JP2023041692A - セラミック部材及び切削工具 - Google Patents
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Abstract
【課題】強度を向上させる。【解決手段】本開示のセラミック部材は、Wの炭化物換算の含有比率が80質量%以上であり、WCおよびW2Cの少なくとも一方を含有する複数の第1粒子と、Al2O3の含有比率が80質量%以上である複数の第2粒子と、を有する。複数の第1粒子のうち少なくとも1つは、WCおよびW2Cの両方を含有する。タングステンの炭化物の含有量は、タングステンの炭化物およびAl2O3以外の他の化合物の含有量の合計よりも多く、Al2O3の含有量は、タングステンの炭化物およびAl2O3以外の他の化合物の含有量の合計よりも多い。本開示の切削工具は、上記セラミック部材を備えている。【選択図】図3
Description
本開示は、切削工具に用いられるセラミック部材に関する。
切削加工において切削工具が用いられている。この切削工具において、例えば特許文献1-3に記載されているように、アルミナ(Al2O3)と炭化タングステン(WC)とを含有するセラミック部材が用いられている。また、炭化クロム(例えば、Cr3C、Cr3C2)を含有させることも記載されている。この炭化クロムは、一般的に耐食性を向上させるため用いられる。
本開示のセラミック部材は、Wの炭化物換算の含有比率が80質量%以上であり、WCおよびW2Cの少なくとも一方を含有する複数の第1粒子と、Al2O3の含有比率が80質量%以上である複数の第2粒子と、を有する。複数の第1粒子のうち少なくとも1つは、WCおよびW2Cの両方を含有する。また、タングステンの炭化物の含有量は、タングステンの炭化物およびAl2O3以外の他の化合物の含有量の合計よりも多く、Al2O3の含有量は、タングステンの炭化物およびAl2O3以外の他の化合物の含有量の合計よりも多い。本開示の切削工具は、上記セラミック部材を備えている。
以下、一実施形態のセラミック部材について、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。
本実施形態においては、セラミック部材の一例として切削工具1に用いられる基体3を示す。本実施形態における切削工具1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。
切削工具1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。図1に示す切削工具1においては、切刃9は、第1面5の外周部分の全体に位置しているため環状になっている。
切削工具1は、多角板形状の基体3と、この基体3の表面に位置する被覆層11とを有
している。なお、切削工具1は被覆層11を有さない構成であってもよい。切削工具1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から第1面5の反対側に位置する面(下面)までの高さは3~20mm程度に設定される。被覆層11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。切削工具1の大きさに対する被覆層11の厚みが非常に小さいため、基体3の大きさは、実質的に切削工具1の大きさと同じである。
している。なお、切削工具1は被覆層11を有さない構成であってもよい。切削工具1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から第1面5の反対側に位置する面(下面)までの高さは3~20mm程度に設定される。被覆層11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。切削工具1の大きさに対する被覆層11の厚みが非常に小さいため、基体3の大きさは、実質的に切削工具1の大きさと同じである。
切削工具1の断面図を図2~図4に示す。なお、図2は、図1におけるA-Aにおいて断面視したものであり、第1面5に直交する断面図である。図3は、図2の一部を拡大した図である。図4は、図3の一部をさらに拡大した図である。なお、視覚的な理解を容易にするため、図3においては第1相13のみ斜線を加えて図示しており、図4においては第1相13及び第2相15に斜線を加えて図示している。
なお、第1相13は複数の第1粒子19を含んでいる。また、第2相15は複数の第2粒子21を含んでいる。視覚的な理解を容易にするため、図中で、第1粒子19同士の境界および第2粒子21同士の境界は省略した。なお、図中の第3粒子23は、第2粒子21の内部に存在することを確認した。
図3及び図4に示すように、本開示の基体3は、第1相13と、第2相15と、第3相17とを有している。第1相13は、タングステンと炭素とを含有する複数の第1粒子19からなる。第2相15は、アルミニウムと酸素とを含有する複数の第2粒子21からなる。この第2粒子は、アルミナ粒子であってもよい。第3相17は、タングステンと炭素とを含有する第3粒子23からなる。第2粒子は、少なくとも1つが、第3粒子を内部に有している。第2粒子21が第3粒子を内部に有しているとは、複数の第2粒子21に第3粒子23が取り囲まれている状態を指すのではなく、1つの第2粒子21の内部に第3粒子23が存在する状態を指す。
このような状態は、第3粒子23と、第3粒子23の周りに存在する第2粒子21の周りの粒界相とを繋ぐ粒界相がない状態であり、例えば、走査型電子顕微鏡(SEM)画像などにより観察することができる。
第1粒子19および第3粒子23は、例えば、炭化タングステンであり、組成式がWCで示されるものが主として含有されるが、組成式がW2Cで示されるものを含有していてもよい。第2粒子21におけるアルミナとしては、例えば、κ-Al2O3及びα-Al2O3が挙げられる。
第1粒子19は、上記の構成に限定されるものではなく、タングステンと炭素とを含むものであれば、別の成分を含有していてもよい。例えば、周期律表4A、5A、6Aに属する元素を含有していてもよい。例えば、第1粒子19が、クロム(Cr)、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相13を構成する第1粒子19がクロムを含有する場合、原料として、例えば、炭化クロムを用いることができ、組成式がCr3C、Cr3C2及びCr7C3で示されるものを用いてもよい。
第1粒子19におけるタングステンの炭化物換算の含有比率としては、例えば、80~100質量%程度に設定される。第1粒子19がクロムを含有する場合には、クロムの炭
化物換算の含有比率としては、例えば、2~10質量%程度に設定される。第2粒子21におけるアルミナの含有比率としては、例えば、80~100質量%程度に設定される。
化物換算の含有比率としては、例えば、2~10質量%程度に設定される。第2粒子21におけるアルミナの含有比率としては、例えば、80~100質量%程度に設定される。
また、第2粒子21についても、同様に他の成分を含有していてもよい。
第3粒子23は、タングステンと炭素とを含有している。第3相17は、例えば、炭化タングステンのみによって構成されていてもよい。第3粒子23は、厳密に炭化タングステンのみからなるものに限定されるものではなく、製造工程上不可避な程度、具体的には0.05質量%程度の他の成分を含有する構成を許容する。
断面視における各相の構成は、例えば走査型電子顕微鏡(SEM)画像によって確認することができ、各相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、各相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。図3及び図4に示すような各相の構成は、上記のSEM画像によって確認できる。
上記の測定方法によって、第1相13に存在する第1粒子19において、タングステン及び炭素が確認されれば炭化タングステンである。また、さらにクロムが確認されれば、タングステンとクロムの炭化物である。第1粒子19がクロムを含有していると、基体3の耐食性が向上する。さらに、第2相15に存在する第2粒子21において、アルミニウム及び酸素が確認されれば、アルミナである。また、第2粒子21中に存在する第3粒子23において、タングステン及び炭素が確認されれば、第2粒子21の内部に炭化タングステンからなる第3粒子23が位置していると言える。
本開示の切削工具1に含有される第1粒子19と第2粒子21とを比較すると、第1粒子19が炭化タングステンであり、第2粒子21がアルミナである場合、炭化タングステンと比べてアルミナの抗折力が低い。そのため、切削加工時など、強い負荷がセラミック部材3に加わる場合において、第2粒子21である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3の強度が低下するおそれがある。
本開示の切削工具1においては、第2相15を構成する第2粒子21の内部に、炭化タングステンからなる第3粒子23が位置している。第3相17は、実質的に炭化タングステンのみからなることから高い硬度を有する。そのため、第2粒子21にクラックが生じた場合であっても、このクラックの進行を第2粒子21の内部に存在する第3粒子23で安定して抑制できる。これにより、第2粒子21においてクラックが長く延びるおそれが小さくなるため、セラミック部材3の強度の低下が避けられる。
第1粒子19における炭化タングステンとして、WC及びW2Cを例示したが、第1粒子19がWC又はW2Cのいずれか一方を含有するのではなく、WC及びW2Cを含有している場合には、W2Cによって第1粒子19におけるWCと第2粒子21におけるアルミナとの結合強度が高められるため、基体3全体としての強度が高まる。
第2相15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族元素の酸化物の少なくとも1つを含有していてもよい。例えば、第2相15においては、上記の酸化物をアルミナの焼結助剤として用いることができる。
また、第2相15は、タングステンを含有していてもよい。第1相13及び第2相15がタングステンを含有している場合には、第1相13及び第2相15の親和性が高められ
る。このとき、第2粒子21が、第1相13との境界から深さ1μmまでの外周領域と、この外周領域よりも内側に位置する内部領域とを有し、外周領域におけるタングステンの含有比率が内部領域におけるタングステンの含有比率よりも高い場合には、内部領域において第2粒子19の強度を確保しつつ、外部領域において第1相13に対する親和性を高めることができる。
る。このとき、第2粒子21が、第1相13との境界から深さ1μmまでの外周領域と、この外周領域よりも内側に位置する内部領域とを有し、外周領域におけるタングステンの含有比率が内部領域におけるタングステンの含有比率よりも高い場合には、内部領域において第2粒子19の強度を確保しつつ、外部領域において第1相13に対する親和性を高めることができる。
本開示における第1相13は、タングステン及び炭素を含有する複数の第1粒子19を有している。第2相15は、アルミナを含有する複数の第2粒子21を有している。第3相17は、タングステンと炭素を含有する複数の第3粒子23を有している。各粒子の境界は、例えば透過型電子顕微鏡(TEM)画像又は電子後方散乱回折(EBSD)法による画像を解析することによって判断できる。
第1~第3の各粒子の大きさは特に限定されるものではないが、例えば、0.5~2μm程度に設定される。このとき、第2粒子21の平均粒径が、第1粒子19の平均粒径よりも大きい場合には、基体3の強度がさらに高まる。平均粒径は、例えば、断面のSEM画像を用いて画像解析により円相当径を測定することにより確認することができる。
第2相15においては、第2粒子21の内部よりも、第2粒子21の表面、言い換えれば複数の第2粒子21の間においてクラックが発生しやすい。しかしながら、第2粒子21の平均粒径が相対的に大きい場合には、第2相15における第2粒子21の表面積が減るため第2相15においてクラックが生じにくくなる。また、第1粒子19の平均粒径が相対的に小さいことによって、第1相13を緻密化させることができる。
また、第2粒子21の平均粒径が、第3粒子23の平均粒径よりも大きい場合には、第2粒子21内に第3相17を分散させ易くなる。そのため、第2粒子21にクラックが生じた場合であっても、クラックの進展を第3粒子23で止めやすくなる。
基体3の強度のばらつきを抑制する観点から、第1相13及び第2相15は、それぞれ複数の第1粒子19及び複数の第2粒子21が混在する構成となっている。ここで、第1相13が網目構造となっており、複数の第2相15が網目構造の中に位置している場合には、基体3の強度をさらに高めることができる。第1相13によって複数の第2相15が分断された構成となることから、第2相15の一部においてクラックが生じた場合であっても、このクラックの進展が第1相13において止められるため、クラックが長く進展することが避けられる。
なお、上記の網目構造とは、複数の第2粒子21が分散して複数の第2相15を構成するとともに、各第2相15が1つの第1相13に囲まれている状態を指す。例えば、20μm×20μmの範囲のSEM画像において、第1粒子19に囲まれて互いに離れて位置する第2相15が10以上有するとともに、各第2相15を囲む第1粒子19が接続されて1つの第1相13を構成している場合に、第1相13が網目構造となっており、複数の第2相15が網目構造の中に位置しているといえる。
本開示の切削工具1は、基体3の表面に被覆層11を有していてもよい。被覆層11は、切削工具1の摩耗を抑制するなどの目的で設けられる。被覆層11として用いる材料として、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、TiAlN及びTiCNOなどが挙げられる。本開示の切削工具1においては、耐摩耗性を高くするため、TiAlN層を用いてもよい。これらの被覆膜11は、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3の表面にコーティングすることによって設けることができる。
本開示の切削工具1においては、PVD法により形成された被覆層11を用いるとよい。PVD被膜を設けると基体に圧縮応力が発生し、切削工具の耐欠損性が向上する。
以下、本実施形態の基体3の製造方法について説明する。
まず、基体3の原料である無機材料の粉末を準備する。第1相13及び第3相17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粒子を準備する。第1相13を構成する炭化クロムの粉末として、0.1~2μmのCr3C2粒子を準備する。第2相15を構成するアルミナ粒子として、0.1~2μmのAl2O3粒子を準備する。このとき、Al2O3粒子の平均粒径がWC粒子及びW2C粒子よりも大きい場合には、基体3における第2粒子21の平均粒径を第1粒子19及び第3粒子23の平均粒径よりも大きくし易い。
上記の無機材料の粉末に、金属粉末及びカーボン粉末などを適宜添加、混合する。次に、プレス成形、鋳込成形、押出成形又は冷間静水圧プレス成形などの公知の成形方法を利用して、上記の混合粉末を所定の工具形状に成形して成形体を得る。
その後、成形体を真空中又は非酸化性雰囲気中にて焼成することによって基体3が作製される。作製された基体3の表面に、研磨加工又はホーニング加工を施す。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。
焼成は、例えば、1800~1950℃の温度でアルゴン(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において6時間以上行われる。このとき、1800~1950℃というアルミナが分解する温度以上の焼結温度下で、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によって、第3粒子23を構成する炭化タングステンの粉末が分解されたアルミナに囲まれ、本開示の構成を有する基体3が形成される。また、上記の温度で焼成することによって、Cr3C2粒子が液相となり、第1相13が網目構造になり易い。
その後、作製された基体3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3及び被覆層11を備えた切削工具1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3のみを備えた切削工具1が作製される。
なお、上記の例では、原料として炭化クロムを用いた例を示したが、炭化クロムを除いて、その分を炭化タングステンの粉末やアルミナ粒子としてもよい。
本発明は前述した実施形態に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変更、改良、組合せ等が可能である。
1・・・切削工具
3・・・基体(セラミック部材)
5・・・第1面
7・・・第2面
9・・・切刃
11・・・被覆層
13・・・第1相
15・・・第2相
17・・・第3相
19・・・第1粒子
21・・・第2粒子
23・・・第3粒子
3・・・基体(セラミック部材)
5・・・第1面
7・・・第2面
9・・・切刃
11・・・被覆層
13・・・第1相
15・・・第2相
17・・・第3相
19・・・第1粒子
21・・・第2粒子
23・・・第3粒子
Claims (11)
- Wの炭化物換算の含有比率が80質量%以上であり、WCおよびW2Cの少なくとも一方を含有する複数の第1粒子と、
Al2O3の含有比率が80質量%以上である複数の第2粒子と、を有し、
複数の前記第1粒子のうち少なくとも1つは、WCおよびW2Cの両方を含有し、
タングステンの炭化物の含有量は、タングステンの炭化物およびAl2O3以外の他の化合物の含有量の合計よりも多く、Al2O3の含有量は、タングステンの炭化物およびAl2O3以外の他の化合物の含有量の合計よりも多い、セラミック部材。 - 断面視において、前記複数の第2粒子からなる第2層のうち少なくとも1つは、前記複数の第1粒子に囲まれている、請求項1に記載のセラミック部材。
- 断面視において、前記複数の第2粒子の少なくとも1つは、
前記第1粒子との境界に接する外側領域と、
前記外側領域よりも内側に位置し、前記第2粒子の中心を含む内側領域と
を有し、
前記外側領域におけるタングステンの含有比率が前記内側領域におけるタングステンの含有比率よりも高い、請求項1または2に記載のセラミック部材。 - 前記第2粒子の平均粒径が、前記第1粒子の平均粒径よりも大きい、請求項1~3のいずれかに記載のセラミック部材。
- 前記第2粒子は、網目状に位置する前記複数の第1粒子の中に位置している、請求項1~4のいずれかに記載のセラミック部材。
- 前記複数の第1粒子は、少なくとも1つが、さらに周期律表4A、5A、6Aの元素を含有している請求項1~5のいずれかに記載のセラミック部材。
- 前記複数の第1粒子は、少なくとも1つが、クロムを含有している、請求項1~6のいずれかに記載のセラミック部材。
- 前記複数の第1粒子からなる第1層を有し、
断面視において、
前記第2粒子は、前記第1層によって囲まれる領域内に位置する、請求項1~7のいずれかに記載のセラミック部材。 - 請求項1~8のいずれかに記載のセラミック部材を備えた切削工具。
- 前記セラミック部材の表面に、被覆膜を備えている請求項9に記載の切削工具。
- 前記被覆膜は、少なくともTiAlN層を備えている請求項10に記載の切削工具。
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