(57)【要約】【課題】切削温度（刃先部最高温度）を低下させるのに十分な高い熱伝導率を有すると同時に、切削工具に要求される高硬度、高強度などの特性を満たす焼結体の提供。【解決手段】６０体積％以上９９体積％以下のＷＣと、１体積％以上４０体積％以下のＡｌＮ−Ｙ2Ｏ3混合物とを含み、１００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有することを特徴とする焼結体。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
６０体積％以上９９体積％以下のＷＣと、１体積％以上４０体積％以下のＡｌＮ−Ｙ2Ｏ3混合物とを含み、１００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有することを特徴とする焼結体。
【請求項２】
６０体積％以上９９体積％以下のＷＣ、および１体積％以上４０体積％以下のＡｌＮ−Ｙ2Ｏ3混合物を含む成分９０体積％以上と、１０体積％以下のＣｏとを含み、１００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有することを特徴とする焼結体。
【請求項３】
８００Ｎ／ｍｍ2以上の抗折力を有することを特徴とする請求項１または２に記載の焼結体。
【請求項４】
前記ＷＣが連続相を形成していることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の焼結体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＷＣを基とする焼結体に関する。より詳細には、本発明は、６０体積％以上９９体積％以下のＷＣと、１体積％以上４０体積％以下のＡｌＮ−Ｙ2Ｏ3混合物とを含み、高い熱伝導率および高い抗折力を有する焼結体に関する。
【背景技術】
【０００２】
切削工具として実用されている焼結体は高硬度、高強度などを要求され、特に高負荷かつ高温という過酷な条件で実用される場合には、刃先温度上昇も工具摩耗が進行する一因である。刃先部での温度を低減させるためには、油剤またはエアブローを用いるなど強制的な冷却手段が一般的である。最近になって、工具の熱伝導率を高めて切削温度を低減させる取り組みがなされてきている。このような要求から開発された切削工具として、熱伝導率の高い窒化アルミニウムＡｌＮの特性を利用したセラミックス焼結体切削工具およびサーメット工具が提案されている（特許文献１および２参照）。
【０００３】
【特許文献１】特許第３１１１８４号公報
【特許文献２】特開２００５−２９７１３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述のセラミックス焼結体切削工具は、窒化アルミニウムを１〜２５体積％と、Ｔｉ（Ｃx，Ｎy，Ｏz）で表される少なくとも１種のチタン化合物を７５〜９９体積％とを含有する焼結体である（特許文献１参照）。また、前述の窒化アルミニウム基サーメット工具は、鉄系元素とアルミニウムとを主成分とする金属相５〜３０体積％と、周期律表第４族および第５族元素の窒化物の少なくとも１種を主成分とする第１硬質相５〜３０体積％と、残部の窒化アルミニウムを主成分とする第２硬質相と、不可避不純物とを含む焼結体である（特許文献２参照）。
【０００５】
これらの焼結体は、Ｔｉ（Ｃx，Ｎy，Ｏz）またはＴｉＮのようなチタン系化合物を多量に含有することから、熱伝導率が不充分である。実際、前述のセラミックス焼結体切削工具の構成する焼結体は３０Ｗ／ｍＫ以下の熱伝導率を有する（特許文献１参照）。また、前述の窒化アルミニウム基サーメット工具を構成する焼結体は、３０Ｗ／ｍＫ以下の熱伝導率を有するとされるＴｉＮなどを多く含み、十分な放熱性能を有するとは言い難い。
【０００６】
よって、本発明が解決しようとする課題は、硬さおよび強度を兼ね備えると同時に、工具材料の中でも比較的高い熱伝導率（約９０Ｗ／ｍＫ）を有するとされる超硬Ｋ１０を上回る熱伝導率を有する焼結体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、切削温度低減による切削工具の長寿命化および切削速度の高速化による能率向上を検討していたところ、切削工具のような集中熱源の温度上昇を緩和するためには工具母材の熱伝導率が大きく寄与することを数値解析で検証し、各種材料の熱伝導率に関する調査を行った。その結果、現状の工具材料の中ではダイヤモンドやｃＢＮなど比較的高価な材料を除いた中では、超硬Ｋ種（ＷＣ−Ｃｏ）が熱伝導率約９０Ｗ／ｍＫと高いことに着目した。
【０００８】
そこで、チタン系化合物の含有量を極力減らして、熱伝導率の高い炭化タングステン（ＷＣ）を主成分とすることを検討した。ＷＣに対して、従来技術の焼結体に使用されている窒化アルミニウムＡｌＮの添加量を変化させた焼結体を検討した結果、その混合比に適正な比率が存在するという知見を得た。本発明は、これらの知見に基づいて完成するに至ったものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の構成を採ることによって、切削温度（刃先部最高温度）を低下させるのに十分な高い熱伝導率を有すると同時に、切削工具に要求される高硬度、高強度などの特性を満たすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の焼結体は、６０〜９９体積％のＷＣと、１〜４０体積％のＡｌＮ−Ｙ2Ｏ3混合物（以下、ＡｌＮ＋Ｙ2Ｏ3と称する）を１〜４０体積％とを含む。あるいはまた、本発明の焼結材は、ＷＣおよびＡｌＮ−Ｙ2Ｏ3混合物から構成されてもよいし、第３成分を含んでもよい。第３成分は、従来から切削工具に使用されている材料、たとえばコバルト（Ｃｏ）を含む。より具体的には、本発明の焼結体は、ＷＣ、ＡｌＮ＋Ｙ2Ｏ3およびＣｏを含んでもよい。この場合、ＷＣとＡｌＮ＋Ｙ2Ｏ3との合計が焼結体の９０体積％以上を構成し、さらに、ＷＣとＡｌＮ＋Ｙ2Ｏ3との合計を基準として、ＷＣが６０体積％以上９９体積％以下であり、ＡｌＮ＋Ｙ2Ｏ3がおよび１体積％以上４０体積％以下であることが望ましい。さらに、本発明の焼結体は、不可避の不純物を含む可能性がある。
【００１１】
上記の組成から成る本発明の焼結体は、１００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する。さらに、本発明の焼結体は、８００Ｎ／ｍｍ2以上の抗折力を有することが望ましい。
【００１２】
さらに、本発明の焼結体では、その大半を占めるＷＣが連続相を形成すること、すなわち、任意の組織写真の視野内において、ＷＣが端から端まで連結された構造を有する。
【００１３】
（１．数値解析による検証）
最初に、チップ部とホルダからなる切削工具を模擬したモデルを作成した。チップ部を縦１２．９ｍｍ×横１２．９ｍｍ×高さ４．７６ｍｍの略直方体（各面が１０度傾斜した長方形から成る）とし、ホルダを縦１５０ｍｍ×横１６ｍｍ×高さ１６ｍｍの略直方体であって、その１つの頂点に前述のチップ部の３面を保持する切り欠き（チップ保持部）を設けた形状とした。チップ先端の頂点に、縦０．６ｍｍ×横０．４ｍｍの大きさの集中熱源（出力２６Ｗ）を付加した。そして、工作機械に接触することを考慮して、チップ保持部の反対側の端面から１００ｍｍの領域のホルダの温度を３０℃に固定した。最初に、ホルダのその他の部分に１０Ｗ／ｍ2Ｋの熱伝達率を与えた場合と、断熱条件（熱伝達率０Ｗ／ｍ2Ｋ）とを比較した。その結果、両条件間の差異が０．７％程度であったため、以後の解析は断熱条件にて実施した。
【００１４】
次に、チップ部に、超硬Ｋ１０相当の９６Ｗ／ｍＫの熱伝導率を設定した場合、刃先部（集中熱源を取り付けたチップ部の頂点）の最高温度は７９１℃となった。さらに、チップ部の熱伝導率を８０〜２００Ｗ／ｍＫの範囲で変化させて解析を行ったところ、図１に示す、チップ部熱伝導率と刃先部最高温度との関係が得られた。チップ部の熱伝導率が大きくなるにしたがって、刃先部最高温度も低下する傾向が認められた。たとえば、超硬Ｋ１０に対して３０％ほど熱伝導率を向上させると、約１９０℃ほど刃先部最高温度が低下する。以上の結果から、現状の超硬Ｋ１０相当の熱伝導率を少しでも向上させることが、切削温度（刃先部最高温度）を低下させる上で大きな効果を有することが分かった。
【００１５】
（２．チップ材料の熱伝導率向上について）
単一の材料の場合、その熱伝導率は物性値として固有である。したがって、熱伝導率を増大させると同時に、工具としての特性（硬さ、強度など）も満足させたい場合、２種以上の材料を複合化する方法がある。
【００１６】
切削工具（特にチップ部）のように、狭い領域に集中する熱源から発生する熱を三次元的に拡散させたい場合、その材料は等方的な熱伝導率を有することが望ましい。三次元的に等方的な熱伝導率を実現するためには、多量成分が連続相となり、少量成分が連続層中に分散する複数の粒子（分散相）から成る粒子分散型の構造が望ましい。
【００１７】
最初に、連続相および分散相の熱伝導率が複合材料の熱伝導率に与える影響を解析した。連続相としてＷＣ、分散相をＡｌＮ＋Ｙ2Ｏ3とし、連続相が７０体積％を占める二成分系複合材料の熱伝導率を、粒子分散複合材料の有効熱伝導率に適用されるＭａｘｗｅｌｌの式を用いて解析した。ここで、ＷＣおよびＡｌＮ＋Ｙ2Ｏ3の単独の熱伝導率についての予備実験を行い、それらの熱伝導率が、それぞれ１１６Ｗ／ｍＫ（ＷＣ）および１５７Ｗ／ｍＫ（ＡｌＮ＋Ｙ2Ｏ3）であることを求めた。そして、連続相または分散相の一方の熱伝導率を予備実験で得られた値に固定し、他方の熱伝導率を変化させて複合材料の熱伝導率を解析した。その結果を図２に示す。図２において、７０ＷＣはＡｌＮ＋Ｙ2Ｏ3の熱伝導率を固定してＷＣの熱伝導率を変化させた場合を示し、３０ＡｌＮはＷＣの熱伝導率を固定してＡｌＮ＋Ｙ2Ｏ3の熱伝導率を変化させた場合を示す。
【００１８】
図２の結果から、この材料においては、分散相の熱伝導率を変化させた場合よりも、連続相の熱伝導率を変化させた場合の傾きが大きく、連続相の熱伝導率が複合材料の熱伝導率に大きく寄与することが分かった。
【００１９】
同様の解析を、連続相が５０体積％を占めるＷＣ−（ＡｌＮ＋Ｙ2Ｏ3）二成分系複合材料について行った。その結果を図３に示す。図３において、５０ＷＣはＡｌＮ＋Ｙ2Ｏ3の熱伝導率を固定してＷＣの熱伝導率を変化させた場合を示し、５０ＡｌＮはＷＣの熱伝導率を固定してＡｌＮ＋Ｙ2Ｏ3の熱伝導率を変化させた場合を示す。図３から明らかなように、この場合には、連続相および分散相の熱伝導率の変化の複合材料の熱伝導率に対する寄与はほぼ同等であることが分かった。
【００２０】
以上の結果から、連続相の含有量がある一定量以上の場合、連続相の熱伝導率を増大させることが、等方的熱伝導性を有する複合材料全体の熱伝導率を増大させる点において極めて重要であることが分かった。
【実施例】
【００２１】
（実施例１）
７０体積％のＷＣ粒子（平均粒子径約１μｍ）および３０体積％のＡｌＮ＋Ｙ2Ｏ3粒子（平均粒子径約１μｍ）を秤量し、エタノールを分散剤として乳鉢中で分散させた。乾燥後、分散物をカーボンダイス中に充填し、１６００℃の温度および５０ＭＰａの圧力条件下、３０分間にわたって放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）法によって焼結させて、焼結体を得た。なお、分散を乳鉢ではなく、たとえばボールミルなどの他の装置を用いて実施することも可能である。また、焼結法はＳＰＳ法に限定されるものではなく、後述する組織が得られることを条件として、当該技術において知られている任意の手段を用いることができる。
【００２２】
図４に、得られた焼結体の走査電子顕微鏡写真を示す。図４中で白く見える部分がＷＣであり、黒く見える部分がＡｌＮ＋Ｙ2Ｏ3である。図４から、得られた焼結体が、ＷＣを連続相とし、ＡｌＮ＋Ｙ2Ｏ3を分散相とする粒子分散型構造を有することが分かる。ここで、ＷＣは図面左端から右端まで連続した構造を有する。ここで、図４の画像を解析して分散相（ＡｌＮ＋Ｙ2Ｏ3）の比率を求めたところ、約３１％であった。
【００２３】
図４で得られた構造に基づき、ＷＣの熱伝導率を１１６Ｗ／ｍＫとし、ＡｌＮ＋Ｙ2Ｏ3の熱伝導率を１５７Ｗ／ｍＫとして均質化法により複合材料の熱伝導率を求めたところ、１２８Ｗ／ｍＫの値が得られた。一方、実際に得られた複合材料の熱伝導率をレーザフラッシュ法で測定したところ、１３２Ｗ／ｍＫの値が得られた。このことから、本発明の数値解析が妥当であることが示された。
【００２４】
（比較例１）
ＡｌＮ＋Ｙ2Ｏ3粒子に代えてＡｌＮ粒子（平均粒子径約１μｍ）を用いたことを除いて、実施例１と同様の手順により焼結体を作製した。得られた焼結体の熱伝導率をレーザフラッシュ法で測定したところ、９９Ｗ／ｍＫの値が得られた。この熱伝導率の値は、ＷＣ単独の熱伝導率よりも小さい値である。
【００２５】
（比較例２）
９８．５体積％のＷＣ粒子および１．５体積％のＹ2Ｏ3粒子（平均粒子径約１μｍ）を用いて、実施例１と同様の手順によって焼結体を作製した。得られた焼結体の熱伝導率をレーザフラッシュ法で測定したところ、１０５Ｗ／ｍＫの値が得られた。この結果から、分散相として存在するＹ2Ｏ3が連続相であるＷＣの熱伝導率を増大させるものではないことが明らかとなった。
【００２６】
以上の結果から、実施例１の複合材料の高い熱伝導率は、ＡｌＮまたはＹ2Ｏ3いずれか一方の効果によって得られたものではなく、ＡｌＮおよびＹ2Ｏ3が共存することによって得られたことが分かる。すなわち、連続相としてのＷＣ、分散相としてのＡｌＮ、およびＡｌＮの熱伝導率を高めるためのＹ2Ｏ3が不可欠であることが分かる。
【００２７】
（実施例２）
連続相となるＷＣの含有量を５０〜１００体積％の範囲で変化させ、対応してＡｌＮ＋Ｙ2Ｏ3の含有量を５０〜０体積％の範囲で変化させて、実施例１と同様の手順に従って焼結体を得た。得られた焼結体の抗折力を測定した。その結果を図５に示す。図５から、ＡｌＮ＋Ｙ2Ｏ3の含有量が４０体積％を超える場合に、焼結体の抗折力が、Ａｌ2Ｏ3＋ＴｉＣの抗折力７８０Ｎ／ｍｍ2（カタログ値）を下回ることが分かった。
【００２８】
以上の結果から、熱伝導率の高いＡｌＮ＋Ｙ2Ｏ3の含有量を多くすることによって複合材料の熱伝導率は増大するが、同時に抗折力が低下することが分かった。したがって、連続相となるＷＣの含有量が６０体積％以上であり、ＡｌＮ＋Ｙ2Ｏ3の含有量が４０体積％以下であることが、熱伝導率を増大させると同時に、切削工具に要求される高硬度、高強度などの特性を満たす上で重要であることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】チップ部の熱伝導率が刃先部最高温度に与える影響を示すグラフである。
【図２】連続相および分散相の熱伝導率が、連続相が７０体積％の二成分系複合材料の熱伝導率に与える影響を示すグラフである。
【図３】連続相および分散相の熱伝導率が、連続相が５０体積％の二成分系複合材料の熱伝導率に与える影響を示すグラフである。
【図４】実施例１で得られた焼結体の走査電子顕微鏡写真を示す図である。
【図５】ＡｌＮ＋Ｙ2Ｏ3の含有量と複合材料の抗折力との関係を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図４】
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