JP6999508B2

JP6999508B2 - セラミック部材及び切削工具

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Publication number: JP6999508B2
Application number: JP2018121891A
Authority: JP
Inventors: 尚久松田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2018-06-27
Filing date: 2018-06-27
Publication date: 2022-01-18
Anticipated expiration: 2038-06-27
Also published as: JP2020001952A

Description

本開示は、セラミック部材及び切削工具に関する。

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（Ａｌ_２Ｏ_３）、炭化タングステン（ＷＣ）及び炭化クロム（例えば、Ｃｒ_３Ｃ、Ｃｒ_３Ｃ_２）を含有するセラミック部材が用いられている。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。

特表平７－５０２０７０号公報特開２０１６－１１３３２０号公報国際公開２０１５／０１９３９１

特許文献１－３に記載されたセラミック部材に含有されるアルミナ及び炭化タングステンを比較した場合、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に加わる場合において、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の強度が低下するおそれがある。

本開示のセラミック部材は、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｖ、Ｎｂから選ばれる少なくとも１種の元素の炭化物を含有する、複数の第１粒子と、Ａｌ、Ｚｒから選ばれる少なくとも１種の元素の酸化物を含有する、複数の第２粒子と、を有し、該第２粒子は、少なくとも１つが、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｖ、Ｎｂから選ばれる少なくとも１種の元素の炭化物を含有する、第３粒子を内部に有し、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く、前記第２粒子の平均粒径が、前記第３粒子の平均粒径よりも大きく、前記第３粒子の平均粒径が、０．５μｍ以上である。本開示の切削工具は、前記セラミック部材を有している。

上記態様のセラミック部材では、第２粒子の内部に、第３粒子が位置していることから、第２粒子の内部でクラックが生じた場合であっても、第３粒子の存在によりクラックの進行を抑制することができる。これにより、セラミック部材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、セラミック部材の強度の低下が避けられる。

一実施形態の切削工具を示す斜視図である。図１に示す切削工具におけるＡ１－Ａ１断面図である。図２に示す切削工具における基体の一部を拡大した図である。図３に示す基体の一部をさらに拡大した図である。

以下、本開示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、１～２５μｍ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粒子１３のみ斜線を加えて図示しており、図４においては第１粒子１３及び第２粒子１５に斜線を加えて図示している。

本開示における基体３は、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｖ、Ｎｂから選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃとを含有する、複数の第１粒子１３と、Ａｌ、Ｚｒから選ばれる少なくとも１種の元素とＯとを含有する、複数の第２粒子１５と、を有している。本開示における基体３における第２粒子１５は、少なくとも１つが、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｖ、Ｎｂから選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素とを含有する第３粒子１７を内部に有している。

第１粒子１３の例として、例えば、ＴｉＣ、ＳｉＣ、Ｃｒ_３Ｃ、Ｃｒ_３Ｃ_２、Ｃｒ_７Ｃ_３、ＺｒＣ、ＴａＣ、ＶＣ、ＮｂＣが挙げられる。また、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｖ、Ｎｂから選ばれる複数の元素を含有する炭化物であってもよい。

第２粒子１５の例として、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２が挙げられる。また、第２粒子１５は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２の双方を有していてもよい。また、ＡｌとＺｒとを含有する複合酸化物であってもよい。Ａｌ_２Ｏ_３としては、例えば、κ－Ａｌ_２Ｏ_３及びα－Ａｌ_２Ｏ_３が挙げられる。

第３粒子１７は、上述の第１粒子１３と同じ組成の粒子であってもよい。

本開示のセラミック部材は、第１粒子１３、第２粒子１５、第３粒子１７以外の別の成分を含有していてもよい。例えば、コバルト（Ｃｏ）又はニッケル（Ｎｉ）を含有していてもよく、また、ハフニウム（Ｈｆ）、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。

図３及び図４に示すように、本実施形態の基体３は、第１粒子１３及び第２粒子１５が混在しており、第３粒子１７が第２粒子１５の内部に位置する構成となっている。

なお、図３～図４においては、複数の第１粒子１３の間に存在する境界は省略しており、図示していない。また、図３～図４においては、複数の第２粒子１５の間に存在する境界は省略しており、図示していない。

図３～４において示す本開示のセラミック部材においては、第２粒子１５の内部に第３粒子１７が存在している。第２粒子１５の内部に第３粒子１７が存在している状態とは、一つの第２粒子１５の内部に第３粒子１７が存在していることを意味するものであり、一つの第３粒子１７の周りを複数の第２粒子１５が取り囲んでいる状態を意味するものではない。

断面視における各粒子の構成は、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、各粒子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、各粒子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に示すような各粒子の構成は、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、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｖ、Ｎｂから選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃとを含有する粒子は第１粒子１３である。また、上記の測定方法において、Ａｌ、Ｚｒから選ばれる少なくとも１種の元素とＯとを含有する粒子は第２粒子１５である。また、第２粒子１５の内部に存在し、上記の測定方法によって、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｖ、Ｎｂから選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃとを含有する粒子は第３粒子１７である。

本開示のセラミック部材では、第１粒子１３が炭化物であることから、高い硬度を有し、切削工具として有用である。また、第２粒子１５の内部には、第３粒子１７が位置している。第３粒子１７も、第１粒子１３と同様に炭化物であるため高い硬度を有する。第２粒子１５と第３粒子１７との間には熱膨張係数の差があるため、両者の界面において残留応力が存在する。そのため、第２粒子１５の内部で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３粒子１７で安定して抑制できる。これにより、セラミック部材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、セラミック部材の強度の低下が避けられる。

第２粒子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粒子１５においては、上記の酸化物をアルミナやジルコニアの焼結助剤として用いることができる。

また、第２粒子１５は、タングステンを含有していてもよい。第１粒子１３及び第２粒子１５がタングステンを含有している場合には、第１粒子１３及び第２粒子１５の親和性が高められる。このとき、第２粒子１５が、第１粒子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１５の強度を確保しつつ、外部領域において第１粒子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１５の平均粒径が、第１粒子１３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画像を用いることにより確認することができる。

第２粒子１５においては、第２粒子１５の内部よりも、第２粒子１５の表面、言い換えれば複数の第２粒子１５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１５の平均粒径が相対的に大きい場合には、第２粒子１５の表面積が小さいため第２粒子１５においてクラックが生じにくくなる。また、第１粒子１３の平均粒径が相対的に小さいことによって、第１粒子１３を緻密化させることができる。

また、第２粒子１５の平均粒径が、第３粒子１７の平均粒径よりも大きい場合には、第２粒子１５内において第３粒子１７を分散させ易くなる。そのため、第２粒子１５内で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１７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粒子１３及び第２粒子１５は、複数の第１粒子１３及び複数の第２粒子１５が混在する構成となっている。ここで、複数の第１粒子１３が繋がって網目構造となっており、第２粒子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。複数の第１粒子１３によって第２粒子１５が分断された構成となることから、第２粒子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粒子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が分散するとともに、各第２粒子１５が第１粒子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１３に囲まれて互いに離れて位置する第２粒子１５が１０以上有するとともに、各第２粒子１５を囲む第１粒子１３が接続されて、第１粒子１３が網目構造となっており、第２粒子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における被覆層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のであり、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及びＴｉＣＮＯなどが挙げられる。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、基体３の表面に被覆層１１を設けることができる。

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粒子１３及び第３粒子１７を構成する原料粉末として、平均粒径が０．１～２μｍのＴｉＣ、ＳｉＣ、Ｃｒ_３Ｃ、Ｃｒ_３Ｃ_２、Ｃｒ_７Ｃ_３、ＺｒＣ、ＴａＣ、ＶＣ、ＮｂＣ粒子を準備する。また、第２粒子１５を構成するＡｌ_２Ｏ_３粒子として、０．１～２μｍのＡｌ_２Ｏ_３粒子を準備する。第２粒子１５を構成するＺｒＯ_２粒子として、０．１～２μｍのＺｒＯ_２粒子を準備する。このとき、Ａｌ_２Ｏ_３粒子、ＺｒＯ_２粒子の平均粒径がＴｉＣ、ＳｉＣ、Ｃｒ_３Ｃ、Ｃｒ_３Ｃ_２、Ｃｒ_７Ｃ_３、ＺｒＣ、ＴａＣ、ＶＣ、ＮｂＣ粒子よりも大きい場合には、基体３における第２粒子１５の平均粒径を第１粒子１３及び第３粒子１７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３時間以上行われる。さらに、焼成を６時間以上とするとよい。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１７が第２粒子に囲まれ、第２粒子１５及び第３粒子１７が形成される。また、上記の温度で焼成することによって、第１粒子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。

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粒子
１５・・・第２粒子
１７・・・第３粒子

Claims

Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｖ、Ｎｂから選ばれる少なくとも１種の元素の炭化物を含有する、複数の第１粒子と、
Ａｌ、Ｚｒから選ばれる少なくとも１種の元素の酸化物を含有する、複数の第２粒子と、
を有し、
該第２粒子は、少なくとも１つが、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｖ、Ｎｂから選ばれる少なくとも１種の元素の炭化物を含有する、第３粒子を内部に有し、
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く、
前記第２粒子の平均粒径が、前記第３粒子の平均粒径よりも大きく、
前記第３粒子の平均粒径が、０．５μｍ以上である、セラミック部材。
複数の前記第１粒子は、網目構造となっており、複数の前記第２粒子が前記網目構造の中に位置している、請求項１に記載のセラミック部材。
請求項１または２に記載のセラミック部材を備えた切削工具。