(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌ2 Ｏ3 を６０〜９９重量％、Ｔｉを酸化物換算で０．２〜５重量％、希土類元素、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｍｏ、ＷおよびＳｉの群から選ばれる少なくとも１種を酸化物換算による合量で０．３〜３５重量％の割合で含有するアルミナ質焼結体からなる工具であって、少なくとも被削材との接触面におけるアルミナ結晶粒子の平均粒径が１０μｍ以下であり、該接触面から０．０１ｍｍ以上の深さに亘り、前記アルミナ結晶粒子内に平均粒径０．３μｍ以下のＴｉを含む酸化物粒子が分散していることを特徴とする高速切削用工具。
【請求項２】
Ａｌ2 Ｏ3 を６０〜９９重量％、Ｔｉを酸化物換算で０．２〜５重量％、Ｍｇを酸化物換算で０．１〜３重量％、希土類元素、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｍｏ、ＷおよびＳｉの群から選ばれる少なくとも１種を酸化物換算による合量で０．３〜３５重量％の割合で含有するアルミナ質焼結体からなる工具であって、少なくとも被削材との接触面におけるアルミナ結晶粒子の平均粒径が１０μｍ以下であり、該接触面から０．０１ｍｍ以上の深さに亘り、前記アルミナ結晶粒子内に平均粒径０．３μｍ以下のＭｇを含む酸化物粒子が分散していることを特徴とする高速切削用工具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼や鋳鉄等の被削材を高速で旋削加工するのに適した高速切削用工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、切削工具としては、超硬合金、サーメット等の金属−セラミック系材料に加え、アルミナ、窒化ケイ素等のセラミックスが用いられている。これらの中で、アルミナ系切削工具は、高硬度、耐高温、耐環境性などの優れた特性により、切削工具として注目されてきた。
【０００３】
従来から、アルミナ質焼結体を切削工具として採用した場合、アルミナ単味の焼結体では、高速切削条件下で使用される場合に、摩耗により寿命が短い、あるいはチッピング等が生じるなどの問題があることから、アルミナに対してＴｉＣやＴｉＮ等の金属窒化物、炭化物、炭窒化物粒子を分散したり（例えば特開平７−９７２５５号）、ＺｒＯ2 を分散させる方法が用いられ、硬度と靭性を向上することにより耐摩耗性や耐チッピング性等をを改善する効果が確認されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来のアルミナ質切削工具は、低速切削条件ではある程度の長寿命性を有するが、２５０ｍ／ｍｉｎ以上の高速切削条件では、工具と被削材の間の摩擦により接触面の温度が１２００℃以上に温度上昇するため、分散粒子として添加された金属の窒化物、炭化物、炭窒化物粒子は被削材と反応して、クレータ摩耗を著しく加速する問題があった。また、ＺｒＯ2 分散系においては、高速切削時に軟化したり、変形する等の問題があった。
【０００５】
従って、本発明は、高速切削条件下でも優れた耐摩耗性を具備し、高速切削において優れた長寿命化が可能な切削工具を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、アルミナ質切削工具の高温での安定性を損なうことなく、表面部の硬度を大幅に改善して耐摩耗性を向上するための方法について検討を重ねた結果、被削材と接触する切削工具表面のアルミナ結晶粒子を微細化するとともに、その結晶粒子内に、Ｔｉ含有酸化物やＭｇ含有酸化物を析出させることにより、上記目的が達成できることを見いだした。
【０００７】
即ち、本発明の高速切削用工具は、第１の形態として、Ａｌ2 Ｏ3 を６０〜９９重量％、Ｔｉを酸化物換算で０．２〜５重量％、希土類元素、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｍｏ、ＷおよびＳｉの群から選ばれる少なくとも１種を酸化物換算による合量で０．３〜３５重量％の割合で含有するアルミナ質焼結体からなる工具であって、少なくとも被削材との接触面におけるアルミナ結晶粒子の平均粒径が１０μｍ以下であり、該接触面から０．０１ｍｍ以上の深さに亘り、前記アルミナ結晶粒子内に平均粒径０．３μｍ以下のＴｉを含む酸化物粒子が分散していることを特徴とするものである。
【０００８】
また、第２の形態として、Ａｌ2 Ｏ3 を６０〜９９重量％、Ｔｉを酸化物換算で０．２〜５重量％、Ｍｇを酸化物換算で０．１〜３重量％、希土類元素、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｍｏ、ＷおよびＳｉの群から選ばれる少なくとも１種を酸化物換算による合量で０．３〜３５重量％の割合で含有するアルミナ質焼結体からなる工具であって、少なくとも被削材との接触面におけるアルミナ結晶粒子の平均粒径が１０μｍ以下であり、該接触面から０．０１ｍｍ以上の深さに亘り、前記アルミナ結晶粒子内に平均粒径０．３μｍ以下のＭｇを含む酸化物粒子が分散していることを特徴とするものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の高速切削用工具における大きな特徴は、工具を形成するアルミナ質焼結体における被削材と接触する表面のアルミナ結晶粒子の平均粒径が１０μｍ以下であることに加え、そのアルミナ結晶粒子内に、平均粒径が０．３μｍ以下のＴｉを含む酸化物粒子、またはＭｇを含む酸化物粒子が分散している点にある。
【００１０】
切削工具の被削材との接触面において、少なくともアルミナ結晶粒内に上記微細な酸化物粒子を分散することにより、準粒界構造が形成され、硬度が著しく向上されるとともに、脱粒による摩耗を効果的に抑制できる。また、上記Ｔｉ含有酸化物粒子、Ｍｇ含有酸化物粒子としては、具体的には、ＴｉＯ2 、Ａｌ2 ＴｉＯ5 、ＲＥ2 Ｔｉ2 Ｏ7 （ＲＥは希土類元素）、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ2 Ｏ4 などが挙げられる。
【００１１】
これらの酸化物は、いずれも化学的、熱的安定性に優れ、工具の耐酸化性を損なうことがないだけではなく、高温強度、高温硬度を大幅に改善する効果もある。よって、本発明の切削工具は、優れた耐フランク摩耗、耐クレータ摩耗特性を有し、高速切削条件下でも長い使用寿命を有する。また、この酸化物粒子は、アルミナ結晶粒内およびアルミナ結晶粒界にも析出する場合もある。
【００１２】
本発明によれば、上記ＴｉあるいはＭｇを含む酸化物粒子の平均粒径は０．３μｍ以下、特に０．２μｍ以下であることが必要である。これは、ＴｉあるいはＭｇを含む酸化物粒子の析出による耐摩耗性を改善する効果を十分に発揮させるために必要である。
【００１３】
即ち、アルミナ結晶粒内あるいは粒界に分散するＴｉまたはＭｇを含む酸化物粒子の粒径が小さい場合は、分散粒子同士の間隔が小さく、また、アルミナ結晶との間に結晶的整合性を保つことにより界面部の歪みが大きく、大きな硬化効果をもたらすことができる。従って、平均粒径が０．３μｍよりも大きいと、強化効果が低下するだけでなく、母相との界面にクラックが生成することにより耐摩耗性を劣化させることがある。
【００１４】
また、本発明によれば、工具中に含有されるＴｉ量が酸化物（ＴｉＯ2 ）換算で０．２〜５重量％、特に０．５〜３重量％であることが重要である。工具中に含まれるＴｉの含有量が０．２重量％よりも少なければ、アルミナ結晶粒子内への分散粒子の体積分率が少なく、耐摩耗性を改善する効果が小さい。逆にＴｉが５重量％よりも多く含まれると、アルミナ結晶粒子の粒界に粗大なＡｌ2 ＴｉＯ5 相が形成され、アルミナ結晶粒子との熱膨張差により微小なクラックが発生し、工具の耐欠損性を低下させることがある。
【００１５】
また、さらにＭｇを含有する場合、Ｍｇ含有量はＭｇＯに換算で０．１〜３重量％、特に０．１〜２重量％であることが必要である。Ｍｇの含有量が０．１重量％よりも少なければ、アルミナ結晶粒子内への分散粒子の体積分率が少なく、耐摩耗性を改善する効果が小さく、逆にＭｇが３重量％を越えて含まれると、焼結を阻害し、緻密な焼結体が得られにくくなる。
【００１６】
また、被削材との接触面におけるアルミナ結晶粒子径は、小さいほど良いが、本発明の切削工具では、平均粒径が１０μｍ以下であることがよい。特に、切削工具としての耐欠損性を高める上では、材料が高強度であるとともに、均質であることが望ましい。かかる観点から、アルミナの平均粒径は特に６μｍ以下であることが望ましく、さらには最大粒子径が３０μｍ以下、特に２０μｍ以下であることがさらに望ましい。なお、アルミナ結晶粒子径は、アルミナ結晶粒子が柱状体である場合には、長径の平均値である。
【００１７】
本発明の工具においては、表面の高度を向上させる上で、被削材との接触面から０．０１ｍｍ以上、特に０．０２ｍｍ以上の深さに亘り、上記ＴｉあるいはＭｇを含む酸化物粒子がアルミナ結晶粒内に析出していることが必要であるが、上記析出領域は、表面のみならず、工具の中心部まで析出していてもよい。
【００１８】
さらに、本発明の切削工具中には、希土類元素、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｍｏ、ＷおよびＳｉの群から選ばれる少なくとも１種を酸化物換算による合量で０．３〜３５重量％、特に１〜１５重量％の割合で含有することが重要である。これは、希土類元素、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｗの各酸化物は化学的安定性に優れ、アルミナの結晶粒成長を抑制し、工具の強度を向上する効果を有し、Ｓｉの酸化物の存在は、アルミナ結晶の異方性成長を促進することにより、工具の靭性を著しく改善することができる。従って、本発明によれば、上記成分の含有量が０．３重量％よりも少ないと、粒成長によって強度が低下し、３５重量％よりも多いと、硬度あるいは靱性が低下する。希土類元素としては、Ｙ、Ｅｒ，Ｙｂ、Ｌｕ、Ｄｙ、Ｈｏ等が挙げられる。
【００１９】
また、本発明の切削工具は、相対密度が９８％以上、特に９９％以上の緻密質であることが望ましい。これは相対密度が上記よりも小さいと、アルミナ結晶粒内へのＴｉあるいはＭｇ含有酸化物が析出しても、残存する空孔によって摩耗が加速し、切削特性が劣化してしまう恐れがあるためであり、また、切削工具における耐欠損性を高める上では、焼結体中の最大ボイド径が５μｍ以下であることが望ましく、最大ボイド径が５μｍを越えると、耐摩耗性、耐欠損性が低下するためである。
【００２０】
本発明の切削工具を製造するには、先ず、平均粒径が０．１〜１μｍのアルミナ粉末に、Ｔｉ成分を酸化物換算で０．２〜５重量％、さらにはＭｇ成分を酸化物換算で０．１〜３重量％、そして、希土類元素、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｍｏ、ＷおよびＳｉの群から選ばれる少なくとも１種の酸化物を０．３〜３５重量％の割合で添加混合する。各成分としては、酸化物粉末、金属粉末、有機塩類、無機塩類およびその溶液のいずれでもよい。
【００２１】
上記の混合物を、所望の成形手段、例えば、金型プレス、冷間静水圧プレス、鋳込成形、射出成形、押出し成形等により切削工具形状に成形する。
【００２２】
次に、この成形体を公知の焼結法、例えば、ホットプレス法、常圧焼成法、ガス加圧焼成法、マイクロ波加熱焼成法、さらにこれらの焼成後に熱間静水圧処理（ＨＩＰ）処理、およびガラスシール後（ＨＩＰ）処理する等、種々の焼結手法によって焼結する。
【００２３】
本発明によれば、焼成にあたり、まず、Ｔｉがアルミナ結晶中に固溶可能な還元性雰囲気中で熱処理した後、固溶体からＴｉが酸化物として析出可能な酸化雰囲気で熱処理することにより、アルミナ結晶粒内にＴｉ含有酸化物を微細な結晶粒子として析出させることができる。
【００２４】
また、Ｔｉに加え、Ｍｇを含む場合には、Ｔｉ：Ｍｇ原子比を１：１に制御し、アルミナ結晶中に固溶可能な酸化性雰囲気中で熱処理した後、固溶体から、Ｍｇが酸化物として析出可能な還元雰囲気で熱処理することにより、アルミナ結晶粒内にＭｇ含有酸化物を析出させることができる。成形体は上記いずれの熱処理工程において緻密に焼成してもよいし、別の焼結工程で緻密化させてもよい。
Ｔｉ化合物をアルミナに添加する場合、Ｔｉは還元性雰囲気で熱処理すると、Ｔｉのイオン価数が３＋となりアルミナ結晶に対する溶解度が高くなり、固溶体を形成する。そして、この固溶体を酸化性雰囲気で処理することによりＴｉのイオン価数が４＋に戻り、アルミナ結晶への溶解度が低下する結果、Ｔｉは、主にＴｉＯ2 、Ａｌ2 ＴｉＯ5 として析出させることができる。
【００２５】
また、ＴｉとＭｇを含む化合物を同時にアルミナに添加する場合に、酸化性雰囲気で処理すると、ＴｉとＭｇは同モル比でアルミナ結晶中に同時に固溶できる。そして、この固溶体を還元雰囲気で処理することによりＴｉのイオン価数が３＋となり、単独で優先にアルミナ中に溶解する。Ｍｇは単独でアルミナに溶解できないため、主にＭｇＡｌ2 Ｏ4 の形で析出させることができる。
【００２６】
上記の還元性雰囲気とは、水素含有雰囲気、不活性ガス雰囲気、高真空など酸素分圧が１０-6ａｔｍ以下の雰囲気でよい。また、酸化性雰囲気中の処理は大気中で行えば良い。なお、上記固溶、あるいは析出処理時の温度が低ければ目的の組織を形成することができず、温度が高ければ、アルミナ結晶粒および析出粒子の粗大化を発生させてしまう。かかる見地から、固溶、析出時の温度は、１１００〜１６００℃の範囲が好適である。
【００２７】
そして、得られた焼結体表面を研磨加工して、被削材との接触面の表面粗さ（Ｒｍａｘ）が１μｍ以下、特に０．５μｍ以下となるように研磨加工する。さらには、刃先部をホーニング加工することによりさらに耐摩耗性を高めることができる。
【００２８】
このようにして得られる焼結体は、ＪＩＳＲ１６０１における１２００℃の４点曲げ強度が４００ＭＰａ以上の優れた高温強度を具備するとともに、表面のビッカース硬度も１８ＧＰａ以上の優れた機械的特性を具備する。
【００２９】
従って、本発明の切削工具は、特に、鋼や鋳鉄などの仕上げ加工などのように、切削速度２５０ｍ／ｍｉｎ以上の高速旋削加工用として最も有用である。
【００３０】
【実施例】
平均粒径０．５μｍのアルミナ粉末に、平均粒径０．７μｍの酸化チタン（ＴｉＯ2 ）粉末、平均粒径が０．６μｍの水酸化マグネシウム（Ｍｇ（ＯＨ）2 ）粉末、平均粒径１．０μｍの希土類元素（Ｙ、Ｙｂ、Ｌｕ）酸化物粉末、平均粒径０．５μｍのＺｒＯ2 、ＨｆＯ2 、ＭｏＯ3 、ＷＯ3 、ＳｉＯ2 、ＴｉＣＮ粉末を用い、表１、２に示す組成になるように秤量混合して混合粉末を得た。
【００３１】
そして、この混合粉末を１ｔ／ｃｍ2 の圧力で工具形状に金型成形し、さらに３ｔ／ｃｍ2 の圧力で静水圧処理を加えて成形体を作製した後、表１、２に示す各種条件で固溶処理および析出処理を行った。
【００３２】
得られた各焼結体に対して、アルキメデス法により相対密度を算出し、さらに断面を鏡面加工し、エッチング後の走査型電子顕微鏡写真に対して画像解析を行い、被削材の接触面に観察されるアルミナ結晶の平均粒径および表面における最大ボイド径を求めた。また、ＴｉあるいはＭｇ含有酸化物の析出相が存在する領域の深さおよび析出粒子の粒径を透過型電子顕微鏡写真より求めた。機械的特性として、焼結体鏡面のビッカース硬度（荷重１ｋｇ）を測定した。これらの結果を表３、４に示す。
【００３３】
また、上記と同様にしてＪＩＳＲ１６０１の規格に基づく抗折試験片を作製して、１２００℃における強度を測定し、表３、４に示した。
【００３４】
各焼結体をそれぞれを形状ＳＮＧＮ１２０４０８（幅０．１ｍｍ×傾斜角２５°）のホーニング加工し、表面粗さＲｍａｘを０．５μｍとして、
被削材    ＳＫＤ１１（ＨＣＲ６０〜６２）
切削速度  ３００ｍ／ｍｉｎ
切り込み  ０．５ｍｍ
送り      ０．１ｍｍ／ｒｅｖ
の乾式による外周連続旋削試験を行い、フランク摩耗量（ＶＢ）が約３ｍｍとなるまでの時間とその時点でのフランク摩耗量を測定し，結果を表３，４に示した。
【００３５】
【表１】
0003715775.tif 000002
【００３６】
【表２】
0003715775.tif 000003
【００３７】
【表３】
0003715775.tif 000004
【００３８】
【表４】
0003715775.tif 000005
【００３９】
表１〜４より本発明に基づいて得られた切削工具は、３００ｍ／ｍｉｎもの高速切削条件下でも３０分以上の切削寿命を有し、優れた耐摩耗性とともに、優れた長寿命を示した。
【００４０】
これに対して、ＴｉＣＮ粒子を分散させた試料Ｎo.１７は、２０分でクレータ摩耗が原因で破損に至った。また、それ以外の本発明の条件を逸脱する試料Ｎo.１６、１８〜２２では、いずれも硬度が低く、切削寿命が２０分以内で寿命判定となった。
【００４１】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の高速切削用工具は、その被削材との接触面においてアルミナ結晶粒子内にＴｉあるいはＭｇ含有酸化物粒子を分散させることにより、材料の化学的安定性を損なうことなしに、表面硬度を大幅に改善するとともに、高温強度も高めることができる結果、鋼や鋳鉄などの旋削による高速切削加工においても優れた耐摩耗特性を具備する長寿命の切削工具を提供できる。