JP2000354901A

JP2000354901A - 切削工具及びその製造方法

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Publication number: JP2000354901A
Application number: JP2000103560A
Authority: JP
Inventors: Masaru Matsubara; 優松原
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1999-04-05
Filing date: 2000-04-05
Publication date: 2000-12-26
Anticipated expiration: 2020-04-05
Also published as: JP4335406B2

Abstract

(57)【要約】【課題】耐摩耗性等に優れた切削工具及びその製造方
法を提供すること。【解決手段】窒化珪素をマトリックスとして、窒化チ
タン：１０〜２０重量％、アルミナ：３〜５重量％、イ
ットリア：５〜１５重量％を含有する切削工具であっ
て、窒化珪素からなるマトリックス相、窒化チタンから
なる硬質相、粒界相に存在するガラス相、及び粒界相に
存在する結晶相を備えるとともに、Ｘ線回折による、窒
化珪素の最大ピークＡと、窒化珪素及び窒化チタン以外
の結晶相の最大ピークＢとの比Ｒ（＝Ｂ／Ａ）が、０．
０５≦Ｒ≦０．６の範囲である切削工具。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、窒化珪素をマトリ
ックスとする切削工具及びその製造方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来より、窒化珪素をマトリックス（母
材）とする多くの焼結体が開発されている。例えば特公
昭６０−４８４７５号公報には、窒化チタン、窒化タン
タルから選ばれる１種又は２種を含有する窒化珪素ホッ
トプレス焼結体が提案されている。

【０００３】また、これとは別に、特開平９−２６８０
７１号公報には、窒化珪素と炭窒化チタンを主体とする
窒化珪素工具が開示されており、この種の窒化珪素工具
は、鋳鉄部品の加工（切削加工）などに使用されてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した窒
化珪素工具は、鋳鉄部品の切削加工以外に、超耐熱合金
の切削加工にも用いられるが、超耐熱合金は熱伝導性が
悪いので、工具刃先に熱がこもり易いという問題があっ
た。

【０００５】つまり、刃先温度が上昇すると、工具を構
成する組織の各相（マトリックス相、硬質相、粒界相）
のうち、粒界相の軟化が進み、工具の耐摩耗性が低下す
るという問題があった。本発明は上記問題点に鑑みて提
案されたものであり、耐摩耗性等に優れた切削工具及び
その製造方法を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】（１）前記目的を達成す
るための請求項１の発明は、窒化珪素をマトリックスと
して、窒化チタン：１０〜２０重量％、アルミナ：３〜
５重量％、イットリア：５〜１５重量％を含有する切削
工具であって、前記窒化珪素からなるマトリックス相、
前記窒化チタンからなる硬質相、粒界相に存在するガラ
ス相、及び前記粒界相に存在する結晶相を備えるととも
に、Ｘ線回折による、前記窒化珪素の最大ピークＡと、
前記窒化珪素及び窒化チタン以外の前記結晶相の最大ピ
ークＢとの比Ｒ（＝Ｂ／Ａ）が、０．０５≦Ｒ≦０．６
の範囲であることを特徴とする切削工具を要旨とする。

【０００７】本発明の切削工具は、窒化珪素をマトリ
ックス（即ち主成分である母材）とする窒化珪素質焼結
体であり、この窒化珪素以外に、窒化チタン：１０〜２
０重量％、アルミナ：３〜５重量％、イットリア：５〜
１５重量％を含んでいるが、特に、窒化珪素のマトリッ
クスに、熱伝導性に優れ且つ摩擦係数の少ない窒化チタ
ンを含有させて複合化することにより、耐摩耗性が増加
するという効果が得られる。

【０００８】以下、各成分の数値限定の理由を説明す
る。＜窒化チタン：１０〜２０重量％＞溶融金属に対する耐
摩耗性が高い窒化チタンの含有量が１０重量％を下回る
と、耐摩耗性の向上が十分ではなく、一方、２０重量％
を上回ると、焼結性が低下する傾向があるので、窒化チ
タンは、１０〜２０重量％が最も好ましい範囲である。

【０００９】＜アルミナ：３〜５重量％＞アルミナの含
有量が３重量％を下回ると、焼結性が低下し、一方、５
重量％を上回ると、硬度が低下し、耐摩耗性が劣化する
ので、アルミナは、３〜５重量％が最も好ましい範囲で
ある。

【００１０】＜イットリア：５〜１５重量％＞イットリ
アの含有量が５重量％を下回ると、焼結性が低下し、一
方、１５重量％を上回ると、結晶相が多くなるので、イ
ットリアは、５〜１５重量％が最も好ましい範囲であ
る。

【００１１】尚、切削工具が、実質的に、窒化珪素、窒
化チタン、アルミナ、イットリアのみからなる場合に
は、窒化珪素の重量％は、窒化チタン、アルミナ、イッ
トリアの合計重量％の残部となる。また、本発明では、前記組成の構成に加えて、４種の
相構造を有している。つまり、窒化珪素からなるマトリ
ックス相（母材相）、窒化チタンからなる硬質相、粒界
相に存在するガラス相、及び粒界相に存在する結晶相で
ある。この４相の状態を、図１に模式的に示すが、マト
リックス相と硬質相との間に粒界相が存在し、この粒界
相がガラス相と結晶相とから構成されている。

【００１２】本発明では、この粒界相の一部の結晶化に
よる結晶相の存在により、粒界相におけるガラス相量が
減少するので、刃先温度が上昇した場合でも、粒界相の
軟化が低減されることになり、結果として、耐摩耗性が
向上するという効果が得られる。

【００１３】更に、本発明では、Ｘ線回折によって得
られた、窒化珪素の最大ピークＡと、窒化珪素及び窒化
チタン以外の結晶相の最大ピークＢとの比Ｒ（＝Ｂ／
Ａ）が、０．０５≦Ｒ≦０．６の範囲に設定されてい
る。尚、結晶相におけるピークとは、結晶相に含まれ
る、例えば、Ｙ₈Ｓｉ₄Ｎ₄Ｏ₁₄、Ｙ₁₀Ａｌ₂Ｓｉ₃Ｏ
₁₈Ｎ₄、Ｙ ₁₀Ｓｉ₇Ｎ₄Ｏ₂₃の様な既知の結晶や未知の結
晶の量を示すものである。

【００１４】そして、前記ピークの比Ｒが、０．０５を
下回ると、結晶相の量が少なすぎて、前記粒界相の軟化
を抑制する効果が少なく、耐摩耗性が低い。一方、ピー
クの比Ｒが０．６を上回ると、結晶相の量が多すぎて、
靭性が低下する。よって、前記ピークの比Ｒは、０．０
５≦Ｒ≦０．６が最も好ましい範囲である。

【００１５】つまり、本発明は、上述した４成分の組
成、４種の相の構成、及びピークの比Ｒを備えているの
で、耐摩耗性及び靭性に優れた切削工具である。（２）請求項２の発明は、前記結晶相には、Ｊ相を含む
ことを特徴とする前記請求項１に記載の切削工具を要旨
とする。

【００１６】本発明は、結晶相の構成を例示したもので
あり、結晶相としてＪ相、即ちＹ₈Ｓｉ₄Ｎ₄Ｏ₁₄を含ん
でいる。よって、粒界相のガラス相が減少して、融点の
高い結晶となるため、高温での粒界相の軟化が抑制され
るという効果がある。（３）請求項３の発明は、前記切削工具は、超耐熱合金
の切削加工用であることを特徴とする前記請求項１又は
２に記載の切削工具を要旨とする。

【００１７】本発明は、切削工具の用途を例示したもの
である。つまり、超耐熱合金は熱伝導性が悪く、切削工
具の刃先に熱がこもりやすいが、本発明では、上述した
構成を備えているので、超耐熱合金を切削加工する際に
刃先温度が上昇した場合でも、粒界相の軟化が抑制さ
れ、優れた耐摩耗性を発揮できる。

【００１８】ここで、超耐熱合金とは、通常、６５０℃
以上の高温での使用に耐える合金であり、具体的には、
合金組成のＦｅ成分が５０重量％以下の合金とＮｉ、Ｃ
ｏ系のものを主成分とする高温用の合金等のことであ
る。この超耐熱合金としては、例えばＮｉ基合金のイン
コネル、ワスパロイなどが挙げられる。

【００１９】尚、本発明の切削工具は、上述したＮｉ基
合金（インコネル、ワスパロイ）を切削するのに特に好
ましいものである。この切削条件としては、下記の範囲
が好適である。切削速度：Ｖ＝１００〜５００ｍ／ｍｉｎ（より好ま
しくは、２００〜４００ｍ／ｍｉｎ）送り量：ｆ＝０．０５〜０．４ｍｍ／ｒｅｖ（より
好ましくは、０．１〜０．３ｍｍ／ｒｅｖ）切込み：ｄ＝０．０５ｍｍ以上（より好ましくは、
０．１ｍｍ以上）（４）請求項４の発明は、前記切削工具は、すくい面と
逃げ面との間に切れ刃を有することを特徴とする前記請
求項１〜３のいずれかに記載の切削工具を要旨とする。

【００２０】本発明は、切削工具の形状を例示したもの
であり、すくい面と逃げ面との間に切れ刃を備えた例え
ば直方体形状が挙げられる。また、それ以外にも、すく
い面側がひし形の四角柱形状、すくい面側が三角形の三
角柱形状、すくい面側が円形の円柱形状など、各種の形
状のものが挙げられる。

【００２１】（５）請求項５の発明は、前記請求項１〜
４のいずれかに記載の切削工具の製造方法であって、窒
素雰囲気中で、常圧焼結を行うことを特徴とする切削工
具の製造方法を要旨とする。本発明は、切削工具の製造
方法を例示したものであり、ここでは、前記切削工具の
組成等の構成となるように調整した材料を成形し、窒素
雰囲気中で常圧焼結することにより、窒化珪素質焼結体
を製造することができるので、その後、例えば研磨等の
後加工を施すことにより、切削工具とすることができ
る。

【００２２】この常圧焼結は、例えばＨＩＰに比べて製
造が容易で、製造コストが低く、そのため、低いコスト
で切削工具を製造できるという利点がある。尚、常圧焼
結のみで、切削工具に適した窒化珪素質焼結体を製造す
る場合には、その材料の組成（従って切削工具の組成）
を適切に選択する必要がある。具体的には、切削工具の
組成が、例えばＴｉＮ：１０重量％以下、焼結助剤：６
重量％以上、残部：Ｓｉ₃Ｎ₄となる様な材料を選択する
ことが望ましい。

【００２３】（６）請求項６の発明は、前記常圧焼結後
に、窒素雰囲気中でガス圧焼結を行うことを特徴とする
前記請求項５に記載の切削工具の製造方法を要旨とす
る。特定の組成以外の場合には、通常、常圧焼結（一次
焼結）のみでは、切削工具として十分に緻密化した焼結
体が得られ難いので（例えば理論密度比の９５％以
下）、本発明では、二次焼結として、窒素雰囲気中でガ
ス圧焼結を行う。これにより、十分に緻密化した焼結体
が得られる（例えば理論密度比９８％以上）。

【００２４】この様に、常圧焼結とガス圧焼結とを組み
合わせることにより、十分に緻密化した焼結体を低コス
トで製造することができる。尚、ガス圧焼結の条件とし
ては、窒素雰囲気が採用されるが、その窒素雰囲気の圧
力は５〜１００気圧、焼成温度は１６００〜１８００℃
の範囲が望ましい。

【００２５】（７）請求項７の発明は、前記常圧焼結後
に、ＨＩＰ（Hot Isostatic Press：熱間静水圧プレ
ス）による焼結を行うことを特徴とする前記請求項５に
記載の切削工具の製造方法を要旨とする。

【００２６】上述した様に、通常、常圧焼結（一次焼
結）のみでは、切削工具として十分に緻密化した焼結体
が得られ難いので、本発明では、二次焼結として、ＨＩ
Ｐによる焼結を行う。これにより、十分に緻密化した焼
結体が得られる（理論密度比９５％以上）。

【００２７】この様に、常圧焼結とＨＩＰによる焼結と
を組み合わせることにより、十分に緻密化した焼結体を
製造することができる。尚、ＨＩＰによる焼結の条件と
しては、窒素雰囲気が採用されるが、その窒素雰囲気の
圧力は１０００〜２０００気圧、焼成温度は１５００〜
１８００℃の範囲が望ましい。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の切削工具及びその
製造方法の実施の形態の例（実施例）を、図面を参照し
て説明する。（実施例）本実施例では、超耐熱合金の切削加工用に用
いられる窒素珪素質焼結体からなる切削工具及びその製
造方法を例に挙げる。

【００２９】ａ）まず、本実施例の切削工具について説
明する。図２に示す様に、本実施例の切削工具１は、Ｉ
ＳＯ規格：ＳＮＧＮ１２０４０８形状のネガチップであ
る。具体的には、切削工具１は、図２の上下方向のすく
い面３、側面側の四方の逃げ面５、及びすくい面３と逃
げ面５の間の各辺である切れ刃７を備えており、切れ刃
７の長さが各々１２．７ｍｍ、切削工具１の厚さが４．
７６ｍｍの直方体のチップである。尚、切れ刃７には、
面取り加工（チャンファー加工）が施されている。

【００３０】また、本実施例の切削工具１は、窒化珪素
をマトリックス（母材）とする窒化珪素質焼結体からな
り、窒化チタン：１０〜２０重量％、アルミナ：３〜５
重量％、イットリア：５〜１５重量％、窒化珪素：残部
の組成を有している。更に、この切削工具１は、窒化珪
素からなるマトリックス相、窒化チタンからなる硬質
相、粒界相に存在するガラス相、及び粒界相に存在する
結晶相を備えるとともに、Ｘ線回折による、窒化珪素の
最大ピークＡと、窒化珪素及び窒化チタン以外の結晶相
の最大ピークＢとの比Ｒ（＝Ｂ／Ａ）が、０．０５≦Ｒ
≦０．６の範囲の工具である。

【００３１】ｂ）次に、本実施例の切削工具１の製造方
法について説明する。平均粒径０．５μｍの主成分の窒
化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）粉末（α率＝９９％以上）と、平均
粒径０．８μｍのイットリア（Ｙ₂Ｏ₃）粉末と、平均粒
径０．４μｍのアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）粉末とを、前記切
削工具１の組成範囲となる様に、下記表１に示す配合割
合（本発明例）に秤量する。

【００３２】次に、この秤量した材料を、アルミナ製ボ
ール、アルミナ製内壁ポットを用いて、エタノール溶媒
中にて１６時間湿式混合粉砕し、スラリーとする。次
に、このスラリーを、湯煎乾燥し、エタノールに溶解し
たマイクロワックス系の有機バインダを固形分比で３．
５重量％添加し、ライカイ機で混合する。

【００３３】次に、得られた素地を、ＩＳＯ規格：ＳＮ
ＧＮ１２０４０８形状になるようにプレス成形した後、
１気圧に設定された窒素雰囲気中で、８００℃で６０分
加熱して脱ワックスを行う。次に、１次焼結を行う。こ
の１次焼結は、常圧（１気圧）の窒素雰囲気中で、１７
００℃で４時間加熱して、焼結を行うものである。

【００３４】次に、ガス圧焼結により２次焼結を行う。
この２次焼結は、７５気圧に設定された窒素雰囲気中
で、１７５０℃で４時間加熱して、焼結を行うものであ
るの尚、この２次焼結のガス圧焼結に代えて、ＨＩＰに
よる焼結を行ってもよい。このＨＩＰによる２次焼結
は、１０００気圧に設定された窒素雰囲気中にて、１７
００℃で４時間加熱して、焼結を行うものである。

【００３５】次に、この様にして得られた窒化珪素質焼
結体を、下記表１に示す様な条件（本発明例）で、窒素
雰囲気中で熱処理し、粒界相の結晶化を促進する。次
に、この窒化珪素焼結体を、ＩＳＯ規格：ＳＮＧＮ１２
０４０８形状に研削加工することにより、切削工具１を
完成する。

【００３６】ｃ）次に、本発明の範囲の切削工具の効果
を確認するために行った実験例について説明する。ま
ず、実験に用いる切削工具として、下記表１に示す条件
にて、本発明例（試料No.１〜４）及び比較例（試料No.
５〜１０）の切削工具を作製した。尚、切削工具の形状
は、ＩＳＯ規格：ＳＮＧＮ１２０４０８である。

【００３７】そして、これらの試料No.１〜１０の切削
工具に対して、下記(i)物理性能評価及び(ii)切削性能
評価を行った。 (i)＜物理性能評価＞下記の様にして、焼結体の密度、マイクロポア、硬度、
靭性、ピーク比Ｒ（結晶相量）、結晶相の種類を求め
た。その結果を下記表１に記す。

【００３８】（密度）アルキメデス法で焼結体の密度を測定した。そして、そ
の密度から、焼結体の理論密度比を求めた。また、マイ
クロポアは、焼結体断面を鏡面研磨し、２００倍の顕微
鏡で観察し、ＣＩＳ−００６Ｂ規格により測定した。

【００３９】（硬度及び靭性）焼結体の研削した面を鏡面研磨し、３０ｋｇの押し込み
荷重でビッカース圧子を押し込み、圧痕の対角長さと亀
裂長さを測定し、ビッカース硬度（ＪＩＳＲ１６１０
に準拠）と破壊靭性値（ＪＩＳＲ１６０７（ＩＦ法）
に準拠）を求めた。

【００４０】（ピーク比Ｒ（結晶相量））焼結体の研磨面に対するＸ線回折を行って、そのピーク
比Ｒを求めた。例えば図３に示す様なＸ線回折が得られ
た場合には、窒化珪素の最大ピークＡ（＝Ｉ（Ｓｉ₃Ｎ₄
max））と、窒化珪素及び窒化チタン以外の結晶相の最
大ピークＢ（＝Ｉ（ＧＢ max））とを測定し、そのピー
ク比Ｒ（＝Ｂ／Ａ＝Ｉ（ＧＢ max）／Ｉ（Ｓｉ₃Ｎ₄ ma
x））を求める。

【００４１】尚、図３は縦軸に強度［ｃｐｓ］をとり、
横軸に２θ［゜］をとったＸ線回折の結果のグラフであ
り、図３では、ピーク比Ｒは、０．４８である。（結晶相の種類）また、前記Ｘ線回折によって得られた各ピークを、既知
の材料のピークと対比させて調べることにより、結晶相
の種類を調べた。

【００４２】(ii)＜切削性能評価＞図４に示す様に、下記の条件にて、回転する円柱形状の
被削材の外径側の表面に対して、切削工具を矢印Ａ方向
に移動させて旋削を行った。そして、その際の工具刃先
の摩耗状態（１パス後のフランク摩耗量）やカケの発生
状況を調べた。その結果を、下記表１に記す。

【００４３】（切削条件）被削材材質：インコネル７１８被削材形状：外径φ３００ｍｍ×長さ１００ｍｍ切削速度：Ｖ＝３００ｍ／ｍｉｎ送り量：ｆ＝０．１５ｍｍ／ｒｅｖ切込み：ｄ＝１．０ｍｍ乾湿：ＷＥＴ

【００４４】

【表１】

【００４５】尚、前記表１で、焼結体の構成相におい
て、Ｓｉ₃Ｎ₄の○はマトリックス相の存在を示し、Ｔｉ
Ｎの○は硬質相の存在を示す。また、結晶相のＪ相を示
すＪはＹ₈Ｓｉ₄Ｎ₄Ｏ₁₄、Ａ相を示すＡはＹ₁₀Ａｌ₂Ｓｉ
₃Ｏ₁₈Ｎ₄、Ｈ相を示すＨはＹ₁₀Ｓｉ₇Ｎ₄Ｏ₂₃、Ｕｋは未
知相である。

【００４６】更に、焼結方法のは常圧焼結、はガス
圧焼結、はＨＩＰであり、＋で示すものは、１次焼結
に加えて２次焼結を行うものである。尚、試料No.７の
焼結方法においては、急速冷却を行い、試料No.８の焼
結方法では、１４００℃で窒素１気圧中１２時間保持の
熱処理を行った。

【００４７】また、マイクロポアのＡ２はマイクロポア
０．０２体積％を示し、Ａ８はマイクロポア０．６体積
％を示す。この表１から明かな様に、本発明例である窒
化チタンを所定量含み所定ピーク比Ｒの結晶相を有する
試料No.１〜４は、耐摩耗性に優れている。また、試料N
o.１〜４は、適度な硬度と靭性を備えており、実験の際
に、チッピングが発生せず、好適である。

【００４８】それに対して、窒化チタンが少な過ぎると
（比較例試料No.５）、摩耗量が多く、また、窒化チタ
ンが多すぎると（比較例試料No.６）、硬くなって脆く
なり、刃先がチッピングするので、好ましくない。ま
た、粒界相の結晶化が少なすぎると（比較例試料No.
７）、摩耗が多くなり、逆に、結晶化が多すぎると（比
較例試料No.８）、靭性が不足して、チッピングに到る
ので、好ましくない。

【００４９】更に、焼結助剤が少ないと（比較例試料N
o.９）、９４％しか緻密化せず、焼結助剤が多いと（比
較例試料No.１０）、耐摩耗性が悪いので、好ましくな
い。尚、本発明は前記実施例になんら限定されるもので
はなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の
態様で実施しうることはいうまでもない。

【００５０】

【発明の効果】以上詳述した様に、本発明の切削工具
は、上述した４成分の組成、４種の相の構成、及びピー
クの比Ｒを備えているので、即ち、窒化珪素と窒化チタ
ンの適度な複合化及び粒界相の適度な結晶化により、耐
摩耗性及び靭性に優れた切削工具である。

【００５１】また、本発明の切削工具の製造方法によ
り、上述した優れた性能を有する切削工具を、低コスト
で容易に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】切削工具を構成する各相の状態を模式的に示
す説明図である。

【図２】実施例１の切削工具の形状を示す斜視図であ
る。

【図３】Ｘ線回折によるピークの状態を示す説明図で
ある。

【図４】切削性能評価の方法を示す説明図である。

【符号の説明】

１…切削工具３…すくい面５…逃げ面７…切れ刃

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】窒化珪素をマトリックスとして、窒化チ
タン：１０〜２０重量％、アルミナ：３〜５重量％、イ
ットリア：５〜１５重量％を含有する切削工具であっ
て、前記窒化珪素からなるマトリックス相、前記窒化チタン
からなる硬質相、粒界相に存在するガラス相、及び前記
粒界相に存在する結晶相を備えるとともに、Ｘ線回折による、前記窒化珪素の最大ピークＡと、前記
窒化珪素及び窒化チタン以外の前記結晶相の最大ピーク
Ｂとの比Ｒ（＝Ｂ／Ａ）が、０．０５≦Ｒ≦０．６の範
囲であることを特徴とする切削工具。
【請求項２】前記結晶相には、Ｊ相を含むことを特徴
とする前記請求項１に記載の切削工具。
【請求項３】前記切削工具は、超耐熱合金の切削加工
用であることを特徴とする前記請求項１又は２に記載の
切削工具。
【請求項４】前記切削工具は、すくい面と逃げ面との
間に切れ刃を有することを特徴とする前記請求項１〜３
のいずれかに記載の切削工具。
【請求項５】前記請求項１〜４のいずれかに記載の切
削工具の製造方法であって、窒素雰囲気中で、常圧焼結を行うことを特徴とする切削
工具の製造方法。
【請求項６】前記常圧焼結後に、窒素雰囲気中でガス
圧焼結を行うことを特徴とする前記請求項５に記載の切
削工具の製造方法。
【請求項７】前記常圧焼結後に、ＨＩＰによる焼結を
行うことを特徴とする前記請求項５に記載の切削工具の
製造方法。