JP7547516B2 - セラミック部材及び切削工具 - Google Patents

Description

本開示は、切削工具に用いられるセラミック部材に関する。

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）と炭化タングステン（ＷＣ）とを含有するセラミック部材が用いられている。また、炭化クロム（例えば、Ｃｒ_３Ｃ、Ｃｒ_３Ｃ_２）を含有させることも記載されている。この炭化クロムは、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

本開示のセラミック部材は、Ｗの炭化物換算の含有比率が８０質量％以上であり、ＷＣおよびＷ_２Ｃの少なくとも一方を含有する複数の第１粒子と、Ａｌ_２Ｏ_３の含有比率が８０質量％以上である複数の第２粒子と、を有する。複数の第１粒子のうち少なくとも１つは、ＷＣおよびＷ_２Ｃの両方を含有する。また、タングステンの炭化物の含有量は、タングステンの炭化物およびＡｌ_２Ｏ_３以外の他の化合物の含有量の合計、タングステンの単体の含有量、および、Ｓｉの単体の含有量よりも多く、Ａｌ_２Ｏ_３の含有量は、タングステンの炭化物およびＡｌ_２Ｏ_３以外の他の化合物の含有量の合計、タングステンの単体の含有量、および、Ｓｉの単体の含有量よりも多い。本開示の切削工具は、上記セラミック部材を備えている。

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、一実施形態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、３～２５μｍ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相１３のみ斜線を加えて図示しており、図４においては第１相１３及び第２相１５に斜線を加えて図示している。

なお、第１相１３は複数の第１粒子１９を含んでいる。また、第２相１５は複数の第２粒子２１を含んでいる。視覚的な理解を容易にするため、図中で、第１粒子１９同士の境界および第２粒子２１同士の境界は省略した。なお、図中の第３粒子２３は、第２粒子２１の内部に存在することを確認した。

図３及び図４に示すように、本開示の基体３は、第１相１３と、第２相１５と、第３相１７とを有している。第１相１３は、タングステンと炭素とを含有する複数の第１粒子１９からなる。第２相１５は、アルミニウムと酸素とを含有する複数の第２粒子２１からなる。この第２粒子は、アルミナ粒子であってもよい。第３相１７は、タングステンと炭素とを含有する第３粒子２３からなる。第２粒子は、少なくとも１つが、第３粒子を内部に有している。第２粒子２１が第３粒子を内部に有しているとは、複数の第２粒子２１に第３粒子２３が取り囲まれている状態を指すのではなく、１つの第２粒子２１の内部に第３粒子２３が存在する状態を指す。

このような状態は、第３粒子２３と、第３粒子２３の周りに存在する第２粒子２１の周りの粒界相とを繋ぐ粒界相がない状態であり、例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像などにより観察することができる。

第１粒子１９および第３粒子２３は、例えば、炭化タングステンであり、組成式がＷＣで示されるものが主として含有されるが、組成式がＷ２Ｃで示されるものを含有していてもよい。第２粒子２１におけるアルミナとしては、例えば、κ－Ａｌ_２Ｏ_３及びα－Ａｌ_２Ｏ_３が挙げられる。

第１粒子１９は、上記の構成に限定されるものではなく、タングステンと炭素とを含むものであれば、別の成分を含有していてもよい。例えば、周期律表４Ａ、５Ａ、６Ａに属する元素を含有していてもよい。例えば、第１粒子１９が、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）又はニッケル（Ｎｉ）を含有していてもよく、また、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）及びモリブデン（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。

第１相１３を構成する第１粒子１９がクロムを含有する場合、原料として、例えば、炭化クロムを用いることができ、組成式がＣｒ_３Ｃ、Ｃｒ_３Ｃ_２及びＣｒ_７Ｃ_３で示されるものを用いてもよい。

第１粒子１９におけるタングステンの炭化物換算の含有比率としては、例えば、８０～１００質量％程度に設定される。第１粒子１９がクロムを含有する場合には、クロムの炭
化物換算の含有比率としては、例えば、２～１０質量％程度に設定される。第２粒子２１におけるアルミナの含有比率としては、例えば、８０～１００質量％程度に設定される。

また、第２粒子２１についても、同様に他の成分を含有していてもよい。

第３粒子２３は、タングステンと炭素とを含有している。第３相１７は、例えば、炭化タングステンのみによって構成されていてもよい。第３粒子２３は、厳密に炭化タングステンのみからなるものに限定されるものではなく、製造工程上不可避な程度、具体的には０．０５質量％程度の他の成分を含有する構成を許容する。

断面視における各相の構成は、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、各相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、各相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に示すような各相の構成は、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、第１相１３に存在する第１粒子１９において、タングステン及び炭素が確認されれば炭化タングステンである。また、さらにクロムが確認されれば、タングステンとクロムの炭化物である。第１粒子１９がクロムを含有していると、基体３の耐食性が向上する。さらに、第２相１５に存在する第２粒子２１において、アルミニウム及び酸素が確認されれば、アルミナである。また、第２粒子２１中に存在する第３粒子２３において、タングステン及び炭素が確認されれば、第２粒子２１の内部に炭化タングステンからなる第３粒子２３が位置していると言える。

本開示の切削工具１に含有される第１粒子１９と第２粒子２１とを比較すると、第１粒子１９が炭化タングステンであり、第２粒子２１がアルミナである場合、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３に加わる場合において、第２粒子２１である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３の強度が低下するおそれがある。

本開示の切削工具１においては、第２相１５を構成する第２粒子２１の内部に、炭化タングステンからなる第３粒子２３が位置している。第３相１７は、実質的に炭化タングステンのみからなることから高い硬度を有する。そのため、第２粒子２１に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２粒子２１の内部に存在する第３粒子２３で安定して抑制できる。これにより、第２粒子２１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３の強度の低下が避けられる。

第１粒子１９における炭化タングステンとして、ＷＣ及びＷ_２Ｃを例示したが、第１粒子１９がＷＣ又はＷ_２Ｃのいずれか一方を含有するのではなく、ＷＣ及びＷ_２Ｃを含有している場合には、Ｗ_２Ｃによって第１粒子１９におけるＷＣと第２粒子２１におけるアルミナとの結合強度が高められるため、基体３全体としての強度が高まる。

第２相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相１５においては、上記の酸化物をアルミナの焼結助剤として用いることができる。

また、第２相１５は、タングステンを含有していてもよい。第１相１３及び第２相１５がタングステンを含有している場合には、第１相１３及び第２相１５の親和性が高められ
る。このとき、第２粒子２１が、第１相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１９の強度を確保しつつ、外部領域において第１相１３に対する親和性を高めることができる。

本開示における第１相１３は、タングステン及び炭素を含有する複数の第１粒子１９を有している。第２相１５は、アルミナを含有する複数の第２粒子２１を有している。第３相１７は、タングステンと炭素を含有する複数の第３粒子２３を有している。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２１の平均粒径が、第１粒子１９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画像を用いて画像解析により円相当径を測定することにより確認することができる。

第２相１５においては、第２粒子２１の内部よりも、第２粒子２１の表面、言い換えれば複数の第２粒子２１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２１の平均粒径が相対的に大きい場合には、第２相１５における第２粒子２１の表面積が減るため第２相１５においてクラックが生じにくくなる。また、第１粒子１９の平均粒径が相対的に小さいことによって、第１相１３を緻密化させることができる。

また、第２粒子２１の平均粒径が、第３粒子２３の平均粒径よりも大きい場合には、第２粒子２１内に第３相１７を分散させ易くなる。そのため、第２粒子２１に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２３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相１３及び第２相１５は、それぞれ複数の第１粒子１９及び複数の第２粒子２１が混在する構成となっている。ここで、第１相１３が網目構造となっており、複数の第２相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。第１相１３によって複数の第２相１５が分断された構成となることから、第２相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相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が分散して複数の第２相１５を構成するとともに、各第２相１５が１つの第１相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１９に囲まれて互いに離れて位置する第２相１５が１０以上有するとともに、各第２相１５を囲む第１粒子１９が接続されて１つの第１相１３を構成している場合に、第１相１３が網目構造となっており、複数の第２相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は、基体３の表面に被覆層１１を有していてもよい。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。被覆層１１として用いる材料として、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、ＴｉＡｌＮ及びＴｉＣＮＯなどが挙げられる。本開示の切削工具１においては、耐摩耗性を高くするため、ＴｉＡｌＮ層を用いてもよい。これらの被覆膜１１は、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設けることができる。

本開示の切削工具１においては、ＰＶＤ法により形成された被覆層１１を用いるとよい。ＰＶＤ被膜を設けると基体に圧縮応力が発生し、切削工具の耐欠損性が向上する。

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相１３及び第３相１７を構成する炭化タングステンの粉末として、平均粒径が０．１～２μｍのＷＣ粒子を準備する。第１相１３を構成する炭化クロムの粉末として、０．１～２μｍのＣｒ_３Ｃ_２粒子を準備する。第２相１５を構成するアルミナ粒子として、０．１～２μｍのＡｌ_２Ｏ_３粒子を準備する。このとき、Ａｌ_２Ｏ_３粒子の平均粒径がＷＣ粒子及びＷ_２Ｃ粒子よりも大きい場合には、基体３における第２粒子２１の平均粒径を第１粒子１９及び第３粒子２３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６時間以上行われる。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２３を構成する炭化タングステンの粉末が分解されたアルミナに囲まれ、本開示の構成を有する基体３が形成される。また、上記の温度で焼成することによって、Ｃｒ_３Ｃ_２粒子が液相となり、第１相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。

なお、上記の例では、原料として炭化クロムを用いた例を示したが、炭化クロムを除いて、その分を炭化タングステンの粉末やアルミナ粒子としてもよい。

本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良、組合せ等が可能である。

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相
１５・・・第２相
１７・・・第３相
１９・・・第１粒子
２１・・・第２粒子
２３・・・第３粒子

Claims (11)

1. Ｗの炭化物換算の含有比率が８０質量％以上であり、ＷＣおよびＷ_２Ｃの少なくとも一方を含有する複数の第１粒子と、
   Ａｌ_２Ｏ_３の含有比率が８０質量％以上である複数の第２粒子と、を有し、
   複数の前記第１粒子のうち少なくとも１つは、ＷＣおよびＷ_２Ｃの両方を含有し、
   タングステンの炭化物の含有量は、タングステンの炭化物およびＡｌ_２Ｏ_３以外の他の化合物の含有量の合計、タングステンの単体の含有量、および、Ｓｉの単体の含有量よりも多く、Ａｌ_２Ｏ_３の含有量は、タングステンの炭化物およびＡｌ_２Ｏ_３以外の他の化合物の含有量の合計、タングステンの単体の含有量、および、Ｓｉの単体の含有量よりも多い、セラミック部材。
2. 断面視において、前記複数の第２粒子からなる第２層のうち少なくとも１つは、前記複数の第１粒子に囲まれている、請求項１に記載のセラミック部材。
3. 断面視において、前記複数の第２粒子の少なくとも１つは、
   前記第１粒子との境界に接する外側領域と、
   前記外側領域よりも内側に位置し、前記第２粒子の中心を含む内側領域と
   を有し、
   前記外側領域におけるタングステンの含有比率が前記内側領域におけるタングステンの含有比率よりも高い、請求項１または２に記載のセラミック部材。
4. 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い、請求項１～３のいずれかに記載のセラミック部材。
5. 前記第２粒子は、網目状に位置する前記複数の第１粒子の中に位置している、請求項１～４のいずれかに記載のセラミック部材。
6. 前記複数の第１粒子は、少なくとも１つが、さらに周期律表４Ａ、５Ａ、６Ａの元素を含有している請求項１～５のいずれかに記載のセラミック部材。
7. 前記複数の第１粒子は、少なくとも１つが、クロムを含有している、請求項１～６のいずれかに記載のセラミック部材。
8. 前記複数の第１粒子からなる第１層を有し、
   断面視において、
   前記第２粒子は、前記第１層によって囲まれる領域内に位置する、請求項１～７のいずれかに記載のセラミック部材。
9. 請求項１～８のいずれかに記載のセラミック部材を備えた切削工具。
10. 前記セラミック部材の表面に、被覆膜を備えている請求項９に記載の切削工具。
11. 前記被覆膜は、少なくともＴｉＡｌＮ層を備えている請求項１０に記載の切削工具。

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