JPH013065A

JPH013065A - 酸化物基セラミック切削インサート

Info

Publication number: JPH013065A
Application number: JP63-64753A
Authority: JP
Inventors: ニルス　グンナー　レンナート　ブラント; セリカ　ダヤナ　セネサン
Original assignee: サンドビック　アクティエボラーグ
Priority date: 1987-03-20
Filing date: 1988-03-19
Publication date: 1989-01-06

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】３産業上の利用分野〕本発明はセラミック切削工具材料、特にチタンに基づく
単結晶ウィスカー（毛状結晶）を酸化アルミニウムを含
むセラミック母材に均等に分散させることにより耐摩耗
抵抗に負の影響を実質的に与えることなく強度とタフネ
スが向上される、斯−る有利な切削材料に関する。

〔従来技術〕

セラミック切削工具は数十年に亘り利用されて来ている
が、つい１０年前まではチップフォーミング機械工作に
おける使用では商売上の重要性が認められていなかった
。セラミック切削工具の利用度が抑えられていたことの
主な理由は不充分な強度とタフネスにより切削工具が突
然予期に反して破損してしまったことにある。

過去１０年間にセラミック切削材料の特性が多くの点で
向上したことから、鋳鉄と高度の耐熱抵抗を有する合金
にソケル基）の切削の分野で、この種工具の相対的シェ
アを増大させた。

主たる工作物材料とされるスチールの切削に関しては、
セラミック製の切削インサートのシェアはなおかつ小さ
くひかえめであった。それはこのスチールの工作物材料
が公知のセラミック切削工具材料によって満し得ない強
度、タフネス及び耐摩耗性を工具に同時に要求している
からである。

酸化アルミ基切削工具は、酸化アルミがそれ自体低い熱
伝導度を有しているために熱クラツクに過敏である。こ
の事実はスチールの工作において、特にスチール工作物
との係合時間が短かく且つ切削深さが変化する工作条件
で非常に寿命を短縮させる原因である。

熱特性は、チタン炭化物及び／或いはチタン窒化物の添
加により得られた複合材料の熱伝導度を向上させること
によって、ある程度改良されてきている。チタン炭化物
／窒化物もまたそれによる複合材料の硬度を増加させる
。これらの複合材料によれば純粋な酸化アルミ材料と比
較して硬質工作物材料の切削と熱クラツクに対し抵抗性
が要求される作業において寿命が増大する。しかし、こ
の種の材料はスチール切削のために一役的に１吏用する
にはタフネス挙動があまりにも不良である。

その後の発展技術によれば、酸化アルミの母材に微小グ
レンの酸化ジルコニウム粒子を均等に分散添加させたも
のがある。使用時に準安定化酸化ジルコニウム粒子の変
換が強度とタフネスの両者を増大させ、工具の寿命を一
層予想出来るものにする。

しかし、この種の材料の熱特性は、純粋な酸化アルミ材
料よりそれ程向上するものではなシ）、、従って、熱的
に生起するクラックの開始と成長がスチール工作のよう
な切刃に高温が発生する実際の切削作業において今なお
大きな問題である。

最近、酸化アルミの母材にＳｉＣウィスカー、毛状単結
晶を混入合金化することにより破壊しん性と強度が大い
に向上することが判明している。

この方法に基づくセラミック切削材料は高熱強度を有す
る材料を切削する性能が非常に良好であることを実証し
ている。しかしこの材料はスチールの切削加工において
は、ＳｉＣウィスカーの量が約１０体積％より大きいな
らばＳＩＣ結晶の優先的攻撃が高耐摩耗性の表面領域の
弱体化と破損開始の危険をもたらすことから、驚異的に
工具寿命を短縮してしまうことが判明している。（例え
ば、ＥＰ−Ａ２−０１９４８１１参考）〔発明の目的〕本発明の目的はスチールをチップフォーミング工作（ｃ
ｈｉｐ　ｆｏｒｍｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）用工具
、特に公知の酸化アルミ基切削材料の上述の弱点を解消
したセラミック材料を提供することにある。

本発明の材料では、公知の酸化物基切削材料によっては
得られなかった強度、タフネス（強じん性）、熱衝撃抵
抗及び耐摩耗抵抗の比類のない組合せがみられる。

本発明の具体的な目的はスチールに対し低溶解度を有す
るウィスカーによって補強されることにより、公知の材
料組成物によっては不可能であったスチールの切削時の
耐摩耗抵抗が目立つ程に劣化することなしに一層予期出
来る向上したタフネス、強度及び熱衝撃抵抗が得られる
酸化物基セラミック切削材料を提供することにある。

〔発明の構成〕

本発明のセラミック切削材料は酸化物基、好ましくは酸
化アルミニウム基の母材を５〜５０ｈｉ。

％、好ましくは１０〜４０ＶＯ１１％、特ニ１ｔ２５〜
３５ＶＯｌ。

％、及びチタン及び／或いはジルコニウムの炭（ヒ物、
窒化物及び／或いはホウ化物に基づくウィスカー或いは
適用出来る場合にはこれらの固溶体（好ましくはチタン
窒化物の固溶体）の均等分散物を含んで成る。このウィ
スカーは０．５〜１０ｍ径で２．５〜１００／−長の単
結晶から成り、その長さ／直径の寸法比が好ましくは５
〜１０であることに特徴がある、酸化物母材（マ）　Ｉ
Ｊフックスはセラミック酸化物又は硬質炭化物及び／或
いは窒化物及び／或いはホウ化物及び／或いは結合剤金
属（バインダメタル）と混和したセラミック酸化物から
成る。好ましくは、セラミック母材は２０ｗ、　ｔ、％
より少量の、好ましくは１５ｗ、ｔ、％より少量のｌｒ
口、を含有している。

上述のウィスカーの１部分、５０％より小さい割合分を
シリコン炭化物のウィスカーと置換してもよい。このＳ
ｉＣウィスカーはその総量が１５Ｖｏｌ９％を越えない
条件の下で、スチールの工作時に討摩耗性を著しく減じ
ることなく熱衝撃抵抗に有利な影響を与えるものである
。

〔実施例〕

本発明に係る切削材料は酸化物基粉末と単結晶ウィスカ
ーを型式ミル処理と混合によって調製されろ。この混合
物は乾燥させた後に、所望の外形に圧縮成形してから、
近理論密度に加圧することなく焼結させる。焼結後、所
謂閉じた気孔が残留しているならば、それを均衡ホット
プレス（ｈｏｔ＋５ｏｓｔａｔｉｃ　ｐｒｅｓｓｉｎｇ
）　により除去し得る。焼結によって閉じた気孔が生じ
得ないのならば、適宜の黒鉛工具により加圧焼結し得る
、或いは内部閉じ込めの後で所望の密度に均衡ホットプ
レスし得る。

焼結方法はウィスカー材料に依存するので、切削材料が
理論密度の９９％を越える密度に達するように選定され
る。好ましい例では、ウィスカー材料は窒化チタンから
成り、母材はウィスカーの４０Ｖｏ１．％まで無加圧焼
結を可能にする酸化アルミニウム基の材料である。炭化
チタンウィスカー或いはニホウ化チタンウィスカーを含
有する材料は１０Ｖｏｌ、％を越えるウィスカー量では
無加圧焼結することが出来ない。

酸化アルミニウム基マトリックスのウィスカーによる強
化は破壊強度を著しく増大させる。この増大のメカニズ
ムはウィスカーと母材（マトリックス）間の負荷移転、
クラック偏寄（第２図の矢印）及びウィスカー引出しで
あり得る。これらのメカニズムはウィスカーと母材間の
充分に弱い界面に沿って生じるクラック伝播を利用する
ものであり、且つこれに依存している。ウィスカーと母
材間の結合強さは、破壊しん性を更に向上させるために
ウィスカー材料を薄層で被覆することによって影響を受
ける重要なパラメータである。

なお、負荷移転とは、母材より拡張力が大きなウィスカ
ーが負荷を部分的に負担し、それにより母材のストレス
（応力）を減小させる現象である。

クラック偏寄とは、クラックが弱いインターフェイス（
界面）に沿って伝播して一層長い経路（パス）を辿り、
最早や最大の拡張力を横切って伝播することはなく、従
ってクラック伝播の駆動力を弱めてしまう現象であるウ
ィスカー引出しくｐｕｌｌ（〕ｕ　７　）とは、クラン
ク（元種中に母材から引出されるつ・イスカーによって
エネルギーが吸収される現象である。従ってウィスカー
と母材間の結合力はつ、イスカーが破損されずに引出さ
れ得るように調整される必要がある。

本発明を更；＝説明するために、本発明に係わるウィス
カー強化切削材料の特性と製法に関して以下１こその実
例を示す。

例１窒化チタンウィスカーはＣＶＤ反応器において、Ｔ・Ｃ
ｎ４．Ｎ２及びＮ２の混合ガスを出発原料にして約１２
００℃の温度の下でニッケルスポンジ上にこれを被覆す
るようにして生成された。このウィスカー結晶はニッケ
ル基体から超音波処理とアセトン浴での機械的ブラッシ
ングによって除去された。結晶の大半は０．５〜２ｎｌ
径で、２０〜１００／−長のものであった。

３０Ｖｏｌ、％の窒化チタンウィスカーを９５．５％１
Ｌ０３．４．２％ＺｒＯ２及び０．３％ＭｇＯ（ｗ、ｔ
、％）の混合物の７ＱＶｏｌ１％と瀞式混合した。真空
乾燥した後、この混合物は乾式混合され次いでこれから
ブランク５ＮＧＮ１２０４１２が加圧成形された。得ら
れたブランクは窒素ガス中で１５５０℃で焼結され、９
９％の理論密度になった。

破壊しん性（Ｋ　ｒ　ｃ　）は所謂押込試験法（ｉｎｄ
ｅｎｔａ−ｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ）により測定された
。押印はピラミ。

ド形のダイヤモンドインデンタを用いて行われ、ＫＩＣ
はインデンタの角隅（コーナー）から誘起されるクラッ
クの長さから算出される。

Ａβ２０ｔ　＋２ｒ０２　（４，２ｗ、　ｔ、％）　＋
！、ＩｇＯ（０，３ｗ、　ｔ。

％）から成るものと、２ｒ０２＋ＭｇＯ（０，３Ｗ、　
ｔ、％）−ＴｉＮ粒子（３ＱＶｏｌ、％）から成る本発
明品に対する二つの比較品をこの測定において使用した
。後者の比較品にあっては、添加窒化チタンは等軸のグ
レンから成っていた。

ＫＩＣの計測結果は表１に示される。

糞−１この表から明らかなように、ＴＩＮウィスカーの組込み
が破壊しん性の顕著な増大をもたらしている。この破壊
しん性は突発破損なしに機械的ストレスに抵抗する材料
の能力を示すパラメータである。チップフォーミング機
械工作の場合には、−層大きな送りを可能にすることを
意味している。

即ち所定の切削速度において材料除去の速度が増大し得
る。

以下余白例２切削インサート５ＮＧＮ１２０４１２が表１に示す３種
の材料品から製造され、夫々スチール５Ｓ２５４１の連
続旋削により試験された。この場合、切削速度は４５０
ｍ／分、切削深さは２０１１１１及び送りは０．３６ｍ
ｏｎ／回転であった。

結果　　　寿命　備考１、　　　　　　１６分　　　（１）２、　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　１
　２　分　　　　　　　　　　　く２）３．３分　　　
（３）備考：（１）クレータ摩耗とフランク摩耗ｉこより寿命
が決った。

（２）切刃の弱体化を伴った摩耗のため、機械的破損に
より寿命が決った。

（３）熱クランクの発生により寿命が決った。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例１に係わる材料の金属組織を示
す倍率３００のＳＥＭ写真であり、第２図はこの金属組
織におけるクラック偏寄を示す倍率３０００のＳＥＭ写
真である。Ｒ手続補正書（方式）昭和６３年′７月／７日特許庁長官　吉　１）文　毅　殿１、事件の表示昭和６３年特許願第６４７５３号２、発明の名称酸化物基セラミック切削インサーＩ・３、　補正をする者事件との関係　　　特許出願人名称　サンドビック　アクティエボラーグ４、代理人住所　〒１０５東京都港区虎ノ門−丁目８番１０号静光
虎ノ門ビル　電話５０４−０７２１（外３名）・６、補正の対象図　　　面７、補正の内容図面の浄書（内容に変更なし）８、添付書類の目録浄書図面　　　　　１通

Claims

【特許請求の範囲】

１．酸化物基母材に加え、５〜５０Ｖｏｌ．％の均等に
分散されたチタン及び／或いはジルコニウムの炭化物、
窒化物及び／或いはホウ化物のウィスカーを含んで成る
酸化物基セラミック切削インサート。
２．ウィスカー材料の固溶体を更に含んで成る特許請求
の範囲第１項に記載のインサート。
３．母材が酸化アルミニウムと２０Ｖｏｌ．％のＺｒＯ
＿２に基づくものであることを特徴とする特許請求の範
囲第１項と第２項のいづれか１項に記載のインサート。
４．最大限５０％のウィスカーがＳｉＣウィスカーに置
換され、当該ＳｉＣウィスカーの総量が１５Ｖｏｌ．％
より少いことを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第
３項のいづれか１項に記載のインサート。