JPH0683924B2

JPH0683924B2 - セラミック製切削工具インサート

Info

Publication number: JPH0683924B2
Application number: JP63253642A
Authority: JP
Inventors: デールケッチャムトーマス; サーロウェイスデヴィッド
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 1987-10-09
Filing date: 1988-10-07
Publication date: 1994-10-26
Anticipated expiration: 2009-10-26
Also published as: US4770673A; DK561288A; KR890006336A; EP0311264A3; NO884481D0; AU617693B2; JPH01121110A; ATE81840T1; DE3875580D1; DE3875580T2; EP0311264A2; IL87835A0; EP0311264B1; CN1032510A; DK561288D0; NO884481L; AU2347688A; IL87835A; CA1291878C; BR8805156A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本願発明は硬質耐火セラミックマトリックスおよびジル
コニア合金から本質的に成る硬質、強靭、熱伝導性のあ
るセラミック切削工具インサートの製造に関する。

（従来技術）フライス削りや外丸削りによる金属品の機械加工および
形削りは、産業革命の始まり以来近代社会の一部をなし
てきた。予想されるとおり、金属品を形づけるための工
具や少なくとも工具のチップは、最初から金属によって
作られた。しかしながら、フライス削りや外丸削りの操
作における送り速度や回転速度が増すにつれて、工具の
チップはますます高温に遭遇し、チップが金属工作物と
化学的に作用して速やかに摩滅することが、やがて明ら
かになった。

このような作用は望ましくない故に、工具のチップを硬
化する一方、チップと金属工作物との化学的作用を減ず
るための莫大な努力が企てられてきた。

その結果、金属代替物としての切削工具チップ用材料
（切削工具技術において“インサート”と定義される）
が、先行技術に多数含まれている。一般的に先行技術
は、切削工具インサート用の成分としての硬質耐火セラ
ミックの使用を開示してきた。これらを以下に説明す
る：米国特許第4,063,908号は、TiO₂とTiCとを、Al₂O₃で焼
結したセラミック本体中に組み入れることを述べてい
る。米国特許第4,204,873号は、WCとTiNとを、Al₂O₃を
含む焼結セラミック本体中に包含させることを報じてい
る。類似なものとして米国特許第4,366,254号は、ZrO₂,
TiNもしくはTiCおよび希土類金属炭化物を塩基性Al₂O₃
セラミック本体に添加することを開示している。

一般的に切削工具インサートは明らかに、フライス削り
操作もしくは外丸削り操作のいずれかのために考察され
てきた。すなわち、ある操作のために考案されたインサ
ートは他の操作には使用されないのが慣例であったが、
その理由は、二つの操作の摩滅特性が全然異なるからで
ある。したがって、外丸削り用に考案された切削工具イ
ンサートは、フライス削り操作に用いるときには、通常
は比較的速やかに損耗する。フライス削り用に考案され
た工具インサートを外丸削りに用いるときも、同様な事
態を生じる。より最近になって、外丸削りとフライス削
り兼用の切削工具インサートが製作されるようになった
が、余り成功していない。

セラミック切削工具インサートが充分な性能を発揮する
ためには、多種多様な物理的特性を備えなければならな
い。これらの特性とは、硬度、熱伝導度、強度、および
靭性である（これらはすべての温度の関数である）。温
度変化によって生じるインサートの内の相の望ましくな
い相変態は避けなければならない。しかも前述のとお
り、工作物との化学的作用は最少限でなければならな
い。個々の材料はいくつかの特性において優れている反
面、別の方面の欠陥のために切削工具インサートとして
無用化することがある。このような欠陥の事例はジルコ
ニアであって、この材料の強度と靭性は優れているけれ
ども、熱伝導度が低く硬度が小さい。この低熱伝導度特
性のために、インサートチップが使用中に熱くなって塑
性流を生じることがある。

これら２種類の金属切削操作の各について標準化された
試験が開発されてきた；すなわち外丸削り試験および断
続切削すなわちフライス削りの試験である。これら二つ
の試験はそれぞれ遭遇する作用に関して大雑把に特性づ
けることができる。こゝに外丸削り試験は主として、摩
耗と化学的摩滅に対するインサート材料の抵抗を測定す
る。一方、断続切削試験は、インサート材料が熱的およ
び機械的衝撃に耐える能力を測定する。

外丸削り試験においては、金属棒（工作物）を旋盤に取
り付けてインサートに対して所定速度により旋回する。
インサートは、工作物の長さ方向に沿って移動するツー
ルホルダーに取り付けられる。単位時間当りに工作物か
ら切削される金属の量は、３つの因子の関数である：第
１因子は、工作物を旋回させる主軸の回転速度を１分間
当りの回転数（RPM）で表わしたものであり；第２因子
は、インサートがツールホルダーによって工作物の全長
に亘り一方の端から他方の端まで平行に移動させる速度
を、工作物１回転当りのインチ毎分（IPR）（2.45cm毎
分）によって表わしたものであり；第３因子は、インサ
ートが工作物中に切り込む距離を切込み深さ（DOC）と
して測定したものである。この最初の２作動の組合せに
よって、表面フィート（SFPM）（30.5cm毎分）として通
常定義される金属切削速度の標準的測定単位が得られ
る。この試験を実施するための標準的手順において、IP
Rは0.010インチ（0.254mm）に保たれ、DOCは0.075イン
チ（1.905mm）に維持され、RPMは所望の金属切削速度に
したがって変動する。

断続切削試験は、切削ヘッド中に単一インサートを取り
付けたタレット旋盤を使用する。このようにして、工作
物が回転切削ヘッドに沿って横方向へ動くにつれて、イ
ンサートは実質的に工作物を切り刻む。試験が進行する
につれて送り速度が増大する故に、断続切削試験は動的
である。本発明の試験例において、最初の20回の切削は
送り速度0.0025IPR（0.0635mmPR）で開始し、各連続５
パス（すなわち５回の切削）毎に送り速度を0.0025IPR
（0.0635mmPR）ずつ増したために20回目の送り速度は0.
010IPR（0.254mmPR）である。引続く切削、すなわち21
〜60回の切削については、各連続５パス後の増分を0.00
50IPR（0.127mmPR）としたゝめに21回目の送り速度は0.
015IPR（0.381mmPR）、60回目のそれは0.050IPR（1.27m
mPR）である。この送り速度0.050IPR（1.27mmPR）は、
試験装置の最大容量を表わす故、上限値である。この試
験は、材料の熱的および機械的衝撃に対する抵抗性に関
する資料を提供し、インサートの破損時に終結する。

フライス削り操作に際してインサートが充分な性能を発
揮するためには、熱的および機械的衝撃に対するすぐれ
た抵抗性が要求される。しかも、このような熱的およ機
械的特性は外丸削り操作にも必要である。外丸削り操作
において、送り速度が大きいか、切込み深さが深いか、
もしくは冷却剤を使用するような切削条件のもとでは、
インサートは、かゝる条件には付き物の熱的および機械
的な力に抵抗する能力を備えていなければならない。イ
ンサートが非均一な工作物材料にさらされるときにも、
たとえば硬い介在物が工作物中に含まれるときや鱗片状
の表面を切削するときには、同様な耐久性が存在しなけ
ればならない。したがって断続切削スクリーンテストに
おける良好な成績は、多くの外丸削り操作中に見られる
条件のもとでインサート材料が良好な性能を発揮する見
込みを指摘するものである。

前述の試験は、切削速度を増すことによって加速摩滅試
験を模擬するために計画することができる。一例として
外丸削り試験は約2000〜3000SFPM（610〜915mPM）の速
度を用いるが、これらの速度は、産業界で使われている
代表的な800〜1000SFPM（244〜305mPM）よりもかなり大
きい。したがって一般的には、切削速度が高いほどイン
サート／工作物界面における温度も高くなる。かゝる高
切削速度における温度上昇｛2500〜3000SFPM（762.5〜9
15mPM）においては1300℃以上であろう｝は工作物の塑
性変形増加を惹起し、それによって、高温金属が切除さ
れるにつれて摩耗性損耗および切削による機械的衝撃が
少なくなる。しかしながら、温度上昇は化学反応速度の
上昇を促進し、したがって温度に関係する摩滅機構、た
とえば密着性摩滅を強化する。

セラミック組成物から切削工具用の改良されたインサー
トを開発するために研究が進んでいる一方、金属のフラ
イス削りや外丸削りの操作のために考案された、現在入
手しうる製品よりもはるかにすぐれた耐久性および信頼
性を発揮するインサートに対する必要性が依然として残
っている。

（発明の目的）したがって本発明の主目的は、異例の靭性・耐摩滅性・
耐衝撃性、熱伝導度・熱衝撃抵抗性を発揮し、それによ
ってフライス削りおよび外丸削りの操作に用いるのにと
りわけ好適である切削工具インサートを開発することに
ある。

（発明の構成）米国特許出願第926,655号は1986年11月４日に、“高靭
性セラミック合金”の名称のもとにThomas D.Ketchamを
出願人として出願されたもので、本明細書中に折り込ん
であり、破壊靭性値（K_IC）によって測定する際に異例
の高靭性値を示すセラミック合金の製造を報じている。
そこに開示された合金は、酸化物を基準とするモルパー
セントによって表示すると、約0.5〜８％の靭性化剤お
よび残部のジルコニアによって本質的に構成されてい
る。本出願の開示事項は本発明と関係があるために、本
明細書中に参考として完全に組み込まれている。しかし
ながらその開示事項は、本発明に具体的に関連している
ために、その簡単な要約を以下に述べる：そこに説明されているとおり、その靭性化剤はYNbO₄,YT
aO₄,MNbO₄,MTaO₄およびそれらの混合物から成る群から
選ばれたものであり、Ｍは、Mg⁺²,Ca⁺²,Sc⁺³ならびにLa
⁺³,Ce⁺⁴,Ce⁺³,Pr⁺³,Nd⁺³,Sm⁺³,Eu⁺³,Gd⁺³,Tb⁺³,Dy⁺³,Ho
⁺³,Er⁺³,Tm⁺³,Yb⁺³,Lu⁺³およびそれらの混合物から成る
群から選ばれた１種の希土類金属イオンからなる群から
選ばれた、モル基準によってＹ陽イオンを置換する１種
の陽イオンから成る。当該出願は、合金が１要素を構成
する種々の組成物の生成を述べている。たとえば、アル
ミナ・ムライト・シアロン・炭化ケイ素・窒化ケイ素、
AlN・BN・B₄C・ZrO₂・ジルコン・オキシ炭化ケイ素・ス
ピネルのような耐火セラミック繊維および／またはウイ
スカーは合金体の内部に混入させることができる。その
合金は、アルミナ・Al₂O₃−Cr₂O₃固溶体・シアロン・炭
化ケイ素・窒化ケイ素・炭化チタン・二硼化チタン・炭
化ジルコニウムのような硬質耐火セラミックのマトリッ
クス中に配合することができる。結論として、合金混合
物・耐火セラミック繊維および／またはウイスカー・お
よび硬質耐火セラミックスから成る組成物を調製するこ
とができる。

本発明は、随意的に耐火セラミック繊維および／または
ウイスカーであって前記出願中に述べた種類のものの混
入を含んでもよい前記出願中に同じく述べられた種類の
硬質耐火セラミックから成るマトリックス中に、前記出
願中に述べられた種類のセラミック合金の狭く限定され
た量を組み入れることによって、切削工具インサートと
して異例的に操作を容易にする物理的および化学的特性
を発揮する材料を調製することができる；という発見に
基づく。

かくして本発明による硬質・強靭・熱伝導性のセラミッ
ク切削工具インサートは重量パーセントによって表示す
るとき、55〜80％の硬質耐火セラミックおよび20〜45％
のジルコニア合金から本質的に成り、該ジルコニア合金
は酸化物を基準とするモルパーセントによって表示する
と、YNbO₄・YTaO₄・MNbO₄・MTaO₄・およびそれらの混合
物から成る群から選ばれる１〜４％の靭性化剤から本質
的に成り、ＭはMg⁺²,Ca⁺²,Sc⁺³ならびにLa⁺³,Ce⁺⁴,C
e⁺³,Pr⁺³,Nd⁺³,Sm⁺³,Eu⁺³,Gd⁺³,Tb⁺³,Dy⁺³,Ho⁺³,Er⁺³,T
m⁺³,Yb⁺³,Lu⁺³およびそれらの混合物から成る群から選
ばれた１種の希土類金属イオンからなる群から選ばれ
た、モル基準によってＹ陽イオンを置換する１種の陽イ
オンから成り、残部はジルコニアである。最も好ましい
合金は靭性化剤としてYNbO₄および／またはYTaO₄を用い
る。ジルコニアは、CaO,CeO₂,MgO,Nd₂O₃およびY₂O₃のよ
うな既知の安定剤の存在によって部分的に安定化されて
もよい。一般にこのような安定剤の濃度は約0.5〜６モ
ルパーセントであり、Y₂O₃の最も好ましい量は約0.5〜
２モルパーセントである。したがってこゝに用いるとお
り、ジルコニアという用語は少量の安定剤の存在によっ
て部分的に安定化されたZrO₂を含む。なお、ジルコニア
という用語は、いかなる特定の結晶相もしくは格子形態
にも限定されるべきものではなく、ジルコニアポテンシ
ャル内の相および格子形態の各を含む。一般に、インサ
ートの本体中に随意に混入された耐火セラミック繊維お
よび／またはウイスカーの含有量は約35容積％をこえな
いものである。

切削工具インサートの組成に加えて、最終的材料のミク
ロ組織も重要である。なお合金は硬質耐火セラミックマ
トリックス中に均一に分布されなければならず、それら
の集合体は避けるべきである。したがって、大きさが約
50ミクロン以上の合金集合体が存在するとインサート弱
体化を惹起することが認められ；微小亀裂がこれらの不
均一部へと、また不均一部からマトリックス全体に伝播
する。

前述の特許出願（出願番号926,655）は、セラミック合
金の細かく分離された焼結可能な粉体を形成するための
一般的２方法を開示している。第１法は共析出方法から
成り、第２法は、種々の付加を通じて改質される出発物
質として、工業的な、Y₂O₃を含む、安定化されたZrO₂の
利用を含むものである。これらの両方法とも、本発明の
インサートの製造に用いるに適した合金粉末を提供する
のに適切である。出願926,655に列挙された共析出方法
と付加方法の完全な記述は参考として本明細書中に折り
込んである。各方法の一実施態様の簡単な説明が、靭性
化剤としてYNbO₄を利用して加えられている。

共析出操作においてNbCl₅をHCl水溶液中に溶解して、0.
3〜１ミクロンのフィルターによって過可能な溶液を
生成した。硝酸ジルコニルとＹ（NO₃）_３・6H₂Oとの濃
縮水溶液をNbCl₅/HCl溶液に加えた。水溶性NH₄OHを加
え、大量の過剰分を用いて高度の過飽和物を作り、陽イ
オンの偏析をさけるために速やかに共析出を行った。そ
の結果生じた析出ゲルを、pH＞10において水性NH₄OHに
より遠心分離機内で数回洗淨し、ゲル中に捕集された水
分を凍結乾燥によって除去した。乾燥した材料を約1000
℃において２時間焼し、ZrO₂ビードを用いて３日間、
焼物のイソプロピルアルコールスラリーを振動粉砕し
た。そのスラリーをスクリーンにかけてビードを抜き取
り、次いで蒸発し去った。生成した粉体の粒子大きさは
１ミクロン未満であり、代表的には0.3ミクロン未満で
あった。

前述の方法は実験室的実施要領のみを反映していること
は極めて明瞭であり；個々の段階における種々の改変
は、当技術分野における当業者にとって直ちに明白にな
る。

付加操作において、粉末化された工業用の部分的に安定
化されたZrO₂（ZrO₂−３モル％のY₂O₃）とメタノールか
ら成るスラリー中へ、粉末化されたNb₂O₅を配合し、ZrO
₂ビードを用いて2.5日間振動粉砕した。そのスラリーを
スクリーンにかけてビードを取り除き、メタノールを蒸
発し去り、生成した粉体を800℃において２時間焼し
た。生成した粒子の直径は５ミクロン未満であったが、
２ミクロン未満が好ましい。

共析出方法と同様に、前述の説明は実験室的操作のみを
代表するものであり；個々の段階における種々の改変
は、当技術分野におえる当業者にとって直ちに明白にな
る。

本発明のインサートを形成するための好ましい過程はつ
ぎの一般的３段階から成る：（ａ）合金と硬質耐火セラミックスとの粉体を所望の
比率によって混合し、その際に50ミクロン以上、好まし
くは10ミクロン以上の直径の集合体が生じないように注
意する（所望ならば、結合剤および潤滑剤を随意的に包
含させてもよく、耐火セラミック繊維および／またはウ
イスカーが混入してもよい）；（ｂ）生成した混合物を所望の形態を形作る；（ｃ）その形態のものを、約1100℃〜1700℃の温度に
おいて焼成することにより、完全な本体に焼結する。混
合物を所望の形状に形作ることは、通常はプレス操作に
よって企てられる。しかし小型インサートは押出しによ
って製作することができる。したがって、混合物は一軸
的に乾燥プレスしても、同一条件で静的に冷間プレスし
てもよく、一時的にもしくは同一条件で熱間プレスして
もよい。焼結処置は熱間プレスと同時にもしくはそれに
先立って実行してもよい。たとえば、混合物を1100℃〜
1700℃において焼結し、次いで同一温度範囲内において
熱間静的プレスを行なってもよい。本体を形作るに当っ
て結合剤や分散剤を用いるときには、焼結温度以下、例
えば300℃〜800℃の高温に、これらの物質を蒸発／焼却
するに充分な時間をかけて本体を加熱することによっ
て、焼結に先立ちこれらの結合剤や分散剤を除去しなけ
ればならない。焼結は空気中（酸化性雰囲気）もしくは
明らかに同等の結果を生じる非酸化性雰囲気）中におい
て行ってもよい。

切削工具インサートを調製するには、基質成分を適正な
比率で単純に混合し、その混合物を所望の形態に形作
り、次いで1100℃〜1700℃において焼結することによっ
て行なうことができる。このような製品はつぎの方法に
よって製作することができる：（ａ）硬質耐火セラミックス、ジルコニア、YNbO₄・Y
TaO₄・MNbO₄,MTaO₄およびそれらの混合物から成る群か
ら選ばれる靭性化剤（こゝにＭは、Mg⁺²,Ca⁺²,Sc⁺³なら
びにLa⁺³,Ce⁺⁴,Ce⁺³,Pr⁺³,Nd⁺³,Sm⁺³,Eu⁺³,Gd⁺³,Tb⁺³,D
y⁺³,Ho⁺³,Er⁺³,Tm⁺³,Yb⁺³,Lu⁺³およびそれらの混合物か
ら成る群から選ばれた１種の希土類金属イオンからなる
群から選ばれた、モル基準によってＹ陽イオンを置換す
る１種の陽イオンから成る）または共に反応するときに
当該靭性化剤を生成する成分、ならびに所望ならばジル
コニア用の安定剤から本質的に成る粉体の混合物であっ
て、当該粉体は、焼結に当って20〜45％のジルコニア合
金および55〜80％の硬質耐火セラミック（いずれも重量
％により表示）から本質的に成る本体を生成するに充分
な量と適正な比率において存在するものであり、当該ジ
ルコニア合金は１〜４％の靭性化剤および残部のジルコ
ニア（酸化物を基準とするモル％により表示）から本質
的に成るものである如き粉体の混合物を生成し；（ｂ）当該混合物を所望の切削工具インサート形態に
形成し；ついで（ｃ）硬質強靭かつ熱伝導性の本体を生成するために
約1100℃〜1700℃の温度において当該形成混合物を焼結
すること。

前述の方法は、ZrO₂合金の初期調製を必要としない点に
おいて実用的に有利である。しかしながら、この方法に
よって調製したインサートが示す特性は、最初に合金を
調製しついで硬質耐火セラミックと混合したものよりも
一貫性が若干劣るようである。したがって、硬質耐火セ
ラミックの粉体と合金を含む成分との混合物から合金が
生成される以上、適正濃度の合金が本体中に一様に行き
渡り、均一な硬度・靭性・熱伝導度を得ることを保証す
るのは困難である。この実験を例証するために、ジルコ
ニア合金／アルミナ生地をつぎの手順にしたがって調製
した：（ａ）ジルコニア,Nb₂O₅,Y₂O₃およびアルミナの粉体
を適切な比率にしてプラスチックのジャーに入れ、ZrO₂
の混合ボールと共に振とうして混合する；（ｂ）その粉体混合物を蒸溜水中に配合してスラリー
を生成する（または、粉体と反応しないことが明らかな
液体、たとえばメタノール、イソプロパノールおよびメ
チルエチルケトンを使用できることは自明である）；（ｃ）そのスラリーを３日間振動粉砕する；（ｄ）そのスラリーを噴霧乾燥する（その他の乾燥方
法、たとえば簡単な釜乾燥が使用できることは自明であ
る）；その後（ｅ）乾燥した材料を、温度1450℃、圧力6000PSi（4
22kg/cm²）において１時間、黒鉛の型の中で一時的に熱
間プレスする。

繊維および／またはウイスカーが製品に望ましいとき
は、焼結に至るまでのいかなる段階においてもそれらを
混入させてもよい。それ故、焼結すべき形状のものの中
へ混入しておきさえすればよい。

実用的な見地からすればアルミナは、切削工具に当って
合金用の好ましい硬質耐火セラミックマトリックスを構
成することが経験によって指摘されてきた。合金とアル
ミナとの基剤組成物に最大５モルパーセントのCr₂O₃を
添加すると、インサートの摩滅抵抗性能が改善されるよ
うである。しかしながら、約５％以上を添加すると生地
の熱伝導度が低下し、その程度は、インサートが使用中
に熱くなって塑性変形が生じる程である。Al₂O₃-Cr₂O₃
焼結体の熱伝導度低減作用においてCr₂O₃が及ぼす効果
の基礎となる機構は、米国特許第4,533,647号に説明さ
れている。合金によって靭性化した二硼化チタンおよび
アルミナと二硼化チタンとの混合物から調製された切削
工具インサートもまた性能がよいが、二硼化チンタンは
アルミナよりもコストが高い。炭化チタン、窒化チタ
ン、炭化ジルコニウムおよび当技術分野の当業者にとっ
て既知の別の被覆剤によってインサートを被覆すると製
品の耐摩耗性が向上する。

SiCの繊維およびウイスカーは、好ましい耐火セラミッ
クの繊維とウイスカーを構成する。

（実施例）表−Ｉは、モルパーセントの合金とモルパーセントのマ
トリックスによって表示された多数の組成物を示したも
ので、本発明のパラメータを説明している。合金の靭性
化剤成分は酸化物を基準としてモルパーセントによって
個別に示してあり、付加のイットリアおよびCr₂O₃が存
在する場合と同様である。ジラコニアは合金の残部を構
成する。

合金は前述の付加工程を利用して調製した。その後合金
粉末とマトリックス材料の粉末とを、結合剤や潤滑剤を
混入せずに混合し、その混合物を温度1450℃、圧力6000
PSi（422kg/cm²）において１時間、黒鉛の型の中で一軸
的に熱間プレスした。

本発明者らは、切削工具インサートとしての材料および
有用性によって示される硬度、靭性、および熱伝導度の
間に強い相関が存在することを観察してきた。それ故本
発明者らは、もしも熱伝導度が許容値の範囲にあれば、
少なくともの破壊靭性（K_IC）および約15.0GPaをこえるヴィッカー
ス硬度を有する材料は切削工具インサートとして極めて
良好な性能を発揮することを見出した。靭性に釣り合わ
ない過大な硬度はインサートの欠損に結びつく。したが
ってノッチによる靭性と硬度の測定を、組成物候補に対
する迅速スクリーニングテストとして使用した。サンプ
ルを調製するには、焼結体を磨いて鏡面仕上げした。そ
の後、米国セラミック協会誌,1981年,533〜538頁に報告
されたAnstisらのノッチ法によって、靭性と硬度を測定
した。AD999アルミナに対する値を用いてつぎの式を
得た： K_IC＝0.0175P¹ ^／ ²E¹ ^／ ²dC^-3 ^／ ^２硬度は、Ｈ＝1.854P/d²によって定義される通常のヴィ
ッカース硬度であり、両方の式におけるＰは加重であ
り、Ｃはワレの長さであり、両方の式におけるｄは凹み
の対角線の長さであり、Ｅは弾性係数であって、アルミ
ナは380GPa、ジルコニア・イットリウム・ニオブ酸塩合
金は200GPa、二硼化チタンは450GPaと想定した。使用荷
重は10kgであった。

表‐IIは、表‐Ｉの実施例について測定したもので、GP
aによって表示したヴィッカース硬度の値、およびによって表示した破壊靭性（K_IC）の値を掲げたもので
ある。

表‐IIから観察されるとおり、実施例16〜23の靭性およ
び／または硬度の値は、切削工具インサートに関して適
切と判断される値よりも低い。

表‐Ｖは、つぎの式によって熱拡散データから計算した
熱伝導度の値を示す：熱伝導度＝密度×比熱×熱拡散率表 ‐ Ｖ実施例熱伝導度,Wm^-1゜K^-1 １ 20.42 ３ 20.87 ５ 19.94 12 14.35 15 7.38 19 23.26 22 19.2 前述のとおり、切削工具インサート材料が充分な性能を
発揮するためには、硬度、靭性および熱伝導度の各につ
いて一定の最小値が臨界的である。

添付図面に示す棒グラフは、これら３特性値がどのよう
な相互関係を有するかを図解している。Ａで表わしたグ
ラフは熱伝導度、Ｂは硬度、Ｃは靭性に関する。実施例
1,3および５は切削工具インサートとしてすぐれた性能
を示すことが分っでいる。これらの実施例は３件とも、
靭性値がよりも大きく、硬度の値が15.0GPaをこえ、かつ熱伝導
度の値が14Wm^-1゜K^-1よりも高い。これとは対称的に、
実施例19および22は不適格切削工具インサートであるこ
とが判明している。実施例19については、熱伝導度と硬
度の値は適格である反面、靭性の値が低くであるのが欠点である。実施例22も、熱伝導度と硬度の
特性は合格であるが、靭性はにすぎない。実施例15は、靭性と硬度の値は適格である
が熱伝導度の値は7.38Wm^-1゜K^-1と低くて不適格であ
り、これは過大なCr₂O₃含有量が原因である。実施例12
については、靭性値が硬度の値が19.1GPa、熱伝導度の値が14.38Wm^-1゜K^-1で
あって、熱伝導度のために切削工具インサートとしての
合格ぎりぎりの性能を示している。実施例８と22の組成
は類似しているけれども、実施例22は靭性の基準を満た
していない。マトリックス中の合金の有効含有量が低す
ぎて、満足な切削工具インサートとしての所望の特性を
達成できないものと判断される。前述のデータから理解
できるとおり、創造的合金から作られた切削工具インサ
ートは、適当なマトリックス中に一たん組み込まれれ
ば、一定の最小値を付与される筈である。材料の特性が
これらの最小値以上を示さなければ、その材料は切削工
具インサートとして満足な性能を発揮しないものであ
る。

表‐VIは、実施例1,3,5,19および22に関する切削工具イ
ンサートの試験結果を掲げる。

アルミナと炭化チタンとを含む合金から作られた工業用
材料であって、適格インサートと基準として用いられる
値を示したきた標準的切削工具インサートを表‐VIにお
いて“標準”と名づける。標準インサートよりもすぐれ
た創造的合金インサートの耐久性の改善率は外丸削り試
験において63％に達する。このデータの試験条件は;100
0SFPM（305mPM）、切込み深さ0.075インチ（1.905m
m）、0.010IPR（0.254mmPR）であり、試験はすべて4150
鋼製棒について行なった。データは破損に至るまでの時
間を秒によって表わす。合格した実施例はすべて、標準
よりはるかに長時間持ちこたえた。本発明の目的に対し
て不合格と判明した実施例は、標準とほゞ同じかもしく
は短かい持続時間を示した。

フライス削りすなわち断続切削試験インサートの結果
は、外丸削り試験において観測した結果よりも劇的に進
歩した値を示し、標準よりも平均して300％ほど耐久性
が大きい。衝撃試験はネズミ鋳鉄について行ない、切込
み深さは0.75インチ（1.905mm）、1200SFPM（366mPM）
とし、IPRは前述のとおり0.010IPR（0.254mmPR）から開
始して、５回の切削毎に増大させた。

所要範囲内の靭性化剤をジルコニアに添加して合金を形
成すると、異方性熟膨脹係数、正方晶よび単斜晶の相双
方の格子パラメーター、および合金の正方晶から単斜晶
への相変態に対する化学的駆動力‐ΔＧを変更すること
によって、切削工具組成物の靭性が改善さると推測され
る。これらの変化は変態域を広め、靭性の改善につなが
るという仮説が設けられている。

厳密に証明はできないけれども、セラミックマトリック
ス中に合金を混入させると、異方性熟膨脹係数、正方晶
および単斜晶の相双方の格子パラメーター、および合金
の正方晶から単斜晶への相変態に対する化学的駆動力‐
ΔＧを変更することによって、前述と同じ方式で切削工
具インサート組成物の靭性が改善され、このことはつい
で、より大きい変態域を生じ、それによって靭性が改善
されるものと、本発明者らは想定する。

なお本発明者らは、創造的材料を切削工具インサートと
して用いるときに表明される自然回復の特性は何であろ
うかを観察した。すなわち、最初はインサートの欠損が
多少生じることがあるが、初期の欠損後は余り生じなく
なる。本発明者らは、この現象は、合金の大きい変態域
によって生じた圧縮表面応力の結果であると信じてい
る。

以下、本発明の実施態様を項に分けて記載する。

（１）15GPaをこえる硬度、をこえる靭性および14Wm^-1゜K^-1をこえる熱伝導度を有
し、20〜45重量％のジルコニア合金および55〜80重量％
の硬質耐火セラミックマトリックスから本質的に成るセ
ラミック製切削工具インサートであって、当該合金は、
YNbO₄・YTaO₄・MNbO₄・MTaO₄およびそれらの混合物から
成る群から選ばれた酸化物を基準とする１〜４モル％の
靭性化剤（こゝにＭはMg⁺²,Ca⁺²,Sc⁺³ならびにLa⁺³.Ce
⁺⁴,Ce⁺³・Pr⁺³・Nd⁺³・Sm⁺³・Eu⁺³・Gd⁺³・Tb⁺³・Dy⁺³
・Ho⁺³・Er⁺³・Tm⁺³,Yb⁺³・Lu⁺³およびそれらの混合物
から成る群から選ばれた１種の希土類金属イオンからな
る群から選ばれた、モル基準によってＹ陽イオンを置換
する１種の陽イオンから成るものである）ならびに残部
のジルコニアから本質的に成ることを特徴とするセラミ
ック製切削工具インサート。

（２）当該硬質耐火セラミックマトリックスがアルミ
ナ、Al₂O₃-Cr₂O₃固溶体、シアロン、炭化ケイ素、窒化
ケイ素、炭化チタン、二硼化チタン、炭化ジルコニウム
およびそれらの混合物から成る群から選ばれることを特
徴とする実施態様１記載のセラミック製切削工具インサ
ート。

（３）Cr₂O₃が最大約５モル％の量において存在するこ
とを特徴とする実施態様２記載のセラミック製切削工具
インサート。

（４）耐火セラミックの繊維および／またはウイスカー
の合計を最高35容積％まで含有することを特徴とする実
施態様１記載のセラミック製切削工具インサート。

（５）当該耐火セラミックの繊維および／またはウイス
カーがアルミナ、ムライト、シアロン、炭化ケイ素、窒
化ケイ素、AlN,BN,B₄C,ジルコニア、オキシ炭化ケイ素
およびスピネルから成る群から選ばれることを特徴とす
る実施態様４記載のセラミック製切削工具インサート。

（６）実施態様１ないし５のいずれかの実施態様に記載
のセラミック製切削工具インサートを製造する方法であ
って：（ａ）所定の組成を生じるための比率によって成分を混
合し；（ｂ）この混合物を、切削工具インサートに望ましい形
状に成形し；ついで（ｃ）硬質強靭かつ熱伝導性の本体を生成するために約
1100℃ないし1700℃の温度において当該形成混合物を焼
結することを特徴とする製造方法。

（７）当該混合物が直径50ミクロンをこえる粒子または
粒子集合体を含まないことを特徴とする実施態様６記載
の製造方法。

【図面の簡単な説明】

図面は実施例1,3,5,12,15,22の熱伝導度（Ａ），硬度
（Ｂ）および靭性（Ｃ）の関係を示すグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】15GPaをこえる硬度、をこえる靭性および14Wm^-1゜K^-1をこえる熱伝導度を有
し、20〜45重量％のジルコニア合金および55〜80重量％
の硬質耐火セラミックマトリックスから本質的に成るセ
ラミック製切削工具インサートであって、当該合金は、
YNbO₄・YTaO₄・MNbO₄・MTaO₄およびそれらの混合物から
成る群から選ばれた酸化物を基準とする１〜４モル％の
靭性化剤（こゝにＭはMg⁺²,Ca⁺²,Sc⁺³ならびにLa⁺³・Ce
⁺⁴,Ce⁺³・Pr⁺³・Nd⁺³・Sm⁺³・Eu⁺³・Gd⁺³・Tb⁺³・Dy⁺³
・Ho⁺³・Er⁺³・Tm⁺³,Yb⁺³・Lu⁺³およびそれらの混合物
から成る群から選ばれた１種の希土類金属イオンから成
る群から選ばれた、モル基準によってＹ陽イオンを置換
する１種の陽イオンから成るものである）ならびに残部
のジルコニアから本質的に成ることを特徴とするセラミ
ック製切削工具インサート。
【請求項２】請求項１記載のセラミック製切削工具イン
サートを製造する方法であって：（ａ）所定の組成を生じるための比率によって成分を混
合し；（ｂ）この混合物を、切削工具インサートに望ましい形
状に成形し；ついで（ｃ）硬質強靭かつ熱伝導性の本体を生成するために約
1100℃ないし1700℃の温度において当該形成混合物を焼
結することを特徴とする製造方法。