JPH02255563A - 工具用アルミナ焼結体 - 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） 本発明は切削工具、耐摩耗工具及び耐食工具に供される
工具用セラミック材料に関する。

（従来の技術） アルミナは、化学的に、また熱的に安定であり、しかも
極めて優れた耐摩耗性をもった物質であることから、こ
れらの性質のすべてが要求される切削工具材料として古
くから注目されてきた。

従って、アルミナの焼結体をもって切削工具の刃先を構
成しようとする多くの努力があった。

しかしながら、アルミナは決して焼結性のよい物質では
なく、従って本来の靭性に乏しい性質に加えて焼結性の
不足に基因する各種の欠陥の存在のために一層脆弱なも
のとなり、予期せぬ突然の破滅的な破壊の危惧があり、
今日の自動化の潮流から取残され、実質的純アルミナ焼
結体をもって切削工具の刃先を構成する希望は殆んど失
なわれているのが実情である。

一方、現実のアルミナ焼結体の上述のような欠点を、他
の物質と複合することによって補おうとする多くの試み
があり、その一つの成功例がアルミナに適当量のチタン
炭化物等を加えた工具材料である。

更に最近では、アルミナにジルコニアを添加して靭性を
向上した物質や、アルミナをＳｉＣウィスカーで強化し
た工具材料の提案もある。

しかしながら、これらの先行技術材料は、いずれもアル
ミナ焼結体の脆いという欠点を補うために生れた妥協の
産物であって、アルミナが本来的に持っていた化学的、
熱的安定性や耐摩耗性、特に鉄鋼切削において発揮する
優れた耐摩耗性を多かれ少なかれ犠牲にすることによっ
て存在しているものである。従って純アルミナ工具材料
へのあこがれは止み難く、別の妥協の産物として適当な
基材の上にアルミナをコーティングした工具材料の提案
があるのは当然である。この工具材料は、少なくともそ
のアルミナ皮膜に関する限り理想に近い純アルミナであ
り、従ってアルミナが本来もっている高い化学的、熱的
安定性と、特に鉄鋼切削における優れた耐摩耗性をもっ
ており、恐らく今日最も成功した工具材料の一つである
ということができる。

しかしながら、これもまた妥協の産物でしかなく、薄膜
なるが故の短寿命という欠点がある。しかも異質な基材
の上に合成された本来的に脆性な薄膜であるために、異
常ともいうべき切削時の力学的、熱的、化学的作用の下
で薄膜が破損、剥離し易いという、被覆工具材料の宿命
的欠点からまぬがれることはできない。

（発明の目的） 本発明は、上述の如〈従来技術が果し得なかった技術的
課題の解決に一気に迫る、優れた性質と性能を有する工
具用アルミナ焼結体を提供することを目的とする。

（発明の構成） 本発明になる工具用アルミナ焼結体は、その組成がアル
ミナ９９．７〜９９．９９％の実質的純アルミナからな
るアルミナ焼結体であって、該焼結体の粒度が０．５〜
２μｍ、密度３．９５　ｇ／ｃｍ’以上、ビッカース硬
さ（１０Ｋｇ荷重）　１８５０〜２０００　ｋｇｆ／ｍ
ｍ２，抗折力（３点曲げ）　７００ＭＰａ以上平均１０
００　ＭＰａ以上。

破壊靭性（に＋ｃ）２．９〜３．５　ＭＰａ−ｍ１／２
，熱伝導率（２５”Ｃ）　３０〜４０　Ｗ／ｍ−にであ
り、且つ光回線透過率３０％以上の透光性を有すること
を特徴とする工具用アルミナ焼結体である。

一般に従来の純アルミナ系焼結体の３点曲げによって評
価される抗折力は、汎用種において平均値で３００〜５
００　ＭＰａ、切削などの工具用連棟で平均値でも４０
０〜６００　ＭＰａといった水準のものであ″る。これ
に対して本発明になる工具用アルミナ焼結体は１％強度
で７００ＭＰａ以上、平均値では１０００ＭＰａを超す
驚くべき高い強度をもつ。従来も９９．９％程度の純ア
ルミナ焼結体で密度が理論密度に近いものまでの高密度
透光性焼結体が得られたという報告はあったがそれでも
尚抗折力は５５〜６５ｋｇｆ／ｍｓ”（５５０〜６５０
　ＭＰａ）、ビッカース硬度１７５０〜１８４０ｋｇｆ
／ｍｍ”の間開のもので、工具用アルミナ焼結体として
は従来技術の域を出るものではなかった。

本発明において発明者らは、本来脆性材、科であるアル
ミナ焼結体においては単純に材料の破壊靭性値ＩＫ　、
　ｃｌ　を向上させても激しい外部環境にさらされる工
具用途では十分でなく、破壊過程、すなわちクラックが
発生してからのクラック伸長過程における靭性の向上よ
りもクラックの発生しない限界強度を高めることが重要
であるとの認識に立って、焼結体の高強度化を進めた。

そのためには強度欠陥となる気孔、微細クラック、異常
粒子、異物を徹底的に排除する必要があるが、先ず気孔
、微細クラックの排除のためには焼結体の密度を理論密
度に近づけけることが第一歩である。その実現のために
アルミナ出発原料の選択に大きな努力が払われた。すな
わち始めから気孔を内包する二次粒子からなる粉末を極
力含まない粉末を選ぶこと、焼結性を高めるためできる
だけ微粒の粉末を選ぶこと、焼結前に粒体表面をできる
だけ活性化させておくことである。すなわち、具体的に
は実質的に　０．５μｍ以下の一次粒からなるアルミナ
粉末を成形前にミリングして用いるのが好ましい。異常
粒子及び異物を排除するためには徹底した品質管理以外
に手段はないが、本発明においては特にアルミナの異常
粒成長を誘発し易いＮａＣａ、　Ｓｉ、　Ｔｉ、　Ｆｅ
などの不純物の侵入を防ぐため徹底した工程のクリーン
化で対処した。また焼結体の強度向上のためには結晶粒
度の微細化は重要な要因であるが、よく知られているア
ルミナ粒成長抑制剤としてＭｇＯを徴用添加した。焼結
は大気中の常圧焼結で十分であるがホットプレスでもよ
く、特に常圧焼結後の熱間静水圧を加えることが好まし
い。

以下具体的実施例によって説明する。

（実施例） 実施例１ 市販されている大明化学製純アルミナ粉（商品名Ｔ　Ｍ
　−Ｄ　）　ｌ０ｋｇ、　ＭｇＯ換算で５００ＰＰＭの
ステアリン酸マグネシウム８０ｇと、成形バインダとし
てパラフィンワックス５００ｇを加え四塩化炭素＋６ｆ
ｉを溶媒とし、アルミナボール４０ｋｇをもって４８時
間ボールミルすることによりスラリー状とし、これを噴
霧、成形に好適な顆粒状粉末とした。これを室温の下１
．５　Ｔｏｎ／ｃｍ”の圧力で加圧成形、次いで真空中
５００℃まで昇温脱脂処理し、しかる後大気中１３００
”ｃで約２時間、常圧焼結、５０本の抗折試験用試片及
び切削試験用チップ（ＳＮＧＮＩ２０４０８）　３０個
及びその他試験用試片計１００個の試料を作製、これを
Ａｒガス雰囲気にて１３１０℃Ｘ１５００気圧で３０分
間旧Ｐ処理した。

得られた試片は一様に淡い青色を呈した半透明体であっ
た。厚さ１　ｍｍの薄板に加工し、鏡面に磨いて透孔率
の測定に供した。アルミナのような脆性材料の焼結体を
鏡面に仕上げることは一般に困難であるが、本発明品は
微粒焼結体であるので鏡面に仕上げることができた。透
孔率測定の結果は直線透過率で４１．１％であった。

用意された抗折力試片を用いて３点曲げにょる抗折力試
験を行い、図１に示す結果を得た。すなわち１図１は本
発明になるアルミナ焼結体の抗折強度のワイブルプロッ
トであるが、図にみるように１％破壊強度でも　７００
　ＭＰａ　（７０ｋｇｆ／ｎｕｎ”）を超え、平均強度
ではおおよそＩＩ口ＯＭｐａ　（Ｉ　１０ｋｇｆ／ｍｍ
”）にも達する高強度の純アルミナ焼結体であることが
わかる。

第１表は、上記抗折試験済み試片を用いて行った各種試
験の結果を示したものである。

第１表 この表かられかるように、本発明になる純アルミナ焼結
体は、密度が殆んど理論密度に近く、硬さがＨ，で１９
００　ｋｇｆ／ｍｍ”でしかも抗折力がばらつきの下限
でも７００ＭＰａを超え、平均では１０００　ＭＰａを
超えるという、切削工具用として望み得るアルミナ焼結
体の最高水準の性質をもっていることである。そして更
に熱伝導率が３８Ｗ／１ＩＩ−にと高いということは、
元来熱衝撃に弱いとされるアルミナ焼結体を切削工具と
して用いようとするとき、欠かせない特徴である。一般
に微粒子セラミックス程熱伝導率は低下する傾向を示す
が本発明になる純アルミナ焼結体が微粒（０，５〜２μ
ｍ）であるにもかかわらず、このように高い熱伝導性を
示すのは、本発明品が実質的に純アルミナ焼結体である
故に１粒界に熱伝導率の極めて低いガラス相を殆んども
たないためと考えられる。このことはまた、高温での強
度低下が少ない性質にも寄与している。１５００℃での
抗折強度は約３００　ＭＰａであった。

第２図は、本発明になる純アルミナ焼結体を炭素鋼の旋
削試験に供した場合の摩耗線図を示す。

試験の諸条件は次の如くである。

被削材質　　：１４８Ｃ 被削材形状　：　φ３２０　Ｘ　１５００（ｍｍ）被削
材硬さ　：　　ｉｔ＠２２２ 切削速度　　：　　３００　ｍ／ｍｉｎ切込み　　　：
　　１．５ｍｍ 送り　　　　　：　　０．３　ｍｍ／ｒｅｖ切削油　　
　：　なし また第３図は、本発明になる純アルミナ焼結体をダイス
鋼の旋削試験に供した場合の摩耗線図で、試験の諸条件
は次の如くである。

被削材質　　：　　５ＫＤ−Ｉ＋ 被削材形状　：　φ１００　Ｘ　５００　　（ｍｍ）被
削材硬さ　：　■□Ｃ５８，６ 切削速度　　：　　１００　ｒ６／ｍｉｎ切込み　　　
：　　０．５＋ｎｎ 送り　　　　　：　　０．１　ｍｍ／ｒｅｖ切削油　　
　：　なし 第２図及び第３図において比較のために用いられたＬＸ
２１及びＬＸＡは東芝タンガロイ株式会社の市販切削工
具用アルミナ焼結体材種で、ＬＸ２１はアルミナにＴｉ
Ｃを添加したいわゆる黒セラミックであり、ＬＸＡは純
アルミナ系材種のいわゆる白セラミックである。

第２図にみるように、従来技術による工具用純アルミナ
焼結体は、耐摩耗の点において本発明品と遜色ないが、
この旋削試験においてすら、試験中に破損して寿命に至
っている。一方ＬＸ２１は破損による寿命は問題ないが
、耐摩耗性の点で本発明品に大きく劣る。

第３図からは従来技術による純アルミナ焼結体Ｌ　Ｘ　
Ａは、殆んど切削開始と同時に破損しているのに対し、
本発明品は上記条件において１０分間の切削に耐え、Ｌ
Ｘ２１には耐摩耗において優っていることが知られる。

実施例２ 実施例Ｉと同様の手順に従って、直径５ｍｍの本発明に
よる純アルミナ焼結体ボールを作製し、次の条件により
ボールミルによる摩耗の状態を調べた。

ボールミル条件 混合機　　　　　　：アクアマイザー　八〇−５（ホソ
カワミクロン製） ボール寸法　　　　：直径５ｍｍ ボール量（実体積）　　：　２０００　ｍＱ溶媒　：　
純水　　：　２５００１ｌＩＱ粉砕粉末　　　　　：な
し ミル時間　　　　　＝１時間 第４図は試験の結果である。図中Ｙ　−ＴＺＰとあるの
は比較に用いたジルコニア焼結体ボール、ＡＡは従来技
術による高耐摩耗性アルミナ焼結体ボール（アルミナ９
３％）の、又Ａ−Ｂは従来技術による高純度アルミナ焼
結体ボール（アルミナ９９、９４％）のそれぞれ摩耗曲
線である。図から、本発明による工具用純アルミナ焼結
体ボールは従来技術のアルミナ焼結体ボールに比して著
しい耐摩耗性のあることがわかる。

第５図は粉砕粉末としてアルミナよりも硬質なり、Ｃ（
ボロンカーバイド）を下記の条件で粉砕ミリングした場
合の摩耗曲線である。

ボールミル条件 混合機　　　　　　：アクアマイザー　へ〇−５ボール
寸法　　　　：直径５１ＴｌｒｎボールＮ（実体積）　
　：　２０００　ｍＱ溶媒　：　純水　　：　２０００
　ｍ１２粉砕粉末　　　　　：ボロンカーバイド＃　１
２００．　５００ｇ ミル時間　　　　　＝２時間 第４図の空運転においてはジルコニア焼結体ボールは本
発明の工具用純アルミナ焼結体ボールと摩耗率において
差がみられなかったが、　Ｂ、Ｃ粉の粉砕試験において
はおよそ２倍の差が生じていることが知られる。

実施例３ 清涼飲料水用アルミ化の塗装用マンドレルを本発明にな
る工具用アルミナ焼結体で試作した。

アルミ缶の塗装用マンドレルにおける技術的課題は当然
耐摩耗性の改善がその一つではあるが、この場合には更
に缶の素材であるアルミニウムとの圧着がないことが極
めて重要である。従来この圧着のため、最終仕上げ段階
にあるアルミ缶を台無しにしてしまうことが多く、超硬
合金に代えて成る種の樹脂材料などを用いる試みもある
が、これは耐摩耗性の点で問題があった。

本発明の工具用アルミニウム焼結体は微粒であるため脆
性なアルミナであるにもかかわらず寸法精度が出易く、
鏡面仕上が可能で、且つ実施例２にみたように極めて優
れた耐摩耗性を有するため、この種の耐摩耗性を要求さ
れる各種精密型材として最適である。特にこの場合は加
工物の素材であるアルミニウムの圧着がないという性質
も加わり、すでに６ケ月余の連続試用に耐え極めて高い
評価を得ている。

（発明の効果） 上に詳述したように本発明の工具用アルミナ焼結体は、
被加工物材料との反応性の極めて少ない化学的に安定な
実質的純アルミナであり、高硬度であるが故に高耐摩耗
性であるというアルミナ本来の好ましい特性を損うこと
なく極めて高い抗折強度と破壊靭性を実現して純アルミ
ナ切削工具材料の長年の技術課題を消化したものである
。更に本発明の工具用アルミナ焼結体は、微粒であるた
めに加工精度の高い、美麗な仕上面を出し易く、その高
耐摩耗性と相俟まって各種精密型材及び各種耐摩耗工具
として好適である。更にまた本発明品は透光性があるた
めに、表面にある欠陥や庇だけでなく、内部の欠陥まで
が判別でき、加工中あるいは使用中に発生したクラック
を発見するのが非常に容易でセラミックスの最大の欠点
であった破滅的な破壊を未然に防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明になる工具用アルミナ焼結体の抗折強
度の累積確率分布図、第２図及び第３図は、切削試験に
よって行なわれた摩耗線図、第４図及び第５図はボール
ミルによって行なわれた摩耗線図である。 特許出願人　東芝タンガロイ株式会社 第１図 第２図 第３ 図 ローター回転数 （ｒρｍ） ２圓 第 今 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. アルミナ９９．７〜９９．９９％（重量）の実質的純ア
   ルミナからなる工具用アルミナ焼結体であって、該アル
   ミナ焼結体の粒度：０．５〜２μｍ，密度：３．９５ｇ
   ／ｃｍ＾３以上，ビッカース硬さ（１０Ｋｇ荷重）：１
   ８５０〜２０００ｋｇｆ／ｍｍ＾２，抗折強度：７００
   ＭＰａ以上、破壊靭性（Ｋ＿１＿ｃ）：２．９〜３．５
   ＭＰａ・ｍ＾１＾／＾２，熱伝導率（２５℃）：３０〜
   ４０Ｗ／ｍ・ｋ，且つ１ｍｍ厚さの光直線透過率３０％
   以上の透光性を有することを特徴とする工具用アルミナ
   焼結体。