JPH01121110A - セラミック製切削工具インサート - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本願発明は硬質耐火セラミックマトリックスおよびジル
コニア合金から本質的に成る硬質、強靭、熱伝導性のあ
るセラミック切削工具インサートの製造に関する。

（従来技術） フライス削りや外丸削りによる金属島の機械加工および
形削りは、産業革命の始まり以来近代社会の一部をなし
てきた。予想されるとおり、金属島を形づくるための工
具や少なくとも工具のチップは、最初から金属によって
作られた。しかしなから、フライス削りや外丸削りの操
作における送り速度や回転速度が増すにつれて、工具の
チップはますます高温に遭遇し、チップが金属工作物と
化学的に作用して速やかに摩滅することが、やがて明ら
かになった。

このような作用は望ましくない故に、工具のチップを硬
化する一方、チップと金属工作物との化学的作用を減す
るための莫大な努力が企てられてきた。

その結果、金属代替物としての切削工具チップ用材料（
切削工具技術においては“インサート”と定義される）
が、先行技術に多数含まれている。

一般的に先行技術は、切削工具インサート用の成分とし
ての硬質耐火セラミックスの使用を開示してきた。これ
らを以下に説明する： 米国特許第４．０６３，９０８号は、Ｔ　ｉ　０２とＴ
ｉｃとを、Ａｇ２Ｏ３で焼結したセラミック本体中に組
み入れることを述べている。米国特許第４．２０４．８
７３号は、ＷＣとＴｉＮとを、ＡΩ２０３を含む焼結セ
ラミック本体中に包含させることを報じている。類似な
ものとして米国特許第４．３６８．２５４号は、ＺｒＯ
２，ＴｉＮもしくはＴｉＣおよび希土類金属炭化物を塩
基性Ａρ２０３セラミック本体に添加することを開示し
ている。

一般的に切削工具インサートは明らかに、フライス削り
操作もしくは外丸削り操作のいずれかのために考案され
たきた。すなわち、ある操作のために考案されたインサ
ートは他の操作には使用されないのが慣例であったが、
その理由は、二つの操作の摩滅特性が全然異なるからで
ある。したがって、外丸削り用に考案された切削工具イ
ンサートは、フライス削り操作に用いるときには、通常
は比較的速やかに損耗する。フライス削り用に考案され
た工具インサートを外丸削りに用いるときも、同様な事
態を生じる。より最近になって、外丸削りとフライス削
り兼用の切削工具インサートが製作されるようになった
が、余り成功していない。

セラミック切削工具インサートが充分な性能を発揮する
ためには、多種多様な物理的特性を備えなければならな
い。これらの特性とは、硬度、熱伝導度、強度、および
靭性である（これらはすべて温度の関数である）。温度
変化によって生じるインサート内の相の望ましくない相
変態は避けなければならない。しかも前述のとおり、工
作物との化学的作用は最少限でなければならない。個々
の材料はいくつかの特性において優れている反面、別の
方面の欠陥のために切削工具インサートとして無用化す
ることがある。このような欠陥の事例はジルコニアであ
って、この材料の強度と靭性は優れているけれども、熱
伝導度が低く硬度が小さい。この低熱伝導度特性のため
に、インサートチップが使用中に熱くなって塑性流を生
じることがある。

これら２種類の金属切削操作の各について標準化された
試験が開発されてきた；すなわち外丸削り試験および断
続切削すなわちフライス削りの試験である。これら二つ
の試験はそれぞれが遭遇する作用に関して大雑把に特性
づけることができる。

こ＼に外丸削り試験は主として、摩耗と化学的摩滅に対
するインサート材料の抵抗を測定する。−方、断続切削
試験は、インサート材料が熱的および機械的衝撃に耐え
る能力を測定する。

外丸削り試験においては、金属棒（工作物）を旋盤に取
り付けてインサートに対して所定速度により旋回する。

インサートは、工作物の長さ方向に沿って移動するツー
ルホルダーに取り付けられる。単位時間当りに工作物か
ら切削される金属の量は、３つの因子の関数である：第
１因子は、工作物を旋回させる主軸の回転速度を１分間
当りの回転数（ＲＰＭ）で表わしたものであり；第２因
子は、インサートがツールホルダーによって工作物の全
長に亘り一方の端から他方の端まで平行に移動される速
度を、工作物１回転当りのインチ毎分（ＩＰＲ）（２，
５４ｃｍ毎分）によって表わしたものであり；第３因子
は、インサートが工作物中に切り込む距離を切込み深さ
（ＤＯＣ）として測定したものである。

この最初の２作動の組合せによって、表面フィート毎分
（ＳＰＰＭ）　　（３０，５ｃｍ毎分）として通常定義
される金属切削速度の標準的測定単位が得られる。

この試験を実施するための標準的手順において、ＩＰＲ
は０．０１０インチ（０，２５４順）に保たれ、ＤＯＣ
は０．０７５インチ（１，９０５關）に維持され、ＲＰ
Ｍは所望の金属切削速度にしたがって変動する。

断続切削試験は、切削ヘッド中に単一インサートを取り
付けたタレット旋盤を使用する。このようにして、工作
物が回転切削ヘッドに沿って横方向へ動くにつれて、イ
ンサートは実質的に工作物を切り刻む。試験が進行する
につれて送り速度が増大する故に、断続切削試験は動的
である。本発明の試験例において、最初の２０回の切削
は送り速度０．００２５ｒＰＲ（０，０８３５ｍｍＰＲ
）で開始し、各連続５パス（すなわち５回の切削）毎に
送り速度を０．００２５ｒＰＲ（０，０８３５＋ｎｍＰ
Ｒ）ずつ増したために２０回目の送り速度は０．０１０
１ＰＲ（０，２５４ｍｍＰＲ）である。引続く切削、す
なわち２１〜６０回の切削については、各連続５パス後
の増分を０．００５０１ＰＲ（０，１２７ｍｍＰＲ）と
した＼めに２１回目の送り速度は０．０１５１ＰＲ（Ｏ
Ｊ８１ｍｍＰＲ）　、６０回目のそれは０．０５０１Ｐ
Ｒ（１，２７ｎ＋ｉ＋ＰＲ）である。この送り速度０．
０５０１ＰＲ（１，２７ｍｍＰＲ）は、試験装置の最大
容量を表わす故、上限値である。この試験は、材料の熱
的および機械的衝撃に対する抵抗性に関する資料を提供
し、インサートの破損時に終結する。

フライス削り操作に際してインサートが充分な性能を発
揮するためには、熱的および機械的衝撃に対するすぐれ
た抵抗性が要求される。しかも、このような熱的および
機械的特性は外丸削り操作にも必要である。外丸削り操
作において、送り速度が大きいか、切込み深さが深いか
、もしくは冷却剤を使用するような切削条件のもとでは
、インサートは、か＼る条件には付き物の熱的および機
械的な力に抵抗する能力を備えていなければならない。

インサートが非均−な工作物材料にさらさ　　　　　　
′れるときにも、たとえば硬い介在物が工作物中に含ま
れているときや鱗片状の表面を切削するときには、同様
な耐久性が存在しなければならない。

したがって断続切削スクリーンテストにおける良好な成
績は、多くの外丸削り操作中に見られる条件のもとてイ
ンサート材料が良好な性能を発揮する見込みを指摘する
ものである。

前述の試験は、切削速度を増すことによって加速摩滅試
験を模擬するために計画することかできる。−例として
外丸削り試験は約２０００〜３０００ＳＰＰＭ（６１０
〜９１５＋ｎＰＭ）の速度を用いるが、これらの速度は
、産業界で使われている代表的な８００〜１０００９１
０００９ＰＰ〜３０５ｍＰＭ）よりもかなり大きい。し
たがって一般的には、切削速度が高いほどインサート／
工作物界面における温度も高くなる。か＼る高切削速度
における温度上昇（２５００〜３０００ＳＩ’ＰＭ（７
Ｂ２．５〜ｂ は工作物の塑性変形増加を惹起し、それによって、高温
金属が切除されるにつれて摩耗性損耗および切削による
機械的衝撃が少なくなる。しかしなから、温度上昇は化
学反応速度の上昇を促進し、したがって温度に関係する
摩滅機構、たとえば密管性摩滅を強化する。

セラミック組成物から切削工具用の改良されたインサー
トを開発するために研究が進んでいる一方、金属のフラ
イス削りや外丸削りの操作のために考案された、現在入
手しうる製品よりもはるかにすぐれた耐久性および信頼
性を発揮するインサートに対する必要性が依然として残
っている。

（発明の目的） したがって本発明の主目的は、異例の靭性・耐摩滅性・
耐衝撃性・熱伝導度・熱衝撃抵抗性を発揮し、それによ
ってフライス削りおよび外丸削りの操作に用いるのにと
りわけ好適である切削工具インサートを開発することに
ある。

（発明の構成） 米国特許出願第９２６．６５５号は１９８６年１１月４
日に、“高靭性セラミック合金“の名称のもとにＴｈｏ
ｍａｓＤ、　Ｋｅｔｃｈａｍを出願人として出願された
もので、本明細書中に折り込んであり、破壊靭性値（Ｋ
＋ｃ）によって測定する際に異例の高靭性値を示すセラ
ミック合金の製造を報じている。そこに開示された合金
は、酸化物を基準とするモルパーセントによって表示す
ると、約０．５〜８％の靭性化剤および残部のジルコニ
アによって本質的に構成されている。本出願の開示事項
は本発明と関係があるために、本明細書中に参考として
完全に組み込まれている。しかしなからその開示事項は
、本発明に具体的に関連しているために、その簡単な要
約を以下に述べる： そこに説明されているとおり、その靭性化剤はＹＮｂＯ
４、ＹＴａＯ４、ＹＮｂＯ４。

ＭＴａ０４およびそれらの混合物から成る群から選ばれ
たものであり、Ｍは、Ｍ　ｇ　＋２．　　Ｃａ＋２゜Ｓ
ｃ＋３ならびにＬ　ａ＋３．　　Ｃｅ＋４．　　Ｃｅ＋
３．　　ｐ　、＋３゜Ｎｄ”、Ｓｍ”、　　Ｅｕ＋３．
　　Ｇｄ＋３．　　Ｔｂ＋９゜Ｄｙ”、Ｈｏ”、Ｅ　ｒ
＋３．Ｔｍ＋３．Ｙｂ＋３゜Ｌ　ｕ　＋３およびそれら
の混合物から成る群から選ばれた１種の希土類金属イオ
ンから成る群から選ばれた、モル基準によってＹ陽イオ
ンを置換する１種の陽イオンから成る。当該出願は、合
金が１要素を構成する種々の組成物の生成を述べている
。

たとえば、アルミナ中ムライトやシアロン・炭化ケイ素
・窒化ケイ素・ＡΩＮ−ＢＮ−Ｂ４Ｃ・ＺｒＯ２・ジル
コン−オキシ炭化ケイ素中スピネルのような耐火セラミ
ック繊維および／またはウィスカーは合金体の内部に混
入させることができる。その合金は、アルミナ・Ａｇ２
Ｏ３−Ｃｒ２０３固溶体・シアロン・炭化ケイ素・窒化
ケイ素・炭化チタン・二硼化チタン・炭化ジルコニウム
のような硬質耐火セラミックスのマトリックス中に配合
することができる。結論として、合金混合物・耐火セラ
ミック繊維および／またはウイスカー・および硬質耐火
セラミックスから成る組成物を調製することができる。

本発明は、随意的に耐火セラミック繊維および／または
ウィスカーであって前記出願中に述べた種類のものの混
入を含んでもよい前記出願中に同じく述べられた種類の
硬質耐火セラミックから成るマトリックス中に、前記出
願中に述べられた種類のセラミック合金の狭く限定され
た量を組み入れることによって、切削工具インサートと
して異例的に操作を容易にする物理的および化学的特性
を発揮する材料を調製することができる；という発見に
基づく。

かくして本発明による硬質・強靭・熱伝導性のセラミッ
ク切削工具インサートは重量パーセントによって表示す
るとき、５５〜８０％の硬質耐火セラミックおよび２０
〜４５％のジルコニア合金から本質的に成り、該ジルコ
ニア合金は酸化物を基準とするモルパーセントによって
表示すると、ＹＮｂＯ４・ＹＴａＯ４・ＹＮｂＯ４・Ｍ
Ｔａ０４　・およびそれらの混合物から成る群から選ば
れる１〜４％の靭性化剤から本質的に成り、ＭはＭ　ｇ
　＋２．　　Ｃａ　＋２．　　Ｓ　ｃ　＋３ならびにＬ
　ａ　＋３゜Ｃｅ”、Ｃｅ＋３．Ｐｒ＋３．Ｎｄ＋３．
Ｓｍ”。

Ｅ　ｕ　＋３．　Ｇ　ｄ　”、　Ｔ　ｂ　＋３．　Ｄ　
ｙ　”、　Ｈｏ　＋３゜Ｅｒ＋３．Ｔｍ”、Ｙｂ＋３．
Ｌｕ＋３およびそれらの混合物から成る群から選ばれた
１種の希土類金属イオンから成る群から選ばれた、モル
基準によってＹ陽イオンを置換する１種の陽イオンから
成り、残部はジルコニアである。最も好ましい合金は靭
性化剤としてＹＮｂＯ４および／またはＹＴａＯ４を用
いる。ジルコニアは、Ｃａｂ。

ＣｅＯ２、ＭｇＯ，Ｎｄ２０３およびＹ２０３のような
既知の安定剤の存在によって部分的に安定化されてもよ
い。一般にこのような安定剤の濃度は約０，５〜６モル
パーセントであり、Ｙ２Ｏ３の最も好ましい量は約０．
５〜２モルパーセントである。したがってこ＼に用いる
とおり、ジルコニアという用語は少量の安定剤の存在に
よって部分的に安定化されたＺｒＯ２を含む。なお、ジ
ルコニアという用語は、いかなる特定の結晶相もしくは
格子形態にも限定されるべきものではなく、ジルコニア
ポテンシャル内の相および格子形態の各を含む。一般に
、インサートの本体中に随意に混入された耐火セラミッ
ク繊維および／またはウィスカーの含有量は約３５容積
％をこえないものである。

切削工具インサートの組成に加えて、最終的材料のミク
ロ組織も重要である。なお合金は硬質耐火セラミックマ
トリックス中に均一に分布されなければならず、それら
の集合体は避けるべきである。したがって、大きさが約
５０ミクロン以上の合金集合体が存在するとインサート
弱体化を惹起することが認められ；微小亀裂かこれらの
不均一部へと、また不均一部からマトリックス全体に伝
播する。

前述の特許出願（出願番号９２６．６５５）は、セラミ
ック合金の細かく分離された焼結可能な粉体を形成する
ための一般的２方法を開示している。第１法は共析出方
法から成り、第２法は、種々の付加を通じて改質される
出発物質として、工業的な、Ｙ２０３を含む、安定化さ
れたＺｒＯ２の利用を含むものである。これらの両方法
とも、本発明のインサートの製造に用いるに適した合金
粉末を提供するのに適切である。出願９２Ｂ、［ｉ５５
に列挙された共析出方法と付加方法の完全な記述は参考
として本明細書中に折り込んである。各方法の一実施態
様の簡単な説明が、靭性化剤としてＹＮｂＯ４を利用し
て加えられている。

共析出操作においてＮｂＣ１）５をＨＣ，ｉｌｌ水溶液
中に溶解して、０．３〜１ミクロンのフィルターによっ
て濾過可能な溶液を生成した。硝酸ジルコニルとＹ　（
ＮＯ３）　３　・６Ｈ２０との濃縮水溶液をＮｂＣｇ５
　／ＨＣ４溶液に加えた。水溶性ＮＨ４０Ｈを加え、大
量の過剰分を用いて高度の過飽和物を作り、陽イオンの
偏析をさけるために速やかに共析出を行った。その結果
束じた析出ゲルを、ｐＨ＞１０において水性ＮＨ４０Ｈ
により遠心分離機内で数回洗浄し、ゲル中に捕集された
水分を凍結乾燥によって除去した。乾燥した材料を約１
０００℃において２時間■焼し、ＺｒＯ２ビードを用い
て３日間、■焼物のイソプロピルアルコールスラリーを
振動粉砕した。そのスラリーをスクリーンにかけてビー
ドを抜き取り、次いで蒸発し去った。生成した粉体の粒
子大きさは１ミクロン未満であり、代表的には０．３ミ
クロン未満であった。

前述の方法は実験室的実施要領のみを反映していること
は極めて明瞭であり一個々の段階における種々の改変は
、当技術分野における当業者にとって直ちに明白になる
。

付加操作において、粉末化された工業用の部分的に安定
化されたＺ　ｒ０２　　（Ｚ　ｒ０２−３モル％のＹ２
０３）とメタノールから成るスラリー中へ、粉末化され
たＮｂ２　ｏ５を配合し、ＺｒＯ２ビードを用いて２．
５日間振動粉砕した。そのスラリーをスクリーンにかけ
てビードを取り除き、メタノールを蒸発し去り、生成し
た粉体を８００℃において２時間■焼した。生成した粒
子の直径は５ミクロン未満であったが、２ミクロン未満
が好ましい。

共析出方法と同様に、前述の説明は実験室的操作のみを
代表するものであり；個々の段階における種々の改変は
、当技術分野における当業者にとって直ちに明白になる
。

本発明のインサートを形成するための好ましい過程はつ
ぎの一般的３段階から成る： （ａ）　　合金と硬質耐火セラミックスとの粉体を所望
の比率によって混合し、その際に５０ミクロン以上、好
ましくはｌＯミクロン以上の直径の集合体が生じないよ
うに注意する（所望ならば、結合剤および潤滑剤を随意
的に包含させてもよく、耐火セラミック繊維および／ま
たはウィスカーが混入してもよい）； （ｂ）　　生成した混合物を所望の形態に形作る；（ｃ
）　　その形態のものを、約１１００℃〜１７００℃の
温度において焼成することにより、完全な本体に焼結す
る。混合物を所望の形状に形作ることは、通常はプレス
操作によって企てられる。しかし小型インサートは押出
しによって製作することができる。したがって、混合物
は一軸的に乾燥プレスしても、同一条件で静的に冷間プ
レスしてもよく、−軸的にもしくは同一条件で熱間プレ
スしてもよい。焼結処置は熱間プレスと同時にもしくは
それに先立って実行してもよい。たとえば、混合物を１
１００℃〜１７００℃において焼結し、次いで同一温度
範囲内において熱間静的プレスを行なってもよい。本体
を形作るに当って結合剤や分散剤を用いるときには、焼
結温度以下、たとえば３００℃〜８００℃の高温に、こ
れらの物質を蒸発／焼却するに充分な時間をかけて本体
を加熱することによって、焼結に先立ちこれらの結合剤
や分散剤を除去しなければならない。焼結は空気中（酸
化性雰囲気）もしくは明らかに同等の結果を生じる非酸
化性雰囲気）中において行ってもよい。

切削工具インサートを調製するには、基質成分を適正な
比率で単純に混合し、その混合物を所望の形態に形作り
、次いで１１００℃〜１７００℃において焼結すること
によって行なうことができる。このような製品はつぎの
方法によって製作することができる： （ａ）　　硬質耐火セラミックス、ジルコニア、ＹＮｂ
Ｏ４−ＹＴａＯ４・ＭＮｂ０４゜ＭＴａ０４およびそれ
らの混合物から成る群から選ばれる靭性化剤（こ＼にＭ
は、Ｍｇ＋２゜Ｃａ＋２．Ｓｃ＋３ならびにＬ　ａ”、
　　Ｃｅ　”。

Ｃｅ　＋３．　　Ｐ　　ｒ”、　　Ｎｄ　＋３．　　Ｓ
ｍ＋３．　　Ｅｕ　＋３゜Ｇｄ＋３．Ｔｂ＋３．　Ｄ＞
”３＋　Ｈｏ＋３．　　Ｅｒ４３゜Ｔｍ＋３．Ｙｂ”、
Ｌｕ＋３およびそれらの混合物から成る群から選ばれた
１種の希土類金属イオンから成る群から選ばれた、モル
基準によってＹ陽イオンを置換する１種の陽イオンから
成る）または共に反応するときに当該靭性化剤を生成す
る成分、ならびに所望ならばジルコニア用の安定剤から
本質的に成る粉体の混合物であって、当該粉体は、焼結
に当って２０〜４５％のジルコニア合金および５５〜８
０％の硬質耐火セラミック（いずれも重量％により表示
）から本質的に成る本体を生成するに充分な量と適正な
比率において存在するものであり、当該ジルコニア合金
は１〜４％の靭性化剤および残部のジルコニア（酸化物
を基準とするモル％により表示）から本質的に成るもの
である如き粉体の混合物を生成し； （ｂ）　　当該混合物を所望の切削工具インサート形態
に形成し；ついで （ｃ）　　硬質強靭かつ熱伝導性の本体を生成するため
に約１１００℃〜１７００℃の温度において当該形成混
合物を焼結すること。

前述の方法は、ｚｒＯ２合金の初期調製を必要としない
点において実用的に有利である。しかしなから、この方
法によって調製したインサートが示す特性は、最初に合
金を調製しついで硬質耐火セラミックと混合したものよ
りも一貫性が若干劣るようである。したがって、硬質耐
火セラミ・ツクの粉体と合金を含む成分との混合物から
合金が生成される以上、適正濃度の合金が本体中に一様
に行き渡り、均一な硬度・靭性・熱伝導度を得ることを
保証するのは困難である。この実験を例証するために、
ジルコニア合金／アルミナ生地をつぎの手順にしたがっ
て調製した： （ａ）　　ジルコニア、Ｎｂ２０５　、Ｙ２０３および
アルミナの粉体を適切な比率にしてプラスチ・ノりのジ
ャーに入れ、ＺｒＯ２の混合ボールと共に振とうして混
合する； （ｂ）　　その粉体混合物を蒸溜水中に配合してスラリ
ーを生成する（または、粉体と反応しないことが明らか
な液体、たとえばメタノール、イソプロパツールおよび
メチルエチルケトンを使用できることは自明である）； （ｅ）　　そのスラリーを３日間振動粉砕する；（ｄ）
　　そのスラリーを噴霧乾燥する（その他の乾燥方法、
たとえば簡単な釜乾燥が使用できることは自明である）
；その後 （ｅ）乾燥した材料を、温度１４５０℃、圧力６０００
Ｐｓｉ　（４２２ｋｇ／　ｃＪ）において１時間、黒鉛
の型の中で一軸的に熱間プレスする。

繊維および／またはウィスカーが製品に望ましいときに
は、焼結に至るまでのいかなる段階においてもそれらを
混入させてもよい。それ故、焼結すべき形状のものの中
へ混入しておきさえすればよい。

実用的な見地からすればアルミナは、切削工具＝　２３
　＝ 形成に当って合金用の好ましい硬質耐火セラミックマト
リックスを構成することが経験によって指摘されてきた
。合金とアルミナとの基剤組成物に最大５モルパーセン
トのＣｒ２Ｏ３を添加すると、インサートの摩滅抵抗性
能が改善されるようである。しかしなから、約５％以上
を添加すると生地の熱伝導度が低下し、その程度は、イ
ンサートが使用中に熱くなって塑性変形が生じる程であ
る。

Ａ、Ｑ　２０３−Ｃｒ２Ｏ３焼結体の熱伝導度低減作用
においてＣｒ２Ｏ３が及ぼす効果の基礎となる機構は、
米国特許節４，５３３．６４７号に説明されている。合
金によって靭性化した二硼化チタンおよびアルミナと二
硼化チタンとの混合物から調製された切削工具インサー
トもまた性能がよいが、二硼化チタンはアルミナよりも
コストが高い。炭化チタン、窒化チタン、炭化ジルコニ
ウムおよび当技術分野の当業者にとって既知の別の被覆
剤によってインサートを被覆すると製品の耐摩耗性が向
上する。

ＳｉＣの繊維およびウィスカーは、好ましい耐火セラミ
ックの繊維とウィスカーを構成する。

（実　施　例） 表−Ｉは、モルパーセントの合金とモルパーセントのマ
トリックスによって表示された多数の組成物を示したも
ので、本発明のパラメーターを説明している。合金の靭
性化剤成分は酸化物を基準としてモルパーセントによっ
て個別に示してあり、付加のイツトリアおよびＣｒ２Ｏ
３が存在する場合と同様である。ジルコニアは合金の残
部を構成する。

合金は前述の付加工程を利用して調製した。その後合金
粉末とマトリックス材料の粉末とを、結合剤や潤滑剤を
混入せずに混合し、その混合物を温度１４５０℃、圧力
６０００ＰＳｉ　（４２２ｋｇ／　ｃＪ）において１時
間、黒鉛の型の中で一軸的に熱間プレスした。

本発明者らは、切削工具インサートとしての材料および
有用性によって示される硬度、靭性、および熱伝導度の
間に強い相関が存在することを観察してきた。それ故本
発明者らは、もしも熱伝導特性が許容値の範囲にあれば
、少なくとも６ＭＰａｆ酊の破壊靭性（Ｋ＋ｃ）および
約１５．０ＧＰａをこえるヴイッカース硬度を有する材
料は切削工具インサートとして極めて良好な性能を発揮
することを見出した。靭性に釣り合わない過大な硬度は
インサートの欠損に結びつく。したがってノツチによる
靭性と硬度の測定を、組成物候補に対する迅速スクリー
ニングテストとして使用した。サンプルを調製するには
、焼結体を磨いて鏡面仕上げした。その後、米国セラミ
ック協会誌、　１９８１年。

５３３〜５３８真に報告されたＡｎｓｔｉｓらのノツチ
法によって、靭性と硬度を測定した。Ａ　Ｄ　９９９ア
ルミナに対するＸ値を用いてつぎの式を得た：Ｋ　ＩＣ
−０，０１７５Ｐ　Ｉ”　Ｅ　”２６　Ｃ−”’硬度は
、Ｈ＝１．８５４　Ｐ／ｄ２によって定義される通常の
ヴイッカース硬度であり、両方の式におけるＰは加重で
あり、Ｃはワレの長さであり、両方の式におけるｄは凹
みの対角線の長さであり、Ｅは弾性係数であって、アル
ミナは３８００Ｐａ、ジルコニア・イツトリウム・ニオ
ブ酸塩合金は２００ＧＰａ。

二硼化チタンは４５０ＧＰａと想定した。使用荷重は１
０ｋｇであった。

表−■は、表−■の実施例について測定したもので、Ｇ
Ｐａによって表示したヴイッカース硬度の値、およびＭ
Ｐａ　ＪＴＦｒによっぞ表示した破壊靭性（Ｋ＋ｃ）の
値を掲げたものである。

表−■ 実施例　硬度　靭性 １　　１８．２　　７．１ ２　　１９．１　　８．１ ３　　１８．６　　　Ｂ、３ ４　　１７．８　　６．０ ５　　１９．１　　６．８ ６　　１．８．２　　６．１ ７　　１Ｂ、５　　６．２ ８　　１８．１　　８．８ ９　　１Ｂ、１　　６．２ 表　−■（続き） 実施例　硬度　靭性 １０　　１５．７　　１３．２ １１　　１９．１　　６．１５ １２　　１９．１　　　Ｂ、８ １３　　１７．３　　　Ｂ、８ １４　　１５．０　　　Ｂ、７ １５　　１５．７　　　Ｂ、２ １６　　２Ｌ、２　　３．７ １７　　２０．１　　５．１ １８　　１８．８　　４．３ １９　　１Ｇ、５　　４．．７ ２０　　１ｇ、２　　４．４ ２１　　１９．１　　４．８５ ２２　　１８．２　　５．０ ２３　　　　　１４．４　　　微小亀裂発生表−■から
観察されるとおり、実施例１６〜２３の靭性および／ま
たは硬度の値は、切削工具インサートに関して適切と判
断される値よりも低い。

表−■は、つぎの式によって熱拡散データから計算した
熱伝導度の値を示す： 熱伝導度−密度×比熱×熱拡散率 表−■ 実施例　　　熱伝導度、　ｗｍ−”Ｋ−’１　　　　　
　　　２０．４２ ３　　　　　　　　２０．８７ ５　　　　　　　　１９．９４ １２　　　　　　　　１４．３５ １５　　　　　　　　　７．３８ １９　　　　　　　　２３．２６ ２２　　　　　　　　１９．２ 前述のとおり、切削工具インサート材料が充分な性能を
発揮するためには、硬度、靭性および熱伝導度の各につ
いて一定の最小値が臨界的である。

添付図面に示す棒グラフは、これらの３特性値がどのよ
うな相互関係を有するかを図解している。

Ａで表わしたグラフは熱伝導度、Ｂは硬度、Ｃは靭性に
関する。実施例１，３および５は切削工具インサートと
してすぐれた性能を示すことが分っている。これらの実
施例は３件とも、靭性値がｅ、ＯＭＰａｆ而よりも大き
く、硬度の値が１５．０ＧＰａをこえ、かつ熱伝導度の
値が１４Ｗｍ−１°Ｋ−”よりも高い。

これとは対称的に、実施例１９および２２は不適格切削
工具インサートであることが判明している。実施例１９
については、熱伝導度と硬度の値は適格である反面、靭
性の値が低く　４．７ＭＰａｆ五であるのが欠点である
。実施例２２も、熱伝導度と硬度の特性は合格であるが
、靭性は５．ＯＭＰａＪｉにすぎない。

実施例１５は、靭性と硬度の値は適格であるが熱伝導度
の値は７．３８Ｗｍ（″に−１と低くて不適格であり、
これは過大なＣｒ２Ｏ３含有量が原因である。実施例１
２については、靭性値が６．１５ＭＰａ　Ｊ了、硬度の
値が１９．ＩＧＰａ　、熱伝導度の値が１４．３５Ｗｍ
−”　″に−１であって、熱伝導度のために切削工具イ
ンサートとしての合格ぎりぎりの性能を示している。実
施例８と２２の組成は類似しているけれども、実施例２
２は靭性の基準を満たしていない。マトリックス中の合
金の有効含有量が低すぎて、満足な切削工具インサート
としての所望の特性を達成できないものと判断される。

前述のデータから理解できるとおり、創造的合金から作
られた切削工具インサートは、適当なマトリックス中に
−たん組み込まれれば、一定の最小値を付与される筈で
ある。材料の特性がこれらの最小値以上を示さなければ
、その材料は切削工具インサートとして満足な性能を発
揮しないものである。

表−■は、実施例１．　３．　５．１９および２２に関
する切削工具インサートの試験結果を掲げる。

表−■ 破損までの時間、　　切削回数 実施例　外丸削り試験　　　切削試験 （衝撃試験） １　　　　２５５６　　　　　　　８Ｂ２２　　　　１
．５０８　　　　　　　２１標準　１５６９　　　　８ アルミナと炭化チタンとを含む合金から作られた工業用
材料であって、適格インサートの基準として用いられる
値を示してきた標準的切削工具インサートを表−■にお
いて“標準”と名づける。

標準インサートよりもすぐれた創造的合金インサートの
耐久性の改善率は外丸削り試験において６３％に達する
。このデータの試験条件は、　１００Ｏ８Ｐ１０００８
ＰＰ＋ｌＰＭ）、切込み深さ０．０７５インチ（１，９
０５ｍｍ）、０．０１０１ＰＲ（０，２５４ｍｍＰＲ）
　テあり、試験はすヘテ４１５゜−３Ａ　　− 鋼製枠について行なった。データは破損に至るまでの時
間を秒によって表わす。合格した実施例はすべて、標準
よりはるかに長時間持ちこたえた。

本発明の目的に対して不合格と判明した実施例は、標準
とはゾ同じかもしくは短かい持続時間を示した。

フライス削りすなわち断続切削試験インサートの結果は
、外丸削り試験において観測した結果よりも劇的に進歩
した値を示し、標準よりも平均して３００％はど耐久性
が大きい。衝撃試験はネズミ鋳鉄について行ない、切込
み深さは０．０７５インチ（１，９０５ｍｍ）　、１２
００ＳＰＰＭ（３Ｂ釦ＰＭ）とし、ＩＰＲは前述のとお
り０．０１０１ＰＲ（０，２５４問ＰＲ）から開始して
、５回の切削毎に増大させた。

所要範囲内の靭性化剤をジルコニアに添加して合金を形
成すると、異方性熟膨脹係数、正方晶および単斜晶の相
双方の格子パラメーター、および合金の正方晶から単斜
晶への相変態に対する化学的駆動カーΔＧを変更するこ
とによって、切削工具組成物の靭性が改善されると推測
される。これらの変化は変態域を広め、靭性の改善につ
ながるという仮説か設けられている。

厳密に証明はできないけれども、セラミックマトリック
ス中に合金を混入させると、異方性熟膨脹係数、正方晶
および単斜晶の相双方の格子パラメーター、および合金
の正方品から単斜晶への相変態に対する化学的駆動カー
ΔＧを変更することによって、前述と同じ方式で切削工
具インサート組成物の靭性が改善され、このことはつい
で、より大きい変態域を生じ、それによって靭性が改善
されるものと、本発明者らは想定する。

なお本発明者らは、創造的材料を切削工具インサートと
して用いるときに表明される自然回復の特性は何であろ
うかを観察した。すなわち、最初はインサートの欠損が
多少生じることがあるが、初期の欠損後は余り生じなく
なる。本発明者らは、この現象は、合金の大きい変態域
によって生じた圧縮表面応力の結果であると信じている
。

【図面の簡単な説明】

図面は実施例１．　３．　５．１２．１５．１９．２２
の熱伝導度（Ａ）、硬度（Ｂ）および靭性（ｃ）の関係
を示すグラフである。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）１５ＧＰａをこえる硬度、６ＭＰａ√ｍをこえる
   靭性および１４Ｗｍ＾−＾１°Ｋ＾−＾１をこえる熱伝
   導度を有し、２０〜４５重量％のジルコニア合金および
   ５５〜８０重量％の硬質耐火セラミックマトリックスか
   ら本質的に成るセラミック製切削工具インサートであっ
   て、当該合金は、ＹＮｂＯ＿４・ＹＴａＯ＿４・ＭＮｂ
   Ｏ＿４・ＭＴａＯ＿４およびそれらの混合物から成る群
   から選ばれた酸化物を基準とする１〜４モル％の靭性化
   剤（こゝにＭはＭｇ＾＋＾２、Ｃａ＾＋＾２、Ｓｃ＾＋
   ＾３ならびにＬａ＾＋＾３・Ｃｅ＾＋＾４、Ｃｅ＾＋＾
   ３・Ｐｒ＾＋＾３、Ｎｄ＾＋＾３・Ｓｍ＾＋＾３・Ｅｕ
   ＾＋＾３・Ｇｄ＾＋＾３・Ｔｂ＾＋＾３・Ｄｙ＾＋＾３
   ・Ｈｏ＾＋＾３・Ｅｒ＾＋＾３・Ｔｍ＾＋＾３、Ｙｂ＾
   ＋＾３・Ｌｕ＾＋＾３およびそれらの混合物から成る群
   から選ばれた１種の希土類金属イオンから成る群から選
   ばれた、モル基準によってＹ陽イオンを置換する１種の
   陽イオンから成るものである）ならびに残部のジルコニ
   アから本質的に成ることを特徴とするセラミック製切削
   工具インサート。
2. （２）当該硬質耐火セラミックマトリックスがアルミナ
   、Ａｌ＿２Ｏ＿３−Ｃｒ＿２Ｏ＿３固溶体、シアロン、
   炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化チタン、二硼化チタン、
   炭化ジルコニウムおよびそれらの混合物から成る群から
   選ばれることを特徴とする請求項１記載のセラミック製
   切削工具インサート。
3. （３）Ｃｒ＿２Ｏ＿３が最大約５モル％の量において存
   在することを特徴とする請求項２記載のセラミック製切
   削工具インサート。
4. （４）耐火セラミックの繊維および／またはウィスカー
   の合計を最高３５容積％まで含有することを特徴とする
   請求項１記載のセラミック製切削工具インサート。
5. （５）当該耐火セラミックの繊維および／またはウィス
   カーがアルミナ、ムライト、シアロン、炭化ケイ素、窒
   化ケイ素、ＡｌＮ、ＢＮ、Ｂ＿４Ｃ、ジルコニア、オキ
   シ炭化ケイ素およびスピネルから成る群から選ばれるこ
   とを特徴とする請求項４記載のセラミック製切削工具イ
   ンサート。
6. （６）請求項１ないし５のいずれかの請求項に記載の伝
   導性のセラミック製切削工具インサートを製造する方法
   であって： （ａ）所定の組成を生じるための比率によって成分を混
   合し； （ｂ）当該混合物を、切削工具インサートに望ましい形
   態に形成し；ついで （ｃ）硬質強靭かつ熱伝導性の本体を生成するために約
   １１００℃ないし１７００℃の温度において当該形成混
   合物を焼結することを特徴とする製造方法。
7. （７）当該混合物が直径５０ミクロンをこえる粒子また
   は粒子集合体を含まないことを特徴とする請求項６記載
   の製造方法。