JPH0388774A - セラミックス製切削工具 - 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】 〔産業上の利用分野コ 本発明は高靭化、高強度化をはかったセラミックス製切
削工具に関し、特にＮｉ基超超合金切削に適したウィス
カー強化型窒化珪素系複合セラミックス切削工具に関す
る。

〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕Ｎ１基
超合金は耐熱性が高いので、ジェットエンジンやガスタ
ービン用材料として広く用いられている。そのような超
合金製品は鋳造品からの切削加工によって製造されてい
るが、高温硬度が高い、加工硬化率が高い等の性質があ
るため、切削抵抗が非常に大きい。したがってに−１０
材（Ｊ　Ｉ　Ｓ）を中心とした超硬工具を使って１５〜
３０ｍ　／分という低切削速度で加工されている。また
、材料が希少金属からなり、高価であるにもかかわらず
、高温での信頼性を確保するために削りしるが多く、９
０％以上が切り屑となってしまう。また同じく信頼性の
点において、切削中の工具の破損によってワークに与え
る損傷を防ぐために、ｌバス毎にバイトチップを取り換
えるという使い方が常識化している。

従って、Ｎ１基超合金の生産性の向上が要求されている
が、そのためには高速切削性に優れた切削工具の開発が
望まれている。切削工具材としてセラミックスを用いた
ものは、硬度が高く、金属との親和性が低く、高温にお
いても強度低下が少ないために、超硬合金を用いたもの
よりも高速切削に適しており、特にＳｉ、Ｎ４やＳｉＣ
ウィスカー強化１２０、等の切削工具の採用が検討され
ている。

これらの材料は、従来のセラミックス製切削工具材料、
たとえばＡｊ！、０３やＡ’　Ｊａ−ＴｉＣに比べて高
靭化され、インコネルなどのＮ１基超合金の切削にも使
用し得ると期待されている。しかし、実際にインコネル
などのＮ１基超合金を切削するような厳しい環境下で使
用すると、境界摩耗の進展が決して十分には制御されず
、まだ満足なものになっていない。

すなわち、一般にＳｉ、Ｎ、系の切削工具はＡｊ！２０
゜系の切削工具に比べ、鉄系材料を切削する場合には、
化学反応に依存するフランク摩耗、すなわち第１図と第
２図に示すように、バイト１の逃げ面４における摩耗（
Ｖ、：フランク摩耗幅）を発生し易いが、Ｎｉ基超超合
金切削においては、通常、クーラントを用いた湿式切削
で行うこともあり、鉄系被削材の場合はど問題とならな
い。むしろ旧基超合金の場合、フランク摩耗よりも境界
摩耗、すなわち第２図に示すように、切り込み境界部や
前切れ刃の送り境界部に発生する摩耗（ｖ８：境界摩耗
幅）が顕著であり、それに対する改善がより望まれてい
る。

従って本発明の目的は、難削材であるインコネル等のＮ
１基超合金を切削することができ、切削に際して特に工
具自体の境界摩耗が発生しにくく、また高靭性、高強度
を備えた切削工具を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題に鑑み鋭意研究の結果、本発明者は、セラミッ
クスの中で本来高硬度、高強度の窒化珪素の中に比較的
大径のウィスカーと細径のウィスカーの両方を同時に混
在させることによりさらに高靭化、高強度化させ、Ｎｉ
基超超合金効率良く切削することができることを発見し
、本発明を完成した。

すなわち、本発明の切削工具は、炭化珪素ウィスカーに
よって強化された窒化珪素からなるもので、焼結助剤を
ｔ　−１５重量％添加した窒化珪素マトリックス中に、
平均のウィスカー径が０．５〜１゜０μｍの炭化珪素ウ
ィスカーと、平均の径が０．４μｍ以下の炭化珪素ウィ
スカーとの両方が均一に分散していることを特徴とする
。

以下本発明の詳細な説明する。

まず、径の異なるウィスカーを混在させる理由を述べる
。

ウィスカー強化した複合セラミックスにおいては、最近
、ウィスカーブリッジングによる高靭化機構が注目され
るようになった。これによると、靭性の増加はウィスカ
ー径の％乗に比例するので、炭化珪素ウィスカーとして
は大径のもの、たとえば、３μｍ程度のものまで検討さ
れている。しかしながら、実際にはウィスカーの径が太
くなるにつれて導入されるウィスカー内の格子欠陥が増
えるので、ウィスカーの強度は低下する。従って、単純
に太いウィスカーを使用しても靭性が改善されない場合
が多い。

以上に鑑み系統的実験の結果、本発明者は０．５〜１．
０μｍ径の範囲のＳｉＣウィスカーが最も靭性改善の効
果が大きいことを見出した。

一方、一般にセラミックスの破壊強度σ、は次式で与え
られる。

σ「＝にｃ／　Ｙ、／””丁 ここで、Ｙは試料の形状によって決まる幾何学的係数で
あり、Ｋｃは破壊靭性と呼ばれる定数で、亀裂が急激に
進展を開始するときの応力拡大係数の臨界値であり、ま
たａは最初に存在する亀裂の長さ、すなわち破壊に導く
欠陥のサイズである。

上記式から、高強度化は高靭性化と欠陥のサイズを小さ
くすることによって達成されることがわかる。

また、日本セラミックス協会の１９８９年年会講演予稿
集、ｐ２９５に報告されているように、ウィスカー強化
セラミックスのマトリックス組織は、径の細いウィスカ
ーを使用すると微細化される傾向がある。マ）　ＩＪフ
ッ２組織の微細化により欠陥のサイズａが小さくなり、
高強度化が達成できるしたがって、ウィスカーブリッジ
ングによる高靭化機構の観点から０．５〜１．０μｍ径
の比較的大径のＳｉＣウィスカーを配合し、組織微細化
という観点から０．４μｍ以下の比較的細径のウィスカ
ーを同時に配合することにより、総合的に高靭性化、高
強度化が図られ、信頼性の高い複合セラミックス切削工
具が提供される。

本発明では、ウィスカー径の異なる二種類の炭化珪素ウ
ィスカーを焼結体に含有させるが、それぞれの炭化珪素
ウィスカーにおいてウィスカー径のばらつきを小さくし
て、大径、細径ともに径のそろったウィスカーを用いる
のが好ましい。具体的には、平均径が０．５〜１．０バ
で標準偏差が０．１５以下の大径のウィスカーと、平均
径が０．４１ｉｎ以下で標準偏差が０．１以下の小径の
ウィスカーを併用すると、大きな効果が得られ、好まし
い。このように径のばらつきの小さな炭化珪素ウィスカ
ーを用いることにより、単に径のばらつきが大きく、も
って０．４μｍ以下の径から１．０μｍの径までのウィ
スカーを幅広く含む一種類のウィスカーを用いる場合よ
り、高靭性で、高強度の焼結体切削工具を得ることがで
きる。

炭化珪素ウィスカーの焼結体中に占める割合は、焼結体
１００容量％を基準として、合計で１０〜４０容量％と
する。これが１０％未満では炭化珪素ウィスカー複合の
効果が顕著に現われず、４０％を超えて多量になると混
合が困難で欠陥を導入し、強度がかえって低下する。好
ましいＳｉＣウィスカーの配合量は合計で２０〜３５容
量％である。

また本発明の複合セラミックス切削工具では径が異なっ
た二種類の炭化珪素ウィスカーを加えるが、０．５〜１
．０　μｍ径のウィスカーと、０．４μｍ径以下のウィ
スカーとの容積比は、５０８５０〜９５：５の範囲であ
ることが好ましい。大径ウィスカーが５０％未満ではウ
ィスカーブリッジングによるウィスカー本来の高靭化機
構の効果が小さく、逆に細径ウィスカーが５％未満では
組織の微細分散による高強度化効果が小さくなる。上記
容積比の好ましい範囲は６０：４０〜８０　：　２０で
ある。

なお、窒化珪素の粉末は、できるだけ微細分散できるよ
うに、ＢＥ！Ｔ比表面積５　ｍ　／　ｇ以上の一次粒子
径の微細な粉末を使用することが好ましい。

またウィスカーは平均５〜２５μｍの長さを有するもの
を使用するのが好ましい。

さらに本発明においては、ＭｇＯ１Ｓ１０２、Ａｊ！　
２０３、Ｙ２Ｏ３、ＢｅＯ等の焼結助剤を、焼結体マ）
　ＩＪラックス１００重量％として合計で１〜１５重量
％の範囲で添加する。原料粉末粒子間に焼結助剤成分を
存在させることにより粒界での拡散が促進され、液相焼
結が進行する。それによって窒化珪素マ）　Ｕツクスが
緻密化する。ｔ％未満では液相が十分に生成されないた
め緻密化が困難となり、１５％超では粒界のシリケート
質ガラスの粘性流動が高温クリープの原因となって高温
特性の劣化が著しく、切削時に刃先端部が高温になる切
削工具材料としては好ましくない。焼結助剤の好ましい
配合量は５〜１２重量％である。

窒化珪素粉末に焼結助剤粉末及び炭化珪素ウィスカーを
所定量配合後、ボールミル等により均一に分散させる。

次いで、金型ｔｊ、形等により所定の切削工具形状に成
形した後、成形体を１７００〜１８００℃で３０分〜２
時間焼結する。焼結はＮ２中での加圧焼結で行うことが
でき、必要に応じ焼結後、熱間等方圧プレス（ＨＩＰ）
を施すこともできる。

〔実施例〕

本発明を以下の具体的実施例によりさらに詳細に説明す
る。

実施例１，２．３ 内容積２１のアルミナ製ポット中に、比表面積１２、２
ｒｒｌ／　ｇのＹ２Ｏ３粉末５重量％と、比表面積２０
０ｍ’　／　ｇのＡｊ！　２０３粉末２重量％、および
比表面積１１ｍ”／ｇのＱ’　５１３Ｎ４粉末を、全霊
１ｔＴ：２００ｇになるように投入した後、エタノール
とアルミナボールを入れ、ボールミルで７２時間混式混
合を行った。

次いで、そのセラミック成分１００容量部に３２容量部
のＳｉＣウィスカーを妃合し、さらにボールミルで２４
時間混合した。なお、ＳｉＣウィスカーとしては、平均
０．７μｍ径の大径のウィスカーと平均０゜２μｍ径の
細径のウィスカーを、配合比を３種類にして用いた。そ
の配合比を第１表に実施例１．２．３として示す。

その後、乾燥し、３種類の混合粉末の各々を９０φＸ　
６　ｍｍの円板となるように黒鉛ダイスでアルゴン雰囲
気中、１７５０℃、４００ｋｇ／ｃｄの圧力で１時間加
圧焼結し、得られた焼結体から、型番５ＮＧＮ１２０４
０８の切削チップを切りだし研削加工した。

比較例１〜４ 上記実施例と同様にして、大径（０，７μｍ）ウィスカ
ーが細径（０，２μｍ）ウィスカーより少ない配合のウ
ィスカーを含む切削チップ（比較例工）と、平均ウィス
カー径が０゜７μｍのウィスカーのみを含む切削チップ
（比較例２）も試作した。さらにＳｉＣウィスカーを含
有しない市販の５１３Ｎ＜チップ（比較例３）と、市販
のＡＩＪ１３−３ＩＣウイスカーチツプ（比較例４）も
用意した。

（切削試験） 上記実施例１〜３及び比較例１〜４の切削チップをホル
ダーに取り付け、第２表に示す切削条件Ｉ及び２によっ
て切削試験を行って、チップの摩耗量を測定した。

第　　　　　２　　　　　表 上記切削試験によるフランク摩耗の輻ＶＢと境界摩耗の
幅Ｖ０をそれぞれ第１表に示す。なお、切削条件２のと
き、Ｓｉ＊Ｎ＜チップは２分３０秒で境界欠損した。本
発明の実施例は、フランク摩耗量においては比較例とほ
ぼ同等の値を示したが、境界摩耗量が著しく減少した。

〔発明の効果〕

以上説明したように、Ｎｉ基超超合金切削においては、
従来のセラミックス工具では境界摩耗による欠損という
問題点を持ち信頼性において十分でなかったが、本発明
に基づくセラミックス切削工具は高靭性化により境界摩
耗の進行が抑制され、安定してＮｉ基超超合金切削する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第ｉ図は切削によってバイトチップに摩耗が発生する状
態を示す正面図であり、 第２図は同じくバイトチップに摩耗が発生する状態を示
す斜視図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）　炭化珪素ウイスカーによって強化された窒化珪
   素セラミックス製切削工具において、焼結助剤を１〜１
   ５重量％添加した窒化珪素マトリックス中に、平均のウ
   イスカー径が０．５〜１．０μｍの炭化珪素ウイスカー
   と、平均のウイスカー径が０．４μｍ以下の炭化珪素ウ
   イスカーとの両方が均一に分散していることを特徴とす
   るセラミックス製切削工具。
2. （２）　請求項１に記載のセラミックス製切削工具にお
   いて、前記炭化珪素ウイスカーを合計で１０〜４０容量
   ％含有することを特徴とするセラミックス製切削工具。
3. （３）　請求項１又は２に記載のセラミックス製切削工
   具において、前記炭化珪素ウイスカーのうち、平均のウ
   イスカー径が０．５〜１．０μｍのウイスカーと、平均
   のウイスカー径が０．４μｍ以下のウイスカーとの容積
   比が５０：５０〜９５：５の範囲内にあることを特徴と
   するセラミックス製切削工具。