JPH0592306A - セラミツク切削工具インサート並びにその製造及び使用方法 - Google Patents

セラミツク切削工具インサート並びにその製造及び使用方法

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JPH0592306A
JPH0592306A JP4083005A JP8300592A JPH0592306A JP H0592306 A JPH0592306 A JP H0592306A JP 4083005 A JP4083005 A JP 4083005A JP 8300592 A JP8300592 A JP 8300592A JP H0592306 A JPH0592306 A JP H0592306A
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cutting
insert
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ceramic
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Jorgen V Wiman
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 チップ切削機械加工用セラミック切削工具イ
ンサートを開示する。 【構成】 該インサートは、上面と、対面と、及び刃先
を規定する上面及び下面を横断する少なくとも一つの隙
間面とを有する本体を含んで成る。該セラミック材料は
アルミナ系であり且つ少なくとも１０〜４０体積％の単
結晶ウィスカー並びに／またはＳｉ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈ
ｆ，Ｔａ、及び／もしくはＮｂの炭化物、窒化物、並び
に／もしくはホウ化物もしくはそれらの固溶体のプラテ
レットを含んで成る。該インサートの非平面チップ形成
面は、一軸コールドプレス作業において形成されたくぼ
み及び上昇部を含んで成る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はセラミック切削工具イン
サートに関し、より詳細には、単結晶ウィスカー（ひげ
結晶）及び／またはプラテレット（ｐｌａｔｅｌｅｔ）
が酸化物系セラミックマトリックス中に均質に分散して
いる切削工具インサートであって、長いチッピング材料
を機械加工するための予備成形チップブレーカーを有す
る前記インサートに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】セラミ
ック切削工具は数十年間利用されているが、チップ形成
機械加工における用途については最近になるまで工業上
重要ではなかった。セラミック切削工具の成長が限られ
ていた主な理由は、固有の不十分な強度及び靱性による
突発的で予期しえない切削インサートの破壊であった。
【０００３】最近の十年間にセラミック切削材料の特性
は多くの点で改良され、その結果鋳鉄及びニッケル系高
温合金の切削におけるセラミック切削材料の相対シェア
が増加した。
【０００４】ここ数年、ウィスカー、単結晶繊維を取り
込むことにより、耐熱性合金においてだけではなく、同
時に強度、靱性、熱衝撃及び耐摩耗性が要求される材料
であるスチールを機械加工することにおいてもセラミッ
ク切削工具を使用することが可能となった。
【０００５】とりわけ後者の用途は、しかしまた耐熱性
合金もある程度は、インサートのチップ破砕性能を要求
する。スチール機械加工は長い連続チップを一般に生み
出し、そしてそれは破砕されない場合に、すべての回転
部品を妨害し、さらに加工部品の表面仕上に損傷を与え
ることもありうるので、機械加工運転の際に重大な問題
を発生する。
【０００６】このことは今までは問題ではなかった。な
ぜなら、セラミック工具を用いるほとんどすべての機械
加工は、短い断片チップを生じる加工材料すなわち鋳鉄
において行われてきたからである。一般に、セラミック
インサートもまたすべての表面を平らに研削する。チッ
プ破砕が必要な場合、遊動性チップブレーカーを工具保
持器具に通常取り付ける。簡単なチップ破砕形状をイン
サート上に研削することもできる。
【０００７】現在ではより高靱性のセラミック材料が利
用できるようになり、切削工具材料の潜在能力を完全に
利用するためには、より複雑な形状のインサートを製造
できることが可能であるだけではなく必要でもある。
【０００８】最近開発されているセラミック材料の改良
された特性はウィスカーをかなり大量に添加使用するこ
とにより得られているので、その処理加工は簡単ではな
い。ウィスカーを添加するということは、材料を完全に
団結するために高温高圧の同時適用が必要であることを
通常は意味する。
【０００９】圧縮された粉末−ウィスカー圧縮粉の緻密
化は、収縮の際のウィスカーの転位が困難であるために
抑制される。ウィスカー含量が１０体積％を上回ると、
緻密化は厳しく抑制され、そして密閉気孔をもたない焼
結材料が得られる。Ｔ．Ｔｉｅｇｓ及びＰ．Ｂｅｃｈｅ
ｒの論文「Ｓｉｎｔｅｒｅｄ ａｌｕｍｉｎａ−ｓｉｌ
ｉｃｏｎ ｃａｒｂｉｄｅ ｗｈｉｓｋｅｒ ｃｏｍｐ
ｏｓｉｔｉｏｎｓ」（Ａｍ．Ｃｅｒ．Ｓｏｃ．Ｂｕｌ
ｌ．，６６（２），２３９−２４２，１９８７）を参照
されたい。
【００１０】金属の切削を目的とするには、必要なレベ
ルの強度、靱性、及び耐熱衝撃性を獲得するために２５
〜３５体積％程度のウィスカー含量が必要である。こう
して、同時に高温と高圧を使用して材料を団結せしめる
ことが必要である。
【００１１】焼結困難なセラミック材料を団結するもっ
とも頻繁な方法である一軸熱間圧縮は、非常に単純な幾
何学的形状しか作り出せないので、この場合には適用で
きない。
【００１２】圧力媒体として気体を使用する熱間均衡圧
縮は、焼結されるべき材料が缶に封入されない限り密閉
気孔が必要なので、さらにまた適用不可能である。缶詰
材料は、プレフォームの表面に付着して通気性のないコ
ーティングを形成できる金属、ガラス、または他のいく
つかの材料であることができる。
【００１３】圧縮チップブレーカーを含有するウィスカ
ー強化セラミックインサートが均衡または疑似均衡圧力
条件を用いて製造された場合、十分な工具寿命が得られ
るばかりでなく、限られた人員配置で生産するための要
件を該インサートが満たす程度にチップ破砕性能が増大
する。
【００１４】
【課題を解決するための手段、作用、及び効果】本発明
によるチップ切削機械加工用のセラミック材料のウィス
カー強化工具インサートは、上面と、対面と、及び刃先
を規定する上面及び下面を横断する少なくとも一つの隙
間面とを有する一般に多角形または丸形の本体を含んで
成る。前記上面には、前記刃先から離れて長手方向に伸
びているリブ手段により規定されたチップ付形溝が付与
されている。前記リブ手段は、間隔を置いて向かい合っ
て配置された一対のリブと、前記リブの間に配置された
中心リブとを含んで成る。さらに、前記刃先と前記チッ
プ破砕溝との間にランド（ｌａｎｄ）面が付与されてい
る。さらに、前記チップ破砕溝内に一つまたはいくつか
の円形または半円形の突起を配置して、幅広い範囲の切
込み及び送り量にわたりチップが満足に破砕されうるよ
うにする。好ましくは、隣接する刃先に実質的に平行に
突起を一列に配置する。
【００１５】該セラミック材料は好ましくはアルミナ系
であり、そして単結晶ウィスカー１０〜４０体積％、好
ましくは２５〜３５体積％並びに／またはＳｉ，Ｔｉ，
Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ、及び／もしくはＮｂの炭化物、窒化
物、並びに／もしくはホウ化物もしくはそれらの固溶体
のプラテレットを含んで成る。該ウィスカー材料は、直
径０．２〜１０μｍ及び長さ２．５〜１００μｍの単結
晶から成り、その長さ／直径比率は５〜１０であること
が好ましい。プラテレットは、平均直径＜２０μｍ及び
厚さ＜５μｍの板状単結晶から成る。マトリックスの粒
径は＜１０μｍ、好ましくは＜４μｍである。酸化物マ
トリックスは本質的に、硬質炭化物及び／もしくは窒化
物及び／もしくはホウ化物及び／もしくはバインダー金
属と混合したセラミック酸化物、またはセラミック酸化
物である。好ましくは、セラミックマトリックスは＜２
０体積％のＺｒＯ2 を含有すべきである。
【００１６】くぼみや上昇部を含んで成るインサートの
非平面状チップ形成面の形は、圧縮工程において成形さ
れ、そして焼結工程の際にインサートが収縮して最終形
状及び寸法になる。焼結後には、刃先を形成するのに少
しの研削加工しか必要ではない。焼結工程は、均衡また
は疑似均衡条件の際、温度＞１４００℃及び圧力＞２５
MPa で行われる。
【００１７】特別の実施態様において、圧力伝達媒体と
して気体を用いる均衡圧縮によってインサートを製造
し、そしてそれをガラスに封入した。圧縮インサート
は、コーティング成分のスラリー中に浸漬することによ
って中間コーティングで最初に被覆した。該中間コーテ
ィングの目的は、ガラスがプレフォームに入り込みそれ
と反応することを防止するためである。スラリー中に浸
漬する際、プレフォームの気孔組織は、スウェーデン国
特許出願第９００４１２４−４号明細書に開示されてい
るように、吸着盤により保持及び排気される。このコー
ティングの外側には、ガラスまたはガラス形成混合物の
さらなるコーティングを適用し、それが加熱された後に
気体不透過性になる。次いで該インサートを均衡焼結し
て、本質的に緻密な本体を形成する。
【００１８】代わりの方法において、密閉圧縮容器内ま
たは一軸圧縮用成形型内に入れられた粉末中にプレフォ
ームを配置することによって、プレフォームを団結せし
めた。次いで圧力を一軸的または均衡的に該容器に適用
するか、あるいは一軸的に該成形型に適用した。従来の
対流式もしくは誘導式加熱源またはマイクロ波加熱を用
いて行うことができる加熱の際に、該粉末が圧力伝達媒
体として作用して均衡または疑似均衡状態を作り出す。
【００１９】
【実施例】本発明を以下の例によってさらに例示する
が、これらに示される幾何学的形状に限定するものでは
ない。
【００２０】例１ 容易に無加圧焼結でき、しかもスチール機械加工におい
て適度の工具寿命を付与する材料であるＡｌ2 Ｏ3 −１
５体積％ ＺｒＯ2 を、プレフォーム内で一軸コールド
プレスして、高切削速度におけるスチール機械加工用に
設計した特別形状ＣＮＭＧ １２０４１２（図１）を得
た。圧縮プレフォームは空気中１６００℃で焼結し、次
いでアルゴンガス中１５５０℃、２００MPa で後ＨＩＰ
処理して理論密度９９．９とした。焼結後の唯一の作業
として刃先を約５０μｍに研削した。
【００２１】例２ 無加圧焼結できない材料であるＡｌ2 Ｏ3 −３０体積％
ＴｉＮウィスカーを１５５０℃、２８MPa で一軸ホッ
トプレスして理論密度９９．８のビレット（ｂｉｌｌｅ
ｔ）を得、次いでこれを、インサートスタイルＣＮＧＡ
１２０４１２（ＩＳＯ表示）の研削に適したブランク
寸法に切断した。該インサートのすべての表面を研削し
た。
【００２２】例３ Ａｌ2 Ｏ3 −３０体積％ ＴｉＮウィスカーをプレフォ
ーム内で一軸コールドプレスして、焼結後、高切削速度
でのスチール機械加工用に設計された特別形状ＣＮＭＧ
１２０４１２（図１）を得た。プレフォームを保護気
体雰囲気中で１５７５℃に加熱し、次いで予備加熱され
た粉末混合物中に挿入した。続いてこの予備加熱された
粉末に液圧由来の一軸圧力をかけて、プレフォーム上で
粉末混合物に疑似均衡圧力（４００MPa ）を適用した。
焼結後、インサートの刃先を約５０μｍに研削した。
【００２３】例４ 例１，２、及び３のインサートを使用して、スチールＳ
Ｓ ２５４１（ＡＩＳＩ ４３３７に類似）を、切削速
度５００ｍ／min 、切込み４mm、及び送り速度０．３０
mm／rev で機械加工した。結果は以下のとうりである。
【００２４】 材料 形状 工具寿命、分 チップ形成 Al2O3-ZrO2 特別（図１） 4 良好 Al2O3-TiNW SNGN 120412 17 悪い（図２） Al2O3-TiNW 特別（図１） 18 良好（図３）
【００２５】Ａｌ2 Ｏ3 −ＺｒＯ2 材料は良好なチップ
形成を示したが、それは非常に短時間であり、次いでお
そらくは耐熱衝撃性が欠けているためであるが、突然イ
ンサートが破損した。Ａｌ2 Ｏ3 −ＴｉＮW 材料は、破
損することなく高切削速度に耐えることができ、そして
工具寿命はフランク摩耗（工具寿命基準０．３mm）によ
り決定された。しかしながら、研削ＣＮＧＡ形状は長い
連続チップを生じ（図２）、よってその製品はＣＮＣ機
械加工には適さない。特別に設計された形状のＡｌ2 Ｏ
3 −ＴｉＮW 材料は、長い工具寿命及び良好なチップ破
砕性能（図３）の両方を示し、その製品をＣＮＣ機械加
工における高度自動化生産に適したものにする。
【００２６】例５ 無加圧焼結できる材料のＡｌ2 Ｏ3 −７．５重量％ Ｓ
ｉＣウィスカーを、溝削り用に特別に設計された形状
（図４）へ予備成形し、次いで窒素中１６００℃で無加
圧焼結した。幅０．１５mmの強化ランドを刃先線上に研
削した。
【００２７】例６ 無加圧焼結できない材料のＡｌ2 Ｏ3 −２５重量％ Ｓ
ｉＣウィスカーを１８５０℃で一軸ホットプレスしてビ
レットにし、次いで溝削りインサートＮ １５０．２３
−０９５２ ０８ Ｔ０１０２０（ＳａｎｄｖｉｋＣｏ
ｒｏｍａｎｔＣ−１０００：２１３−ＥＮＧ参照）を研
削するのに適当なブランク寸法へ切断した。
【００２８】例７ Ａｌ2 Ｏ3 −２５重量％ ＳｉＣウィスカーを一軸コー
ルドプレスして特別形状（図４）のプレフォームにし
た。該プレフォームを窒素中７００℃で加熱して圧縮剤
を除去した。次いで、上述のスウェーデン国特許出願明
細書に開示されているように、主に窒化ホウ素からなる
スラリー中に浸漬する際に、吸着盤を用いて該プレフォ
ームに減圧を適用して該プレフォームの気孔組織を排気
した。該プレフォームの全面をコーティングし且つ乾燥
した後、アルミナ及び炭化珪素を混合した窒化ホウ素の
スラリー中にまた減圧を用いて別の浸漬を行い、ガラス
封入ＨＩＰ焼結の際にガラスがプレフォームと反応する
のを防止する中間層を形成させた。減圧を適用すると、
閉じ込められた気体の漏出による中間層内での損傷を防
止する。乾燥後、該プレフォームをガラス粉末中に埋め
込み、そして容器内で加熱した。ガラスが溶融した時点
で、２００MPa のＡｒ圧力を温度１５５０℃で適用し
た。ＨＩＰ焼結後、ガラス封入を取り除き、そして幅
０．２０mmの強化ランドを刃先に研削した。
【００２９】例８ 例６，７、及び８のインサートを用いて、耐熱材料Ｉｎ
ｃｏｎｅｌ ７１８の棒を溝削り加工した。切削速度２
００ｍ／min 、送り速度０．１５mm／rev 、及び溝深さ
１５mmとした。結果は以下のとうりである。
【００３０】 材料 形状 工具寿命、分 チップ形成 Al2O3-7.5SiC W 特別（図４） 0.2 良好 Al2O3-25SiCW N 150.23 5 悪い（図５） Al2O3-25SiCW 特別（図４） 5 良好（図６）
【００３１】Ａｌ2 Ｏ3 −７．５％ ＳｉＣW は、十分
な靱性及び強度に欠けていたため、この特別な溝削り作
業においてＩｎｃｏｎｅｌ ７１８を機械加工できなか
った。非常に短時間のうちにインサート全体が破損し
た。Ａｌ2 Ｏ3 −２５％ ＳｉＣW はこの作業について
十分な強度及び靱性を示したが、直接形成されたチップ
ブレーカーを有する変種のみが満足なチップ形成を与え
た。
【図面の簡単な説明】
【図１】機関加工作業を示す斜視図である。
【図２】図１の機械加工作業においてチップブレーカー
を具備しないインサートを用いて得られたチップの繊維
形状を示す写真である。
【図３】図１の機械加工作業においてチップブレーカー
を具備した本発明によるインサートを用いて得られたチ
ップの繊維形状を示す写真である。
【図４】溝削り作業を示す斜視図である。
【図５】図４の機械加工作業においてチップブレーカー
を具備しないインサートを用いて得られたチップの繊維
形状を示す写真である。
【図６】図４の機械加工作業においてチップブレーカー
を具備した本発明によるインサートを用いて得られたチ
ップの繊維形状を示す写真である。

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 上面と、対面と、及び刃先を規定する上
    面及び下面を横断する少なくとも一つの隙間面とを有す
    る一般に多角形または丸形の本体を含んで成るチップ切
    削機械加工用セラミック切削工具インサートであって、
    該セラミック材料がアルミナ系であり且つ少なくとも１
    ０〜４０体積％の単結晶ウィスカー並びに／またはＳ
    ｉ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ、及び／もしくはＮｂの炭
    化物、窒化物、並びに／もしくはホウ化物もしくはそれ
    らの固溶体のプラテレットを含んで成り、しかもくぼみ
    と上昇部とを含んで成る該インサートの非平面チップ形
    成面が一軸コールドプレス作業において形成されたこと
    を特徴とする、前記セラミック切削工具インサート。
  2. 【請求項２】 前記チップ形成面の最終形状及び寸法が
    焼結作業の際に形成され、本質的な続く研削作業を必要
    としないことを特徴とする、請求項１記載の切削工具イ
    ンサート。
  3. 【請求項３】 前記上面が、前記刃先から離れて長手方
    向に伸びているリブ手段により規定されたチップ付形溝
    を付与されていることを特徴とする、請求項１または２
    記載の切削工具インサート。
  4. 【請求項４】 前記リブ手段が、間隔を置いて向かい合
    って配置された一対のリブを含んで成ることを特徴とす
    る、請求項３記載の切削工具インサート。
  5. 【請求項５】 前記リブ手段が、間隔を置いて向かい合
    って配置された一対のリブと前記リブの間に配置された
    中心リブとを含んで成ることを特徴とする、請求項３記
    載の切削工具インサート。
  6. 【請求項６】 前記刃先と前記チップ破砕溝との間にラ
    ンド面が付与されていることを特徴とする、請求項３記
    載の切削工具インサート。
  7. 【請求項７】 前記チップ破砕溝内に一つまたはいくつ
    かの円形または半円形の突起を配置して、幅広い範囲の
    切込み及び送り量にわたりチップを満足に破砕すること
    を可能にしたことを特徴とする、請求項３記載の切削工
    具インサート。
  8. 【請求項８】 隣接する前記刃先に実質的に平行に配置
    された一列の突起が付与されていることを特徴とする、
    請求項７記載の切削工具インサート。
  9. 【請求項９】 ミリング、プレス、及び焼結による前記
    請求項１〜８のいずれか一項に記載の切削工具インサー
    トの製造方法において、該焼結が圧力伝達媒体として気
    体を用いた均衡圧縮作業で行われ、その際に該インサー
    トが気体不透過性ガラスコーティング中に封入されるこ
    とを特徴とする、前記製造方法。
  10. 【請求項１０】 切削工具をスチール加工物に接触さ
    せ、そして該切削工具と該加工物とを互いに関して動か
    し、よってスチールまたは耐熱性合金加工物から該切削
    工具により材料を除去する該スチールまたは耐熱性合金
    の切削方法において、アルミナ系マトリックスを有し且
    つ単結晶ウィスカー１０〜４０体積％並びに／またはＳ
    ｉ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ、及び／もしくはＮｂの炭
    化物、窒化物、並びに／もしくはホウ化物もしくはそれ
    らの固溶体のプラテレットを全体に分布して含んで成る
    セラミック切削工具を使用すること、そしてくぼみと上
    昇部とを含んで成る該インサートの非平面チップ形成面
    が一軸コールドプレス作業において形成されたことを特
    徴とする、前記スチールまたは耐熱性合金の切削方法。
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