(57)【要約】【課題】本発明は、切削工具に使用されるセラミック焼結体の強度の向上を図る技術の提供を目的とする。【解決手段】切削工具に使用されるセラミック焼結体の製造方法は、原料粉末と、炭素成分を有するバインダーと、を含むスラリーを準備する準備工程と、スラリーの乾燥物を成形して成形体を得る成形工程と、成形体に炭素が残留するように加熱して脱脂体を得る脱脂工程と、脱脂体の表面を検査する検査工程と、検査後の脱脂体を焼成する焼成工程と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
切削工具に使用されるセラミック焼結体の製造方法であって、
原料粉末と、炭素成分を有するバインダーと、を含むスラリーを準備する準備工程と、
前記スラリーの乾燥物を成形して成形体を得る成形工程と、
前記成形体に炭素が残留するように加熱して脱脂体を得る脱脂工程と、
前記脱脂体の表面を検査する検査工程と、
検査後の前記脱脂体を焼成する焼成工程と、を備えることを特徴とする製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の製造方法において、
前記検査工程は、前記脱脂体の表面の欠陥の程度によって前記脱脂体を合格品と不合格品のいずれかに選別する工程を含み、
前記焼成工程は、前記検査工程において合格品とされた脱脂体を焼成する工程を含むことを特徴とする製造方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の製造方法において、
前記脱脂工程は、前記成形体に残留する炭素が０．０１重量％〜０．３重量％となるように加熱する工程を含むことを特徴とする製造方法。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の製造方法において、
前記準備工程は、アルミナ、ジルコニア、および、窒化珪素のいずれかを原料粉末として含んだスラリーを準備する工程を含むことを特徴とする製造方法。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の製造方法において、
前記準備工程は、パラフィン、ポリビニルアルコール、アクリル樹脂、ポリカルボン酸、脂肪酸、ステアリン酸、および、ポリエチレンオキサイドのいずれかを含んだバインダーを準備する工程を含むことを特徴とする製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、切削工具に使用されるセラミック焼結体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、耐熱合金などを加工するための切削工具に使用される切削インサートとして、セラミック焼結体を用いた切削インサートが知られている。このセラミック焼結体の強度や靱性等の向上を図るために種々の技術が開示されている。例えば、ジルコニアとアルミナを含む混合粉末を乾式粉砕することによって活性化処理した後、成形、焼結する製造方法が開示されている（特許文献１）。また、アルミナ仮焼結体の気孔全体にカルシウムなどの金属塩の溶液を含浸させた後に焼結する製造方法が開示されている（特許文献２）。また、アルミナ粉末にコバルトや炭化タングステンを添加して焼結した焼結体が開示されている（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１−１７２２６２号公報
【特許文献２】特開２００１−３２２８６５号公報
【特許文献３】特開平９−３１６５８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来技術によっても、例えば、セラミック焼結体の製造時に生じる個体差のばらつきなどによって、強度が十分ではないセラミック焼結体が製造されるなどの問題があった。このように、切削工具に使用されるセラミックス焼結体の強度の向上を図る技術に関してはなお改善の余地があった。
【０００５】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、切削工具に使用されるセラミック焼結体の強度の向上を図る技術の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題の少なくとも一部を解決するために、本願発明は、以下の態様または適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
切削工具に使用されるセラミック焼結体の製造方法であって、
原料粉末と、炭素成分を有するバインダーと、を含むスラリーを準備する準備工程と、
前記スラリーの乾燥物を成形して成形体を得る成形工程と、
前記成形体に炭素が残留するように加熱して脱脂体を得る脱脂工程と、
前記脱脂体の表面を検査する検査工程と、
検査後の前記脱脂体を焼成する焼成工程と、を備えることを特徴とする製造方法。
【０００８】
この構成によれば、検査工程において検査される脱脂体は、炭素成分によって黒みがかっているため、クラックや気孔などの欠陥によって焼成後に強度が十分とはならない脱脂体を容易に特定することができる。焼成後に強度が十分とはならない脱脂体を焼成前に特定することで、焼成後に得られるセラミック焼結体の強度の向上を図ることができる。
【０００９】
［適用例２］
適用例１に記載の製造方法において、
前記検査工程は、前記脱脂体の表面の欠陥の程度によって前記脱脂体を合格品と不合格品のいずれかに選別する工程を含み、
前記焼成工程は、前記検査工程において合格品とされた脱脂体を焼成する工程を含むことを特徴とする製造方法。
【００１０】
この構成によれば、検査工程において合格品とされた脱脂体を焼成するため、焼成後に得られるセラミック焼結体の強度の向上を図ることができる。
【００１１】
［適用例３］
適用例１または適用例２に記載の製造方法において、
前記脱脂工程は、前記成形体に残留する炭素が０．０１重量％〜０．３重量％となるように加熱する工程を含むことを特徴とする製造方法。
【００１２】
この構成によれば、検査工程において検査される脱脂体は、炭素を０．０１重量％〜０．３重量％含むことによって黒みがかっているため、焼成後に強度が十分とはならない脱脂体を容易に特定することができる。
【００１３】
［適用例４］
適用例１ないし適用例３のいずれかに記載の製造方法において、
前記準備工程は、アルミナ、ジルコニア、および、窒化珪素のいずれかを原料粉末として含んだスラリーを準備する工程を含むことを特徴とする製造方法。
【００１４】
この構成によれば、アルミナ、ジルコニア、および、窒化珪素のいずれかを含むセラミック焼結体の強度の向上を図ることができる。
【００１５】
［適用例５］
適用例１ないし適用例４のいずれかに記載の製造方法において、
前記準備工程は、パラフィン、ポリビニルアルコール、アクリル樹脂、ポリカルボン酸、脂肪酸、ステアリン酸、および、ポリエチレンオキサイドのいずれかを含んだバインダーを準備する工程を含むことを特徴とする製造方法。
【００１６】
この構成によれば、バインダーに炭素が含まれているため、脱脂工程において、黒みがかった脱脂体を容易に得ることができる。
【００１７】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、セラミック焼結体で構成された切削インサートの製造方法、切削インサートを備える切削工具の製造方法、セラミック焼結体の検査方法などの形態で実現することができる。また、本発明に係るサイアロン焼結体は、適宜、他の部材と組み合わせて適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係る切削インサートの概略構成を説明するための説明図である。
【図２】セラミック焼結体の製造方法の流れを説明するためのフローチャートである。
【図３】黒みがかった色に変色した脱脂体と白色の脱脂体の表面の欠陥の目立ちやすさを比較した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
＜実施の形態＞
図１（Ａ）は、本発明の一実施形態に係る切削インサートの概略構成を説明するための説明図である。図１（Ｂ）は、切削インサートを備えた切削工具の概略構成を説明するための説明図である。切削インサート１は、略円筒形状の刃先であり、切削工具１０に取り付けられて使用される。切削工具１０は、耐熱合金の切削加工などに使用される工具であり、本体部１１の先端部にホルダーと呼ばれる取付部１２を備えている。切削インサート１は、この取付部１２に脱着可能に取り付けられる。
【００２０】
本実施形態の切削インサート１は、以下に説明するセラミック焼結体によって構成されている。なお、切削工具とは、旋削加工や、フライス加工、溝入加工などの粗加工、仕上加工などをおこなう工具の全般をいう。切削インサートとは、切削工具本体の先端部に脱着可能に取り付けられた刃先であり、スローアウェイチップや、刃先交換チップなどとも呼ばれる。
【００２１】
本実施形態のセラミック焼結体は、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）とジルコニア（ＺｒＯ2）とを主成分とするアルミナ・ジルコニア系セラミックである。なお、本実施形態のセラミック焼結体は、アルミナ・ジルコニア系セラミックに限定されず、例えば、アルミナ系セラミック、ジルコニア系セラミック、窒化珪素系セラミックのほか、アルミナと、ジルコニアと、窒化珪素のうちの２種類以上を複合した複合セラミック等であってもよい。
【００２２】
図２は、セラミック焼結体の製造方法の流れを説明するためのフローチャートである。以下では、アルミナ・ジルコニア系セラミックの製造方法の一例について説明する。以下の説明で用いられる各種数値（例えば、粉末の平均粒径、混合時間、プレス圧、加熱時間、加熱温度など）はその一例を示したものであり、これら以外の値を任意に採用することが可能である。
【００２３】
本実施形態のセラミック焼結体を製造するにあたり、まず、焼結体の原料粉末を含んだスラリーを作製する（ステップＳ１１）。スラリーの作製方法の一例としては、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）粉末と、ジルコニア（ＺｒＯ2）粉末と、希土類酸化物（Ｙ2Ｏ3）と、を含んだ原料粉末を用意し、この原料粉末をエタノールと共にボールミル中で約２４時間程度混合することによって得ることができる。スラリーに含まれる各原料粉末の平均粒径には特に限定はないが、０．５μｍ〜１．０μｍ程度を例示することができる。また、原料粉末に含まれるジルコニア（ＺｒＯ2）の配合量は、３重量％〜４０重量％程度を例示することができる。スラリーに含まれる粉砕粒子の分散、凝集状態を制御するためにｐＨ調整をおこなってもよい。
【００２４】
作製したスラリーにバインダーを添加する（ステップＳ１２）。スラリーに添加されるバインダーは、成分に炭素を含んでいれば種類について特に限定はない。炭素を含んでいるバインダーとしては、パラフィン、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、アクリル樹脂、ポリカルボン酸、脂肪酸、ステアリン酸、ポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）などを含んだエマルジョンや水溶液を例示することができる。より具体的には、パラフィン系ワックスエマルジョン、ステアリン酸系ワックスエマルジョン、ポリエチレンオキサイド水溶液を例示することができる。バインダーの添加量についても特に限定されないが、スラリーに占めるバインダーの割合として、０．５重量％〜１５重量％程度を例示することができる。より具体的には、例えば、パラフィン系ワックスエマルジョンを８．５重量％程度、ステアリン酸系ワックスエマルジョンを２．５重量％程度、ポリエチレンオキサイド水溶液を４．０重量％程度とすることができる。スラリーにバインダーを添加した後、攪拌することによってバインダーが添加されたスラリーを得ることができる。
【００２５】
バインダーが添加されたスラリーをスプレードライヤーで乾燥して顆粒を作製する（ステップＳ１３）。これによって、原料粉末とバインダーとを含んだ顆粒（スプレー顆粒）を得ることができる。得られた顆粒を切削インサートの形状にプレス成形する（ステップＳ１４）。プレス圧についても特に限定はないが、２０００ｋｇｆ／ｃｍ2程度を例示することができる。このプレス成形によって、切削インサートの形状に成形されたセラミック成形体（単に「成形体」とも呼ぶ）を得ることができる。
【００２６】
得られた成形体の脱脂をおこなう（ステップＳ１５）。一般的に成形体の脱脂とは、加熱等によって成形体中からバインダー成分を取り除くことをいう。本ステップでの脱脂は、成形体中からバインダー成分を完全に取り除くのではなく、脱脂後の成形体（以後「脱脂体」とも呼ぶ）にバインダー分解物の炭素が残留するように加熱することを特徴としている。このような加熱による脱脂を「仮焼結」とも呼ぶ。脱脂体に炭素を残留させることによって、脱脂体を黒みがかった色（黒色を含む）に変色させることができる。なお、脱脂体に含まれる炭素の割合については特に限定はないが、０．０１重量％〜０．３重量％程度とすることが好ましい。脱脂体の表面を黒みがかった色に変色させるのは、後述するステップＳ１６の目視検査において、脱脂体表面の欠陥の発見を容易にするためである。このことから、脱脂体に含まれる炭素の割合は、０．０１重量％より少ないと脱脂体の黒みが弱くなり、欠陥発見の容易化という効果が小さくなるおそれがある。一方、炭素の割合が０．３重量％よりも多いと黒みが強くなりすぎて、欠陥発見の容易化という効果が小さくなるおそれがある。なお、本ステップの脱脂は、加熱温度や加熱時間等について特に限定されない。例えば、３０ｋＰａの不活性ガス（例えば、窒素）雰囲気下において、８００℃で３０分加熱することによって黒みがかった脱脂体（仮焼結体）を得ることができる。
【００２７】
次に、得られた脱脂体の目視検査をおこなう（ステップＳ１６）。目視検査とは、脱脂体の表面にクラックや気孔などの欠陥が生じているか否かを目視によって確認する工程である。検査対象となる脱脂体は、ステップＳ１５の脱脂を経て表面が黒みがかっているため、後述するステップＳ１７の焼成工程を経て白色となった焼結体を目視検査する場合と比べて、表面のクラックや気孔を発見しやすい。さらに、脱脂体は、クラックや気孔などに炭素のススが入り込むことによって、クラックや気孔が周辺より黒くなっている場合もある。そのため、クラックや気孔が目立ちやすく容易に発見することができる。本実施形態では、目視検査後、欠陥の有無によって、脱脂体を合格品と不合格品に選別し、合格品のみを次の焼成工程に進める。合格品と不合格品との選別基準は、任意に設定することが可能である。例えば、欠陥を有する脱脂体について、欠陥の程度が所定の基準を超えているか否かによって合格品か不合格品かを選別してもよい。
【００２８】
続いて、合格品の脱脂体の焼成をおこなう（ステップＳ１７）。この焼成によって、脱脂体中の炭素が脱脂体から取り除かれ、実質的に炭素を含まない白みがかった色（白色を含む）の焼結体を得ることができる。本ステップの焼成は、焼成温度や焼成時間等について特に限定されない。例えば、６５ｋＰａの不活性ガス（例えば、アルゴン）雰囲気下において、１８００℃で２時間焼成することによって焼結体を得ることができる。
【００２９】
続いて、焼成工程を経て得られた焼結体の研磨加工をおこなう（ステップＳ１８）。ダイヤモンド砥石等を用いて研磨加工をおこない、切削インサートの形状に整えることによって、焼結体で構成された切削インサートを得ることができる。
【００３０】
以上説明した、本実施形態のセラミック焼結体の製造方法によれば、脱脂工程（ステップＳ１５）において、脱脂体を黒みがかった色に変色させるため、検査工程（ステップＳ１６）において、脱脂体表面のクラックや気孔などの欠陥を容易に発見することができる。これにより、焼成後に強度が十分とはならない脱脂体を選別することができるため、焼成後に強度の高い焼結体のみを得ることができる。強度の高い焼結体を切削工具として使用した場合には、表面欠陥がほとんどなく、長寿命を安定して発揮することができる。
【００３１】
図３は、黒みがかった色に変色した脱脂体と白色の脱脂体の表面の欠陥の目立ちやすさを比較した説明図である。図３（ａ）〜（ｃ）の各図の左側に示された脱脂体は、本実施形態の製造方法によって得られたものであり、表面が黒みがかった色に変色している。一方、各図の右側に示された脱脂体は、脱脂工程においてバインダー成分がほぼ取り除かれたものであり、表面が白色となっている。図３（ａ）〜（ｃ）の各図において、左側に示された脱脂体と右側に示された脱脂体は、同じ条件（フラッシュの有無や撮影角度等）で撮影されたものである。なお、図３（ｂ）と図３（ｃ）は、撮影時のフラッシュの有無が異なり、図３（ｂ）はフラッシュを使用したものであり、図３（ｃ）はフラッシュを使用していないものである。また、図３（ａ）〜（ｃ）の各図において、脱脂体表面の欠陥（クラック等）部分を丸で囲んで示している。図３（ａ）〜（ｃ）から、黒みがかった色に変色した脱脂体は、白色の脱脂体よりも表面の欠陥が目立ちやすく、欠陥を目視によって発見しやすいことがわかる。
【００３２】
また、本実施形態の製造方法によれば、焼成工程（ステップＳ１７）の前に検査工程（ステップＳ１６）があるため、焼成後に強度が十分とはならない脱脂体の焼成をやめることができ、製造コストの抑制を図ることができる。
【００３３】
従来、検査工程は焼成工程の後におこなわれていた。そのため、検査対象は白色の焼結体であり、表面の欠陥を発見するのは容易ではなかった。仮に検査対象の焼結体を着色させようと考えた場合には、着色のための着色工程が別に必要となり、工数の増加や、材料コストの増加が生じる問題があった。一方、本実施形態の製造方法によれば、バインダーに含まれている炭素成分によって検査対象となる脱脂体を着色し、その後、焼成によって炭素を取り除くことができるため、着色による工数の増加や材料コストの増加を生じさせずに、検査精度の向上を図ることができる。
【００３４】
従来から、セラミック焼結体の強度や靱性等の向上を目的として、原料粉末を粉砕して焼結性を改善したり、焼結体に金属塩溶液を含浸させて粗大粒を含まない均質な焼結体にしたり、異種材料を複合化したりするなど、様々な方法で改良がおこなわれてきた。本発明は、これらとは着眼点が異なり、製造時に欠陥がある不合格品を除去する精度を高めることによって、高強度なセラミック焼結体を得ようとするものである。
【００３５】
＜変形例＞
なお、この発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００３６】
（１）変形例１：
上記実施形態では、切削インサートの製造方法として説明した。しかし、本発明に係る製造方法は、切削インサートに限らず、他の工具や、製品の部材を製造する方法として適用することができる。
【００３７】
（２）変形例２：
上記実施形態では、アルミナ・ジルコニア系セラミックの製造方法として説明した。しかし、本発明に係る製造方法は、アルミナ系セラミック、ジルコニア系セラミック、窒化珪素系セラミックのほか、アルミナと、ジルコニアと、窒化珪素のうちの２種類以上を複合した複合セラミック等の製造方法としても適用することができる。すなわち、準備する原料粉末の内容を変えることによって様々な種類のセラミックの製造方法として適用することができる。例えば、窒化珪素系セラミックの製造方法として適用する場合であれば、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）粉末を含んだ原料粉末を準備すればよい。また、アルミナ系セラミックの製造方法として適用する場合であれば、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）粉末を含んだ原料粉末を準備すればよい。ジルコニア系セラミックの製造方法として適用する場合であれば、ジルコニア（ＺｒＯ2）粉末を含んだ原料粉末を準備すればよい。
【符号の説明】
【００３８】
１…切削インサート
１０…切削工具
１１…本体部
１２…取付部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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