(57)【要約】【課題】汎用に使用可能な混合セラミック切削工具を製造すること及びこのためのセラミック顆粒の混合物及びこのための製造方法を提供すること【解決手段】少なくとも２つのセラミック硬質材料を有する混合セラミック切削工具、特にチップ又はスローアウェーチップにおいて、第１の硬質材料は、ジルコニウム又はモリブデン又はニオブの酸化物を有し、第２の硬質材料は、タンタル、タングステン、ハフニウム又はレニウムからの少なくとも２つの化合物の炭化物又は窒化物を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つのセラミック硬質材料を有する混合セラミック切削工具において、前記セラミック硬質材料の第１のセラミック硬質材料は、ジルコニウム又はモリブデン又はニオブの酸化物を有し、前記セラミック硬質材料の第２のセラミック硬質材料は、タンタル、タングステン、ハフニウム、レニウムからの少なくとも２つの化合物の炭化物又は窒化物を有することを特徴とする、混合セラミック切削工具。
【請求項２】
第２のセラミック硬質材料とは異なる、タンタル、タングステン、ハフニウム、レニウムからの少なくとも２つの化合物の炭化物又は窒化物を有する第３のセラミック硬質材料を有する、請求項１記載の切削工具。
【請求項３】
第１のセラミック硬質材料とは異なる、ジルコニウム又はモリブデン又はニオブの酸化物を有する第４のセラミック硬質材料を有する、請求項１又は２記載の切削工具。
【請求項４】
第１のセラミック硬質材料又は第１及び第４のセラミック硬質材料の質量割合が、前記切削工具（１）の質量の２０〜４０％であり、かつ第２のセラミック硬質材料又は第２及び第３のセラミック硬質材料の質量割合が、前記切削工具（１）の質量の８０〜６０％である、請求項１から３までのいずれか１項記載の切削工具。
【請求項５】
切削工具（１）の焼結のためのセラミック顆粒の混合物において、前記混合物が、請求項１から４までのいずれか１項記載の少なくとも１つの第１のセラミック硬質物質及び第２のセラミック硬質物質を有することを特徴とする、前記混合物。
【請求項６】
より低い溶融温度を有する硬質材料の顆粒の粒子サイズが、より高い溶融温度を有する硬質材料の顆粒の粒子サイズよりも２倍〜１０倍大きい、請求項５記載の混合物。
【請求項７】
請求項１から４までのいずれか１項により形成されかつ従って少なくとも１つの第１の硬質材料及び第２の硬質材料を有する混合セラミック切削工具（１）の製造方法において、前記複数の硬質材料の溶融温度を近づける工程を特徴とする、混合セラミック切削工具（１）の製造方法。
【請求項８】
前記溶融温度を近づける工程を、複数の異なった硬質材料のために複数の異なった圧力を調節する工程により行う、請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記溶融温度を近づける工程の前に、パラフィンを用いて、前記複数の硬質材料の顆粒を結合する工程を行う、請求項７又は８記載の方法。
【請求項１０】
前記顆粒を結合する工程の後に、顆粒及びパラフィンからなる混合物をホットプレスする工程及び焼結する工程を行う、請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念に記載の混合セラミック切削工具、請求項５の上位概念に記載のこの種の切削工具の焼結のためのセラミック顆粒の混合物及び請求項７の上位概念に記載の混合セラミック切削工具の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
公知のセラミック切削工具、例えば立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）からなるか又は酸化物系セラミック、例えばＡｌ2Ｏ3からなる公知のセラミック切削工具は、高い硬度、温度安定性、耐熱性及び耐摩耗性及び耐薬品性を有する。前記切削工具を用いて、切削加工の場合に高い切削速度及び加工速度を実現可能である。更に、前記切削工具を用いて潤滑剤なし／冷却剤なしの乾式加工を行うことができる、それというのも前記切削工具の高い耐熱性のために食いつき時に切刃の温度負荷の軽減は必要ないためである。
【０００３】
上記のセラミックのこの好ましい特性は、しかしながらこのセラミックの脆く硬い材料特性と不都合に対立している。靭性及び曲げ強さが欠如するため、セラミック切削材料は、高い送り速度の範囲内で又は例えばフライスの場合に生じるような断続切削の場合に、今日でもいまだに十分には使用できない。
【０００４】
確かに、使用可能な高速度工具鋼（ＨＳＳ）は、靭性及び曲げ強さについて要求に値する高い値を有するが、この高速度工具鋼はセラミック切削材料又は硬質材料の硬度及び耐熱性に達していない。
【０００５】
複数のセラミックの、特に酸化物系セラミック及び窒化物系セラミック、例えばＡｌ2Ｏ3及びＳｉ3Ｎ4を基礎とする混合物の使用によって、より高い靱性と共により大きな硬度を有する切削材料が生じる。しかしながら、この混合物の欠点は、この混合セラミックが相変わらず比較的低い靱性を有するため、この切削材料の使用領域を、それによってより高い送りの領域又は断続切削の領域に比較的僅かにしかずらせないことにある。更に、最も硬質の酸化物セラミック又はＣＢＮに対して硬度の欠損が生じる。
【０００６】
更に、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、炭化チタン（ＴｉＣ）及び窒化チタン（ＴｉＮ）を基礎とする混合セラミックが公知である。しかしながら、この混合セラミックも、平滑切削において硬質精密加工のため又は平滑切削又は断続切削において鋳鉄の仕上加工の使用領域に限定される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
これに対して、本発明の基礎となる課題は、汎用に使用可能な混合セラミック切削工具を製造すること及びこのためのセラミック顆粒の混合物及びこのための製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題は、請求項１の特徴を有する切削工具、請求項５の特徴を有するセラミック顆粒の混合物及び請求項７の特徴を有する製造方法により解決される。
【０００９】
本発明の好ましい実施態様は、請求項２〜４、６及び８〜１０に記載されている。
【００１０】
混合セラミック切削工具、特にチップ又はスローアウェイチップは、少なくとも２つのセラミック硬質材料を有する。
【００１１】
本発明の場合に、その内の第１のセラミック硬質材料は、ジルコニウム又はモリブデン又はニオブの酸化物を有し、第２のセラミック硬質材料は、炭化物又は窒化物を有し、これらは次の材料：タンタル、タングステン、ハフニウム、レニウムの少なくとも２つを有する化合物により形成されている。ジルコニウム又はモリブデン又はニオブの酸化物は、この場合、セラミック硬質材料の混合物に関して分散作用（dispersiven Effekt）を有し、この切削工具に大きな靭性を付与する。好ましくは、第１のセラミック硬質材料は、ＺｒＯ又はＺｒＯ2又はＭｏＯ2又はＮｂＯ2を有する。少なくとも２つの材料を有する炭化物や窒化物は、切削工具に大きな硬度を付与する。この場合、炭化物や窒化物に２つの異なる材料を使用することは、前記第１のセラミック硬質材料の酸化物との橋かけ（Brueckenbildung）に寄与し、かつ付加的に慣用の切削工具に比べてこの切削工具の硬度を更に高める。第２の硬質材料は、好ましくは、タンタルとタングステンもしくはハフニウムもしくはレニウム、又はタングステンとハフニウムもしくはレニウム、又はハフニウムとレニウムとを有する。特に、炭化タンタルハフニウム（Ｔａ4ＨｆＣ5）、炭化タンタルレニウム、炭化タングステンタンタル又は炭化タングステンハフニウムが好ましい。本発明により選択された硬質材料混合物による硬度の向上又は靭性の向上によって、切削工具はよりフレキシブルにかつより汎用的に使用することができる。よって、この切削工具は、特に、中ぐり加工、旋削加工、フライス加工のために使用可能である。この使用領域は、この場合多様な材料特性及び切削特性を有するワークピース、例えばフェライトワークピース、快削鋼、構造用鋼、浸炭鋼、超合金、鋳鉄及びＡＤＩ鋳鉄の領域にわたる。更に、精密加工、通常加工、硬質加工及び仕上加工及びスクラビング加工のような加工種類の切削領域も可能である。全ての切削加工法のための幾何学形状が決まった切刃を用いた硬質加工が、断続切削の場合でも及び異なる硬質区域を有するワークピースの場合でも可能である。慣用の混合セラミック切削工具に比べてこの切削工具の耐用時間は、極めて耐摩耗性の硬質材料のために約２倍にまで高まり、耐用距離は約５倍にまで高まる。更なる利点は、工具破壊がまれに生じるか又は起こりえないために、プロセス信頼性が高められることである。従って、廃品及び機械損傷も低減される。本発明による切削工具は、更に従来の混合セラミック切削工具と比べて約２．５倍の切削速度を可能にする。この汎用的な切削工具の特別な利点は、複数のスペシャルツールに置き換えることができことであり、これにより切削製造におけるロジスティクス費用、投資費用及び運転費用を低減することができる。
【００１２】
切削工具の好ましい実施態様の場合に、この切削工具は更に第３のセラミック硬質材料を有し、この硬質材料は、第２のセラミック硬質材料とは異なる炭化物又は異なる窒化物を有し、この炭化物又は窒化物は、タンタル、タングステン、ハフニウム、レニウムの材料の少なくとも２つを有する前記された化合物の１つから形成されている。第３のセラミック硬質材料の適切な選択により、この場合、このセラミック切削工具の使用領域を、より狭い適用領域に集中させるか又は更に広く拡張させることができる。
【００１３】
この切削工具の好ましい実施態様は第４のセラミック硬質材料を有し、この第４のセラミック硬質材料は、第１のセラミック硬質材料とは異なる、上述のジルコニウム又はモリブデン又はニオブの酸化物を有する。
【００１４】
従来の切削工具に比べたこの切削工具の靭性及び硬度の向上は、第１のセラミック硬質材料又は第１及び第４のセラミック硬質材料の質量割合が、切削工具の質量の約２０〜４０％でありかつ第２のセラミック硬質材料又は第２及び第３のセラミック硬質材料の質量割合が、切削工具の質量の約８０〜６０％である場合に生じる。好ましくは、従って、第２のセラミック硬質材料又は第２及び第３のセラミック硬質材料（炭化物／窒化物）がセラミックマトリックスとして機能し、そのマトリックス内へ第１のセラミック硬質材料又は第１及び第２のセラミック硬質材料（酸化物）が埋め込まれている。
【００１５】
上述の混合セラミック切削工具の焼結のための前製品として、第１のセラミック硬質材料の顆粒と第２のセラミック硬質材料の少なくとも１つの顆粒とを有するセラミック顆粒の本発明による混合物が好ましい。この混合物の好ましい実施態様の場合に、この混合物は更に、上述の第３のセラミック硬質材料又は第３及び第４のセラミック硬質材料の顆粒を有する。
【００１６】
これらのセラミック硬質材料の溶融温度は多様であるため、後続の焼結のためには、低い溶融温度を有する硬質材料の顆粒の粒子サイズが、高い溶融温度を有する硬質材料の顆粒の粒子サイズよりも、約２〜１０倍、特に好ましくは３〜５倍大きい場合が好ましいことが判明した。こうして焼結を容易にすることができる。高い融点を有する顆粒の粒子サイズは、１／１００ｍｍの範囲内であるのが好ましい。これは、特に、第２の硬質材料として、４２１５℃で最も高い公知の溶融温度の１つを有する炭化タンタルハフニウムＴａ4ＨｆＣ5が配分されている混合物に関する。
【００１７】
上述の切削工具を製造する本発明による方法は、セラミック混合物の複数の硬質材料の溶融温度を近づける（Annaeherung）少なくとも１つの工程を有する。この近づける工程は、特に上述の好ましい切削工具の焼結を可能にする。この近づける工程は、好ましくは多様な硬質材料のために多様な圧力の調節によって行う。
【００１８】
この方法の好ましい実施態様の場合に、前記溶融温度を近づける工程の前に、混合物の複数の硬質材料の顆粒を、特にパラフィンにより結合する工程が実施される。
【００１９】
この方法の他の好ましい実施態様の場合に、前記顆粒を結合する工程の後でかつ焼結する工程の前に、顆粒とパラフィンとからなる混合物をホットプレスする工程を行う。
【００２０】
この方法の他の好ましい実施態様の場合に、前記複数のセラミック硬質材料の溶融温度を近づける工程に引き続き又はその工程の間に、前記複数のセラミック硬質材料の混合物を焼結する工程が行われる。
【００２１】
次に、切削工具用の硬質材料の本発明による混合物の実施例を、１つの表を用いて詳細に説明しかつ本発明による切削工具の実施例を、２つの図を用いて詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】切削工具用の硬質材料混合物の実施例を示す表。
【図２】切削工具の実施例の平面図。
【図３】図２による実施例の断面図。
【実施例】
【００２３】
図１は、本発明による切削工具の製造もしくは焼結のための硬質材料の可能な混合物を示す。図１の左側の、第１の硬質物質の表には、混合セラミックの靭性を意図的に高めることを予定している硬質物質が一覧されている。これらは、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、二酸化モリブデン（ＭｏＯ2）及び二酸化ニオブ（ＮｂＯ2）である。
【００２４】
図１中の右の表は、可能な第２の硬質材料を一覧し、この第２の硬質材料は、選択的に炭素（炭化物）又は窒素（窒化物）との関連でタンタル、ハフニウム、タングステン、レニウムの群からなる２つの材料の組合せから形成されていることができる。この場合、少なくとも６掛ける２の可能な組合せの数、つまり１２種の異なる第２の硬質材料が生じる。
【００２５】
それ自体、つまり第１の硬質材料の存在なしで、示された炭化物からなる切削工具は極めて硬質でかつ脆性であるように見える。この硬度は５を越えるモーススケールにあり、炭化タンタルハフニウムの硬度は例えば９〜１０である。従って、炭化物及び窒化物のこの優れた材料特性は、その高い硬度及び耐熱性、並びにその温度安定性である。
【００２６】
第１及び第２の硬質材料からなる提案された混合物は、第１の硬質材料、例えば二酸化ジルコニウムから出発して、混合物を象徴する破線２０によって、選択された第２の硬質材料、例えば炭化タンタルハフニウムに達することを示す。タンタルとハフニウムと炭素の化合物が炭化タンタルハフニウムに至ることは、この場合、図１により、実線で示す線２２により象徴されている。炭化タンタルハフニウムは、この場合、極端に硬質な非酸化物系セラミックであり、このセラミックは４２１５℃で最も高い公知の融点を有する。炭化タンタルハフニウムと二酸化ジルコニウムとの硬質物質の混合物の実施例において、従って、炭化タンタルハフニウムは、極端な硬度、耐熱性及び温度安定性をもたらすため、これにより形成された切削工具は、特に速い切削速度及び硬質ワークピースのために使用することができる。この第１の硬質材料、もしくは炭化タンタルハフニウムの混合相手の二酸化ジルコニウムによって、この提案された硬質材料混合物はより靭性になる。この二酸化ジルコニウムは、この混合物中で分散挙動（dispersives Verhalten）を示しこの分散挙動がこの靭性を助長させる。特に、炭化タンタルハフニウム中に含まれるハフニウムは、この場合、炭化タンタルハフニウムと二酸化ジルコニウムとの間の橋かけに寄与する。第１の硬質材料の二酸化ジルコニウムによりこの硬質材料混合物中にもたらされる靭性は、高い送りの場合の及び特に例えばフライスの場合に生じる断続切削の場合の切削工具の使用を可能にする。
【００２７】
図１により混合可能である他の特に好ましい実施例は、炭化タングステンハフニウムと組み合わせた二酸化モリブデン、炭化タンタルタングステンと組み合わせた二酸化ニオブ又は、最大の硬度が期待される炭化タンタルレニウムで構成されている混合物である。二酸化ニオブとは別に、Ｎｂ2Ｏ5で示される化合物も可能である。
【００２８】
上述の第２の硬質材料とは異なる第３の硬質材料を使用する場合に、これは、第２の硬質材料のための図１により可能である組合せを介して作成可能である。これと同様に、上述の第１の硬質材料とは異なる第４の硬質材料を使用する場合に、これは、第１の硬質材料のための図１により可能である組合せを介して作成可能である。
【００２９】
チップとして構成された、最適な切りくず流出のためのチップブレーカ段部を備えた混合セラミック切削工具１の実施例を図２及び図３に示す。この場合、チップはＳ型（正方形）に構成されている。この第１の硬質材料は、靭性のＺｒＯ2であり、その第２の硬質材料は、硬質でかつ温度安定性の炭化タンタルハフニウムＴａ4ＨｆＣ5である。これらの硬質材料は、切削工具１中に４０％〜６０％の質量割合で存在する。この実施例は、高い硬度及び靭性を有するので、汎用の切削加工のために適している。この使用領域は、旋削加工、フライス加工、中ぐり加工、仕上加工、スクラブ加工及びタップ加工に及ぶ。加工可能なワークピースとして、快削鋼、構造用鋼、肌焼鋼、鋳鉄及び超合金が可能である。この適用領域は、従って、DIN ISO 513による種類にまで及ぶ。
【００３０】
このチップの直径２は、この第１の実施例の場合に、１５ｍｍである。このチップのノーズ４は、１．６ｍｍのノーズ半径Ｒ0で丸められている。この丸められたノーズ４は、図２の観察者に向いた平面でそれぞれ回転する切刃６を有する。このチップ１に関して重要な幾何学形状の具体的な説明のために図３の記載を行う。
【００３１】
図３は、図２による第１の実施例のＡ−Ａに沿った断面図を示す（図２参照）。このチップは、工具基準面８を有し、この工具基準面８は、このチップが、このチップの仮想の切削方向１０に対して垂直に配置されるように規定されている（DIN 6851による）。更に、工具基準面８中に切刃６の切削点（図示されていない）が配置されている。このチップは、工具支持部（図示されていない）上に載置するための底面１１を有する。この底面１１は、この場合、工具基準面８に対して平行である。
【００３２】
このチップの規定通りの運転の際に、ワークピースは、切削方向１０に向かって平行に、このチップ１のそばを通り過ぎるように動く。このチップは、この場合、ワークピースに所定の切り込み深さで切り込み、この切り込み深さにより切りくずの厚さが決まる。
【００３３】
このチップは、逃げ面１２が、このチップの仮想被削面に対して平行であるように構成される。これにより仮想被削面と逃げ面１２との間の逃げ角αが０°の値であることが生じる。更に、このチップは、逃げ面１２とすくい面１４との間の刃物角βが９０°の値を有するように構成される。それにより、すくい面１４と工具基準面８との間のすくい角γは０°の値を有することになる。この逃げ面１２は、すくい面１４に対して切刃６によって限定されている。この切刃６は、この場合、０．３ｍｍの半径Ｒ1を有する。硬質材料の前記混合物及び直角の刃物角βに基づき、この切刃６は破損に対して、特に硬質加工及び／又は断続切削の間に保護されている。
【００３４】
図２により左側すくい面１４に沿って左から右への切りくず流出方向で、このすくい面１４に移行面１６が０．５ｍｍの移行半径Ｒ2で接している。この移行面１６は、チップブレーカ面１８の一部分であり、このチップブレーカ面１８は、すくい面１４から出発してチップブレーカ深さＢに沿って延びている。このチップブレーカ面１８は、この場合に工具基準面８に対して−３７°のチップブレーカ角δに設定されている。この場合、上述のチップブレーカ角は、工具基準面８を前提として定義される。
【００３５】
すくい面１４及び工具基準面８に対するチップブレーカ面１８のこの傾斜は、ワークピースの旋削加工の際の切りくず形成を改善する。この改善は、好ましい円筒型又は螺旋型の巻いた切りくずを増加させる。剪断型切りくず（Broeckelspaene）も多く観察することができる。リボン型及び／又は無秩序型の切りくず（Band- und/oder Wirrspaenen）の形成は、特にＴ傾斜チップ（T-Fasenschneidplatten）の形状のチップの従来の形状と比べて、少なくなる。
【００３６】
少なくとも２つのセラミック硬質材料を有する混合セラミック切削工具、特にチップ又はスローアウェーチップが開示されている。第１の硬質材料は、この場合、ジルコニウム又はモリブデン又はニオブの酸化物を有し、第２の硬質材料は、タンタル、タングステン、ハフニウム又はレニウムからの少なくとも２つの化合物の炭化物又は窒化物を有する。
【００３７】
［発明の実施形態］
１．  少なくとも２つのセラミック硬質材料を有する混合セラミック切削工具において、前記セラミック硬質材料の第１のセラミック硬質材料は、ジルコニウム又はモリブデン又はニオブの酸化物を有し、前記セラミック硬質材料の第２のセラミック硬質材料は、タンタル、タングステン、ハフニウム、レニウムからの少なくとも２つの化合物の炭化物又は窒化物を有することを特徴とする、混合セラミック切削工具。
２．  第２のセラミック硬質材料とは異なる、タンタル、タングステン、ハフニウム、レニウムからの少なくとも２つの化合物の炭化物又は窒化物を有する第３のセラミック硬質材料を有する、前記１記載の切削工具。
３．  第１のセラミック硬質材料とは異なる、ジルコニウム又はモリブデン又はニオブの酸化物を有する第４のセラミック硬質材料を有する、前記１又は２記載の切削工具。
４．  第１のセラミック硬質材料又は第１及び第４のセラミック硬質材料の質量割合が、前記切削工具（１）の質量の約２０〜４０％であり、かつ第２のセラミック硬質材料又は第２及び第３のセラミック硬質材料の質量割合が、前記切削工具（１）の質量の約８０〜６０％である、前記１から３までのいずれか１に記載の切削工具。
５．  切削工具（１）の焼結のためのセラミック顆粒の混合物において、前記混合物が、前記１から４までのいずれか１に記載の少なくとも１つの第１のセラミック硬質物質及び第２のセラミック硬質物質を有することを特徴とする、前記混合物。
６．  より低い溶融温度を有する硬質材料の顆粒の粒子サイズが、より高い溶融温度を有する硬質材料の顆粒の粒子サイズよりも約２倍〜１０倍大きい、前記５に記載の混合物。
７．  前記１から４までのいずれか１により形成されかつ従って少なくとも１つの第１の硬質材料及び第２の硬質材料を有する混合セラミック切削工具（１）を製造、特に焼結する方法において、前記複数の硬質材料の溶融温度を近づける工程を特徴とする、混合セラミック切削工具（１）を製造、特に焼結する方法。
８．  前記溶融温度を近づける工程を、複数の異なった硬質材料のために複数の異なった圧力を調節する工程により行う、前記７に記載の方法。
９．  前記溶融温度を近づける工程の前に、特にパラフィンを用いて、前記複数の硬質材料の顆粒を結合する工程を行う、前記７又は８に記載の方法。
１０．  前記顆粒を結合する工程の後に、顆粒及びパラフィンからなる混合物をホットプレスする工程及び焼結する工程を行う、前記９に記載の方法。
【符号の説明】
【００３８】
１  混合セラミック切削工具
２  直径
４  ノーズ
６  切刃
８  工具基準面
１０  切削方向
１１  底面
１２  逃げ面
１４  すくい面
１６  移行面
１８  チップブレーカ面
２０  破線
２２  実線
Ｌ  すくい面深さ
Ｂ  チップブレーカ深さ
α  逃げ角
β  刃物角
γ  すくい角
δ；δ′  チップブレーカ角
【図１】
2013223919.tif 000003
【図２】
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【図３】
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