(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
長尺状の芯材の外周を表皮部材にて被覆してなる複数本の複合構造体をランダムにお互いが絡み合った組織とした多芯複合構造体からなる切削工具であって、前記芯材がＡｌ２Ｏ３セラミックスまたはＡｌ２Ｏ３とＺｒＯ２との複合セラミックスであり、前記表皮部材がＺｒＯ２セラミックスまたは前記芯材とは組成が異なるＡｌ２Ｏ３とＺｒＯ２との複合セラミックスにて形成されていることを特徴とする切削工具。
【請求項２】
前記芯材がＡｌ２Ｏ３を１００〜７５重量％と、ＺｒＯ２を０〜２５重量％との割合で含有するとともに、前記表皮部材がＡｌ２Ｏ３を０〜６０重量％と、ＺｒＯ２を１００〜４０重量％との割合で含有することを特徴とする請求項１記載の切削工具。
【請求項３】
前記芯材中にＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｍｇ、Ｙの酸化物の群から選ばれる少なくとも１種の焼結助剤を総量で０．０１〜１０重量％の割合で含有するとともに、前記表皮部材中にＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｍｇ、Ｙの酸化物の群から選ばれる少なくとも１種の焼結助剤を総量で０．０１〜１０重量％の割合で含有することを特徴とする請求項１または２記載の切削工具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、長尺状の芯材の外周を表皮部材にて被覆してなる複合構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、Ａｌ2Ｏ3とＺｒＯ2との複合セラミックスは高硬度および高強度を有する材料として知られ、構造材として広く用いられており、例えば、特願昭６３−１８３４３７号公報では、Ａｌ2Ｏ3に対して微粒のＺｒＯ2を分散せしめた複合セラミックスが破壊を抑制する効果を有すると記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のＡｌ2Ｏ3とＺｒＯ2の複合セラミックスでは、破壊抑制効果が低く、例えば切削工具等として使用すると耐欠損性が劣るという問題があった。
【０００４】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、高硬度と高靭性とを兼ね備えた複合構造体にて構成される切削工具を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は上記課題について検討した結果、長尺状の芯材の外周を表皮部材にて被覆してなる複合構造体であって、前記芯材をＡｌ２Ｏ３またはＡｌ２Ｏ３とＺｒＯ２との複合セラミックスで、表皮部材をＺｒＯ２または前記芯材とは異なる組成のＡｌ２Ｏ３とＺｒＯ２との複合セラミックスにて形成することにより、高硬度と高靭性を兼ね備えた複合構造体となることを知見し、複数本の前記複合構造体をランダムにお互いが絡み合った組織とした多芯複合構造体からなる切削工具とした。
【０００６】
すなわち、本発明の切削工具は、長尺状の芯材の外周を表皮部材にて被覆してなる複数本の複合構造体をランダムにお互いが絡み合った組織とした多芯複合構造体からなる切削工具であって、前記芯材がＡｌ２Ｏ３セラミックスまたはＡｌ２Ｏ３とＺｒＯ２との複合セラミックスであり、前記表皮部材がＺｒＯ２セラミックスまたは前記芯材とは組成が異なるＡｌ２Ｏ３とＺｒＯ２との複合セラミックスにて形成されていることを特徴とするものである。ここで、前記芯材がＡｌ２Ｏ３を１００〜７５重量％と、ＺｒＯ２を０〜２５重量％との割合で含有するとともに、前記表皮部材がＡｌ２Ｏ３を０〜６０重量％と、ＺｒＯ２を１００〜４０重量％との割合で含有することが望ましい。
【０００７】
また、芯材、表皮部材ともにＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｍｇ、Ｙの酸化物の群から選ばれる少なくとも１種の焼結助剤を総量で０．０１〜１０重量％の割合で含有することが望ましい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の複合構造体にて構成される切削工具について、その一実施例である図１の概略斜視図を基に説明する。
【０００９】
図１によれば、複合構造体１は長尺状の芯材４の外周を表皮部材８にて被覆した構造からなる。
【００１０】
本発明によれば、複合構造体１における芯材４をＡｌ2Ｏ3またはＡｌ2Ｏ3とＺｒＯ2との複合セラミックスとし、表皮部材８をＺｒＯ2または前記芯材とは組成が異なるＡｌ2Ｏ3とＺｒＯ2との複合セラミックスにて形成することが大きな特徴であり、これによって、複合構造体の硬度を高めることができるとともに、前記表皮部材８の破壊を最低限に抑制できかつクラックの偏向、ブリッジング、ディボンディング、プルアウトの効果が発揮できることから複合構造体１の靭性を高めることができる。
【００１１】
また、本発明によれば、硬度を向上させることによって優れた耐摩耗性を発現させ、また靭性を向上させ耐欠損性を向上させるという点および切削工具として用いた場合の被削材との親和性を低下させる点で、前記芯材４がＡｌ2Ｏ3を１００〜７５重量％と、ＺｒＯ2を０〜２５重量％との割合で含有するとともに、前記表皮部材８がＡｌ2Ｏ3を０〜６０重量％と、ＺｒＯ2を１００〜４０重量％との割合で含有することが望ましい。
【００１２】
さらに、芯材中には、助剤成分として、希土類酸化物、酸化コバルト、酸化ニッケル、酸化イットリウム、酸化マグネシウムを含有しても良い。特にＡｌ2Ｏ3中には酸化マグネシウムを助剤として用いＡｌ2Ｏ3の粒成長を抑制してやるのが望ましい。
【００１３】
また、本発明のジルコニアは単斜晶、正方晶、立方晶のいずれであっても良いが、特に正方晶として存在することが望ましい。これにより微構造を芯材と表皮部材とで異なった組成にした効果にくわえてＺｒＯ2の変態強化機構による強化も付与できる。
【００１４】
また、芯部、表皮部Ａｌ2Ｏ3とＺｒＯ2との複合セラミックス中には共に助剤成分としてＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｍｇ、Ｙの酸化物の群から選ばれる少なくとも１種の焼結助剤を総量で０．０１〜１０重量％の割合で含有することが望ましい。これらの酸化物はＡｌ2Ｏ3とＺｒＯ2の結合力を改善し破壊靭性、抗折強度を向上させる。これらの添加量が０．０１重量％を下回ると破壊靭性、抗折強度の向上効果が得られず、１０重量％を超えると抗折強度が低下する。
【００１５】
また、複合構造体１のクラック進展抑制のためには、例えば、芯材４の平均直径は５〜５００μｍ以下、特に５〜３００μｍ、表皮部材８の平均厚みは１００μｍ以下、特に０．１〜２０μｍからなり、複合構造体１の直径が０．０１〜０．５５ｍｍであることが望ましいが、高硬度と高靭性の両立のためには、芯材４の平均直径Ｄ1と表皮部材８の平均厚みＤ2との比Ｄ2／Ｄ1が０．０１〜０．２、特に０．０２〜０．１であることが望ましい。
【００１６】
さらに、図１では芯材４が１本、すなわち単体の周囲に表皮部材８が被覆された場合について示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、図３に示すように、図１の複合構造体１を例えば４本以上の複数本収束したマルチフィラメント構造であっても良い。
【００１８】
そして、複合構造体１を、例えば０．０１〜１０ｍｍの所定長さとして、これをランダムにお互いが絡み合った組織とする。かかる構造体によれば硬度や靭性等の特性の異方性が生じることなく均一な特性を有する構造体となる。
【００１９】
次に、本発明の複合構造体１を製造する方法の一例について図４の模式図をもとに説明する。
【００２０】
まず、平均粒径０．１〜３μｍのＡｌ2Ｏ3粉末を９０〜９５重量％と、平均粒径０．５〜５μｍのＺｒＯ2粉末を５〜１０重量％と、所望により上述した助剤成分粉末を０．５〜１重量％とを所定の割合で添加、混合して、これに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−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の有機バインダを添加、混錬した後、プレス成形、押出成形または鋳込成形等の成形方法により芯材用に円柱形状の成形体４’を作製する（工程（ａ））。
【００２１】
一方、平均粒径０．１〜３μｍのＡｌ2Ｏ3粉末を５〜１０重量％と、平均粒径０．５〜５μｍのＺｒＯ2粉末を９５〜９０重量％と、所望により上述した助剤成分粉末を０．５〜１重量％とを所定の割合で添加、混合して、これに前述のバインダ等を添加したものを混錬して、プレス成形、押出成形または鋳込成形等の成形方法により半割円筒形状の２本の表皮部材用成形体８’を作製し、該表皮部材用成形体８’を前記芯材用成形体４’の外周を覆うように配置した複合成形体を作製する（工程（ａ））。
【００２２】
そして、上記複合成形体を共押出成形することにより芯材の周囲に表皮部材が被覆された細い径に伸延された複合成形体１’を作製する（工程（ｂ））。また、マルチフィラメント構造の構造体を作製するには、上記共押出した長尺状の成形体を複数本収束して再度共押出し成形すれば良い（工程（ｃ））。
【００２３】
さらに、上記伸延された長尺状の複合成形体１’を所望により円柱や三角柱、四角柱、六角柱等の多角形に成形することもできる。また、公知のラピッドプロトダイビング法等の成形方法によって任意の形状に成形することも可能である。
【００２４】
なお、本発明によれば、上記方法以外にも繊維状の芯材用成形体４’を先に作製し、これを表皮部材用のスラリー中にディッピング（浸漬して引き上げ）することによって上述したような複合構造成形体を作製することも可能である。
【００２５】
その後、前記成形体を脱バインダ処理した後、大気中または不活性ガス雰囲気例えばＡｒガス中、１１００〜１９００℃で焼成することにより本発明の複合構造体を作製することができる。また、焼成に際しては、所望により、１０００℃〜１９００℃でＨＩＰ焼成してもよい。
【００２６】
さらに、得られた構造体に対して、ＣＶＤ法やＰＶＤ法等の薄膜形成法により構造体の表面に周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物等の皮膜を形成することも可能である。
【００２７】
【実施例】
（参考例１）
平均粒径０．３μｍのＡｌ２Ｏ３粉末９５重量％と、平均粒径０．８μｍのＺｒＯ２粉末４重量％と、平均粒径１μｍのＣｏ３Ｏ４粉末０．５重量％と、平均粒径１μｍのＮｉＯ粉末０．５重量％を秤量し、これに有機バインダおよび溶媒を添加、混練した混練物を押出成形機に充填して直径１００μｍの繊維状に押出成形し芯材用の成形体とした。
【００２８】
一方、平均粒径１μｍのＡｌ2Ｏ3粉末５０重量％と、平均粒径１μｍのＺｒＯ2粉末４９重量％と、平均粒径１μｍのＭｇＯ2粉末０．５重量％と平均粒１μｍのＣｏ3Ｏ4粉末０．２５重量％と、平均粒１μｍのＮｉＯ粉末０．２５重量％を秤量し、これに有機バインダおよび溶媒を添加、混合してスラリー状とし、上記繊維状の芯材用成形体をスラリー内に浸漬、引き上げして芯材用成形体の外周に厚さ１．５μｍの表皮部材をコーティングし、空気中で２４時間乾燥して複合構造体を作製した。
【００２９】
その後、複合構造体を５０ｍｍ毎にカットし並列に整列させたシートを複数枚作製し、各シート間の複合構造体同士が４５°となるように積層した積層体を作製し、所定形状にカットした。そして、この積層体を６００℃で５時間脱バインダ処理し、１５００℃で３０ＭＰａの圧力を付与してホットプレスを行った。
【００３０】
得られた複合構造体は、芯材の平均直径が９０μｍ、表皮部材の厚みが１μｍであった。硬度、破壊靭性をＩＦ法により荷重２０ｋｇで測定したところ、硬度は１８ＧＰａ、破壊靭性は８ＭＰａｍ0.5であった。
【００３１】
さらに、上記焼結体をＳＮＧＮ１２０４２０の切削工具形状に繊維の並びがすくい面と平行になるように切り出し、以下の条件で８０００ｍ切削した結果、ノーズ摩耗が０．１５ｍｍで欠損は発生しなかった。
（切削条件）
被削材    Ｓ４５Ｃ
切削速度  ３００ｍ／ｍｉｎ
送り      ０．３ｍｍ／ｒｅｖ．
切り込み  ２ｍｍ
乾式切削
（実施例２）
平均粒径２μｍのＡｌ2Ｏ3粉末９０重量％とＺｒＯ2粉末８重量％に対し、平均粒径１μｍのＣｏ3Ｏ4粉末を１重量％、粒径１μｍのＮｉＯ粉末を１重量％添加し、これにバインダ、滑剤を添加、混錬した後、プレス成形により直径２０ｍｍの芯材用成形体を作製した。また、平均粒径２μｍのＡｌ2Ｏ3粉末６０重量％とＺｒＯ2粉末重量３９％に対し、平均粒径２μｍのＣｏ3Ｏ4粉末を１重量％、Ｙ2Ｏ3粉末を０．５重量％、ＭｇＯ2を０．５重量％添加し、これにバインダ、滑剤を添加、混錬した後、プレス成形により肉厚１ｍｍで半割円筒状の表皮部材用成形体を２本作製し、上記芯材用成形体の周囲に被覆した複合成形体を作製した。
【００３２】
そして、上記複合成形体を共押出して伸延した後、該伸延された成形体３００本を収束して再度共押出し成形し、マルチフィラメントタイプの成形体を作製した。このフィラメントを長さ５ｍｍに切断し、切断したフィラメントを無秩序に型中に充填し５０×５０×１００ｍｍの大きさに成形した。その後、この成形体に対して脱バインダ処理を行い、続いてホットプレス中にセットして、Ａｒ雰囲気中、ラム圧力３０ＭＰａにて、１５００℃でホットプレス焼成して複合構造体を作製した。構造体の断面を顕微鏡にて観察したところ、平均で芯材の直径１０〜２０μｍ、表皮部材の平均厚み０．５μｍであった。
【００３３】
得られた複合構造体に対して、実施例１と同様にヴィッカース硬度（ＪＩＳＲ１６０１に準じる）およびＩＦ法にて試料の靭性を測定した結果、硬度１８ＧＰａ、破壊靭性８ＭＰａｍ0.5であった。また、実施例１と同じ切削条件にて切削特性を評価した結果、ノーズ摩耗が０．１４ｍｍで欠損は発生しなかった。
【００３４】
（実施例３）
平均粒径０．２μｍのＡｌ2Ｏ3粉末９５重量％に平均粒径約０．５μｍのＺｒＯ2粉末５重量％添加し、これにバインダ、滑剤を添加、混錬した後、プレス成形により直径２０ｍｍの芯材用成形体を作製した。また、平均粒径０．７μｍのＡｌ2Ｏ3粉末５０重量％に平均粒径1μｍのＺｒＯ2粉末５０重量％添加し、これにバインダ、滑剤を添加、混錬した後、プレス成形により肉厚１ｍｍで半割円筒状の表皮部材用成形体を２本作製し、上記芯材用成形体の周囲に被覆した複合成形体を作製した。
【００３５】
そして、上記複合成形体を共押出して伸延した後、該伸延された成形体３００本を収束して再度共押出し成形し、マルチフィラメントタイプの成形体を作製した。このフィラメントを長さ５ｍｍに切断し、切断したフィラメントを無秩序に型中に充填し５０×５０×１００ｍｍの大きさに成形した。その後、この成形体に対して脱バインダ処理を行い、続いてホットプレス中にセットして、Ａｒ雰囲気中、ラム圧力３０ＭＰａにて、１５００℃でホットプレス焼成して複合構造体を作製した。構造体の断面を顕微鏡にて観察したところ、平均で芯材の直径１０〜３０μｍ、表皮部材の平均厚み０．３μｍであった。
【００３６】
得られた複合構造体に対して、参考例１と同様にヴィッカース硬度（ＪＩＳＲ１６０１に準じる）およびＩＦ法にて試料の靭性を測定した結果、硬度１７．５ＧＰａ、破壊靭性７．５ＭＰａｍ0.5であった。また、参考例１と同じ切削条件にて切削特性を評価した結果、ノーズ摩耗が０．１６ｍｍで欠損は発生しなかった。
【００３７】
（比較例）
実施例２と同じ表皮部材用成形体を用いると共に、この成形体と同じ芯材用成形体を用いる、すなわち芯材用成形体と表皮部材用成形体とを同じ組成の混練物にて作製する以外は実施例２と同様にして複合構造体を作製し、同様に評価した結果、硬度１６ＧＰａ、破壊靭性４ＭＰａｍ0.5、ノーズ摩耗が０．２５ｍｍで微小欠損が発生した。
【００３８】
【発明の効果】
以上詳述したとおり、本発明の切削工具によれば、切削工具を構成する複合構造体の芯材がＡｌ２Ｏ３またはＡｌ２Ｏ３とＺｒＯ２との複合セラミックスであり、表皮部材が前記芯材とは異なる組成のＡｌ２Ｏ３とＺｒＯ２との複合セラミックスにて形成されていることにより、高硬度と高靭性、耐酸化性、耐反応性を兼ね備えた複合構造体からなる、ノーズ摩耗が小さく欠損の発生しにくい切削工具となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の切削工具を構成する複合構造体の一例を示す概略斜視図である。
【図２】  図１の複合構造体を平板状に組み合わせた構造体の例を説明するための図である。
【図３】  本発明の切削工具を構成する複合構造体を複数本収束したマルチフィラメント構造の構造体の構成を示す概略斜視図である。
【図４】  本発明の切削工具を構成する複合構造体の製造方法を説明するための概念図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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