JP2019163194A

JP2019163194A - セラミック部材及びこれを用いた工具、切削工具

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Publication number: JP2019163194A
Application number: JP2018052948A
Authority: JP
Inventors: 松田　尚久; Naohisa Matsuda; 尚久松田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2018-03-20
Filing date: 2018-03-20
Publication date: 2019-09-26
Anticipated expiration: 2038-03-20
Also published as: JP6957395B2

Abstract

【課題】高い靭性を有するセラミック部材を提供する。【解決手段】本開示のセラミック部材は、タングステンおよび炭素を合計で９０質量％以上含有する複数の第１粒子と、アルミニウムおよび酸素を含有する複数の第２粒子と、を有するセラミックスの基体からなるセラミック部材である。前記基体は、さらに、タングステンと炭素を合計で９０質量％未満含有し、クロムおよびチタンを含有する複数の第３粒子を含む柱状体を有する。該柱状体は、前記基体の表面に直交する断面における平均長軸長さが４０μｍ以上である。また、本開示の工具は、上述のセラミック部材を備える。また、本開示の切削工具は、第１端から第２端に向かって延び、前記第１端側にポケットを有するホルダと、前記ポケットに位置する上述の記載の工具とを備える。【選択図】図２

Description

本開示は、セラミック部材及びこれを用いた工具、切削工具に関する。

セラミック部材は、耐熱性、硬度に優れるため、例えば、切削加工に用いられる工具として利用されている。この工具において、例えば特許文献１〜３に記載されているように、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、炭化タングステン（ＷＣ）を含有するセラミック部材が用いられている。

特表平７−５０２０７０号公報特開２０１６−１１３３２０号公報国際公開２０１５／０１９３９１

特許文献１〜３に記載されたセラミック部材に含有されるアルミナ及び炭化タングステンを比較した場合、アルミナは、炭化タングステンに比べて抗折力が低い。そのため、切削加工時など、強い負荷がセラミック部材に加わる場合において、アルミナにクラックが発生する場合がある。このクラックが長く延びるとセラミック部材の強度が低下するおそれがある。そこで、高い靭性を有するセラミック部材が求められている。

本開示のセラミック部材は、タングステンおよび炭素を合計で９０質量％以上含有する複数の第１粒子と、アルミニウムおよび酸素を含有する複数の第２粒子と、を有するセラミックスの基体からなるセラミック部材である。前記基体は、さらに、タングステンと炭素を合計で９０質量％未満含有し、クロムおよびチタンを含有する複数の第３粒子を含む柱状体を有する。該柱状体は、前記基体の表面に直交する断面における平均長軸長さが４０μｍ以上である。

また、本開示の工具は、上述のセラミック部材を備える。

また、本開示の切削工具は、第１端から第２端に向かって延び、前記第１端側にポケットを有するホルダと、前記ポケットに位置する上述の工具とを備える。

本開示のセラミック部材は、破壊靱性が高い。このセラミック部材を用いた工具および切削工具は耐欠損性に優れている。

本開示のセラミック部材の一例を示す斜視図である。本開示のセラミック部材の表面に直交する断面における模式図である。本開示の切削工具の一例を示す模式図である。

以下、本開示のセラミック部材、工具、切削工具について、図面を用いて詳細に説明す
る。但し、以下で参照する各図は、説明の便宜上、各実施形態を説明する上で必要な主要部材のみを簡略化して示したものである。したがって、セラミック部材は、参照する各図に示されていない任意の構成部材を備え得る。また、各図中の部材の寸法は、実際の構成部材の寸法及び各部材の寸法比率等を忠実に表したものではない。

図１に本開示のセラミック部材１の一例を斜視図に示す。なお、セラミック部材１は、セラミックスの基体からなるため、基体を示す符号４を図１において並記している、また、セラミック部材１は工具として用いることができるものであることから、図１は工具３を示す斜視図ともいえるものである。

工具３は、ホルダ（不図示）の先端の所定の位置に取り付けられて使用される刃先交換型の切削インサートの一例である。

工具３は、多角板形状であって、第１面５と、第１面５に隣接する第２面７と、第１面５及び第２面７が交わる部分の少なくとも一部に位置する切刃９とを有している。図１においては、上面が第１面５に相当しており、側面が第２面７に相当している。

工具３は、多角板形状の基体４を有している。工具３は、基体４の表面に位置する被覆膜（図示しない）を有していてもよい。工具３の大きさとしては特に限定されるものではないが、例えば、第１面５の一辺の長さが５〜２０ｍｍ程度に設定され、第１面５の反対側に位置する面（下面）を基準とした第１面５までの高さは１〜２０ｍｍ程度に設定される。被覆膜の厚みとしては特に限定されるものではないが、例えば、３〜２５μｍに設定される。

図２に、本開示のセラミック部材１の表面に直交する断面における模式図の一例を示す。なお、図２において、柱状体２７以外の部分には、第１粒子２１および第２粒子２３が複数存在するものであるが、図が煩雑なものとなるため、記載を省略している。また、以下の記載において、表面に直交する断面を視た場合を、単に断面視と記載する場合がある。

本開示のセラミック部材１は、タングステンおよび炭素を合計で９０質量％以上含有する複数の第１粒子２１と、アルミニウムおよび酸素を含有する複数の第２粒子２３とを有する基体４からなるセラミック部材１である。そして、基体４は、さらにタングステンと炭素を合計で９０質量％未満含有し、クロムおよびチタンを含有する複数の第３粒子２５を含む柱状体２７を有する。また、柱状体２７は、基体４の表面に直交する断面における平均長軸長さが４０μｍ以上である。なお、図２において柱状体２７は、判別を明りょうにするため第１粒子２１を黒く塗りつぶして示し、第３粒子２３を白抜きで示している。

本開示のセラミック部材１は、柱状体２７を有することで、柱状体２７によってクラックの進展を抑制できるため、高い破壊靭性を有する。

第１粒子２１は、炭化タングステン（ＷＣ）であってもよい。また、第１粒子２１は、ＷＣに他の元素を含有していてもよい。第１粒子２１は、組成式がＷ_２Ｃで示されるものであってもよい。第１粒子２１は、さらにクロムを有していてもよい。このように、第１粒子２１がクロムを含有していると、セラミック部材１の耐食性が向上する。第１粒子２１は、粒径が０．２〜１０μｍ程度の大きさを有している。

第２粒子２３は、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）であってもよい。第２粒子２３における酸化アルミニウムとしては、例えば、κ−Ａｌ_２Ｏ_３及びα−Ａｌ_２Ｏ_３が挙げられる。また、酸化アルミニウムに他の元素を含有していてもよい。第２粒子２３は、マグネ
シウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、珪素（Ｓｉ）及び周期律表第３ａ族元素のうち、少なくとも１つを含有していてもよい。第２粒子２３は、粒径が０．２〜１０μｍ程度の大きさを有している。

第１粒子２１及び第２粒子２３は、上記の構成に限定されるものではなく、別の成分を含有していてもよい。例えば、第１粒子２１が、コバルト（Ｃｏ）又はニッケル（Ｎｉ）を含有していてもよく、また、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）及びモリブデン（Ｍｏ）の化合物（酸化物、炭化物及び窒化物）の少なくとも１つを含有していてもよい。

第１粒子２１におけるタングステンの含有比率としては、例えば、炭化タングステンに換算したとき、９０〜９５質量％程度としてもよい。第１粒子２１におけるクロムの含有比率としては、例えば、１．６〜８質量％程度としてもよい。第２粒子２３における酸化アルミニウムの含有比率としては、例えば、８０〜９８質量％程度としてもよい。

第３粒子２５は、タングステン、クロム、チタンおよび炭素を有している。第３粒子２５におけるタングステンと炭素の合計は９０質量％未満である。第３粒子２５における、タングステン、クロム、チタンの比率は、ＷとＣｒとＴｉの合計を１００としたとき、質量比でＷ：４０〜７０、Ｃｒ：２０〜４０、Ｔｉ：５〜３０であってもよい。また、第３粒子２５は、アルミニウム（Ａｌ）を含有していてもよい。第３粒子２５は、例えば、粒径が０．２〜１０μｍ程度の大きさを有している。

柱状体２７は、複数の第３粒子２５が集合したものであり、柱状体２７の断面視における外形は、直線ではなくてもよく、凹凸を有していてもよい。この柱状体２７の凹部には第１粒子２１や第２粒子２３が存在していてもよい。

また、柱状体２７は、基体の表面に直交する断面において、第１粒子２１が第３粒子２５に囲まれて存在していてもよい。このように組成の異なる粒子が存在していると、第１粒子２１と第３粒子２５との熱膨張差により、柱状体２７に残留応力が発生し、柱状体２７が強化される。柱状体２７は、基体の表面に直交する断面において、第２粒子２３が第３粒子２５に囲まれて存在していてもよい。この場合も、同様の効果が得られる。

なお、基体４の表面に直交する断面において、柱状体２７が、第３粒子のみから構成されていてもよい。

基体４の表面に直交する断面において、柱状体２７の平均アスペクト比は、４〜１５であってもよい。このような範囲であると、クラックの進展を抑制する効果が高くなる。基体４の表面に直交する断面において、柱状体２７の平均長軸長さは、６０〜１９０μｍであってもよい。このような範囲の大きさを有すると、クラックの進展を抑制する効果が大きい。また、基体４の表面に直交する断面において、柱状体２７の平均短軸長さは、３〜１０μｍであってもよい。柱状体２７の平均短軸長さが、このような範囲であると柱状体２７がクラックの進展によって破壊されにくくなる。このような範囲とするとセラミック部材１は、優れた破壊靱性と強度を有する。

柱状体２７は、基体４の表面から基体４の内方に向かって２ｍｍまでの表面領域に存在していてもよい。また、柱状体２７は、表面領域よりも内部にある内部領域に対して、表面領域に多く存在していてもよい。セラミック部材１を構造部材として用いる場合、セラミック部材１を破壊しようとする力はセラミック部材１の表面から印加される。また、セラミック部材１を工具３として用いる場合には、セラミック部材１の表面に摩擦や力が加わることになる。したがって、セラミック部材１の表面において破壊靭性が高いと、摩擦
や力に対向しやすくなる。そこで、柱状体２７は、セラミック部材１の表面領域に存在していてもよい。また、内部領域よりも表面領域に多く存在していてもよい。

本開示の工具３は、上述のセラミック部材１を工具３の基体４として用いたものである。このようなセラミック部材１を基体４として用いた工具３は、基体４の破壊靭性が高いことから、耐欠損性に優れている。

また、本開示の工具３は、セラミック部材１の表面に被覆膜を有するものであってもよく、ＴｉＡｌＮを主成分とする被覆膜を備えていてもよい。なお、主成分とは、８０質量％以上の成分をいう。被覆膜は、工具３の摩耗を抑制するなどの目的で設けられるのであり、例えば、チタン化合物、アルミナ及びダイヤモンドなどが挙げられる。チタン化合物としては、例えば、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ及びＴｉＣＮＯなどが挙げられる。化学蒸着（ＣＶＤ）法又は物理蒸着（ＰＶＤ）法を用いて上記の材質を基体４の表面にコーティングすることによって、基体４の表面に被覆膜を設けることができる。本開示の工具３における被覆膜は、ＰＶＤにより形成してもよい。

断面視における各粒子の構成は、例えば、基体４の表面に直交した断面を鏡面仕上げしたのち、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像によって確認することができる。各粒子における元素分析は、例えば走査型電子顕微鏡に付属するエネルギー分散型Ｘ線分光器（ＥＤＸ）を用いたＳＥＭ−ＥＤＸ法によって評価することができる。また、各粒子を構成する含有成分の確認は、例えばＸ線回折（ＸＲＤ）法を用いることで評価できる。

上記の測定方法によって、ある粒子にタングステン及び炭素が確認され、タングステンと炭素の合計が、９０質量％以上であれば、その粒子は第１粒子２１である。また、ある粒子に第２粒子アルミニウム及び酸素が確認されれば、その粒子は、第２粒子２３である。また、ある粒子にタングステン、クロム、チタン及び炭素が確認され、タングステンと炭素の合計が９０質量％未満であれば、その粒子は第３粒子２５である。

次に、本開示の切削工具について図面を用いて説明する。

本開示の切削工具１０１は、図３に示すように、例えば、第１端（図３における上端）から第２端（図３における下端）に向かって延びる棒状体である。切削工具１０１は、図３に示すように、第１端側（先端側）にポケット１０３を有するホルダ１０５と、ポケット１０３に位置する上記の工具３とを備えている。切削工具１０１は、耐欠損性に優れた工具３を備えているため、長期に渡り安定した切削加工を行うことができる。

ポケット１０３は、工具１が装着される部分であり、ホルダ１０５の下面に対して平行な着座面と、着座面に対して傾斜する拘束側面とを有している。また、ポケット１０３は、ホルダ１０５の第１端側において開口している。

ポケット１０３には工具３が位置している。このとき、工具３の下面がポケット１０３に直接に接していてもよく、また、工具３とポケット１０３との間にシート（不図示）が挟まれていてもよい。

工具３は、第１面５及び第２面７が交わる稜線における切刃９として用いられる部分の少なくとも一部がホルダ１０５から外方に突出するようにホルダ１０５に装着される。本実施形態においては、工具３は、固定ネジ１０７によって、ホルダ１０５に装着されている。すなわち、工具３の貫通孔１７に固定ネジ１０７を挿入し、この固定ネジ１０７の先端をポケット１０３に形成されたネジ孔（不図示）に挿入してネジ部同士を螺合させることによって、工具３がホルダ１０５に装着されている。

ホルダ１０５の材質としては、鋼、鋳鉄などを用いることができる。これらの部材の中で靱性の高い鋼を用いてもよい。

本実施形態においては、いわゆる旋削加工に用いられる切削工具を例示している。旋削加工としては、例えば、内径加工、外径加工、溝入れ加工及び端面加工などが挙げられる。なお、切削工具としては旋削加工に用いられるものに限定されない。例えば、転削加工に用いられる切削工具に上記の実施形態の工具１を用いてもよい。

以下、本開示のセラミック部材（基体）の製造方法について説明する。

まず、基体の原料である無機材料の粉末を準備する。第１粒子を構成する炭化タングステンの粉末として、平均粒径が０．１〜２μｍのＷＣ粉末またはＷ_２Ｃ粉末を準備する。なお、これらのＷＣ粉末またはＷ_２Ｃ粉末は、後述する第３粒子の原料ともなる。

第２粒子を構成する酸化アルミニウム粉末として、０．１〜２μｍのＡｌ_２Ｏ_３粉末を準備する。このとき、Ａｌ_２Ｏ_３粉末の平均粒径がＷＣ粒子及びＷ_２Ｃ粒子よりも大きい場合には、基体における第２粒子の平均粒径を第１粒子及び第３粒子の平均粒径よりも大きくし易い。

第３粒子を構成する原料粉末として、平均粒径が１〜５μｍの炭化クロム粉末（Ｃｒ_３Ｃ_２）と平均粒径が０．１〜２μｍの酸化チタン粉末を準備する。炭化クロム粉末は、Ｃｒ_７Ｃ_３またはＣｒ_２３Ｃ_６粉末を利用しても良く、チタン原料には炭化チタンを用いても良い。なお、第３粒子を構成するタングステンは、第１粒子の原料粉末と共通であってもよい。

このような原料粉末を、例えば、ＷＣ粉末：７５質量％、Ａｌ_２Ｏ_３粉末：２０質量％、Ｃｒ_３Ｃ_２粉末：４．５質量％、ＴｉＯ_２粉末：０．５質量％の割合で混合し、必要に応じてバインダーなどを添加して成形体を作製する。

次に、この成形体を焼成する。本開示の基体を製造するには、下記の焼成条件を用いるとよい。

例えば、１８００〜１９５０℃の温度で６時間以上保持する。焼成時の雰囲気はアルゴン（Ａｒ）及びネオン（Ｎｅ）などの不活性ガス、又はカーボンなどが存在する還元雰囲気とする。ここで、雰囲気ガスにＣＯ_２ガスを加えることで、柱状体が形成される。

また、ＣＯ_２ガスを用いない場合でも、１８００〜１９５０℃というアルミナが分解する温度以上の焼結温度条件で、加熱及び冷却に要する時間を除いても６時間以上という長時間に渡り焼成することで、炭化クロムが酸化されることにより柱状体が形成される。上記の組成を有する成形体を、このような焼成条件で焼成することで、本開示のセラミック部材が得られる。

成形体に含まれる第３粒子の原料となる粉末の含有量を増やすと、セラミック部材に含まれる第３粒子の割合が増加する。また、焼成時の保持時間を長くすると、柱状体の平均長軸長さが長くなりやすい。

また、焼成温度を高くしても、柱状体の平均長軸長さが長くなりやすい。

第１粒子の原料となる粉末の粒径を、第３粒子の原料となる粉末の粒径よりも小さくすると、断面視において、柱状体の内部に第１粒子が取り囲まれて存在しやすい。

また、第２粒子の原料となる粉末の粒径を、第３粒子の原料となる粉末の粒径よりも小さくすると、断面視において、柱状体の内部に第２粒子が取り囲まれて存在しやすい。

また、焼成時の雰囲気に含まれるＣＯ_２ガス量を増やすと、セラミック部材の全体にわたって、第３粒子が存在しやすい。焼成時の雰囲気に含まれるＣＯ_２ガス量を少なくするとセラミック部材の表面から２ｍｍの表面領域に第３粒子を存在させやすい。

上記の通り、焼成時の雰囲気のＣＯ_２ガス量を調整することで、セラミック部材の内部領域よりも、セラミック部材の表面領域に第３粒子が多く存在するセラミック部材を得ることができる。

雰囲気に含まれるＣＯ_２ガス量は、例えば、ＣＯ_２分圧を０．１ＫＰａ〜１ＫＰａの範囲とするとよい。

本開示の基体は、同じ組成で柱状体を含まないものよりも、破壊靭性が高い。このように高い破壊靭性を有することにより、セラミック部材として優れる。また、基体を所定の形状として工具として用いた場合には、優れた靭性を有することから、耐欠損性に優れる。

その後、作製した基体の表面に、研磨加工又はホーニング加工を施してもよい。なお、研磨加工及びホーニング加工は不要であれば省略しても構わない。

その後、作製した基体の表面に化学蒸着法又は物理蒸着法を用いてチタン化合物などをコーティングすることにより、基体及び被覆膜を備えた工具が作製される。このコーティングの工程を省略した場合には、基体のみを備えた工具が作製される。この被覆膜は、ＰＶＤ膜とすると、耐欠損性に優れる。

本開示のセラミック部材及びこれを用いた工具、切削工具は、上述の実施形態に限定されず、本開示の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行なってもよい。

１・・・セラミック部材
３・・・工具
４・・・基体
５・・・第１面
７・・・第２面
９・・・切刃
１７・・・貫通孔
２１・・・第１粒子
２３・・・第２粒子
２５・・・第３粒子
２７・・・柱状体
１０１・・切削工具
１０３・・ポケット
１０５・・ホルダ
１０７・・固定ねじ

Claims

タングステンおよび炭素を合計で９０質量％以上含有する複数の第１粒子と、
アルミニウムおよび酸素を含有する複数の第２粒子と、を有するセラミックスの基体からなるセラミック部材であって、
前記基体は、
さらに、タングステンと炭素を合計で９０質量％未満含有し、クロムおよびチタンを含有する複数の第３粒子を含む柱状体を有し、
該柱状体は、前記基体の表面に直交する断面における平均長軸長さが４０μｍ以上である、セラミック部材。
前記柱状体は、前記基体の表面に直交する断面において複数の前記第３粒子に前記第１粒子が囲まれて存在する、請求項１に記載のセラミック部材。
前記柱状体は、前記基体の表面に直交する断面において複数の前記第３粒子に前記第２粒子が囲まれて存在する、請求項１または２に記載のセラミック部材。
前記柱状体は、前記基体の表面に直交する断面において、平均アスペクト比が４〜１５である、請求項１〜３のいずれかに記載のセラミック部材。
前記柱状体は、前記基体の表面に直交する断面において、平均長軸長さが６０〜９０μｍである、請求項１〜４のいずれかに記載のセラミック部材。
前記柱状体は、前記基体の表面から前記基体の内方に向かって２ｍｍまでの表面領域に存在する、請求項１〜５のいずれかに記載のセラミック部材。
前記柱状体は、前記表面領域よりも前記基体の内方の内部領域に対し、前記表面領域に多く存在する、請求項１〜６のいずれかに記載のセラミック部材。
請求項１〜７のいずれか１つに記載のセラミック部材を備えた工具。
前記セラミック部材の表面に、被覆膜を備えた、請求項８に記載の工具。
前記被覆膜は、ＴｉＡｌＮを主成分とする被覆膜を備えている請求項９に記載の工具。
第１端から第２端に向かって延び、前記第１端側にポケットを有するホルダと、
前記ポケットに位置する請求項８〜１０のいずれかに記載の工具と、を備えた切削工具。