JPH04283008A - 繊維強化セラミック工具 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば鉄、ニッケル、
コバルト等の合金あるいは各種材料の切削加工に有用な
セラミック工具材料に関する。

【０００２】

【従来技術】従来より、セラミック工具としては酸化ア
ルミニウム（Ａｌ２Ｏ３　）を主体とするものが多用さ
れているが、Ａｌ２　Ｏ３　自体の強度や靱性が不十分
であることから各種の改善が行われてきた。その代表的
な材料としては、Ａｌ２　Ｏ３　焼結体中に炭化チタン
（ＴｉＣ）粒子や酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２　）粒子
を分散含有させて複合化することにより材料自体の強靱
化が図られてきた。

【０００３】しかしながら、工具としての切削条件等が
さらに厳しくなり、工具用材料としてもさらに高強度、
高靱性化、耐摩耗性が要求されている。そこで、近年で
はＴｉＣやＺｒＯ２　に代わり、各種セラミックスから
なる繊維状物質を添加した繊維強化型セラミックスが注
目されている。これらの中でも特に炭化珪素（ＳｉＣ）
ウイスカー強化材料はその特性に優れることから難削材
料切削用材料として注目されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする問題点】しかしながら、この
ＳｉＣウイスカーは鉄系の金属の切削の場合、ＳｉＣと
被削材との反応性が高く摩耗が大きくなるという問題が
ある。そのためにＳｉＣ以外の化合物、特に炭化物や酸
化物のウイスカー添加系も研究されているが、現時点で
はウイスカーの量産技術が確立しておらず、良好な特性
を有するウイスカーは得られていない。よって、ＳｉＣ
ウイスカーを添加した系においては、ＳｉＣウイスカー
の被削材との反応性をいかに抑制し、耐摩耗性を高める
かが、工具材料としての実用化および利用分野の拡大を
図るのに大きな課題となっている。

【０００５】そこで、本発明者等は、ＳｉＣを含有する
材料を工具として用い、鉄系の金属を切削した場合、工
具の摩耗が生じるメカニズムについて検討した結果、Ｓ
ｉＣは鉄との反応性が高いことに起因して、切削中に高
温となる工具刃先では添加したＳｉＣが被削材である金
属によって優先的に浸食され工具材料の摩耗が拡大する
ためであることが明らかになった。しかもこの現象は、
ＳｉＣウイスカーを含有する工具材料では特に顕著であ
った。これはウイスカーが細く長い形状を有するために
、切削工具材料中に均一に分散したウイスカーが切削加
工時にウイスカーに沿って浸食が進行するために、特に
切削工具のすくい面においてあたかも工具材料に楔を打
ち込んだようになるためである。

【０００６】本発明は、このようなＳｉＣウイスカー添
加系の工具材料の楔状の浸食現象を防止し鉄系材料を切
削する場合においても、破壊的な摩耗を示さないＳｉＣ
ウイスカーにより強化された工具を提供することを目的
とするものである。

【０００７】

【問題点を解決するための手段】本発明者らは、上記の
ＳｉＣウイスカー添加系において、鉄系金属との反応に
よる浸食作用を抑制し、楔状の浸食現象を防止するため
の方法について検討を重ねた結果、まずＳｉＣウイスカ
ー自体の粒子の配置を制御することにより浸食の方向を
制御できると考えた。そして、工具のすくい面に対して
ＳｉＣウイスカーが平行になるように粒子を配置したと
ころ、鉄系材料の切削時の浸食が前述したような楔状に
進行することがなく破壊的な摩耗を防止できることを知
見し、本発明に至った。

【０００８】即ち、本発明の繊維強化セラミック工具は
、ＳｉＣウイスカーを用いて強化した工具材料において
、該ＳｉＣウイスカーを工具すくい面に対して平行に配
向させることを特徴とするものであり、特に、工具逃げ
面上のアスペクト比２以下のウイスカー粒子数の工具す
くい面上のアスペクト比２以下のウイスカー粒子数に対
する比率が１０以上となるように制御することを特徴と
するものである。

【０００９】以下、本発明を詳述する。本発明の繊維強
化セラミックス工具は、組成的にはＡｌ２　Ｏ３　を主
成分とし強化材としてＳｉＣウイスカーを添加したもの
であり、ＳｉＣウイスカーは、全体組成において１０〜
５０体積％、特に２０〜４０体積％の割合で添加する。 このウイスカーの添加量が５０体積％より多いと工具摩
耗が大きく、実用に適さず、１０体積％より少ないと強
度、靱性の改善効果が小さくなる。

【００１０】このＡｌ２　Ｏ３　とＳｉＣウイスカーは
、焼結体として通常互いに均一に分散され、針状粒子で
あるウイスカーもランダムは方向で分散されているてい
るが、本発明によれば、工具形状において刃先のすくい
面と逃げ面とのウイスカー粒子の配置に異方性を持たせ
たことを特徴とするもので、ウイスカーをすくい面に対
して平行になるように配置させる。これにより、すくい
面と逃げ面とで、鏡面の電子顕微鏡写真におけるウイス
カーの形状に差異が生じる。

【００１１】そこで、図１および図２に本発明の繊維強
化セラミック工具のすくい面と逃げ面の走査型電子顕微
鏡写真の模写図を示した。図からも明らかなように、す
くい面においては、ＳｉＣウイスカーの針状形態が顕著
に観察されるのに対して、逃げ面ではすくい面に比較し
て針状形態、特に長さが短くなる。これは、すくい面で
はウイスカーの長手方向の面が表面に露出しているのに
対して、逃げ面ではウイスカーの断面が露出しているこ
とを示している。

【００１２】本発明によれば、工具性能の点からこのウ
イスカーの異方性について詳細に考察したところ、上記
写真電子顕微鏡写真において逃げ面とすくい面における
アスペクト比（長軸長／短軸長）が２以下のウイスカー
粒子数をそれぞれＮ１　、Ｎ２　とした時、Ｎ１　／Ｎ
２　で表される比率が１０以上、特に３０以上であると
優れた切削特性を示した。

【００１３】また、本発明の繊維強化セラミック工具に
よれば、上記Ａｌ２Ｏ３　−ＳｉＣウイスカーを主成分
としてさらにＹ２　Ｏ３　、Ｎｄ２　Ｏ３　、ＣｅＯ２
　等の希土類元素酸化物等をを０．１〜３重量％の割合
で含有することにより系の焼結性を高めることができる
。

【００１４】次に、本発明のセラミック工具を作製する
方法について説明する。通常、Ａｌ２　Ｏ３　−ＳｉＣ
ウイスカー系材料を作製する場合には、Ａｌ２　Ｏ３　
原料粉末とＳｉＣウイスカーを液体中で良く混合し、混
合後原料を乾燥させてホットプレス法で焼結させる。ホ
ットプレス法は一軸加圧なので、ウイスカーは加圧軸に
対して直角な平面に配向が起こる場合があることが知ら
れている。しかしこの傾向は不十分なもので、ホットプ
レスした焼結体ではＳｉＣウイスカー粒子は通常ランダ
ムな方向に配置されている。

【００１５】本発明によれば、Ａｌ２　Ｏ３　原料およ
びＳｉＣウイスカー原料および必要に応じその他の添加
物を所望の配合比で調合し、これを溶媒とともに公知の
方法で充分に混合し、スラリーを作成する。次に、得ら
れたスラリーを例えば底部に平均直径１００μｍ　以下
の連通気孔が多数形成された金属、プラスチックあるい
は石膏などからなる型材に流し込み、混合物から溶媒が
３０％以下になるまで濾過分離する。

【００１６】この時、型材内にはＳｉＣウイスカー粒子
とＡｌ２　Ｏ３　粒子が堆積し成形体が形成されるが、
成形体の内部においてウイスカーは、重力方向あるいは
吸引方向に垂直な方向に配向されたものとなる。本発明
によれば、型材の形状を工具形状とし、ウイスカーが配
向する側をすくい面とした形状として成形を行う。

【００１７】なお、上記成形工程において、用いる溶媒
としては水が最も安価で取扱も容易であるが、その他有
機溶媒なども使用できる。原料の混合物から溶媒を取り
出す工程においては、連通気孔の反対側を減圧もしくは
真空状態にすることにより連通気孔を通じて溶媒を吸引
濾過する事も有効である。また、この時に２ｋｇ／ｃｍ
２　以上の圧力を加えてもよい。この時の圧力としては
１０〜２００ｋｇ／ｃｍ２　が望ましいが、型材の強度
の許容範囲内で高くすることができる。

【００１８】なお、成形において用いられる型材の連通
気孔は、型材の底面もしくは平行する２つの面にのみに
有するものを用い、ウイスカーの堆積方向が一方向にな
る事が効果的である。

【００１９】このようにして、溶媒を充分に濾過した後
、成形体を型材より取りはずし、成形体を乾燥させた後
、例えばカーボン型に入れホットプレスを行う。ホット
プレス焼成では、Ａｒ、真空あるいは炭素を含有する還
元雰囲気中で１７００〜１９５０℃の温度で０．５〜３
時間程度焼成することにより相対密度９９％以上に緻密
化することができる。また、他の焼成方法として、真空
もしくは不活性ガスもしくは還元性雰囲気等で１７５０
〜２０００℃の温度で焼成した後、さらに不活性雰囲気
中で１６５０〜１９００℃で熱間静水圧焼成することに
よりさらに高密度化を図ることができる。

【００２０】

【作用】Ａｌ２　Ｏ３　−ＳｉＣ添加系工具では、切削
中高温となる工具刃先において被削材である金属によっ
て優先的に浸食され工具材料の摩耗が拡大する。この現
象は、ＳｉＣウイスカーを含有する工具材料ではウイス
カーが細く長い形状を有するために、切削加工時にこの
部分が優先的に浸食され、刃先に楔状浸食が発生する。 この楔状浸食がもっとも顕著なのは切削温度が最も高く
なる工具のすくい面である。工具逃げ面については切削
温度がすくい面上と比較して低いことから楔状浸食は余
り顕著ではない。本発明の工具によれば、すくい面にお
いて従来の工具に比較して、ウイスカーはすくい面に対
して平行に配列しているために、ＳｉＣウイスカーが被
削材と反応し浸食が進行する場合においても、浸食はす
くい面方向に進行し深さ方向には進行しないために、楔
状の浸食の発生を防止するとができる。これにより、後
述する実施例からも明らかなように鉄系材料の切削に際
しても摩耗を防止し工具の長寿命化を図ることができる
。

【００２１】

【実施例】以下本発明を次の例で説明する。Ａｌ２　Ｏ
３　粉末（平均粒径０．４μｍ　）と、ＳｉＣウイスカ
ー（短軸長０．８μｍ　、アスペクト比３０）および焼
結助剤としてＹ２　Ｏ３　粉末を表１の割合で添加し、
溶媒として蒸留水を用いて回転ミルにて充分に混合しス
ラリーを作製した。次にこのスラリーを多孔質の樹脂か
らなる工具形状をした型材に流し込み、型材を真空ポン
プで吸引力を調整しながら、１００ｋｇ／ｃｍ２　の圧
力でプレスして成形を行った。得られた成形体を３００
ｋｇ／ｃｍ２　の加圧下で１９００℃でホットプレス焼
成し、相対密度９９％以上の焼結体を作製した。

【００２２】また、比較例として、スラリーの吸引によ
り成形を行わず、スラリーを乾燥後、カーボン型に充填
しホットプレスを行い、表中試料Ｎｏ，９、１０の試料
を作成した。

【００２３】さらに、他の実施例として、Ａｌ２　Ｏ３
　とＳｉＣウイスカーを前述したような方法で成形した
後、さらに４０００ｋｇ／ｃｍ２　の圧力で冷間静水圧
成形後、真空中で１９００〜２０００℃で６時間焼成し
、さらにＡｒ中で２０００ｋｇ／ｃｍ２　の圧力下で１
９００℃で熱間静水圧焼成を行い、表１中の試料Ｎｏ，
１１、１２を得た。

【００２４】得られた各工具焼結体に対して、ＪＩＳＲ
１６０１に基づき４点曲げ抗折強度を測定した。また各
工具焼結体のすくい面と逃げ面を３μｍ　以下のダイヤ
モンド粉末で鏡面加工しエッチングを施した後、走査型
電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真にてアスペクト比２以下のＳ
ｉＣウイスカーの粒子数を数え、逃げ面における粒子数
をＮ１　、すくい面における粒子をＮ２　とし、Ｎ１　
／Ｎ２　の比率を算出した。

【００２５】次に、下記の切削条件で切削テストを行い
、クレータ摩耗を調べた。 切削条件１ 被削材　　　　　　インコネル７１８ 切削速度　　　　　　２５０ｍ／ｍｉｎ切り込み　　　
　　　１．５ｍｍ 送り　　　　　　　　　　０．２ｍｍ／ｒｅｖ切削時間
　　　　　　５分

【００２６】 切削条件２ 被削材　　　　　　ＳＵＳ３０４ 切削速度　　　　　　２５０ｍ／ｍｉｎ切り込み　　　
　　　１．５ｍｍ 送り　　　　　　　　　　０．２ｍｍ／ｒｅｖ切削時間
　　　　　　１０分

【００２７】

【表１】

【００２８】

【表２】

【００２９】表１によれば、ＳｉＣウイスカーの添加量
の増加させることにより靱性が向上するが、ＳｉＣウイ
スカーの添加量が６０体積％では、焼結体にボイドが多
数存在し、靱性の測定ができなかった。また、焼結体の
強度および靱性は、ＳｉＣウイスカーの配向性とはあま
り相関が見られなかった。

【００３０】また、表２によれば、工具中のＳｉＣウイ
スカーの添加量が増加するに従い、切削時の摩耗量が大
きくなる傾向にあり、特に従来法により作成しＳｉＣウ
イスカーの配向がほとんどない試料Ｎｏ，９、１０では
、いずれも楔状の浸食が観察され、摩耗が大きい。これ
に対して、本発明に基づきＳｉＣウイスカーを配向させ
たものは、ＳｉＣウイスカー添加量が同一の試料として
試料Ｎｏ，５とＮｏ，９、Ｎｏ，６とＮｏ，１０とを比
較しても明らかなように従来品に比較して摩耗量を大幅
に低減できることがわかる。

【００３１】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明のＡｌ２　Ｏ
３　−ＳｉＣウイスカー系繊維強化セラミックス工具は
、鉄系材料を被削材とした場合に生じる楔状の浸食を防
止することができる。よって、鉄系被削材に対する切削
安定性を付与できるとともに工具の長寿命化を図ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の工具のすくい面の走査型電子顕微鏡写
真の模写図である。

【図２】本発明の工具の逃げ面の走査型電子顕微鏡写真
の模写図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　酸化アルミニウムを主体とし炭化珪素
   ウイスカーを含有するセラミック工具において、工具逃
   げ面上のアスペクト比２以下のウイスカー粒子数の工具
   すくい面上のアスペクト比２以下のウイスカー粒子数に
   対する比率が１０以上であることを特徴とする繊維強化
   セラミック工具。