(57)【要約】  【課題】  高い靭性を有する複合繊維体状の芯材と被覆層とからなる複合繊維体を切削工具に応用する場合に、複合繊維体の特性を十分に切削工具に反映し、実用的で高い耐欠損性を有する切削工具を提供する。  【解決手段】  芯材１１と、芯材１１の外周を被覆し芯材１１とは異なる組成の被覆層１２とからなる複合繊維体１３を複数本ランダムな方向に配置した複合構造体１５からなる切削工具１を特徴とする。  【選択図】  図１
2005212044.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミナからなる芯材と、該芯材の外周を被覆した窒化ケイ素からなる被覆層と、前記芯材と被覆層との中間に炭化チタン、窒化チタンおよび炭窒化チタンの群から選ばれる少なくとも１種の中間層からなる複合繊維体を具備することを特徴とする切削工具。
【請求項２】
断面観察において、前記芯材の含有率が５０〜９０面積％、前記被覆層の含有率が５〜４５面積％、前記中間層の含有率が１〜１０面積％であることを特徴とする請求項１記載の切削工具。
【請求項３】
前記複合繊維体がランダムに絡み合った構造からなることを特徴とする請求項１記載の切削工具。
【請求項４】
前記複合繊維体の繊維径が５μｍ〜１００μｍであることを特徴とする請求項１記載の切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に安価で量産性に優れるとともに被削材との反応性も低く、かつ耐欠損性および耐摩耗性が改善された切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、鋼などの各種材料を加工するための切削工具として使用されるスローアウェイチップは超硬合金やセラミックスなどで形成され、特にセラミック工具についてはＡｌ２Ｏ３マトリックス中にＳｉＣウイスカーやＴｉＣウイスカー等のウイスカーを分散させて工具の靭性および耐欠損性を高める方法が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【０００３】
しかしながら、上記Ａｌ２Ｏ３マトリックス中にＳｉＣウイスカーを分散させた工具では、工具の靭性は向上するものの、被削材としてインコネル等のＮｉおよびＦｅを含有する材質を切削する場合には被削材がＳｉＣと反応して溶着したり摩耗が進行しやすいという問題があった。また、Ａｌ２Ｏ３マトリックス中にＴｉＣウイスカー等の他のウイスカーを分散させた工具については、研究・開発用としては優れた性能を発揮するものの、実用化するにはウイスカーが高価であることおよび安定した特性のウイスカーを大量に供給できない等の問題があり実用化に至っていないのが現状である。
【０００４】
一方、近年、芯材の外周を表皮材で被覆した複合繊維体を一方向に整列させて集束した複合構造体が注目され、構造体の靭性を高めることができること（特許文献３参照）や、ドリルビットの表面等に貼り付けることによってビットの耐摩耗性を向上できることが記載されている（特許文献４）。
【特許文献１】特開平２−６５９０３号公報
【特許文献２】特開平２−１３３３６９号公報
【特許文献３】米国特許第５６４５７８１号明細書
【特許文献４】米国特許第６０６３５０２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献４には掘削工具用としての具体例について記載されているが、特許文献３、４のいずれにも旋削やフライス切削などの切削工具については記載されておらず、また、上記文献３、４に記載された組成の組み合わせでは耐欠損性および／または耐摩耗性が十分でないという問題があった。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、複合繊維体状の芯材と被覆層複合繊維体を切削工具に応用する場合に、複合繊維体の芯材と表皮部材の結合力を改善し、実用的で高い耐欠損性と耐摩耗性を有する切削工具を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、かかる複合繊維体を切削工具に応用する場合、芯材をアルミナ−被覆層を窒化ケイ素という組み合わせとすると優れた耐摩耗性を示す最適な組成の組み合わせとなること、および、炭化チタン、窒化チタンおよび炭窒化チタンの群から選ばれる少なくとも１種の中間層を芯材と被覆層との間に介在させることによって、アルミナと窒化ケイ素との組み合わせでは芯材と被覆層とが焼成により各成分の拡散等が進行しすぎて強固に結合しすぎてしまい複合繊維体の特徴であるクラックの偏向効果がなくなることを防止して優れた耐欠損性および耐摩耗性を有する切削工具となることを知見した。
【０００８】
すなわち、本発明の切削工具は、アルミナからなる芯材と、該芯材の外周を被覆した窒化ケイ素からなる被覆層と、前記芯材と被覆層との中間に炭化チタン、窒化チタンおよび炭窒化チタンの群から選ばれる少なくとも１種の中間層からなる複合繊維体を具備することを特徴とするものである。
【０００９】
また、複合繊維体の形状として、繊維体の平均長さ：ａが０．１〜５０ｍｍ、平均繊維径：ｂが５〜１００μｍで、かつａ／ｂが３以上であることが切削工具としての耐摩耗性および耐欠損性を高める点で望ましい。
【００１０】
さらに、前記芯材がＡｌ２Ｏ３主成分のセラミックス、表皮部材が窒化ケイ素主成分のセラミックス、中間層が窒化チタン主成分のセラミックスからなり、芯材の含有率が５０〜９０体積％、被覆部材が５〜４５体積％、中間層が１〜１０体積％であることが複合構造体としての耐靭性と耐摩耗性を兼ね備えた鋼、鋳鉄、耐熱合金等の切削用の切削工具として特に好適に使用可能なものである。
【００１１】
また、切削工具として用いられた場合の等方性の観点から、上記複合繊維体はランダムに絡み合った構造からなるのが良い。
【発明の効果】
【００１２】
上記本発明の切削工具は、アルミナからなる芯材と、該芯材の外周を被覆した窒化ケイ素からなる被覆層と、前記芯材と被覆層との中間に炭化チタン、窒化チタンおよび炭窒化チタンの群から選ばれる少なくとも１種の中間層からなる複合繊維体が切削工具として最適な硬度および強度を有するとともに、芯材と被覆層との結合力をクラックの偏向効果が発揮されるように制御することができるため、クラックディフレクション（偏向）が起こりやすくなって靭性が向上し、切削工具として使用した場合、高い耐摩耗性を有したまま耐欠損性を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の一実施形態について詳細に説明する。
【００１４】
図１は本発明の切削工具を示す概略斜視図であり、図２は、図１の切削工具中に含有される複合繊維体の模式図である。
【００１５】
図１に示す切削工具１は、主面２が多角形状の平板状をなして複数のコーナー部３を有しており、主面がすくい面２ａおよび着座面２ｂ、側面が逃げ面４、コーナー部３を含むすくい面２ａと逃げ面４との交差稜線部が切刃５として使用される。
【００１６】
本発明によれば、切削工具１が、図２に示すような、芯材１１と、芯材１１の外周を被覆し芯材１１とは異なる組成の被覆層１２と中間層１１０からなる複合繊維体１３を配置した複合構造体１５を具備することを特徴とするものであり、これによって、複合構造体１５の靭性をより向上させることができる。その結果、優れた耐欠損性および耐摩耗性を有する構造体１５とすることができ、複合繊維体１３の特長を生かしつつすくい面２ａおよび逃げ面４の切削に関するいずれの面においても耐欠損性および耐摩耗性に優れた切削工具１が形成できる。
【００１７】
つまり、アルミナからなる芯材と、該芯材の外周を被覆した窒化ケイ素からなる被覆層と、前記芯材と被覆層との中間に炭化チタン、窒化チタンおよび炭窒化チタンの群から選ばれる少なくとも１種の中間層からなる複合繊維体の組み合わせが、切削工具として最適な硬度および強度を有するとともに、芯材と被覆層との結合力をクラックの偏向効果が発揮されるように制御することができるため、例え工具内に微小チッピング等のクラックが発生したとしてもクラックの偏向が起こりやすくなって靭性が向上し、高い耐摩耗性を有したまま耐欠損性を向上させることが可能となるのである。なお、中間層が炭化チタンまたは炭窒化チタンからなる場合には中間層がない場合に比べて複合繊維体の硬度も高くなり、工具としての耐摩耗性も向上する。
【００１８】
図２（ａ）（ｂ）は、本発明において用いられている複合繊維体の概略斜視図である。（ａ）の複合繊維体１３は、芯材１１とこの芯材１１の外周を被覆し芯材１１とは異なる組成の材料からなる被覆層１２とからなるシングルタイプの繊維体である。また、（ｂ）の複合繊維体１７は、（ａ）のシングルタイプの繊維体１１の集合体を伸延したものでマルチタイプの繊維体である。本発明によれば、切削工具１を形成する複合構造体１５は、このような（ａ）または（ｂ）の複合繊維体１３、１７を寄せ集めた構造体によって形成されている。望ましくは、（ｂ）のマルチタイプの繊維体１７を用いることが耐欠損性に優れる。
【００１９】
なお、図１では、複合構造体１５が複合繊維体１３を複数本ランダムな方向に配置した構成からなっており、かかる構成によれば、切削工具として用いられた場合に複数の方向から衝撃が加わった場合でも、靭性に優れて耐欠損性に優れるという点で望ましい。
【００２０】
また、上記シングルタイプの複合繊維体１３またはマルチタイプの複合繊維体１７の形状としては、繊維体の平均長さ：ａが０．１〜５０ｍｍ、特に５〜３０ｍｍであること、および複合繊維体１３、１７の平均繊維径（マルチタイプの複合繊維体１７の場合には複数本集束される各々の複合繊維体の平均直径）：ｂが５〜１００μｍ、特に５〜５０μｍであることがクラックディフレクション（偏向）の効果を高める点で望ましく、かつａ／ｂが３以上、特に５〜１００であることが、複合繊維体１３同士が複雑に絡み合ってクラックの偏向効果を高めることができる点、切削工具としての耐摩耗性および耐欠損性を高める点で望ましい。
【００２１】
さらに、切削工具１の中央部には、バイトなどの工具に取り付けるためのクランプねじ等が挿通される取付孔（図示せず）を形成してもよく、本発明によれば、切削工具としてはソリッドタイプの工具であっても良いが、低コスト、製造の容易さ等の点でスローアウェイ式の工具であることが望ましい。
【００２２】
さらに、工具本体の切刃部分を切り欠いて複合構造体１５からなる切刃チップを取付座にはめ込んでろう付け等で固定する、いわゆるロウ付けタイプの切削工具（図示せず）にも適応可能であるが、本発明は汎用の工具全体を一体的に同じ部材にて形成するシンプルで安価な工具に適応した場合に特に有効な効果を発揮するものである。
【００２３】
本発明において用いる複合繊維体１３の芯材１１を構成する材質としては、周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属、アルミニウム、シリコンの群から選ばれる少なくとも１種の酸化物、炭化物、窒化物および炭窒化物からなる第１のセラミックス、中でもＡｌ２Ｏ３−炭化チタン（炭窒化チタン）、Ａｌ２Ｏ３−ＺｒＯ２が好適に使用可能である。なお、第１のセラミックス中には適宜焼結助剤成分を含有せしめることも可能である。
【００２４】
上記芯材１１のうち、Ａｌ２Ｏ３を主成分とする、すなわち５０質量％以上がＡｌ２Ｏ３からなるＡｌ２Ｏ３質セラミックスを用いることが望ましく、これによって複合構造体１５としての耐靭性と耐摩耗性を兼ね備えた鋼、鋳鉄、耐熱合金切削用の切削工具１として特に好適に使用可能なものとなる。
【００２５】
一方、芯材１１の外周を覆う被覆層１２の材質としては、芯材１１とは異なる材質の硬質焼結体またはセラミックスを用いる。中でも窒化ケイ素が望ましい。なお、表皮部材中にも適宜希土類酸化物、アルミナ等の焼結助剤成分を含有せしめることができる。
【００２６】
さらに、中間層には周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物を用いるのが望ましい。特に窒化チタン、炭窒化チタンが好適に使用可能である。
【００２７】
一方、芯材１１をなす焼結体、例えばＡｌ２Ｏ３質セラミックスの結晶粒子の平均粒径は、複合繊維体１３の硬度および強度向上の点、および芯材１１と被覆層１２中の結合材（結合金属、焼結助剤）の含有量を適正化する点で０．０５〜１０μｍ、特に０．１〜３μｍであることが望ましく、他方、被覆層１２をなす結晶粒子の平均粒径は、複合繊維体１３の靭性向上の点で、０．０１〜５μｍ、特に０．０１〜２μｍであることが望ましい。また、中間層をなす結晶粒子の平均粒径は硬度、強度、靭性向上の点で０．１〜５μｍ、特に０．１〜２μｍであることが望ましい。
【００２８】
次に、本発明の切削工具の製造方法について説明する。まず、本発明において用いられる複合繊維体の製造方法について説明する。図３は、図２の複合繊維体１３および１７の製造方法を説明するための工程図である。
【００２９】
複合繊維体１３、１７を作製するにあたり、まず、芯材用成形体２１を作製する。芯材用成形体２１を作製する方法は基本的には公知の粉末冶金法、つまり原料粉末と結合剤（バインダ）とを混合して成形する方法によって作製することができる。
【００３０】
具体的な方法として、上述した芯材のうちＡｌ２Ｏ３質セラミックスを選択した場合について説明すると、初めに、平均粒径０．０１〜１０μｍのＡｌ２Ｏ３粉末を５５〜８０質量％、特に６５〜７５質量％と、平均粒径０．０１〜１０μｍのＺｒＯ２粉末を５〜３５質量％と焼結助剤を０〜１０質量％の割合で混合し、さらに有機バインダ、可塑剤、溶剤を添加して混錬し、プレス成形等の成形法により円柱形状に成形して芯材用成形体２１を作製する（図３（ａ）参照）。
【００３１】
ここで、後述する共押出成形によって均質な複合成形体を得るためには、前記有機バインダの添加量を３０〜７０体積％、特に４０〜６０体積％とすることが望ましい。
【００３２】
有機バインダとしては、パラフィンワックス、ポリスチレン、ポリエチレン、エチレン‐エチルアクリレート、エチレン‐ビニルアセテート、ポリブチルメタクリレート、ポリエチレングリコール、ジブチルフタレート等を使用することができる。
【００３３】
一方、芯材用成形体２１とは異なる組成の被覆層をなす材料を前述したバインダとともに混錬してプレス成形、押出成形または鋳込み成形等の成形方法により半割円筒形状の２本の被覆層用成形体２２を作製する。
【００３４】
また、表皮部材と同様の手法で中間層用成型体１１１を作製する。この被覆層用成形体２２と中間層用成型体１１１を芯材用成形体２１の外周を覆うように配置した成形体２３を作製する（図３（ｂ）および（ｃ）参照）。
【００３５】
そして、押出機１００を用いて芯材用成形体２１と被覆層用成形体２２と中間層１１１からなる上記成形体２３を共押出成形することにより、芯材用成形体２１の周囲に中間層１１１が被覆され、さらにその周囲に被覆層用成形体２２が被覆され、細い径に伸延された図２（ａ）のシングルタイプの複合繊維体２４を作製することができる（図３（ｄ）参照）。
【００３６】
また、複合繊維体１７の形成にあたり、図３（ｅ）に示すように、上記共押出した長尺状の複合繊維体２４を複数本集束した集束体２５を再度共押出成形することによって、図２（ｂ）の繊維密度の高いマルチタイプの複合繊維体２６を作製することができる。なお、複合繊維体２４、２６の断面は、円形のみならず、四角形、三角形でもよい。
【００３７】
次に、図４に示したように、この長尺状の複合繊維体２４または２６を０．１ｍｍ〜１０ｍｍの所定長さに切断した後、これを成形型２８内にランダムに充填して加熱加圧して複合成形体２７を得る。さらに、この複合成形体２７を必要に応じ、図５に示すように、一対のローラ３０間に通して圧延処理し、さらに高密度の複合成形体３１を作製してもよい。
【００３８】
そして、前記複合成形体２７、３１を３００〜７００℃で１０〜２００時間で昇温または保持させて脱バインダ処理し、ついで真空中、大気中または不活性雰囲気中、所定温度、時間で焼成して一体化することにより複合構造体１５を作製することができる。
【００３９】
さらに、この複合構造体１５の切刃をなすコーナー部３に、端部に芯材１１が露出するようにチャンファホーニングまたはＲホーニングを施して本発明の切削工具を作製することができる。
【実施例】
【００４０】
以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。
【００４１】
実施例１
平均粒径０．６μｍのＡｌ２Ｏ３粉末８５重量％と、平均粒径０．８μｍのＺｒＯ２粉末１４重量％と、平均粒径０．５μｍのＹｂ２Ｏ３粉末０．５重量％、平均粒径０．５μｍのＣｏ３Ｏ４粉末０．５重量％、平均粒径０．５μｍのＮｉＯ粉末０．５重量％の割合で添加し、粉末に対し有機バインダとしてエチレンエチルアクリレート、エチレンビニルアセテート、メトキシポリエチレングリコールを、総量で５０体積部加えて混錬して、円柱形状に押出成形して芯材用成形体を作製した。
【００４２】
一方、平均粒径０．６μｍのＳｉ３Ｎ４粉末９２重量％と、平均粒径０．８μｍのＹ２Ｏ３粉末６重量％と、平均粒径０．５μｍのＡｌ２Ｏ３粉末２重量％の割合で添加し、これに、上記同様の有機バインダを加えて混錬し、半割円筒形状の表皮部材用成形体２つをプレス成形にて作製した。
【００４３】
さらに、平均粒径０．５μｍのＴｉＮ粉末に上記同様の有機バインダを加えて混錬し、半割円筒形状の表皮部材用成形体２つをプレス成形にて作製した。
【００４４】
そして前記芯材用成形体の外周を中間層と表皮部材成型体で覆うように配置して複合構造体を作製した。
【００４５】
そして、上記複合繊維体を共押出して直径が２ｍｍの伸延された複合成形体を作製した後、この伸延された複合成形体１００本を集束して再度共押出成形し、直径が１ｍｍのマルチタイプの複合繊維体を作製した。
【００４６】
次に、このマルチタイプの複合繊維体を長さ５ｍｍづつに切断し、切断された繊維をカーボン製の成形型内にランダムに充填した後、１４０℃に加熱した状態で成形して複合成形体を得た。
【００４７】
その後、前記成形体に対して１００〜７００℃まで７０時間で昇温することによって脱バインダ処理を行った後、昇温速度１０℃／分で昇温し、１６００℃で１時間ホットプレスにて焼成し、複合構造体を作製した。なお、複合構造体の断面を観察したところ、芯材の直径は２０μｍ、表皮部材の厚みは２μｍ、中間層厚みは１μｍであり、芯材と中間層、中間層と表皮部材との間に剥離等は見られなかった。
【００４８】
そして、この複合構造体をＲＮＧＮ１２０７００タイプの切削工具形状に加工してさらに、コーナー部の切刃先端部分に芯材が露出するようにＣ面加工および／またはＲホーニング加工を施すことによってスローアウェイタイプの切削工具を作製した。
【００４９】
得られたスローアウェイチップについて以下の条件
＜切削条件＞
被削材：Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８
切削速度：３５０ｍ／ｍｉｎ
切り込み：２．０ｍｍ
送り：０．４ｍｍ／ｒｅｖ
状態：湿式切削
で切削試験を行った結果、１０分間切削後最大０．３４ｍｍの境界摩耗が発生したが、工具欠損は発生しなかった。
【００５０】
実施例２
実施例１の表皮部材用原料を、平均粒径０．３μｍのＳｉ３Ｎ４粉末８８重量％、平均粒径１．５μｍのＹ２Ｏ３粉末９重量％、平均粒径０．５μｍのＡｌ２Ｏ３粉末３重量％、の割合からなる混合粉末に換え、中間層を平均粒径０．５μｍのＴｉＣＮ粉末に換える以外は実施例１と同様にして複合構造体を作製し、同条件で切削試験を行った結果、１０分間切削後最大０．３８ｍｍの境界摩耗が発生したが、工具欠損は発生しなかった。
【００５１】
比較例１
実施例１の芯材用原料のみで焼結体を作製し、同条件で切削試験を行った結果、３分間切削後工具欠損が発生した。
【００５２】
比較例２
実施例１で中間層の無い組成でＲＮＧＮ１２０７００タイプの切削工具を作製し上記条件で切削テストを行った結果、０．５ｍｍの境界摩耗と刃先にチッピングが生じた。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明にかかる切削工具の一実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１の切削工具をなす（ａ）シングルタイプの複合繊維体、（ｂ）マルチタイプの複合繊維体の構造を説明するための図である。
【図３】（ａ）〜（ｅ）は複合繊維体の製造方法を示す工程図である。
【図４】複合繊維体の成形工程を説明するための工程図である。
【図５】複合繊維体の成形工程の変形例を説明するための工程図である。
【符号の説明】
【００５４】
１    切削工具
２    主面
２ａ  すくい面
２ｂ  着座面
３    コーナー部
４    逃げ面
５    切刃
１１  芯材
１２  被覆層
１３  複合繊維体
１５  複合構造体
【図１】
2005212044.tif 000003
【図２】
2005212044.tif 000004
【図３】
2005212044.tif 000005
【図４】
2005212044.tif 000006
【図５】
2005212044.tif 000007