JPH0791122B2 - 切削工具用のタフネス強化セラミック材料 - Google Patents

切削工具用のタフネス強化セラミック材料

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JPH0791122B2 JP63128588A JP12858888A JPH0791122B2 JP H0791122 B2 JPH0791122 B2 JP H0791122B2 JP 63128588 A JP63128588 A JP 63128588A JP 12858888 A JP12858888 A JP 12858888A JP H0791122 B2 JPH0791122 B2 JP H0791122B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は切削工具材料、特に別異のタフネス強化添加物
の利用によって優れたタフネスを発揮する切削工具用の
セラミック材料を提供することにある。
金属を切削する工具はダイナミックな破壊応力と温度を
被る。切刃が工作中に被る条件は厳しく、チップが工具
のレーキ面に150MPaに近い圧力で且つ０〜1000m/分の範
囲の相対速度で接触するときに1000℃をしばしば越える
工具面温度となる。この切削工具インサートには温度と
応力の急勾配が存在する。上記のようなダイナミックな
条件の結果として、幾つかの破損メカニズムが同時に働
く。しかし、所定の切削データを見る限り、１つの破損
メカニズムが通常支配的であり、これが工具破損をもた
らしている。
〔発明の目的〕
本発明の目的は幾つかの破損メカニズムに抗する良好な
抵抗のユニークな組合せを有する切削工具材料を得るこ
とにある。
切削工具材料のこれまで知られているタフネス強化メカ
ニズムは:i）セラミック母材中に分散したZrO2粒子の相
変換を利用した交換タフネス強化（この種の材料はUSP
4,218,253（米国特許）に記載されている。）;ii）USP
4,543,345に記述のように母材中において小径（代表的
には0.6μｍ）で高アスペクト（aspect）比の高強度単
結晶ウイスカーのブリッヂ効果（bridging effect）を
利用したウイスカー強化；及びUSP4,657,877に記述のよ
うにZrO2を小径SiCウイスカーの組合せ効果を包含して
いる。
ZrO2とウイスカーの両効果はある種の金属の切削におい
てタフネス挙動を実質的に向上させてきた。しかし、切
削工具特性の一層の向上をめざした研究はその後も続け
られている。
本発明の基本目的は公知のものよりも広い用途があり且
つタフネス挙動が向上した材料を提供することにあり、
これは幾つかのタフネス強化メカニズムの同時作用によ
って達成される。別異の工作実用試験により、最大工具
寿命が特定作業のための強化添加物の単結晶サイズと形
状（geometry）に依存していることが判明した。従っ
て、従前の特別の材料では最適用途領域が相対的に狭
い。サイズと形状に関して異なる幾つかのクラスの強化
単結晶を添加することにより、用途の範囲を拡大し得る
だけでなく、工具寿命の向上が実現されるという驚くべ
き事実がいまや判明した。
〔発明の構成、作用効果〕
本発明は、先行技術材料よりも工具寿命が長期化；且つ
用途範囲が拡大する点に効用しての特徴があるウイスカ
ー含有タフネス強化セラミック切削工具材料の製造に関
する。この材料の組成はAl2O3やSi3N4基の母材と異なる
形状とサイズの35w.t.％までの単結晶或いはウイスカー
を含んで成る。好ましくは充分な濃度の不安定及び／或
いは部分的安定なジルコニア（アルミナ基母材中に好ま
しくは３〜20w.t.％、最も好ましくは５〜15w.t.％、或
いは窒化シリコン基母材中に最大10w.t.％）は上述の添
加物の１つのみを用いて得られるものよりも金属切削用
途のより広い範囲で組成物のタフネス挙動を高める。ア
ルミナ基母材は更にCr2O3として総量１〜20w.t.％に相
当する量のクロムを含み得る。ウイスカー或いは単結
晶、好ましくはSiCのウイスカーを本発明では用いる
が、これは単結晶構造のものであり、母材中に存在し得
る異なる形状とアスペクト比（長／径又は直径／厚さ）
に特徴のある三種のタイプに区分けされる。この内少く
とも二種のタイプが夫々少くとも5w.t.％の割合で含ま
れる。
（ｉ）１μｍより小なる、好ましくは0.6μｍの直径で
且つ15〜150のアスペクト（aspect）比（長さ／直径）
を有する平均直径が１μｍより小さい相対的に細い単結
晶フアイバー （ii）１〜６μｍ、好ましくは３〜４μｍの直径で且つ
５〜100のアスペクト比（長さ／直径）を有する平均直
径が１μｍより大きい相対的に太い単結晶フアイバー （iii）５〜50μｍ、代表的には20μｍの相当直径（デ
イスクと同じ面積の円の仮想円）と５〜50、代表的には
10〜20のアスペクト比（直径／厚さ、即ち上記相当直径
とデイスク厚の比）を有する単結晶デイスク（disk） この発明に係る材料の組成は更に、ある種の金属切削用
途で有利な熱間硬度と熱伝導性を増大させるために耐熱
窒化物や炭化物を更に含み得る。
本発明によれば、上記構成の切削工具用のセラミック材
料において、細い単結晶フアイバー（ｉ）と太い単結晶
フアイバー（ii）の二種のタイプのみがタフネス強化ウ
イスカーとして添加されている場所には、全フアイバー
ウイスカーの平均長さが20μｍより大きく、50μｍより
小さいことを特徴とする。
〔実施例〕
例１ 切削工具材料は下記の原料から調製された。
A.グレンサイズ≦１μｍのアルミナ B.平均直径0.6μｍと平均アスペクト比60を有するSiC単
結晶（フアイバー）：平均フアイバー長（0.6μｍ×6
0）は36μｍ C.平均直径４μｍと平均アスペクト比10を有するSiC単
結晶（フアイバー）：平均フアイバー長（４μｍ×10）
は40μｍ D.平均相当直径20μｍとアスペクト比10を有するSiC単
結晶（デイスク） E.グレンサイズ＜２μｍのZrO2 SiC単結晶はアルミナ粉末に分散して湿式ミル処理を施
こし、得られた混合物を次に乾燥してから1725℃で60分
間ホットプレスした。次いでZrO2を添加して1650℃で60
分間ホットプレスして理論密度の99.6％に焼結した。得
られた組成物バリアントは表１に示される。
上記例のバリアント６では全フアイバーの平均長は36μ
ｍと40μｍの間の値になっているが、一般的には平均フ
アイバー長は20μｍより大きく、50μｍより小さい値の
範囲が好ましい。
例２ 例１の材料から調製して成る切削インサートSNGN120412
を用いて高タフネスを要求する断続切削加工として鋳鉄
SS0125に対する適用試験を行った。
表２に示す通り、異なる切削条件での工具寿命のランク
付けが得られた。
上記結果は、本発明に係わるバリアント4,5及び６が多
重タフネス強化メカニズムを利用して先行技術バリアン
トより優れていることを示している。
例３ 例２によって製造されたインサートSNGN120412を、高度
の摩耗抵抗を求める鋳鉄SS0125の連続施削加工（700m/
分の切削速度と0.3mm/回転の送り速度）で試験した。相
対工具寿命ランクは表３に示される。
この結果は、ZrO2の添加によるタフネスの向上が摩耗抵
抗を減じる結果をもたらしていることを示している。

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】窒化シリコン或いはアルミナの母材に６μ
    ｍ以下の直径を有する単結晶フアイバーのウイスカーを
    均質に分散させて成るウイスカー含有セラミック材料に
    おいて、 該材料が該フアイバーウイスカーに加えて５−50μｍの
    相当直径と５−50のアスペクト比（直径／厚さ）を有す
    る単結晶デイスクのウイスカーを均質分散状に含み、ウ
    イスカー総含有量が最大35w.t.％であって、デイスクウ
    イスカー含有量が少なくとも5w.t.％であることを特徴
    とする切削工具用のタフネス強化セラミック材料。
  2. 【請求項２】（ｉ）１μｍより小なる直径と15〜150の
    アスペクト比を有する平均直径が１μｍより小さい相対
    的に細い単結晶フアイバー；及び （ii）１〜６μｍの直径と５〜100のアスペクト比を有
    する平均直径が１μｍより大きい相対的に太い単結晶フ
    アイバー、 の２種のフアイバー（i,ii）の内少なくとも１種を、該
    フアイバーウイスカーとして、各々少なくとも5w.t.％
    だけ含有することを特徴とする特許請求の範囲第１項に
    記載のセラミック材料。
  3. 【請求項３】窒化シリコン或いはアルミナの母材に６μ
    ｍ以下の直径を有する単結晶フアイバーのウイスカーを
    均質に分散させて成るウイスカー含有セラミック材料に
    おいて、ウイスカー総量が最大35w.t.％であって、 （ｉ）１μｍより小なる直径と15〜150のアスペクト比
    を有する平均直径が１μｍより小さい相対的に細い単結
    晶フアイバー；及び （ii）１〜６μｍの直径と５〜100のアスペクト比を有
    する平均直径が１μｍより大きい相対的に太い単結晶フ
    アイバー、 の２種のフアイバーウイスカー（i,ii）を各々少なくと
    も5w.t.％だけ含有し、且つ全フアイバーウイスカーの
    平均長さが20μｍより大きく、50μｍより小さいことを
    特徴とする切削工具用のタフネス強化セラミック材料。
  4. 【請求項４】細いフアイバーウイスカー（ｉ）が約0.6
    μｍの平均直径と約60の平均アスペクト比（長さ／直
    径）を有し、太いフアイバーウイスカー（ii）が約４μ
    ｍの平均直径と約10の平均アスペクト比（長さ／直径）
    を有する、特許請求の範囲第３項に記載のセラミック材
    料。
  5. 【請求項５】アルミナ基母材が更に３〜20w.t.％のジル
    コニアを含んでいることを特徴とする特許請求の範囲第
    １項−第４項のいづれか１項に記載のセラミック材料。
  6. 【請求項６】アルミナ基母材が更にCr2O3として総量１
    〜20w.t.％に相当するクロムを含んでいることを特徴と
    する特許請求の範囲第５項に記載のセラミック材料。
  7. 【請求項７】窒化シリコン基母材が更に10w.t.％より小
    なるジルコニアを含んでいることを特徴とする特許請求
    の範囲第１項−第４項のいづれか１項に記載のセラミッ
    ク材料。
  8. 【請求項８】ウイスカーの材料が炭化シリコンであるこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第１項−第７項のいづれ
    か１項に記載のセラミック材料。
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