セラミックスアーカイブズ

セラミックス切削工具（1953 年～現在）

切削工具は，金属を切削加工する時に使用する工具であり，超硬合金，サーメット，セラミックス材料が用いられている．使用環境は，相手材料（主に金属）と接触しながら削り取るために極めて過酷であり，高い応力と高温に曝され，激しい摩擦摩耗（化学反応も）を受ける．このため，セラミックスが持つ優れた材料特性（高硬度・耐熱性・耐摩耗性）が古くより注目され，1950 年代にアルミナセラミックスが使用されたのが始まりとされる．アルミナ系と窒化珪素系のセラミックスが代表的な製品である．材料そのものの特性が製品の良し悪しを決定するため，複合化技術や加圧焼結などの特殊な製法が適用されている．材料の進歩とともに発展してきた典型的なセラミック製品のひとつである．
１．製品適用分野は広がりを見せ，自動車産業の鋳鉄を始めとして耐熱旋削および転削も含む機械加工用の切削工具合金を使用する航空機産業分野までも広がっている．
現在では，環境対策として注目されているドライ切削

２．適用分野の背景やミスト切削にも適用が期待されている．

切削工具は，高温・高応力下の厳しい環境で用いられるため，材料として次のような特性が要求される．
(1) 高硬度，特に高温での硬度が高いこと

３．製品の分類と特徴
現在市販されているセラミック工具を材料で分類す(2) 化学的に安定で，被削材と反応を生じないこと

ると①アルミナ系材料，②アルミナー炭化物複合材料，(3) 機械的応力，特に耐欠損性と耐熱衝撃性に優れる③窒化珪素材料，④サイアロン材料 などがある．

こと

この他にも，サーメット（セラミックとメタルの中これらの要求特性から，セラミックスは極めて有望間的性質の工具）と立方晶窒化ホウ素（cBN）およびダな候補材料と考えられ，古くは 1930 年代から開発がイヤモンド工具もあるが，製法上の違いもあるためこ検討され，超硬工具に遅れること 10 年余の 1938 年

こでは省略する．上記製品の代表的な材料特性を表１に市販されたのが最初とされる．しかし，開発当初，に，適用される被削材の系列を表２に示す．アルミナ

セラミック工具は靭性が低く抗折力が 300MPa 程度と系は，アルミナ粉に少量のマグネシアやジルコニアな低かったことから，切削中に突発的な破損が起こるこどの添加剤を加えて焼結され，化学安定性が高く優れとが多く，その適用は広がらない状況であった．そのた耐摩耗性を有している．普通焼結されたものもある

中で，原料の高純度化技術や焼結技術の発達により機が，近年では HIP 焼結を適用するものが多く，白色を械的特性が大幅に改善され，アルミナセラミックから呈するため白セラミックとも呼ばれ，比較的に安価な窒化珪素セラミックまで利用されるようになった．特工具である．これに対して，炭化物を複合添加した見学可能：
ノリタケの森愛知県名古屋市
http://www.noritake.
co.jp
JFCC 展示室
愛知県名古屋市
http://jfcc.or.jp
Key-words：アルミナ
セラミック，窒化珪素，サイアロン，切削工具
注 1 セラミックスを焼結させる技術の一つであり，一軸方向にカーボンなどの治具により加圧して焼結する方法．
加圧方向に異方性を有しており形状上な制約もある．切断により製品とするため高価となる．
注 2 セラミックスを緻密化させる焼結技術の一つであり，千気圧を越える圧力にて焼結を促進させる手法．ガスによる加圧のため等方的であることが特徴であり，形状における制約がない．圧力が数百気圧の場合をガス圧焼結法（GPS 法）と呼び，圧力よりも分解を抑制する効果を利用する焼結方法である．に，日本においては研究開発が活発に行われ，ホットプレス焼結法注１），ガス圧焼結法，熱間静水圧焼結法（HIP 法）注２）など新しい焼結技術が導入され，更には成分の探索や組織制御技術の開発により普及率は大きく向上した．また，使用される機械においても，高い剛性を持つ工作機械が開発され，切削速度が向上し

図１ セラミックス工具とホルダーてきたことも重なり，セセラミック工具の代表例（左）．切削条件などにより材種と形状が選択される．
加工する際は，セラミック工具を専用のホルダーに取付けて使用する．
（右）ラミック工具の適用分野

セラミックス43（2008）No. 8661

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表１ 各種セラミックス工具の特性値（代表例）

表２ セラミックス工具の適用用途例

アルミナー炭化物材料は，焼結性がアルミナ系に比べしていることが特徴であり，熱膨張係数も小さいためて劣るため，ホットプレスや HIP 焼結が利用され，高に耐熱衝撃性が必要とされる用途に使用される．欠点

価となる．その色から黒セラミックとも呼ばれる．炭として，窒化珪素の主成分であるシリコンが鋼と反応化物としては炭化チタンを利用するものが一般である

しやすいため，特定の切削条件において摩耗が大きいが，その他炭化モリブデン，窒化チタン，炭化タンタ

場合があり，表面にアルミナを被覆させて性能を向上

ル，炭窒化チタン，炭化珪素などを添加する場合もあさせたものも製品化されている．サイアロンは，窒化る．複合化により，材料硬度と強度などが向上し，難珪素粒子にアルミナ成分を固溶させたもので，耐熱性削材の加工に対応できる．窒化珪素とサイアロンセラが高いことと耐化学摩耗に優れることから，耐熱合金ミックスは，ともに針状の形状を有する結晶粒子を有の加工に用いられる．

４．製法
切削工具は，材料の進歩とともに発展してきたと言って良いほど，その製法が重要となる．高純度で微細なセラミックス粉末を使用し，余分な添加物は極力排除して焼結することが求められる．焼結手法とその条件の工夫によって所望の特性が得られる．ポアや組織むら等の欠陥がない完全緻密体を焼結させる工夫が重要となる．図２に現在行われているセラミック工具の製造フローを示す．1500℃を超える高温で焼結されるのが普通である．開発当
初，量産性と形状付与が容易な普通焼結法で製造されたが，現在では究極の特性を得るためにホットプレスやガス

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図２ セラミックス工具の製造プロセス

圧焼結法，HIP 焼結法が採用されてい各種原料粉末を調合後，スプレーにより乾燥・造粒する．プレス成形（ホットプレスでは粉末のまま使用）により所定の形状に加工し，焼結させる．加圧を利用することでほぼ完全に緻密化させることが重要．

る．ホットプレスは，カーボンなどの治具を用いて機械的圧力を直接試料に与え焼結を促進させる優れた焼結方法

セラミックス43（2008）No. 8

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である．一軸方向での加圧方法であるため，異方性がる．これは，加工の面で見ると難削材料になる傾向に生じることがあり，注意が必要である．数百気圧レベあり，これら新素材を高速で高効率に加工する工具がルのガス圧を利用して焼結を促進させるガス圧焼結法必要となってくると考えられている．耐熱・耐摩耗性は，主として窒化珪素に対して実施されている．これに優れるセラミック工具は，この難削材料を加工すると類似の手法である HIP 焼結法は，圧力が更に高く，工具として可能性を有しており，今後もドライ切削や数千気圧の圧力を利用して完全に緻密化させる手法でミスト切削などの分野で適用が広がることが期待されあり，微細で均質な焼結体が得られる方法としてセラる．

ミック工具の製造において広く利用されている．両方法ともに等方的で異方性問題が発生しない手法である．

５．将来展望文 献１）ファインセラミックス利用技術集成 サイエンスフォー
ラム，315 頁 (1982)
４）坂野久夫，ニューセラミックス，パワー社，129 頁 (1995)
３）浦島和浩，粉体粉末冶金技術戦略マップ，粉体粉末冶金
協会 (2007)

これまで，セラミック工具は高能率加工とりわけ高速かつドライ加工において利用され，エネルギー消費の観点から活用されてきた．産業界において，今後も環境負荷の問題は重要であり，例えば自動車産業や航空機産業では軽量で丈夫な新素材が求められてきていセラミックス43（2008）No. 8［連絡先］ 浦島 和浩
日本特殊陶業（株） セラミック関連事業本部・機械工具事業部・技術部〒 485 ─ 8510 愛知県小牧市大字岩崎 2808

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