JPH0789765A - 切削工具用セラミックス材料及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高温特性に優れ、かつ高強度、高靭性の切削
工具用セラミックス材料を提供する。 【構成】 平均粒径０．３μｍ〜５μｍを有する第４ａ
族の硼化物のマトリックスの結晶粒内又は粒界に、粒子
径５００ｎｍ以下のＳｉＣ微粒子を３〜３０体積％分散
させた切削工具用セラミックス材料。硼化物とＳｉＣを
混合して成形した後、真空又は不活性雰囲気中で、１６
００℃以上の温度で焼結する。 【効果】 硼化物マトリックス中にナノサイズのＳｉＣ
微粒子が分散した特殊な組織構造を有するものであり、
破壊強度、破壊靭性等の機械的特性が著しく高い。刃先
との溶着を引き起こし易いアルミニウム合金の切削にお
いては、超硬合金より優れた切削特性を有し、かつ、ダ
イヤモンド焼結体よりも安価に提供される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は特殊な組織構造を有した
切削工具用セラミックス材料及びその製造方法に係り、
詳しくは、アルミニウム合金などの難削材を切削する工
具用材料として有用な高強度、高靭性のセラミックス切
削工具用材料及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】切削工具の最も大きな市場である自動車
関連産業では、環境問題が大きなテーマとなってきてい
る。その中で、軽量化による燃費の低減が最も有効な手
段と考えられ、エンジン部品等のアルミニウム化が急速
に進みつつある。それに伴って、アルミニウム切削技術
の需要も増加している。

【０００３】アルミニウムの切削において、最も大きな
課題は、切れ刃に生じる溶着である。また、アルミニウ
ム切削用工具の特性としては、刃先のシャープさ、面粗
度の良さ等が必要とされる。そのため、鋼等の切削工具
に対して広く採用されているＣＶＤコーティングは、面
粗度が上がらないことから、アルミニウムの加工用工具
には採用されていない。

【０００４】現在、アルミニウム加工分野で、一般的に
使用されている工具材料は、ダイヤモンド焼結体、ＩＳ
Ｏ規格のＫ１０相当の超硬合金である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ダイヤモンド
焼結体製工具は、切削特性は良いが、値段が高いという
欠点がある。一方、超硬合金製工具は、切削抵抗を少な
くし、溶着を防止するために、鋭利な刃先形状にしてい
るが、切削寿命が短いという欠点がある。

【０００６】最近では、アルミニウム合金の中でも、よ
り削り難い高Ｓｉ含有率のアルミニウム合金が多く用い
られる傾向にある。このため、このような難削性のアル
ミニウム合金に対しても、耐摩耗性、耐久性、耐溶着性
に優れ、切削特性に優れた安価な工具用材料の開発が望
まれている。

【０００７】本発明は上記従来の実状に鑑みてなされた
ものであって、高温特性に優れ、かつ高強度、高靭性の
切削工具用セラミックス材料及びその製造方法を提供す
ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１の切削工具用セ
ラミックス材料は、粒子径０．３〜５μｍの結晶粒子を
有する元素周期律表第４ａ族から選ばれる１元素の硼化
物をマトリックスとし、その結晶粒内又は粒界に、平均
粒径５００ｎｍ以下の炭化珪素微粒子を３〜３０体積％
分散させたことを特徴とする。

【０００９】請求項２の切削工具用セラミックス材料
は、請求項１に記載のセラミックス材料において、更に
０．５〜３重量％の炭素を分散させたことを特徴とす
る。

【００１０】請求項３の切削工具用セラミックス材料
は、請求項１に記載のセラミックス材料において、炭素
をＣＶＤコートした硼化物をマトリックスとし、炭素の
含有割合が０．５〜３重量％であることを特徴とする。

【００１１】請求項４の切削工具用セラミックス材料の
製造方法は、請求項１に記載のセラミックス材料を製造
する方法であって、元素周期律表第４ａ族から選ばれる
１元素の硼化物と炭化珪素とを混合して成形した後、真
空又は不活性雰囲気中で１６００℃以上の温度で焼結す
ることを特徴とする。

【００１２】請求項５の切削工具用セラミックス材料の
製造方法は、請求項２に記載のセラミックス材料を製造
する方法であって、元素周期律表第４ａ族から選ばれる
１元素の硼化物と炭化珪素と炭素とを混合して成形した
後、真空又は不活性雰囲気中で１６００℃以上の温度で
焼結することを特徴とする。

【００１３】請求項６の切削工具用セラミックス材料の
製造方法は、請求項３に記載のセラミックス材料を製造
する方法であって、元素周期律表第４ａ族から選ばれる
１元素の硼化物に炭素をＣＶＤコートした後、該硼化物
と炭化珪素とを混合して成形した後、真空又は不活性雰
囲気中で１６００℃以上の温度で焼結することを特徴と
する。

【００１４】なお、本発明において、炭化珪素（Ｓｉ
Ｃ）微粒子の分散割合（体積％）は、マトリックスとＳ
ｉＣとの合計に対する体積％であり、また、炭素（Ｃ）
の含有割合（重量％）は、マトリックスとＳｉＣとの合
計に対する重量％である。

【００１５】以下に本発明を詳細に説明する。

【００１６】本発明の切削工具用セラミックス材料は、
マトリックスとして、結晶粒径０．３〜５μｍ、好まし
くは１μｍ以下の、元素周期律表第４ａ族から選ばれる
１元素の硼化物、即ち、硼化チタン（ＴｉＢ₂ ），硼化
ジルコニウム（ＺｒＢ₂ ），硼化ハフニウム（ＨｆＢ
₂ ）又はＷＢ，Ｗ₂ Ｂ₅ （硼化タングステン）をマトリ
ックスとし、このマトリックスの結晶粒内又は粒界に、
平均粒径が５００ｎｍ以下のＳｉＣ微粒子が３〜３０体
積％均一に分散してなる構造のセラミックス複合材料で
ある。

【００１７】本発明において、ＳｉＣ微粒子の平均粒径
を５００ｎｍ以下とする理由は、マトリックスの結晶粒
内に取り込まれ易いこと、そして、マトリックス中で材
料欠陥となるほどのマイクロクラックが発生しない範囲
であること等による。特に、ＳｉＣ微粒子の平均粒径
は、５０〜３００ｎｍとするのが好ましい。

【００１８】また、ＳｉＣ微粒子の含有割合を３〜３０
体積％とする理由は、焼結時におけるマトリックス粒子
の寸法、形状の制御に効果があり、複合セラミックス焼
結体の組織を均質化して、破壊強度、破壊靭性、硬度及
び高温特性を高める効果が十分に得られるためである。

【００１９】なお、マトリックスである元素周期律表第
４ａ族から選ばれる元素の硼化物の結晶粒径を０．３〜
５μｍにする理由は、得られる材料の特性が高くなるた
めであり、好ましくはこの結晶粒径は０．３〜１μｍで
ある。

【００２０】本発明のセラミックス材料においては、更
に、０．５〜３重量％のＣを分散させることにより、強
度等の向上を図ることができる。このＣの割合は、０．
５重量％未満ではＣを分散させたことによる改善効果が
十分に得られず、３重量％を超えるとかえって焼結性が
悪くなり、強度等を低下させることとなることから、
０．５〜３重量％とするのが好ましい。

【００２１】このＣは、マトリックスを構成する硼化物
粉末にＣＶＤコートすることにより複合させることもで
き、この場合には、Ｃの均一分散性が高まり、より一層
優れた改善効果が得られる。

【００２２】本発明の切削工具用セラミックス材料は、
本発明の方法に従って、好ましくは次のようにして製造
される。

【００２３】即ち、まず、平均粒径５μｍ以下、好まし
くは１μｍ以下の元素周期律表第４ａ族から選ばれる１
元素の硼化物粉末と、或いは、この硼化物粉末にＣをＣ
ＶＤコートしたものと、平均粒径５００ｎｍ以下、好ま
しくは５０〜３００ｎｍのＳｉＣ粉末、更に必要に応じ
て平均粒径０．０１〜１．０μｍのＣ粉末を所定割合で
混合して、所定形状に成形する。得られた成形体は、焼
結温度１６００℃以上、好ましくは１７００〜１８００
℃で焼結する。この焼結温度が、１６００℃未満である
と緻密化が不足し、十分に緻密で高特性の焼結体が得ら
れない。

【００２４】焼結は、不活性雰囲気で常圧焼結、常圧焼
結＋ＨＩＰ（熱間等方圧プレス）処理、或いは、ホット
プレス焼結にて行なうのが好ましい。ＨＩＰを採用する
場合、ガス圧は、広範囲に用いられるが、特に１０００
〜２０００ｋｇ／ｃｍ² が好ましい。

【００２５】

【作用】本発明者等は、後述するように、アルミニウム
合金に対する耐溶着性に着目したセラミックス材種のス
クリーニングを実施した。その結果、元素周期律表第４
ａ族の硼化物セラミックス、ＳｉＣ、炭化硼素（Ｂ₄
Ｃ）が耐溶着性に優れていることを見出した。

【００２６】しかしながら、これらの単相材料では、工
具として必要な特性は不十分であった。そこで、元素周
期律表第４ａ族の硼化物セラミックス（以下、硼化物と
略記）の結晶粒内ないし粒界に分散したＳｉＣに、以下
のような役割を与えることにより、切削工具用材料とし
ての問題点を克服した。

【００２７】即ち、本発明に係わる切削工具用セラミッ
クス材料において、硼化物の結晶粒内ないし粒界に分散
したＳｉＣの役割は、次の通りである。

【００２８】 マトリックスである硼化物の結晶粒内
又は粒界にＳｉＣ微粒子を分散させることで、硼化物と
ＳｉＣの熱膨張係数の差により、マトリックスには引張
応力、分散粒子には圧縮応力が発生し、分散粒子と周囲
のマトリックスに局部的な応力場が形成される。この応
力場により、クラックは、分散粒子の方向に誘導され
て、粒内破壊を生じ、進展するクラックを偏向させる。
また、硼化物の結晶粒子の内部で、ＳｉＣ微粒子にピン
ニングされた転位によって、結晶粒子が細分化された組
織になっている。このようにＳｉＣ微粒子の添加により
発生した応力場による粒内破壊への誘導及びＳｉＣ微粒
子の粒界、粒内でのマトリックスの拡散制御による組織
の微細化によって、破壊強度を改善することができる。

【００２９】 上記応力場によって、高温での硼化物
の強度低下の大きな原因である硼化物結晶粒界のすべり
が抑制されるために、高温強度が改善される。更に、分
散したＳｉＣ微粒子は、高温における硼化物の転位移動
を阻害することにより、キャビテーションを抑制し、硼
化物自身の高温変形も抑制される。また、破壊靭性につ
いても、分散粒子であるＳｉＣの周りに生じた応力場が
クラックを誘導し、クラック進展の経路を偏向すること
により改善される。

【００３０】なお、Ｃの役割は、酸化不純物の還元除去
と、ＳｉＣの添加により可能となった材料組織の制御性
をより高め、更に組織を微細均質化することにより、機
械的特性をより一層改善することにある。

【００３１】

【実施例】以下に本発明をなすに至った実験例並びに実
施例及び比較例を挙げて、本発明を更に詳しく説明する
が、本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例に
限定されるものではない。

【００３２】実験例１ アルミニウム合金に対する耐溶着性に着目したセラミッ
クス材種のスクリーニングを実施した。表１の各セラミ
ックス材種で切削チップ（形状：ＳＰＧＮ１２０３０
８、ホーニングなし）を試作し、下記切削条件でアルミ
ニウム合金を切削した。切削は１分間切削して、溶着が
生じない場合は、更に１分間の切削を繰り返した。比較
のために、ダイヤモンド焼結体、超硬合金、サーメット
を用いて同様に切削を行なった。結果を表１に示す。

【００３３】切削条件（乾式による連続切削） 被削材 ：Ａｌ−Ｓｉ合金（Ａ４０３２） 切削速度 ：４００ｍ／ｍｉｎ． 切込み深さ：０．５ｍｍ 送り量 ：０．１ｍｍ／ｒｅｖ． 表１から明らかなように、アルミニウム合金との耐溶着
性に優れたセラミックス材種は、ＴｉＢ₂ 、ＺｒＢ₂ 、
ＨｆＢ₂ 、Ｗ₂ Ｂ₅ 、ＷＢの硼化物、ＳｉＣ、Ｂ₄ Ｃで
ある。

【００３４】

【表１】

【００３５】実施例１〜１０，比較例１〜７ 実験例１で得られた結果を基に、硼化物にＳｉＣを分散
し、複合化することにより切削工具用材料としての特性
を改善した。以下に、本発明の切削工具用セラミックス
材料及び比較材料の製造方法、得られた材料の機械的特
性及び切削試験の結果を説明する。

【００３６】なお、硼化物には、ＴｉＢ₂ （出光石油化
学社製，平均粒径０．８μｍ）、或いは、ＺｒＢ₂ （日
本新金属社製，平均粒径１．５μｍ）を用い、ＳｉＣに
はイビデン社製ベーターランダムウルトラファイン（平
均粒径２７０ｎｍ）を用いた。また、Ｃとしては三菱化
成社製カーボンブラック（平均粒径３０ｎｍ）を用い
た。硼化物を、分散媒としてエタノールを用いて撹拌ミ
ルで湿式粉砕し、その後、ＳｉＣ、Ｃを表２に記載の配
合割合で添加し、撹拌ミルで１時間湿式混合した。この
混合スラリーをスプレードライヤーで乾燥造粒して原料
粉末とした。なお、実施例３，８においては、ＴｉＢ₂
又はＺｒＢ₂ 、ＣをＣＶＤコートすることにより、Ｃを
配合した。

【００３７】この原料粉末を黒鉛ダイス（内径φ６０ｍ
ｍあるいは１３．５×１３．５ｍｍのものも用いた。）
に充填し、ホットプレス装置（富士電波工業社製）で焼
結した。焼結条件は、焼結温度１７００℃まで昇温させ
た後、１時間保持するものとした。また、プレス圧は３
０ＭＰａとし、真空中で行なった。得られた各種の焼結
体は、切り出し、研削・研摩加工して、ＪＩＳ Ｒ１６
０１に準じた３×４×４０ｍｍの３点曲げ試験片の大き
さとし、破壊強度、破壊靭性を調べ、結果を表２に示し
た。

【００３８】なお、曲げ強度は、３点曲げ試験法によ
り、荷重速度０．５ｍｍ／ｍｉｎ．、スパン長さ３０ｍ
ｍにて測定した。破壊靭性は、５ｋｇ重、保持時間１０
秒で、ＩＦ法により測定した。

【００３９】表２から明らかなように、硼化物に対する
ＳｉＣ添加量３０体積％までは、破壊強度、破壊靭性は
大幅に改善される。これらの材料の組織は、微細で均質
になっており、またＳｉＣのナノ分散の効果が発現でき
ている。一方、ＳｉＣ添加量が３０体積％を超えると材
料の組織制御が困難で、材料組織の特性は僅かしか向上
しない。

【００４０】

【表２】

【００４１】また、上記で得られた１３．５×１３．５
ｍｍの各焼結体を、切削チップ（形状：ＳＰＧＮ１２０
３０８、ホーニングなし）に加工して、アルミニウム合
金（Ａ４０３２）の切削を行なった。切削条件及び切削
方法は、前記の実験例１と同様とした。その結果を表３
に示した。なお、比較例６，７として市販品のダイヤモ
ンド焼結体及び超硬合金についても同様に切削試験を行
なって、結果を表３に併記した。

【００４２】表３から明らかなように、硼化物に対する
ＳｉＣ添加量３０体積％までの材料では、２０分間切削
しても、刃先にアルミニウム合金の溶着は生じなかっ
た。一方、ＳｉＣ添加量が３０体積％を超えた材料で
は、材料の機械的特性が低いために、切削途中より刃先
に著しい摩耗やチッピングが生じ、アルミニウム合金と
の溶着を引き起こした。

【００４３】

【表３】

【００４４】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の切削工具用
セラミックス材料は、硼化物マトリックス中にナノサイ
ズのＳｉＣ微粒子が分散した特殊な組織構造を有するも
のであり、破壊強度、破壊靭性等の機械的特性が著しく
高い。このような本発明の切削工具用セラミックス材料
は、特に刃先との溶着を引き起こし易いアルミニウム合
金の切削においては、超硬合金より優れた切削特性を有
し、かつ、ダイヤモンド焼結体よりも安価に提供され
る。

【００４５】請求項２，３の切削工具用セラミックス材
料では、Ｃの不純物除去及び組織の微細均質化作用によ
り、より一層機械的特性が改善される。

【００４６】請求項４〜６の切削工具用セラミックス材
料の製造方法によれば、このような本発明の切削工具用
セラミックス材料を容易かつ効率的に製造することがで
きる。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 粒子径０．３〜５μｍの結晶粒子を有す
   る元素周期律表第４ａ族から選ばれる１元素の硼化物を
   マトリックスとし、その結晶粒内又は粒界に、平均粒径
   ５００ｎｍ以下の炭化珪素微粒子を３〜３０体積％分散
   させたことを特徴とする切削工具用セラミックス材料。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のセラミックス材料にお
   いて、更に０．５〜３重量％の炭素を分散させたことを
   特徴とする切削工具用セラミックス材料。
3. 【請求項３】 請求項１に記載のセラミックス材料にお
   いて、炭素をＣＶＤコートした硼化物をマトリックスと
   し、炭素の含有割合が０．５〜３重量％であることを特
   徴とする切削工具用セラミックス材料。
4. 【請求項４】 請求項１に記載のセラミックス材料を製
   造する方法であって、元素周期律表第４ａ族から選ばれ
   る１元素の硼化物と炭化珪素とを混合して成形した後、
   真空又は不活性雰囲気中で１６００℃以上の温度で焼結
   することを特徴とする切削工具用セラミックス材料の製
   造方法。
5. 【請求項５】 請求項２に記載のセラミックス材料を製
   造する方法であって、元素周期律表第４ａ族から選ばれ
   る１元素の硼化物と炭化珪素と炭素とを混合して成形し
   た後、真空又は不活性雰囲気中で１６００℃以上の温度
   で焼結することを特徴とする切削工具用セラミックス材
   料の製造方法。
6. 【請求項６】 請求項３に記載のセラミックス材料を製
   造する方法であって、元素周期律表第４ａ族から選ばれ
   る１元素の硼化物に炭素をＣＶＤコートした後、該硼化
   物と炭化珪素とを混合して成形した後、真空又は不活性
   雰囲気中で１６００℃以上の温度で焼結することを特徴
   とする切削工具用セラミックス材料の製造方法。