JPH04135106A - 炭化珪素質切削工具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、炭化珪素質の切削工具１、詳しくは炭化珪素
ウィスカーを複合させた強度、破壊靭性、硬度、耐摩耗
性などに優れる炭化珪素質切削工具に関する。

〔従来の技術〕

従来、セラミックス質の切削工具としてアルミナや炭化
チタンを焼結した材質のものが開発されており、既に実
用化されているが、度化珪素賀の切削工具は未だに開発
されていない、この理由は、炭化珪素は極めて高い硬度
を有する反面、破壊靭性が低い（約３．５ＭＰａ、ｒ　
ｍ）ため切削工具とした場合にチッピングを起こし易い
ことに主因がある。

このような、炭化珪素材質の破壊靭性を改善するため、
同質の炭化珪素ウィスカーを強化材として複合化する試
みがなされている。

−ｇに、ウィスカーの複合化によるセラミックス材の破
壊靭性の改善は、セラミックス組織中に分散した高弾性
率のウィスカーがクラックの成長を停止、抑制もしくは
クランクの進行方向を屈曲させて応力の集中を緩和し、
同時にウィスカーの引き抜き（プルアウト）作用によっ
てクラック先端でのエネルギーを吸収する等の機構を介
してもたらされるものとされている。したがって、マト
リックスとなるセラミックス組織と複合化するウィスカ
ーの界面における結合力が高過ぎると、前記の機能が減
殺されて破壊靭性の改善が円滑に進行しなく−なる。と
ころが、炭化珪素ウィスカーはマトリックス材となる炭
化珪素粉末と同質であるため、焼結時、どうしても強固
に結合してしまう事態が避けられない難点がある。更に
、炭化珪素ウィスカーは、通常の炭化珪素とは異なり１
７００℃を越える温度域において結晶化が進行し、形態
が針状から粒状に変化する現象を起こすことから、炭化
珪素をマトリックスとする場合には、粉末の焼結に通常
必要な２０００〜２１００°Ｃ近辺の温度においては前
記の形状変態が起きて複合強化機能が発揮されなくなる
。

発明者らは、かかる問題を解決する炭化珪素複合焼結体
の製造手段として、炭素質または窒化珪素質の表面被覆
を形成した炭化珪素ウィスカーを用いて炭化珪素マトリ
ックスを複合強化する方法を既に提案している（特願平
１−３１８５９２号、特願平２−１９６９９７号）。

〔発明が解決しようとする課ＩＩり 本発明は、上記の靭性改善手段を利用して得られる組織
の複合焼結体を切削工具として使用した場合には、工具
としての要求性能を全面的に満足させることができるこ
とを解明して開発に至ったものである。

したがって、本発明の目的は高水準の強度、破壊靭性、
硬度および耐摩耗性を備える炭化珪素質の切削工具を提
供しようとするところにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するための本発明による炭化珪素質切
削工具は、表面に膜厚２０〜２００人の炭素または窒化
珪素被覆層を形成した炭化珪素ウィスカーを１０〜３５
ｖｏｌχの体積比率で炭化珪素マトリックス中に複合さ
せた焼結組織を備えてなることを構成上の特徴とする。

炭化珪素ウィスカーの表面に形成する炭素または窒化珪
素の被覆層は、その膜厚が２０人未満であると炭化珪素
ウィスカー自体の高温による形状変化の防止ならびにマ
トリックス炭化珪素との結合緩和などの機能が不十分と
なって、チッピングの発生や材質摩耗量の増大を招く。

また、これが２００人を越えると材質強度が減退し、耐
摩耗性が低下する。

前記の炭素または窒化珪素被覆層を備える炭化珪素ウィ
スカーの炭化珪素マトリックスに対する体積比率がｌＯ
νｏｌχを下層ると複合強化の効果が不足してチッピン
グが発生し、他方、３５ｖｏｌχを上潮る体積比率にす
ると円滑な焼結ができなくなっオ強度不良を起こし、工
具の破損が生じる危険性が出てくる。

本発明による炭化珪素質切削工具は、次のようにして製
造することができる。

炭化珪素ウィスカーには、直径０．１〜５μｍ、長さ３
０〜１００μ−のアスペクト性状を有する針状単結晶が
用いられる。

炭化珪素ウィスカーに炭素質の表面被覆層を形成するに
は、例えばフェノール樹脂、フラン樹脂など炭化残留率
の高い熱硬化性樹脂液中に炭化珪素ウィスカーを分散さ
せ、濾過、乾燥および樹脂硬化したのち非酸化性雰囲気
下で８００〜１８００℃の温度に熱処理する方法が通用
される。この際、用いる熱硬化性樹脂の溶液濃度、炭化
珪素ウィスカーの攪拌混合時間などの条件を制御するこ
とによって形成する炭素質被膜の厚さを２０〜２００人
の範囲に調整することができる。

また、炭化珪素ウィスカーに窒化珪素被覆層を形成する
には、ポリカルボシランのような有機珪素ポリマーの溶
液中に炭化珪素ウィスカーを均一分散させたのち濾過、
乾燥し、ついで十分にほぐして窒化性雰囲気中１２００
〜１６００　’Ｃで熱処理する方法、炭化珪素ウィスカ
ーを酸化処理して表面に二酸化珪素の薄膜を形成し、つ
いでその表面に還元成分として熱硬化性樹脂を被着した
状態で窒化性ガス雰囲気中１２００〜１６００°Ｃの温
度に熱処理する方法、もしくはポリシラザンを有機溶媒
に溶解し、該溶液に炭化珪素ウィスカーを分散させて濾
過、乾燥してのち窒化性雰囲気中で１２００から１６０
０°Ｃの温度に焼成処理する方法、等を適用することが
できる。と（にポリシラザンを被覆原料とする方法が好
ましく適用でき、ポリシラザンの溶液濃度および炭化珪
素ウィスカーの分散濃度を調整することにより円滑に膜
厚２０〜２００人範囲の均質な窒化珪素薄膜を形成する
ことができる。

マトリックス材料となる炭化珪素粉末は、平均粒子径が
３μ鶴以下、望ましくは０，０５〜１μ−の微粉状のも
のを使用する。

焼結助剤としては、硼素含有物質と炭素転化物質を共用
させることが望ましい。好適な硼素含有物質としては非
晶質の硼素粉末、硼酸、硼砂などを挙げることができ、
また炭素転化物質としては、例えばフェノール系樹脂、
フラン系樹脂あるいはピッチのような高温焼結時に容易
に炭素化する有機物質が好ましく使用される。これら焼
結助剤の添加量は、炭化珪素ウィスカーと炭化珪素マト
リックス粉末の配合物に対し、硼素含有物質にあっては
Ｂ量が０．　１〜１ｗｔχに相当する量、炭素転化物質
にあっては炭化後のＣ量が３〜１−Ｑｉｉｔχに相当す
る量とする。この範囲より少ない焼結助剤の添加量では
焼結体の緻密性が損なわれ、他方、範囲を越える多量の
添加はマトリックス部分で異常粒成長を引き起こすほか
、不純物として残留して材質強度の低下を招く。

上記の炭化珪素ウィスカー強化材、炭化珪素マトリック
ス粉末および２成分の焼結助剤は、適宜な溶媒中で均一
に攪拌する方法で湿式混合し、弓き続き乾燥して焼結用
粉末を形成する。

焼結はホットプレスによっておこなわれるが、この際の
焼結条件は温度を２０００〜２１００°Ｃに保持し、加
圧力が少なくとも１００　ｋｇ／ｃｍ２になるような条
件に設定する。焼結温度が２０００°Ｃを下廻り、加圧
力が１００　ｋｇ／ｃｍ２より低いと緻密ＩｉＩ１ｗ４
の成形ができず、焼結温度が２１００°Ｃを越えると炭
化珪素の異常粒が成長し、特性低下を起こす。

このようにして得られた炭化珪素質焼結体を所定形状に
加工して切削工具とする。

〔作　用］ 炭化珪素は他のセラミンクス材料に比べてとりわけ破壊
靭性値が低く、通常の焼結組織では材質が極めて脆弱で
ある。このため、粉末の場合に高硬度に基づく研磨機能
を有していながら、焼結体として切削工具を形成するこ
とは困難視されてきた。

ところが、本発明の複合化焼結組織による炭化珪素質切
削工具によれば、表面に膜厚２０〜２００人の炭素また
は窒化珪素被覆層を形成した炭化珪素ウィスカーを強化
材とし、１０〜３５ｖｏｌχの体積比率で炭化珪素マト
リックスに分散化することで組織に応力の緩和とプルア
ウト現象の働きを与え、この作用で本来的に脆弱な炭化
珪素焼結体の強度ならびに破壊靭性を大幅に向上させて
いる。

このため、強度、破壊靭性、硬度および耐摩耗性などの
工具要求特性を高水準に満たすことができ、切削性が良
好で使用寿命の長い高性能の炭化珪素質切削工具を提供
することが可能となる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を比較例と対比しながら説明する
。

実施例１、比較例１〜２ フェノール樹脂をエタノールに溶解して十分に均相化さ
せた溶液に平均直径１．１μｍ、平均長さ５０μｍの炭
化珪素ウィスカー［東海カーボン輛製、゛トーカウィス
カー′′］を分散させ、濾過、乾燥したのち、アルゴン
気流中で１０００　’Ｃに焼成して炭化珪素ウィスカー
の表面に膜厚５０人の炭素質被覆層を形成した。

この炭化珪素ウィスカーを平均粒径０．２６μｍの炭化
珪素粉末に２０ＶＯ１χの体積比率で配合し、さらに最
大粒子径０．　５ｗｔχおよびフェノール樹脂を炭化後
のＣＩが５ｗｔＸになる量で加えてエタノールとともに
ボールミルで十分に回転混合した。

ついで、混合スラリーを乾燥してモールドに充填し、温
度２０５０°Ｃ１圧力４００　ｋｇ７ｃｍ”の条件に１
時間保って焼結処理をおこなって切削工具用の炭化珪素
質複合焼結体を製造した。

得られた焼結体につき、曲げ強度（三点法）、破壊靭性
値（四点曲げ５ＥＮＢ法）硬度（ビッカース）を測定し
、結果を表１に示した。

また、焼結体からスローアウェイ形状の旋盤加工用チッ
プを加工し、下記条件による切削試験時の工具寿命基準
を工具の横にげ面平行部の摩耗幅が０．３ｍｔｍになっ
た時点の切削速度（ν）と工具寿命（Ｔ）　との関係（
シーＴ線図）を求めて図に示した。

被切削材：　ＦＣ−３５切込み深さ：１ＩＩ１１送り速
度：　０．２ｍｍ／ｒｅｖ、　　チップ形状：　５ＮＧ
Ｎ４３２なお、比較のために炭素質被覆層を形成しない
炭化珪素ウィスカーを用いて同様に製造した炭化珪素質
複合焼結体（比較例Ｉ）および従来のアルミナ賞切削工
具（比較例２）についても上記の測定をおこない、結果
を表１および図に併載した。

表　　１ 表１および図の結果から、実施例１の材質による切削工
具は比較例１．２の材料に比べ強度、破壊靭性および硬
度などの特性がいずれも高く、切削加工時の耐摩耗性な
らびに使用寿命が向上していることが判る。

実施例２〜５、比較例３〜６ ポリシラザンをトルエンに溶解した濃度の異なる溶液に
平均直径１．　１μ麟、平均長さ３０μ−の炭化珪素ウ
ィスカー〔東海カーボン■製、ＴＷＳ−４００１を分散
させ、分散液を濾過、乾燥して十分に解繊したのち、１
７０°Ｃで２時間真空乾燥しポリシラザン成分を完全に
硬化させた。ついで、被着成分を固定化した炭化珪素ウ
ィスカーを窒素雰囲気に保持されたエレマ炉に移し、１
４００℃の温度で焼成処理を施し、表面に膜厚の異なる
窒化珪素被覆層を形成した。

窒化珪素被覆層を形成した各炭化珪素ウィスカーを実施
例１と同一の炭化珪素粉末に対し体積比率を変えて配合
し、この配合物に実施例１と同一条件で焼結助荊を加え
たのちエタノールとともにボールミルに入れ、３０時間
に亘り湿式混合した。

形成された混合スラリーを乾燥してエタノール成分を除
去したのちモールドに充填し、温度２０５０℃、加圧力
５００　ｋｇ７ｃｍ”の条件によりホントプレス焼結を
おこなうた。

得られた各切削工具用の炭化珪素複合焼結体から試験片
を切り出し、曲げ強度、破壊靭性値、硬度およびフラン
ク摩耗量を測定した。なお、切削試験は次の条件でおこ
なった。

被切削材：　ＦＣ−２５切込み深さ：　１ｍｓ切削速度
：　３００ａｓ７ｇｉｎ、　　切削時間ｅ　１０分送り
速度：　０．２ｍｍ／ｒｅｖ、　　チップ形状：　５Ｎ
ＧＮ４３２その測定結果を炭化珪素ウィスカー表面に形
成した窒化珪素被覆層の膜厚、炭化珪素マトリックスに
配合した体積比率と対比させて表２に示した。

表２の結果は、実施例２〜５は本茜明のいずれかの要件
を外れる比較例３〜６に比べて全ての性能向上している
ことを示している。

〔発明の効果］ 以上のとおり、本発明によれば表面にｉ厚２０〜２００
人の炭素質または窒化珪素被覆層を形成した炭化珪素ウ
ィスカーを特定の比率で炭化珪素マトリックスに焼結複
合化することにより脆弱な炭化珪素焼結体を緻密で優れ
た強度ならびに破壊靭性を備える複合組織に改質し、よ
って従来困難とされていた炭化珪素質の切削工具を開発
することに成功したものである。

したがって、フライス加工、ならい加工のような衝撃や
過酷な負荷条件で使用される切削工具として、長期に亘
る優れた切削性能が保障される。

【図面の簡単な説明】

図は実施例、比較例における切削速度と工具寿命との関
係を示したグラフである。 出願人　　東海カーボン株式会社 代理人　弁理士　高　畑　正　也 工具寿命（ｍｉｎ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．表面に膜厚２０〜２００Åの炭素または窒化珪素被
   覆層を形成した炭化珪素ウイスカーを１０〜３５ｖｏｌ
   ％の体積比率で炭化珪素マトリックス中に複合させた焼
   結組織を備えてなる炭化珪素質切削工具。