JPH10265263A - 高速切削性に優れた切削工具用セラミックス及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 主として鉄基合金用の高速切削用セラミック
ス工具の特性・性能を向上させる。 【解決手段】 炭化チタンのウィスカ粉末の体積分率が
２０〜８０％の炭化チタン粉末の表面に、３〜３５％の
ニッケル、コバルト、チタン又はそれらの元素を主たる
成分とする合金で被覆して焼結する。 【効果】 切削時に被切削材との反応性を抑制し、耐摩
耗性及び耐境界損傷性に優れ、靭性も十分であり、工具
寿命を改善し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、鉄基合金等の高速切削
に適する切削工具用セラミックス及びその製造方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】鉄基合金の高速切削用工具としては、炭
化ケイ素系ウィスカで強化したアルミナセラミックス、
窒化ケイ素系セラミックス、炭化チタン添加アルミナセ
ラミックス、立方晶窒化ホウ素、サイアロン等のセラミ
ックスが従来使用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このようなセラミック
スのうち、酸化物系セラミックス工具が最も多く使用さ
れている。しかし、たとえば球状黒鉛鋳鉄等を酸化物含
有セラミックス工具で切削する際に切削速度を高く設定
すると、黒鉛球状化剤として被切削材に含まれている酸
化マグネシウムや酸化カルシウムが切削工具に含まれて
いるアルミナ等の酸化物と反応することがある。反応の
結果、スピネル層が形成され、高速切削での工具損傷が
非常に大きくなる嫌いがある。窒化物系セラミックス工
具では、ステンレス鋼や高マンガン鋼等を切削する場合
に鋼中のニッケルやマンガン及びそれらの酸化物又は化
合物と反応が起きるため、同様に高速切削には適さなか
った。高速切削は切削速度が一般に１００〜３００ｍ／
分程度であるが、上のような障害のために、生産性がな
かなかあがらないという支障をきたしている。

【０００４】このように、鉄基合金の高速切削に関して
は多くの問題があり、満足できる切削工具は未だ完全に
は実用化されていない。しかし、鉄基合金材料は各種高
強度材料として需要が増大している近年、鉄基合金材料
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、反応性が低くまた耐摩耗性に優れ
る炭化チタンの特性に着目し、炭化チタン粉末の原料形
状ならびに表面処理により焼結性、靭性及び耐摩耗性を
改善し、高速切削に適した切削工具用セラミックスを供
給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、体積分率で２０
〜８０体積％の炭化チタンのウィスカ粉末を含み、且つ
３〜３５重量％の割合で金属又は合金で被覆された炭化
チタン粉末の焼結体からなることを特徴とする。炭化チ
タン粉末を被覆する金属又は合金としては、ニッケル、
コバルト、チタン又はこれらの合金がある。この切削工
具用セラミックスは、炭化チタンのウィスカ粉末を含
み、金属又は合金で被覆された炭化チタン粉末を、被覆
した金属又は合金の融点をＴ_m （℃）とするとき、（Ｔ
_m −２００）℃以上の温度で焼結することにより製造さ
れる。炭化チタン粉末を金属又は合金で被覆する方法と
しては、粉末スパッタリング法を使用し、Ｘ線回折パタ
ーンの半値幅からシェラーの式で計算される結晶粒子径
が６０ｎｍ以下の被覆層が形成されるように調整するこ
とが好ましい。

【０００６】

【実施の態様】本発明においては、鉄基合金との反応性
が低い炭化チタン粉末を主たる成分とすることにより、
被切削材との反応を抑制すると共に、炭化チタン粉末を
金属又は合金で被覆することによって焼結性と靭性を改
善し、耐摩耗性を向上させている。炭化チタン粉末は、
球状及びウィスカ状のものが使用され、焼結によって切
削工具に製造される。炭化チタンの球状粉末は、焼結密
度を向上させるために１μｍ以下の粒径が望ましい。炭
化チタンのウィスカ粉末も、同様の理由から径の小さい
ものほど好ましく、直径が０．１μｍ以下で、長さ／直
径の比（アスペクト比）が１０倍以上のものが好適であ
る。炭化チタン粉末中に含有される炭化チタンのウィス
カ粉末は、境界損傷の原因である被切削材又は切り屑と
の凝着を抑制し、工具自体の靭性を向上させる作用を呈
する。

【０００７】炭化チタンのウィスカ粉末が炭化チタン粉
末に占める体積分率を２０〜８０体積％としたとき、工
具の靭性が改善され、欠落（チッピング）といった障害
が少なくなる。炭化チタンのウィスカ粉末の体積分率が
２０体積％より少ないと焼結して得られる切削工具の靭
性が劣り、逆に８０体積％より多いと焼結密度が減少す
ることにより強度が低下し、ともに切削工具の損傷が大
きくなり、寿命が低下する。特に、炭化チタンのウィス
カ粉末の体積分率が２０〜５０体積％のときに耐摩耗性
が顕著に向上する。炭化チタン粉末の原料表面に、焼結
炭化チタンの短所である脆性を改善するため、３〜３５
重量％の金属又は合金を被覆する。焼結時には金属又は
合金被覆層がバインダーとして作用し、焼結体の強度、
靭性を向上させることができる。金属被覆層が３重量％
より少ないときには、焼結体の靭性が上がらず、欠落等
の障害が発生し易い。金属被覆層が３５重量％より多い
場合、耐摩耗性が劣り、摩耗幅が増大すると共に、被切
削材との反応が起こりやすくなる。被覆金属の割合が５
〜２０重量％であるとき、特に耐摩耗性及び靭性が良好
で、切削工具として好ましい。

【０００８】金属又は合金被覆層は、下地である炭化チ
タン粉末との密着性が良く、炭化チタン粉末の表面を均
一に被覆していることが望ましい。被覆する金属とし
て、高温まで安定で反応性の少ないもので、炭化チタン
中にわずかに固溶し高い密着性を有するものが望まし
い。具体的には、ニッケル、コバルト、チタン或いはこ
れらの元素を主たる成分とする合金等である。被覆方法
としては、溶液中でのめっき法の他、スパッタリング等
の物理蒸着法などがある。被覆はできるだけ均一に炭化
チタン粉末表面を覆っている方が望ましい。また、被覆
層の不純物や酸化皮膜の状態によっても焼結性は大きく
影響される。これらを勘案して、金属又は合金の被覆方
法としてはスパッタリング法が最も適している。

【０００９】粉末にスパッタリング法で金属被覆するに
は、発明者らが既に出願した特開平２−１５３０６８号
公報に記載された方法により、好適に実施される。焼結
体の特性は、炭化チタン粉末表面を覆う金属又は合金の
被覆率に大きく影響される。スパッタリング法で金属被
覆する場合には、結晶粒子径が小さくなるほど、金属又
は合金で被覆される面積が大きくなる。焼結した際、炭
化チタン粒子間に被覆金属又は被覆合金を均一分布させ
るためには、結晶粒子径が６０ｎｍ以下の被覆粉末を使
用することが好ましい。炭化チタン粒子間に被覆金属又
は被覆合金が均一に分布していると、炭化チタン粒子相
互が直接に結合する割合が低下し、得られる焼結体の靭
性が向上する。結晶粒子径は、Ｘ線回折パターンの半値
幅からシェラーの式で計算される。結晶粒子径の計算式
（シェラーの式）は以下の通りである。 Ｄ＝ｋ×λ／（β×ｃｏｓθ） Ｄ：結晶粒子径（Å） ｋ：定数（＝０．９） λ：測定Ｘ線の波長（Å） β：回折線の拡がり（半値幅）（ラジアン） θ：回折線のブラッグ角（ラジアン）

【００１０】炭化チタン粉末を金属又は合金で被覆する
手段に粉末スパッタリング法を採用すると、粉末に対す
る被覆量を容易に調整できる。粉末スパッタリング法で
は、たとえば、図７に示す設備構成の装置が使用され
る。この粉末スパッタリング装置においては、回転ドラ
ム１を２本のロール２で支持し、一方のロール２をモー
タ３で回転させる。回転ドラム１の内部には、２個のス
パッタリング源４が配置されており、投入した炭化チタ
ン粉末５にスパッタリングされる。回転ドラム１の上方
には、外周に加熱コイル６を備えた減圧処理室７が配置
されており、減圧処理室７の底部がバルブ８を備えた供
給管９を介して回転ドラム１に接続されている。供給管
９は、バルブ８より下側の部分でＡｒガス導入管１０が
内部に挿入された二重管構造になっており、側面から回
転ドラム１の内部に挿入され、先端が回転ドラム１の底
部に延びている。また、バルブ８より下側で供給管９に
分岐管１１が取り付けられており、分岐管１１の先端が
流体ジェットミル１２に接続されている。流体ジェット
ミル１２の出側は、循環管１３を経て減圧処理室７の上
部に接続されている。分岐管１１、循環管１３にバルブ
１４、１５が挿入されており、循環管１３には固気分離
装置１６が接続されている。

【００１１】回転ドラム１内でスパッタリングにより金
属被覆された炭化チタン粉末５は、分岐管１１、循環管
１３から減圧処理室７に送られ、所定厚みの皮膜が形成
されるまでスパッタリング処理に繰返し供される。所定
の厚みをもつ皮膜が形成された炭化チタン粉末５は、固
気分離装置１６で回収される。炭化チタン粉末原料は、
ホットプレスや熱間等方静水圧プレス等の方法により焼
結される。この際原料の焼結性を改善するために、ステ
アリン酸、有機バインダー、アルミナ等の酸化物等の焼
結助剤を必要に応じて添加してもよい。また、特開平５
−７０８４号公報等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方法も採用で
きる。プラズマ現象を利用する焼結方法は、焼結時間が
短いため、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効果を持つ。

【００１２】焼結過程においては、表層被覆金属同士が
十分に接合する必要があるため、被覆した金属又は合金
の融点より２００℃低い温度以上の温度で焼結する。
（Ｔ_m−２００）℃未満の焼結温度ではセラミックス切
削工具としての耐摩耗性と靭性が不足する。焼結温度を
被覆材の融点近傍とする場合の焼結時間は、およそ数分
〜１０分程度である。焼結体の強度を上げるため焼結時
には加圧する方が望ましい。

【００１３】

【実施例】

（実施例１）種々の体積分率の炭化チタンのウィスカ粉
末を含有する炭化チタン粉末にニッケルを１０重量％被
覆し、ホットプレス法によって５００ｋｇｆ／ｃｍ² の
圧力で、１０分間、１４００℃で焼結し、さらに熱間静
水圧プレスによって２０００ｋｇｆ／ｃｍ² 、１４００
℃、１０分間焼結した。得られた焼結体を切削工具に加
工して、高マンガン鋼（１４Ｍｎ−２Ｃｒ）を切削速度
２００ｍ／分で切削した。この場合の混合される炭化チ
タンのウィスカの割合（体積％）と摩耗幅（逃げ面平行
部摩耗幅で評価）との関係を図１に示す。なお比較材と
して、炭化チタン添加アルミナセラミックス（炭化チタ
ン含有率が５０体積％で、アルミナ及び炭化チタン粉末
の形態は球状に近い。Ａｌ₂ Ｏ₃ ／ＴｉＣと表示）を用
いた。比較材の結果も図１中に示す。図１から、炭化チ
タンのウィスカ粉末の体積分率２０〜８０体積％の範囲
で摩耗幅が比較材より小さくなっていることが判る。ま
た、耐摩耗特性は、混合する炭化チタンのウィスカ粉末
が２０〜５０体積％の範囲で特に耐摩耗性が向上してお
り、切削工具の耐摩耗性を改善させる上で有効であるこ
とが判る。

【００１４】（実施例２）炭化チタンのウィスカ粉末の
体積分率を３０体積％とした炭化チタン粉末にニッケル
を２０重量％被覆し、種々の焼結温度でホットプレス法
により焼結した。圧力は７００ｋｇｆ／ｃｍ² 、時間は
１０分である。またこの予備焼結体をホットプレスと同
じ温度で２０００ｋｇｆ／ｃｍ² 、１０分間、熱間静水
圧プレスによって追焼結した。なお、被覆したニッケル
の融点は約１４５０℃である。得られた焼結体を切削工
具に加工して、高マンガン鋼を切削速度３００ｍ／分で
切削した。比較材は実施例１と同じである。焼結温度と
焼結体の破壊靭性値（Ｋ_lc）及び摩耗幅との関係を図２
及び図３にそれぞれ示す。図２及び図３から、破壊靭性
値及び摩耗幅は焼結温度が１２５０℃以上で、すなわ
ち、被覆金属の融点の−２００℃の温度以上で、比較材
よりも優れた特性を示していることが判る。さらに焼結
温度が被覆金属の融点の−１００℃〜＋１００℃の温度
範囲で特に両特性が優れていることが判る。

【００１５】（実施例３）炭化チタンのウィスカ粉末の
体積分率が４０体積％である炭化チタン粉末の表面にニ
ッケルを被覆し、１４００℃、６００ｋｇｆ／ｃｍ² 、
３０分間のホットプレス焼結と、同じ温度で２０００ｋ
ｇｆ／ｃｍ² 、１０分間熱間静水圧プレスで焼結し切削
工具を製造した。高マンガン鋼を切削速度３００ｍ／分
で切削した。炭化チタン表面被覆量と切削工具の摩耗幅
との関係を図４に示す。また評価方法及び比較材は実施
例１と同じである。図４から、炭化チタン粉末への金属
被覆量は３〜３５重量％の範囲で比較材よりも耐摩耗性
が優れていることが判る。この特性は、特に表面被覆金
属の重量パーセントが５〜２０％の範囲で顕著に優れて
いる。

【００１６】（実施例４）炭化チタンのウィスカ粉末の
体積分率を変化させて含有した炭化チタン粉末の表面に
種々の金属及び合金の種類と量とを変えて被覆した後、
被覆金属及び合金の融点を焼結温度とするプラズマ現象
を利用した焼結法で５００ｋｇｆ／ｃｍ²で５分間焼結
し、加工して切削工具を製造した。得られた切削工具で
オーステナイト系ステンレス鋼を３００ｍ／分の切削速
度で切削したときの、被覆金属の種類ならびに被覆量と
摩耗幅及び境界損傷幅（横逃げ面境界摩耗幅で評価）と
の関係を表１に示す。また、実施例１と同じ比較材での
結果を併せて示す。表１から、いずれの被覆金属におい
ても比較材に比べて摩耗幅ならびに境界損傷幅を減少さ
せる効果があることが判る。特に被覆金属として、ニッ
ケル、コバルト、チタンならびにそれらを主たる成分と
する合金において、顕著な効果が認められる。

【００１７】

【００１８】（実施例５）炭化チタンのウィスカ粉末の
体積分率が２５体積％の炭化チタン粉末の表面に、ニッ
ケルを１０重量％被覆した粉末を用いて、プラズマ放電
焼結法で焼結して製造した切削工具を用いて、球状黒鉛
鋳鉄（ＦＣＤ４０）及び焼き入れ鋼を、切削速度を変え
て、切削加工した。比較材は実施例１と同じである。切
削速度と切削工具寿命との関係を図５に示す。図５か
ら、特に切削速度２００ｍ／分以上の高速切削におい
て、比較材よりも顕著に切削工具寿命が改善できること
が判る。

【００１９】（実施例６）炭化チタンのウィスカ粉末の
体積分率が２５体積％の炭化チタン粉末の表面に、溶液
中での電気めっき法、真空蒸着法、スパッタリング法の
３種類に被覆方法を変えて、ニッケルを７重量％被覆し
た。金属被覆した粉末を用いて、１３５０℃の焼結温度
で実施例２と同じ方法によって焼結し、加工して得た切
削工具を用いて、焼き入れ鋼を切削速度２５０ｍ／分で
切削加工した。表２に結果を示す。表２から、被覆方法
が特にスパッタリング法であるとき最も工具寿命が永い
ことが判る。

【００２０】

【００２１】（実施例７）炭化チタンのウィスカ粉末の
体積分率が２５体積％の炭化チタン粉末の表面に、ニッ
ケル−５０原子％チタンの合金をスパッタリング法で５
重量％被覆した。金属被覆した粉末を用いて、１２５０
℃の焼結温度で実施例２と同じ方法によって焼結し、加
工して得た切削工具を用いて、焼き入れ鋼を切削速度は
２５０ｍ／分で切削加工した。状態図から判断されるニ
ッケル−５０原子％チタン合金の融点は１３１０℃であ
る。切削工具の寿命と金属被覆層の結晶粒子径との関係
を図６に示す。図６から、結晶粒子径が６０ｎｍ以下で
ある場合に切削工具寿命が向上できることが判る。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の切削工具
用セラミックスは、炭化チタンのウィスカ粉末の体積分
率が特定された炭化チタン粉末の表面に金属又は合金を
被覆し、焼結することにより、特に鉄基合金を高速切削
加工した場合の摩耗幅や境界損傷幅を低減させ、耐摩耗
性を改善できると共に、耐欠損性を向上させ、工具寿命
を延ばすことができる。そのため、従来では高速切削が
短時間しか続かなかった鉄基合金材料の高速切削加工が
充分に可能になる結果、生産性を高めることができ、広
範囲な工業分野に応用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 炭化チタン中の炭化チタンのウィスカの体積
％と摩耗幅との関係

【図２】 焼結温度と焼結体の破壊靭性値との関係

【図３】 焼結温度と摩耗幅との関係

【図４】 炭化チタン表面の金属被覆量と摩耗幅との関
係

【図５】 切削速度と切削工具の寿命との関係

【図６】 被覆金属層の結晶粒子径と切削工具の寿命と
の関係

【図７】 炭化チタン粉末表面に金属又は合金をコーテ
ィングする粉末スパッタリング装置

【符号の説明】

１：回転ドラム ２：ロール ３：モータ ４：
スパッタリング源 ５：炭化チタン粉末 ６：加熱コイル ７：減圧処
理室 ８：バルブ ９：供給管 １０：Ａｒガス導入管 １１：分岐管
１２：流体ジェット ミル １３：循環管 １４、１５：バルブ １
６：固気分離装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 竹島 鋭機 千葉県市川市高谷新町７番１号 日新製鋼 株式会社技術研究所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 体積分率で２０〜８０体積％の炭化チタ
   ンのウィスカ粉末を含み、且つ３〜３５重量％の割合で
   金属又は合金で被覆された炭化チタン粉末の焼結体から
   なる高速切削性に優れた切削工具用セラミックス。
2. 【請求項２】 炭化チタン粉末がニッケル、コバルト、
   チタン又はこれらの合金で被覆されている請求項１記載
   の高速切削性に優れた切削工具用セラミックス。
3. 【請求項３】 体積分率で２０〜８０体積％の炭化チタ
   ンのウィスカ粉末を含み、且つ３〜３５重量％の割合で
   金属又は合金で被覆された炭化チタン粉末を、被覆した
   金属又は合金の融点をＴ_m （℃）とするとき、（Ｔ_m −
   ２００）℃以上の温度で焼結することを特徴とする高速
   切削性に優れた切削工具用セラミックスの製造方法。
4. 【請求項４】 Ｘ線回折パターンの半値幅からシェラー
   の式で計算される結晶粒子径が６０ｎｍ以下の被覆層を
   有する被覆粉末が形成されるように、スパッタリング法
   により炭化チタン粉末を金属又は合金で被覆する請求項
   ３記載の高速切削性に優れた切削工具用セラミックスの
   製造方法。