(57)【要約】  この発明が解決しようとする課題は、切削性能の長寿命化を図ることのできる切削インサート及び切削工具の提供することである。  この発明に係る切削インサートは、ウィスカーを含むセラミックで形成されて成る切れ刃と、基材とを一体に有して成る切削インサートであって、前記基材はその熱膨張係数が前記切れ刃の熱膨張係数よりも大きく、且つ、前記基材の熱膨張係数と前記切れ刃の熱膨張係数との差が０ｐｐｍを超えて３ｐｐｍ以下であることを特徴とする。
2010010648.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウィスカーを含むセラミックで形成されて成る切れ刃と、基材とを一体に有して成る切削インサートであって、
前記基材はその熱膨張係数が前記切れ刃の熱膨張係数よりも大きく、且つ、前記基材の熱膨張係数と前記切れ刃の熱膨張係数との差が０ｐｐｍを超えて３ｐｐｍ以下であることを特徴とする切削インサート。
【請求項２】
前記切れ刃の母相が主としてアルミナであり、前記ウィスカーが炭化ケイ素から成り、切れ刃表面において０ＭＰａを超えて２００ＭＰａ以下の残留応力が存在する請求項１に記載の切削インサート。
【請求項３】
前記基材は、複数の相を有する複合材料である請求項１又は２に記載の切削インサート。
【請求項４】
前記基材がサーメットである請求項１〜３のいずれか１項に記載の切削インサート。
【請求項５】
前記基材が、平均粒子径１μｍ以上５μｍ以下の炭化ケイ素粒子を含むセラミックである請求項１〜３のいずれか１項に記載の切削インサート。
【請求項６】
前記切れ刃の厚みＷ１と前記基材の厚みＷ２との比Ｗ１／Ｗ２が、０．１を超えて０．７以下である請求項１〜５のいずれか１項に記載の切削インサート。
【請求項７】
前記切れ刃と前記基材とは、ホットプレス焼結により、又は金属ロウ材により一体に形成されて成る請求項１〜６のいずれか１項に記載の切削インサート。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の切削インサートを備えた切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、切削インサート及び切削工具に関し、更に詳しく言うと、切削性能を長寿命化した切削インサート及びその切削インサートを備えた切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、「高価なＳｉＣウィスカーの使用量に注目して、ねずみ鋳鉄やダクタイル鋳鉄等の鉄系被削材の切削に十分なコスト／パーフォーマンスを与えるＳｉＣウィスカー強化Ａｌ２Ｏ３系セラミックス切削工具・・・を提供すること」という目的を達成する切削工具として、「Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＣウィスカー系切削工具において、厚さ２ｍｍ以上４ｍｍ以下の切れ刃部をＡｌ２Ｏ３−ＳｉＣウィスカー系材料で構成し、それ以外をＡｌ２Ｏ３系粒子材料で構成したことを特徴とするセラミックス切削工具」が記載されている（特許文献１の段落番号０００４欄、請求項１及び図１参照。）。
特許文献１の開示によると、形成される切れ刃に含まれるＳｉＣウィスカーの含有量は７体積％〜４０体積％とされており、実施例により実証されている含有量は２５体積％及び３２体積％である（特許文献１の段落番号０００９、００１５、００１９、００２０参照）。
しかしながら、特許文献１には、ＳｉＣウィスカーの含有量が２５〜３２体積％の範囲外であっても、例えば７〜２５体積％でＳｉＣウィスカーが含まれる切れ刃を有する切削工具はねずみ鋳鉄やダクタイル鋳鉄等の鉄系被削材の切削に十分なコスト／パーフォーマンスを達成することができることを伺わせる技術的意義の記載が見当たらない。一般的にいうと、切削工具における切れ刃の特性はその切れ刃に含まれる成分の含有量に大きく依存し、含有量の大小により切れ刃の特性が大きく変化するものと、考えられる。【０００３】
特許文献２には、「セラミック焼結体により形成され、基材と、該基材を構成する面上のうちの少なくとも一部に積層された外層とからなる積層構造の切削工具において、該切削工具は、該外層の表面のうちの少なくとも一部が逃げ面として用いられるものであり、該外層の熱膨張係数が該基材の熱膨張係数より小さいことを特徴とする切削工具」が記載されている（特許文献２の請求項１及び図３参照）。
この特許文献２には、「基材と外層との熱膨張係数の差は、２５〜１０００℃の平均値で、０．１×１０−６〜３．０×１０−６／Ｋ、・・・であることが好ましい。熱膨張係数の差が０．１×１０−６／Ｋ未満であると、十分な残留圧縮応力が発生せず、耐欠損性に優れた切削工具とすることができない場合がある」との開示がある（特許文献２の段落番号００２１参照）。
この特許文献２の実施例を参照すると、実験例１〜１１では、Ｓｉ３Ｎ４−Ｙｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４−Ｙｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−ＷＣにより切れ刃が形成されていて、基材と切れ刃である外層との熱膨張係数差が０．３〜３．３ｐｐｍであり、実験例１４では、Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＣにより切れ刃が形成されていてその切れ刃である外層と基材との熱膨張係数差が２ｐｐｍである切削工具が開示されている（特許文献２の表１参照）。また、この特許文献２における実験例１４で使用されるＳｉＣは微粒子状粉末である。
この特許文献２では、切削工具は、多段プレス法、シート積層法、ホットプレス法等によって所定形状の成形体とした後、ガス圧焼結法、熱間静水圧焼結法、又はホットプレス焼結法により焼成し、得られた焼結体を所定形状に加工することによって製造することができるとされている（特許文献２の段落番号００２８参照）。
しかしながら、特許文献２における実施例を参照すると、「基材用、外層用の順に各々の混合粉末を金型に注入し、一軸プレスにより積層する多段プレス法によって成形」することにより得られた成形体を「冷間静水圧プレス処理により高密度化し」て最終的な成形体を製造し、この最終的な成形体を所定形状に加工することにより、切削工具が製造されている（特許文献２の段落番号００２８、００２９、００３０、００３１参照）。つまり、特許文献２においては、特許文献２に記載の発明が主張するところの、耐欠損性及び耐摩耗性に優れた切削工具が多段プレス法及び冷間静水圧プレス処理により製造されることが実施例により実証されているのであって、シート積層法及びガス圧焼結法の組み合わせにより製造された切削工具が果たして耐欠損性及び耐摩耗性に優れているかどうかは特許文献２の限りでは明らかではない。
更に、特許文献２に記載の発明はウィスカーを含有しないセラミックで形成された切削インサートであり、焼結し難いウィスカーを含むセラミックを製造する方法であって、且つ、残留応力を発生させる手法については、特許文献２には何らの開示もない。【０００４】
近年においては、切削工具については耐摩耗性及び耐欠損性の向上のみならず、耐熱衝撃性といった特性の向上も望まれている。一般的にいうと、切れ刃中のウィスカーの含有量が増加すると耐摩耗性が低下する傾向にあるので、切れ刃におけるウィスカーの含有量が減少しても耐摩耗性が低下せず、しかも耐欠損性に優れ、さらには耐熱衝撃性といった特性に優れた切削インサート及びそのような切削インサートを備えた切削工具が望まれていた。
【先行技術文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−１０４０９号公報
【特許文献２】特開２００３−２３１００５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この発明が解決しようとする課題は、耐摩耗性、耐欠損性及び耐熱衝撃性に優れて切削性能を長寿命化した切削インサート及び切削工具を提供することである。更にウィスカーの使用量を低減した切削インサートを提供することである。【０００７】
この発明が解決しようとする別の課題は、前記切削インサートを備えた切削工具を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するための手段としては、
（１）ウィスカーを含むセラミックで形成されて成る切れ刃と、基材とを一体に有して成る切削インサートであって、
前記基材はその熱膨張係数が前記切れ刃の熱膨張係数よりも大きく、且つ、前記基材の熱膨張係数と前記切れ刃の熱膨張係数との差が０ｐｐｍを超えて３ｐｐｍ以下であることを特徴とする切削インサート、
を挙げることができ、
前記（１）の好ましい態様としては、
（２）前記切れ刃の母相が主としてアルミナであり、前記ウィスカーが炭化ケイ素から成り、切れ刃表面において０ＭＰａを超えて２００ＭＰａ以下の残留応力が存在する（１）に記載の切削インサート、
（３）前記基材は、複数の相を有する複合材料である（１）又は（２）に記載の切削インサート、
（４）前記基材がサーメットである（１）〜（３）のいずれか一つに記載の切削インサート、
（５）前記基材が、平均粒子径１μｍ以上５μｍ以下の炭化ケイ素粒子を含むセラミックである（１）〜（３）のいずれか一つに記載の切削インサート、
（６）前記切れ刃の厚みＷ１と前記基材の厚みＷ２との比Ｗ１／Ｗ２が、０．１を超えて０．７以下である（１）〜（５）のいずれか一つに記載の切削インサート、
（７）前記切れ刃と前記基材とは、ホットプレス焼結により、又は金属ロウ材により一体に形成されて成る（１）〜（６）のいずれか一つに記載の切削インサート、及び、
（８）（１）〜（７）のいずれか一つに記載の切削インサートを備えた切削工具、
を挙げることができる。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によると、基材の熱膨張係数が切れ刃の熱膨張係数よりも大きいことにより、残留応力が発生するので、切削インサートに使用されているウィスカーの使用量が少量であったとしても、切削性能が長寿命である切削インサートを提供することができる。
更に言うと、切削インサートが切削不能になる原因は、切れ刃部分に欠損が発生すること、及び切れ刃部分が摩耗してしまうことのいずれか又は両方であることが、この発明者らにより見出された。切れ刃部分に欠損が発生しないようにすることは耐欠損性を向上させ、また、切れ刃部分が摩耗しないようにするには耐摩耗性を向上させる必要がある。ところが、セラミックの成形体の耐欠損性を向上させると耐摩耗性が低下する傾向にあり、耐摩耗性を向上させると耐欠損性が低下する傾向にある。セラミック成形体の耐欠損性及び耐摩耗性の両者をともに向上させることができないのが従来の有様であったところ、この発明に係る切削インサートの切削性能が長寿命化したことは、耐摩耗性及び耐欠損性を共に向上させ、さらに、基材の熱膨張係数と切れ刃の熱膨張係数の差を利用した残留応力の効果により、切削加工時に切削インサートに繰り返しかかる熱的負荷に対する抵抗力である耐熱衝撃性も併せて向上させることができたことを意味する。この発明によると、切れ刃にウイスカーを必須の要素として含有させたこと、及び、前記残留応力を発生させたこととにより従来の切削インサートには見られない、耐欠損性、耐摩耗性及び耐熱衝撃性が共に向上したとの新たな現象に基づく、長寿命化の達成という技術的効果を奏する切削インサートを提供することができる。【００１０】
また、この発明によると、基材の熱膨張係数を調整し易い切削インサートを提供することができる。【００１１】
更に、この発明によると、前記切削インサートを備えていることにより、耐摩耗性、耐欠損性及び耐熱衝撃性に優れるといった利点のある、長寿命の切削工具を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、この発明に係る切削インサートの一例を示す説明図である。
【図２】図２は、この発明に係る切削インサートの他の例を示す説明図である。
【図３】図３は、この発明に係る切削工具の一例を示す説明図である。
【図４】図４は、この発明に係る切削インサートの一実施例の反射電子組成像である。
【図５】図５は、図４の拡大図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
この発明に係る切削インサートは、耐欠損性と耐摩耗性とを同時に向上させるために、以下に説明する独特の着眼をもって完成された。
耐欠損性に優れるセラミックで形成された切削インサートを得るには、ウィスカーの含有が必須であるので、既述した特許文献２に記載の発明の具体例で示される切れ刃に含まれる微粉末状のＳｉＣの代わりに、ウィスカー状のＳｉＣを配合することにより形成した切れ刃を有する切削インサートについて、検討した。
ウィスカーを含有するセラミックで形成された切削インサートで鉄系材料を研削すると、切削インサートにおけるウィスカー含有量が大きいとウィスカー自身が摩耗してしまう。そのため、切削インサート自体の耐摩耗性を向上させるには、ウィスカー自身の含有量を低減させる必要がある。ところが、耐摩耗性の向上を図る目的をもって切削インサート中のウィスカー含有量を低減させると耐欠損性が低下して切削寿命の短い切削インサートになってしまう。更に、ウィスカーを含有しない場合には、ウィスカーを含有する場合に比べて耐欠損性の低下が著しく、一定量以上のウィスカー含有は必須とされる。したがって、切削インサートにおいては、耐摩耗性を向上させると耐欠損性に劣り、耐欠損性を向上させると耐摩耗性が低下すると言ったように、耐欠損性と耐摩耗性とを同時に向上させることは、ウィスカーの含有量を調整し、また、セラミックの種類を選別するという技術的着眼では到底達成されないとの結論に、到った。耐摩耗性と耐欠損性とを両立させて切削寿命を長くしようとするこの発明に係る切削インサートにおける基本的な原理は、耐欠損性及び耐摩耗性を低下させない程度にウィスカーを切れ刃に含有させるとともに、残留応力を切削インサートに発生させることにより耐欠損性の低下を防止することである。切削インサート中に残留応力を発生させるには、ウィスカーとセラミックとを有する切れ刃と、ウィスカーを含有しないかウィスカーを含有するにしても切れ刃におけるウィスカー含有量よりも少ない含有量でウィスカーを含有するセラミック及び／又はサーメットからなる基材とを一体化して成る切削インサートにおいて、切れ刃の熱膨張係数に対する基材の熱膨張係数を特定の範囲に調整することにより達成される。【００１４】
前記切れ刃に含まれるウィスカーとしては、例えばグラファイトウィスカー、アルミナ系ウィスカー、窒化ケイ素ウィスカー、ムライトウィスカー、炭化チタンウィスカー及びホウ化チタンウィスカー等を挙げることができ、好ましいウィスカーは、炭化ケイ素ウィスカーである。前記ウィスカーは、被切削材と反応する場合があるので、被切削材の種類に応じてウィスカーの種類も適宜決定すれば良い。また、前記ウィスカーの好ましい大きさは、平均直径が０．１〜１μｍであり、長軸長さが２〜１００μｍである。なお、炭化ケイ素ウィスカーが前記好ましい大きさであると、この発明に係る切削インサートの耐欠損性を向上させ易い。【００１５】
前記切れ刃を形成するセラミックとしては、ウィスカーと同様に、被切削材と反応しない種類のセラミックを選択すると良く、例えば酸化アルミニウム、炭化珪素、炭化チタン、酸化アルミニウムと炭化珪素及び／又は炭化チタンとを組合せたセラミック等を挙げることができる。
切れ刃を形成するために使用されるセラミックは、平均粒径が０．１〜２μｍの粉体を用いると、前記ウィスカーを分散させ易く、かつ焼成し易い。
前記セラミックとウィスカーとの混合方法は、ボールミル等を用いて乾式混合又は湿式混合により行うと良い。なお、前記セラミックと前記ウィスカーとの混合方法として、湿式混合を採用する場合には、溶媒としてアセトン、メタノール、エタノール等を用いることができる。前記切れ刃の形状及び大きさは、被切削材の種類、及びこの発明に係る切削インサートの切削態様等に応じて決定すると良い。
切れ刃における前記ウィスカーとセラミックとの含有量比は、切れ刃の焼結体を組成分析しても、切れ刃を形成するために使用されるウィスカーとセラミックとの配合量比と実質的に同じである。切れ刃における前記ウィスカーの含有量比としては、切れ刃全体を１００体積％とした場合に、配合量比に換算して、２５体積％以上４０体積％以下の範囲内であるのが好ましい。ウィスカーの含有量比が前記範囲の下限値未満であると耐欠損性が低下する傾向が現われ、前記範囲の上限値を超えるとウィスカーの摩耗が大きくなる傾向が現われる。前記切れ刃が前記範囲内の割合でウィスカーを含有していると、基材の熱膨張係数が切れ刃の熱膨張係数に対して特定の範囲で大きい場合には、この発明に係る切削インサートの切削性能の長寿命化をさらに大きく図ることができる。【００１６】
前記切れ刃は、後述の基材と同時に加圧焼結により基材に一体のものとして形成することができ、また切れ刃と成る切れ刃前駆体と基材と成る基材前駆体とを別々に成形した後に切れ刃前駆体と基材前駆体とをロウ付けにより接着して形成することもできる。【００１７】
前記基材は、その熱膨張係数が、前記切れ刃の熱膨張係数よりも大きく、熱膨張係数の差は０ｐｐｍを超えて３ｐｐｍ以下であることが好ましい。
基材の熱膨張係数が切れ刃の熱膨張係数より前記範囲内で大きいと、この発明に係る切削インサートを作製したときに、前記切れ刃と基材とが焼結されているので、前記切れ刃と基材との間に残留応力が生じる。切れ刃と基材との間に残留応力が生じると、この発明に係る切削インサートの耐欠損性が向上することとなる。結果として、耐欠損性が向上すると、この発明に係る切削インサートの切削性能の長寿命化を図ることができる。更に言うと、熱膨張係数を調整することにより、切削性能の長寿命化を図ることができるので、ウィスカーの含有量を減じることができる。よって、高価なウィスカーの使用量を低減させることに寄与することができる。【００１８】
なお、基材の熱膨張係数と切れ刃の熱膨張係数との差が０ｐｐｍである場合には、切れ刃と基材との間に残留応力が生じないので、この発明に係る切削インサートの耐欠損性を向上させることができない。また、基材の熱膨張係数が切れ刃の熱膨張係数より３ｐｐｍを超えて大きい場合には、生じる残留応力が過大となり、基材にクラックが発生することがある。基材にクラックが発生すると、この発明に係る切削インサートの耐欠損性が低下する。更に、基材の熱膨張係数が切れ刃の熱膨張係数より小さい場合には、基材の熱膨張係数が切れ刃の熱膨張係数に対して０ｐｐｍを超えて３ｐｐｍ以下である範囲で大きい場合に比べて、残留応力が逆方向に作用することとなるので、この発明に係る切削インサートの耐欠損性を低下させることとなる。【００１９】
前記切れ刃は、ウィスカーを含むセラミックで形成される。このセラミックの種類とウィスカーの種類との組合せについて特に制限は無いが、好ましい組合せは、前記切れ刃の母相が主としてアルミナであり、ウィスカーが炭化ケイ素からなる組合せである。この組合せであると、切削インサートの耐摩耗性と耐欠損性とがバランス良く向上する。
また、切れ刃の母相が主としてアルミナであり、ウィスカーが炭化ケイ素からなる組合せである場合の残留応力は、切れ刃の表面において０ＭＰａを超えて２００ＭＰａ以下であるとき、耐摩耗性を損なうことなく、耐欠損性を向上することができ、クラックが発生し難くなり、またたとえクラックが発生するとしてもクラックの成長が遅いので、長時間の使用に耐える切削工具として好適である。更に、切れ刃表面における残留応力が０ＭＰａを超えて２００ＭＰａ以下である場合、切削インサートの切削性能の安定化を図ることができる。なお、残留応力が０ＭＰａである場合には、切れ刃と基材との間に残留応力が生じていないので、この発明に係る切削インサートの耐欠損性を向上させることができない。
なお、前記残留応力の調整は、切れ刃と基材との間の熱膨張係数差を調整することにより達成することができるが、それ以外にも例えばロウ材の有無、焼成温度、ホットプレス圧力、切れ刃の厚さ、切れ刃の形状、材料の弾性率、材料のポアソン比、組織の異方性、切れ刃と基材との間の濡れ性等を調整することにより達成することもできる。【００２０】
なお、基材及び切れ刃の熱膨張係数の測定方法としては、例えばＪＩＳ規格の「ファインセラミックスの熱機械分析による熱膨張の測定方法」（ＪＩＳ  Ｒ  １６１８）を挙げることができる。
また、切れ刃の残留応力測定としては、例えば社団法人日本材料学会が発刊する「Ｘ線応力測定法標準−セラミックス編−」（ＪＭＳＭ−ＳＤ１−００）が挙げることができる。【００２１】
この発明の切削インサートにおける基材の材料としては、前記切れ刃と熱膨張係数の差を生じ得る限り、前記切れ刃と同様のセラミックを用いることもできる。切れ刃におけるセラミックと基材を形成するセラミックとは同じ種類であっても、異なる種類であってもよい。また、基材の材料として前記セラミックと共に、又は前記セラミックに替えてサーメットを採用することもできる。このサーメットとしては、Ｎｉ、又はＮｉ及びＣｏを主体とする結合相と、金属成分がＴｉを主体として、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ及びＷのうちの１種以上を含む炭窒化物相を主体とする硬質相とにより形成されて成るＴｉＣＮ-Ｎｉ-Ｃｏ系サーメット及びＴｉＣＮ-Ｎｉ系サーメットを挙げることができる。前記基材を形成する好適なセラミック及び／又はサーメットは、通常、その平均粒径が０．１〜２μｍの粉体である。
この基材の熱膨張係数が切れ刃の熱膨張係数に対して前記範囲内で大きいという条件を満たす限り、この基材には、ウィスカー及び／又はパウダーが含有されていてもよい。見かたを変えて言うと、切れ刃の熱膨張係数と基材の熱膨張係数とを相違させるために、切れ刃を形成するセラミックとは異なる種類のセラミック及び／又はサーメットで基材を形成し、また、切れ刃におけるウィスカーの含有量よりも少ない含有量でウィスカーを含有するセラミック及び／又はサーメットで基材を形成し、また、ウィスカーに代えてパウダーを含有するセラミック及び／又はサーメットで基材を形成し、また、切れ刃を形成するセラミックとは全く異なる材料で基材を形成することもできる。【００２２】
基材の実施態様として好ましいのは、複数の相を有する複合材料である基材を用いることである。基材が、複合材料であると、複数種のセラミック及び／又はサーメットの含有量を調整することにより、基材の熱膨張係数を調整し易くなる。したがって、この発明の切削インサートにおける切れ刃の熱膨張係数と基材の熱膨張係数との差を調整し易くなる。【００２３】
基材の材料として特に好ましいのは、サーメット又は炭化ケイ素粒子を複合させたセラミックである。
前記セラミックに複合させる炭化ケイ素粒子の粒径としては、１μｍ以上５μｍ以下が良い。炭化ケイ素粒子の粒径が１μｍ以上５μｍ以下であると、クラックが発生してもクラックの進展を抑制することができ、焼結性が良好であるので好ましい。このセラミック基材の主相としては、熱膨張係数や残留応力を所定の値に調整することが、容易なことからアルミナが好ましい。なお、炭化ケイ素粒子の平均粒径は、光学顕微鏡又は電子顕微鏡を用いて、測定することができる。
また、前記サーメットとしては、Ｎｉ、又はＮｉ及びＣｏを主体とする結合相と、金属成分がＴｉを主体として、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ及びＷのうちの１種以上を含む炭窒化物相を主体とする硬質相とにより形成されて成るＴｉＣＮ-Ｎｉ-Ｃｏ系サーメット及びＴｉＣＮ-Ｎｉ系サーメットを挙げることができる。【００２４】
この発明に係る切削インサートは、前記切れ刃と前記基材とを一体に有してなる。
この発明に係る切削インサートは、２層構造又は３層構造を採用することができる。この発明に係る切削インサートにおいては、切れ刃が切削に供される部位であるので、切れ刃が露出するように形成され、２層構造の場合は、単に切れ刃と基材とを重ねれば良く、３層構造の場合は、板状の基材をその両面から切れ刃により挟み込むように積層すれば良い。【００２５】
この発明に係る切削インサートを作製する際に、切れ刃と基材とを一体化する方法としては、熱間等方圧加圧法、ホットプレスによる焼結、又はロウ付け等を挙げることができる。なお、切れ刃と基材とを一体化する好ましい方法は、ホットプレスによる焼結、又は切れ刃前駆体と基材前駆体とを金属ロウで接着する金属ロウ付け接着である。ホットプレス焼結法としては、通常、基材を形成するのに必要な基材用原料粉末を金型内に収容し、次いで、金型内に収容されている基材用原料粉末の表面に、切れ刃を形成するのに必要な切れ刃用原料粉末を、覆うように収容し、次いで一軸方向に前記原料粉末を所定温度に加熱しつつ加圧する方法を挙げることができる。ホットプレス焼結により基材と切れ刃とが一体化してなる切削インサートにおいては、ホットプレス焼結時の加圧により切れ刃と基材が強固に化学結合するので、具体的に言うと、例えば基材と切れ刃とに含まれるアルミナ成分が焼結して基材と切れ刃とを架橋する形態と成るので、接着強度が大きく、切削時に切れ刃と基材とが分離してしまうことが無い。又、金属ロウ付け接着により基材と切れ刃とが一体化してなる切削インサートにおいては、樹脂系の接着剤で切れ刃前駆体と基材前駆体とを接着してなる切削インサートに比べ、切れ刃と基材とが金属ロウ材を介して強固に化学結合するので、接着強度が大きく、切削時に切れ刃と基材とが分離してしまうことが無い。
ホットプレス焼結の場合には、基材がセラミックで形成されている場合に、この化学結合は、切れ刃に含まれるセラミック例えばアルミナが基材中のセラミック例えばアルミナと焼結し、基材と切れ刃とを架橋することにより、実現されている。また、ホットプレス焼結の場合には、基材がサーメットで形成されている場合に、前記化学結合は、切れ刃に含まれるアルミナ等のセラミックと、基材中のサーメットに含まれる金属例えば鉄、ニッケル及びコバルト等の遷移金属とが、相互に固溶する形態と成ることにより、実現されている。更に、ロウ付けの場合には、基材中のアルミナ等のセラミック及び／又は遷移金属等のサーメットとロウ材中の金属、例えばチタンとが化学的に結合し、切れ刃と基材とが強固に結合することとなる。したがって、好適なロウ付けにおけるロウとしてはチタンを含む活性ロウ材等が好ましい。
この発明に係る切削インサートを、ホットプレス焼結により作製した場合、及び金属ロウ付けにより作製した場合のいずれであっても、切れ刃及び基材、又は、切れ刃、基材及び金属ロウ材に含まれる金属粒子が相互に化学結合することにより、強固な接着状態を実現することになる。この発明に係る切削インサートは、ウィスカーを含有することにより耐欠損性が向上し、更にホットプレス焼結又は金属ロウ付けにより耐欠損性がより一層高まる。【００２６】
この発明に係る切削インサートにおける切れ刃の厚みは、すなわち基材と切れ刃との積層方向における切れ刃の厚みは、通常の場合、０．８ｍｍ以上２ｍｍ以下である。切れ刃の厚みが前記範囲における下限値を下回ると、高価なウィスカーの使用量を減じることができて好都合ではあるものの、切削加工又は研削加工の際に切れ刃に生じたクラックが切れ刃と基材との界面に短時間の内に到達することがある。また、切れ刃の厚みが前記上限値を超えると切削インサートの製造コストが上昇し、積層方向における基材からの距離が大きくなるにつれて切れ刃の残留応力が低下する傾向を示す。
この発明に係る切削インサートは、前記切れ刃の厚みＷ１と前記基材の厚みＷ２との比Ｗ１／Ｗ２が０．１を超えて０．７以下であるのが、好ましい。前記比Ｗ１／Ｗ２が０．１を超えて０．７以下であると、切削中に切れ刃で生じたクラックが基材に達し難く、かつウィスカーの使用量を適度に低減することができ、かつ切れ刃と基材との間に生じる残留応力を効果的に作用させると共に維持することもできる。
この発明に係る切削インサートは、優れた耐摩耗性、耐欠損性及び耐熱衝撃性を有し、切削性能が長寿命であるので、種々の機械部品、特に飛行機部品を加工し易い。更に言うと、飛行機部品の中には、高強度、高融点の為、難削性である耐熱合金で形成された部品が多く、部品の切削中に高温が発生することがあるので、切削インサートは高温による過熱状態と高温を冷ます冷却状態とに繰り返し曝される。耐熱合金には、例えばＩＮＣＯＮＥＬ７１８、ＷＡＳＰＡＬＯＹ、ＲＥＮＥ等の種類がある。このような耐熱合金は、高温の環境下で使用される、飛行機のジェットエンジン、蒸気タービン、ガスタービンの部品等に用いられる。この発明の切削インサートは、切れ刃と基材とに熱膨張係数の差異があるので、切削中にも高温により切削インサート内に残留応力が生じることとなるので、従来では高温となり易い難削性の被切削物であっても、この発明の切削インサートであれば、容易に加工することができる。【００２７】
ここで、この発明に係る切削インサート及び切削工具の一実施態様を、図面を参照しつつ説明する。【００２８】
図１に、この発明の一実施態様である切削インサート１を示す。切削インサート１は、切れ刃２及び基材３が一体化した焼結体である。図１に示されるように、切削インサート１は、間に基材３を挟み込むようにして一組の切れ刃２、２が一体に配設された３層構造を有している。切削インサート１は、切れ刃２と基材３との間に熱膨張係数の差異によって、基材３が切れ刃２を内部に引っ張るような残留応力が生じることとなる。もっとも、この発明に係る切削インサートにおいては、ネガタイプの切削インサートが必要である場合は図１に示される３層構造が好ましい。図２には、この発明の他の実施態様である切削インサート１１を示す。切削インサート１１と前記切削インサート１との相違点は、層の数である。すなわち、切削インサート１１は、図２に示すように２層構造である。この相違点以外は、図１に示す切削インサート１と同様の原料、形成方法及び形状等を有している。仮に、ポジタイプの切削インサートが必要である場合は、基材３の一端面に切れ刃２を一体化してなる２層構造とするのが好ましい。【００２９】
図３に、この発明の一実施態様である切削工具４を示す。切削工具４は、切削インサート１、保持具５及び留め具６を有している。保持具５の一端部には、切削インサート１が嵌るように、切削インサート１の平面形状に合わせて凹部が設けられている。留め具６は、保持具５の凹部に配置された切削インサート１を押え付けることにより、切削中に切削インサート１が保持具５からの脱離を防止する部材である。
【実施例】
【００３０】
以下に、この発明に係る切削インサートの実施例及び比較例を示す。以下に示す実施例及び比較例においては、切れ刃及び基材をホットプレス焼結により一体化した態様と、金属ロウ付けにより一体化した態様とを示す。【００３１】
（i）ホットプレス焼結
切れ刃及び基材は、表１に示す配合割合となるように調製した。後述の実施例においては、表１の種別Ａ〜Ｄ、Ｈ〜Ｑ、Ｓ及びＵが基材として使用する試料であり、表１の種別Ｅ〜Ｇ、Ｋ、Ｒ、Ｔ及びＶが切れ刃として使用する試料である。【００３２】
また、表１の酸化アルミニウムは、平均粒径０．４μｍの市販の粉体である。炭化ケイ素は、平均粒径０．５〜６．０μｍの市販の粉体である。炭化ケイ素ウィスカーは、平均直径が０．８μｍ、長軸長さが１０〜５０μｍの市販品である。更に、酸化イットリウムとしては平均粒径１．０μｍの市販の粉体を用いると共に、酸化ジルコニウムとしては平均粒径２．０μｍの市販の粉体を用いた。なお、表１中、サーメットＡは、日本特殊陶業株式会社製の「Ｃ７Ｘ」であり、サーメットＢは、日本特殊陶業株式会社製の「Ｔ１５」であり、サーメットＣは日本特殊陶業株式会社製の「Ｎ４０」である。Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＣＮセラミックは、日本特殊陶業株式会社製の「ＨＣ２」であり、Ａｌ２Ｏ３セラミックは、日本特殊陶業株式会社製の「ＨＣ１」である。【００３３】
熱膨張係数については、切削インサートを作製した後に測定することとした。【００３４】
【表１】
2010010648.tif 000003
【００３５】
次に、切削インサートを作製した。作製した切削インサートにおいて、切れ刃と基材との熱膨張係数差、切れ刃と基材との厚みの比、及び切削インサートの切削試験結果を表２に示した。作製した切削インサートしては、ウィスカーを含有する切れ刃のみの切削インサートと、切れ刃と基材とを一体化させた切削インサートとである。【００３６】
切れ刃の材料である表１の種別Ｅ又はＧのみを使用した切削インサートは、表２の種別「イ」又は「ロ」である。種別「イ」又は「ロ」の作製は、次の通りに行った。【００３７】
酸化アルミニウム粉末及び炭化珪素ウィスカーを表１記載の所定割合で配合し、アセトンを溶媒としボールミルにて２４時間混合した。その後アセトンを除去して得られた素地粉末を用いてホットプレス焼結を行った。具体的には、黒鉛型に型込めして、１９．６ＭＰａで一軸方向に加圧するとともに、２０．０ＫＰａの圧力のアルゴンガス中で、１８００℃で一時間保持して焼成した。これにより得られた板状焼結体をダイヤモンドホイールで切断することで、最終的に作製する切削インサートに近い形状の焼結体を得た。更に、焼結体の一軸加圧面がすくい面となるように、ＩＳＯ  ＳＮＧＮ１２０４０８形状に研磨加工して、所望の切削インサートを得た。【００３８】
更に、表２の種別「イ」又は「ロ」以外の種別、すなわち、切れ刃と基材とを一体化して成る種別の作製は、次の通りに行った。【００３９】
セラミック層と基材との厚みが表２に示した所定比率となるように、素地粉末の体積比率を調製して黒鉛型に型込めして、上記の種別「イ」又は「ロ」と同条件でホットプレス焼成を行った。また、板状焼結体の切断、研磨加工及び形状も種別「イ」又は「ロ」と同条件に処理し、切削インサートを得た。焼成後に切削インサートを中央部にて切断し５０００倍の走査電子顕微鏡で接合箇所を断面方向より確認したが、未接合の箇所がなく、基材と切れ刃とが強固に接合され、さらに、基材と切れ刃とに含まれるアルミナ粒子が化学結合していて、基材と切れ刃とを架橋する形態で焼結されている事が確認された。また、【００４０】
得られた切削インサートの熱膨張係数を測定した。熱膨張係数の測定方法は、各切削インサートを縦５ｍｍ×横５ｍｍ×長さ１０ｍｍに研磨加工し、ＪＩＳ  Ｒ  １６１８により規定された測定方法により、不活性ガス中において室温から１０００℃の平均熱膨張係数を測定した。
次に、得られた切削インサートの残留応力の測定を行った。残留応力の測定は、すくい面中心部分の表面を分析することにより行った。測定方法は、社団法人日本材料学会が発刊する「Ｘ線応力測定法標準−セラミックス編−」（ＪＭＳＭ−ＳＤ１−００）に基づき、Ｃｒ−Ｋα特性Ｘ線のアルミナ２２０回折線（２θ＝１４８．７３°）を用いて、２ｍｍの測定径にて測定を行った。【００４１】
続いて、得られた切削インサートの切削試験を、次の条件で行った。切削インサートの切れ刃が欠損するまでに加工が可能だった加工山数で評価する。切削送りｆ＝０．６ｍｍ／ｒｅｖで試験を開始し、５山の加工毎に切削送りを０．０５ｍｍ／ｒｅｖずつ上昇させた。３つの切削インサートにて試験を行い、平均値で評価することとした。
被削材：ＦＣ２００
切削インサート形状：ＩＳＯ  ＳＮＧＮ１２０４０８−ＴＮ
切削条件：Ｖ＝１５０ｍ／ｍｉｎ、ｆ＝０．６〜０．８ｍｍ／ｒｅｖ、ｄ＝２．０ｍｍ、乾式【００４２】
【表２】
2010010648.tif 000004
なお、表２中、種別１〜１７は実施例であり、種別「イ」、「ロ」、「ハ」、「ニ」、「ホ」、「ヘ」、「ト」及び「チ」は比較例である。また、種別「ヘ」は、特許文献１に記載の「実施の形態１」を追試した比較例であり、種別「ト」は、特許文献１に記載の「実施の形態２」を追試した比較例であり、種別「チ」は、特許文献１に記載の「実施の形態３」の追試した比較例である。【００４３】
表２の種別１〜１７と、種別「イ」〜「チ」とを比較すると、基材の熱膨張係数が切れ刃の熱膨張係数よりも０ｐｐｍを超えて３ｐｐｍ以下の範囲で大きい場合に、平均加工山数が多い。すなわち、切削インサートの切削性能の長寿命化を図ることができた。更に言うと、切削インサートの耐欠損性が向上したと評価された。また、基材の熱膨張係数が切れ刃の熱膨張係数と差がない種別「ヘ」、「ト」及び「チ」には切れ刃に残留応力が存在しておらず、前記種別の平均加工山数は、切れ刃の材料である表１の種別Ｅ又はＧのみを使用した種別「イ」及び「ロ」の平均加工山数と比べ大差がなく、つまり、切れ刃と基材を一体化させた効果は認められなかった。【００４４】
また、種別「イ」及び「ロ」は、従来のウィスカーを含有する切削インサートと同様であるので、種別１〜１７と種別「イ」及び「ロ」との比較により、従来の切削インサート全体がウィスカーを含有している態様よりも、この発明に係る切削インサートが切削性能において長寿命である。【００４５】
表２の種別１０及び１１と、種別３とを比較すると、基材がサーメットである方が平均加工山数が多い。これにより、切削インサートの基材がサーメットである場合は、切削性能がより一層長寿命となるといえる。【００４６】
表２の種別２〜４と、種別１及び５とを比較すると、切れ刃と基材との厚みの比Ｗ１／Ｗ２が０．１を超えて０．７以下である場合に、平均加工山数がより一層多くなっている。すなわち、切削インサートの切削性能の長寿命化を更に図ることができたことになる。【００４７】
（ii）ロウ付け
前記（i）と同様に、切れ刃と基材とを一体化した切削インサートを作製し、種別１８〜２２とすると共に、ウィスカー含有のセラミックのみで切削インサートを作製し、種別「リ」及び「ヌ」とした。【００４８】
種別１８〜２２は、先ず、前記（i）の種別「イ」及び「ロ」のように、切れ刃と成るウィスカー含有のセラミックを板状焼結体として作製し、ウィスカー含有セラミックの厚みは研削により所定寸法に調整した。次に、ウィスカー含有セラミックを、ＩＳＯ  １２０４１２形状の基材上面に化学的に活性なチタンを含むペースト状の活性銀ロウ「ＴＢ６２９Ｔ」（東京ブレイズ株式会社製）を塗布し、８００℃に加熱して接合した。次いで、焼結体の一軸加圧面がすくい面となるように、ＩＳＯ  ＳＮＧＮ１２０４１２形状に研磨加工して、所望の切削インサートとした。接合後に切削インサートを中央部にて切断し、５００倍の顕微鏡で接合箇所を断面方向より確認したが、未接合の箇所なく、基材と切れ刃が強固に接合されている事を確認した。【００４９】
種別「リ」及び「ヌ」は、ウィスカー含有セラミックのみを用いて、ホットプレス焼結により焼結体を得た。次に、焼結体の一軸加圧面がすくい面となるように、ＩＳＯ  ＳＮＧＮ１２０４１２形状に研磨加工して比較例の切削インサートを得た。なお、種別「リ」及び「ヌ」は、種別「イ」及び「ロ」と同一である。【００５０】
熱膨張係数の測定は、前記（i）と同様に行った。熱膨張係数の測定後、次の条件で切削試験を行った。切削試験は、溝加工を行うことにより切れ刃に対して機械的負荷を与えると共に、前記溝加工を繰り返し行うことにより熱的負荷を与えるという条件において、切れ刃が欠損するまでに加工が可能だった加工溝数で評価することとした。切削送りｆ＝０．３ｍｍ／ｒｅｖで試験を開始して、５山の加工毎に切削送りを０．０５ｍｍ／ｒｅｖずつ上昇させた。３つの切削インサートにて試験を行い、平均値で評価した。
被削材：ＩＮＣＯＮＥＬ７１８
切削インサート形状：ＩＳＯ  ＳＮＧＮ１２０４１２−ＴＮ
切削条件：Ｖ＝２００ｍ／ｍｉｎ、ｆ＝０．３〜０．４５ｍｍ／ｒｅｖ、ｄ＝１．５ｍｍ【００５１】
【表３】
2010010648.tif 000005
【００５２】
なお、表３中、種別１８〜２２は実施例であり、種別「リ」及び「ヌ」は比較例である【００５３】
表３の種別１８〜２２と、種別「リ」及び「ヌ」とを比較すると、基材の熱膨張係数が切れ刃の熱膨張係数よりも０ｐｐｍを超えて３ｐｐｍ以下の範囲で大きい場合に、平均加工溝数が多い。すなわち、切削インサートが機械的な衝撃と大きな温度変化とに繰り返し曝されても、切削インサートの破断が生じ難いという実施例の評価結果は、切削インサートが耐欠損性、耐摩耗性及び耐熱衝撃性に優れる、すなわち切削インサートの切削性能の長寿命化を図ることができたことを示している。【００５４】
ここで、上記種別「１２」における切れ刃と基材との積層界面のＳＥＭ像を用いて得られる反射電子組成像（以下、ＣＯＭＰ像と称することがある）を、図４及び図５に示すこととする。図４に示すＣＯＭＰ像の上半分は切れ刃２であり、下半分は基材３である。図４に示すＣＯＭＰ像は、走査型電子顕微鏡を用いて、種別「１２」の切れ刃及び基材の断面を倍率２０００倍にて観察して得られる画像である。図４に示すＣＯＭＰ像では、切れ刃２と基材３とが明らかに積層されていることが分かる。
図５に示すＣＯＭＰ像は、図４の一部を拡大した画像である。図５に示すＣＯＭＰ像は、倍率を５０００倍に設定して種別「１２」を観察して得られる画像である。図５における切れ刃２と基材３との積層界面７は、図４に示すＣＯＭＰ像の切れ刃２と基材３との界面を、組成の遷移状態から決定した界面である。また、図５において白線で描かれる円は、切れ刃２に含まれるアルミナ粒子と、基材３に含まれるアルミナ粒子とが架橋している箇所を示している。図５によりアルミナ粒子が架橋していることが観察できるので、種別「１２」は、切れ刃２と基材３とが強固に接着していることが分かる。この強固な接着状態により、種別「１２」は、耐欠損性、耐摩耗性及び耐熱衝撃性に優れた長寿命の切削インサートであることが分かる。この発明に係る切削インサートの実施例である他の種別も、図示しないが、ＣＯＭＰ像では積層界面において金属粒子が架橋していることを確認することができた。
この発明に係る切削インサートは、この発明の目的を達成することができる限り、図面及び実施例に示された実施態様に制限されること無く、適宜の設計変更が可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１、１１    切削インサート
２        切れ刃
３        基材
４        切削工具
５        保持具
６        留め具
７        積層界面
【図１】
2010010648.tif 000006
【図２】
2010010648.tif 000007
【図３】
2010010648.tif 000008
【図４】
2010010648.tif 000009
【図５】
2010010648.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成21年11月16日(2009.11.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウィスカーを含むセラミックで形成されて成る切れ刃と、基材とを一体に有して成る切削インサートであって、
前記基材はその熱膨張係数が前記切れ刃の熱膨張係数よりも大きく、且つ、前記基材の熱膨張係数と前記切れ刃の熱膨張係数との差が０ｐｐｍ／Ｋを超えて３ｐｐｍ／Ｋ以下であることを特徴とする切削インサート。
【請求項２】
前記切れ刃の母相が主としてアルミナであり、前記ウィスカーが炭化ケイ素から成り、切れ刃表面において０ＭＰａを超えて２００ＭＰａ以下の残留応力が存在する請求項１に記載の切削インサート。
【請求項３】
前記基材は、複数の相を有する複合材料である請求項１又は２に記載の切削インサート。
【請求項４】
前記基材がサーメットである請求項１〜３のいずれか１項に記載の切削インサート。
【請求項５】
前記基材が、平均粒子径１μｍ以上５μｍ以下の炭化ケイ素粒子を含むセラミックである請求項１〜３のいずれか１項に記載の切削インサート。
【請求項６】
前記切れ刃の厚みＷ１と前記基材の厚みＷ２との比Ｗ１／Ｗ２が、０．１を超えて０．７以下である請求項１〜５のいずれか１項に記載の切削インサート。
【請求項７】
前記切れ刃と前記基材とは、ホットプレス焼結により、又は金属ロウ材により一体に形成されて成る請求項１〜６のいずれか１項に記載の切削インサート。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の切削インサートを備えた切削工具。
【手続補正書】
【提出日】平成23年2月21日(2011.2.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
ウィスカーを含むセラミックで形成されて成る切れ刃と、基材とを一体に有して成る切削インサートであって、
前記基材はその熱膨張係数が前記切れ刃の熱膨張係数よりも大きく、且つ、前記基材の熱膨張係数と前記切れ刃の熱膨張係数との差が０ｐｐｍ／Ｋを超えて３ｐｐｍ／Ｋ以下であることを特徴とする切削インサート。
【国際調査報告】
2010010648.tif 000011
2010010648.tif 000012
2010010648.tif 000013
2010010648.tif 000014