JPH08267305A - 複合セラミックス工具、皮膜付き複合セラミックス工具及びそれらの製造方法 - Google Patents

複合セラミックス工具、皮膜付き複合セラミックス工具及びそれらの製造方法

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JPH08267305A
JPH08267305A JP7100567A JP10056795A JPH08267305A JP H08267305 A JPH08267305 A JP H08267305A JP 7100567 A JP7100567 A JP 7100567A JP 10056795 A JP10056795 A JP 10056795A JP H08267305 A JPH08267305 A JP H08267305A
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JP
Japan
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particle size
silicon carbide
aluminum oxide
tool
particles
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JP7100567A
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Tetsuya Kashiwagi
哲哉 柏木
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Niterra Co Ltd
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NGK Spark Plug Co Ltd
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  • Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】従来とは異なる複合化により、含有成分の性質
の総和より一段と優れた性質を発揮する複合セラミック
ス工具及び皮膜付き複合セラミックス工具を提供するこ
とにある。 【構成】平均粒径がミクロンオーダーの酸化アルミニウ
ム結晶粒子と、その結晶粒界に存在する最大粒径100
nm以下の炭化ケイ素粒子とを含み、炭化ケイ素の総量
が2〜10重量%の焼結体からなることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、複合セラミックス工
具、皮膜付き複合セラミックス工具及びそれらの製造方
法に関する。この複合セラミックス工具は、切削工具又
は耐磨耗性工具に好適に利用されうる。
【0002】
【従来の技術】アルミナセラミックスは、比較的廉価
で、機械的強度や耐熱性に優れた材料としてよく知られ
ており、工具材料や摺動部材のように耐磨耗性の要求さ
れる用途をはじめ、種々の方面で用いられている。そし
て、平均粒径1μmの酸化アルミニウムに平均粒径0.
5μm以下の炭化タングステン等の炭化物を添加して焼
結すれば、酸化アルミニウムの粒成長が抑制されて更に
耐磨耗性が向上することも知られている(特開平5−2
86754号公報)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記公報に記
載のように、アルミナ粒子と炭化物粒子とを単に焼結さ
せただけの組織のものは、アルミナと炭化物の各々の性
質の総和にやや優る程度の作用効果しか期待できず、飛
躍的な相乗効果が発揮されない。
【0004】それ故、この発明の目的は、従来とは異な
る複合化により、含有成分の性質の総和より一段と優れ
た性質を発揮する複合セラミックス工具及び皮膜付き複
合セラミックス工具を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】その目的を達成するため
に、この発明の複合セラミックス工具は、平均粒径がミ
クロンオーダー(1μm〜10μm)の酸化アルミニウ
ム結晶粒子と、その結晶粒界に存在する第一の炭化ケイ
素粒子とを含み、炭化ケイ素の総量が2〜10重量%の
焼結体からなることを特徴とする。
【0006】この構成において、前記酸化アルミニウム
結晶粒内に、最大粒径50nm以下の第二の炭化ケイ素
粒子が存在すると好ましい。また、酸化アルミニウムの
一部を酸化ジルコニウムで置換し、焼結体全体に対して
0.5〜10重量%の酸化ジルコニウムが含まれるよう
にすると好ましい。
【0007】上記複合セラミックス工具を製造する適切
な方法は、平均粒径1μm未満の酸化アルミニウム粉末
及び平均粒径0.1μm以下の炭化ケイ素粉末を主とす
る原料を混合し、加圧焼成することを特徴とする。
【0008】同じく上記目的を達成するために、この発
明の皮膜付き複合セラミックス工具は、焼結体の表面
に、アルミニウムAl、ジルコニウムZr、チタンTi
又はハフニウムHfの炭化物、窒化物、酸化物又は酸窒
化物から選ばれる1層以上の皮膜で被覆したことを特徴
とする。
【0009】この場合、皮膜のうち、焼結体に最も近い
第1層がアルミニウムAlの酸化物からなると好まし
い。また、皮膜全体の平均厚さが0.3〜10μmであ
ると好ましい。
【0010】
【作用】従来の考え方によれば、焼結体を構成する粒子
が、大きければ大きいほど磨耗時に脱落しやすかったこ
とから、焼結体の耐磨耗性及び耐欠損性を向上させるた
めには、焼結時の粒成長を抑制する必要があった。従っ
て、原料粉末の粒径としては、あまりに大きすぎてはい
けないことはもとより、微粒ほど粒成長しやすいことか
ら、小さすぎてもいけないとされ、1μm〜数μmが適
当とされていた。
【0011】これに対して、この発明では、従来と全く
逆の考え方をとり、酸化アルミニウムの原料粉末とし
て、平均粒径1μm未満の微粒を用い、炭化ケイ素の原
料粉末として、もっと小さい平均粒径0.1μm以下の
超微粒を用いて焼結させる。そうすると、焼結後に炭化
ケイ素の微粒が酸化アルミニウム粒子の界面に存在する
ようになる。その結果、焼結体に曲げ応力や引っ張り応
力等の外力が加わっても、界面に存在する微粒の炭化ケ
イ素が楔の働きをし、酸化アルミニウム粒子の粒界滑り
を抑制する。従って、機械的強度のほか、耐磨耗性及び
耐欠損性が、炭化ケイ素と酸化アルミニウムの特性の単
なる総和よりはるかに優るようになる。酸化アルミニウ
ムの一部を酸化ジルコニウムで置換して、酸化ジルコニ
ウムを上記範囲で存在させると、強度及び靱性が更に向
上する。ただし、酸化ジルコニウム含有量が、焼結体に
対して0.5重量%に満たないと、その作用に乏しく、
10重量%を越えると、酸化ジルコニウムの硬度が酸化
アルミニウムの硬度より低いことから焼結体全体の耐磨
耗性を低下させるので、好ましくない。
【0012】さらに、炭化ケイ素が超微粒であることか
ら、炭化ケイ素の一部は粒成長途中の酸化アルミニウム
に取り囲まれ、焼結完了後に酸化アルミニウム粒子内部
に最大粒径50nm以下で存在するようになる。その結
果、酸化アルミニウム粒子内部の炭化ケイ素粒子が、酸
化アルミニウム粒子内部の結晶転位や滑りを抑制し、高
温硬度が向上する。また、炭化ケイ素粒子の周囲に残留
応力が発生するが、それがかえって高温硬度の低下を抑
えるとも考えられる。
【0013】次に、焼結体中にSiCなどの炭化物が存
在すると、その炭化物が高温で鉄と反応するので、せっ
かく耐磨耗性や耐欠損性に優れていても、そのままでは
工具材料に適さない。そこで、焼結体表面を硬質材料か
らなる皮膜で被覆すると、摩擦熱で高温になっても焼結
体が被切削材と癒着するのを防止できる。ただし、皮膜
全体の平均厚さが0.3μmに満たないと、その作用に
乏しく、10μmを越えると皮膜自体の耐磨耗性や耐欠
損性が支配的となるので好ましくない。
【0014】被覆される焼結体が、酸化アルミニウムを
主成分とするので、皮膜のうち、少なくとも焼結体に最
も近い第1層がアルミニウムAlの酸化物からなると、
皮膜の密着強度が高まり好ましい。
【0015】
【実施例】平均粒径0.2μmのα−Al23粉末、5
〜100nmの範囲の粒径分布を有するβ−SiC粉
末、平均粒径0.2μmのMgO粉末及び平均粒径0.
4μmのZrO2粉末を表1に示す基体組成となるよう
に配合し、ボールミル中でエタノールを媒体として24
〜48時間混合し、乾燥して素地粉末を調製した。素地
粉末を黒鉛型に充填し、1500〜1950℃、圧力5
0MPaで30分〜1時間保持することにより、加圧焼
結することによって、試料No.1〜17の焼結体を製
造した。また、上記β−SiC粉末に代えて平均粒径
1.0μmのβ−SiC粉末を用いた以外は、No.1
〜17の焼結体と同一条件にてNo.18,19の焼結
体を製造した。
【0016】No.1〜12,14〜17の焼結体を透
過型電子顕微鏡にて観察したところ、Al23粒子は、
1〜3μm程度に粒成長していたが、SiCは、出発原
料とほぼ同程度の大きさであった。そして、最大でも直
径50nm以下の比較的細かいSiC粒子の少量は、A
23粒子内部に存在していたが、細かいSiC粒子の
残量及び比較的粗いSiC粒子は、粒界に存在してい
た。また、同一体積のZrO2粒子とAl23粒子とで
は、Al23のほうがSiC粒子を多く取り込んでい
た。同様にNo.18,19の焼結体を観察したが、A
23粒子内部にSiCが存在することはなく、ほぼ同
じ程度の大きさのAl23粒子、SiC粒子及びZrO
2粒子が混在しているだけであった。
【0017】次に、焼結体をISO規格SNGN120
408形状に切断し、研削加工した後、それを基体とし
て、そのまま切削チップとして用いるか又はその表面に
表1に示す硬質皮膜を形成して切削チップとして用い、
以下の3種類の切削試験を行った。
【0018】[試験1]次の条件で1分30秒切削した
後の磨耗量を測定した。 被切削材:SNCM439(HB300) 切削速度:350m/min. 送り速度:0.6mm/rev. 切り込み:1mm
【0019】[試験2]次の条件で20分切削した後の
磨耗量を測定した。 被切削材:FCD450(HB180) 切削速度:500m/min. 送り速度:0.3mm/rev. 切り込み:0.5mm
【0020】[試験3]図1に示すように軸方向に10
mm幅の同じ高さの凸部(山)を10mm間隔で有する
被切削材Wを用い、次の条件で切削チップCが欠損する
までの加工山数を測定した。 被切削材:FC200 切削速度:200m/min. 送り速度:0.9mm/rev. 切り込み:2mm
【0021】試験結果を表1に示す。この表において、
平均膜厚とは、硬質被覆層(皮膜)全体の厚さを示す。
【表1】
【0022】表1にみられるように、この発明に属する
試料No.1〜12の切削チップは、耐磨耗性及び耐欠
損性に優れていた。特に硬質被覆層を形成したNo.3
〜12は、硬質被覆層を形成していないNo.1,2よ
りも全般的に耐磨耗性に優れていた。そして、その中で
も試験3において、No.4,5,9の加工山数がN
o.11のそれよりも多く、No.7,8の加工山数が
No.10,12のそれよりも多いことから、Al23
の一部をZrO2で置換すると、強度が高くなることが
明らかである。
【0023】これに対して、No.13は、基体がSi
C粒子を含んでいないので、根本的に耐磨耗性、耐欠損
性及び機械的強度に劣っていた。No.14,15は、
SiC又はZrO2の含有量が過剰となり、相対的にA
23の含有量が少なくなったので、この発明に属する
切削チップよりも耐磨耗性に劣っていた。No.16
は、硬質被覆層が厚くなりすぎて、切削時に皮膜が剥離
し、この発明に属する切削チップよりも耐磨耗性に劣っ
た。No.17は、硬質被覆層の厚さが不十分であった
ので、この発明に属する切削チップよりも耐磨耗性に劣
っていたと思われる。No.18,19は、基体がSi
Cを含んでいるものの、Al23の粒界に存在するもの
でないので、粒子が脱落しやすく、チッピングを生じた
と思われる。
【0024】
【発明の効果】以上のように、この発明の複合セラミッ
クス工具及び皮膜付き複合セラミックス工具は、耐磨耗
性、耐欠損性及び強度に優れているので、過酷な条件で
の切削が可能である。従って、工具としての利用範囲が
広がる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例の試験3の切削方法を説明する図であ
る。

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 平均粒径がミクロンオーダーの酸化アル
    ミニウム結晶粒子と、その結晶粒界に存在する最大粒径
    100nm以下の炭化ケイ素粒子とを含み、炭化ケイ素
    の総量が2〜10重量%の焼結体からなることを特徴と
    する複合セラミックス工具。
  2. 【請求項2】 前記酸化アルミニウム結晶粒内に、最大
    粒径50nm以下の第二の炭化ケイ素粒子が存在する請
    求項1に記載の複合セラミックス工具。
  3. 【請求項3】 酸化アルミニウムの一部を酸化ジルコニ
    ウムで置換し、焼結体全体に対して0.5〜10重量%
    の酸化ジルコニウムが含まれるようにした請求項1又は
    2に記載の複合セラミックス工具。
  4. 【請求項4】 平均粒径1μm未満の酸化アルミニウム
    粉末及び平均粒径0.1μm以下の炭化ケイ素粉末を主
    とする原料を混合し、加圧焼成することを特徴とする複
    合セラミックス工具の製造方法。
  5. 【請求項5】 平均粒径がミクロンオーダーの酸化アル
    ミニウム結晶粒子と、その結晶粒界に存在する第一の炭
    化ケイ素粒子と、前記酸化アルミニウム結晶粒内に存在
    する最大粒径50nm以下の第二の炭化ケイ素粒子とを
    含み、炭化ケイ素の総量が2〜10重量%の焼結体の表
    面に、アルミニウムAl、ジルコニウムZr、チタンT
    i又はハフニウムHfの炭化物、窒化物、酸化物又は酸
    窒化物から選ばれる1層以上の皮膜で被覆したことを特
    徴とする皮膜付き複合セラミックス工具。
  6. 【請求項6】 皮膜のうち、焼結体に最も近い第1層が
    アルミニウムAlの酸化物からなる請求項4に記載の皮
    膜付き複合セラミックス工具。
  7. 【請求項7】 皮膜全体の平均厚さが0.3〜10μm
    である請求項5又は6に記載の皮膜付き複合セラミック
    ス工具。
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