(57)【要約】【課題】鋼，鋳物などの高速断続切削に使用されるセラミックス工具には、耐摩耗性の向上と共に、断続切削に対応できる耐欠損性とその信頼性が要求されている。本発明は、耐溶着性，耐反応性を高くすることによる耐摩耗性の向上と、強度，靱性を高くすることによる耐欠損性の向上を狙ったアルミナ含有サーメット工具の提供を目的とする。【解決手段】コバルト，ニッケル，鉄，クロムの中の少なくとも１種を主成分とする金属分散相：２〜１０重量％と、窒化ジルコニウム：２０〜５０重量％と、炭化タングステン：５〜２５重量％と、残りが酸化アルミニウムとからなるアルミナ含有サーメット。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
コバルト，ニッケル，鉄，クロムの中の少なくとも１種を主成分とする金属分散相：２〜１０重量％と、窒化ジルコニウム：２０〜５０重量％と、炭化タングステン：５〜２５重量％と、残りが酸化アルミニウムとからなるアルミナ含有サーメット工具。
【請求項２】
窒化ジルコニウムの一部を、窒化チタン、窒化タンタル、窒化ニオブ、窒化ハフニウムの中の少なくとも１種で置換して複合窒化物を形成させるとともに、その置換量を１５重量％以下とした請求項１に記載のアルミナ含有サーメット工具。
【請求項３】
アルミナ含有サーメット工具全体に含有される炭素量：Ｃｔ（重量％）と、アルミナ含有サーメット工具全体に含有される炭化タングステン量：Ｗｗｃ（重量％）は、（０．０６×Ｗｗｃ）≦Ｃｔ≦（０．０６×Ｗｗｃ＋０．２）を満足する請求項１または２に記載のアルミナ含有サーメット工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼，鋳物などの高速断続切削に最適なアルミナ含有サーメット工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミナ−炭窒化チタン系に代表されるセラミックス工具は、鋼，鋳物の高速切削で威力を発揮するものの、炭窒化チタンの耐溶着性，耐反応性が低いために耐摩耗性が不十分であり、また強度，靱性が低いために欠損し易くて信頼性に欠ける。これらの問題点の解決策として、セラミックス工具にジルコニウム化合物、炭化タングステンまたは鉄族金属を添加した提案が数多くある。
【０００３】
ジルコニウム化合物を添加したアルミナ−炭窒化チタン系に関する従来技術として、ＴｉとＺｒとの炭窒化物固溶体である（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮを３０〜５０重量％含有した酸化アルミニウム基セラミックス製切削工具がある（例えば、特許文献１参照。）。この酸化アルミニウム基セラミックス製切削工具は、Ｚｒの添加により鋼の高速切削における耐摩耗性を向上させたものではあるが、耐溶着性，耐反応性の向上が不十分であり、強度，靱性が低下するために耐欠損性に劣ると言う問題がある。
【０００４】
また、ＷＣを添加したアルミナ−炭窒化チタン系セラミックスに関する従来技術として、ＷＣを５〜７０容量％含有したアルミナ基セラミックス焼結体がある（例えば、特許文献２参照。）。このアルミナ基セラミックス焼結体は、ＷＣの添加により強度，靱性が高くなるものの、耐欠損性の向上が不十分であり、耐溶着性，耐反応性に劣るために鋼の高速切削における耐摩耗性が低下すると言う問題がある。
【０００５】
さらに、鉄族金属を含有したアルミナ−炭窒化チタン系セラミックスに関する従来技術として、周期律表４ａ，５ａ，６ａ族金属の炭化物，窒化物，酸化物およびこれら２種以上の固溶体のうちの１種または２種以上を１５〜４５重量％と、鉄族金属を０．１〜５重量％と、残りが酸化アルミニウムおよび不可避不純物とからなる配合組成の原料粉末を焼結して得られたセラミックス基体の表面に硬質膜を被覆した表面被覆セラミックス切削工具がある（例えば、特許文献３参照。）。この表面被覆セラミックス切削工具は、鉄族金属を添加することによって耐欠損性および硬質膜との密着性を向上させたものであるが、耐溶着性，耐反応性の向上が不十分であり、硬質膜の被覆により耐欠損性が大幅に低下すると言う問題がある。
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−０７９８２７号公報
【特許文献２】特開平１１−２１７２５８号公報
【特許文献３】特開平０６−０９１４０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
高速切削に使用される切削工具には、耐摩耗性の向上と共に、断続切削に対応できる耐欠損性と信頼性が要求されている。本発明は、耐溶着性，耐反応性を高めることによる耐摩耗性の向上と、強度，靱性を高めることによる耐欠損性の向上を狙ったアルミナ含有サーメット工具の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、アルミナ−炭窒化チタン系セラミックス工具の耐摩耗性と耐欠損性とを同時に向上させる方法について検討していたところ、炭窒化チタンを窒化ジルコニウムで置換すると耐溶着性，耐反応性が大幅に高くなり耐摩耗性が向上すること、炭化タングステンを添加すると強度，靱性が高くなり耐欠損性が向上すること、さらに鉄族金属，クロムなどの金属相を分散させると耐欠損性がさらに向上して欠損のバラツキが減少すると言う知見を得て、本発明を完成するに至ったものである。
【０００９】
すなわち、本発明のアルミナ含有サーメット工具は、コバルト，ニッケル，鉄，クロムの中の少なくとも１種を主成分とする金属分散相：２〜１０重量％と、窒化ジルコニウム：２０〜５０重量％と、炭化タングステン：５〜２５重量％と、残りが酸化アルミニウムとからなるものである。
【００１０】
本発明のアルミナ含有サーメット工具におけるコバルト，ニッケル，鉄，クロムの中の少なくとも１種を主成分とする金属分散相として、具体的には、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｃｏ−Ｎｉ合金，Ｎｉ−Ｆｅ合金，Ｃｏ−Ｃｒ合金，Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｒ合金、および、これらに２０重量％以下のＷを固溶した合金を挙げることができる。金属分散相の含有量は、２重量％未満では強度，靱性を高くする効果が少なく、１０重量％を超えて大きくなると硬さが低下して耐摩耗性が低下するので、２〜１０重量％と定めた。
【００１１】
本発明のアルミナ含有サーメット工具における窒化ジルコニウムの含有量は、２０重量％未満では、耐摩耗性と耐欠損性を向上させる効果が少なく、逆に５０重量％を超えて大きくなると硬さが低下して耐摩耗性が低下するので、２０〜５０重量％と定めた。また、炭化タングステンの含有量は、５重量％未満では強度，靱性を高くする効果が少なく、２５重量％を超えて大きくなると硬さが低下して耐摩耗性が低下するので、５〜２５重量％と定めた。
【００１２】
本発明のアルミナ含有サーメット工具において、窒化ジルコニウムの一部を、窒化チタン、窒化タンタル、窒化ニオブ、窒化ハフニウムの中の少なくとも１種で置換して複合窒化物を形成するとともに、その置換量を１５重量％以下とすると、耐摩耗性あるいは耐欠損性が向上するので好ましい。窒化チタンと窒化ハフニウムは硬さを向上させ、窒化タンタルと窒化ニオブは靱性を向上させる。添加された窒化物は、窒化ジルコニウムに固溶し、（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｎ、（Ｚｒ，Ｎｂ）Ｎ、（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｔａ）Ｎ、（Ｚｒ，Ｈｆ）Ｎなどの立方晶の複合窒化物を形成する。
【００１３】
本発明のアルミナ含有サーメット工具全体に含有される炭素量：Ｃｔ（重量％）と、本発明のアルミナ含有サーメット工具全体に含有される炭化タングステン量：Ｗｗｃ（重量％）が、（０．０６×Ｗｗｃ）≦Ｃｔ≦（０．０６×Ｗｗｃ＋０．２）を満足すると耐摩耗性と耐欠損性が共に向上するので好ましい。Ｃｔ＜（０．０６×Ｗｗｃ）の場合は、Ｃｏ3Ｗ3Ｃ，Ｎｉ2Ｗ4Ｃなどの脆弱な複合炭化物を生じて強度，靱性が低下し、逆に（０．０６×Ｗｗｃ＋０．２）＜Ｃｔの場合は、窒化ジルコニウムあるいは複合窒化物に含まれる結合炭素量と結合酸素量が増加し、かつ結合窒素量が減少するため、アルミナ含有サーメット工具全体が脆弱となって欠損し易くなる。
【００１４】
本発明のアルミナ含有サーメット工具の製造方法は、通常のアルミナ−炭化チタン系セラミックスと同様な方法であるが、以下の焼結条件を適用すると、緻密で微細な組織を有し、かつ窒化ジルコニウムあるいは複合窒化物中の結合炭素量と結合酸素量が少ない焼結体が得られるので好ましい。
【００１５】
具体的には、コバルト，ニッケル，鉄，クロムの中の少なくとも１種からなる金属粉末と、窒化ジルコニウム粉末または窒化ジルコニウム粉末と窒化チタン、窒化タンタル、窒化ニオブ、窒化ハフニウムの中の少なくとも１種の粉末と、炭化タングステン粉末と、酸化アルミニウム粉末と、炭素粉末との混合粉末を加圧成形した後、少なくとも１２００℃までは高真空中で昇温し、１３００〜１４５０℃の温度範囲において１０ｋＰａ以上の窒素ガスを導入して保持した後、非酸化性雰囲気中で焼結する方法を挙げることができる。ここで、炭素粉末の添加は、混合粉末中に生じている酸化アルミニウム以外の酸化物を還元するためである。
【００１６】
一般に、窒化ジルコニウム粉末は０．１〜０．５重量％の酸素を含有しているが、混合粉砕すると酸素量が増加し、さらに昇温時には他の粉末に含有されている酸素を吸収して１０００℃前後で優先的に酸化されて多量のＺｒＯ2を生じる。そして、１２００℃以上に昇温するとＺｒＯ2の一部が炭素還元され、Ｚｒ（Ｎ，Ｏ）、Ｚｒ（Ｃ，Ｎ，Ｏ）などの酸素含有化合物となるが、さらに加熱しても完全に酸素を除去することは熱力学的に困難である。そこで、１２００℃以上から緻密化が急激になる１４００℃までの温度範囲で窒素ガスを導入し、還元窒化反応により酸素を除去する必要がある。すなわち、２ＺｒＯ2＋４Ｃ＋Ｎ2→２ＺｒＮ＋４ＣＯの反応式により還元窒化するには、窒素分圧を高め、かつ発生するＣＯガスの分圧を低下させるためにガスフローするか、脱気とガス導入を繰り返すことによってＣＯガスを排出することが有効である。
【００１７】
本発明のアルミナ含有サーメット工具は、窒化ジルコニウムが耐溶着性，耐反応性を高める作用をし、炭化タングステンが強度，靱性を高める作用をし、金属分散相が強度，靱性をさらに高める作用をし、向上した特性が切削時の耐摩耗性，耐欠損性，耐チッピング性を向上させる作用をしているものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のアルミナ含有サーメット工具は、従来のアルミナ−炭窒化チタン系セラミックス工具や他のアルミナ含有サーメットに比べて、鋼，鋳物などの高速切削に用いた場合に、耐摩耗性，耐欠損性および耐チッピング性が顕著に優れ、工具寿命が２倍以上も向上すると言う効果を有する。
【実施例１】
【００１９】
市販の平均粒子径０．５μｍのＡｌ2Ｏ3，平均粒子径１．５μｍのＺｒＮ，平均粒子径１．０μｍのＷＣ，平均粒子径０．５μｍのＣｏ，平均粒子径０．６μｍのＮｉ，平均粒子径２．３μｍのＣｒ2Ｎ，平均粒子径１．０μｍのＴｉ（Ｃ0.5Ｎ0.5），平均粒子径１．１μｍのＴｉＮおよび平均粒子径１．５〜２．５μｍのＴａＮ，ＮｂＮ，ＨｆＮの各粉末を用いて、表１に示す配合組成に秤量し、エチルアルコールの溶媒、ウレタン内張りのポット、アルミナ製の粉砕用ボールを用いて７２時間の湿式混合を行った後、乾燥しながら４．０重量％のパラフィンワックスを添加して混合粉末を得た。これらの混合粉末を金型に充填し、１９６ＭＰａの圧力の圧力でもって５．５×９．５×２９ｍｍの圧粉成形体を作製し、窒化ホウ素製のセッター上に設置して雰囲気焼結炉に挿入した。そして、表１に併記した昇温の雰囲気条件（詳細を表２に一括して示す）と焼結温度で１時間の焼結を行って本発明品１〜８および比較品１〜７の焼結体を得た。尚、すべての焼結体には、２００ＭＰａのアルゴン中で１５５０℃、１時間のＨＩＰ処理を施した。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
【表２】
2008168369.tif 000003
注）＊雰囲気処理までの昇温雰囲気は５Ｐａの真空中。昇温速度は１５℃／ｍｉｎ。
【００２２】
こうして得た４．５×１３．５×３５ｍｍの各焼結体をダイヤモンドカッターで切断して棒状に２分割し、＃４００のダイヤモンド砥石で湿式研削加工して３．０×４．０×３５．０ｍｍのＪＩＳ試験片とした後、曲げ強度を測定した。また、同試料の一面を１μｍのダイヤモンドペーストでラップ加工した後、ビッカース圧子を用いた荷重：９８Ｎでの硬さおよび破壊靱性値Ｋ1C（ＩＦ法）をそれぞれ測定した。これらの結果を表３に示す。
【００２３】
【表３】
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【００２４】
次に、各試料のラップ面についてＸ線回折による成分同定を行った。この結果を表３に併記した。
【００２５】
さらに、超硬合金製乳鉢を用いて各試料を粉砕し、炭素分析装置にて炭素含有量：Ｃｔ（重量％）を測定した。そして、各試料の炭化タングステン含有量：Ｗｗｃ（重量％）から算出した炭素量：（０．０６×Ｗｗｃ）、およびＣｔと（０．０６×Ｗｗｃ）との差を求めた。これらの結果を表４に示す。
【００２６】
【表４】
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【実施例２】
【００２７】
実施例１で得た本発明品１〜８および比較品１〜７の混合粉末を用いて、ＩＳＯ規格に記載のＳＮＧＮ１２０４０８形状用の金型でもって、実施例１と同様の方法、条件でプレス成形、加熱焼結、湿式研削加工、ホーニング加工により、ホーニング幅０．１ｍｍ、ホーニング角度−２５°のチャンファーホーニング付きＳＮＧＮ１２０４０８形状の切削工具用チップを作製した。
【００２８】
そして、切削試験（Ａ）として、被削材：Ｓ４５Ｃ丸棒で外周に４本溝入，切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ，切込み：１．０ｍｍ，送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖの条件で乾式の外周断続旋削試験を行い、寿命になるまでの時間を求めた。寿命評価は、平均逃げ面摩耗量（ＶB）が０．２ｍｍ以上になるか、または欠損やチッピングが発生した時を寿命とした。
【００２９】
次に、切削試験（Ｂ）として、被削材：ＦＣＤ６００，切削速度：４００ｍ／ｍｉｎ，切込み：１．０ｍｍ，送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖの条件で乾式の連続旋削試験を行い、ＶB＝０．２０ｍｍを基準に寿命時間を同様に求めた。切削試験（Ａ）、（Ｂ）の結果を表５にまとめて示した。
【００３０】
【表５】
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【００３１】
切削試験（Ａ）、（Ｂ）の結果から、本発明品の工具寿命は、比較品の工具寿命の２倍以上であることが分かる。