(57)【要約】【課題】優れた耐欠損性を有しつつ、製造コストを低くできる切削インサートとすることができるセラミック焼結体、このセラミック焼結体から成る切削インサート、および切削工具を提供すること。【解決手段】ウィスカーを含有して成るセラミックス焼結体であり、セラミックス焼結体の表面における破壊靭性値が、セラミックス焼結体の中心部における破壊靭性値の小さくとも１．５倍であることを特徴とするセラミックス焼結体である。【選択図】          なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウィスカーを含有して成るセラミックス焼結体であり、
セラミックス焼結体の表面における破壊靭性値が、セラミックス焼結体の中心部における破壊靭性値の小さくとも１．５倍である
ことを特徴とするセラミックス焼結体。
【請求項２】
前記ウィスカーが、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、およびＴｉＣよりなる群から選択される少なくとも一種よりなる
ことを特徴とする前記請求項１に記載のセラミックス焼結体。
【請求項３】
前記ウィスカーの含有量が、セラミックス焼結体の１０〜４０質量％である
ことを特徴とする前記請求項１または請求項２に記載のセラミックス焼結体。
【請求項４】
前記請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のセラミックス焼結体から成る
ことを特徴とする切削インサート。
【請求項５】
前記請求項４に記載の切削インサートと、
この切削インサートを支持するホルダとを備えて成る
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、セラミックス焼結体、切削インサート、および切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、焼き入れされた鋼（ＨＲＣ５３以上）の加工やねずみ鋳鉄の高速加工では、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮと略す場合がある。）やセラミックスが切削インサートの材質として使用されてきた。このうちｃＢＮは、セラミックスと比較して、長寿命を得られるが、価格が非常に高いという問題点がある。
【０００３】
一方、セラミックスは、価格が安いが、寿命が短いという問題点を有する。この寿命が短い原因は、セラミックス自体の靭性が低いことである。この点を改善するために、従来よりセラミックス中にウィスカーを配合して高靭性にし、優れた耐欠損性を有するウィスカー含有セラミックス製の切削インサートが開発されてきた。
【０００４】
しかし、近年、切削加工条件が過酷化し、セラミックス中にウィスカーを配合するだけでは、耐欠損性が不十分となってきた。この耐欠損性の向上のために、例えば、「ウィスカー及びセラミックス粉末を含む混合物を型内に充填し、１軸方向に圧力を加えながら加熱することによって焼結し、焼結体を前記圧力方向に対して垂直な面が逃げ面となるように工具形状に切り出すことを特徴とする切削工具の製造方法」として、焼結体および切削工具が提案されている（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開平０９−２３９６０６号公報（請求項８）
【０００６】
しかしながら、前述の特許文献１記載の発明においては、切削工具の使用可能な部位が限定されるため、加工コストが高くなるという問題点がある。また、取れ数が少ないため、製造コストが高くなるという問題点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、このような従来の問題点を解消し、優れた耐欠損性を有しつつ、製造コストを低くできる切削部材とすることができるセラミックス焼結体、このセラミックス焼結体から成る切削インサート、および切削工具を提供することをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
ところで、焼き入れされた鋼（ＨＲＣ５３以上）の加工やねずみ鋳鉄の高速加工を、セラミックス製の切削インサートにより行うと、ほとんどの場合、切削インサートのすくい面に亀裂が入り、寿命にいたることが分かっている。
【０００９】
本発明者は、前述の好ましい性質を有するセラミックス焼結体等を開発すべく、鋭意、原因の検討を重ねた結果、特にすくい面の耐亀裂進展性を改良することで、長寿命、すなわち、耐欠損性の優れる切削インサートになると考えた。
【００１０】
ここで、例えば、すくい面の耐亀裂進展性を改良するためには、破壊靭性値を向上させることが良いと思われる。この破壊靭性値を向上させることで、ウィスカーの配列方向や切削条件を考慮しなくとも、耐欠損性の優れる切削インサートになると考えた。
【００１１】
以上のように、セラミックス焼結体の表面および内部の破壊靭性値を様々な条件とする実験を重ね、ある特定の破壊靭性値を示す場合に、耐欠損性の優れる切削インサートになるという知見が得られた。本発明は、かかる知見に基づいて完成したものである。
【００１２】
前記課題を解決するための手段は、ウィスカーを含有して成るセラミックス焼結体であり、セラミックス焼結体の表面における破壊靭性値が、セラミックス焼結体の中心部における破壊靭性値の小さくとも１．５倍であることを特徴とするセラミックス焼結体である。
【００１３】
この発明に係るセラミックス焼結体の好適な態様においては、前記ウィスカーが、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、およびＴｉＣよりなる群から選択される少なくとも一種よりなる。
【００１４】
この発明に係るセラミックス焼結体の好適な態様においては、前記ウィスカーの含有量が、セラミックス焼結体の１０〜４０質量％である。
【００１５】
前記課題を解決するための別の手段は、前記セラミックス焼結体から成ることを特徴とする切削インサートである。
【００１６】
前記課題を解決するためのさらに別の手段は、前記切削インサートと、この切削インサートを支持するホルダとを備えて成ることを特徴とする切削工具である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、セラミックス焼結体の表面における破壊靭性値が、セラミックス焼結体の中心部における破壊靭性値の小さくとも１．５倍であることにより、優れた耐欠損性を有しつつ、製造コストを低くできる切削インサートとすることができるセラミックス焼結体を提供することができる。また、切削インサートの使用可能な部位が限定されることがないため、加工コストが高くなることがなく、さらに、切削インサートの取れ数が少ないことがないため、製造コストを低くできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
[セラミックス焼結体]
本発明の一実施形態に係るセラミックス焼結体は、ウィスカーを含有して成るセラミックス焼結体であり、セラミックス焼結体の表面における破壊靭性値が、セラミックス焼結体の中心部における破壊靭性値の小さくとも１．５倍である。
【００１９】
[セラミックスの材料]
本発明のセラミックス焼結体の主たるセラミックス材料としては、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ジルコニア（ＺｒＯ２）等が挙げられる。
【００２０】
この他にも、焼結助剤として機能する周期律表２Ａ、３Ａ、および４Ａ族元素の酸化物を適宜添加することができる。
【００２１】
周期律表２Ａ元素としては、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｒａが挙げられる。Ｂｅの酸化物としては、例えば、ＢｅＯが挙げられる。Ｍｇの酸化物としては、ＭｇＯ等が挙げられる。
【００２２】
Ｃａの酸化物としては、ＣａＯ等が挙げられる。Ｓｒの酸化物としては、ＳｒＯ等が挙げられる。Ｂａの酸化物としては、ＢａＯ等が挙げられる。Ｒａの酸化物としては、ＲａＯ等が挙げられる。
【００２３】
周期律表３Ａ元素としては、Ｓｃ、Ｙ、Ｃｅ、Ｅｒ、Ｙｂ等が挙げられる。Ｓｃの酸化物としては、Ｓｃ２Ｏ３等が挙げられる。Ｙの酸化物としては、Ｙ２Ｏ３等が挙げられる。Ｃｅの酸化物としては、ＣｅＯ２等が挙げられる。Ｅｒの酸化物としては、Ｅｒ２Ｏ３等が挙げられる。Ｙｂの酸化物としては、Ｙｂ２Ｏ３等が挙げられる。
【００２４】
以上に述べた周期律表２Ａ、３Ａ、および４Ａ族元素の酸化物等の組み合わせとしては、様々な組み合わせを採用でき、例えば、ＭｇＯ、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、およびＥｒ２Ｏ３等であることが好ましい。
【００２５】
[ウィスカー]
本発明に係るセラミックス焼結体は、上記したように、ウィスカーを含有して成る。ウィスカーは、ひげ結晶ともいい、針状の結晶形態である。このウィスカーとしては、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ＴｉＣ、およびＴｉＮ等が挙げられる。この中でも、前記ウィスカーが、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、およびＴｉＣよりなる群から選択される少なくとも一種よりなることが好ましい。
【００２６】
このウィスカーの平均直径としては、大きくても２μｍであることが好ましい。ウィスカーの平均直径が２μｍを超えると、それ自身が欠陥となり抗折強度が低下し、耐欠損性が不十分になるという問題がある。
【００２７】
このウィスカーの長さとしては、１〜１０μｍであることが好ましい。ここで、ウィスカーの長さが１μｍ未満であると、ウィスカーの引き抜き効果が得られず、強靭化効果が不十分となり、耐欠損性が低下するという問題がある。ウィスカーの長さが１０μｍを超えると、焼結性を阻害し緻密な焼結体が得られにくくなる。また焼結できても、それ自身が欠陥となり抗折強度が低下し、耐欠損性が不十分になるという問題がある。
【００２８】
また、前記ウィスカーの含有量が、セラミックス焼結体の１０〜４０質量％であることが好ましい。ここで、ウィスカーの含有量が、１０質量％未満であると、セラミックス焼結体自体の高靭性が得られなくなり、耐欠損性に劣る場合がある。また、ウィスカーの含有量が、４０質量％を超えると、セラミックス焼結体の表面における破壊靭性値と、セラミックス焼結体の中心部における破壊靭性値との差が小さくなり、耐欠損性に劣る場合がある。
【００２９】
一方、セラミックス焼結体の表面における破壊靭性値が、セラミックス焼結体の中心部における破壊靭性値の小さくとも１．５倍である。
【００３０】
ここで、セラミックス焼結体の表面における破壊靭性値が、セラミックス焼結体の中心部における破壊靭性値の小さくとも１．５倍であると、このセラミックス焼結体から成る切削インサートを用いて、鋳鉄等の被削材に対する高速切削を行う際に、切削インサートに疲労クラックの発生を抑制することができ、耐欠損性を向上させることができる。
【００３１】
なお、セラミックス焼結体の表面における破壊靭性値が、セラミックス焼結体の中心部における破壊靭性値の１．５倍未満であると、ウィスカーが過剰なとき（例えばセラミックス焼結体の４０質量％以上）、耐磨耗性が低下してしまい、一方、ウィスカーが不足したとき（例えばセラミックス焼結体の１０質量％以上）、チッピングなどの破壊がおきやすく好ましくない。
【００３２】
セラミックス焼結体の表面における破壊靭性値が、セラミックス焼結体の中心部における破壊靭性値の小さくとも１．５倍とする方法としては、例えば、熱的衝撃をセラミックス焼結体の表面に与える方法等が挙げられる。この熱的衝撃を与える方法は、セラミックス焼結体の表面に誘電損失の高い物質（例えば、ソーダガラス）を接した状態で、マイクロ波加熱法により急速加熱することで、セラミックス焼結体の表面が選択的に加熱され、セラミックス焼結体の表面の方が破壊靭性値の高い状態となる。この熱的衝撃を与える方法の他の方法としては、放電プラズマ焼結法や、高温炉中への投入等が挙げられる。
【００３３】
上記のような熱的衝撃をセラミックス焼結体の表面に与える方法で、破壊靭性値の高い状態となる機構については、明らかではないが、本発明者は、ソーダガラスと接するセラミックス焼結体の表面が優先的に加熱されることで、セラミックス焼結体中の粒界相−セラミックス粒子間、粒界相−ウィスカー間、セラミックス粒子などの異なる材質間の界面に、熱膨張差に伴うズレまたは熱的衝撃によるズレが生じ、各材質間に生ずる界面の相互作用が弱められるためであると推察する。
【００３４】
セラミックス焼結体の中心部とは、厳密な意味でのセラミックス焼結体の中心を意味するものではなく、セラミックス焼結体の表面を除いた、セラミックス焼結体の表面から中心へ向かう領域を意味する。この中心部は、例えば、セラミックス焼結体の表面から深さ１ｍｍ程度の部分からセラミックス焼結体の中心に向かう領域である。なお、破壊靭性値を測定する方法としては、JIS  R1607に従った方法等が挙げられる。
【００３５】
[切削インサート]
本発明の一例である切削インサート１は、図１に示されるように、前記セラミックス焼結体から成る。この切削インサート１は、略直方体形状であり、逃げ面２と、すくい面３とを有している。
【００３６】
[切削工具]
本発明の一例である切削工具４は、図２に示されるように、切削インサート１と、この切削インサート１を支持するホルダ５とを備えて成る。ホルダ５は、切削インサート１を支持できる構造を有していれば、特に制限はない。
【００３７】
[セラミックス焼結体および切削インサートの製造方法]
以上、説明したセラミックス焼結体は、以下のような手順で製造する。
[ｉ]  アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）またはジルコニア（ＺｒＯ２）等と、上記したウィスカーと、場合によっては上記した焼結助剤とを所定の割合で秤量する。
【００３８】
[ii]  上記[ｉ]の混合物を、例えば、ボールミルを用いて、エタノールを媒体として混合し、所定時間、湿式混合粉砕を行う。ここで、湿式混合粉砕は、本実施形態においては、ボールミルを用いて行う。
【００３９】
ここで、湿式混合粉砕の溶媒として、本実施形態において、エタノールを使用する。なお、エタノール以外にも、アセトン、メタノール、水等を使用しても良い。
【００４０】
[iii]  上記[ii]の湿式混合粉砕で得られたスラリーを、湯煎し、乾燥し、混合粉末を得る。乾燥の方法としては、自然乾燥、熱風による乾燥、スプレードライ等が挙げられる。
【００４１】
[iv]  上記[iii]の混合粉末の乾燥後、この混合粉末をカーボン型に充填した後、圧力をかけながら加熱し、焼結を行いセラミックス焼結体を得る。
【００４２】
[ｖ]  焼結は、場合によっては、一次焼結、二次焼結に分けて行う。ここで、焼結の方法としては、ホットプレス法、雰囲気焼結法、通電加熱焼結法、多軸通電加熱焼結法、放電プラズマ焼結法、熱間等方加圧式焼結法（Hot Isostatic Pressing;  HIP法と略す場合がある。）等が挙げられる。また、焼結は、例えば、０．５〜１．０ＭＰａの圧力で、Ａｒガス中、温度１６００〜１８００℃、所定の成形圧で熱処理して行う。
【００４３】
[vi]  上記[ｖ]によりセラミックス焼結体を得た後、このセラミックス焼結体に対し、所定の規格の形状となるように研磨加工により加工を行い、切削インサート１を得る。切削インサート１を構成するセラミックス焼結体の表面に、かつ切削インサート１のすくい面となる面に対して、図３に示すように、ソーダガラスを接した状態で、マイクロ波加熱法により熱的衝撃を加える。
【００４４】
上述のような本実施形態によれば、次のような効果がある。
（１）セラミックス焼結体の表面における破壊靭性値が、セラミックス焼結体の中心部における破壊靭性値の小さくとも１．５倍であることにより、優れた耐欠損性を有しつつ、製造コストを低くできる切削インサート１とすることができるセラミックス焼結体を提供することができる。また、切削インサート１の使用可能な部位が限定されることがないため、加工コストが高くなることがなく、さらに、切削インサート１の取れ数が少ないことがないため、製造コストを低くできる。
【００４５】
（２）切削インサート１が前記セラミックス焼結体から成ることにより、優れた切削性能を有する切削インサート１とすることができる。
【００４６】
（３）切削工具４が、切削インサート１を備えることにより、切削インサート１が優れた切削性能を有するので、従来よりも、高速で切削作業を行うことができ、短時間で多数の部品加工が可能となり、加工費を削減することができる。
【実施例】
【００４７】
以下、実施例および比較例を挙げて、本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は実施例の内容に限定されるものではない。
【００４８】
［実施例１〜７、比較例１〜３］
前記実施形態のセラミックス焼結体および切削インサートの製造方法に従って、以下のような具体的条件で、各実施例および比較例のセラミックス焼結体および切削インサートの製造を行った。
【００４９】
[セラミックス焼結体および切削インサートの製造方法]
以上、説明したセラミックス焼結体は、以下のような手順および具体的条件で製造する。
[ｉ]  アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）またはジルコニア（ＺｒＯ２）等と、上記したウィスカーとを所定の割合で秤量した。
【００５０】
ここで、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）またはジルコニア（ＺｒＯ２）は、市販されている平均粒径１．０μｍの粉末を用いた。また、前記ウィスカーとしては、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、およびＴｉＣをそれぞれ用いた。ＳｉＣウィスカーとしては、平均直径１μｍ、長さ１０〜３０μｍのウィスカーを用いた。Ｓｉ３Ｎ４ウィスカーとしては、平均直径２μｍ、長さ１０〜２０μｍのウィスカーを用いた。ＴｉＣウィスカーとしては、平均直径１．５μｍ、長さ１０〜２０μｍのウィスカーを用いた。
【００５１】
[ii]  上記[ｉ]の混合物を、例えば、樹脂製のボールミルおよび樹脂製のポットを用いて、エタノールを媒体として混合し、１６時間、湿式混合粉砕を行った。
【００５２】
[iii]  上記[ii]の湿式混合粉砕で得られたスラリーを湯煎し、乾燥させ、＃３０の篩に通し、混合粉末を得た。
【００５３】
[iv]  上記[iii]の混合粉末の乾燥後、この混合粉末をカーボン型に充填した後、圧力をかけながら加熱し、焼結を行った。
【００５４】
[ｖ]  上記[iv]の成形後、焼結を行い、セラミックス焼結体を得た。ここで、焼結は、表１に示す圧力で、Ａｒガス中、表１に示す温度、成形圧３００ｋｇ/ｃｍ２で熱処理し、セラミックス焼結体を得た。
【００５５】
[vi]  上記[ｖ]によりセラミックス焼結体を得た後、このセラミックス焼結体に対し、ＩＳＯ規格でＳＮＧＮ１２０４０８の形状に研磨加工により加工を行い、切削インサートを得た。切削インサートを構成するセラミックス焼結体の表面に、ソーダガラスを接した状態で、マイクロ波加熱法により、周波数２８ＧＨｚ、昇温速度５０℃/minで、室温から９００℃まで急加熱することで、熱的衝撃を加え、表面に高靭化の処理を行った。
【００５６】
[評価方法および評価結果]
各実施例、比較例で各々得られた切削インサートを用いて、表面および中心部の破壊靭性値の測定、切削試験を行った。各測定・評価結果を以下の表１に示す。なお、中心部とは、表面から深さ２ｍｍの部分であり、この部分を中心部として各評価を行った。
【００５７】
[破壊靭性値]
各実施例、比較例で各々得られた切削インサートを用いて、破壊靭性値を、JIS  R1607に従った方法に基づいて、圧入加重９８Ｎ、圧入時間３０秒で測定した。
【００５８】
[切削試験]
各実施例、比較例で各々得られた切削インサートを用いて、切削条件は、以下のとおりで行った。
【００５９】
〈切削条件〉
被削材          ：ねずみ鋳鉄（ＦＣ２００）
切削速度Ｖ      ：７００ｍ/min
送り速度ｆ      ：０．４０〜ｍｍ/rev
切り込み量ｄ    ：０．５ｍｍ
切削油          ：あり（湿式）
チップ形状      ：ＳＮＧＮ１２０４０８、  刃先処理  （０．１ｍｍ×２５°）
【００６０】
この切削試験は、具体的には、１パス３０ｍｍの加工長部分を最初の送り速度ｆを０．４０ｍｍ/revよりスタートし、各パス毎に、送り速度ｆを０．０５ｍｍ/revづつ増やす方法で、切削インサートの刃先の欠損に到るまでの切削距離により評価した。
【００６１】
【表１】
2005132651.tif 000002
【００６２】
なお、各実施例、比較例の切削インサートを構成するセラミックス焼結体中の組成は、Ａｌ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｓｉ成分の含有率を蛍光Ｘ線分析により同定を行うことで測定した。例えば、Ａｌ成分は、Ａｌ２Ｏ３として定量した。Ｚｒ成分は、ＺｒＯ２として定量した。Ｔｉ成分は、ＴｉＣとして定量した。Ｓｉ成分は、ＳｉＣウィスカーを使用した場合には、ＳｉＣとして定量し、Ｓｉ３Ｎ４ウィスカーを使用した場合には、Ｓｉ３Ｎ４として定量した。
【００６３】
この表１によれば、各実施例は、各比較例と比較して、切削距離が大きいため、耐欠損性がよいことが分かる。したがって、実施例によれば、優れた耐欠損性を有する切削インサートとすることができたことがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】図１は、本発明に係る切削インサートを示す概略図である。
【図２】図２は、本発明に係る切削工具を示す概略図である。
【図３】図３は、セラミックス焼結体にマイクロ波加熱法により熱的衝撃を加える状態を示す概念図である。
【符号の説明】
【００６５】
１    切削インサート
２    逃げ面
３    すくい面
４    切削工具
５    ホルダ
【図１】
2005132651.tif 000003
【図２】
2005132651.tif 000004
【図３】
2005132651.tif 000005