JP4177493B2

JP4177493B2 - セラミックス焼結体

Info

Publication number: JP4177493B2
Application number: JP30020098A
Authority: JP
Inventors: 豊重佐々木; 光芳永野; 英二大熊; 晋三味富; 哲夫内山; 茂夫井上; 春香田村
Original assignee: Nippon Tungsten Co Ltd
Current assignee: Nippon Tungsten Co Ltd
Priority date: 1997-10-23
Filing date: 1998-10-21
Publication date: 2008-11-05
Anticipated expiration: 2018-10-21
Also published as: JPH11217258A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高い硬度を有し、耐摩耗性に優れ、高強度、高鞭性で、とくに切削工具や耐摩耗部材に適したセラミックス焼結体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ａｌ₂Ｏ₃セラミックスは、高硬度で耐摩耗性に優れており、セラミックス材料の中では比較的焼結による緻密化も容易であるため、従来の工具鋼、高速度鋼、超硬合金などの工具用材料の使用が困難な高速加工、高温加工用の切削工具や耐摩耗部材として用いられている。
【０００３】
しかしながら、このＡｌ₂Ｏ₃セラミックスは強度と靭性に乏しいために、利用範囲が限られたものになるという欠点があった。
【０００４】
その改善策として、Ａｌ₂Ｏ₃にＴｉＣやＴｉ（Ｃ，Ｎ）を含有させて炭窒化物粒子を分散強化したいわゆる黒色セラミックスも知られている。しかしながら、このような黒色セラミックスは、例えば鋼や鋳鉄の粗切削のような高負荷のかかる用途には強度、靭性は十分とは言えず信頼性に乏しい。
【０００５】
また、Ａｌ₂Ｏ₃にＷＣを添加した焼結体は、強度、靭性は大幅に改善され、かつ高硬度であることから耐摩耗部材への適用が試みられている。
【０００６】
例えば、特開平３−２９０３５５号公報には、Ａｌ₂Ｏ₃にＷＣを１０〜９０容量％配合した原料粉末を、常圧焼結、ホットプレスまたは熱間静水圧成形することにより、密度が理論値の９０％以上の高硬度かつ高靭性の焼結体を得ることができることが開示されている。
【０００７】
また、特開平５−２７９１２１号公報には、Ａｌ₂Ｏ₃に５〜９５重量％のＷＣを添加して１４００〜１９５０℃で焼結し、ＷＣ原料粉中に酸素を０．０５〜６重量％存在させ、Ｗ₂Ｃ相を出現させた焼結体は、とくに強度、靭性に優れているいることが開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このＡｌ₂Ｏ₃−ＷＣ系セラミックスは、確かに強度、靭性に優れているものの、高温での耐酸化性が十分でないため、鋼や鋳鉄の高速切削のような過酷な摺動の状況下では十分な耐摩耗性を発揮できない。このため、切削工具等の高温耐摩耗性が必要とされる部材にはほとんど使用されていない。
【０００９】
この発明が解決しようとする課題は、優れた耐酸化性と耐摩耗性を保持したまま、強度と靭性が格段に改善されたセラミックス焼結体を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明は、ＷＣを５〜７０容量％と、ＣとＮとのモル比率が１：９〜９：１の範囲であるＴｉ（Ｃ，Ｎ）を５〜７０容量％、ＷまたはＴｉを０．１〜１．０容量％、残部がＡｌ₂Ｏ₃からなるＡｌ ₂ Ｏ ₃ 、ＷＣおよびＴｉ（Ｃ，Ｎ）の平均結晶粒径がそれぞれ５μｍ以下である原料粉末を焼結してなり、高強度かつ高靭性の切削工具あるいは耐摩耗部材用セラミックス焼結体である。
【００１１】
Ａｌ₂Ｏ₃としては、その結晶α相の割合が９０容量％以上のものを使用し、且つ、それぞれの平均結晶粒径は、５μｍ以下であるのがよい。
【００１２】
Ａｌ₂Ｏ₃焼結体中にＷＣ粒子を含有させることによって著しく強度および靭性が向上する。この特性の向上は、まず高硬度であるＷＣ粒子の分散強化が挙げられ、さらに焼結温度から室温に下がるときに発生するＡｌ₂Ｏ₃粒子とＷＣ粒子の熱膨張率の差による残留応力が２種類の結晶粒子間で作用する強靭化である。また、Ａｌ₂Ｏ₃へのＷＣの添加は焼結時の粒成長を抑える慟きがあり、これにより焼結体の結晶粒の微細化が焼結体を強靭にする。
【００１３】
ＷＣの含有量は５〜７０容量％の範囲に規定される。これは、ＷＣの含有量が５容量％未満の場合には、ＷＣ相が少なくなり焼結体の強度および靭性の向上の割合が小さいためである。また、７０容量％を超えると、緻密な焼結体を得ることが困難になることに加え、高温における耐酸化性が低下す傾向がある。しかしながら、ホットプレスなどで９５％以上の相対密度が得られた焼結体をＨＩＰ（熱間静水圧加圧焼結）処理することにより、７０容量％までのＷＣ添加量でも緻密な焼結体が得られる。強度、靭性の向上効果はＷＣの添加量に依存しているが、自己焼結性に乏しいＷＣの量が７０容量％以上では、焼結性が低下して緻密な焼結体が得られない。
【００１４】
Ａｌ₂Ｏ₃にＷＣを添加すると、Ａｌ₂Ｏ₃単味の焼結体に比べ、著しく強度、靭性は向上し、衝撃に強い焼結体が得られる反面、Ａｌ₂Ｏ₃の持つ優れた耐摩耗性は損なわれ、とくに高温における耐摩耗性は大幅に劣化するが、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）を添加含有させると、粒子分散により強度と耐熱衝撃性の改善をもたらす。さらに、高温における酸化や相手材との反応による摩耗も少なく、本来、Ａｌ₂Ｏ₃が持つ高い耐摩耗性を維持できる。とくに、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）におけるＣ：Ｎのモル比率は１：９〜９：１の範囲で効果がある。
【００１５】
この発明のセラミックス焼結体は、ＷＣとＴｉ（Ｃ，Ｎ）両者を所定量を同時に含有させることによって、優れた耐摩耗性を有し、なおかつ高い強度、靭性を兼ね備えたものとなる。
【００１６】
一般に、アルミナ系セラミックスを焼結する場合には、ＭｇＯ，Ｙ₂Ｏ₃，ＣａＯ，ＺｒＯ₂などの焼結促進のための助剤を添加することが多い。これらの助剤を使用すると、確かに焼結性は改善され、緻密化が容易となるが、切削工具などの厳しい状況で用いる場合には、焼結助剤である酸化物の単独相あるいはＡｌ₂Ｏ₃との複合化合物相が発生することになり、これらの存在が、強度や硬度、耐摩耗性を低下させることになる。
【００１７】
この発明のセラミックス焼結体は、焼結助剤を用いないため、この焼結助剤が原因で生じる諸特性の劣化を招かないことも大きな特徴であり、このような焼結性のみを改善するような助剤は一切使用せず、Ａｌ₂Ｏ₃、ＷＣおよびＴｉ（Ｃ，Ｎ）の３相により構成される。しかしながら、超硬材料の製造方法とは異なり、カーボンのコントロールをしていないため、Ｗ₂Ｃのようなわずかな量で不可避構成相を生成することもある。このような構成相はわずかであるため、切削性能や機械的性質に支障をきたすことはない。
【００１８】
また、原料粉末中に含まれるフリーカーボンは焼結体中に数μｍから数十μｍの大きさの異物として存在することになり、曲げ強度の低下、ひいては、切削中の欠損の原因となる。このフリーカーボンの影響を低減するために、１．０容量％までの金属Ｗ、Ｔｉなどのカーボンとの化合物を形成し易く、焼結体の特性に悪影響を与えない金属の添加は許容される。この場合に金属ＷまたはＴｉを添加することによって、焼結中にこのＣをＷまたはＴｉと結合させてＷＣまたはＴｉＣとすることによって残存カーボンを除去することも信頼性の向上につながる。この発明のＡｌ₂Ｏ₃基セラミックス焼結体は、所定の組成となるよう配合した粉末を十分混合し、１６００℃〜１９００℃で０．５〜５時間、不活性ガス雰囲気中５０〜３００ｋｇｆ／ｃｍ²の圧力でホットプレスすることによって製造される。
【００１９】
また、粉末に若干バインダを添加し、金型成形や冷間静水圧成形、またはその両者を用いて成形し、その後、１６００〜１９００℃で不活性ガス雰囲気中０．５〜５時間焼結し、場合によってはさらに１４００℃〜１７００℃、不活性雰囲気、５００〜２０００気圧の圧力で熱間静水圧焼結を施し製造してもよい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、実施例によって、さらにこの発明の実施の形態を説明する。
【００２１】
表１にテストに供した組成と諸特性の関係を示す。同表において、Ｎｏ．１からＮｏ．６はこの発明の組成範囲内にある実施例を示し、他は比較例である。
【表１】

その比較例において、Ｎｏ．７からＮｏ．１４は組成範囲外の例を、さらに、Ｎｏ．１５からＮｏ．１８は従来のセラミック工具の例を示す。
【００２２】
それぞれの試料は、平均粒径が２μｍ以下の原料粉末を所定量秤量し、ボールミルに投入してメタノール溶媒で２０時間混合し、乾燥造粒した調製粉末をカーボンダイスに入れて１７００℃の温度でプレス圧力２０〜２５ＭＰａに６０分保持して焼結した。この焼結体を切断研削加工して３×４×４０ｍｍの曲げ試験片とＪＩＳ規格ＳＮＧＮ４３２の切削チップに加工して、各種のテストに供した。同表において、耐摩耗テストは、被削材として、ＦＣＤ４５０のΦ２５０×５００ｍｍで、切削速度２００ｍ／ｍｉｎ、切り込み１．５ｍｍ、送り０．２ｍｍ／ｒｅｖで行い、逃げ面が０．５ｍｍとなる時間を切削可能時間とし、これによって耐摩耗性を評価した。
【００２３】
耐欠損テストは、工具の欠損に対する抵抗性を調べるためのもので、４個所の切り欠きを入れて衝撃を付加した被削材（Φ２５０×５００ｍｍ）を用いて、切削速度２００ｍ／ｍｉｎ、切り込み１．５ｍｍを一定とし、送りを変化させて行ったものである。
【００２４】
チルド鋳鋼切削テストは、Φ４００×５００ｍｍの被削材を用い、切削速度７０ｍ／ｍｉｎ、切り込み１．５ｍｍ、送り０．２ｍｍ／ｒｅｖで、耐摩耗テストを行った。その評価は逃げ面摩耗が１．０ｍｍとなって切削不可能となる時間を切削可能時間とし、切削可能な時間を従来工具と比較したものである。
【００２５】
この結果より、以下のことが明らかになった。
【００２６】
切削中に冷却と潤滑を兼ねた冷却水を使用しないいわゆる乾式切削では、ＷＣは耐酸化性が低いために耐摩耗性は低下する。耐摩耗性の低下率はＷＣの添加量に比例しており、４０ｖｏｌ％以下、好ましくは３０ｖｏｌ％以下で工具としての性能が発揮される。しかしながら、冷却水を使用する湿式切削においては、切削中の刃先温度の上昇がないためにＷＣの酸化が抑制されて摩耗は進行せず、むしろ、強靭化効果による耐粒子脱落性に起因する耐欠損性や耐チッピング性の大幅な向上が認められた。
【００２７】
また、ＷＣとＴｉ（Ｃ，Ｎ）をアルミナに添加することで、ＷＣのもつ靭性強化効果と同時にＴｉ（Ｃ，Ｎ）のもつ耐摩耗性向上の効果が発揮され、従来工具ではできなかった難削材の高能率切削での長時間切削が可能となった。
【００２８】
ＷＣとＴｉ（Ｃ，Ｎ）の添加量は、合計４０容量％以上で効果が出はじめるが、顕著な効果は５０〜８０容量％で発揮される。５０容量％以下では、アルミナの比率が高く、靭性が低下することになり、また、８０容量％以上では、焼結性が低下し、焼結体中に気孔が存在して硬さ、強度、靭性が低下する結果、工具としての性能が低下することとなる。
【００２９】
したがって、添加量として、ＷＣが５〜７０容量％、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）が５〜７０容量％であって、残部はα率が９０容量％以上のアルミナ、及び、不可避不純物からなる焼結体であれば、優れた耐摩耗性と靭性を兼ね備えた材料を得ることができる。
【００３０】
この発明による組成では、ＷＣの効果で結晶粒子間の結合力が強化され、さらに、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）により耐摩耗性が改善され、凝着摩耗が低減し、チルド鋳鋼切削の例に見られるように、難削材の高能率切削が可能となった。
【００３１】
Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）のＴｉＣ：ＴｉＮ比率は、１：９〜９：１の間で所望の性能が得られたが、Ｎｏ．１５のようにＴｉＮが多すぎる場合にはＴｉＮ添加効果が現れ、低硬度で早期欠損が認められた。また、Ｎｏ．１６のようにＴｉＣが多すぎる場合には、ＴｉＣの添加効果が現れ、やや焼結性が低下して気孔が残りやすく、チルド鋳鋼切削で早期摩耗を生じた。
【００３２】
また、表１のＮｏ．１５からＮｏ．１８に見られる従来のセラミック工具は、靭性が低く、チルド鋳鋼や鍛鋼などの難削材と呼ばれる金属材料には使用することができなかった。
【００３３】
アルミナ系切削工具は、耐摩耗性では優れているものの、材料強度が低いために断続切削や難削材のような工具靭性の必要な用途では早期欠損で使用できない。超硬工具では強度や靭性が高いので耐欠損性は高いが、切削時の切削熱で早期に摩耗する傾向にある。とくに、高速切削では顕著に現れる。Ｓｉ₃Ｎ₄系工具は金属成分を含まないセラミックスであるため、高速切削が可能となり、セラミックスのなかでも高強度／高靭性であるために耐欠損は高いが、被削材中の鉄成分との反応により凝着／脱落摩耗が進行して早期に摩耗し、チルド鋳鋼切削のような難削材に適さない。さらに、黒セラミック、超硬コーティング等は、欠損やチッピングの他に、結晶粒子の脱落が摩耗や微少チッピングになって現れた結果、低寿命であった。
【００３４】
【発明の効果】
この発明によるセラミックス焼結体は靭性と耐摩耗性が必要とされる幅広い部材に使用することができ、例えば、鋳鉄や鋼の高速粗切削のような高温で高負荷のかかる過酷な状況にも十分耐え得るものである。

Claims

ＷＣを５〜７０容量％と、ＣとＮとのモル比率が１：９〜９：１の範囲であるＴｉ（Ｃ，Ｎ）を５〜７０容量％、ＷまたはＴｉを０．１〜１．０容量％、残部がＡｌ₂Ｏ₃からなるＡｌ ₂ Ｏ ₃ 、ＷＣおよびＴｉ（Ｃ，Ｎ）の平均結晶粒径がそれぞれ５μｍ以下である原料粉末を焼結してなり、高強度かつ高靭性の切削工具あるいは耐摩耗部材用セラミックス焼結体。