JPH09110529A

JPH09110529A - 切削工具用セラミックス

Info

Publication number: JPH09110529A
Application number: JP7288036A
Authority: JP
Inventors: Junji Saida; 淳治才田; Yasusuke Tanaka; 庸介田中; Yasushi Tanaka; 康司田中; Norihiko Narutaki; 則彦鳴瀧
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 1995-10-09
Filing date: 1995-10-09
Publication date: 1997-04-28

Abstract

(57)【要約】【目的】Ｎｉ基合金，Ｆｅ基合金等の高速切削に適し
た切削工具を得る。【構成】本切削工具用セラミックスは、４０〜９０体
積％の炭化チタン，５体積％以下の添加剤，残部が実質
的にアルミナの組成をもち、炭化チタンに占めるウイス
カの体積分率が３０％以上である。また、３体積％以下
のイットリア又はマグネシアを配合してもよい。【効果】ウイスカの体積分率が特定された炭化チタン
を配合することにより、切削時にＮｉ基合金，Ｆｅ基合
金等との反応が抑制され、耐摩耗性及び耐境界損傷性に
優れた切削工具が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、特にＮｉ基材料やＦｅ
基材料の高速切削に適した切削工具用セラミックスに関
する。

【０００２】

【従来の技術】Ｎｉ基合金材料の切削には、炭化ケイ素
ウイスカ−強化アルミナセラミックス［Ａｌ₂ Ｏ₃ ／Ｓ
ｉＣ（ｗ）］，窒化ケイ素系セラミックス（Ｓｉ₃ Ｎ
₄ ）等のセラミックス工具が使用されていた。また、５
０体積％以下で炭化チタンを添加したアルミナ系セラミ
ックス（Ａｌ₂ Ｏ₃ ／ＴｉＣ）も、Ｎｉ基合金材料の切
削に使用されている。他方、Ｆｅ基合金材料の切削に
は、炭化ケイ素，サイアロン，アルミナ，超硬合金，酸
化物を添加剤とした炭化物系セラミックス，窒化硼素等
のセラミックス工具が主として使用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】炭化ケイ素ウイスカ−
強化アルミナセラミックス［Ａｌ₂ Ｏ₃ ／ＳｉＣ
（ｗ）］，窒化ケイ素系セラミックス（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）等
のセラミックス工具でＮｉ基合金材料を切削する場合、
切削速度が大きくなるに従って温度が上昇し、被切削材
との反応が促進する結果、工具の摩耗量が急激に増大す
る。したがって、これら切削工具を使用した切削では、
切削速度を遅くすることが必要とされ、切削時間が長く
なることから切削コストの上昇を招く原因となってい
た。他方、Ｎｉ基合金材料との反応性が低い炭化チタン
を含む炭化チタン−アルミナ系セラミックス（Ａｌ₂ Ｏ
₃ ／ＴｉＣ）製の切削工具は、高速切削時に優れた耐摩
耗性を呈するものの、被切削材との境界で被切削材の溶
着・剥離による工具の欠落（チッピング）が生じ、境界
損傷性が悪い。そのため、この系の切削工具では、切削
速度を１００ｍ／分程度に落として切削しているので、
生産性が極めて低くなる。

【０００４】Ｆｅ基合金材料のうち、たとえば球状黒鉛
鋳鉄の切削に使用されているセラミックス工具では、一
般に切削速度を上昇すると、黒鉛球状化剤として含まれ
ているＭｇＯやＣａＯがＡｌ₂ Ｏ₃ と反応し、スピネル
層を形成するといった反応が被切削材との間に起き易
い。また、これ以外のＦｅ基合金においても、高速切削
時にはＦｅＯ等の酸化物と反応し、複合酸化物の形成に
よって工具が弱体化する。これらの反応を抑制するた
め、通常１００ｍ／分程度に切削速度が設定されてい
る。この点、炭化物系セラミックス工具では、被切削材
との反応が抑制されるが、工具の強度や硬度が低いこと
から、十分な工具寿命が得られていない。このように、
Ｎｉ基合金材料やＦｅ基合金材料の高速切削に関しては
多くの問題があり、工業的要求を満足する切削工具は未
だ実用化されていない。しかし、Ｎｉ基合金材料は耐熱
材料として、Ｆｅ基合金材料は高強度材料としての需要
が増加している近年では、これら合金材料を高速切削で
きる切削工具に対する要求が非常に高まってきている。
本発明は、このような要求に応えるべく案出されたもの
であり、Ｎｉ基合金材料及びＦｅ基合金材料に対する反
応性が低い炭化チタンの特性に着目し、炭化チタンの原
料形状及び組成を調整することにより、境界損傷性を改
善し、高速切削に適した切削工具用セラミックスを提供
することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の切削工具用セラ
ミックスは、その目的を達成するため、４０〜９０体積
％の炭化チタン，５体積％以下の添加剤，残部が実質的
にアルミナの組成をもち、炭化チタンに占めるウイスカ
の体積分率が３０％以上であることを特徴とする。ま
た、３体積％以下のイットリア又はマグネシアを配合し
てもよい。本発明においては、Ｎｉ基合金及びＦｅ基合
金との反応性が低い炭化チタンを４０〜９０体積％含ま
せることにより、高速切削時の被切削材と工具との反応
を抑制している。炭化チタンの含有量が４０体積％に満
たないと、従来のセラミックス工具でみられた被切削材
との反応によって工具摩耗量が増大する。逆に９０体積
％を超える炭化チタン含有量では、工具の靭性が劣化
し、チッピング等の欠陥が発生し易くなる。

【０００６】炭化チタン中のウイスカは、境界損傷の原
因である被切削材又は切り屑の凝着や剥離を防止し、更
に工具自体の靭性を高める作用を呈する。このウイスカ
が炭化チタンに占める体積分率を３０体積％以上とする
とき、工具の靭性が改善される結果、チッピングが少な
くなり、工具寿命に悪影響を及ぼす境界損傷が改善され
る。このような作用は、３０体積％以上の体積分率で顕
著に現れる。添加材としては、イットリア，マグネシア
の他にジルコニア，トリア，シリカ等がある。これら
は、５体積％以下の少量の添加であれば、焼結時の炭化
ジタン及びアルミナの粒成長を抑制し、工具自体の靭性
を改善する作用を呈する。しかし、５体積％を超える添
加量では、添加材が成長又は応力集中の起点となるた
め、却って靭性が低下する。

【０００７】イットリア，マグネシアは、工具の靭性改
善に特に顕著な効果を発揮する。その添加量も３体積％
以下において、特に大きな特性改善がみられる。イット
リア，マグネシアによる特性改善は、前述した作用の他
に、残部を占めるアルミナの緻密化を促進させることに
も由来するものと推察される。また、本発明において
は、炭化チタンとの反応性が低く、低温で緻密化し、更
に工具としての靭性を付与する上から、炭化チタン以外
の主原料としてアルミナを使用した。

【０００８】炭化チタンは、粉末状及びウイスカ状で他
の原料と配合され、焼結によって切削工具に製造され
る。このとき使用される炭化チタン粉末は、焼結密度を
向上させるために、１μｍ以下の粒径を持っていること
が好ましい。また、炭化チタンウイスカは、同様な理由
から径の小さいものほど好ましく、中でも長さ／直径の
アスペクト比が１０以上のものが好適である。アルミナ
及び他の原料も、配合原料を均一な組成にし、焼結密度
を向上させるために、１μｍ以下の粒径をもつことが好
ましい。原料粒度が大きく、焼結に支障を来すような場
合、均一混合及び分散の過程で時間を長くとり、配合原
料の粉砕を促進させることができる。更に、必要に応じ
て、原料の流動性を改善するためのステアリン酸，有機
質バインダ等の焼結助剤を添加してもよい。配合原料
は、たとえば有機溶媒中でボールミル等で撹拌及び分散
させた後、溶媒を除去することにより、均一な配合組成
になる。調製された配合原料は、ホットプレスやＨＩＰ
法等によって焼結される。また、特開平５−７０８０４
号公報で紹介されているパルス電流印加等で発生させた
プラズマ現象を利用する焼結法も採用できる。プラズマ
現象を利用する焼結法は、炭化チタンの粒成長を抑制
し、焼結されたセラミックスの靭性を向上させる。

【０００９】

【実施例】

実施例１：ウイスカの体積分率が５０体積％の炭化チタ
ンを種々の配合割合でアルミナと混合し、ホットプレス
法によって１６００℃で焼結し、切削工具を得た。この
切削工具を用いて、インコネル７１８（時効処理材）を
切削速度４００ｍ／分で切削した。切削時間が３０秒に
達した時点で、切削工具の刃先を調べ、逃げ面の平行部
における摩耗幅及び横逃げ面の境界における境界損傷幅
を測定した。摩耗幅は、逃げ面の平行部における摩耗幅
で評価した。摩耗幅及び境界損傷幅の測定結果をアルミ
ナ含有量で整理し、図１及び図２にそれぞれ示す。な
お、比較材として炭化ケイ素ウイスカ−強化アルミナ系
セラミックス［Ａｌ₂ Ｏ₃ ／ＳｉＣ（ｗ）］，窒化ケイ
素系セラミックス（Ｓｉ₃ Ｎ₄）及び炭化チタン添加ア
ルミナセラミックス（Ａｌ₂ Ｏ₃ ／ＴｉＣ）製の切削工
具について、同様な条件下で切削性能を調査した。炭化
チタン添加アルミナセラミックスは、ほぼ球状の炭化チ
タンを５０体積％配合したものを使用した。球状に近い
炭化チタン粉末と炭化チタンウイスカを混合した場合、
Ａｌ₂ Ｏ₃の含有量が１０〜６０体積％，特に１０〜４
０体積％の範囲にあるとき、図１及び図２に示すよう
に、摩耗幅及び境界損傷幅の何れも比較材に比べて大幅
に少なくなっている。このことから、炭化チタン含有量
４０〜９０体積％は、切削工具の耐摩耗性及び耐境界損
傷性を改善する上で有効であることが判る。

【００１０】実施例２：ウイスカの体積分率が種々異な
る炭化チタン５０体積％をアルミナと配合し、実施例１
と同様に焼結法で切削工具を製造した。得られた切削工
具の摩耗幅及び境界損傷幅を、実施例１と同じ条件下で
測定した。測定結果をウイスカの体積分率で整理したと
ころ、図３及び図４に示すように、ウイスカの体積分率
が３０体積％以上になると摩耗幅及び境界損傷幅が低下
した。このウイスカの体積分率と破壊靭性値Ｋ１ｃを焼
結体から切り出した試験片で測定し、ウイスカの体積分
率が破壊靭性値Ｋ１ｃに及ぼす影響を調査した。調査結
果を図５に示す。図３，４の結果から、摩耗幅及び境界
損傷幅は、ウイスカの体積分率が３０％以上で何れも低
下しており、比較材よりも優れた特性を呈していること
が判る。破壊靭性値も、ウイスカの体積分率３０％以
上，好ましくは４０〜８５％の範囲で比較材と同等、或
いは比較材よりも優れた特性を呈していることが判る。

【００１１】実施例３：ウイスカを４０体積％含む炭化
チタン７０体積％とアルミナ３０体積％を配合し、１６
５０℃で焼結して切削工具を製造した。得られた切削工
具により、インコネル７１８（時効処理材）を３０秒間
切削した。そして、切削速度に応じた摩耗幅及び境界損
傷幅を測定した。測定結果を、従来のセラミックス工具
を使用した場合と比較して図６及び図７に示す。図６及
び図７に明らかに示されているように、本発明に従った
切削工具は、特に切削速度が２００ｍ／分を超える高速
切削で、従来の切削工具に比較して摩耗幅及び境界損傷
幅が格段に少なくなっていた。このことから、本発明に
従った切削工具が高速度切削に適していることが確認さ
れる。

【００１２】実施例４：ウイスカを４０体積％含む炭化
チタンに種々の配合割合いで酸化物を配合し、焼結法で
切削工具を製造した。得られた切削工具を使用し、イン
コネル７１８（時効処理材）を切削速度３００ｍ／分で
３０秒間切削した。このときの摩耗幅及び境界損傷幅を
表１に示す。なお、表１では、ウイスカの体積分率が本
発明で規定した範囲を外れる切削工具を比較例として対
比した。また、表２では、イットリア及びマグネシアの
配合割合が本発明で規定する範囲から外れる切削工具の
性能を示した。表１から、何れの酸化物も、比較材に比
べて摩耗幅及び境界損傷幅を減少させる効果があること
が判る。特に、イットリア及びマグネシアの添加が耐摩
耗性及び耐境界損傷性を顕著に改善している。しかし、
過剰にイットリア又はマグネシアを添加すると、表２に
みられるように摩耗幅及び境界損傷幅が却って大きくな
った。

【００１３】

【００１４】

【００１５】実施例５：ウイスカの体積分率が３０体積
％の炭化チタン６０体積％にアルミナ４０体積％を配合
し、焼結法で切削工具を製造した。得られた切削工具を
使用し、１４Ｍｎ−２Ｃｒの高マンガン鋼を切削した。
切削速度と工具寿命との関係を、図８に示す。なお、図
８では、同じ条件下で切削試験した従来の切削工具を比
較例として掲げた。図８からも、本発明に従った切削工
具は、特に２００ｍ／分以上の高速切削で長い寿命を示
すことが判る。

【００１６】実施例６：ウイスカの体積分率が３０体積
％の炭化チタン７０体積％にアルミナ３０体積％を配合
し、焼結法で切削工具を製造した。得られた切削工具を
使用し、球状黒鉛鋳鉄ＦＣＤ４０を切削した。切削速度
と工具寿命との関係を、図９に示す。なお、図９では、
同じ条件下で切削試験した従来の切削工具を比較例とし
て掲げた。図９からも、本発明に従った切削工具は、特
に３００ｍ／分以上の高速切削で摩耗幅が少なく、長い
寿命を示すことが判る。

【００１７】実施例７：ウイスカを４０体積％含む炭化
チタンに種々の配合割合いで酸化物を配合し、焼結法で
切削工具を製造した。得られた切削工具を使用し、球状
黒鉛鋳鉄ＦＣＤ４０を切削速度３００ｍ／分で切削し
た。このときの摩耗幅及び境界損傷幅を表３に示す。な
お、表３では、ウイスカの体積分率が本発明で規定した
範囲を外れる切削工具を比較例として対比した。また、
表４では、イットリア及びマグネシアの配合割合が本発
明で規定する範囲から外れる切削工具の性能を示した。
表３から、何れの酸化物も、比較材に比べて摩耗幅及び
境界損傷幅を減少させる効果があることが判る。特に、
イットリア及びマグネシアの添加が耐摩耗性及び耐境界
損傷性を顕著に改善している。しかし、過剰にイットリ
ア又はマグネシアを添加すると、表４にみられるように
摩耗幅及び境界損傷幅が却って大きくなった。

【００１８】

【００１９】

【００２０】実施例８：ウイスカを４０体積％含む炭化
チタンに種々の配合割合いで酸化物を配合し、焼結法で
切削工具を製造した。得られた切削工具を使用し、焼入
れ鋼を切削速度３００ｍ／分で切削した。このときの摩
耗幅及び境界損傷幅を表５に示す。なお、表５では、ウ
イスカの体積分率が本発明で規定した範囲を外れる切削
工具を比較例として対比した。また、表６では、イット
リア及びマグネシアの配合割合が本発明で規定する範囲
から外れる切削工具の性能を示した。表５から、何れの
酸化物も、比較材に比べて摩耗幅及び境界損傷幅を減少
させる効果があることが判る。特に、イットリア及びマ
グネシアの添加が耐摩耗性及び耐境界損傷性を顕著に改
善している。しかし、過剰にイットリア又はマグネシア
を添加すると、表６にみられるように摩耗幅及び境界損
傷幅が却って大きくなった。

【００２１】

【００２２】

【００２３】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の切削工
具用セラミックスは、ウイスカの体積分率が特定された
炭化チタンをアルミナと配合することにより、特に高速
切削に使用された場合の摩耗幅及び境界損傷幅を低減さ
せている。そのため、従来では難切削材料とされていた
Ｎｉ基合金材料やＦｅ基合金材料の高速切削が可能にな
り、切削工程の生産性が改善される。

【図面の簡単な説明】

【図１】アルミナ含有量が切削工具の摩耗幅に及ぼす
影響

【図２】アルミナ含有量が切削工具の境界損傷幅に及
ぼす影響

【図３】炭化チタン中のウイスカ体積分率が切削工具
の摩耗幅に及ぼす影響

【図４】炭化チタン中のウイスカ体積分率が切削工具
の境界損傷幅に及ぼす影響

【図５】炭化チタン中のウイスカ体積分率が切削工具
の破壊靭性に及ぼす影響

【図６】インコネル７１８を切削したときの切削速度
と摩耗幅との関係を切削工具の材質で対比したグラフ

【図７】インコネル７１８を切削したときの切削速度
と境界損傷幅との関係を切削工具の材質で対比したグラ
フ

【図８】高マンガン鋼を切削したときの工具寿命と切
削速度との関係を切削工具の材質で対比したグラフ

【図９】球状黒鉛鋳鉄を切削したときの工具寿命と切
削速度との関係を切削工具の材質で対比したグラフ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鳴瀧則彦広島県東広島市鏡山１−４−１

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】４０〜９０体積％の炭化チタン，５体積
％以下の添加剤，残部が実質的にアルミナの組成をも
ち、炭化チタンに占めるウイスカの体積分率が３０％以
上である切削工具用セラミックス。
【請求項２】４０〜９０体積％の炭化チタン，３体積
％以下のイットリア及び／又はマグネシア，残部が実質
的にアルミナの組成をもち、炭化チタンに占めるウイス
カの体積分率が３０％以上である切削工具用セラミック
ス。