JP2003231005A

JP2003231005A - 切削工具

Info

Publication number: JP2003231005A
Application number: JP2002035561A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Sekiguchi; 豊関口; Yoshihito Igai; 良仁猪飼; Yasuhiro Takagi; 保宏高木; Kazuhiro Urashima; 和浩浦島
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2002-02-13
Filing date: 2002-02-13
Publication date: 2003-08-19

Abstract

(57)【要約】【課題】積層構造のセラミック焼結体からなり、特に
優れた耐欠損性を有する切削工具を提供する。【解決手段】セラミック焼結体からなる積層構造の切
削工具において、基材を構成する面のうち少なくとも切
削工具の逃げ面として用いられる面上に外層が積層され
ており、該外層の熱膨張係数が上記基材の熱膨張係数よ
り小さいことを特徴とする。また、この切削工具では、
外層が、それぞれ窒化珪素又はアルミナを主成分とする
ことが好ましい。また、基材と外層のとの熱膨張係数の
差が、２５〜１０００℃の平均値で、０．１〜３．０×
１０^−６／Ｋであり、外層の厚さが０．０１〜３ｍｍで
あることがより好ましい。また、上記切削工具のすくい
面として用いられる面における端縁部の少なくとも一部
に残留圧縮応力が発生していることが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、セラミック焼結体
からなる積層構造の切削工具に関する。更に詳しくは、
セラミック層からなる基材に、この基材より熱膨張係数
の小さい外層を形成してなり、それによって外層の端縁
部に残留圧縮応力が発生している切削工具に関する。本
発明は、耐欠損性及び耐摩耗性等に優れ、高速旋盤、高
速フライス盤などの高速工作機械における切削工具とし
て利用することができる。また、フライス工具、エンド
ミル、ドリル等として用いることもでき、特に、鋳鉄の
加工に用いる切削工具として有用である。

【０００２】

【従来の技術】従来、セラミック焼結体で構成される切
削工具は、通常、単一の組成で構成されたものであり、
セラミックの組成を最適化することにより、耐摩耗性、
耐欠損性の向上を図ってきた。しかし、このように単一
組成のセラミック焼結体からなる切削工具は、耐摩耗
性、耐欠損性の両方が優れたものを得ることは困難であ
った。

【０００３】そこで、上記問題を解決するために、セラ
ミック焼結体の内部と表面部とで組成を変化させ、表面
部を熱膨張係数が小さいものとすることにより、焼成後
の冷却時に表面側に圧縮応力を残留させて強度及び靭性
等を向上させることも検討されている。これらの方法の
うち、例えば、特開平４−１３９０６５号公報では、窒
化珪素マトリックス中に、熱膨張係数が窒化珪素より大
きい異種粒子を分散、含有させ、この異種粒子の含有量
をマトリックス表面から内部に向かって増加させた傾斜
組成を有する窒化珪素複合材料が開示されている。そし
て、この複合材料によれば、焼成後の冷却時に表面部分
に強い圧縮応力を残すことができ、亀裂の発生及び進展
に対する抵抗力が高められ、強度及び靭性を更に向上さ
せることができると説明されている。

【０００４】更に、特開平４−３１９４３５号公報で
は、セラミック焼結体等からなる基材の少なくとも一面
に、基材よりも熱膨張率の小さい最外層を形成する際
に、基材と最外層との熱膨張率の大きな段差を解消する
ため、熱膨張率が漸次変化する傾斜組成を有する中間層
を形成させた積層焼結体が開示されている。そして、こ
の積層焼結体は、機械的強度が大きく、熱衝撃に強く、
摺動材料及び工具材料等、特に、急激に高温に曝され、
又は高温から急冷される切削工具材料として有用である
と説明されている。

【０００５】また、特開平９−１１００５号公報では、
最外層にセラミック焼結体等、中間層にサーメット等、
基材層にニッケル等を使用し、これらの層が同心状に焼
成されてなるものであり、且つ、この最外層は圧縮応力
を有することを特徴とする積層焼結体が開示されてい
る。また、この積層焼結体は、ＳＨＳ／ＨＩＰプロセス
により形成されるものである。この積層焼結体は、最外
層に最も硬い物質層が位置するように同心状に一体に形
成され、しかも最外層に圧縮応力を有しているので、該
物質単体よりも硬く強固で、切削工具用材料、耐摩用材
料、耐衝撃用材料などとして優れた性能を発揮する。ま
たその製造はＳＨＳ／ＨＩＰプロセスにより行うことが
でき、これにより、大規模な超高圧、高温装置を用いる
ことなく製造することができると説明されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、内部から表面
側へと熱膨張係数を変化させた傾斜組成を有する複合材
料、或いは熱膨張係数の異なる基材と外層等との間に傾
斜組成を有する中間層を介在させて積層させた積層焼結
体を切削工具として実際に使用した場合、熱膨張につい
て特に考慮していない切削工具と比べて、耐欠損性等が
必ずしも向上するとは限らないことが、実験などにより
明らかになっている。これは、ただ単に積層構造とした
だけでは、すくい面の中央部にのみ残留圧縮応力が発生
し、実際の切削時に被切削材と接触する端縁部に十分な
残留圧縮応力を発生させることができないためである。
このように、より確実に耐欠損性等を向上させるために
は、基材及び外層の構造、各々の熱膨張係数、或いはそ
れぞれの厚さなどを最適化する必要がある。

【０００７】本発明は上記問題点を解決するためになさ
れたものであり、実際の切削時に被切削材と接触する端
縁部に十分な残留圧縮応力を発生させ、これにより、優
れた耐欠損性と耐摩耗性とを併せ備える切削工具を得る
ことを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の切削工具は、セ
ラミック焼結体により形成され、基材と、該基材を構成
する面上のうちの少なくとも一部に積層された外層とか
らなる積層構造の切削工具において、該切削工具は、該
外層の表面のうちの少なくとも一部が逃げ面として用い
られるものであり、該外層の熱膨張係数が該基材の熱膨
張係数より小さいことを特徴とする。また、上記基材
は、互いに対向する２つの面と該対向する２つの面のそ
れぞれの外周線の間に構成される側面とを有する形状で
あり、上記外層は、該側面のうちの各該外周線の一方の
該外周線の全線を少なくとも含む部分に積層されたもの
とすることができる。更に、上記外層は、上記基材を構
成する面のうち、上記側面の全ての面に積層されたもの
とすることができる。また、上記外層は、上記基材を構
成する面上の全面に積層されたものとすることができ
る。また、上記外層は、窒化珪素又はアルミナを主成分
とすることができる。更に、上記切削工具のすくい面と
して用いられる面における端縁部の少なくとも一部に残
留圧縮応力が発生しているものが好ましい。また、上記
端縁部は、上記外層の端縁から３ｍｍ以内の部分である
ことが好ましい。更に、上記すくい面の上記端縁部にビ
ッカース圧子を圧入した場合に、逃げ面と垂直方向に生
成した亀裂の長さに基づき算出した破壊靭性値が、上記
端縁部の少なくとも一部において、上記外層を形成する
セラミック焼結体のＪＩＳＲ１６０７により測定した
破壊靭性値より１０％以上大きいことが好ましい。ま
た、上記すくい面として用いられる面における上記端縁
部の少なくとも一部の上記残留圧縮応力が３０ＭＰａ以
上であることが好ましい。更に、上記外層の厚さが、
０．０１〜３ｍｍであることが好ましい。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明を詳細に説明する。
セラミック焼結体からなる切削工具において、基材より
も熱膨張係数が小さいセラミック焼結層（外層）を基材
のうちの少なくとも一部に積層することによって、基材
と外層との熱膨張係数差から、焼成後の冷却時に、外層
に特に大きな残留圧縮応力を発生させることができるこ
とを見出した。その結果、すくい面の端縁部の特に外層
部分において十分な破壊靭性値及び残留圧縮応力を有
し、これにより、従来有効に強化できなかったすくい面
の端縁部をより強靭にすることができ、優れた耐欠損性
と耐摩耗性とを併せ備える切削工具とすることができ
る。本発明は、このような知見に基づきなされたもので
ある。

【００１０】本発明の切削工具は、２層以上の積層構造
となっており、基材と、その基材を構成する面上のうち
の少なくとも一部に積層され切削工具の逃げ面として用
いられる外層とからなり、これら全ての層がセラミック
焼結体からなるものである。ここで、上記「外層」が
「基材を構成する面上の少なくとも一部に積層された」
とは、上記外層が基材の一部のみに積層されていても良
いし、全面に積層されていても良いという意味である。
また、「外層の表面のうちの少なくとも一部が逃げ面と
して用いられる」とは、外層の表面の全ての面を逃げ面
として用いる必要はなく、外層の表面のうちの一部が逃
げ面として用いられるのであれば、外層の他の表面を逃
げ面以外の面（例えばすくい面）として用いても良いと
いう意味である。

【００１１】上記「基材」の形状は特に限定されない
が、例えば、互いに対向する２つの面と各面のそれぞれ
の外周線の間に構成される側面とを有する形状であるこ
とが好ましい。ここで、上記「互いに対向する２つの
面」とは、お互いに向き合って位置しているものであ
り、必ずしも互いに平行になっている必要はない。上記
「側面」とは、この対向している２つ面のそれぞれの外
周線により構成される面である。互いに対向する２つの
面及び側面を有する形状として、例えば、直方体、立方
体、円柱、角柱等が挙げられる。

【００１２】このとき、外層は、側面のうちの少なくと
も各外周線の一方の外周線の全線に近接する部分に積層
されることができる。例えば、基材の形状が直方体であ
る場合おいて（図３参照）、上面６及び下面７を互いに
対向する２つの面としたとき、側面は、図３において、
側面８である。また、上記「外周線」とは、例えば、上
面６、下面７を構成している外周線９、１０である。即
ち、上記外層は、側面８のうち基材の上記外周線９、１
０のうちの一方の全ての線（例えば外周線９の全ての
線）を含む部分１１に積層されることができる。この場
合、外層の表面（例えば、図３において側面８のうちの
いずれか）を逃げ面として用いることができ、対向する
２つの面のうちの外層が積層されている外周線（例え
ば、図３において外周線９）を含む面（例えば、図３に
おいて上面６）をすくい面として用いることができる。

【００１３】また、外層は、上記側面の全ての面（図４
において側面８の全ての面）に積層されることもでき
る。この場合、外層の表面（図４において側面８のいず
れか）を逃げ面として用い、外層が積層されていない面
（即ち、ある対向した２つの面、図４では、上面６及び
下面７）を逃げ面以外の面（例えばすくい面）として用
いることができる。

【００１４】また、外層は、基材を構成する面上の全面
に積層することもできる。この場合、外層の表面のうち
の一面を逃げ面として用い、外層の他の表面を逃げ面以
外の面（例えばすくい面）として用いることができる。

【００１５】上記「基材」及び「外層」として用いられ
るセラミック焼結体は、一般に切削工具として用いられ
ているものを使用することができ、特に限定はされな
い。そのようなセラミック焼結体としては、例えばアル
ミナ、ジルコニア、チタニア等の酸化物系セラミック焼
結体、窒化珪素、窒化硼素、窒化アルミニウム、窒化チ
タン、窒化タンタル等の窒化物系セラミック焼結体、炭
化珪素、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化タングス
テン、炭化タンタル、炭化クロム等の炭化物系セラミッ
ク焼結体等が挙げられ、これらのうちの１種のみを用い
ても良いし、２種類以上併用しても良い。

【００１６】基材と外層とは、被切削材を切削する際に
剥離することのないように強固に接合されていなければ
ならない。そのため、通常、基材となる未焼成体と、外
層となる未焼成体とを一体に積層したうえで、必要に応
じて冷間静水圧プレス処理等により緻密度を高めた後、
同時焼成することによって接合される。従って、基材と
外層との各々の未焼成体は、同時焼成することができ、
且つ焼成により強固に接合されるセラミックからなるこ
とが好ましい。

【００１７】上記基材は、窒化珪素又はアルミナを含有
することが好ましい。窒化珪素又はアルミナの含有量
は、基材を１００質量％とした場合に、２０〜８０質量
％、特に３０〜７０質量％であることが好ましい。窒化
珪素又はアルミナの他には、窒化チタン、炭化タングス
テン、炭化チタン、炭化珪素、炭化クロム等のセラミッ
クが含有されていることが好ましく、希土類元素酸化物
等の焼結助剤として用いられた酸化物が含有されていて
も良い。

【００１８】また、上記外層は、窒化珪素又はアルミナ
を主成分とすることが好ましい。それによって優れた耐
欠損性と耐摩耗性とを併せ備える切削工具とすることが
できる。窒化珪素には少量の窒化アルミニウム、アルミ
ナ、サイアロン、窒化チタン等が含まれていても良く、
アルミナには少量のムライト、スピネル等が含まれてい
ても良い。

【００１９】このとき、外層の質量を１００質量％とし
た場合、窒化珪素又はアルミナの含有量は、６０質量％
以上、特に８０質量％以上、更には９０質量％以上であ
ることが好ましい。窒化珪素又はアルミナの他には、炭
化チタン、炭化珪素等の耐熱性が高く、硬度の大きいセ
ラミックが含有されていても良く、希土類元素酸化物等
の焼結助剤として用いられた酸化物が含有されていても
良い。尚、外層の全体が窒化珪素又はアルミナにより形
成されていても良い。

【００２０】このように基材と外層、特に外層に窒化珪
素又はアルミナを除く他の耐熱性の高いセラミックを含
有させることによって、より耐熱性等に優れた切削工具
とすることができる。更に、基材及び外層に含有される
窒化珪素又はアルミナ並びにその他のセラミックの量比
によって、基材及び外層の熱膨張係数を容易に調整する
ことができる。

【００２１】この切削工具では外層の熱膨張係数が、基
材の熱膨張係数より小さい。これにより、焼成後の冷却
時に、被切削材に接する部位に近接する部位である端縁
部に十分な残留圧縮応力が発生し、強度及び靭性が向上
する。基材と外層との熱膨張係数の差は、２５〜１００
０℃の平均値で、０．１×１０^−６〜３．０×１０⁻ ^６
／Ｋ、特に０．５×１０^−６〜３．０×１０^−６／Ｋ、
更には１．０×１０⁻ ^６〜３．０^−６／Ｋであることが
好ましい。熱膨張係数の差が０．１×１０^−６／Ｋ未満
であると、十分な残留圧縮応力が発生せず、耐欠損性等
に優れた切削工具とすることができない場合がある。一
方、熱膨張係数の差が３．０×１０^−６／Ｋを越える
と、成形体の焼成時、或いは焼結体を工具形状に加工す
る際などに亀裂が発生することがあり、好ましくない。

【００２２】上記「端縁部」は、すくい面上の被切削材
に接する部位に近接する部分であり、すくい面の中央部
を除く部分である。端縁からの距離は限定されないが、
通常、端縁から３ｍｍ以内、好ましくは２ｍｍ以内の部
分である。特に、端縁部の逃げ面と平行な方向の両端
部、更には逃げ面と平行な方向の端縁から３ｍｍ以内、
好ましくは２ｍｍ以内において、破壊靭性が向上し、十
分な残留圧縮応力が発生していることがより好ましい。
この被切削材に接する部位に近接する端縁部であり、且
つその逃げ面と平行な方向の両端部２（図１参照）と
は、例えば、図１に示されるようにすくい面１の形状が
正方形である場合、斜線により表される部分である。

【００２３】また、すくい面の端縁部にビッカース圧子
を圧入した場合に、逃げ面と垂直方向に生成した亀裂の
長さに基づき算出される破壊靭性値（Κ_１）が、端縁部
の少なくとも一部において、ＪＩＳＲ１６０７によ
り測定される外層の破壊靭性値（Κ_２）より１０％以上
大きいことが好ましい。Κ_１はΚ_２より２５％以上、特
に５０％以上（通常、２００％以下）大きいことが好ま
しく、これにより耐欠損性等に優れた切削工具とするこ
とができる。

【００２４】更に、すくい面の端縁部の少なくとも一部
の残留圧縮応力が３０ＭＰａ以上であることが好まし
い。更にこの残留圧縮応力は５０ＭＰａ以上、特に１０
０ＭＰａ以上であることが好ましく、１５０ＭＰａ以
上、更には２００ＭＰａ以上とすることもできる。残留
圧縮応力が３０ＭＰａ未満であると、耐欠損性等を十分
に向上させることができない場合がある。

【００２５】このように、すくい面の端縁部の破壊靭性
を向上させること、或いは十分な残留圧縮応力を発生さ
せること、によって切削工具の耐欠損性等を十分に向上
させることができる。また、すくい面端縁部の逃げ面と
平行な方向の両端部の破壊靭性を向上させ、且つ十分な
残留圧縮応力を発生させることにより、切削工具の耐欠
損性等を確実に向上させることができる。

【００２６】外層の厚さは限定されないが、０．０１〜
３ｍｍ、特に０．０１〜１．７ｍｍ、更には０．０５〜
０．８ｍｍとすることが好ましい。この厚さが０．０１
〜３ｍｍであれば、端縁部に十分な残留圧縮応力を発生
させることができる。外層の厚さが０．０１ｍｍ未満で
あると、基材が耐欠損性に大きく影響を及ぼし、耐欠損
性等を十分に向上させることができない場合があり、一
方、この厚さが３ｍｍを越えると、全厚さに渡って十分
な残留圧縮応力を発生させることが容易ではないため、
好ましくない。尚、本発明の切削工具には、装置に取り
付けること等を目的として、貫通孔、切り欠きなどが設
けられていても良く、また、表面及び端面等の一部に他
のセラミック層などが積層されていても良い。

【００２７】本発明の切削工具では、後記の実施例にお
ける耐欠損性の評価方法による加工山数の比を、１以
上、好ましくは、１．３以上とすることができる。この
ように特定の積層構造とすることによって、簡易な構造
でありながら十分に優れた耐欠損性等を有する切削工具
とすることができる。

【００２８】この切削工具は、原料粉末を一軸プレスに
より積層する多段プレス法、予め原料粉末を含有するシ
ートを成形し、これを圧着して積層させるシート積層
法、及び原料粉末をホットプレスにより積層させるホッ
トプレス法等によって所定形状の成形体とした後、１０
ＭＰａ程度の窒素ガス圧下で焼成するガス圧焼結法、１
０〜３００ＭＰａ程度の圧力下で焼成する熱間静水圧焼
結法、及び機械的に一軸方向に加圧しながら焼成するホ
ットプレス焼結法等により焼成し、得られた焼結体を所
定形状に加工することによって製造することができる。

【００２９】

【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
る。（１）切削工具の製造焼結体の作製基材用及び外層用の各々の原料粉末を、表１に記載の所
定の質量比となるように配合した。その後、水を媒体と
して、窒化珪素製の容器とボールとを使用し、容器の回
転数を５０ｒｐｍとして４０時間湿式粉砕し、混合し
た。次いで、スプレードライヤー法により造粒し、基材
用及び外層用のそれぞれの混合粉末を得た。その後、基
材用、外層用の順に各々の混合粉末を金型に注入し、一
軸プレスにより積層する多段プレス法によって成形し
た。

【００３０】その後、冷間静水圧プレス処理により高密
度化し、縦１７ｍｍ×横１７ｍｍ×高さ７ｍｍの成形体
とした。次いで、実験例１〜１１では、窒素雰囲気下、
圧力１ＭＰａ、温度１９００℃で２時間保持して一次焼
成し、その後、窒素雰囲気下、圧力１００ＭＰａ、温度
１６００℃で２時間保持して二次焼成した。また、実験
例１２〜１４では、大気雰囲気下、温度１３００℃で２
時間保持して焼成した。このようにして各々焼結体を得
た。

【００３１】工具形状への加工上記のようにして作製した実験例１〜１４のそれぞれの
焼結体を所定形状の切削工具［ＩＳＯＳＮＧＮ４３２
に規定された形状、寸法；縦１２．７ｍｍ×横１２．７
ｍｍ×厚さ４．７６ｍｍ（外層は、各々表１に記載の厚
さである。）］に加工した。その後、各々の切削工具の
逃げ面にチャンファ０．０８５の面取り加工を施した。
尚、実験例１〜１４の切削工具の外層の厚さは２点間距
離の測定が可能なマイクロスコープにより測定した。

【００３２】（２）物性の評価熱膨張係数基材用のみ、又は外層用のみの原料粉末を用意してそれ
ぞれの焼結体を製造し、それぞれの熱膨張係数を下記の
式により算出した。熱膨張係数（１０^−６／Ｋ）＝−［（１０００℃におけ
る標準試料長さ−１０００℃における測定試料長さ）／
２５℃における測定試料長さ×（１０００℃−２５
℃）］＋８．４５×１０^−６上記の式において、「１０００℃における標準試料長
さ」は、標準試料として１０００℃における熱膨張係数
が８．４５×１０^−６／℃であるアルミナを使用した場
合の、このアルミナの１０００℃における長さを意味す
る。尚、この標準試料の２５℃における長さは、測定試
料の２５℃における長さと等しい長さであるとする。ま
た、標準試料及び測定試料の長さは圧縮荷重法により測
定した。

【００３３】破壊靭性実験例１〜１４の切削工具におけるすくい面の端縁から
３ｍｍ以内の角部における破壊靭性値（Ｋ_ｃ１）を、ビ
ッカース硬さ試験機を用いた圧子圧入法により測定し
た。即ち、すくい面を鏡面仕上げした後、端縁から３ｍ
ｍ以内のすくい面の角部に、圧痕の対角線が逃げ面と垂
直になるように圧子を圧入荷重９８Ｎで圧入し、発生し
た亀裂のうち、逃げ面に垂直な方向における亀裂長さ
［逃げ面に垂直な方向とは、図２のように圧子を圧入し
た位置に最も近い逃げ面３に対して垂直な方向のことで
あり、圧子Ｂ_１及びＢ_２の各々の場合に亀裂５の長さは
（２ａ）で表される。尚、この亀裂長さは、図２のよう
に、圧子の対角線を含む長さである。］に基づき破壊靭
性値（Ｋ_ｃ１）を、以下の式により算出した。
（Ｋ_ｃ１）を下記の式により算出した。Ｋ_ｃ１＝0.026×Ｅ^１／２×Ｐ^１／２×ａ／Ｃ^３／２［但し、Ｅ；すくい面のヤング率（ＧＰａ）、Ｐ；圧入
荷重（Ｎ）、ａ；亀裂長さの半分（ｍ）、Ｃ；圧痕の対
角線長さの半分（ｍ）］また、実験例１〜１４における外層用の原料粉末で焼結
体を比較のために各々製造し、この焼結体の破壊靭性値
（Ｋ_ｃ２）をＪＩＳＲ１６０７（予亀裂発生起点を
ビッカース圧子により導入する方法）により測定した。
尚、切削工具及び比較のための焼結体の各々を１０個以
上作製し、それぞれの積層体及び焼結体について１０箇
所以上測定し、得られた測定値のうちの最大値を各々の
破壊靭性値（Ｋ_ｃ１及びＫ_ｃ２）とした。また、表２に
おいて、破壊靭性向上率は、下記の式により算出した。破壊靭性向上率（％）＝［（Ｋ_ｃ１−Ｋ_ｃ２）／
Ｋ_ｃ２］×１００

【００３４】残留圧縮応力の最大値の測定実験例１〜１４の切削工具のすくい面の端縁から３ｍｍ
以内の角部における圧縮応力を、日本材料学会標準Ｊ
ＳＭＳ−ＳＤ１−００「Ｘ線応力測定法標準−セラミッ
クス編−」に準じ、Ｘ線回折装置（理学電機工業株式会
社製、型式「ＲＴＰ３００」、Ｘ線；Ｋα、対陰極；Ｃ
ｕ、Ｘ線出力；５０ｋＶ、１００ｍＡ）を用い、Ｘ線入
射方法はΨ一定法、検出器の走査方法は並傾法により測
定した。表２及び表３の最大残留圧縮応力は、異なる位
置で３個所以上測定した圧縮応力のうちの最大値であ
る。

【００３５】耐欠損性実験例１〜１４の切削工具、及び実験例１〜１４の外層
用の原料粉末から焼結体を作製し、同様にして工具形状
に加工して得られた比較用の切削工具を使用し、鋳鉄
「ＦＣ２００」を被切削材とし、乾式下、切削速度１５
０ｍｍ/分、切り込み２．０ｍｍ、送り速度１．０ｍｍ/
分の条件で切削を行い、欠損が生じるまでの加工山数を
評価した。尚、加工山数とは、被切削材に多数の溝を等
間隔に設け、形成された山部を連続切削した場合に、切
削工具が欠損せずに切削することができた山部の数を意
味する。耐欠損性は、実験例１〜１４の切削工具を使用
した場合の加工山数（Ｍ_１）と、対応する比較用の切削
工具を用いた場合の加工山数（Ｍ_２）との比（Ｍ_１／Ｍ
_２）により評価した。耐欠損性の評価基準は、◎；加工
山数比＝１．３以上、○；加工山数比＝１以上１．３未
満、△；加工山数比＝０．７以上１未満である。

【００３６】耐摩耗性実験例１〜１４の切削工具、及び実験例１〜１４の切削
工具の外層用の原料粉末から焼結体を製造し、上記切削
工具と同様の工具形状に加工して得られた比較用の切削
工具を使用し、鋳鉄「ＦＣ２００」を被切削材とし、乾
式下、切削速度３００ｍｍ/分、切り込み１．５ｍｍ、
送り速度０．３４ｍｍ／分の条件で、連続切削を行った
後、フランク最大摩耗量を測定し、これを逃げ面の摩耗
量とした。耐摩耗性は、実験例１〜１４の切削工具を用
いて得られた摩耗量を、対応する比較用の切削工具を用
いて得られた摩耗量で除した値により評価した。耐摩耗
性の評価基準は、○；摩耗量比＝０．８以上、１未満で
ある。実験例１〜１４の切削工具の外層及び基材の組
成、それぞれの熱膨張係数、それらの差、外層の厚さを
表１に、破壊靭性向上率、最大残留圧縮応力、耐欠損性
及び耐摩耗性の結果を表２に記載する。

【００３７】

【表１】

【００３８】

【表２】

【００３９】（３）実施例の効果表１及び表２の結果によれば、基材と外層との熱膨張係
数の差と、外層の厚さがともに好ましい範囲にある実験
例１〜１０、実験例１２〜１４の切削工具では、破壊靭
性が向上し、残留圧縮応力の最大値は４０ＭＰａ以上と
大きく、優れた耐欠損性と耐摩耗性とを併せ有している
ことが判る。特に、基材と外層との熱膨張係数差を０．
７×１０^−６／Ｋで一定とした場合における外層の厚さ
が０．５〜１．５ｍｍである実験例３、４の切削工具
は、破壊靭性は５０％以上向上し、最大残留圧縮応力は
１５０ＭＰａ以上である。また、外層の厚さを１．０で
一定とした場合における熱膨張係数の差が１．２×１０
^−６／Ｋ〜３．０×10^−６／Kである実験例９、１０の
切削工具では、破壊靭性は８０％以上向上し、最大残留
圧縮応力は２１０ＭＰａ以上である。従って外層の厚さ
が、０．５〜１．５ｍｍ、或いは、熱膨張係数差が１．
２×１０^−６／Ｋ〜３．０×10^−６／Kの場合、より優
れた性能の切削工具を得ることができることが判る。一
方、基材と外層との熱膨張係数の差が大きすぎる実験例
１１では、成形体を焼成する際に亀裂が発生し、切削工
具の形状にすることができなかった。

【００４０】また、実験例１、２によれば、外層を基材
の全面（即ち、逃げ面、すくい面、両方）に積層したも
の（実験例２）における破壊靭性向上率５０％、最大残
留応力１５０MＰａ、であるのに対し、外層を逃げ面の
みに積層されたもの（実験例１）における破壊靭性向上
率が１００％、最大残留応力が２４０MＰａである。従
って、外層を逃げ面のみに積層（即ち、図４において側
面８の全面に相当する部分に積層）することによってよ
り性能が優れた切削工具を得ることができることが判
る。また、実験例１３、１４によれば、単体では破壊靭
性値が低いアルミナ材料を外層として使用した場合であ
っても、単体よりも破壊靭性値が向上し、耐欠損性が向
上した。これにより、アルミナ材料は単体では破壊靭性
値が比較的低いものであるが、積層することにより破壊
靭性値が向上するので、外層として使用することができ
ることが判る。

【００４１】尚、本発明において、上記具体的実施例に
限定されず、目的、用途に応じて、本発明の範囲内で種
々変更した実施例とすることができる。例えば、本実施
例では基材として単一組成のものを用いたが必ずしもそ
れに限定されず、基材として組成の異なる複数の層が形
成されたものを使用しても良いし、また、熱膨張率が漸
次変化する傾斜組成を有するものを用いても良い。

【００４２】

【発明の効果】本発明の切削工具は、基材の面のうち少
なくとも一部に、この基材と比べて熱膨張係数が小さ
く、切削工具の逃げ面として用いられる外層が形成され
てなることにより、十分な耐欠損性と耐摩耗性とを併せ
有する。この切削工具は、これら外層を窒化珪素質焼結
体又はアルミナ質焼結体により形成することにより、容
易に優れた耐欠損性と耐摩耗性とを有する切削工具とす
ることができる。また、外層の端縁部、特に、端縁から
３ｍｍ以内の部分において、特定の破壊靭性値及び残留
圧縮応力を有する切削工具とすることにより、耐欠損性
と耐摩耗性とが大きく向上する。更に、外層の厚さを限
定することによっても、耐欠損性と耐摩耗性とをより確
実に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の切削工具において破壊靭性を向上さ
せ、十分な残留圧縮応力を発生させる最も好ましい部分
を表す模式図である。

【図２】破壊靭性値を算出するための亀裂の方向を説明
するための模式図である。

【図３】本発明の切削工具において基材の形状の一例及
び外層を積層する部分の一例を説明するための説明図で
ある。

【図４】本発明の切削工具において、外層を積層する部
分の他の例を説明するための説明図である。

【符号の説明】

１；すくい面、２；破壊靭性を向上させ、十分な残留圧
縮応力を発生させた部分、３；ビッカース圧子による圧
痕、４；亀裂、５；逃げ面、６；上面、７；下面、８；
側面；９、１０；外周線、１１；外層が積層される部
分。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高木保宏名古屋市瑞穂区高辻町14番18号日本特殊陶業株式会社内 (72)発明者浦島和浩名古屋市瑞穂区高辻町14番18号日本特殊陶業株式会社内Ｆターム(参考） 3C037 CC01 CC06 CC10 3C046 FF04 FF09 FF25

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミック焼結体により形成され、基材
と、該基材を構成する面上のうちの少なくとも一部に積
層された外層とからなる積層構造の切削工具において、該切削工具は、該外層の表面のうちの少なくとも一部が
逃げ面として用いられるものであり、該外層の熱膨張係
数が該基材の熱膨張係数より小さいことを特徴とする切
削工具。
【請求項２】上記基材は、互いに対向する２つの面と
該対向する２つの面のそれぞれの外周線の間に構成され
る側面とを有する形状であり、上記外層は、該側面のう
ちの各該外周線の一方の該外周線の全線を少なくとも含
む部分に積層されたものである請求項１に記載の切削工
具。
【請求項３】上記外層は、上記基材を構成する面のう
ち、上記側面の全ての面に積層されたものである請求項
２に記載の切削工具。
【請求項４】上記外層は、上記基材を構成する面の全
面に積層されたものである請求項１に記載の切削工具。
【請求項５】上記外層は、窒化珪素又はアルミナを主
成分とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の切削
工具。
【請求項６】上記切削工具のすくい面として用いられ
る面における端縁部の少なくとも一部に残留圧縮応力が
発生している請求項１乃至５のいずれか１項記載の切削
工具。
【請求項７】上記端縁部は、上記外層の端縁から３ｍ
ｍ以内の部分である請求項６に記載の切削工具。
【請求項８】上記すくい面の上記端縁部にビッカース
圧子を圧入した場合に、逃げ面と垂直方向に生成した亀
裂の長さに基づき算出した破壊靭性値が、上記端縁部の
少なくとも一部において、上記外層を形成するセラミッ
ク焼結体のＪＩＳＲ１６０７により測定した破壊靭
性値より１０％以上大きい請求項６又は７に記載の切削
工具。
【請求項９】上記すくい面として用いられる面におけ
る上記端縁部の少なくとも一部の上記残留圧縮応力が３
０ＭＰａ以上である請求項６乃至８のうちのいずれか１
項に記載の切削工具。
【請求項１０】上記外層の厚さが、０．０１〜３ｍｍ
である請求項１乃至９のうちのいずれか１項に記載の切
削工具。