JP4004024B2 - 炭化チタン基セラミックス工具とその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化チタン焼結体の結晶粒子内にアルミナ、希土類酸化物、ホウ化チタンなどの微細粒子を分散させた炭化チタン基セラミックス工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
アルミナ系，アルミナ−炭化チタン系，窒化ケイ素系に代表されるセラミックス工具は、高速切削で威力を発揮するものの、強度・靱性が低いために欠損し易くて信頼性に欠ける。硬さと靱性を同時に改善する一手法として、マトリックス粒子内に他成分の超微粒子を分散させて強化したナノコンポジット材がある。分散強化によって硬さが向上すると共に、マトリックス粒子内への応力場付加によって破壊クラックの進展が抑制されるために靱性が改善されるからである。
【０００３】
ナノコンポジット材に関する提案は多数あるが、切削工具に関わる先行技術の代表的なものに、アルミナ系として特開平０２−２２９７５６号公報、特開平０２−２２９７５７号公報が、ホウ化チタン系として特開平０７―８９７６５号公報、特開平０７―１０９１７４号公報などがある。また、分散粒子の形態については特開平０７―８２０４７号公報などがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
アルミナ系に関する代表例の内、特開平２−２２９７５７号公報には、０．５〜１００μｍの結晶粒子を有するＡｌ₂Ｏ₃マトリックスの結晶粒内に粒子径２０μｍ以下のＴｉＮ微粒子を分散させたセラミックス複合材料が、また特開平２−２２９７５７号公報には、０．５〜１００μｍの結晶粒子を有するＡｌ₂Ｏ₃マトリックスの結晶粒内に粒子径２０μｍ以下のＴｉＣ微粒子を分散させたセラミックス複合材料について記載されている。
【０００５】
これらの公報に記載されたセラミックス複合材料は、ＴｉＮあるいはＴｉＣがＡｌ₂Ｏ₃マトリックスの粒界相として存在している従来の酸化アルミニウム基焼結体に比べて強度が改善されてはいるが、鋼の断続切削，鋳物，耐熱合金などの高速切削に用いた場合、強度，靱性が不十分なために欠損，チッピングや境界摩耗を起こし易いと言う問題がある。特にダクタイル鋳鉄の高速旋削では、ダクタイル鋳鉄の接種剤成分とＡｌ₂Ｏ₃マトリックスとの反応による逃げ面摩耗が顕著となる問題がある。
【０００６】
ホウ化チタン系に関する代表例の内、特開平０７―０８９７６５号公報には、０．３〜５μｍの結晶粒子を有する第４ａ族のホウ化物の結晶粒内又は粒界に、粒子径５００ｎｍ以下のＳｉＣ微粒子を３〜３０体積％分散させた切削工具用セラミックス材料が、また同様に特開平０７―１０９１７４号公報には、粒子径５００ｎｍ以下の第６ａ族の金属微粒子を３〜２０体積％分散させた硼化物系セラミックス複合材料が記載されている。
【０００７】
これら公報記載のホウ化物系セラミックスは、アルミニウムに対する耐溶着性や高温特性に優れているためにアルミニウム合金切削では威力を発揮するものの、鉄系材料とは反応し易いために鋼，鋳物，耐熱合金などの高速切削では摩耗が著しいと言う問題がある。
【０００８】
また、分散粒子の形態について特開平０７―８２０４７号公報には、マトリックスの結晶粒子の粒子内にマトリックスとは別種のナノメートルサイズの球状粒子が、結晶粒界にはマトリックスとは別種の板状粒子（径が５〜３０μｍ、厚さが６μｍ以下）が全体の０．５〜２０体積％分散したセラミックス複合体が記載されている。マトリックス，球状粒子，板状粒子は、Ａｌ₃Ｏ₃，ＺｒＯ₂，Ｓｉ₃Ｎ₄，ＳｉＣ，ＡｌＮの組み合わせである。
【０００９】
同公報記載のセラミックス複合体は、ナノ粒子のマトリックス粒子内への分散と粒界への板状粒子の分散によるシナジー効果によって靱性や高温特性を高めたものであるが、切削工具に用いた場合は、いずれのマトリックスでも耐摩耗性が不十分であると言う問題がある。
【００１０】
本発明は、上述のような問題点を解決したもので、具体的には、アルミナよりも硬度，靱性とも優れた炭化チタンを主成分とした焼結体において、炭化チタンの結晶粒子内および結晶粒界にアルミナ、希土類酸化物、ホウ化チタンなどの分散相粒子を分散させることにより各種被削材の高速切削で長寿命を発揮する切削工具用セラミックスの提供を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、炭化チタン基セラミックスを切削工具として用いる場合における工具の寿命および信頼性の向上について検討していたところ、炭化チタンの結晶粒子内に微細な異種物質を分散させると硬度，強度，靱性が向上すること、異種物質の種類，含有量および粒径を調整することにより、切削工具として用いた場合、耐クレータ摩耗性，耐フランク摩耗性，靭性を高めることができること、特にダクタイル鋳鉄の高速切削において性能向上効果が著しいと言う知見を得て、本発明を完成するに至ったものである。
【００１２】
すなわち、本発明の炭化チタン基セラミックス工具は、炭化チタンを主成分とした主要相とマグネシウム，アルミニウム，チタン，ジルコニウム，ハフニウム，イットリウム，希土類金属元素の酸化物，ホウ化物，チタンのホウ化物，鉄族金属，およびこれらの固溶体の中から選ばれた少なくとも一種の分散相とで構成され、該分散相が、該主要相の結晶粒子内と結晶粒界に1〜３０体積％含有されていることを特徴とするものである。
【００１３】
本発明のセラミックス工具における炭化チタンを主成分とした主要相は（Ｔｉ_1-AＭ_A）（Ｃ_1-x-yＮ_xＯ_y）_z［ただし、Ｍはチタンを除く周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族元素を表し、０≦Ａ≦０．３，０≦Ｘ≦０．３，０≦Ｙ≦０．１，０．８≦Ｚ≦１．１］で表される。炭化チタンに対して、チタンの一部をＭで置換すると硬さや強度が向上して耐すきとり摩耗性や耐チッピング性が改善されるので好ましく、炭素の一部を窒素あるいは酸素で置換すると化学的安定性が増して耐クレーター性が改善されるので好ましい。
【００１４】
また、主要相の平均結晶粒子径は、１μｍ未満では焼結時の粒成長によって分散相の結晶粒子が主要相の結晶粒子内へ取り込まれ難くなるために分散効果が少なく、１０μｍを超えて大きくなると焼結体の強度が著しく低下する。
【００１５】
本発明のセラミックス工具における分散相は、具体的には、ＭｇＯ，Ａｌ₂Ｏ₃，ＺｒＯ₂，ＨｆＯ₂，Ｙ₂Ｏ₃，Ｌａ₂Ｏ₃，ＣｅＯ₂，Ｙｂ₂Ｏ₃，ＡｌＢ₁₂，ＴｉＢ₂，ＺｒＢ₂，ＨｆＢ₂，ＬａＢ₅などを挙げることができ、これらの中でもＭｇＯ，Ａｌ₂Ｏ₃，Ｙ₂Ｏ₃，ＣｅＯ₂，ＴｉＢ₂，ＺｒＢ₂，ＨｆＢ_{2 の}中の少なくとも１種からなる場合は、入手が容易でかつ高温安定性と切削時の耐摩耗性に優れるので好ましい。
【００１６】
また、分散相粒子の平均結晶粒子径は、０．０１μｍ未満では焼結時に粒成長するために製造困難であり、５μｍを超えて大きくなると主要相の結晶粒子内に取り込まれ難くなる。
【００１７】
本発明のセラミックス工具における分散相の添加量は、1体積％未満では主要相の結晶粒子内にすべての粒子が分散しても、硬度，強度，靱性や耐クレータ摩耗性，耐フランク摩耗性，靭性などを向上させる効果が少なく、３０体積％を超えて多くなると相対的に主要相の量が減少して鋼，ダクタイル鋳鉄切削での摩耗が逆に増加する。
【００１８】
また、分散相の分散形態は、主要相の結晶粒子内と結晶粒界の両方に分散して分布するもので、分散相の微粒子が主要相の結晶粒子内に、分散相の比較的粗大な粒子が主要相の結晶粒界に存在するものである。分散相の１０〜９５体積％が主要相の結晶粒子内に均一分散されていると、諸特性の改善効果が発揮できる。ここで、分散相の添加量がセラミック工具全体に対して５〜１０体積％であり、分散相の３０〜９５体積％が主要相の結晶粒子内に分散していると最も好ましい。
【００１９】
本発明のセラミックス工具において、５体積％以下の鉄族金属が主要相の結晶粒子内と結晶粒界に分散相として存在すると、焼結体の靱性をさらに高めて耐欠損性や耐チッピング性が向上するので好ましい。しかし、５体積％を超えて鉄族金属が存在すると、高速切削時に刃先の塑性変形や異常摩耗を起こす。なお、焼結温度が低い場合には鉄族金属に主要相の固溶は少なく、焼結温度が高い場合には鉄族金属に主要相の固溶は多くなるが効果は同様である。
【００２０】
本発明のセラミックス工具は、表面付近が傾斜材料となっていると、切削条件によっては耐摩耗性あるいは耐チッピング性が向上するので好ましい場合がある。具体的には、主要相の平均結晶粒子径が焼結体表面から０．０１〜１．０ｍｍまでの内部に向かって漸次増大あるいは減少している傾斜組織や、鉄族金属が焼結体表面から０．０１〜１．０ｍｍまでの内部に向かって漸次増加している傾斜組成が挙げられる。
【００２１】
本発明のセラミックス工具の製造方法は、通常のセラミックス焼結体と同様な方法である。すなわち、各種の原料粉末を混合・粉砕し、加圧成形して得た圧粉体を非酸化性雰囲気中で１４００〜２０００℃の温度で焼結するものである。焼結性および分散性，分散効果の点から使用する主要相の粉末の平均粒子径は２μｍ以下、添加する分散相の粉末の平均粒子径は０．５μｍ以下は好ましい。また、場合によって添加する４ａ，５ａ，６ａ族元素の炭化物，窒化物，酸化物粉末あるいは鉄族元素の金属，酸化物粉末も１μｍ以下が好ましい。さらに、焼結雰囲気として、例えば、アルゴンを使用すると焼結性も良くて均一な焼結体が、窒素あるいは一酸化炭素を使用すると表面が窒化あるいは浸炭されて傾斜組織・組成の焼結体が得られる。
【００２２】
本発明のセラミックス工具の製造方法は、一般的には、炭化チタン粉末に超微粒の分散粒子を均一混合して焼結するものであるが、ＭｇＯ，Ａｌ₂Ｏ₃，Ｙ₂Ｏ₃などの酸化物系の化合物粒子を分散させる場合には、ＴｉＯ₂とこれら酸化物からなる複合酸化物粉末を用いると、炭化チタンの結晶粒子内に均一・微細な化合物粒子が多量に取り込まれるので好ましい。具体的には、ＭｇＴｉＯ₃，Ａｌ₂ＴｉＯ₅，Ｙ₂ＴｉＯ₅，ＣｅＴｉ₂Ｏ₆，Ｎｄ₂ＴｉＯ₅，ＮｉＴｉＯ₃などの複合酸化物粉末と炭素粉末（ＴｉＯ₂の還元・炭化によりＴｉＣ変換）とを用いるもので、加熱途中で超微粒酸化物の分散相と炭化チタンが同時に生成するため、粒子成長することなく炭化チタン結晶中に容易に取り込まれる。
【００２３】
【実施例１】
まず、平均粒径が０．０５μｍのＡｌ₂Ｏ₃，０．０２μｍのＭｇＯ，０．１５μｍのＹ₂Ｏ₃，０．２μｍのＣｅＯ₂，０．１２μｍのＮｉＯ，０．０２μｍＴｉＯ₂の各粉末を表１に示した組成に配合し、エチルアルコールの溶媒、ウレタン内張りのポット、アルミナ製の粉砕用ボールを用いて２４時間の湿式混合を行って乾燥した後、混合粉末をアルミナ製るつぼに入れて大気炉中で１０００℃×３０分の加熱処理を行った。さらに、上記方法のボールで７２時間の粉砕を行った。得られた複合酸化物粉末のХ線回折による同定と走査型電子顕微鏡による平均粒子径の測定結果を表１に併記した。
【００２４】
【表１】

【００２５】
次に、得られたＡＴ，ＭＴ，ＹＴ，ＣＴ，ＮＴの各複合酸化物と、前述のＡｌ₂Ｏ₃，ＮｉＯと、平均粒径が０．５μｍのＴｉＣ，０．２μｍのＺｒＢ₂，０．０２μｍカーボンブラック（以降Ｃと記す），１．０μｍのＭｏ₂Ｃ，０．５μｍのＴｉＮ，０．５μｍのＷＣ，１．０μｍのＮｂＣ，１．１μｍのＶＣの各粉末を用いて、表２に示した組成に配合し、エチルアルコールの溶媒、ウレタン内張りのポット、アルミナ製の粉砕用ボールを用いて４８時間の湿式混合を行った後、乾燥しながら０．２重量％のパラフィンワックスを添加して混合粉末を得た。これらの粉末を金型に充填し、１９６ＭＰａの圧力でもって約５．５×１７×４３ｍｍの圧粉成形体を作製し、窒化ホウ素製のセッター上に設置して約５０Ｐａの真空中で１４００℃まで昇温した後、表２に併記した雰囲気中の所定温度に１時間、加熱保持することによって本発明品１〜１０及び比較品１〜７のセラミックス焼結体を得た。尚、すべてのセラミックス焼結体には、１５０ＭＰａのアルゴン中で１６５０℃、1時間のＨＩＰ処理を焼結後に施した。
【００２６】
【表２】

【００２７】
こうして得たセラミックス焼結体をダイヤモンドカッターで棒状に切断し、＃２３０のダイヤモンド砥石で湿式研削加工して３．０×４．０×３５．０ｍｍのＪＩＳ試験片とした後、曲げ強度を測定した。その結果を表３に示した。また、同試料の１面を０．３μｍのダイヤモンドペーストでラップ研磨した後、ビッカース圧子を用いた荷重：９．８Ｎでの硬さおよび破壊靱性値Ｋ1C（ＩＭ法）を測定し、その結果を表３に併記した。
【００２８】
【表３】

【００２９】
さらに、各試料のラップ面について電子顕微鏡にて組織写真を撮り、画像処理装置を用いて、主要相（ＴｉＣ相と表記）の平均粒径を求め、その結果を表３に併記した。また、主要相の結晶粒子内と結晶粒界とに存在する分散相粒子の成分，平均粒子径，体積割合，主要相の結晶粒子内に存在する分散相の比率を求めた。これらの結果を表４に示す。
【００３０】
【表４】

※表４中の粒子内の比率＝A/(A+B)×100(%)
【００３１】
【実施例２】
実施例１で得た、本発明１〜１０および比較１〜７の混合粉末を用いて、ＩＳＯ規格に記載のＳＮＧＮ１２０４０８形状用の金型でもって、実施例１と同様の方法、条件でプレス成形、加熱焼結、湿式研削加工により、ＳＮＧＮ１２０４０８形状（０．１×−２５°のホーニング付）の切削工具用チップを作製した。
【００３２】
そして、被削材：ＦＣＤ６００，切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ，切込み：１．０ｍｍ，送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ乾式による外周連続旋削試験を行い、寿命になるまでの時間を求めて、その結果を表５に示す。寿命の評価としては、平均フランク摩耗量（ＶB）が０．３ｍｍ以上になるか、または欠損やチッピングが発生した時を寿命とした。
【００３３】
次に、被削材：チルドロール（ＨＲＣ＝６０），切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ，切込み：０．５ｍｍ，送り：０．１ｍｍ／ｒｅｖの条件で乾式旋削試験を行い、欠損又は平均逃げ面摩耗幅が０．２５ｍｍとなるまでの寿命時間を同様に求めた。その結果を表５に併記した。
【００３４】
【表５】

【００３５】
【発明の効果】
本発明の炭化チタン基セラミックス工具は、炭化チタンを主成分とした主要相が鋼，鋳物（特にダクタイル鋳鉄），耐熱合金などを高速切削する際の耐摩耗性を向上させる作用をし、主要相の結晶粒内に均一・微細に分散された酸化物，ホウ化物などの分散相の粒子がナノ分散効果により硬度，強度，靱性を向上させる作用をし、主要相の結晶粒界に分散された分散相の粒子がセラミックス工具全体を分散強化する作用をする。このような作用により、本発明の炭化チタン基セラミックス工具は、切削時の耐摩耗性および耐欠損性，耐チッピング性の向上にすぐれた効果を発揮するものである。

Claims (6)

1. マグネシウム，アルミニウム，ジルコニウム，ハフニウム，イットリウム，ランタン系希土類元素の酸化物，ホウ化物、チタンのホウ化物，鉄族金属，およびこれらの固溶体の中から選ばれた少なくとも１種からなる分散相１〜３０体積％と、残りが（Ｔｉ_1-AＭ_A）（Ｃ_1-x-yＮ_xＯ_y）_z［ただし、Ｍはチタンを除く周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族元素、０≦Ａ≦０．３，０≦Ｘ≦０．３，０≦Ｙ≦０．１，０．８≦Ｚ≦１．１］で表される主要相とから構成された焼結体において、該分散相の粒子は、該主要相の結晶粒子内及び結晶粒界に存在し、かつ結晶粒子内に存在する割合が分散相の１０〜９５％であることを特徴とする炭化チタン基セラミックス工具。
2. 前記鉄族金属は、前記焼結体の５体積％以下であることを特徴とする請求項１に記載の炭化チタン基セラミックス工具。
3. 前記主要相の平均結晶粒子径は、１〜１０μｍであることを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載の炭化チタン基セラミックス工具。
4. 前記分散相の平均結晶粒子径は、０．０１〜５μｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の炭化チタン基セラミックス工具。
5. 前記分散相は、酸化マグネシウム，酸化アルミニウム，酸化イットリウム，酸化セリウム，ホウ化チタン，ホウ化ジルコニウム，ホウ化ハフニウム，およびこれらの固溶体の中から選ばれた少なくとも１種でなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の炭化チタン基セラミックス工具。
6. 炭化チタン粉末と、マグネシウム，アルミニウム，ジルコニウム，ハフニウム，イットリウム，ランタン系希土類金属元素の中から選ばれた少なくとも一種の酸化物と酸化チタンからなる複合酸化物粉末と、炭素粉末と、場合によってはチタンを除く４ａ，５ａ，６ａ族元素の炭化物，窒化物，酸化物，ホウ化物粉末あるいは鉄族元素の金属，酸化物粉末、とを混合・粉砕し、加圧成形して得た圧粉体を非酸化性雰囲気中で１４００〜２０００℃の温度で焼結することを特徴とする炭化チタン基セラミックス工具の製造方法。