JP2007130699A

JP2007130699A - サイアロン切削工具及び工具

Info

Publication number: JP2007130699A
Application number: JP2005324178A
Authority: JP
Inventors: Kohei Abukawa; 宏平虻川; Ryoji Toyoda; 亮二豊田
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2005-11-08
Filing date: 2005-11-08
Publication date: 2007-05-31

Abstract

【課題】難削材料の高速切削加工においても、耐摩耗性に優れ、被削材が溶着し刃先の損傷を引き起こすことのない寿命の長いサイアロン切削工具およびこれを装着した工具の提供。
【解決手段】α−サイアロン及びβ−サイアロンからなるサイアロン相と、ガラス相及び／又は結晶相からなる粒界相と、を有するサイアロン焼結体で形成されたサイアロン切削工具において、前記サイアロン焼結体中に、Ｓｃ、Ｙ、Ｄｙ、Ｙｂ及びＬｕよりなる群から選択される少なくとも一種の元素が酸化物換算で３〜１０モル％の割合で含有され、Ｓｉ_６−ＺＡｌ_ＺＯ_ＺＮ_８−Ｚ（但し、０＜Ｚ≦４．２である。）で表されるβ−サイアロン相のＺ値とサイアロン相中のα−サイアロン層の割合を示すα率とから算出されるα率^０．８１×Ｚ値^０．１９が１２．１〜１９．４であることを特徴とするサイアロン切削工具およびこのサイアロン切削工具をホルダーに装着した工具。
【選択図】図１

Description

この発明は、サイアロン切削工具及び工具に関し、更に詳しくは耐熱合金加工用に優れた特性を有するサイアロン切削工具及びそのサイアロン切削工具を組み込んで成る工具に関する。

窒化珪素と比較すると、サイアロンは高硬度であり、室温から高温までの温度領域に加熱されてもその強度低下が小さく、しかも化学的安定性が高いことが特長であると一般に言われている。それ故に、耐熱性、耐化学反応性が要求される熱鋼の圧延用ガイドロール、ダイス、アルミニウム・ダイキャスト機械のスリーブ等の構造材料として使用されている。また、耐磨耗性が良好であることから切削工具及び軸受け等にも使用されている。

従来からサイアロン工具と一般に称されている工具は、難削性と言われている耐熱合金の粗切削加工用工具として広く用いられていたが、粗加工であるが故に工具刃先の耐磨耗性について重視され、あるいは考慮されることが少なかった。しかしながら粗加工工具であるとは言っても、工具刃先が磨耗すると切削加工時の切削抵抗が大きくなり、最終的には工具刃先が欠損してしまう。一方、粗加工工具であっても工具寿命の更なる向上を図ることが要望されている。したがって、耐熱合金の粗加工工具であっても、工具刃先の耐磨耗性を改善することが望まれている。

工具刃先における磨耗及び損傷には、工具刃先が被削材と化学反応して損傷を受けると言う化学磨耗と、工具刃先が物理的損傷を受けるアブレッシブ磨耗との二種類がある。

化学磨耗を抑制する方法として、Ｚ値の大きいβ−サイアロンを生成させ、被削材と工具刃先との溶着及び工具刃先の損傷を低減する方法が知られている（特許文献１、２，３，４等）。

本願発明者らの検討によると、これら特許文献に開示された方法によると、確かに被削材と工具刃先との溶着と損傷とが抑制されるものの、Ｚ値の上昇に伴い、工具刃先の強度が低下してしまい、耐熱合金の粗加工用としては満足できるものではない。また、Ｚ値の大きいβ−サイアロンはアブレッシブ磨耗が発生し易く、アブレッシブ磨耗の成長により工具刃先が欠損してしまう問題も同時に見られた。
米国特許第４３２３３２３号特開平１０−３６１７４号特許第２８２４７０１号（特表平８−５１０９６５号）特許第３２６６２００号（特開平２−２７５７６３号）

なお、このＺ値の測定方法として、Ｘ線回折法により測定されるサイアロン焼結体中のβ−サイアロンのａ軸格子定数と、β−窒化珪素のａ軸格子定数（７．６０４４２Å）との差から算出する。算出方法は、例えば特許文献５に開示されている。

特表２００４−５２７４３４の段落番号０００７

被削材と窒化珪素基材との化学反応を抑制するために、サイアロンに窒化チタンを添加し、又はサイアロンにアルミナ及び窒化チタンを添加することにより、窒化珪素基材の耐化学反応性を向上させる方法が知られている（特許文献６、７）。この方法では、窒化チタンが分散粒子として窒化珪素基材中に存在し、これによって窒化珪素基材の耐化学反応性が向上するものと、推測される。

特開平１０−３１１４４２号特開平１１−３３５１６８号

しかしながら、窒化チタンを窒化珪素に添加すると、窒化チタンと窒化珪素粒子との熱膨張係数の相違により高温度下での強度の低下を招き、また、アルミナの添加によるサイアロン化が生じて粒子自体の強度が低下してしまうと言った問題がある。

アブレッシブ磨耗を抑制する方法として、焼結助剤量を低減して粒界相量を低減させる方法、及び、焼結助剤として希土類系助剤を添加する場合には、焼結助剤をサイアロン粒子中に固溶させて粒界相量を低減させ、α−サイアロンを生成させてアブレッシブ磨耗を抑制する方法が知られている（特許文献５，８，９）
ＷＯ０２／２８８００Ａ２ＷＯ９８／２３５５４Ａ２

しかしながら、焼結助剤量を低減させると、焼結時にサイアロン粒子が針状に成長し難くなり、耐欠損性が低下すると言う問題が生じ、一方、α−サイアロンが生成しすぎると、α−サイアロンは針状のβ’−サイアロンとは異なり等軸状粒子であるために、同様に耐欠損性が低下すると言う問題が生じる。

この発明の課題は、基材の強度を低下させることなく、被削材と工具刃先との化学反応による化学磨耗及びアブレッシブ磨耗を共に低減し、寿命を長期化したサイアロン切削工具及びその様な切削工具を有する工具を提供することにある。

前記課題を解決するための手段として、
請求項１は、α−サイアロン及びβ−サイアロンからなるサイアロン相と、ガラス相及び／又は結晶相からなる粒界相を有するサイアロン焼結体で形成されたサイアロン切削工具において、前記サイアロン焼結体中に、Ｓｃ、Ｙ、Ｄｙ、Ｙｂ及びＬｕよりなる群から選択される少なくとも一種の元素が酸化物換算で３〜１０モル％の割合で含有され、Ｓｉ_６−ＺＡｌ_ＺＯ_ＺＮ_８−Ｚ（但し、０＜Ｚ≦４．２である。）で表されるβ−サイアロン相のＺ値とサイアロン相中のα−サイアロン層の割合を示すα率とから算出されるα率^０．８１×Ｚ値^０．１９が１２．１〜１９．４であることを特徴とするサイアロン切削工具であり、
請求項２は、前記サイアロン切削工具が耐熱合金加工用である前記請求項１に記載のサイアロン切削工具であり、
請求項３は、前記請求項１又は２に記載のサイアロン切削工具とこのサイアロン切削工具を保持するホルダーとを有することを特徴とする工具である。

この発明によると、基材の強度を低下させることなく、被削材と工具刃先との化学反応による化学磨耗及びアブレッシブ磨耗を共に低減し、工具刃先の磨耗を低減することのできる長寿命の切削工具及びその切削工具を利用した工具を提供することができる。

この発明に係るサイアロン切削工具は、α−サイアロン及びβ−サイアロンからなるサイアロン相と、ガラス相及び／又は結晶相からなる粒界相と、を有するサイアロン焼結体である。

サイアロンはＳｉ_３Ｎ_４にＡｌ_２Ｏ_３が置換固溶した物質であり、Ｓｉ_６−ＺＡｌ_ＺＯ_ＺＮ_８−Ｚの一般式で表すことができる。この一般式中のＺの値、すなわちＺ値が大きくなるほどＡｌ_２Ｏ_３の置換固溶量が増加してサイアロン自体の化学的性質がＡｌ_２Ｏ_３の性質に近づき、安定になる。Ｚ値が大きくなると被削材成分との化学反応が起こりにくくなってサイアロン切削工具の化学摩耗が抑制されることになる。しかし、Ｚ値が大きくなると、β−サイアロン粒子自体が低強度になって耐欠損性が低下する。したがって、化学摩耗の抑制と耐欠損性とのバランスがとれた適正なＺ値を選択する必要がある。

もっとも、サイアロン切削工具におけるサイアロン焼結体のＺ値が適正値にあるだけでは常に工具寿命が長期化するものではない。この発明者らの検討によると、サイアロン焼結体がＺ値が適正値以上のβ−サイアロンのみからなるサイアロン相だけであるとサイアロン切削工具の耐欠損性が顕著に低下することと、添加した焼結助剤が粒界相を形成し、充分な耐アブレッシブ摩耗性を得ることが困難であることを見出している。したがって、この発明では、サイアロン焼結体を適正なＺ値を有するβ−サイアロンとα−サイアロンとを有する構造とすることにより、粒界相の量を低減させ、これによって耐欠損性を低下させず、耐化学摩耗性を向上させることに加え、耐アブレッシブ摩耗性も同時に向上させ、サイアロン切削工具の寿命の長期化を図る。

サイアロン相中のα−サイアロン相の含有割合は、（α１＋α２）／（β１＋β２＋α１＋α２）で算出されるα率で決定されることができる。なお、α１はＸ線回折図におけるα−サイアロンの（１０２）面ピーク強度を言い、α２はＸ線回折図におけるα−サイアロンの（２１０）面ピーク強度を言い、β１はＸ線回折図におけるβ−サイアロンの（１０１）面ピーク強度を言い、β２はＸ線回折図におけるβ−サイアロンの（２０１）面ピーク強度を言う。

この発明者らの検討によると、サイアロン切削工具を形成するサイアロン焼結体におけるサイアロン相のＺ値だけでは耐欠損性および耐摩耗性共に優れる、サイアロン焼結体を得ることができず、α率の０．８１乗とβ−サイアロンのＺ値の０．１９乗との積が工具寿命に影響していることが、判明した。つまり、α率^０．８１×Ｚ値^０．１９が１２．１〜１９．４、好ましくは１２．１〜１５．４と言う特定の範囲内にあるときに、サイアロン切削工具の耐欠損性、耐摩耗性の向上が認められる。

サイアロン相中のα率は、サイアロン焼結体の焼結時に焼結助剤中の元素をサイアロン粒子中に固溶させることにより所望の値にすることができる。この発明者らの検討の結果、焼結助剤中の元素としてＳｃ、Ｙ、Ｄｙ、Ｙｂ及びＬｕよりなる群から選択される少なくとも一種の元素が、α率を可変することができ、しかもβ−サイアロンを針状粒子結晶に成長させ易いことを見いだした。それ故に、この発明に係るサイアロン切削工具は、サイアロン焼結体中に、Ｓｃ、Ｙ、Ｄｙ、Ｙｂ及びＬｕよりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含有する。もっとも、これらの元素がβ−サイアロン中に固溶せずにガラス相及び／又は結晶相として粒界に大量に残存すると、サイアロン切削工具はアブレッシブ摩耗を起こし易くなる。そこで、この発明に係るサイアロン切削工具においては、サイアロン焼結体におけるＳｃ、Ｙ、Ｄｙ、Ｙｂ及びＬｕよりなる群から選択される少なくとも一種の元素の含有量は、３〜１０モル％である。これらの元素の含有量が前記下限値よりも少ないと焼結性が顕著に低下して密化することができず、サイアロン切削工具の強度が低下して耐欠損性が低下する。また前記元素の含有量が前記上限値よりも多いと、サイアロン切削工具のアブレッシブ摩耗が大きくなる。

この発明のサイアロン切削工具となるサイアロン焼結体は、例えば以下のようにして製造することができる。

Ｓｉ_３Ｎ_４粉末およびＡｌ_２Ｏ_３粉末、ＡｌＮ粉末等の、サイアロンを構成する元素を含む原料粉末を、焼結助剤として希土類元素の酸化物粉末であるＳc_２Ｏ_３粉末、Ｙ_２Ｏ_３粉末、Ｄｙ_２Ｏ_３粉末、Ｙｂ_２Ｏ_３粉末、Ｌｕ_２Ｏ_３粉末等のいずれかまたは数種類と混合し、場合により硬質成分のＴｉＮ粉末、ＴｉＣ粉末、ＴｉＣＮ粉末のいずれかを加えて原料粉末とする。原料粉末は平均粒径５μｍ以下、好ましくは３μｍ以下、さらに好ましくは１μｍ以下とするとよい。これらの原料粉末は焼結後のサイアロン焼結体の組成を考慮してそれぞれの比率を決めればよい。調製した原料粉末をボールミルのような混合粉砕機、例えばＳｉ_３Ｎ_４製ボールを備えたＳｉ_３Ｎ_４製ポットを用いて粉末を溶解しない溶媒、例えばエタノール等を加えて例えば１０〜３００時間混合してスラリーを製造する。この際、原料粉末の粒径が大きいときには粉砕時間を長くして粉砕を十分に行うのが良い。

このスラリー中に粗粒がある場合は、スラリーを２００〜５００メッシュ程度のふるいにかけて粗粒を除くのが良い。そしてマイクロワックス系等の有機バインダを原料粉末に対し例えば３〜１５重量％添加し、スプレードライ等により造粒乾燥する。得られた造粒粉末を所望の形状にプレス成形した後に、加熱装置内において窒素等の不活性ガス雰囲気中で脱脂をするのが良い。通常の場合、成形は射出成形、押出し成形、鋳込み成形等を応用することもできる。成形にあたっては、後続の脱脂工程、焼結工程で成形品が収縮することを見越して成形しておく。通常、脱脂工程は例えば４００〜８００℃にて例えば３０〜１２０分行えばよい。脱脂した成形体を、通常の場合１５００〜１９００℃、好ましくは１７００〜１８００℃で焼結する。焼結は一次焼結及び二次焼結からなる二段階焼結を行うのが好ましい。一次焼結はカーボン、窒化ホウ素又は窒化珪素等のサヤ内で１〜９気圧の窒素又はＡｒ雰囲気下にて１７００〜１８００℃まで昇温し、その温度で１〜５時間保持すればよい。二次焼結は、１次焼結で、充分に緻密化して焼結体が得られなかったときに行うのが良い。２次焼結は熱間静水圧成形（ＨＩＰ）によればよい。例えば、１００〜２０００気圧の窒素雰囲気下において、例えば１６００〜１８００℃で例えば１〜５時間加熱する。このようにして得た焼結体はサイアロン焼結体であり、これを図１、図３に示すような例えばスローアウェイチップとしての形状に研磨加工してこの発明に係るサイアロン切削工具とすることができる。さらに、図２、図４に示すように外径加工用ホルダー又はフライスカッター用ホルダーに装着することにより外径加工用切削工具又はフライスカッター用切削工具等の工具とすることができる。

なお、図１〜４において１はこの発明の一例であるサイアロン切削工具を示し、２は外径加工用ホルダーを示し、３は押さえ金を示し、４は刃先を示し、６はフライスカッター用ホルダーを示し、７はフライスカッター用ホルダー本体を示し、８はスローアウェイチップ装着用カートリッジを示し、９はスローアウェイチップ取付け用くさびを示す。

（実施例及び比較例）
（１）サイアロン切削工具の作製
それぞれ平均粒径１．０μｍ以下のαＳｉ_３Ｎ_４粉末、焼結助剤として平均粒径１．０μｍ以下であるＳｃ_２Ｏ_３粉末、Ｙ_２Ｏ_３粉末、ＣｅＯ_２粉末、Ｄｙ_２Ｏ_３粉末、Ｅｒ_２Ｏ_３粉末、Ｙｂ_２Ｏ_３粉末、Ｌｕ_２Ｏ_３粉末、さらにＡｌ_２Ｏ_３粉末、ＡｌＮ粉末を表１に示す割合で配合して原料粉末を調製した。次に、これらの原料粉末を、内壁がＳｉ_３Ｎ_４製のポットに、Ｓｉ_３Ｎ_４製ボールと共に入れ、エタノールを加えて２４時間混合してスラリーを作製した。このスラリーを３２５メッシュのふるいに通し、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５．０重量％添加し、スプレードライで顆粒を作製した。得られた顆粒を、焼結後にＩＳＯ規格でＳＮＧＮ１２０４１２のスローアウェイチップの形状となるようにプレス成形した。得られた成形体を、加熱装置内において１気圧の窒素雰囲気中で６００℃にて６０分加熱することにより、脱脂した。脱脂した成形体の一次焼結は、窒化珪素製のサヤ内にセットし、６気圧の窒素雰囲気下にて１８００℃まで昇温し１２０分保持した。一次焼結体内部に残留ポアを除くため、熱間静水圧成形（ＨＩＰ）により二次焼結を行った。二次焼結は、１０００気圧の窒素雰囲気下において１７００℃で１２０分加熱することにより、行われた。得られたサイアロン焼結体を研磨加工してＩＳＯ規格でＳＮＧＮ１２０４１２のスローアウェイチップ形状に整えて、サイアロン切削工具であるスローアウェイチップを得た。

得られたサイアロン焼結体のα値及びＺ値の測定方法については既述した。

（２）切削試験
上記（１）で作製したスローアウェイチップについて、以下の性能試験を行った。結果を表1に示した。
スローアウェイチップの刃先に面取り幅を０．１ｍｍ、面取り角が２５°となる面取り刃先加工を行ない、フライスカッターに面取り刃先加工済みのスローアウェイチップをセットし（図４参照）、下記に示す加工条件にて切削加工を行なって、同一切削パスを加工したときの摩耗量で工具寿命を評価した。

（加工条件）
被削材：インコネル７１８時効処理品、円筒形（直径３００ｍｍ及び軸線長さ１００ｍｍ）
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ
送り速度：０．３ｍｍ／刃
切り込み深さ：０．２ｍｍ
切削油：湿式（水溶性クーラントを使用）
表１において、実施例に係るスローアウェイチップは種別Ａ〜Ｋで示し、比較例に係るものは「＊」で示した。

図１は本発明のスローアウェイチップの斜視図である。図２はホルダーに本発明のスローアウェイチップを装着した外径加工用切削工具の例である。図３は本発明のスローアウェイチップの他の例の斜視図である。図４はフライスカッター用ホルダーにスローアウェイチップを装着した切削工具の平面図である。

符号の説明

１：スローアウェイチップ
２：外径加工用ホルダー
３：押さえ金
４：刃先
６：フライスカッター用ホルダー
７：フライスカッター用ホルダー本体
８：スローアウェイチップ装着用カートリッジ
９：スローアウェイチップ取付け用くさび

Claims

α−サイアロン及びβ−サイアロンからなるサイアロン相と、ガラス相及び／又は結晶相からなる粒界相と、を有するサイアロン焼結体で形成されたサイアロン切削工具において、前記サイアロン焼結体中に、Ｓｃ、Ｙ、Ｄｙ、Ｙｂ及びＬｕよりなる群から選択される少なくとも一種の元素が酸化物換算で３〜１０モル％の割合で含有され、Ｓｉ_６−ＺＡｌ_ＺＯ_ＺＮ_８−Ｚ（但し、０＜Ｚ≦４．２である。）で表されるβ−サイアロン相のＺ値、及びサイアロン相中のα−サイアロン層の割合を示すα率より算出されるα率^０．８１×Ｚ値^０．１９が１２．１〜１９．４であることを特徴とするサイアロン切削工具。
前記サイアロン切削工具が耐熱合金加工用である前記請求項１に記載のサイアロン切削工具。
前記請求項１又は２に記載のサイアロン切削工具とこのサイアロン切削工具を保持するホルダーとを有することを特徴とする工具。