JPH04315506A - セラミック切削工具及びその製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はセラミック切削工具及び
その製造方法に関し、特に、耐欠損性、耐摩耗性に優れ
た炭化珪素ウィスカー強化アルミナ製切削工具及びその
製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】旋盤等
に用いるバイト先端部に取り付けられるチップを始めと
する各種切削工具として、一般に、ハイスと呼ばれる高
速度工具鋼やＷＣ−Ｃｏ系等の超硬合金からなるものが
使用されているが、最近では、Ａｌ２　Ｏ３　や、Ａｌ
２　Ｏ３　−ＴｉＣ、Ｓｉ３　Ｎ４　等のセラミックス
製の切削工具が開発され、一部使用されている。このよ
うなセラミック切削工具は、耐酸化性に富み、耐熱性も
良好で、高温で高強度であることから、特に高速切削用
の工具としての使用が目指されている。

【０００３】しかしながら、Ａｌ２　Ｏ３　やＡｌ２　
Ｏ３　−ＴｉＣ等のアルミナ系セラミックスの場合、耐
欠損性に劣る（靱性が小さい）という欠点がある。また
、Ｓｉ３　Ｎ４　系のセラミックスは鉄との反応性が高
いため、この種のセラミックスからなる切削工具は、鉄
系の部材を被削材とする場合には耐摩耗性が低下する欠
点を有する。このように、従来のセラミック切削工具の
使用領域は極めて限定されたものであり、改良の余地が
ある。

【０００４】そこで、Ａｌ２　Ｏ３　系セラミックスか
らなる切削工具においては、その耐欠損性を改善するた
めに、Ａｌ２　Ｏ３　にＺｒＯ２　及び／又はＳｉＣウ
ィスカーを添加して複合セラミックスとし、もって切削
工具の高靱化、高強度化を図る試みがなされており、一
部実用化されている。

【０００５】たとえば米国特許第４２１８２５３号には
、Ａｌ２　Ｏ３　にＺｒＯ２　を添加し、高靱化、高強
度化を図ったセラミックスが開示されている。また、特
開昭６１−１７４１６５号及び米国特許第４９６１７５
７号には、ＳｉＣウィスカー強化型Ａｌ２　Ｏ３　製の
切削工具が開示されている。さらに、特開平２−１３９
１０２号には、Ａｌ２　Ｏ３　−ＳｉＣウィスカー−Ｚ
ｒＯ２からなるセラミック切削工具が開示されている。 特に、ＳｉＣウィスカー等のウィスカーを含有した複合
セラミックスの場合、超合金等の切削が難しい被削材に
適用することが目指されている。

【０００６】上述した特開昭６１−１７４１６５号及び
米国特許第４９６１７５７号におけるＳｉＣウィスカー
強化型Ａｌ２　Ｏ３　切削工具においては、特に好まし
いＳｉＣウィスカーとして、市場供給品としてはアルコ
ケミカル社（ＡＲＣＯ　　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　　Ｃｏｍ
ｐａｎｙ）のアドバンスト・マテリアルズ（Ａｄｖａｎ
ｃｅｄ　　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）グループのＳｉＣウィ
スカー、すなわち、平均直径が約０．６μｍで、アスペ
クト比が１５〜１５０の単結晶構造を有するＳｉＣウィ
スカーを用いる旨の記載がある。

【０００７】しかしながら、平均直径が約０．６μｍで
、アスペクト比が１５〜１５０のＳｉＣウィスカーを用
いたＡｌ２　Ｏ３　−ＳｉＣウィスカー切削工具では、
Ｎｉ基超合金等の超合金を被削材とした場合には良好な
切削をすることができるが、ねずみ鋳鉄やダクタイル鋳
鉄等の鉄系の被削材には十分ではない。具体的には、こ
のような大きさのＳｉＣウィスカーを有するＡｌ２　Ｏ
３　製の切削工具は、耐欠損性については十分なレベル
に達してはいるが、耐摩耗性に劣る。本発明者らの研究
によれば、上記の大きさのＳｉＣウィスカーを用いたＡ
ｌ２　Ｏ３　−ＳｉＣウィスカー切削工具は、ねずみ鋳
鉄を被削材とすると、Ｓｉ３　Ｎ４　系切削工具の約２
倍の寿命を有する。また、ダクタイル鋳鉄を被削材とし
た場合、超硬コーティング工具の１．５〜３倍程度の寿
命を有する。しかし、コスト／パフォーマンスの観点か
らは、上記の寿命では決して十分とは言えず、より耐摩
耗性に優れた切削工具の開発が望まれている。

【０００８】したがって、本発明の目的は、ＳｉＣウィ
スカーを有するセラミックス製の切削工具において、ね
ずみ鋳鉄やダクタイル鋳鉄等の鉄系の被削材にも十分に
対応することができる耐摩耗性の良好なセラミックス製
切削工具、及びその製造方法を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】ウィスカーをセラミック
ス中に導入して複合化すると、基本的には高靱化を達成
することができるが、Ｐ．Ｆ．Ｂｅｏｃｈｅｒ等がＪｏ
ｕｒｎａｌ　ｏｆ　　Ａｍｅｒｉｃａｎ　　Ｃｅｒａｍ
ｉｃＳｏｃｉｅｔｙ、７１巻（１２）　１０５０〜１０
６１頁、１９８８年に報告しているように、ウィスカー
強化セラミックス（複合体）の破壊靱性の増加ΔＫは、
一般に、 ΔＫ＝σｆ　〔Ｖｆ　・ｒ・Ｅｃ　・Ｇｍ　／６（１−
ν２　）Ｅｗ　・Ｇｉ　〕１／２　で表すことができる
。ここで、σｆ　はウィスカーの破壊強度であり、Ｖｆ
　はウィスカーの体積率であり、ｒはウィスカーの半径
であり、Ｅｃ　は複合体のヤング率であり、Ｇｍ　はマ
トリックスの歪みエネルギー解放速度であり、νは複合
体のポアソン比であり、Ｅｗ　はウィスカーのヤング率
であり、そしてＧｉ　はウィスカー／マトリックス界面
の歪みエネルギー解放速度である。

【００１０】この式によれば、ウィスカーの配合量を（
体積率で）同一とすれば、ウィスカーの破壊強度が高く
、またウィスカー径が大きいほどセラミック複合体の破
壊靱性が向上することになる。

【００１１】ところが、実際にはウィスカー内部には欠
陥が存在することがあるので、Ａ．Ｋｅｌｌｙ　の“Ｓ
ｔｒｏｎｇ　　Ｓｏｌｉｄｓ”　，Ｏｘｆｏｒｄ　　Ｕ
ｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　　Ｐｒｅｓｓ，１９６６にも述べ
られているように、径の小さなウィスカーほど内部に欠
陥を有する確率が小さく、もって強度も大きいことが期
待される。

【００１２】また、上記の書にあるように、高強度のウ
ィスカーは本質的に表面が平滑である。さらに、結晶構
造の観点からは、ウィスカー軸に平行に近いすべり面を
有するものほど変形しやすく、強度に劣る。ＳｉＣウィ
スカーにおけるα型（六方晶）、β型（立方晶）の２結
晶型を比較すると、ｃ軸方向に成長するα型ウィスカー
の方が表面が平滑であり、またすべり面がウィスカー軸
にほぼ垂直となるために、β型の結晶構造を有するウィ
スカーより高強度である。

【００１３】ところで、切削工具としての特性評価とし
て、特に鉄系の材料を被削材とした切削試験における逃
げ面の摩耗を例にとると、例えば、勝村らが粉体及び粉
末冶金（Ｊｏｕｒｎａｌ　　ｏｆ　ｔｈｅ　　Ｊａｐａ
ｎ　　Ｓｏｃｉｅｔｙ　　ｏｆ　　Ｐｏｗｄｅｒ　　ａ
ｎｄ　　Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ），１３７巻、Ｎｏ．７
，　１０８２〜８７ページ、１９９０、に報告している
ように、Ａｌ２　Ｏ３　−ＳｉＣ粒子からなる切削工具
の方が、Ａｌ２　Ｏ３　−ＳｉＣウィスカーからなる切
削工具よりも耐摩耗性が優れている。これは、耐摩耗性
の向上に関しては、切削工具材中のセラミック組織はな
るべく微細な方が良いことを意味していると思われる。

【００１４】以上の点を考慮して切削工具について鋭意
研究の結果、本発明者らは、耐欠損性の観点からは、Ｓ
ｉＣウィスカー自身の破壊強度が高いもの、即ち基本的
にはα型のものを選択すること、また、耐摩耗性の観点
からは、セラミック複合体の組織をなるべく微細にする
こと、すなわち、径の細いＳｉＣウィスカーを選択する
こと、及びその製造に当たっては、焼結の条件を精密に
制御して微細なセラミック組織とすることによって、耐
欠損性及び耐摩擦性に優れたセラミック切削工具とする
ことができることを発見し、本発明に想到した。

【００１５】すなわち、Ａｌ２　Ｏ３　及びＳｉＣウィ
スカーからなる本発明のセラミック切削工具は、ＳｉＣ
ウィスカーが７〜４０容量％で残部実質的にＡｌ２　Ｏ
３　からなり、前記ＳｉＣウィスカーの平均直径及び平
均長さがそれぞれ０．１〜０．５μｍ、及び２〜５０μ
ｍであり、かつ前記ＳｉＣウィスカーの５０％以上がα
型の結晶構造を有することを特徴とする。

【００１６】また、本発明のセラミック切削工具の製造
方法は、Ａｌ２　Ｏ３　粉末と、ＳｉＣウィスカーとを
含有する原料粉末を用い、１６５０〜１８５０℃で、１
５０〜５００ｋｇ／ｃｍ２　の圧力で、３０分〜５時間
の加圧焼結を行なうことを特徴とする。

【００１７】以下本発明を詳細に説明する。

【００１８】本発明では、平均直径が０．１〜０．５μ
ｍで、平均長さが２〜５０μｍのＳｉＣウィスカーを用
いる。ＳｉＣウィスカーの平均直径が０．１μｍ未満で
は、靱性と強度の向上が十分でなく、また０．５μｍよ
り大きいものを用いると、複合セラミックスの微細構造
がそれほど細かくならず、その結果耐摩耗性に劣るよう
になる。また、ＳｉＣウィスカーの平均長さが２μｍ未
満であると、ウィスカーによる強度の向上が十分となら
ない。 一方、平均長さが５０μｍを超えると、焼結体中に欠陥
を導入する確率が高くなり、もって複合体の強度が低下
する。

【００１９】好ましくは、平均直径が０．２〜０．４μ
ｍ、より好ましくは０．３μｍ程度で、平均長さが１０
〜４０μｍ、より好ましくは３０μｍ程度のＳｉＣウィ
スカーを用いる。

【００２０】また、本発明では、用いるＳｉＣウィスカ
ーのうち、少なくとも５０％以上がα型の結晶からなる
ものとする。α型の結晶構造を有するＳｉＣウィスカー
が５０％未満であると、切削工具の強度及び靱性の向上
がみられない。好ましくはＳｉＣウィスカーの８０％以
上をα型のものとする。

【００２１】マトリックスとなるＡｌ２　Ｏ３　とＳｉ
Ｃウィスカーとの配合比率は、両者の合計を１００容量
％として、ＳｉＣウィスカーを７〜４０容量％とする。 ＳｉＣウィスカーの量が７容量％未満では、切削工具を
形成する複合セラミックスの強度及び靱性の向上が十分
とならない。一方、４０容量％を超す量のＳｉＣウィス
カーを配合すると、相対的にＡｌ２　Ｏ３　の量が減少
するので切削工具の耐摩耗性が低下する。

【００２２】好ましくは、ＳｉＣウィスカーを１５〜３
５容量％とする。

【００２３】次に、Ａｌ２　Ｏ３　−ＳｉＣウィスカー
複合セラミックスの製造方法について説明する。

【００２４】まず、原料となるＡｌ２　Ｏ３　粉及び上
述した規格のＳｉＣウィスカーを所定量取り、これを混
合する。 Ａｌ２　Ｏ３　粉としては平均粒径が０．３〜１μｍ程
度のものを用いるのがよい。この混合はボールミル等に
より十分に（たとえば４８時間以上）行うのがよい。

【００２５】また、この混合粉に、ＭｇＯ、Ｙ２　Ｏ３
　、ＮｉＯ等の酸化物を焼結助剤として添加してもよい
。

【００２６】次に、得られた混合粉を乾燥後、所望の形
状の型に入れ、１５０〜５００ｋｇ／ｃｍ２　の圧力を
加えながら、１６５０〜１８５０℃で、３０分〜５時間
の加圧焼結を行う。

【００２７】圧力が１５０ｋｇ／ｃｍ２　未満の焼結で
は、切削工具として実用に耐えるほどには緻密化しない
。また、圧力を５００ｋｇ／ｃｍ２　を超えても効果に
差がでないので上限を５００ｋｇ／ｃｍ２　とする。

【００２８】一方、焼結温度については、１６５０℃未
満とするとセラミックスの緻密化が達成できない。また
、１８５０℃を超す温度で焼結すると、Ａｌ２　Ｏ３　
が粒成長してしまい、微細な結晶構造を達成することが
できず、その結果耐摩耗性が低下する。

【００２９】また、焼結時間を３０分未満とすると、セ
ラミックスの緻密化が達成できない。一方、５時間を超
す焼結時間とすると、Ａｌ２　Ｏ３が粒成長してしまい
、耐摩耗性が低下する。

【００３０】次いで、得られた焼結体を公知の方法によ
り研削加工して、目的の切削工具を作製する。

【００３１】

【実施例】以下の具体的実施例により、本発明をさらに
詳細に説明する。

【００３２】実施例１ α−Ａｌ２　Ｏ３　（平均粒径が１μｍ以下）を７５容
量％、残部が実質的にＳｉＣウィスカー（平均直径０．
３μｍ、平均長さ３０μｍ、α型の結晶の比率（α／（
α＋β））が８０％）となるように配合した混合粉を、
ボールミルで９６時間湿式混合し、これを乾燥させた。

【００３３】得られた混合粉を用い、アルゴンガス気流
中、４５０ｋｇ／ｃｍ２　の圧力をかけながら１８００
℃で１時間加圧焼結し、９０φ×６ｍｍの焼結体を得た
。

【００３４】得られた焼結体から、型番ＳＮＧＮ１２０
４０８の形状の切削チップを切出し、研削加工した。

【００３５】上記で得た切削チップを用い、以下に示す
切削条件（切削条件１）で切削試験を行った。

【００３６】切削条件１ 被削材　　　　：インコネル７１８ 切削速度　　：１００ｍ／分 送り　　　　　　：０．１５ｍｍ／回転切り込み　　：
２ｍｍ ホルダー　　：ＦＮ１１Ｒ−４４Ａ 切削剤　　　　：使用せず

【００３７】１分間の切削後の逃げ面摩耗幅（Ｖａ　）
及び境界摩耗（Ｖｎ　）を測定したところ、Ｖａ　が０
．１１ｍｍであり、Ｖｎ　が０．３２ｍｍであった。

【００３８】また、この切削チップに対して、以下に示
す条件（切削条件２）で切削試験を行った。

【００３９】切削条件２ 被削材　　　　：ＦＣＤ６０ 切削速度　　：３００ｍ／分 送り　　　　　　：０．１ｍｍ／回転 切り込み　　：１．５ｍｍ カッター　　：ＣＳＢＲＮ２５２５（１５０φ、一枚刃
にての試験） 切削剤　　　　：使用せず

【００４０】２５０ｍｍを３パス切削した時の逃げ面摩
耗幅（Ｖａ　）は、この切削チップでは０．２９ｍｍで
あった。

【００４１】比較例１ 比較のために、市販のＳｉＣウィスカー（平均直径約０
．６μｍ、アスペクト比１５〜１５０）を用いた以外は
、実施例１と同様にして複合セラミックスからなる切削
工具を作製した。

【００４２】この切削チップに対し、実施例１の切削条
件１により切削試験を行い、１分間の切削後の逃げ面摩
耗幅（Ｖａ　）及び境界摩耗幅（Ｖｎ　）を測定した。 結果は、Ｖａ　が０．１５ｍｍであり、Ｖｎ　は０．３
４ｍｍであった。

【００４３】また、この切削チップに対して、実施例１
の切削条件２により切削試験を行った。２５０ｍｍを３
パス切削した時の逃げ面摩耗幅（Ｖａ　）は、この切削
チップでは０．４６ｍｍであった。

【００４４】実施例２、３及び比較例２〜７用いたＳｉ
Ｃウィスカーの平均直径、結晶型の比率及びＳｉＣウィ
スカーの配合量を表１に示すようにした以外は、実施例
１と同様にしてＡｌ２　Ｏ３　−ＳｉＣウィスカー複合
セラミックスからなる切削チップを作製した。

【００４５】得られた切削チップについて、実施例１の
切削条件１と同一の条件で切削試験を行い、境界摩耗幅
（Ｖｎ　）を測定した。結果を表２に示す。

【００４６】また、得られた切削チップについて、実施
例１の切削条件２と同一の条件で切削試験を行い、逃げ
面摩耗幅（Ｖａ　）を測定した。結果を表３に示す。

【００４７】 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　表１　　　　　　　　　　　　　　Ａｌ２　
Ｏ３　　　　　　　　　　　　　　　　　ＳｉＣウィス
カー　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　配合　　　　　　　　　　　　配合　　　　
　　平均直径　　　　α／（α＋β）　　例Ｎｏ．　　
　　（容量％）　　　　　　（容量％）　　（μｍ）　
　　　　　　　（％）　　　　実施例２　　　　　　８
５　　　　　　　　　　　　１５　　　　　　０．３　
　　　　　　　　　８０実施例３　　　　　　６５　　
　　　　　　　　　　３５　　　　　　０．３　　　　
　　　　　　８０比較例２　　　　　　９５　　　　　
　　　　　　　　　５　　　　　　０．３　　　　　　
　　　　８０比較例３　　　　　　５５　　　　　　　
　　　　　４５　　　　　　０．３　　　　　　　　　
　８０比較例４　　　　　　７５　　　　　　　　　　
　　２５　　　　　　０．８　　　　　　　　　　９５
比較例５　　　　　　７５　　　　　　　　　　　　２
５　　　　　　０．４　　　　　　　　　　　　０比較
例６　　　　　　７５　　　　　　　　　　　　２５　
　　　　　１．０　　　　　　　　　　　　０比較例７
　　　　　　７５　　　　　　　　　　　　２５　　　
　　　０．３　　　　　　　　　　３０

【００４８】

【００４９】

【００５０】実施例４、５及び比較例８〜１３表４に示
す条件の加圧焼結とした以外は、実施例１と同様にして
（実施例１と同一の組成で）切削チップを作製した。

【００５１】得られた切削チップについて、実施例１に
おける切削条件２と同一の条件で切削試験を行った。こ
の切削試験では、２５０ｍｍを３パス切削した後の逃げ
面摩耗幅を測定した。結果を表４に合わせて示す。

【００５２】 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　表４　　　　　　　　　　　　　　　　加圧
焼結　　　　　　　　加圧焼結　　　　　　加圧焼結　
　　　　　逃げ面　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　温度　　　　　　　　　　　　圧力　　　　　　
　　　　時間　　　　　　　　摩耗幅　　　　例Ｎｏ．
　　　　　　　　　　（℃）　　　　　　（ｋｇ／ｃｍ
２　）　　　　（時）　　　　　　　　（ｍｍ）　　実
施例４　　　　　　　　１７５０　　　　　　　　４５
０　　　　　　　　　　１　　　　　　　　０．２７実
施例５　　　　　　　　１８００　　　　　　　　３０
０　　　　　　　　　　１　　　　　　　　０．３２比
較例８　　　　　　　　１６００　　　　　　　　４５
０　　　　　　　　　　１　　　　　　　　１パスで欠
損比較例９　　　　　　　　１９００　　　　　　　　
４５０　　　　　　　　　　１　　　　　　　　０．５
１比較例１０　　　　　　１８００　　　　　　　　４
５０　　　　　　　　０．２５　　　　０．４３比較例
１１　　　　　　１８００　　　　　　　　４５０　　
　　　　　　　　７　　　　　　　　０．３９比較例１
２　　　　　　１８００　　　　　　　　１００　　　
　　　　　　　１　　　　　　　　０．６９比較例１３
　　　　　　１８００　　　　　　　　６００　　　　
　　　　　　１　　　　　　　　０．２４

【００５３】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明による切削工
具は耐欠損性及び耐摩耗性ともに優れている。本発明に
よる切削工具は、超合金のみならず、ねずみ鋳鉄やダク
タイル鋳鉄等の鉄系材料をも良好に切削することができ
る。

【００５４】本発明による切削工具は、各種切削用チッ
プ、ドリル等に好適である。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　Ａｌ２　Ｏ３　及びＳｉＣウィスカー
   からなるセラミック切削工具において、ＳｉＣウィスカ
   ーが７〜４０容量％で残部実質的にＡｌ２　Ｏ３　から
   なり、前記ＳｉＣウィスカーの平均直径及び平均長さが
   それぞれ０．１〜０．５μｍ、及び２〜５０μｍであり
   、かつ前記ＳｉＣウィスカーの５０％以上がα型の結晶
   構造を有することを特徴とするセラミック切削工具。
2. 【請求項２】　　請求項１に記載のセラミック切削工具
   において、前記ＳｉＣウィスカーの平均直径及び平均長
   さがそれぞれ０．２〜０．４μｍ、及び１０〜４０μｍ
   であることを特徴とするセラミック切削工具。
3. 【請求項３】　　請求項１又は２に記載のセラミック切
   削工具において、前記ＳｉＣウィスカーの８０％以上が
   α型の結晶構造を有することを特徴とするセラミック切
   削工具。
4. 【請求項４】　　請求項１乃至３のいずれかに記載のセ
   ラミック切削工具において、前記ＳｉＣウィスカーの含
   有量を１５〜３５容量％とすることを特徴とするセラミ
   ック切削工具。
5. 【請求項５】　　Ａｌ２　Ｏ３　粉末と、ＳｉＣウィス
   カーとを含有する原料粉末を用い、１６５０〜１８５０
   ℃で、１５０〜５００ｋｇ／ｃｍ２　の圧力で、３０分
   〜５時間の加圧焼結を行なうことを特徴とするセラミッ
   ク切削工具の製造方法。
6. 【請求項６】　　請求項５に記載の方法において、前記
   焼結体中のＳｉＣウィスカーが７〜４０容量％、残部が
   実質的にＡｌ２　Ｏ３　となるように前記原料粉末を配
   合することを特徴とするセラミック切削工具の製造方法
   。