JP2011098846A - 焼結体 - Google Patents

Abstract

【課題】金属系バインダーを含有せずに、高い硬度、高い強度、および慣用の超硬材料に匹敵する熱伝導率を有する焼結体の提供。
【解決手段】９９体積％以下のＷＣと、１体積％以上のＡｌＮ−Ｙ₂Ｏ₃混合物とを含み、４０Ｗ／ｍＫ以上１００Ｗ／ｍＫ未満の熱伝導率を有し、不可避不純物以外の金属系バインダーを含まないことを特徴とする焼結体。
【選択図】図１

Description

本発明はＷＣを基とする焼結体に関する。より詳細には、本発明は、９９体積％以下のＷＣと、１体積％以上のＡｌＮ−Ｙ₂Ｏ₃混合物とを含み、高い熱伝導率および高い抗折力を有する焼結体に関する。

切削工具として実用されている焼結体は、高い硬度、高い強度などを要求される。特に高負荷かつ高温という過酷な条件で実用される場合には、硬度および強度に加えて、刃先温度上昇も工具摩耗が進行する一因である。刃先部での温度を低下させるためには、油剤またはエアブローの使用などの強制的な冷却手段が一般的である。最近になって、工具の熱伝導率を高めて切削温度を低減させる取り組みがなされてきている。このような要求から開発された切削工具として、熱伝導率の高い窒化アルミニウムＡｌＮの特性を利用し、窒化アルミニウムを１〜２５体積％と、Ｔｉ（Ｃｘ，Ｎｙ，Ｏｚ）で表される少なくとも１種のチタン化合物を７５〜９９体積％とを含有するセラミックス焼結体切削工具が提案されている（特許文献１参照）。

また、同様の要求を満たすことを目的として、ＡｌＮの特性を利用したＡｌＮ基サーメット工具が提案されている（特許文献２参照）。ＡｌＮ基サーメット工具は、鉄系元素とアルミニウムとを主成分とする金属相５〜３０体積％と、周期律表第４族および第５族元素の窒化物の少なくとも１種を主成分とする第１硬質相５〜３０体積％と、残部の窒化アルミニウムを主成分とする第２硬質相と、不可避不純物とを含む焼結体である（特許文献２参照）。

しかしながら、これらの焼結体がＴｉ（Ｃｘ，Ｎｙ，Ｏｚ）またはＴｉＮのようなチタン系化合物を多量に含有することから、焼結体の熱伝導率の向上は不充分である．実際、前述のセラミックス焼結体切削工具の構成する焼結体は３０Ｗ／ｍＫ以下の熱伝導率を有する（特許文献１参照）。また、前述の窒化アルミニウム基サーメット工具を構成する焼結体は、３０Ｗ／ｍＫ以下の熱伝導率を有するとされるＴｉＮなどを多く含み、十分な放熱性能を有するとは言い難い。

また、高強度を有する、いわゆるバインダーレス炭化タングステン系超硬質材料も提案されている（特許文献３参照）。このバインダーレス炭化タングステン系超硬質材料は、０．３μｍ未満の平均粒径を有する原料粉末を使用して作製される。しかしながら、バインダーレスであるため、他の添加物の効果は検討されていない。加えて、バインダーレス炭化タングステン系超硬質材料の熱伝導率に関しても何ら言及されていない。

一方、超硬Ｋ種（ＷＣ−Ｃｏ）は、金属系バインダーのコバルトを含むことにより、高い強度と高い熱伝導率を実現している。しかしながら、金属系バインダーを含むことから、高速機械加工の高い温度で金属系バインダーの融解または被削材の溶着が発生し、工具寿命が短くなるという欠点がある。

特開２００１−１１４５６２号公報 特開２００５−２９７１３２号公報 特開２００４−９１２４１号公報

中島利勝、鳴瀧則彦著、「機械加工学（機械系大学講義シリーズ２７）」、コロナ社、１９８３年１０月、ｐ．７０ 日本熱物性学会編、「新編熱物性ハンドブック」、養賢堂、２００８年３月、ｐ．２９１−２９４

よって、本発明が解決しようとする課題は、高い硬度および高い強度を兼ね備えると同時に、金属系バインダーを含まずに、工具材料の中でも比較的高い熱伝導率（約９０Ｗ／ｍＫ）を有するとされる超硬Ｋ１０に匹敵する熱伝導率を有する焼結体を提供することである。

本発明者らは、チタン系化合物の含有量を極力減らして、熱伝導率の高い炭化タングステン（ＷＣ）を主成分とする、切削温度低減による切削工具の長寿命化および切削速度の高速化による能率向上を検討した。特に、金属系バインダーを含まずに高い強度および高い熱伝導率を達成するために検討を重ねた結果、ＷＣとＡｌＮとの組み合わせにおいて高い性能を得るという知見を得た。本発明は、これらの知見に基づいて完成するに至ったものである。

本究明の構成を採ることによって、切削温度（刃先部最高温度）を低下させるのに十分な高い熱伝導率を有すると同時に、切削工具に要求される高い強度などの特性を満たすことができる。

評価２における切削速度３００ｍ／ｍｉｎにおける工具摩耗進行線を示すグラフである。 評価２における切削速度４００ｍ／ｍｉｎにおける工具摩耗進行線を示すグラフである。 実施例１で得られた７Ｗ（０．２）−３Ａの走査電子顕微鏡写真である。 比較例１で得られたＷ（０．２）の走査電子顕微鏡写真である。 評価４における工具摩耗進行線を示すグラフである。 評価４における３０秒間の旋削実験終了時のＫ１０（Ｃｏｍ）の工具摩耗を示す写真である。 評価４における３０分間の旋削実験終了時のＷＣ（ｕｆ）−ＡｌＮ焼結体の工具摩耗を示す写真である。

本発明の焼結体は、９９体積％以下のＷＣと、１体積％以上のＡｌＮ−Ｙ₂Ｏ₃混合物（以下、ＡｌＮ＋Ｙ₂Ｏ₃と称する）とを含む。本発明の焼結体は、５１体積％以上９９体積％以下のＷＣと、１体積％以上４９体積％以下のＡｌＮ＋Ｙ₂Ｏ₃とを含むことが望ましい。さらに、本発明の焼結体は、ＷＣおよびＡｌＮ＋Ｙ₂Ｏ₃中に含まれる不可避不純物以外の金属系バインダーを含まない。本発明における「金属系バインダー」とは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの鉄系元素（周期律表第８〜１０族元素）およびＡｌを含む金属または合金を意味する。本発明の焼結体は、不可避不純物を除いて、ＷＣとＡｌＮ＋Ｙ₂Ｏ₃とからなることが望ましい。

上記の組成から成る本発明の焼結体は、４０Ｗ／ｍＫ以上１００Ｗ／ｍＫ未満の熱伝導率を有する。本発明の焼結体は、より好ましくは８０Ｗ／ｍＫ以上１００Ｗ／ｍＫ未満の熱伝導率を有する。

さらに、本発明の焼結体は、９５０ＭＰａ以上、好ましくは１０００ＭＰａ以上の抗折力を有することが望ましい。

本発明の焼結体は、原料となるＷＣ粒子およびＡｌＮ＋Ｙ₂Ｏ₃粒子を、慣用の湿式または乾式混合した粉末混合物の焼結により作製される。ＷＣ粒子およびＡｌＮ＋Ｙ₂Ｏ₃粒子の混合には、ボールミル、乳鉢などの当該技術において知られている任意の装置を使用することができる。湿式混合法を採用した場合には、焼結前に慣用の乾燥工程を適用して、乾燥状態の粉末混合物を得ることが望ましい。本発明においては、１μｍ未満の平均粒径を有するＷＣ粒子を用いることが望ましい。粉末混合物の焼結は、ＷＣからなる連続相が形成されることを条件として、放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）法、一軸加圧焼結法、静水圧加圧焼結法（ＨＩＰ）、雰囲気加圧焼結、真空焼結、無加圧焼結などの当該技術において知られている任意の方法を用いて実施することができる。

本発明の焼結体は、切削工具、および特に切削用チップの材料として有用である。切削工具および切削用チップのように、狭い領域に集中する熱源から発生する熱を三次元的に拡散させたい場合、それらを構成する材料は等方的な熱伝導率を有することが望ましい。三次元的に等方的な熱伝導率を実現するためには、多量成分が連続相となり、少量成分が連続層中に分散する複数の粒子（分散相）から成る粒子分散型の構造が望ましい。本発明の焼結体においては、その大半を占めるＷＣが連続相を形成することが望ましい。本発明において「連続相を形成する」とは、任意の組織写真の視野内において、ある成分（たとえば、ＷＣ）が端から端まで連結された構造を有することを意味する。また、本発明の焼結体は、９９％以上の相対密度を有することが望ましい。本発明における「相対密度」とは、マイクロポアなどの空隙が存在しないことを仮定して構成材料の密度および混合比率から計算される理論密度に対する、実際に測定される見掛け密度の比を意味する。

また、本発明の焼結体を用いて切削工具または切削用チップを作製する際には、焼結体表面に対して、当該技術において知られている任意の硬質皮膜などのコーティング層を付加してもよい。

（実施例１）
７０体積％のＷＣ粒子（約０．２μｍ、０．４５μｍおよび１μｍの平均粒径を有する）および３０体積％のＡｌＮ＋Ｙ₂Ｏ₃粒子（約１μｍの平均粒径を有する）を秤量し、イソプロピルアルコールを分散剤として用いボールミル中で分散させた。分散物を乾燥して、粉末混合物を得た。得られた粉末混合物をカーボンダイス中に充填した。１７００℃の温度および１０ＭＰａの圧力条件下、６０分間にわたって放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）法によって焼結させて、焼結体を得た。本実施例において、約０．２μｍ、０．４５μｍおよび１μｍの平均粒径を有するＷＣ粒子を用いて得られた焼結体を、それぞれ、７Ｗ（０．２）−３Ａ、７Ｗ（０．４５）−３Ａおよび７Ｗ（１．０）−３Ａと称する。

（比較例１）
１００体積％のＷＣ粒子（約０．２μｍ、０．４５μｍおよび１μｍの平均粒径を有する）をカーボンダイス中に充填し、１７００℃の温度および１０ＭＰａの圧力条件下、６０分間にわたって放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）法によって焼結させて、焼結体を得た。本比較例において、約０．２μｍ、０．４５μｍおよび１μｍの平均粒径を有するＷＣ粒子を用いて得られた焼結体を、それぞれ、Ｗ（０．２）、Ｗ（０．４５）およびＷ（１．０）と称する。

（評価１）
実施例１で得られた７Ｗ（０．２）−３Ａおよび７Ｗ（１．０）−３Ａ、ならびに比較例１で得られたＷ（０．２）およびＷ（１．０）に関して、抗折力および熱伝導率を測定した。結果を第１表に示す。抗折力は、試験片の幅を３．１ｍｍとし、試験片の全長を２０ｍｍとし、支点間距離を１６ｍｍとし、試験片の数を３個としたことを除いて、ＪＩＳ Ｒ１６０１に規定される方法を用いて測定した。

第１表から明らかなように、ＡｌＮ＋Ｙ₂Ｏ₃を含む実施例１の焼結体は、ＷＣのみから形成される比較例１の焼結体よりも大きな抗折力を有した。また、ＡｌＮ＋Ｙ₂Ｏ₃を含む実施例１の組成においても、ＷＣのみからなる比較例１の組成においても、ＷＣ粒子の平均粒径が小さい方が、より高い抗折力を示すことが分かった。

また、熱伝導率に関しては、ＡｌＮ＋Ｙ₂Ｏ₃を含む実施例１の組成と、ＷＣのみからなる比較例１の組成との間に、大きな差は認められなかった。ここで、ＡｌＮ＋Ｙ₂Ｏ₃を含む実施例１の組成においても、ＷＣのみからなる比較例１の組成においても、ＷＣ粒子の平均粒径が大きい方が、より高い熱伝導率を示すことが分かった。

（評価２）
実施例１および比較例１で得られた焼結体を切削工具形状に成形し、ダクタイル鋳鉄（ＦＣＤ４００）の旋削実験を行った。旋削実験は、強制冷却を行わない乾式条件で行った。また、切込深さを０．５ｍｍに設定し、送り量を０．１ｍｍ／ｒｅｖに設定した。図１に、３００ｍ／ｍｉｎの切削速度における工具摩耗進行線図を示した。また、図２に、４００ｍ／ｍｉｎの切削速度における工具摩耗進行線図を示した。

３００ｍ／ｍｉｎおよび４００ｍ／ｍｉｎの切削速度の両方において、ＡｌＮ＋Ｙ₂Ｏ₃を含む実施例１の焼結体を成形した切削工具が、ＷＣのみからなり、ＡｌＮ＋Ｙ₂Ｏ₃を含有しない比較例１の焼結体を成形した切削工具よりも長い寿命（すなわち、同一切削時間におけるより少ない摩耗量）を示した。さらに、ＡｌＮ＋Ｙ₂Ｏ₃を含む実施例１の焼結体を成型した切削工具の中でも、１μｍ未満の平均粒径を有するＷＣ粒子を用いた７Ｗ（０．４５）−３Ａおよび７Ｗ（０．２）−３Ａがより長い寿命を示した。

（評価３）
図３に、実施例１で得られた７Ｗ（０．２）−３Ａの走査電子顕微鏡写真を示す。図３中に、白色の縁で囲まれた塊は、主としてＡｌＮ＋Ｙ₂Ｏ₃から構成される部分であり、その周囲の部分が主としてＷＣから構成される部分である。図３から、本発明に係る７Ｗ（０．２）−３Ａが、ＷＣを連続相とし、ＡｌＮ＋Ｙ₂Ｏ₃を分散相とする粒子分散型構造を有することが分かる。ここで、連続相であるＷＣは、図３に示した視野内において、左端から右端まで、および上端から下端まで連続した構造を有する。

一方、図４に、比較例１で得られたＷ（０．２）の走査電子顕微鏡写真を示す。０．５μｍ以下の平均粒径を有する超微粒子ＷＣ粉末から、マイクロポアが存在しないバインダーレス焼結体を作製することは困難であることが知られている（特許文献３、特に「発明が解決しようとする課題」の記載を参照）。図４においても、黒色部および白色部として、点在するマイクロポアが確認できる。ここで、Ｗ（０．２）の相対密度が９７．５％（理論密度を１５．６０ｇ／ｃｍ³として算出）であったのに対し、７Ｗ（０．２）−３Ａの相対密度は９９．５％（理論密度を１１．９４ｇ／ｃｍ³として算出）であった。これらのことから、本発明に係る７Ｗ（０．２）−３Ａが、より緻密で健全な焼結体であることが分かる。

（実施例２）
７０体積％のＷＣ粒子（約０．２μｍおよび１μｍの平均粒径を有する）および３０体積％のＡｌＮ＋Ｙ₂Ｏ₃粒子（約１μｍの平均粒径を有する）を秤量し、イソプロピルアルコールを分散剤として用いて分散させた。分散物を乾燥して、粉末混合物を得た。得られた粉末混合物をカーボンダイス中に充填した。１７００℃の温度および１０ＭＰａの圧力条件下、６０分間にわたって放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）法によって焼結させて、焼結体を得た。本実施例において、約０．２μｍおよび１μｍの平均粒径を有するＷＣ粒子を用いて得られた焼結体を、それぞれ、ＷＣ（ｕｆ）−ＡｌＮ、およびＷＣ−ＡｌＮと称する。

得られたＷＣ（ｕｆ）−ＡｌＮ焼結体は、１２００ＭＰａの抗折力および８７Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有した。また、得られたＷＣ−ＡｌＮ焼結体は、８００ＭＰａの抗折力および１３０Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有した。

（評価４）
実施例２で得られた焼結体を切削工具形状に成形し、市販材料の切削工具との比較のためのダクタイル鋳鉄（ＦＣＤ４００）の旋削実験を行った。ここで、市販材料として、超硬Ｋ１０（「Ｋ１０（Ｃｏｍ）」と称する）、純アルミナセラミック（「Ａｌ２Ｏ３（Ｃｏｍ）」と称する）、およびＴｉＣ添加アルミナセラミック（「Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＣ（Ｃｏｍ）」と称する）を成形した工具を準備した。

なお、公知文献から、Ａｌ２Ｏ３（Ｃｏｍ）は８００ＭＰａ（ＨＩＰ）の抗折力および１７Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有し、Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＣ（Ｃｏｍ）は９００ＭＰａ（ＨＩＰ）の抗折力および２１Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有することが知られている（非特許文献１参照）。また、切削工具に一般的に使用される主要なセラミック材料であるアルミナ、炭化チタン、および窒化ケイ素は、それぞれ３３Ｗ／ｍＫ（＠２９３．１５Ｋ）、３１．８Ｗ／ｍＫ（＠３００Ｋ）、および３１Ｗ／ｍＫ（＠３００Ｋ）の熱伝導率を有することが知られている（非特許文献２参照）。

旋削実験は、強制冷却を行わない乾式条件で行った。また、切込深さを０．５ｍｍに設定し、送り量を０．１ｍｍ／ｒｅｖに設定し、切削速度を３００ｍ／ｍｉｎに設定した。図５に、本評価における工具摩耗進行線図を示した。図５から明らかなように、ＷＣ（ｕｆ）−ＡｌＮから成形した工具は、市販材料の工具に比べて著しく長い寿命を有することが分かった。

また、ＷＣ（ｕｆ）−ＡｌＮ焼結体およびＫ１０（Ｃｏｍ）で作製した切削工具に関して、前述の旋削実験終了時の表面観察を行った。図６は、Ｋ１０（Ｃｏｍ）の３０秒間の旋削実験終了時の工具摩耗を示す写真である。図７は、ＷＣ（ｕｆ）−ＡｌＮ焼結体の３０分間の旋削実験終了時の工具摩耗を示す写真である。

図６から、Ｋ１０（Ｃｏｍ）の工具においては、わずか３０秒間の旋削実験においても、工具表面に凝着物が観察され、実験初期において大きく摩耗していることが認められた。この結果は、前述のようにＫ１０（Ｃｏｍ）が金属バインダーであるコバルトを含むことにより、高強度および高熱伝導率を実現しているものの、３００ｍ／ｍｉｎの切削速度のような高速加工時の高い温度により金属バインダーの融解または被旋削材の溶着が発生し、工具寿命が短くなったものと考えられる。

一方、図７から、本発明に係るＷＣ（ｕｆ）−ＡｌＮ焼結体の工具においては、Ｋ１０（Ｃｏｍ）の６０倍の時間に及ぶ旋削実験終了時においても、凝着物は観察されず、かつ摩耗量も少なかった。

さらに、市販材料であるＡｌ２Ｏ３（Ｃｏｍ）およびＡｌ２Ｏ３−ＴｉＣ（Ｃｏｍ）で形成した工具については、抗折力および熱伝導率の低さから、短い工具寿命を示したと考えられる。

以上のように、本発明の焼結体は、慣用のアルミナ系セラミック焼結体および金属系バインダーを含有する超硬材料に比較して、高い抗折力（強度）および高い熱伝導率を示す傾向がある。特に高温が発生する高切削速度条件において、本発明の焼結体から成形された切削工具は長い使用寿命を示す。このことは加工効率を向上させることを可能にする。本発明の焼結体の効果の一因は、鉄系材料との反応性が低いことであると考えている。

Claims (8)

1. ９９体積％以下のＷＣと、１体積％以上のＡｌＮ−Ｙ₂Ｏ₃混合物とを含み、４０Ｗ／ｍＫ以上１００Ｗ／ｍＫ未満の熱伝導率を有し、不可避不純物以外の金属系バインダーを含まないことを特徴とする焼結体。
2. ９５０ＭＰａ以上の抗折力を有することを特徴とする請求項１に記載の焼結体。
3. １μｍ未満の平均粒径を有するＷＣ粉末を原料として用いる焼結によって作製されていることを特徴とする請求項１に記載の焼結体。
4. ＷＣが連続相を形成していることを特徴とする請求項１に記載の焼結体。
5. 相対密度が９９％以上であることを特徴とする請求項１に記載の焼結体。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の焼結体を用いて形成されていることを特徴とする切削工具。
7. 請求項１から５のいずれかに記載の焼結体を用いて形成されていることを特徴とする切削用チップ。
8. ４０Ｗ／ｍＫ以上１００Ｗ／ｍＫ未満の熱伝導率を有し、不可避不純物以外の金属系バインダーを含まない焼結体の製造方法であって、
   ９９体積％以下のＷＣと、１体積％以上のＡｌＮ−Ｙ₂Ｏ₃混合物とを混合して粉末混合物を形成する工程と、
   前記粉末混合物を焼結する工程と
   を含み、前記ＷＣは１μｍ未満の平均粒径を有する粉末であることを特徴とする方法。

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