JPS6330378A - 切削工具用セラミックス焼結体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、酸化アルミニウムを主体とする母材中に繊
維状炭化硅素結晶を均質に分散含有させることにより、
とくに耐欠損性を向上させた酸化アルミニウム基の切削
工具用セラミックス焼結体に関するものである。

（従来技術） 従来、鋼および鋳鉄の高速連続旋削用の切削工具として
、ＭｇＯを０．１〜１重量％程度添加した酸化アルミニ
ウム基焼結体（いわゆる白セラミックス）あるいはＴｉ
Ｃ等の炭化物粒子を１０〜４０重量％程度添加した酸化
アルミニウム塁焼結体（いわゆる黒セラミックス）が広
く実用化されている。

また最近、特開昭５９−１０２８６１号公報において、
ＩＩ族、ＩＩＩ族またはＩＶ族元素の酸化物を母材とし
、１０Ω−ｃｍ以下の比抵抗を有するセラミックスであ
ってセラミックス中に全ｍｌに対して５〜５０重け％の
範囲内で１１維状炭化硅素結晶を分散含有させたことを
特徴とする放電加工可能な炭化硅素複合酸化物セラミッ
クスが提案されている。

しかしながら、前述の白セラミックスは連続旋削加工用
という限定された用途でしか使用することができない。

その原因はその破壊強度および破壊靭性が低いために耐
欠損性の不足を沼くからである。したがって、断続切削
加工やフライス切削加工等の熱的、機械的衝撃の加わる
使用条件では刃先が欠損しやすいという欠点がある。こ
のような性質が現れるのは、酸化アルミニウムリセラミ
ックスが一般に脆性材料であるために熱的、機械的衝撃
および応力により刃先の一部に微小亀裂が生じやすく、
また−旦亀製が生じた場合、亀裂先端に応力が集中し、
−気に破壊へと伸展するためである。

この欠点を解消するために、酸化アルミニウム基セラミ
ックスにＴＩＣ等の炭化物粒子を１０〜４０重間％添加
、含有させることにより組織微細化による強度向上効果
および亀裂先端の破壊エネルギーの増大によるｆｆｉ　
Ｍ向上効果をねらいとした、いわゆる黒セラミックスが
提案された。これにより断続旋削加工やフライス切削加
工での使用が一部可能となり、酸化アルミニウム基セラ
ミックス工具の用途拡大が図られた。

しかしながら、最近の傾向として、加工コストの低減を
図るため、ざらに高速、高送り条件での断続旋１’ｌｌ
ｌ加工やフライス切ｒｉ１１１ＪＩ′ｌ工が必要とされ
ているが、上記黒セラミックスではその要求が満たされ
ず、上記条件下では欠損が生じることが避けられなかっ
た。

このように、ＴｉＣ等の炭化物粒子を分散含有させるこ
とにより耐欠損性の向上を図った酸化アルミニウム塁セ
ラミックス工具において、苛酷な使用条件における耐欠
損性の向上効果が低い理由はつぎのように考えられる。

すなわち、分散含有させた添加粒子が球状あるいは角形
状であるために、材料中に生じた亀裂先端における分校
現象（ｂｒａｎｃｈｉｎｇ）、あるいは迂回現象（ａｅ
ｒｌｅｃｔｉｏｎ）により破壊のためのエネルギー増大
効果が十分でなく、このため破壊靭性が低く、これが耐
欠損性の不足を招くからである。

この欠点を解消するために、酸化アルミニウムのような
脆性材料に破壊靭性を付加させる１つの方法として、セ
ラミックスに高強度、高弾性のセラミックスｍＮを分散
、含有させる、いわゆる繊維強化法が知られている。こ
の方法によれば、材料に加わった応力がＩ！ｌ！界点に
達して生じた亀裂の伸展を高強度セラミックス繊維が阻
止する効果があり、さらに上記の迂回用や、分校現象お
よびＳｉＣウィスカーの引失き現象による破壊エネルギ
ー増大効果が極めて高いことによって、靭性を付与する
ことができるという利点がある。

一方、ｍ雄状炭化硅素結晶は互いに強く絡みあっている
ため、分散しがたく、未分散となって焼結体中に残留し
た場合は、それが破壊の起点となって逆に母材強度より
も低くなる場合がある。

また特開昭５９−１０２８６１号公報において、繊維状
炭化硅素結晶を分散させた焼結体が１♀案され、放電加
工可能な導゛電性を有する酸化物セラミックスとして実
用されている。これは、ＩＩ族、ＩＩＩ族またはＩＶ族
元素の酸化物セラミックスに導電性を有する繊維状炭化
硅素結晶（通常ＳｉＣウィスカーと呼ばれている）を分
散含有させることにより、母材酸化物セラミックスの比
抵抗を１０Ω−ｃｍとし、放電加工を可能にした炭化硅
素複合酸化物焼結セラミックスである。

しかしながら、上記のｍＨ状炭化硅素結晶を分散含有さ
せた酸化物セラミックス焼結体より切削工具を製造し、
苛酷な高速、ｎ送り条件での断続切削加工やフライス切
削加工等の重切削を行うと、良好な耐欠損性は認められ
ない。すなわち、上記の炭化硅素複合石うミックスは、
耐熱部材やワイヤカット可能なセラミックスとして利用
されているものの、大きな機械的、熱的応力や衝撃を受
ける切削工具用材料としては適切ではない。

このように、上記の繊維状炭化硅素結晶による酸化物セ
ラミックス母材の破壊靭性強化効果のみでは重切削に耐
える工具用セラミックス焼結体が得られない。その理由
は、 （Ａ）焼結体の破壊強度の低さが耐欠捲性の不足を招く
こと、 （Ｂ）Ｍ化物セラミックスを母材としたものののすべて
か切削工具に用いてもその効果を発揮するとは限らない
、 等が考えられる。

（発明の目的） この発明は、このような従来の課題の解決のためになさ
れたものであり、従来の酸化アルミニウム基セラミック
スの切削工具では達することができなかった耐欠損性お
よび欠陥に対する安定性の高い切削工具用セラミックス
焼結体を提供するものである。

（発明の構成） この発明の第１の要旨は、全１ＦＭに対して１０〜４０
重量％の範囲内で長さ１０〜２００μｍ、太さ０．０５
〜５μ讃の繊維状炭化硅素結晶を分散含有させ、残部の
母材が酸化アルミニウムからなる焼結体で、この焼結体
の検鏡面上に平均直径が３０μｍ以上のｍ雄状炭化硅素
結晶の塊または粒状炭化硅素結晶の塊が１００個／ｍｍ
２以下であるものである。

この発明の第２の要旨は、全型ωに対して１０〜４０重
攬％の範囲内で良さ１０〜２００μｍ、太さ０．０５〜
５μ層のｍＭ状炭化硅糸結晶を分散含有させ、残部の良
材１００重量％に対して■族、ｍ族またはＩＶ族の元素
の酸化物を１種または２種以上、０．１〜３５重量％と
、残りが酸化アルミニウムからなる焼結体で、この焼結
体の検鏡面上に平均直径が３０μ曽以上のｍ雄状炭化硅
素結晶の塊または粒状炭化硅素結晶の塊が１００個／ｍ
ｍ２以下であるものである。

この発明の第３の要旨は、全重量に対して１０〜４０重
Ｍ％の範囲内で長さ１０〜２００μｍ、太さ０．０５〜
５μｍのＩｌｌ状状炭化硅素結晶分散含有させ、残部の
母材１００ｍ艶％に対して■族、ｍ族またはＩＶ族の元
素の酸化物０．１〜２５重量％と、Ｔ　＋、ｚｒ、　Ｔ
ａ５Ｂ、またハ）−１ｆ　（７）炭化物、窒化物、炭窒
化物、炭酸窒化物または硼化物のうち１種または２種以
上を５〜３０ｆｎ吊％、両名の合計が３５重憬％以上と
残りが酸化アルミニウムからなる焼結体で、この焼結体
の検鏡面上に平均直径が３０μｍ以上のｔＪｉ維状炭化
硅素結晶の塊または粒状炭化硅素結晶の塊が１００個／
ｍｍ２以下であるものである。

（発明の作用） この発明の基本的特徴は、全型１に対して１０〜４０重
１％の範囲内で長さ１０〜２００μｍ、太さ０．０５〜
５μｍのＩｌ維状炭化硅素結品を分散含有させ、残部の
母材の少なくとも一部が酸化アルミニウムからなる焼結
体で、この焼結体の検鏡面上に平均直径が３０μｍ以上
の繊維状炭化硅素結晶の塊または粒状炭化硅素結晶の塊
が１００個／ｍｍ２以下であるようにしたちのである。

焼結体母材として最適な材料として酸化アルミニウムが
あげられるが、酸化アルミニウムに■族、ｍ族またはＩ
Ｖ族元素の酸化物を適量添加してもよく、添加した場合
は焼結温度を低下させることかでき、酸化アルミニウム
の粒成長を抑ル１１する効果があり、しかも焼結中の母
材と繊維状炭化硅素結晶の反応を最小限に抑制できる。

さらに、母材である酸化アルミニウムの一部をＴｉ、Ｚ
ｒ、Ｔａ、ＢまたはＨｆの炭化物、窒化物、炭窒化物、
炭Ｐａ窒化物または硼化物と置換すれば焼結体の硬度が
改善できる。

母材組成としては、被削材の主成分であるＦｅとの反応
性、焼結性、硬さ、靭性の点から酸化アルミニウムが最
適であり、出発原料の酸化アルミニウム粉末の粒径につ
いては、とくに限定するものではないが、好ましくは酸
化アルミニウムの平均粒径が０．１〜５μ園、さらに好
ましくは０゜１〜１μＩＰｉ！度のものとする。

また上記酸化アルミニウムにＩＩ族、ＩＩＩ族またはＩ
Ｖ族元素の酸化物を酸化アルミニウム１００ｍｆｆｔ％
に対して０．１〜３５重罎％添加した場合は、酸化アル
ミニウム単味の場合と比較して焼結温度を５０〜１５０
℃低下させる効果があり、酸化アルミニウムの粒成長抑
制と酸化アルミニウムと繊維状炭化硅素結晶との間の反
応を抑制することができる。

ＩＩ族、ＩＩＩ族または■族元素の酸化物としては、Ｍ
ＱＯ，ｃａｏ、Ｙ２０３　、Ｔｉ　０２　、ＺｒＯ２、
Ｈｆ　０２およびＳｉＯ２等がよく、また酸化アルミニ
ウムに対する添加量としては、０．１〜３５重量％の範
囲内であれば、各々必要とされる焼結台の特性に応じて
１種または２種以上を選択することができる。

しかし上記酸化物の酸化アルミニウムに対する添加量が
０．１重量％未満では焼結温度を低下させる効果が減少
し、３５重量％を大きく越えて添加すれば、酸化アルミ
ニウムの有する優れた切削特性を損う傾向がある。

さらに上記母材組成にＴｉ、Ｚｒ、Ｔａ、ＢまたはＨｆ
の炭化物、窒化物、炭窒化物、または硼化物のうち１！
！または２種以上を５〜３０重陽％と上記ＩＩ族、ＩＩ
Ｉ族またはＩＶ族元素の酸化物との合計が３５重扮％以
下となるように添加した場合は、母材焼結体の硬さをビ
ッカース硬さで０．２〜１゜０ＧＰａ　（約２００〜１
００１００Ｏ／■２）向上させる効果があり、高Ｉｉ１
度被削材の切削に好適な特性にすることができる。

しかしながら、その添加ｍが５重間％未満では、硬度の
向上効果が小さく、３０重量％を越えて添加すれば、Ｔ
ｉ、Ｚｒ、Ｔａ、ＢまたはＨｆの化合物が難焼結物質で
あるために、焼結を阻害し、緻密体が得られなくなる傾
向がある。またさらに上記ＩＩ族、ＩＩＩ族またはＩＶ
族元素の添加Ｍとの合計が３５重量％を越えると、酸化
アルミニウムの有する優れた切削特性を損う傾向がある
。

繊維状炭化硅素結晶は、長さ１０〜２００μｍ、好まし
くは２０〜５０μｍ程度、太さが０．０５〜５μｍ程度
のものを使用する。良さが１０μ園より極端に短くなる
と、亀裂拡大阻止効果が小さくなり、耐欠損性が低下す
る。一方、長さが２００μｍより長くなると、繊維状炭
化硅素結晶が極めて高強度材料であるために、焼結によ
る緻密化が困難となる。またｍ雄状炭化硅素結晶の太さ
が０．０５μ霞より極端に細くなると、母材である酸化
アルミニウムとの反応性が高くなり、焼結中に反応して
繊維形状が維持できなくなる傾向がある。一方、太さが
５μｍより太くなると、繊維の剛性が高くなるため、焼
結による緻密化が困難となる傾向がある。

つぎに、繊維状炭化硅素結晶の含有ｍは、焼結体の全重
量に対して１０〜４０重量％とするのがよい。添加量が
１０重量％より少ないと靭性向上効果が十分に認められ
ず、一方４０重量％を越えて添加した場合は焼結による
緻密化が阻害されることになる。

ｉａｍ状炭化炭化硅素結晶散含有させた焼結体の検鏡面
上には、平均直径３０μｍ以上の繊維状炭化硅素結晶の
塊または粒状炭化硅素結晶の塊が１平方ミリメートル当
り１００個（１００個／−）以下、好ましくは５０個以
下であるようにする。

平均直径が３０μｍ以上の上記塊が焼結体検鏡面上で１
００個／−より多く現れると、破壊につながる欠陥の存
在確率が高くなり、焼結体の破壊強度を低下させ、欠損
に対する安定性が損われる傾向がある。このことは第１
図および第１０図において明瞭に示されている。

（実施例） つぎにこの発明の切削工具用セラミックス焼結体の製造
方法を説明する。まず所定量の繊維状炭化硅素結晶を水
またはアルコール等の溶媒中に投入し、機械的攪拌や超
音波攪拌等により十分に分故させる。その後、開口径３
０〜１０（１■程度のふるいを通過させ、未分散の繊維
状炭化硅素結晶の塊および粒状炭化硅素結晶の塊を除去
する。

つぎに所定用の酸化アルミニウム粉末とふるいを通過し
たＩＩｌ状炭化炭化硅素結晶分に混合する。

なお、ｌ１ｕ４４に混合物を用いるときは、予め十分に
混合したものを準ｌしておく。この混合物を乾燥後、焼
結して所望の複合セラミックス焼結体を得る。この焼結
は、大気、不活性ガスまたは真空中で温度１５００〜２
０００℃、圧力１００〜５００　ｋｇ／Ｃ１２で５〜６
０分間ホットプレスすることにより行うのがよい。

実施例−１ α型ＡＱ２０３粉末（平均粒径０．２２μｍ）と開口径
５３〜１８０μｍのふるいを通過させたＳｉＣウィスカ
ー（太さ０．５〜１μｍ、長さ２０〜１００μ階）を第
１表に示すように配合し、十分に混合した後、４００　
ｋＭ　ｃｍ２の圧力下、１８５０〜１９５０℃で３０分
間ホットプレス法で焼結した。

（１られた焼結体より約３ｘ４ｘ４０＋ｍ３の試験片を
切り出した。第１１図は焼結体検鏡面上に現れたｍＮ状
炭化硅素結晶の塊を示し、第１２図は焼結体検鏡面上に
現れた粒状炭化硅素結晶の塊を示している。

各試験片の交温曲げ強度（Ｊｔｓ　　Ｒ１６０１−１９
８１）、ビッカース硬さくＪＩＳ　７２２４４）、破壊
靭性値（圧痕破壊法）、材料の信頼性の尺度であるワイ
ブル係数（ｍ値）および焼結体検鏡面上の３０μ厳以上
のＳｉＣウィスカーの塊およびＳｉＣショットの数を第
１表および第２表に示している。同表において、各試料
のの残部はＡＱ２ｏ３であり、試料番号８５は市販の白
セラミックス、試料番号８６は市販の黒ゼラミックス、
をそれぞれ示している。また破壊靭性値はＭＮ／ｍ”で
示している。

また同様にして得られた焼結体よりＣｌ５Ｍ格５ＮＧＮ
４３２　（チャンファ−０，２ｖｉｘ−２０＠）のスロ
ーアウェイインサートを製作し、これを用いて以下の条
件で＜Ａ）（８）では断続旋削試験、（Ｃ）ではフライ
ス切削試験を行った。

（Ａ）被剛材としてＦｅ１２、直径３００１１１１．長
さ５００曽−のものを用い、これに長さ方向に延びる幅
２０１１の溝を周方向に８箇所形成した。

切削速度は３００　ｍ／ｓｉｎ　、切込み深さは２■−
１送り速度は０．１１１／回転から始め、毎送りごとに
４００回衝撃を加え、欠損しなければ、さらに０．１１
１／回転づつ送り速度を上昇させた。

切削は乾式で行い、欠損に至るまでの総Ｙ！ｉＩ撃回数
（フライス切削では切削良さ）で寿命を判定した。なお
、各試料について４回の試験を行った。その結果は第１
図に示す通りであり、この発明による試料番号１〜６の
ものは、いずれも・　比較材の試料番号８１〜８６のも
のより寿命が長いことが示された。

（Ｂ）被剛材として３０Ｍ４４５、直径１２５■、長さ
４００１ｍのものを用い、これに良さ方向に延びる幅４
■の溝を周方向に４箇所形成した。

切削速度は１２　（１／ｓｉｎ　、切込み深さは２．５
１１送り速度は０．０５ａｍ／回転から始め、毎送りご
とに１００回ｍ撃を加え、欠損しなければ、さらに０．
０５ｇ＋＋ｉ／回転づつ送り速度を上昇させた。切削は
乾式で行い、欠損に至るまでの総衝撃回数で寿命を判定
した。なお、各試料について４回の試験を行った。その
結果は第２図に示す通りであり、この発明による試料番
号１〜６のものは、いずれも比較材より寿命が長いこと
が示された。

（Ｃ）被削材としてＦｅ１２、幅１００ｍｍ、長さ５Ｑ
Ｏｖのものを用い、これに５０ＩＩ１ｍｌ角の穴を長さ
方向に６箇所形成した。切削速度は１８３ａ／ｓｉｎ　
、切込み深さは２■、送り速度は０．３１１１１／刃で
行った。またカッター径１０インチ、ラジアルレーキ−
５°、アキシャルレーキ−５０、リードアングル５°の
条件で乾式切削で行い、欠ｎに至るまでの総切削長さで
スを命を判定した。なお、各試料について４回の試験を
行った。その結束は第３図に示す通りであり、この発明
による試料ＴＩ号１〜６のものは、いずれも比較材より
衝撃回数が多く、したがって寿命が長いことが示された
。

〈以下余白） 第１表 第２表 【 番 実施例−２ α型ＡＱ２０３粉末と第２母材成分を第３表および第４
表に示すように配合し、十分に混合した後、開口径５０
〜１０５μｍのふるいを通過させたＳｉＣウィスカーを
混合物に対して２０〜３０重Ｍ％添加し、十分に混合し
た後、４００ｋａ／ｃｇ１２の圧力下で１７５０〜１８
８０℃で３０分ホットプレスして焼結体を得た。第３表
において、各試料において残部は八ρ２ｏ３、相対密度
は１００％であり、試料番号１０は第２母材成分として
、ＰＳＺの伯にＣａＯを０．１量適％含有させている。

ＰＳＺとは部分安定化ジルコニアを示している。

上記各処理により得られた焼結体を用いて上記更施例−
１と同じ条件で（Ａ）（Ｂ）では断続旋）Ｉ試験、（Ｃ
）ではフライス切削試験を行った。

εの結果、（Ａ）では第４図に、（Ｂ）では第５４°に
、（Ｃ）では第６図にそれぞれ示寸ようにな〕、いずれ
もこの発明のス料番号７〜１１のものよ、比較材の試料
番号８７〜８９のものより寿命が長いことが示された。

（以下余白） 第３表 第４表 実施例−３ α型ＡＱ２０３粉末と第２母材成分および第３母材成分
を第５表、第６表および第７表に示すように配合し、十
分に混合した後、間口径５３〜１８０μｍのふるいを通
過させたＳｉＣウィスカーを混合物に対して２０重酊％
添加し、十分に混合した後、４００　ｋＭ　Ｃ１２の圧
力下で１９２０〜１９８０℃で３０分ホットプレスして
焼結体を得た。

第５表において試料番号２０は第２母材成分としてＰＳ
Ｚの他にＴｉＯ２を０．５重ω％含有させている。また
各試料のＳｉＣウィスカー吊は２０重量％、残部はＡＣ
２０３である。

上記処理により得られた焼結体を用いて上記実施例−１
と同じ条件で（Ａ＞（Ｂ）では断続切削試験、（Ｃ）で
はフライス切削試験を行った。その結果、（Ａ）では第
７図に、（Ｂ）では第８図に、（Ｃ）では第９図にそれ
ぞれ示すようになり、いずれもこの発明の試料番号１２
〜２０のものは、比較材の試料番号９０および９１のも
のより寿命が長いことが示された。

第５表 第６表 第７表 （発明の効果） 以上説明したように、この発明は繊維状炭化硅素結晶で
強化された酸化アルミニウム填焼結体であり、切削工具
用セラミックス焼結体として優れた破壊強度および破壊
靭性を具備し、とくに熱的、機械的応力の加わる高速高
送り条件での断続旋削加工およびフライス切削加工にお
いて、従来の酸化アルミニウム基の切削工具では到達で
きなかった優れた切削性能を発揮するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第４図、第５図、第７図、第８図はそ
れぞれこの発明による試料と従来品の試料との断続旋削
試験による１ｆｉｌ！回数の比較図、第３図、第６図、
第９図はそれぞれこの発明による試料と従来品の試料と
のフライス切削試験による切削長さの比較図、第１０図
は含有ＳｉＣ塊の個数と破壊強度の関係図、第１１図は
焼結体検鏡面上に現れた繊維状炭化硅素結晶の塊を示す
金属組織写真、第１２図は焼結体検鏡面上に現れた粒状
炭化硅素結晶の塊を示す金属組織写真である。 １〜２０・・・この発明による試料、８１〜９１・・・
従来品の試料。 特許出願人　　　　工業技術院長 同　　　　　　ダイジヱット工業株式会社代　理　人　
　　　弁理士　　小谷悦司同　　　　　　弁理士　　長
１）正 向　　　　　　弁理士　　板谷康夫 第　　３　　図 第　　４　　図 第　　５　　図 第　　６　　図 第１１図　　　　第１２図 壌歳強度（ＭＰａ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、全重量に対して１０〜４０重量％の範囲内で長さ１
   ０〜２００μｍ、太さ０．０５〜５μｍの繊維状炭化硅
   素結晶を分散含有させ、残部の母材が酸化アルミニウム
   からなる焼結体で、この焼結体の検鏡面上に平均直径が
   ３０μｍ以上の繊維状炭化硅素結晶の塊または粒状炭化
   硅素結晶の塊が１００個／ｍｍ＾２以下であることを特
   徴とする切削工具用セラミックス焼結体。 ２、全重量に対して１０〜４０重量％の範囲内で長さ１
   ０〜２００μｍ、太さ０．０５〜５μｍの繊維状炭化硅
   素結晶を分散含有させ、残部の母材１００重量％に対し
   てII族、III族またはIV族の元素の酸化物を１種または
   ２種以上、０．１〜３５重量％と、残りが酸化アルミニ
   ウムからなる焼結体で、この焼結体の検鏡面上に平均直
   径が３０μｍ以上の繊維状炭化硅素結晶の塊または粒状
   炭化硅素結晶の塊が１００個／ｍｍ＾２以下であること
   を特徴とする切削工具用セラミックス焼結体。 ３、全重量に対して１０〜４０重量％の範囲内で長さ１
   ０〜２００μｍ、太さ０．０５〜５μｍの繊維状炭化硅
   素結晶を分散含有させ、残部の母材１００重量％に対し
   てII族、III族またはIV族の元素の酸化物０．１〜２５
   重量％と、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｂ、またはＨｆの炭化物
   、窒化物、炭窒化物、炭酸窒化物または硼化物のうち１
   種または２種以上を５〜３０重量％、両者の合計が３５
   重量％以下と残りが酸化アルミニウムからなる焼結体で
   、この焼結体の検鏡面上に平均直径が３０μｍ以上の繊
   維状炭化硅素結晶の塊または粒状炭化硅素結晶の塊が１
   ００個／ｍｍ＾２以下であることを特徴とする切削工具
   用セラミックス焼結体。