JPH07232980A

JPH07232980A - 被覆複合焼結体

Info

Publication number: JPH07232980A
Application number: JP4323694A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Uchiumi; 義之内海
Original assignee: Toshiba Tungaloy Co Ltd
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 1994-02-17
Filing date: 1994-02-17
Publication date: 1995-09-05

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】切削工具として用いた場合における耐クレー
タ摩耗性，耐フランク摩耗性，強度，破壊靭性，耐熱衝
撃性，耐酸化性，耐剥離性，耐欠損性に優れるようにし
た被覆複合焼結体の提供にある。【構成】酸化アルミニウム８５〜９９．５体積％と、
残りがＢ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，
Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗおよびこれらの相互合金、並びにＢ，Ｓ
ｉ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，
Ｗの炭化物，窒化物，酸化物，ホウ化物，Ａｌの炭化
物，窒化物，ホウ化物，安定化ジルコニア，部分安定化
ジルコニアおよびこれらの相互固溶体の中から選ばれた
１種以上の分散物とでなる複合硬質相を主成分とする焼
結体の基材上に、硬質被膜を被覆してなる被覆焼結体。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、酸化アルミニウムの粒
内に超微粒の異種物質を複合させた、複合酸化アルミニ
ウムを主成分とする焼結体の基材上に硬質被膜を被覆し
てなる被覆複合焼結体に関し、具体的には、例えば旋削
工具，フライス工具，ドリル，エンドミルに代表される
切削工具および型工具，切断刃に代表される耐摩耗工具
等の工具部材、またはエンジン部品に代表される自動車
用部材、さらに靭性，耐熱性，耐摩耗性を必要とする各
種の機械用部材，電子産業用部材等の構造用部材として
適する被覆複合焼結体に関する。

【０００２】

【従来の技術】構造用部材に各種のセラミックスを実用
しようという検討が従来から行われており、多数の提案
がある。その中でも、高硬度性を有する酸化アルミニウ
ムは昔から注目され、検討されてきているが、まだまだ
限られた用途にしか実用できないという問題がある。

【０００３】酸化アルミニウムは、耐酸化性，耐熱性，
耐摩耗性，耐食性，電気絶縁性に優れるという長所を有
している反面、強度，破壊靭性，耐熱衝撃性が極端に劣
るという短所を有している。この酸化アルミニウムの短
所を改善するものとして、酸化アルミニウムの粒界に異
種物質を介在させる、いわゆる組成成分を調整した酸化
アルミニウム基焼結体があり、その代表的なものに、特
開昭５０−８９４１０号公報および特開昭５６−１１４
８６４号公報ある。また酸化アルミニウムの短所を改善
するものとして、酸化アルミニウム基焼結体の表面に被
膜を被覆した被覆焼結体があり、その代表的なものに、
特開昭６３−５５１８１号公報，特開昭６３−６０１８
５号公報および特開平３−２７９２８３号公報がある。

【０００４】これらの酸化アルミニウム基焼結体および
被覆焼結体は、酸化アルミニウムの短所を改善し、それ
なりに諸特性の向上が行われているが、まだ実用上満足
できるまでに至ってないという問題がある。この問題を
別の方向から解決しようとしたものに、酸化アルミニウ
ムの粒内にナノサイズの異種物質を複合させる、いわゆ
るナノコンポジット材料があり、その代表的なものとし
て、特開平２−２２９７５６号公報および特開平２−２
２９７５７号公報がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】酸化アルミニウムの粒
内に異種物質を複合させた代表例の内、特開平２−２２
９７５６号公報には、０．５〜１００μｍの結晶粒子を
有するＡｌ₂Ｏ₃マトリックスの結晶粒内に粒子径２．０
μｍ以下のＴｉＮ微粒子を分散させたセラミックス複合
材料について記載されている。また、特開平２−２２９
７５７号公報には、０．５〜１００μｍの結晶粒子を有
するＡｌ₂Ｏ₃マトリックスの結晶粒内に粒子径２．０μ
ｍ以下のＴｉＣ微粒子を分散させたセラミックス複合材
料について記載されている。

【０００６】これら両公報に記載されたナノコンポジッ
ト材料は、従来の酸化アルミニウム基焼結体に比べて強
度が向上したというものではあるが、高温で過酷な応力
の加わる切削工具として用いた場合には、耐摩耗性，耐
クレータ性または耐欠損性でもって割合短時間で寿命に
なるという問題がある。

【０００７】本発明は、上述のような問題点を解決した
もので、具体的には、酸化アルミニウムの粒内に分散さ
せる分散物の種類および含有量を調整することにより、
このように調整した酸化アルミニウム基ナノコンポジッ
ト材料の基材上に、密着性に優れた硬質被膜を被覆し、
切削工具として用いた場合における耐クレータ摩耗性，
耐フランク摩耗性，強度，破壊靭性，耐熱衝撃性，耐酸
化性，耐剥離性，耐欠損性に優れるようにした被覆複合
焼結体の提供を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者は、酸化アルミ
ニウム基複合焼結体を切削工具として用いる場合におけ
る工具の寿命および信頼性の向上について検討していた
ところ、、酸化アルミニウムの粒内に微細な異種物質で
なる分散物を均一に分散させると粒内の破壊が生じ難
く、強度が向上すること、分散物の種類，含有量、およ
び酸化アルミニウムの粒径と分散物の粒径との比を調整
した酸化アルミニウム基ナノコンポジット材料の基材上
に、硬質被膜を被覆すると、従来の被覆酸化アルミニウ
ム基焼結体に比べて、切削工具としての耐クレータ摩耗
性，耐フランク摩耗性，靭性を顕著に高めることができ
るという知見を得て、本発明を完成するに至ったもので
ある。

【０００９】すなわち、本発明の被覆複合焼結体は、酸
化アルミニウム８５〜９９．５体積％と、残りがＢ，Ｓ
ｉ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，
Ｗおよびこれらの相互合金、並びにＢ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｚ
ｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗの炭化物，
窒化物，酸化物，ホウ化物，Ａｌの炭化物，窒化物，ホ
ウ化物，安定化ジルコニア，部分安定化ジルコニアおよ
びこれらの相互固溶体の中から選ばれた１種以上の分散
物とでなる複合硬質相を主成分とする焼結体の基材上
に、硬質被膜を被覆してなる被覆焼結体であって、該分
散物の粒径が、該酸化アルミニウムの粒径よりも微細
で、かつ該酸化アルミニウムの粒内に分散されており、
該硬質被膜がＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃ
ｒ，Ｍｏ，Ｗの炭化物，窒化物，ホウ化物，炭酸化物，
窒酸化物，Ａｌの酸化物，窒化物およびこれらの相互固
溶体の中の１種の単層または２種以上の多層でなること
を特徴とする。

【００１０】本発明の被覆複合焼結体における基材を構
成している酸化アルミニウムは、α−酸化アルミニウム
でなり、できるだけ微細な粒径でなることが好ましく、
平均粒径１０μｍ以下、好ましくは平均粒径５μｍ以
下、特に好ましくは平均粒径３μｍである。

【００１１】この酸化アルミニウムの粒内に分散される
分散物は平均粒径５００ｎｍ以下、好ましくは平均粒径
２００ｎｍ以下で、特に好ましくは平均粒径１００ｎｍ
以下であること、酸化アルミニウムの粒径対分散物の粒
径の比が１０：１〜５００：１でなること、特に５０：
１〜２００：１でなることが好ましい。この分散物は、
化学量論組成または非化学量論組成であってもよく、ま
た、例えば酸化アルミニウムと接している分散物の粒子
の周辺部が炭窒酸化チタンで、芯部が炭窒化チタンでな
る複合の分散物として存在すること、もしくは酸化アル
ミニウムと接している分散物の粒子の周辺部が酸化ジル
コニウムで、芯部が炭酸化ジルコニウムでなる複合の分
散物として存在することもある。この分散物は、具体的
には、例えばＢ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，
Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗの金属、またはＢ₄Ｃ，ＳｉＣ，
ＴｉＣ，ＺｒＣ，ＨｆＣ，ＶＣ，ＮｂＣ，ＴａＣ，Ｃｒ
₃Ｃ₂，Ｍｏ₂Ｃ，ＷＣ，ＷＣ₂，ＢＮ，Ｓｉ₃Ｎ₄，Ｔｉ
Ｎ，ＺｒＮ，ＨｆＮ，ＶＮ，ＮｂＮ，ＴａＮ，ＣｒＮ，
ＡｌＮ，Ｂ₂Ｏ₃，ＳｉＯ₂，ＺｒＯ₂，ＨｆＯ₂，ＶＯ₂，
Ｎｂ₂Ｏ₃，Ｔａ₂Ｏ₃，ＴｉＢ₂，ＺｒＢ₂，ＨｆＢ₂，Ａ
ｌＢ₆，（Ｔａ，Ｚｒ）Ｎ，（Ｔａ，Ｚｒ）Ｃ，（Ｔ
ａ，Ｚｒ）（Ｃ，Ｎ），（Ｔｉ，Ｔａ）Ｃ，（Ｔｉ，Ｔ
ａ）Ｎ，（Ｔｉ，Ｔａ）（Ｃ，Ｎ），（Ｔｉ，Ａｌ）
Ｎ，（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ），（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｎ，
Ｏ），（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ，Ｏ）または希土類金属
の酸化物，ＣａＯ，ＭｇＯの中の１種の安定化剤を含有
した安定化ジルコニウム，部分安定化ジルコニウムを挙
げることができる。

【００１２】分散物を粒内に分散してなる酸化アルミニ
ウムの複合硬質相の焼結された基材は、酸化アルミニウ
ムが連続した組織構造になっており、酸化アルミニウム
が８５体積％未満になると、切削工具として用いた場合
に、耐フランク摩耗性の低下が著しく、逆に酸化アルミ
ニウムが９９．５体積％を超えて多くなると、相対的に
分散物の含有量が０．５体積％未満となり、その結果、
強度および靭性の低下が著しくなる。

【００１３】この複合硬質相を６０体積％以上と、残り
がウイスカ，セラミックス，金属，合金の中の少なくと
も１種の粒界相とからなる酸化アルミニウム基複合焼結
体を基材とすることも複合硬質相の効果を充分に引き出
すことができる。

【００１４】複合硬質相の粒界に存在する粒界相は、具
体的には、例えばＳｉＣウイスカ，カーボンウイスカ，
Ａｌ₂Ｏ₃ウイスカ，Ｓｉ₃Ｎ₄ウイスカ，ＴｉＣウイス
カ，ＴｉＮウイスカ等の中の少なくとも１種のウイス
カ、Ｂ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃ
ｒ，Ｍｏ，Ｗの炭化物，窒化物，酸化物，ＡｌＮ，希土
類酸化物，ＭｇＯ，ＣａＯおよびこれらの相互固溶体の
中の少なくとも１種のセラミックス、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃ
ｏ，Ｂ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃ
ｒ，Ｍｏ，Ｗおよびこれらの相互合金の中の少なくとも
１種の金属または合金を挙げることができる。この粒界
相は、酸化アルミニウムよりも微細であることが好まし
く、具体的には、平均粒径１．０μｍ以下、好ましくは
平均粒径０．５μｍ以下である。

【００１５】このような複合硬質相でなる焼結体、また
は複合硬質相と粒界相でなる焼結体の基材上に被覆され
る硬質被膜は、具体的には、例えば、ＴｉＣ，ＺｒＣ，
ＨｆＣ，ＶＣ，ＮｂＣ，ＴａＣ，Ｃｒ₃Ｃ₂，Ｍｏ₂Ｃ，
ＷＣ，ＴｉＮ，ＺｒＮ，ＨｆＮ，ＶＮ，ＮｂＮ，Ｔａ
Ｎ，ＣｒＮ，ＡｌＮ，ＴｉＢ₂，ＺｒＢ₂，ＨｆＢ₂，Ｖ
Ｂ₂，ＮｂＢ₂，ＴａＢ₂，Ｔｉ（Ｃ，Ｏ），Ｔｉ（Ｎ，
Ｏ），Ｔｉ（Ｃ，Ｎ），Ｈｆ（Ｃ，Ｎ），Ｔｉ（Ｃ，
Ｎ，Ｏ），Ａｌ₂Ｏ₃，（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ，（Ｔｉ，Ａ
ｌ）Ｃ，（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｏ），（Ｔｉ，Ａｌ）
（Ｃ，Ｎ），（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ，Ｏ）を挙げるこ
とができる。

【００１６】この硬質被膜の膜厚は、用途，形状または
硬質被膜の膜質により選定する必要があり、具体的に
は、０．５〜２０μｍ、特に硬質被膜に強い衝撃が加わ
るような用途に対しては５μｍ以下でなることが好まし
い。

【００１７】また、基材と硬質被膜との組合わせによっ
ては、両者の密着性を高めるために、金属または合金、
具体的には、例えばＳｉ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ａｌ，Ｃｕもし
くはこれらの合金の内層を０．１〜１μｍ膜さにして介
在させることも好ましいことである。

【００１８】本発明の被覆複合焼結体は、従来から行わ
れている粉末冶金法と，湿式被覆法および乾式被覆法を
組合わせて応用することにより作製することができる。
具体的には、例えば基材は、酸化アルミニウムの粉末
と、この酸化アルミニウムよりも超微細な分散物形成粉
末を選定して、従来の粉末冶金法による工程を経て作製
する方法、または酸化アルミニウムの粉末の表面に従来
から行われている湿式被覆法もしくは乾式被覆法でもっ
て分散物の被膜を被覆した後、従来の粉末冶金法による
工程を経て作製することができる。こうして作製した基
材上に、硬質被膜を被覆するには、従来から行われてい
る物理蒸着法（ＰＶＤ法）または化学蒸着法（ＣＶＤ
法）の乾式被覆法でもって行うことができる。

【００１９】

【作用】本発明の被覆複合焼結体は、基材を構成してい
る超微細な分散物の粒子が酸化アルミニウム粒内で分散
されることにより、酸化アルミニウムの粒内におけるク
ラックの進展の抑制作用，偏向作用、酸化アルミニウム
の粒内転位を妨げるピンニング作用、酸化アルミニウム
の粒成長抑制作用をし、粒界相が存在する場合には、粒
界相が粒界におけるクラックの進展の抑制作用，偏向作
用をしており、硬質被膜が耐摩耗性，耐熱衝撃性，耐欠
損性を高める作用をし、その結果顕著に高寿命化をもた
らしているものである。

【００２０】

【実施例】平均粒径０．５μｍ，０．７μｍ，１．０μ
ｍのＡｌ₂Ｏ₃粉末の表面に、従来から行われているＰＶ
Ｄ法またはＣＶＤ法により、表１の本発明品１，３，
４，６，７および比較品１，３，４，６，７，８，９に
示したＴｉＣ，ＴａＣ，（Ｔｉ_0.9，Ｈｆ_0.1）Ｎ，（Ｔ
ｉ_0.5，Ａｌ_0.5）Ｎ，ＴａＮの被膜を単一または組合わ
せで被覆（ＣＶＤ法，イオンプレーティング，スパッタ
ーによる）したそれぞれの複合粉末を用いて、本発明品
４，６および比較品４，６については、ＷＣまたはＴｉ
Ｃウィスカー〔ＴｉＣ（Ｗ）と記載〕を添加し、表１に
示した配合組成の粉末を６時間湿式ボールミル，乾燥
後、所定形状の圧粉体とし、これらを表１に示したそれ
ぞれの焼結条件で焼結して、それぞれの基材を作製し
た。

【００２１】また、平均粒径０．５μｍ，１．０μｍの
Ａｌ₂Ｏ₃粉末と、平均粒径２０〜５０ｎｍでなるＳｉＣ
および２モル％Ｙ₂Ｏ₃を含んだＺｒＯ₂の粉末とを用い
て、表１の本発明品２，５および比較品２，５の配合組
成とし、次いで１２時間湿式ボールミル，乾燥後、所定
形状の圧粉体とし、これらを表１に示したそれぞれの焼
結条件にて焼結してそれぞれの基材を作製した。

【００２２】さらに、平均粒径０．８μｍのＡｌ₂Ｏ₃粉
末と平均粒径０．４μｍのＴｉ（Ｃ，Ｎ）粉末を用い
て、表１の比較品１０，１１に示した配合組成とし、次
いで１２時間湿式ボールミル，乾燥後、所定形状の圧粉
体とし、これらを表１に示したそれぞれの焼結条件にて
焼結して、それぞれの基材を作製した。

【００２３】こうして得たそれぞれの基材の内、本発明
品１〜３および比較品８のそれぞれの基材を用いて、従
来から行われているＣＶＤ法でもってそれぞれの基材表
面に表２に示した硬質被膜を被覆し、本発明品１〜３お
よび比較品８とした。また、本発明品４〜７および比較
品１０のそれぞれの基材を用いて、従来から行われてい
るＰＶＤ法でもってそれぞれの基材表面に表２に示した
硬質被膜を被覆し、本発明品４〜７および比較品１０と
した。（このときの硬質被膜は、２層以上でなる場合に
は、表２の上段側の被膜を第１層として示し、基材表面
側から被膜表面側に向って、第１層〜第４層とした）さ
らに、残りの比較品１〜７および比較品９，１１のそれ
ぞれの基材については、硬質被膜を被覆しない状態で、
それぞれ比較品１〜７および比較品９，１１とした。

【００２４】こうして得た本発明品１〜７および比較品
１〜１１を透過型電子顕微鏡，走査型透過電子顕微鏡，
分光電子顕微鏡，走査型電子顕微鏡，Х線回折装置，比
電気抵抗測定装置により調べて、基材の組成および硬質
被膜を表２に示した。表２の（）内の数値は、それぞ
れの平均粒径、平均膜厚さを示す。

【００２５】次いで、本発明品１〜７および比較品１〜
１１を用いて、被削材：ＳＣＭ４１５（ＨＲＣ５９〜６
１）、切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ，切込み：０．５ｍ
ｍ，送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ、工具形状：ＳＮＧＮ
１２０４０８（ホーニング０．１×−２５°）、の条件
でもって乾式による外周連続旋削試験を行い、寿命にな
るまでの時間を求めて、その結果を表２に併記した。寿
命の評価は、平均フランク摩耗量（Ｖ_B）が０．３ｍｍ
以上になるか、または欠損やチッピングが発生した時を
寿命とし、測定は、５分間切削ごとに確認し、寿命評価
に達した時間およびそのときの損傷状態を表２に示し
た。

【００２６】

【表１】

【００２７】

【表２】

【００２８】

【発明の効果】本発明の被覆複合焼結体は、Ａｌ₂Ｏ₃の
粒内に分散物の分散した複合硬質相でなる焼結体の比較
品、および複合硬質相と粒界相とでなる焼結体の比較品
に比べて、切削工具としての寿命が２〜６５倍も向上す
ること、また、Ａｌ₂Ｏ₃とその粒界に存在するＴｉ（Ｃ
Ｎ）とでなる焼結体の比較品、および同焼結体の表面に
硬質被膜を被覆した比較品に比べて、切削工具としての
寿命が３．３〜６．５倍も向上するという顕著な効果が
ある。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】酸化アルミニウム８５〜９９．５体積％
と、残りがＢ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔ
ａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗおよびこれらの相互合金、並びに
Ｂ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，
Ｍｏ，Ｗの炭化物，窒化物，酸化物，ホウ化物，Ａｌの
炭化物，窒化物，ホウ化物，安定化ジルコニア，部分安
定化ジルコニアおよびこれらの相互固溶体の中から選ば
れた１種以上の分散物とでなる複合硬質相を主成分とす
る焼結体の基材上に、硬質被膜を被覆してなる被覆焼結
体であって、該分散物の粒径が該酸化アルミニウムの粒
径よりも微細で、かつ該酸化アルミニウムの粒内に分散
されており、該硬質被膜がＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎ
ｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗの炭化物，窒化物，ホウ化
物，炭酸化物，窒酸化物，Ａｌの酸化物，窒化物および
これらの相互固溶体の中の１種の単層または２種以上の
多層でなることを特徴とする被覆複合焼結体。
【請求項２】上記基材は、上記複合硬質相を６０体積
％以上と、残部がウイスカ，セラミックス，金属，合金
の中の１種以上でなる粒界相とからなる焼結体であるこ
とを特徴とする請求項１記載の被覆複合焼結体。
【請求項３】上記分散物および上記粒界相は、Ｔｉ，
Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｖ，Ｓｉの炭化物，窒化物，
酸化物，Ａｌの窒化物およびこれらの相互固溶体の中の
１種以上からなり、かつ該分散物と該粒界相が同一成分
の物質からなることを特徴とする請求項２記載の被覆複
合焼結体。
【請求項４】上記分散物は、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔ
ａ，Ｎｂ，Ｖ，Ｓｉの炭化物，窒化物，酸化物，Ａｌの
窒化物およびこれらの相互固溶体の中の１種以上からな
り、上記硬質被膜は、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａの炭化
物，窒化物，ホウ化物，炭酸化物，窒酸化物，Ａｌの酸
化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた１種の
単層または２種以上の多層でなることを特徴とする請求
項１，２または３記載の被覆複合焼結体。
【請求項５】上記硬質被膜は、膜厚さが０．５〜２０
μｍでなることを特徴とする請求項１，２，３または４
記載の被覆複合焼結体。