JP4084583B2 - 切削工具 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、長尺状の芯材の外周を表皮部材にて被覆してなる複合構造体に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、Al2O3とZrO2との複合セラミックスは高硬度および高強度を有する材料として知られ、構造材として広く用いられており、例えば、特願昭63−183437号公報では、Al2O3に対して微粒のZrO2を分散せしめた複合セラミックスが破壊を抑制する効果を有すると記載されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のAl2O3とZrO2の複合セラミックスでは、破壊抑制効果が低く、例えば切削工具等として使用すると耐欠損性が劣るという問題があった。
【0004】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、高硬度と高靭性とを兼ね備えた複合構造体にて構成される切削工具を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明者は上記課題について検討した結果、長尺状の芯材の外周を表皮部材にて被覆してなる複合構造体であって、前記芯材をAl2O3またはAl2O3とZrO2との複合セラミックスで、表皮部材をZrO2または前記芯材とは異なる組成のAl2O3とZrO2との複合セラミックスにて形成することにより、高硬度と高靭性を兼ね備えた複合構造体となることを知見し、複数本の前記複合構造体をランダムにお互いが絡み合った組織とした多芯複合構造体からなる切削工具とした。
【0006】
すなわち、本発明の切削工具は、長尺状の芯材の外周を表皮部材にて被覆してなる複数本の複合構造体をランダムにお互いが絡み合った組織とした多芯複合構造体からなる切削工具であって、前記芯材がAl2O3 セラミックスまたはAl2O3とZrO2との複合セラミックスであり、前記表皮部材がZrO2 セラミックスまたは前記芯材とは組成が異なるAl2O3とZrO2との複合セラミックスにて形成されていることを特徴とするものである。ここで、前記芯材がAl2O3を100〜75重量%と、ZrO2を0〜25重量%との割合で含有するとともに、前記表皮部材がAl2O3を0〜60重量%と、ZrO2を100〜40重量%との割合で含有することが望ましい。
【0007】
また、芯材、表皮部材ともにFe、Ni、Cr、Co、Mg、Yの酸化物の群から選ばれる少なくとも1種の焼結助剤を総量で0.01〜10重量%の割合で含有することが望ましい。
【0008】
【発明の実施の形態】
本発明の複合構造体にて構成される切削工具について、その一実施例である図1の概略斜視図を基に説明する。
【0009】
図1によれば、複合構造体1は長尺状の芯材4の外周を表皮部材8にて被覆した構造からなる。
【0010】
本発明によれば、複合構造体1における芯材4をAl2O3またはAl2O3とZrO2との複合セラミックスとし、表皮部材8をZrO2または前記芯材とは組成が異なるAl2O3とZrO2との複合セラミックスにて形成することが大きな特徴であり、これによって、複合構造体の硬度を高めることができるとともに、前記表皮部材8の破壊を最低限に抑制できかつクラックの偏向、ブリッジング、ディボンディング、プルアウトの効果が発揮できることから複合構造体1の靭性を高めることができる。
【0011】
また、本発明によれば、硬度を向上させることによって優れた耐摩耗性を発現させ、また靭性を向上させ耐欠損性を向上させるという点および切削工具として用いた場合の被削材との親和性を低下させる点で、前記芯材4がAl2O3を100〜75重量%と、ZrO2を0〜25重量%との割合で含有するとともに、前記表皮部材8がAl2O3を0〜60重量%と、ZrO2を100〜40重量%との割合で含有することが望ましい。
【0012】
さらに、芯材中には、助剤成分として、希土類酸化物、酸化コバルト、酸化ニッケル、酸化イットリウム、酸化マグネシウムを含有しても良い。特にAl2O3中には酸化マグネシウムを助剤として用いAl2O3の粒成長を抑制してやるのが望ましい。
【0013】
また、本発明のジルコニアは単斜晶、正方晶、立方晶のいずれであっても良いが、特に正方晶として存在することが望ましい。これにより微構造を芯材と表皮部材とで異なった組成にした効果にくわえてZrO2の変態強化機構による強化も付与できる。
【0014】
また、芯部、表皮部Al2O3とZrO2との複合セラミックス中には共に助剤成分としてFe、Ni、Cr、Co、Mg、Yの酸化物の群から選ばれる少なくとも1種の焼結助剤を総量で0.01〜10重量%の割合で含有することが望ましい。これらの酸化物はAl2O3とZrO2の結合力を改善し破壊靭性、抗折強度を向上させる。これらの添加量が0.01重量%を下回ると破壊靭性、抗折強度の向上効果が得られず、10重量%を超えると抗折強度が低下する。
【0015】
また、複合構造体1のクラック進展抑制のためには、例えば、芯材4の平均直径は5〜500μm以下、特に5〜300μm、表皮部材8の平均厚みは100μm以下、特に0.1〜20μmからなり、複合構造体1の直径が0.01〜0.55mmであることが望ましいが、高硬度と高靭性の両立のためには、芯材4の平均直径D1と表皮部材8の平均厚みD2との比D2/D1が0.01〜0.2、特に0.02〜0.1であることが望ましい。
【0016】
さらに、図1では芯材4が1本、すなわち単体の周囲に表皮部材8が被覆された場合について示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、図3に示すように、図1の複合構造体1を例えば4本以上の複数本収束したマルチフィラメント構造であっても良い。
【0018】
そして、複合構造体1を、例えば0.01〜10mmの所定長さとして、これをランダムにお互いが絡み合った組織とする。かかる構造体によれば硬度や靭性等の特性の異方性が生じることなく均一な特性を有する構造体となる。
【0019】
次に、本発明の複合構造体1を製造する方法の一例について図4の模式図をもとに説明する。
【0020】
まず、平均粒径0.1〜3μmのAl2O3粉末を90〜95重量%と、平均粒径0.5〜5μmのZrO2粉末を5〜10重量%と、所望により上述した助剤成分粉末を0.5〜1重量%とを所定の割合で添加、混合して、これにパラフィンワックス、ポリスチレン、ポリエチレン、エチレン−エチルアクリレ−ト、エチレン−ビニルアセテート、ポリブチルメタクリレート、ポリエチレングリコール、ジブチルフタレート等の有機バインダを添加、混錬した後、プレス成形、押出成形または鋳込成形等の成形方法により芯材用に円柱形状の成形体4’を作製する(工程(a))。
【0021】
一方、平均粒径0.1〜3μmのAl2O3粉末を5〜10重量%と、平均粒径0.5〜5μmのZrO2粉末を95〜90重量%と、所望により上述した助剤成分粉末を0.5〜1重量%とを所定の割合で添加、混合して、これに前述のバインダ等を添加したものを混錬して、プレス成形、押出成形または鋳込成形等の成形方法により半割円筒形状の2本の表皮部材用成形体8’を作製し、該表皮部材用成形体8’を前記芯材用成形体4’の外周を覆うように配置した複合成形体を作製する(工程(a))。
【0022】
そして、上記複合成形体を共押出成形することにより芯材の周囲に表皮部材が被覆された細い径に伸延された複合成形体1’を作製する(工程(b))。また、マルチフィラメント構造の構造体を作製するには、上記共押出した長尺状の成形体を複数本収束して再度共押出し成形すれば良い(工程(c))。
【0023】
さらに、上記伸延された長尺状の複合成形体1’を所望により円柱や三角柱、四角柱、六角柱等の多角形に成形することもできる。また、公知のラピッドプロトダイビング法等の成形方法によって任意の形状に成形することも可能である。
【0024】
なお、本発明によれば、上記方法以外にも繊維状の芯材用成形体4’を先に作製し、これを表皮部材用のスラリー中にディッピング(浸漬して引き上げ)することによって上述したような複合構造成形体を作製することも可能である。
【0025】
その後、前記成形体を脱バインダ処理した後、大気中または不活性ガス雰囲気例えばArガス中、1100〜1900℃で焼成することにより本発明の複合構造体を作製することができる。また、焼成に際しては、所望により、1000℃〜1900℃でHIP焼成してもよい。
【0026】
さらに、得られた構造体に対して、CVD法やPVD法等の薄膜形成法により構造体の表面に周期律表第4a、5a、6a族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物等の皮膜を形成することも可能である。
【0027】
【実施例】
(参考例1)
平均粒径0.3μmのAl2O3粉末95重量%と、平均粒径0.8μmのZrO2粉末4重量%と、平均粒径1μmのCo3O4粉末0.5重量%と、平均粒径1μmのNiO粉末0.5重量%を秤量し、これに有機バインダおよび溶媒を添加、混練した混練物を押出成形機に充填して直径100μmの繊維状に押出成形し芯材用の成形体とした。
【0028】
一方、平均粒径1μmのAl2O3粉末50重量%と、平均粒径1μmのZrO2粉末49重量%と、平均粒径1μmのMgO2粉末0.5重量%と平均粒1μmのCo3O4粉末0.25重量%と、平均粒1μmのNiO粉末0.25重量%を秤量し、これに有機バインダおよび溶媒を添加、混合してスラリー状とし、上記繊維状の芯材用成形体をスラリー内に浸漬、引き上げして芯材用成形体の外周に厚さ1.5μmの表皮部材をコーティングし、空気中で24時間乾燥して複合構造体を作製した。
【0029】
その後、複合構造体を50mm毎にカットし並列に整列させたシートを複数枚作製し、各シート間の複合構造体同士が45°となるように積層した積層体を作製し、所定形状にカットした。そして、この積層体を600℃で5時間脱バインダ処理し、1500℃で30MPaの圧力を付与してホットプレスを行った。
【0030】
得られた複合構造体は、芯材の平均直径が90μm、表皮部材の厚みが1μmであった。硬度、破壊靭性をIF法により荷重20kgで測定したところ、硬度は18GPa、破壊靭性は8MPam0.5であった。
【0031】
さらに、上記焼結体をSNGN120420の切削工具形状に繊維の並びがすくい面と平行になるように切り出し、以下の条件で8000m切削した結果、ノーズ摩耗が0.15mmで欠損は発生しなかった。
(切削条件)
被削材 S45C
切削速度 300m/min
送り 0.3mm/rev.
切り込み 2mm
乾式切削
(実施例2)
平均粒径2μmのAl2O3粉末90重量%とZrO2粉末8重量%に対し、平均粒径1μmのCo3O4粉末を1重量%、粒径1μmのNiO粉末を1重量%添加し、これにバインダ、滑剤を添加、混錬した後、プレス成形により直径20mmの芯材用成形体を作製した。また、平均粒径2μmのAl2O3粉末60重量%とZrO2粉末重量39%に対し、平均粒径2μmのCo3O4粉末を1重量%、Y2O3粉末を0.5重量%、MgO2を0.5重量%添加し、これにバインダ、滑剤を添加、混錬した後、プレス成形により肉厚1mmで半割円筒状の表皮部材用成形体を2本作製し、上記芯材用成形体の周囲に被覆した複合成形体を作製した。
【0032】
そして、上記複合成形体を共押出して伸延した後、該伸延された成形体300本を収束して再度共押出し成形し、マルチフィラメントタイプの成形体を作製した。このフィラメントを長さ5mmに切断し、切断したフィラメントを無秩序に型中に充填し50×50×100mmの大きさに成形した。その後、この成形体に対して脱バインダ処理を行い、続いてホットプレス中にセットして、Ar雰囲気中、ラム圧力30MPaにて、1500℃でホットプレス焼成して複合構造体を作製した。構造体の断面を顕微鏡にて観察したところ、平均で芯材の直径10〜20μm、表皮部材の平均厚み0.5μmであった。
【0033】
得られた複合構造体に対して、実施例1と同様にヴィッカース硬度(JISR1601に準じる)およびIF法にて試料の靭性を測定した結果、硬度18GPa、破壊靭性8MPam0.5であった。また、実施例1と同じ切削条件にて切削特性を評価した結果、ノーズ摩耗が0.14mmで欠損は発生しなかった。
【0034】
(実施例3)
平均粒径0.2μmのAl2O3粉末95重量%に平均粒径約0.5μmのZrO2粉末5重量%添加し、これにバインダ、滑剤を添加、混錬した後、プレス成形により直径20mmの芯材用成形体を作製した。また、平均粒径0.7μmのAl2O3粉末50重量%に平均粒径1μmのZrO2粉末50重量%添加し、これにバインダ、滑剤を添加、混錬した後、プレス成形により肉厚1mmで半割円筒状の表皮部材用成形体を2本作製し、上記芯材用成形体の周囲に被覆した複合成形体を作製した。
【0035】
そして、上記複合成形体を共押出して伸延した後、該伸延された成形体300本を収束して再度共押出し成形し、マルチフィラメントタイプの成形体を作製した。このフィラメントを長さ5mmに切断し、切断したフィラメントを無秩序に型中に充填し50×50×100mmの大きさに成形した。その後、この成形体に対して脱バインダ処理を行い、続いてホットプレス中にセットして、Ar雰囲気中、ラム圧力30MPaにて、1500℃でホットプレス焼成して複合構造体を作製した。構造体の断面を顕微鏡にて観察したところ、平均で芯材の直径10〜30μm、表皮部材の平均厚み0.3μmであった。
【0036】
得られた複合構造体に対して、参考例1と同様にヴィッカース硬度(JISR1601に準じる)およびIF法にて試料の靭性を測定した結果、硬度17.5GPa、破壊靭性7.5MPam0.5であった。また、参考例1と同じ切削条件にて切削特性を評価した結果、ノーズ摩耗が0.16mmで欠損は発生しなかった。
【0037】
(比較例)
実施例2と同じ表皮部材用成形体を用いると共に、この成形体と同じ芯材用成形体を用いる、すなわち芯材用成形体と表皮部材用成形体とを同じ組成の混練物にて作製する以外は実施例2と同様にして複合構造体を作製し、同様に評価した結果、硬度16GPa、破壊靭性4MPam0.5、ノーズ摩耗が0.25mmで微小欠損が発生した。
【0038】
【発明の効果】
以上詳述したとおり、本発明の切削工具によれば、切削工具を構成する複合構造体の芯材がAl2O3またはAl2O3とZrO2との複合セラミックスであり、表皮部材が前記芯材とは異なる組成のAl2O3とZrO2との複合セラミックスにて形成されていることにより、高硬度と高靭性、耐酸化性、耐反応性を兼ね備えた複合構造体からなる、ノーズ摩耗が小さく欠損の発生しにくい切削工具となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の切削工具を構成する複合構造体の一例を示す概略斜視図である。
【図2】 図1の複合構造体を平板状に組み合わせた構造体の例を説明するための図である。
【図3】 本発明の切削工具を構成する複合構造体を複数本収束したマルチフィラメント構造の構造体の構成を示す概略斜視図である。
【図4】 本発明の切削工具を構成する複合構造体の製造方法を説明するための概念図である。
Claims (3)
- 長尺状の芯材の外周を表皮部材にて被覆してなる複数本の複合構造体をランダムにお互いが絡み合った組織とした多芯複合構造体からなる切削工具であって、前記芯材がAl2O3 セラミックスまたはAl2O3とZrO2との複合セラミックスであり、前記表皮部材がZrO2 セラミックスまたは前記芯材とは組成が異なるAl2O3とZrO2との複合セラミックスにて形成されていることを特徴とする切削工具。
- 前記芯材がAl2O3を100〜75重量%と、ZrO2を0〜25重量%との割合で含有するとともに、前記表皮部材がAl2O3を0〜60重量%と、ZrO2を100〜40重量%との割合で含有することを特徴とする請求項1記載の切削工具。
- 前記芯材中にFe、Ni、Cr、Co、Mg、Yの酸化物の群から選ばれる少なくとも1種の焼結助剤を総量で0.01〜10重量%の割合で含有するとともに、前記表皮部材中にFe、Ni、Cr、Co、Mg、Yの酸化物の群から選ばれる少なくとも1種の焼結助剤を総量で0.01〜10重量%の割合で含有することを特徴とする請求項1または2記載の切削工具。
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