(57)【要約】【課題】  高い靱性を備え、特に耐摩耗性に優れたセラミック焼結体、セラミック工具、切削インサート、及び切削工具を提供すること。【解決手段】  切削インサート１は、アルミナを主成分とするセラミック焼結体により構成されており、板厚方向（すくい面側）からみて正方形の板状のチップ（例えばＩＳＯ  ＳＮＧＮ１２０４０８）である。この切削インサート１を構成するセラミック焼結体は、アルミナを主成分とするマトリックス中に、１５〜４０体積％の炭化珪素粒子及び炭化珪素ウィスカーを均一に分散させたアルミナ質焼結体であり、しかも、このアルミナ質焼結体中の炭化珪素に占める炭化珪素ウィスカーの割合が１５〜５０体積％で、且つ、炭化珪素粒子の平均粒子径が３〜５μｍである。【選択図】 図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミナを主成分とするマトリックス中に、１５〜４０体積％の炭化珪素粒子及び炭化珪素ウィスカーを均一に分散させたセラミック焼結体であって、
前記セラミック焼結体中の炭化珪素に占める炭化珪素ウィスカーの割合が、１５〜５０体積％であり、且つ、前記炭化珪素粒子の平均粒子径が、３〜５μｍであることを特徴とするセラミック焼結体。
【請求項２】
前記アルミナの平均粒子径が、１〜５μｍであることを特徴とする前記請求項１に記載のセラミック焼結体。
【請求項３】
前記炭化珪素ウィスカーの長さが、１０〜５０μｍであることを特徴とする前記請求項１又は２に記載のセラミック焼結体。
【請求項４】
前記請求項１又は２記載のセラミック焼結体からなることを特徴とするセラミック工具。
【請求項５】
前記請求項１又は２記載のセラミック焼結体からなることを特徴とする切削インサート。
【請求項６】
前記請求項５に記載の切削インサートをホルダに備えたことを特徴とする切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミック焼結体、セラミック工具、切削インサート、及び切削工具に関するものであり、詳しくは、靱性だけでなく耐摩耗性にも優れたセラミック焼結体、セラミック工具、切削インサート、及び切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、アルミナに炭化珪素ウィスカーを分散させたセラミック焼結体（アルミナ質焼結体）は、アルミナ単純系の場合に比べて、靱性がかなり改善されるため、切削インサート等に使用した場合に、より大きな切削負荷条件に対応する工具材料として、広く使用されている。
【０００３】
しかし、アルミナに炭化珪素ウィスカーを分散させたアルミナ質焼結体は、炭化珪素ウィスカーが焼結時の緻密化を阻害するため、高温で焼結することとなり、その結果、アルミナの異常粒成長を引き起こし、そこが破壊の起点となって、強度の低下を招き易いのが現状である。
【０００４】
ところが、近年の切削加工、特に鋳物加工に対する高速加工の要求は強く、この際に、従来の炭化珪素ウィスカーを含有するアルミナ質焼結体からなる切削インサートを用いると、異常粒成長したアルミナ粒子の脱粒による摩耗損傷が著しく進行し、この結果、比較的短時間で使用寿命に到るのが現状である。
【０００５】
これに対して、上述したアルミナ質焼結体からなる切削インサートの耐摩耗性を改善するために、下記の様な様々な方法が提案されている。
(1)例えば特許文献１には、従来の炭化珪素ウィスカーの代わりに、炭化珪素粒子を混合することにより、耐摩耗性を改善する技術が開示されている。
【０００６】
(2)また、特許文献２には、炭化珪素粒子と炭化珪素ウィスカーを混合することにより、耐摩耗性の改善を図る技術が開示されている。
【特許文献１】特開平１−１４０９０１号公報   （第１頁）
【特許文献２】特開昭６４−７９０６３号公報   （第１頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、前記(1)に記載の技術では、炭化珪素粒子の粒成長抑制効果によりアルミナ粒子が微粒化し、耐摩耗性はある程度改善されるものの、靱性が大きく低下してしまうため、加工時の欠損が生じ易いという問題があった。
【０００８】
また、前記(2)に記載の技術では、単純に混合するだけでは、添加する炭化珪素粒子の割合が少ないと、アルミナの異常粒成長を抑える効果が期待できず、粒子脱落による耐摩耗性が生じ易くなるという問題があった。また、炭化珪素粒子径が小さい場合には、焼結中にアルミナ粒内に取り込まれる炭化珪素粒子の割合が多くなり、その結果、アルミナの粒成長を抑える効果が低下するという問題もあった。
【０００９】
そのため、上述した従来技術では、近年の難削化傾向にある切削環境下にて、例えば切削インサートとして使用した場合には、必要な耐摩耗性を確保できず、十分な工具寿命を得るのは困難であった。
【００１０】
本発明はこうした問題点に鑑みてなされたものであり、炭化珪素ウィスカー量の最適化により、高い靱性を備えるとともに、炭化珪素粒子の添加により微粒化されることで、特に耐摩耗性に優れたセラミック焼結体、セラミック工具、切削インサート、及び切削工具を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、前記課題を解決するために、鋳鉄加工において優れた耐摩耗性を示すセラミック材料について、鋭意研究を行った。その結果、アルミナを主成分とするマトリックス中に、炭化珪素粒子及び炭化珪素ウィスカーを均一に分散させたセラミック焼結体において、その炭化珪素粒子をアルミナ粒界に沿って分散させることにより、アルミナの異常粒成長を抑え、更に、炭化珪素ウィスカーをある比率で分散させることにより、靱性を低下させることなく、例えば鋳鉄切削加工用の切削インサート等の材料として用いた場合に、優れた耐摩耗性を発揮することを見い出した。そして、この知見に基づいて、本発明を完成した。
【００１２】
以下、各請求項毎に説明する。
（１）請求項１の発明は、アルミナを主成分とするマトリックス中に、１５〜４０体積％の炭化珪素粒子及び炭化珪素ウィスカーを均一に分散させたセラミック焼結体であって、前記セラミック焼結体中の炭化珪素に占める炭化珪素ウィスカーの割合が、１５〜５０体積％であり、且つ、前記炭化珪素粒子の平均粒子径が、３〜５μｍであることを特徴とするセラミック焼結体を要旨とする。
【００１３】
本発明のセラミック焼結体では、上述した炭化珪素の割合、その中の炭化珪素ウィスカー割合、及び炭化珪素粒子の平均粒子径の構成を備えているので、高い靱性及び優れた耐摩耗性を発揮できる。
【００１４】
ここで、炭化珪素粒子及び炭化珪素ウィスカー（即ち炭化珪素の含有量）を１５〜４０体積％としたのは、炭化珪素の含有量が１５体積％より少ないと、炭化珪素添加による靱性向上の効果が得られず、逆に、４０体積％より多くなると、焼結性が悪化して、靱性が低下し、例えば切削インサートとして用いた場合に、高い耐摩耗性が得られないからである。
【００１５】
また、焼結体中の炭化珪素に対する炭化珪素ウィスカーの割合（即ち炭化珪素粒子と炭化珪素ウィスカーの合計量に対する炭化珪素ウィスカーの割合）を１５〜５０体積％としたのは、この範囲内であれば、アルミナの粗大化を抑制しつつ、炭化珪素ウィスカーのみの場合と同等の靱性を有することができるためであり、特に鋳鉄切削加工用の工具材料とした場合には、優れた耐摩耗性を発揮できるからである。
【００１６】
更に、炭化珪素の平均粒子径を３〜５μｍとしたのは、炭化珪素粒子の平均粒子径が３μｍより小さいと、アルミナ粒子内に取り込まれる割合が増えるため、アルミナの粒成長を抑制する効果が低下するためであり、逆に、５μｍより大きいと、アルミナとの熱膨張差によりクラックが大きくなり、強度が低下して、例えば切削インサートとして用いた場合に、耐摩耗性が低下するからである。
【００１７】
尚、ここでは、炭化珪素粒子と炭化珪素ウィスカーとの区別は、アスペクト比（長軸長さ／短軸長さ）が３以上のものをウィスカーとする。また、前記炭化珪素の結晶系は、α型、β型のいずれでもよい。
【００１８】
（２）請求項２の発明は、前記アルミナの平均粒子径が、１〜５μｍであることを特徴とする前記請求項１に記載のセラミック焼結体を要旨とする。
本発明は、アルミナの平均粒子径が、１〜５μｍ（好ましくは３μｍ以下）であるので、アルミナ粒子の粗大化が生じ難く、よって、粗大化による強度低下を抑制できる。
【００１９】
（３）請求項３の発明は、前記炭化珪素ウィスカーの長さが、１０〜５０μｍであることを特徴とする前記請求項１又は２に記載のセラミック焼結体を要旨とする。
炭化珪素ウィスカーの長軸長さは、１０μｍ未満では、クラックの湾曲やウィスカーの引き抜きによる破壊エネルギーの吸収効果が悪いため、靱性がそれほど向上しない。また、５０μｍを超える場合には、ウィスカーが凝集し易く、均一にマトリックス中に分散させるのが困難になり、コストも高いなる。よって、炭化珪素ウィスカーの長さは、１０〜５０μｍが好ましい。
【００２０】
（４）請求項４の発明は、前記請求項１又は２に記載のセラミック焼結体からなることを特徴とするセラミック工具を要旨とする。
本発明のセラミック工具は、靱性及び耐摩耗性に優れているので、このセラミック工具を用いて各種の加工を行うことにより、好適な加工を実施することができる。
【００２１】
つまり、本発明のものは、優れた靱性を有し、特に鋳鉄加工に用いた場合には、優れた耐摩耗性を発揮できる。よって、近年の難削化傾向にある切削環境下においても、高速切削による高能率化を実現できるとともに、十分な工具寿命を実現することが可能である。
【００２２】
（５）請求項５の発明は、前記請求項１又は２記載のセラミック焼結体からなることを特徴とする切削インサートを要旨とする。
本発明は、前記セラミック焼結体からなる切削インサートを例示している。
【００２３】
この切削インサートは、靱性及び耐摩耗性に優れているので、この切削インサートを用いて切削加工を行うことにより、好適な加工を実施することができる。
つまり、本発明のものは、優れた靱性を有し、特に鋳鉄加工に用いた場合には、優れた耐摩耗性を発揮できる。よって、近年の難削化傾向にある切削環境下においても、高速切削による高能率化を実現できるとともに、十分な工具寿命を実現することが可能である。
【００２４】
尚、切削インサート（チップ）の形状としては、その厚み方向の平面形状が、方形状、三角状、菱形状が挙げられる。また、チップにはチャンファーを設けてもよい。更に、チップ表面に硬質被膜を設けてもよい。
【００２５】
（６）請求項６の発明は、前記請求項５に記載の切削インサートをホルダに備えたことを特徴とする切削工具を要旨とする。
本発明の切削工具は、ホルダに前記切削インサートを備えているので、この切削工具を用いて切削加工を行うことにより、好適な加工を実施することができる。例えば同じ切削インサートを用いて、長期間にわたり、高い精度で切削加工を行うことができる。
【００２６】
尚、前記セラミック焼結体の製造方法としては、例えばＡｒ等の不活性ガス雰囲気下における、ホットプレス法、普通焼結法、熱間静水圧加圧法等、種々の方法を採用できる。
また、上述したセラミック焼結体に焼成する場合には、通常、焼結助剤を添加する。例えばＭｇＯ、ＣａＯ、Ｙ2Ｏ3、Ｄｙ2Ｏ3などから適宜選択したものを、０．１〜５．０重量％の範囲で用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
次に、本発明のセラミック焼結体、セラミック工具、切削インサート、及び切削工具の最良の形態の例（実施例）について説明する。
【実施例１】
【００２８】
ａ）まず、本実施例の切削インサート及び切削工具について説明する。
図１に示す様に、本実施例の切削インサート１は、アルミナを主成分とするセラミック焼結体により構成されており、板厚方向（すくい面側）からみて正方形の板状のチップ（例えばＩＳＯ  ＳＮＧＮ１２０４０８）である。
【００２９】
特に本実施例の切削インサート１を構成するセラミック焼結体は、アルミナを主成分とするマトリックス中に、１５〜４０体積％の炭化珪素粒子及び炭化珪素ウィスカーを均一に分散させたアルミナ質焼結体であり、しかも、このアルミナ質焼結体中の炭化珪素に占める炭化珪素ウィスカーの割合が１５〜５０体積％で、且つ、炭化珪素粒子の平均粒子径が３〜５μｍである。
【００３０】
図２に示す様に、この切削インサート１は、鋼製のホルダ３に、ろう付けにより接合されて、バイト状の切削工具５として使用される。
つまり、ホルダ３の先端には、切削インサート１の外形に合致する様に切り欠かれた装着用凹部７が設けられており、この装着用凹部７に切削インサート１がはめ込まれて、ろう付け接合により一体化されている。
【００３１】
ｂ）次に、本実施例の効果を確認するために行った実験例について説明する。
まず、市販の平均粒子径０．４μｍのアルミナ粉末と、平均粒子径０．５〜７μｍの範囲（例えば３μｍ）の炭化珪素粒子と、長軸長さが１０〜５０μｍの炭化珪素ウィスカーと、焼結助剤（例えばＭｇＯ）を、下記表１の所定の割合で配合し、アセトンを溶剤としてボールミルにて２４時間混合した。
【００３２】
その後、乾燥して得られた素地粉末を用いて、ホットプレスを行った。具体的には、黒鉛型に型込めして１９．６ＭＰａで一軸方向に押圧するとともに、２０ＫＰａの圧力のＡｒガス中で、温度１８００℃で１時間保持して焼成した。
【００３３】
これにより、下記表２に示す様に、実験に供する所望の形状（例えば切削インサートに近い形状など）の焼結体を得た。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
(1)そして、上述した製造方法にて得られた焼結体からなる各試料に対してＳＥＭ観察を行った。
具体的には、厚み方向にホットプレスして得られた前記切削インサートの形状の焼結体の各試料に対して、そのすくい面に平行に表面研磨を施し、その研磨面に対して、１０００倍にてＳＥＭ観察を行った。
【００３６】
得られたＳＥＭ写真（尚、図３に概略図を示す）に対する画像解析により、炭化珪素の面積％（焼結体全体に対する炭化珪素粒子及び炭化珪素ウィスカーの面積％）と、炭化珪素ウィスカーの面積％（炭化珪素全体に対する炭化珪素ウィスカーの面積％）と、炭化珪素粒子の平均粒子径を測定した。その結果を、下記表２に記す。
【００３７】
この種の焼結体では、ＳＥＭにより測定された面積％は体積％とほぼ一致することが分かっているので、ここでは、上述した様にして面積％を測定した。尚、原料の炭化珪素の割合（体積％）と焼結体の炭化珪素の割合（体積％）とは、ほぼ一致している。
【００３８】
(2)また、上記と同様な方法で製造した各試料の焼結体に対して、破壊靱性値を測定した。
具体的には、切削インサートと同様な形状の各試料の焼結体に対して、ＪＩＳ  Ｒ  １６０７に準じ、圧子加重１０ｋｇ、圧入時間３０秒の測定条件にて、評価を行った。その結果を、同じく下記表２に記す。
【００３９】
(3)更に、上記と同様な方法で製造した各試料の焼結体に対して、室温での曲げ強度を測定した。
具体的には、ＪＩＳ  Ｒ  １６０１に準じ、３点曲げ強度試験を行って評価した。その結果を、同じく下記表２に記す。尚、焼結体の形状は、本強度試験に応じた形状である。
【００４０】
(4)次に、上記と同様な方法で製造した各試料の焼結体を研磨加工して、前記ＩＳＯ  ＳＮＧＮ１２０４０８として規定された形状を有する切削刃を有する切削インサート（図１参照）を作製し、この切削インサートをホルダ（図２参照）に接合して切削工具を製造した。
【００４１】
そして、この切削工具を用いて、下記の条件にて、切削試験を実施し、切削刃先の逃げ面摩耗量ＶＢが０．２ｍｍに達するまでの切削距離を調べた。その結果を、同じく下記表２に記す。
【００４２】
＜切削条件＞
乾式
被削材    ：ＦＣ２００（直径φ２００ｍｍ×長さ２００ｍｍの普通鋳鉄材）
切削速度Ｖ：５００ｍ／ｍｉｎ
送りｆ    ：０．２０ｍｍ／ｒｅｖ
切り込みｄ：０．３ｍｍ
刃先処理  ：０．１ｍｍ×２５°
【００４３】
【表２】
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【００４４】
この表２から明らかな様に、本発明の範囲のもの（試料No.２、３、５、６、７、９、１２、１３）は、炭化珪素が１５〜４０体積％の範囲内であり、炭化珪素ウィスカーの割合が１５〜５０体積％の範囲内であり、炭化珪素粒子の平均粒子径が３〜５μｍの範囲内であるので、高い靱性（５．６〜６．７ＭＰａ／ｍ）、高い曲げ強度（０．９〜１．３ＧＰａ）、及び高い切削性能（１０．３〜１３．３ｋｍ）を全て備えるという顕著な効果を奏する。
【００４５】
つまり、本発明のものは、優れた靱性を有し、例えば切削インサートとして用いた場合、特に鋳鉄加工に用いた場合には、優れた耐摩耗性を発揮できる。よって、近年の難削化傾向にある切削環境下においても、高速切削による高能率化を実現できるとともに、十分な工具寿命を実現することが可能である。
【００４６】
これに対して、本発明の範囲外の比較例のもの（試料No.１、４、８、１０、１１、１４、１５）は、前記体積％や平均粒子径が本発明の範囲から外れているので、高い靱性、高い曲げ強度、及び高い切削性能のいずれかの性能が低く、特に切削距離はいずれも９．６ｋｍ以下であり、しかも切削距離がやや長めのものは靱性が低く、好ましくない。
【００４７】
尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】実施例１の切削インサートの斜視図である。
【図２】実施例１の切削インサートをホルダに装着した切削工具を示す説明図である。
【図３】ＳＥＭ写真を模式的に表した説明図である。
【符号の説明】
【００４９】
１…切削インサート
３…ホルダ
５…切削工具
【図１】
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【図２】
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【図３】
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