粒成長をコントロールする、高密度化条件のコントロールによって、特定の適用において使用される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
高速機械加工のためのセラミックカッティングインサートであって、該インサートは、以下：
（ａ）カッティングエッジ；
（ｂ）チップコントロールグルーブ表面を有するすくい面；
（ｃ）逃げ面、
を備える、多結晶炭化タングステンから本質的になり、ここで、
該カッティングエッジが、該逃げ面およびすくい面の接合部で形成される、
セラミックカッティングインサート。
【請求項２】
前記すくい面が、成形状態または接続状態にある、請求項１に記載のセラミックカッティングインサート。
【請求項３】
前記チップコントロールグルーブ表面が、成形状態または接続状態にある、請求項１に記載のセラミックカッティングインサート。
【請求項４】
前記チップコントロールグルーブ表面および前記すくい面が、各々、成形状態にある、請求項２に記載のセラミックカッティングインサート。
【請求項５】
請求項１に記載のセラミックカッティングインサートであって、前記多結晶炭化タングステンが、以下：
（ａ）理論密度の少なくとも９５％の密度を有し；そして
（ｂ）０．００１〜１０μｍの平均粒径を有する、
セラミックカッティングインサート。
【請求項６】
前記多結晶炭化タングステンが、０．２〜４μｍの平均粒径を有する、請求項５に記載のセラミックカッティングインサート。
【請求項７】
前記多結晶炭化タングステンが、少なくとも９８．５容量％の炭化タングステンを含む、請求項５に記載のセラミックカッティングインサート。
【請求項８】
前記多結晶炭化タングステンが、９９容量％の炭化タングステンを含む、請求項５に記載のセラミックカッティングインサート。
【請求項９】
前記多結晶炭化タングステンが、理論密度の少なくとも９８％の密度を有する、請求項５に記載のセラミックカッティングインサート。
【請求項１０】
鉄族の元素が、約０．０１〜約１の容積％で存在する、請求項５に記載のセラミックカッティングインサート。
【請求項１１】
前記鉄族の元素が、コバルトである、請求項１０に記載のセラミックカッティングインサート。
【請求項１２】
前記コバルトが、約０．０１〜約１．０の容積％で存在する、請求項１１に記載のセラミックカッティングインサート。
【請求項１３】
前記コバルトが、約０．２５の容積％で存在する、請求項１１に記載のセラミックカッティングインサート。
【請求項１４】
請求項５に記載のセラミックカッティングインサートであって、約０．１〜約１の容量％の量で存在する、炭化物、窒化物、酸化物および／またはホウ化物が、炭化タングステン、窒化タングステン、酸化タングステンおよび／またはホウ化タングステンのそれぞれの形成の自由エネルギーよりも低い自由エネルギーを有する、セラミックカッティングインサート。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、セラミックの分野に関し、特に、チップコントロールを備える高密度多結晶炭化タングステンインサートに関する。
【０００２】
（発明の背景）
機械加工プロセスでは、カッティングツールが、高速で有効に働くことおよび長いツール寿命を有することが重要である。カッティングツールを有効にするために、このツールは、高い熱硬度、ならびに高い横軸方向の破断強度および破壊靱性を有するツールを生じる材料から作製されなければならず、かつこのツールはまた、機械加工プロセスにおいて形成されるチップの流れをコントロールするため、および切断力を低下させるために十分な設計を有していなければならない。
【０００３】
チップコントロールは、機械加工プロセスにおいて形成され得る、望ましくなく長いチップの長さを分解するための、機械加工プロセスの重要な要素である。高速機械加工では、カッティングインサートによってワークピースから取り出されるストリップが破壊されない場合、このストリップは、種々の様式で機械加工プロセスと干渉し得る。例えば、望ましくなく長いチップは再切断され、そしてワークピースの一部に溶接され、これによって、ワークピース上に粗末な表面状態を生じ得る。望ましくなく長いチップは、チップコントロール下で破壊されない場合、機械加工ツール自体の破壊もまた生じ得る。さらに、望ましくなく長いチップは、ツールホルダーまたは機械の他の部分へと給送され得、そして問題を生じ得る（例えば、ツールホルダーの部品を破損すること、または作業領域の視界を妨げること）。さらに、長いリボンは、操作するのが困難であり、そして機械のオペレーターを危険にさらし得る。従って、高速機械加工プロセスにおいて、チップコントロールを提供する必要がある。チップ生成をコントロールするための１つの方法は、カッティングツールへインサート（このインサートは、チップコントロールのための手段を提供する）を組込むことである。チップコントロールインサートを備える多くの異なる型のセラミックカッティングツールが記載されており、これらとしては、米国特許第５，６２８，５９０号；同第５，１４１，３６７号；および同第５，３３０，２９６号（これらの内容は、その全体が本明細書中で参考として援用される）に記載されるものが挙げられる。
【０００４】
チップコントロールに加えて、カッティングツールの別の重要な局面は、これらが作製される材料である。カッティングツールは、セラミックおよびセラミック−金属コンポジット（「サーメット」）（これは、炭化タングステン（「ＷＣ」を含む））を用いて作製されてきた。ＷＣを用いる初期の研究は、例えば、２，０００℃の温度まで加熱することにより、ＷＣの密度を高めることに焦点を合わせた。これらの密度を高めた材料は、カッティングツールのような、靱性を必要とする適用における使用に不適切と判断された。この不適合性は、主に、密度を高めた材料の脆弱過ぎる特性に由来する。
【０００５】
脆弱性のいくらかを克服または補正するための努力は、粉末金属とＷＣ粉末とを混合してコンポジットを形成し、そして金属が溶解するよりも上の温度で、このコンポジットの密度を高めることにより、ある量の金属の組込みをもたらした。この金属（最も頻繁には、鉄族の金属（鉄、コバルト、またはニッケル））を、添加して、コンポジットにいくらかの延性を与えた。これらの密度を高めたコンポジット（超硬合金、サーメット、および硬質合金としても公知である）は、機械加工ツールにおいて、何十年もの間、広範に用いられている。切断速度および切断効率を増加させるために、セラミックカッティングツールの組成に対して、種々の添加が行われた。
【０００６】
一般に、サーメットの硬度（すなわち、摩擦耐性および強度および靱性、すなわち、硬化合金の破壊耐性）は、炭化タングステンの粒子サイズ、コバルト含有量、および他の炭化物の追加量により変化し得る。得られた硬化合金は、種々の目的のために広範に用いられている。しかし、これらの材料の処方において、摩擦耐性が高められる場合に破壊耐性は低下し、反対に、破壊耐性が高められる場合に摩擦耐性が低下するという傾向がある。従って、サーメットカッティングツールの設計において、高速機械加工の熱で可塑的に変形するコバルトまたは別の鉄族を添加することにより別の材料特性を犠牲にして、１つの材料特性を改善するという問題が生じる。
【０００７】
この問題を解決するために、以下に挙げられる多くの試みが行われてきた：所望の特性を再び確立するために、この機械加工装置の使用を止め、そして超硬合金カッティングツールを再プロフィールすること、ならびに使用した超硬合金部品を破棄し、そして所望の特性を備える新規の超硬合金部品を挿入すること。現在、高熱高速機械加工の間に、摩擦耐性および破壊耐性の所望の機械加工特性を維持し得る、チップコントロールを備える機械加工ツールの要求がある。
【０００８】
サーメットおよびＷＣは、カッティングツールの設計に広範に用いられているが、依然として、カッティングツールの効率を最大にするためにサーメットまたはＷＣの組成を変更することの問題に対する満足な解決法は存在しなかった。本発明は、ＷＣから作製されるチップコントロールインサートを、機械加工ツールに組込むことによって、この問題を解決する。このようなインサートは、以前に用いられておらず、そしてこのようなインサートは、機械加工ツールの効率を最大にする。
【０００９】
（発明の要旨）
高密度で微細な粒状多結晶炭化タングステン（ＷＣ）から本質的に構成される、チップコントロールを有するカッティングツールインサートが、本発明に含まれる。
【００１０】
本発明に従う高速機械加工のためのセラミックカッティングインサートは、カッティングエッジ、チップコントロールグルーブ表面を有するすくい面、および逃げ面を含み、そしてこのカッティングエッジは、逃げ面およびすくい面の接合部で形成される。
【００１１】
これらの成分は、セラミック処理技術により作製され、そしてセラミック体であって、その理論密度の９５％を越える密度を有し、そして実質的に全ての粒子が、０．００１〜２０μｍの平均サイズを有する、セラミック体を生じる。
【００１２】
他の局面において、このインサートは、少なくとも９８．５容量％の炭化タングステンの多結晶炭化タングステンから構成される。別の局面において、鉄族（例えば、コバルト）は、０．０１〜１．５容量％のセラミック体中に存在する。
【００１３】
本発明のさらなる局面は、不活性な第２の相（例えば、耐火性の酸化物、炭化物、窒化物、またはホウ化物）を添加することによって、炭化タングステンの粒径をコントロールし得る。
【００１４】
本発明のセラミック物品は、磨耗部分として、特に、機械加工用のチタン金属、および非常に高い含有量のチタンを有するチタンの合金、鋳鉄、アルミニウム、高度のニッケル合金、およびステンレス鋼を含む、広範な種々の材料のためのカッティングツール（ウッド機械加工カッティング用（ｗｏｏｄ  ｍａｃｈｉｎｉｎｇ−ｃｕｔｔｉｎｇ）およびスチールの高速機械加工用）として特に有用である。
【００１５】
（発明の詳細な説明）
チップコントロール構造を有する、成形多結晶炭化タングステンセラミックカッティングインサートを作製することが、本発明の主な目的である。ドリリング操作において、ドリリング効率およびツールインサートの損傷が生じないような、チップコントロールが重要である（図１を参照のこと）。カッティングインサートのブランクにチップブレーカーのグルーブまたはランドを組み込むことは、加工物から生じるストリップを短い小片に粉砕させるのを可能にする。これらの小さいチップは、機械加工領域から、これらのチップが含まれるような、受容空間内または容器内に容易に落下し、そして、その機械ツールから除去され得る。
【００１６】
以前は、多結晶炭化タングステンは、チップコントロールを有するカッティングツールインサートの調製において利用されていなかった。なぜなら、炭化タングステンは、チップコントロールを有するインサートに必要とされる強度（すなわち、破損耐性）および硬さ（すなわち、摩耗耐性）を有すると考えられていなかったからである。強度および硬さは、コバルトのような鉄族の添加によって変更され得る。しかし、コバルトは、高速機械加工の高い温度で融解し、このことが、これらの調製物を、チップコントロールを有する製造インサートに適切でないものにする。驚くことに、多結晶炭化タングステンの粉末サイズ、コバルトの割合、温度および圧力を変えることによって、本発明は、チップコントロールを有するカッティングツールへと成形（すなわち、パンチおよびダイにおいて）され得る、多結晶炭化タングステン調製物を提供し、このカッティングツールは、高速機械加工に適切な増加された強度および硬さを有する。本発明は、種々のインサートチップコントロール設計（例えば、米国特許第５，１４１，３６７号；同第４，３１８，６４５号；同第４，３４０，３２４号；同第４，２４７，２３２号；同第４，０８７，１９３号；同第４，０５６，８７１号および同第３，３８３，７４８号に示される、インサートチップコントロール設計）と共に利用され得る。
【００１７】
米国特許第５，５６３，１０７号および同第４，８２８，５８４号は、カッティングツールの調製において利用されている、炭化タングステンセラミック材料の種々の例を含み、そしてこれらは、本明細書中に参考として援用される。しかし、本発明以前は、このような材料は、チップコントロールを有するインサートの生産において使用されなかった。
【００１８】
本発明の炭化タングステン（ＷＣ）セラミックは、出発ＷＣ粉末のサイズの適切な選択によって、および結晶粒成長をコントロールする、高密度化条件のコントロールによって、特定の適用における使用のためにあつらえられ得る。
【００１９】
所望の出発粉末サイズは、０．００１μｍ超〜２０μｍまでの範囲にある。この範囲は、適用に依存して、好ましくは、約０．００１μｍ〜約１０μｍであり、より好ましくは、約０．００１μｍ〜約４μｍである。１つの実施形態において、炭化タングステン粉末サイズは、約１．０μｍである。２０μｍ未満の出発粉末サイズは、優れた特性を有する高密度化された本体を提供する。
【００２０】
１０μｍ以下の平均粒径を有する炭化タングステン粉末は、市販されている。このような粉末の１つである、Ｔｅｌｅｄｙｎｅ  ＩＶ型は、８μｍの名目上の平均粒径を有し、結晶粒成長の抑制剤として、少量の炭化バナジウムを含む。このような粉末を磨砕させることによって、同時に、平均粒径を減少させ、結晶粒度の分布を減少させ、そして結晶粒成長の抑制剤をより均一に分散させる。結晶粒成長の抑制剤の非存在下でさえ、磨砕は、より小さい平均粒径およびより狭い粒径分布の利点を提供する。代替として、このＷＣ粉末は、合成された場合に、これらの特徴を有する。さらなる代替として、さらにより大きい平均粒径を有する粉末は、それらが、平均粒径を０．２μｍ以下に減少させるのに十分な条件下で粉砕または磨砕される場合に、使用され得る。これらの粉末は、必ず、より長いサイズ減少手順を必要とし、そして結果として、サイズ減少を促進するために使用される媒体からのさらなる量の不純物を取り込み得る。
【００２１】
本発明において使用されるＷＣ粉末は、１００％純粋である必要はない。これらは、非常に少量（例えば、１．５重量／容量％未満）の他の材料を、それらの他の材料が、粉末の高密度化を干渉せず、得られた高密度化された本体の物理的特性に有害に影響しない限り、含んでもよい。「他の材料」の例としては、コバルト、鉄、ニッケル、炭素およびケイ素が挙げられる。他の材料は、例えば、粉末合成手順の結果としてか、または粉砕操作からの残渣として、存在し得る。いくつかの実施形態において、コバルトは、約０．０１容量％〜１．５容量％で存在する。好ましくは、コバルトは、約０．２５％存在する。他の材料に加えて、ＷＣ粉末は、ある酸素含量を有し、これは、粒径を逆に変化させる。従って、粒径が減少するにつれて、酸素含量は、増加する傾向にある。しかし、この酸素含量は、粉末の高密度化を干渉せず、得られた高密度化された本体の物理的特性に有害に影響しないレベルで維持される。いくつかの実施形態において、結合剤（例えば、ロウ）が、粉末に添加され、ダイへの成形を容易にする。好ましくは、結合剤は、約５容量％未満である。より好ましくは、結合剤は、約２．２５容量％である。結晶粒度は、たとえＷＣ粉末が結晶粒成長の抑制剤を含まないとしても、高密度化手順の注意深いコントロールによってコントロールされ得る。任意の従来の高密度化技術は、それが本発明の高密度化されたセラミック体を生じる場合に、使用され得る。従来の技術は、無圧または低圧での焼結、ホットプレス、熱間静水圧圧縮成形（ＨＩＰ）および迅速な全方向性圧密、を含む。高密度化は、好ましくは、ＨＩＰによって達成される。
【００２２】
１，７００℃以下の温度および３５ＭＰａの圧力での実質的に純粋なＷＣ粉末のホットプレスは、９８．５％を超える理論的密度の多結晶炭化タングステン体を生じた。また、Ａｒ中で３０分間、１，６００℃にて、外圧を伴わずに焼結させた、実質的に純粋であるが塊状化されたＷＣ粉末について、有意な高密度化（９％の線形収縮）が観察された。このような有意な固体状態の焼結は、添加剤の非存在下で生じるが、低パーセンテージの鉄族元素（例えば、コバルト）が、無圧焼結による密閉された空隙の達成、およびほぼ理論的な密度（９８％の理論的密度より大きい）を生じた。このような粉末は、非常に少量のこのような添加剤を含み、そして約１，４００℃と２，０００℃との間の温度でホットプレスされる場合、閉じた孔を有する、良好に粒子化された微小構造を生じる。好ましくは、これらのＷＣ粉末は、約１，９００℃および約５０，０００ｐｓｉにてプレスされる。
【００２３】
さらに、結晶粒度は、処理条件（特に、焼結条件）の非常に注意深いコントロールによって、および結晶粒成長を抑制する少量の第２相を添加することによって、コントロールされ得る。適切な結晶粒成長抑制剤は、ＷＣに適合性でなければならず、例えば、酸化物、炭化物、窒化物またはホウ化物である。結晶粒成長抑制剤として使用される酸化物の自由エネルギーは、ＷＯ２およびＷＯ３（すなわち、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＮｂＯ、ＮｂＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｃｒ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ３、ＭｎＯ、ＺｎＯ、ＴｈＯ２、ＢｅＯなど）よりも低くなければならない。結晶粒度をコントロールするための適切な炭化物は、ＷＣ（すなわち、ＶＣ、ＴｈＣ２、Ｃｒ２３、Ｃ６、ＺｒＣ、ＴｉＣ、ＳｉＣ、Ｃｒ３Ｃ２など）よりも低い、形成の自由エネルギーを有さなければならない。好ましくは、ＶＣは、ＷＣ粉末に添加される。結晶粒成長抑制剤として使用される窒化物は、ＷＮ２およびＷＮ（すなわち、ＺｒＮ、ＴｉＮ、Ｔｈ３Ｎ４、ＡｌＮ、ＢＮ、ＮｂＮ、ＶＮ、Ｓｉ３Ｎ４、Ｃｒ２Ｎなど）よりも低い、形成の自由エネルギーを有さなければならない。同様に、ホウ化物は、ＷＢ２、ＷＢおよびＷ２Ｂ（すなわち、ＺｒＢ２、ＴｉＢ２など）よりも低い、形成のエネルギーを有さなければならない。このような結晶粒成長抑制剤は、セラミック体の約１．５容量％未満で存在し、好ましくは、約１容量％未満で存在し、そして特に好ましくは、約０．３５容量％で存在する。
【００２４】
上記の説明の全てにおいて、他の相互作用もまた生じ得ることが理解される必要がある。例えば、ＴｉＣ、ＴＩＮまたはＴｉＧの添加は、ＴｉＣ、ＴＩＮまたはＴｉＯを含む固体溶液中の立方晶ＷＣの形成を促進し、従って、微小構造を変化させる。
【００２５】
（実施例１）
炭化タングステン粉末（１ミクロンの粒径）、０．３５％のＶＣおよび２．２５％のロウを、圧縮可能な粉末にスプレー乾燥した。この粉末を、パンチおよびダイを備える空洞中でプレスし、インサート形状を形成し、同時に、チップブレーカーを、セラミック体に導入した。このセラミックカッティングインサートを、アルゴン下で４００℃に加熱し、ロウ結合剤を除去した。全ての微量のロウ結合剤が除去された後、それらの部分が高密度になるまで、このインサートを１，９００℃に加熱した。温度を維持しながら、圧力（５０，０００ｐｓｉ）を付与し、空隙を除去した。
【００２６】
（他の実施形態）
本発明は、発明の詳細な説明によって記載されてきたが、前述の説明が、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲を、例示することを意図し、そして限定するものではないことが理解される。他の局面、利点および改変が、上述の特許請求の範囲内にある。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、機械加工の間に形成され得るチップのタイプの例示である。パネルＡは、チップコントロールを備えていないカッティングツールを使用して形成されるチップを例示する。パネルＢは、チップコントロールを備えたカッティングツールを使用して形成されるチップを例示する。パネルＣは、高速の機械加工の場合に形成される、チップのタイプの例示である。
【図１】
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【国際公開パンフレット】
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2005503933.tif 000011
2005503933.tif 000012
2005503933.tif 000013
2005503933.tif 000014
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2005503933.tif 000015
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2005503933.tif 000016
2005503933.tif 000017
2005503933.tif 000018
2005503933.tif 000019
2005503933.tif 000020
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2005503933.tif 000023
2005503933.tif 000024
2005503933.tif 000025
2005503933.tif 000026
【国際調査報告】
2005503933.tif 000027
2005503933.tif 000028
2005503933.tif 000029