JP3082434B2 - 靭性のすぐれた酸化アルミニウム基セラミックス製切削工具の製造法 - Google Patents

靭性のすぐれた酸化アルミニウム基セラミックス製切削工具の製造法

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JP3082434B2 JP04134275A JP13427592A JP3082434B2 JP 3082434 B2 JP3082434 B2 JP 3082434B2 JP 04134275 A JP04134275 A JP 04134275A JP 13427592 A JP13427592 A JP 13427592A JP 3082434 B2 JP3082434 B2 JP 3082434B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、すぐれた靭性を有
し、例えば鋳鉄の連続切削は勿論のこと、高靭性が要求
される鋳鉄の断続切削や、高送りおよび高切込みなどの
重切削に用いた場合にも切刃に欠損やチッピング発生な
く、すぐれた切削性能を発揮する酸化アルミニウム(以
下、Al2 3 で示す)基セラミックス製切削工具の製
造法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、例えば特開昭61−270266
号公報に記載される通り、原料粉末として、Al2 3
粉末、酸化ジルコニウム(以下、ZrO2 で示す)粉
末、MgOやY2 3 、さらにCeO2 などの安定化助
剤を0.1〜12モル%の割合で含有させてなる部分安
定化ZrO2 粉末、および主体がウイスカーからなる炭
化けい素(以下、SiCで示す)を用い、これら原料粉
末を、重量%で(以下、%は重量%を示す)、 ZrO2 および部分安定化ZrO2 のうちの1種以上:
5〜30%、 主体がウイスカーからなるSiC(以下、SiCウイス
カーという):2〜30%、 Al2 3 :残り、 の配合組成に配合し、混合し、この結果の混合粉末に、
温度:1500〜1900℃、圧力:20〜40MPa
の通常の条件でホットプレス焼結を施すことによりAl
2 3 基セラミックスで構成された切削工具を製造する
方法が知られており、かつこれが例えば鋳鉄の連続切削
に用いられていることも知られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】一方近年の切削加工の
多様化に対する要求は強く、これに伴ない、例えば鋳鉄
の連続切削ばかりでなく、これの断続切削や、高送りお
よび高切込みなどの重切削などの切削も可能なAl2
3 基セラミックス製切削工具が求められる傾向にある
が、上記の従来Al2 3 基セラミックス製切削工具は
じめ、その他のAl2 3 基セラミックス製切削工具は
靭性不足が原因で、上記の高靭性が要求される断続切削
や重切削などに用いた場合、切刃に欠損やチッピングが
発生し易く、実用に供することができないのが現状であ
る。
【0004】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明者等は、
上述のような観点から、靭性のすぐれたAl2 3 基セ
ラミックス製切削工具を開発すべく研究を行なった結
果、Al2 3 基セラミックス製切削工具を製造するに
際して、原料粉末として用いられるAl2 3 粉末に、
あらかじめCa,Ba,およびSrの炭酸塩、硝酸塩、
塩化物、および酸化物(以下、それぞれCaCO3 ,B
aCO3 ,SrCO3 ,Ca(NO3 2 ,Ba(NO
3 2 ,Sr(NO3 2 ,CaCl2 ,BaCl2
SrCl2 ,CaO,BaO、およびSrOで示す)の
うちの1種以上の粉末と、酸化けい素(以下、SiO2
で示す)粉末およびアルコキシドのうちの1種以上と
を、以下いずれも全体に占める割合で、それぞれ0.0
2〜1%づつ配合し、混合した後、酸化性雰囲気中、6
00〜1050℃の範囲内の所定温度に所定時間保持の
加熱処理を施した状態で(この場合、前記炭酸塩、硝酸
塩、および塩化物はいずれも酸化物となり、またアルコ
キシドもSiO2 となる)、これに同じく原料粉末とし
てのZrO2 粉末および部分安定化ZrO2 粉末のうち
の1種以上:5〜30%と、SiCウイスカー:5〜3
0%を配合し、混合した後、この混合粉末に、温度15
00〜1900℃、圧力:20〜40MPaの通常の条
件でホットプレス焼結を施すと、このホットプレス焼結
時に上記Ca,Ba,およびSrの酸化物とSiO2
共存作用でAl2 3 結晶が板状に成長し、この結果得
られたAl2 3 基セラミックス製切削工具は板状成長
したAl2 3 結晶によってすぐれた靭性を具備するよ
うになり、例えば高靭性が要求される鋳鉄の断続切削や
重切削に用いても切刃に欠損やチッピングの発生なく、
すぐれた切削性能を長期に亘って発揮するという研究結
果を得たのである。
【0005】この発明は、上記の研究結果にもとづいて
なされたものであって、(a) Al2 3 粉末に、以
下いずれも全体に占める割合で、焼結時のAl2 3
晶の板状成長促進助剤として、CaCO3 ,BaC
3 ,SrCO3 ,Ca(NO3 2 ,Ba(NO3
2,Sr(NO3 2 ,CaCl2 ,BaCl2 ,Sr
Cl2 ,CaO,BaO,およびSrO(これらのうち
の炭酸塩、硝酸塩、および塩化物は後工程の加熱処理で
酸化物となるので、以下前記酸化物を含め、これらを総
称して金属酸化物系化合物という)のうちの1種以上の
粉末:0.02〜1%と、SiO2 粉末およびアルコキ
シド(このアルコキシドも上記加熱処理でSiO 2 とな
るので、以下SiO2 を含め、これらを総称してSiO
2 系化合物という)のうちの1種以上:0.02〜1
%、を配合し、混合した後、(b) 上記混合粉末に、
酸化性雰囲気中、600〜1050℃の範囲内の所定温
度に所定時間保持の加熱処理を施し、(c) ついで、
上記加熱処理後の混合粉末に、ZrO2 粉末および部分
安定化ZrO2 粉末のうちの1種以上:5〜30%と、
SiCウイスカー:5〜30%、を配合し、混合し、
(d) 上記混合粉末に通常の条件でホットプレス焼結
を施して、Al2 3結晶が板状成長した組織を有する
Al2 3 基セラミックスで構成された切削工具を製造
する方法に特徴を有するものである。
【0006】つぎに、この発明の方法において、配合割
合および加熱処理温度を上記の通りに限定した理由を説
明する。 (a) Al2 3 結晶の板状成長促進助剤の配合割合 上記の通り金属酸化物系化合物粉末とSiO2 系化合物
粉末には、共存した状態で焼結時にAl2 3 結晶を板
状に成長させ、もって靭性を向上させる作用があり、し
たがって金属酸化物系化合物粉末およびSiO2 系化合
物粉末のいずれかでも、その配合割合が0.02%未満
になると、所望のAl2 3 結晶の板状成長促進効果が
得られず、一方その配合割合が、いずれかでも1%を越
えると、Al2 3 結晶に全方位型成長が起るようにな
って板状Al2 3 結晶の形成が困難になり、すぐれた
靭性を確保することができなくなることから、その配合
割合をそれぞれ0.02〜1%と定めた。
【0007】(b) ZrO2 および部分安定化ZrO
2 の配合割合 ZrO2 および部分安定化ZrO2 粉末には、強度を向
上させる作用があるが、その配合割合が5%未満では所
望の高強度を確保することができず、一方その配合割合
が30%を越えると硬さが急激に低下するようになるこ
とから、その配合割合を5〜30%と定めた。
【0008】(c) SiCウイスカーの配合割合 SiCウイスカーにはセラミックスの靭性を向上させる
作用があるが、その配合割合が5%未満では所望の靭性
向上効果が得られず、一方その配合割合が30%を越え
ると、焼結が困難となり、強度低下が著しくなることか
ら、その配合割合を5〜30%と定めた。
【0009】(d) 加熱処理温度 その温度が600℃未満では、板状成長促進助剤の分解
が不十分なので、ホットプレス焼結時におけるAl2
3 結晶の板状成長が十分に行なわれず、一方その温度が
1050℃を越えると、Al2 3 粉末間に凝集が起こ
るようになることから、その温度を600〜1050℃
と定めた。
【0010】
【実施例】つぎに、この発明の方法を実施例により具体
的に説明する。原料粉末として、いずれも0.1〜5μ
mの範囲内の平均粒径を有する、各種の金属酸化物系化
合物粉末およびSiO2 系化合物粉末、ZrO2 粉末、
部分安定化ZrO2 粉末、Al2 3 粉末、さらに長
径:15〜50μm×短径:0.4〜2μmで、アスペ
クト比が35〜40のウイスカーが70%を占めるSi
Cウイスカーを用意し、まず、これらの原料粉末のうち
の金属酸化物系化合物粉末とSiO2 系化合物粉末と
を、Al2 3 粉末に表1,2に示される割合(全体に
占める割合で示す、以下同じ)で配合し、ボールミルで
72時間混合した後、大気中、表3,4に示される条件
で加熱処理を施し、ついでこれに同じく表1,2に示さ
れる割合で、ZrO2 粉末および部分安定化ZrO2
末のうちの1種以上を配合し、湿式ボールミルで24時
間混合してスラリー状とし、引続いてSiCウイスカー
を配合し、超音波と機械による湿式混合を2時間行な
い、乾燥した後、これに表3,4に示される条件でホッ
トプレス焼結を施すことにより本発明法1〜18を実施
し、JIS・SNGN120408のスローアウエイチ
ップ形状をもったAl2 3 基セラミックス製切削工具
を製造した。また、曲げ強度および破壊靭性値測定用試
験片も合せて製造した。
【0011】さらに、比較の目的で、原料粉末として、
上記のAl2 3 粉末、ZrO2 粉末、安定化ZrO2
粉末、およびSiCウイスカーを用い、表2に示される
配合割合とし、かつ同一の条件で湿式混合し、乾燥した
後、表4で示される条件でホットプレス焼結を行なうこ
とにより従来法1〜4を実施し、同じ形状を有するAl
2 3 基セラミックス製切削工具と、同じく強度および
靭性を評価するための曲げ強度および破壊靭性値測定用
試験片をそれぞれ製造した。
【0012】
【表1】
【0013】
【表2】
【0014】
【表3】
【0015】
【表4】
【0016】ついで、この結果得られた各種の切削工具
について、 被削材:FC30、 切削速度:300m/min.、 切込み:2mm、 送り:0.2mm/rev.、 切削時間:20分、 の条件で鋳鉄の湿式フライス断続切削試験を行ない、切
刃の逃げ面摩耗幅を測定した。この測定結果を、曲げ強
度および破壊靭性値の測定結果と共に表3,4に示し
た。
【0017】
【発明の効果】表1〜4に示される結果から、本発明法
1〜18により製造されたAl2 3基セラミックス製
切削工具は、Al2 3 結晶が板状に成長した組織を有
するので、従来法1〜4で製造されたAl2 3 基セラ
ミックス製切削工具と同等の高強度を具備した上で、こ
れより一段とすぐれた靭性を有し、この結果鋳鉄の断続
切削でも切刃に欠損やチッピングの発生なく、すぐれた
耐摩耗性を長期に亘って発揮することが明らかである。
【0018】上述のように、この発明の方法によれば、
例えば鋳鉄の連続切削は勿論のこと、高靭性が要求され
る鋳鉄の断続切削、さらに重切削にも、切刃に欠損やチ
ッピングの発生することなく、長期に亘ってすぐれた切
削性能を発揮するAl2 3基セラミックス製切削工具
を製造することができるのである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−301764(JP,A) 特開 平5−301761(JP,A) 特開 平5−262560(JP,A) 特開 平5−301762(JP,A) 特許2910020(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C04B 35/10 C04B 35/00

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 (a) 酸化アルミニウム粉末に、以下
    いずれも全体に占める重量割合で、焼結時の酸化アルミ
    ニウム結晶の板状成長促進助剤として、 Ca,Ba,およびSrの炭酸塩粉末、硝酸塩粉末、塩
    化物粉末、および酸化物粉末のうちの1種以上:0.0
    2〜1%と、 酸化けい素粉末およびアルコキシドのうちの1種以上:
    0.02〜1%、を配合し、混合した後、 (b) 上記混合粉末に、酸化性雰囲気中、600〜1
    050℃に加熱保持の条件で加熱処理を施し、 (c) ついで、上記加熱処理後の混合粉末に、 酸化ジルコニウム粉末および部分安定化酸化ジルコニウ
    ム粉末のうちの1種以上:5〜30%と、 主体がウイスカーからなる炭化けい素:5〜30%、を
    配合し、混合し、 (b) 上記混合粉末にホットプレス焼結を施して、酸
    化アルミニウム結晶が板状成長した組織を有するセラミ
    ックスで構成された切削工具を形成する、以上(a)〜
    (d)の基本工程からなることを特徴とする靭性のすぐ
    れた酸化アルミニウム基セラミックス製切削工具の製造
    法。
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