JP5677638B1

JP5677638B1 - 切削工具

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Publication number: JP5677638B1
Application number: JP2014531795A
Authority: JP
Inventors: 晋輔山本
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2013-02-13
Filing date: 2014-02-13
Publication date: 2015-02-25
Anticipated expiration: 2034-02-13
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Abstract

【課題】すくい面と逃げ面の残留応力を適正な範囲として、耐欠損性が高い窒化珪素系焼結体からなる切削工具を提供する。【解決手段】窒化珪素系相を５０体積％以上、窒化チタン相を１０〜３０体積％の割合で含有する窒化珪素系焼結体からなり、すくい面２と逃げ面３との交差稜線部を切刃４として用い、窒化チタン相にかかる残留応力が引張応力であり、かつ、すくい面２における窒化チタン相にかかる引張応力が、逃げ面３における窒化チタン相にかかる引張応力よりも大きい切削工具１である。【選択図】図１

Description

本発明は窒化珪素系焼結体からなる切削工具に関する。

窒化珪素およびサイアロンのいずれか一方を主成分とする窒化珪素系焼結体は、軽量で、耐摩耗性、強度及び高温強度に優れるため、過酷な切削条件下での使用が可能である。そのため、高速荒切削等に好適に利用されている。

かかる窒化珪素系焼結体からなる切削工具において、例えば、特許文献１には、残留応力の絶対値が４２〜５５ＭＰａの窒化珪素系焼結体が開示され、残留応力の絶対値を４５ＭＰａ以下とすることによって、室温および高温での高強度化を達成できることが記載されている。

また、特許文献２では、窒化珪素系焼結体の表面を研削加工した後、大気中で加熱処理によって焼結体の表面に圧縮残留応力を大きくして、研削加工により低下した強度の回復を図ることができることが開示されている。

さらに、特許文献３では、すくい面のノーズでの残留応力が、すくい面に平行でかつ該すくい面の中心から測定点に最も近いノーズに向かう方向についての残留応力σ_１１が圧縮応力で１０〜３０ＭＰａ（σ_１１＝−１０〜−３０ＭＰａ）であり、すくい面に平行でかつ前記σ_１１方向と垂直な方向についての残留応力σ_２２が圧縮応力で１０ＭＰａ以下（σ_２２＝−１０〜０ＭＰａ）である切削工具が開示されている。

特開平８−３１９１６６号公報特開平７−２９９７０８号公報特開２０１０−２６４５７４公報

しかしながら、上記特許文献１、２に記載の窒化珪素系焼結体のように、焼結体の全体の残留応力を制御する方法では、切削工具として用いた際の工具性能が最適化されているとはいえなかった。また、特許文献３のように、すくい面における残留応力を適正化しても、さらなる工具性能の最適化が必要であった。

そこで、本発明の目的は、すくい面と逃げ面の残留応力を適正な範囲として、耐欠損性が高い窒化珪素系焼結体からなる切削工具を提供することである。

本発明の切削工具は、すくい面と、逃げ面と、前記すくい面と前記逃げ面との交差稜線部である切刃とを有し、窒化珪素系相を５０体積％以上、窒化チタン相を１０〜３０体積％の割合で含有する窒化珪素系焼結体からなり、前記窒化チタン相にかかる残留応力が引張応力であり、かつ前記すくい面における前記窒化チタン相にかかる引張応力が、前記逃げ面における前記窒化チタン相にかかる引張応力よりも大きいものである。

本発明の切削工具によれば、窒化チタン相を所定の割合で含有する窒化珪素系焼結体において、窒化チタン相にかかる残留応力が引張応力で、すくい面における窒化チタン相にかかる引張応力が、逃げ面における窒化チタン相にかかる引張応力よりも大きい。これによって、すくい面においては主結晶相である窒化珪素系相に高い圧縮応力がかかるほうが、すくい面に発生しやすいフレーキングによる欠けを抑制することができる。また、逃げ面においては、すくい面に比べて窒化チタン相の引張応力が小さいほうが、インコネル等の耐熱合金の切削において逃げ面における摩耗の進行が抑制され、これによって、工具寿命を延ばすことができる。

本発明の切削工具の一例についての概略斜視図である。

本実施態様の切削工具１は、窒化珪素系相を５０体積％以上、窒化チタン相を１０〜３０体積％の割合で含有する窒化珪素系焼結体からなる。切削工具１は、図１の概略斜視図に示すように、すくい面２と逃げ面３との交差稜線部を切刃４として用いる。

そして、本実施態様によれば、窒化チタン相の残留応力が引張応力で、すくい面２における窒化チタン相の引張応力が、逃げ面３における窒化チタン相の引張応力よりも大きい。これによって、すくい面２に発生しやすいフレーキングによる欠けを抑制することができる。すなわち、すくい面２においては主結晶相である窒化珪素系相に高い圧縮応力がかかるので、すくい面２に発生しやすいフレーキングによる欠けを抑制することができる。一方、逃げ面３においては、耐熱合金の切削において逃げ面摩耗が抑制される。逃げ面３における残留応力がすくい面２における残留応力よりも小さいと、インコネル等の耐熱合金の切削において逃げ面３における摩耗の進行が抑制される理由は明確ではないが、インコネル等の耐熱合金の切削のような過酷な切削条件では、逃げ面３における残留応力が大きくなると、すくい面２における残留応力も大きいことから、切刃４にかかる残留応力が大きくなりすぎて、切削工具１を作製する時に自己破壊により切刃４に微小チッピングが発生していることが原因ではないかと考えられる。

なお、本発明における残留応力の測定について、測定位置は、すくい面２および逃げ面３の切刃４より１ｍｍ以上内側（中央側）の位置で測定する。残留応力の測定は、Ｘ線回折法を用いる。本実施態様では、Ｘ線回折法の中でも、２Ｄ法（多軸応力測定法／フルデバイリングフィッティング法）を用いて測定するが、一般的なＸ線回折装置を用いてもよい。また、残留応力の測定に用いるＸ線回折ピークは、２θの値が１３０°〜１４０°の間に現れるＴｉＮ（５１１）面のピークを用いる。なお、残留応力の算出に際しては、窒化チタンのポアソン比＝０．１９、ヤング率＝４３８．５９６ＭＰａを用いて算出する。また、Ｘ線回折測定の条件としては、Ｘ線の線源としてＣｕＫα線を用い、出力＝４５ｋＶ、１１０ｍＡの条件で照射して残留応力の測定を行う。残留応力がプラスの場合は引張応力、マイナスの場合は圧縮応力となる。

ここで、本実施態様では、すくい面２の窒化チタン相にかかる残留応力が引張応力で２００〜４００ＭＰａ、好ましくは２５０〜３５０ＭＰａ、逃げ面３の窒化チタン相にかかる残留応力が引張応力で１００〜３００ＭＰａ、好ましくは１５０〜２５０ＭＰａの範囲内である。これによって、過剰な引張応力による自己破壊を起こさず、焼結体の靭性を向上させて、すくい面２におけるフレーキングの発生や切刃４におけるチッピングの発生を抑制し、かつ逃げ面３における摩耗の進行を抑制することができる。

また、本実施態様では、窒化チタン相のすくい面２と逃げ面３における引張応力の差が２０〜１５０ＭＰａ、好ましくは５０〜１００ＭＰａの範囲内である。これによって、すくい面２と逃げ面３の引張応力差が大きくなりすぎて切刃４が自己破壊によってチッピングしてしまうことを防ぎ、かつ逃げ面３における摩耗の進行を抑制することができる。

ここで、本実施態様では、窒化珪素系焼結体中に、表面における窒化チタン相の全窒化チタンピークに対する（１１１）面のピークのピーク強度比が、内部における前記窒化チタン相の全窒化チタンピークに対する（１１１）面のピークのピーク強度比よりも大きくすることが望ましい。好ましくは、表面における窒化チタン相の全窒化チタンピークに対する（１１１）面のピークのピーク強度比が、内部における前記窒化チタン相の全窒化チタンピークに対する（１１１）面のピークのピーク強度比に対する比率が１．１〜１．４の範囲内である。これによって、焼結体の表面における硬度が向上して、表面における耐摩耗性が向上するとともに、焼結体の内部においては靭性や強度が高い組織となり、突発欠損を抑制して安定した切削性能を発揮する切削工具とすることができる。

なお、本発明における内部とは、焼結体の表面から１０００μｍ以上の深さ領域と定義する。また、本発明において、Ｘ線回折測定において各相のピーク強度比を測定する場合には、Ｘ線の線源としてＣｕＫα線を用い、出力４５ｋＶ、１１０ｍＡの条件でＸ線を照射して、２θ＝１０°〜８０°の範囲で測定を行う。

本実施態様では、切削工具１のすくい面２における算術平均粗さ（Ｒａ）が０．２〜０．６μｍである。これによって、焼結体強度、耐摩耗性、耐チッピング性を高くできる。

ここで、焼結体の全体組成は、窒化珪素系相を５０体積％以上と、窒化チタン相を１０〜３０体積％、好ましくは１５〜２５体積％と、残部が粒界相とからなる。粒界相は、窒化珪素系相が分解したシリカ（ＳｉＯ_２）、原料として添加される酸化アルミニウム粉末や窒化アルミニウム粉末が変化した酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）等のアルミニウム化合物、およびＲＥ元素化合物粉末が変化したＲＥ元素酸化物等のＲＥ元素化合物を含有する。また、粒界相は非晶質相として存在するが、その一部は結晶化していても良い。なお、本実施形態では、窒化珪素系相と窒化チタン相以外は粒界相とみなす。また、本発明におけるＲＥ元素とは、イットリウム（Ｙ）および希土類金属を指す。

さらに、本実施態様におけるＲＥ元素成分の含有量は、焼結体の緻密化のために、焼結体全体に対して、ＲＥ_２Ｏ_３換算で０．５〜１０質量％となるように添加する。ＲＥ元素成分の含有量の望ましい範囲は１〜８質量％である。本実施態様におけるアルミニウム成分の含有量は、焼結助剤の液相生成温度の低温化、焼結体の緻密化および耐酸化性の低下による耐摩耗性の低下を抑制するために、Ａｌ_２Ｏ_３換算で０〜１５質量％であり、特に望ましい範囲は３〜１０質量％である。ＲＥ元素成分がイットリウムである場合、イットリウムおよびアルミニウムは、ガラス相として粒界に存在する分と、メリライト相を構成する分と、ＹＡＧ相を構成する分と、サイアロンを構成する分とに分かれて存在する。また、窒化チタンは分散相として焼結体全体に対してＴｉＮ換算で１０〜４５質量％、特に１０〜３０質量％の割合で存在し、焼結体の靭性を高める。

窒化珪素系相は主結晶として存在するが、具体的には、主にβ−サイアロン相として存在するか、β−窒化珪素相として存在する。なお、本実施態様では、β−サイアロン相のＺ値（β−サイアロン相内に存在するＡｌとＯ元素の量を表す値：サイアロン相をＳｉ_６−ＺＡｌ_ＺＯ_ＺＮで表した時のＺの値）が０．０１〜０．３の範囲内である。これによって、特にインコネル７１８のような耐熱合金を切削する際に優れた工具寿命を発揮することができる。さらに、β−窒化珪素相の一部はα−窒化珪素相であってもよく、β−サイアロン相の一部はα−サイアロン相であってもよい。本実施態様では、焼結体の強度を高めるために、窒化珪素系相全体に対するα−窒化珪素系相の割合（α率）は０〜０．３の範囲内である。

ここで、本実施態様によれば、窒化珪素系焼結体のＸ線回折測定において、表面における全ピークに対する窒化珪素系相のピークのピーク強度比を、内部における全ピークに対する窒化珪素系相のピークのピーク強度比よりも小さくする。好ましくは、表面における全ピークに対する窒化珪素系相のピークのピーク強度比が、内部における全ピークに対する窒化珪素系相のピークのピーク強度比に対する比率で０．０５〜０．５の範囲内である。ここで、表面における全ピークのピーク強度とは、窒化珪素系焼結体の表面において測定されるＸ線回折パターンにて検出される全ピークのピーク強度の総和であり、表面における窒化珪素系相のピークのピーク強度とは、表面において測定されるＸ線回折パターンにて検出される窒化珪素系相の全ピークのピーク強度の総和である。内部における全ピークのピーク強度は、窒化珪素系焼結体の内部において測定されるＸ線回折パターンにて検出される全ピークのピーク強度の総和であり、内部における窒化珪素系相のピークのピーク強度は、内部において測定されるＸ線回折パターンにて検出される窒化珪素系相の全ピークのピーク強度の総和である。

また、本実施態様においては、表面における全ピークに対するメリライト相のピークのピーク強度比が、内部における全ピークに対するメリライト相のピークのピーク強度比よりも大きい。好ましくは、表面における全ピークに対するメリライト相のピークのピーク強度比が、内部における全ピークに対するメリライト相のピークのピーク強度比に対する比率で３．０〜６．０の範囲内である。ここで、表面におけるメリライト相のピークのピーク強度とは、窒化珪素系焼結体の表面において測定されるＸ線回折パターンにて検出されるメリライト相の全ピークのピーク強度の総和である。内部におけるメリライト相のピークのピーク強度とは、窒化珪素系焼結体の内部において測定されるＸ線回折パターンにて検出されるメリライト相の全ピークのピーク強度の総和である。

さらに、表面におけるメリライト相の全メリライトピークに対する（２０１）面のピークのピーク強度比が、内部におけるメリライト相の全メリライトピークに対する（２０１）面のピークのピーク強度比よりも大きくする。好ましくは、表面におけるメリライト相の全メリライトピークに対する（２０１）面のピークのピーク強度比が、内部におけるメリライト相の全メリライトピークに対する（２０１）面のピークのピーク強度比に対する比率で１．１〜２．０の範囲内である。ここで、表面におけるメリライト相の全メリライトピークに対する（２０１）面のピークのピーク強度比とは、上記表面におけるメリライト相のピーク強度であるメリライト相のピークのピーク強度の総和に対するメリライト相の（２０１）面のピークのピーク強度の比率である。内部におけるメリライト相の全メリライトピークに対する（２０１）面のピークのピーク強度比とは、上記内部におけるメリライト相のピーク強度であるメリライト相のピークのピーク強度の総和に対するメリライト相の（２０１）面のピークのピーク強度の比率である。

これによって、窒化珪素系焼結体の表面が高温となった時においても、窒化珪素系焼結体の強度や硬度の低下を小さくすることができる。また、内部においては、（２０１）面のピーク以外のピーク強度が高いほうが、常温における焼結体の強度や靭性が向上することがわかった。その結果、窒化珪素系焼結体の突発欠損を抑制し、安定した切削性能を発揮させることができた。

そのため、上記窒化珪素系焼結体からなる切削工具においては、高速湿式粗切削加工条件のように、焼結体の表面に設けられる切刃の温度が高温になるとともに、焼結体の内部における温度はさほど高くならない切削条件において、切刃におけるクレータ摩耗やフレーキング、微小チッピングからの異常摩耗等の工具損傷が抑制される。また、焼結体の内部における耐欠損性も向上する。

さらに、窒化珪素系焼結体は、粒界相としてＹＡＧ（３Ｙ_２Ｏ_３・５Ａｌ_２Ｏ_３）相を含有するとともに、表面における全ピークに対するＹＡＧ相の（４２０）面のピークのピーク強度比が、内部における全ピークに対するＹＡＧ相のピークのピーク強度比に対する比率で０．８〜１．１、特に０．８５〜０．９７である。これによって、焼結体の高温における硬度を向上できるとともに、表面と内部での熱膨張差を小さくして焼結体の耐欠損性を高めることができる。なお、本実施態様においては、内部における全ピークに対するＹＡＧ相の（４２０）面のピークのピーク強度比は０．０１０〜０．０１５０である。

また、本実施態様においては、焼結体中に周期表第６族元素珪化物を含有させることができる。これによって、高温強度の低下を抑制することができるとともに、焼結体の色を黒色化することができる。周期表第６族元素珪化物として、珪化クロム、珪化モリブデン、珪化タングステンを例示できるが、微細な酸化物原料を用いて焼結体中に微細な粒子として存在させることができるという理由から珪化タングステンを用いることが望ましい。なお、この周期表第６族元素珪化物粒子は、窒化珪素系焼結体中に分散相として存在する。

さらに、切削工具１は、上記焼結体の表面に、ＴｉＮやＡｌ_２Ｏ_３、ＴｉＡｌＮ等の硬質被覆層を設けてもよい。

次に、上述した焼結体の製造方法について説明する。
まず、出発原料として、例えば、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）粉末と、ＲＥ元素の水酸化物（ＲＥ（ＯＨ）_２）または酸化物（ＲＥ_２Ｏ_３）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）を準備する。

窒化珪素原料は、α−窒化珪素粉末、β−窒化珪素粉末、又はこれらの混合物のいずれも用いることができる。これら窒化珪素原料の平均粒径は、１μｍ以下、特に０．５μｍ以下であることが好ましい。

本実施態様では、ＲＥ元素の原料としては平均粒径０．５〜５μｍの酸化物粉末を用いる。窒化チタン（ＴｉＮ）は平均粒径０．５〜５μｍの粉末を用いる。ＲＥ元素酸化物の添加量は、ＲＥ_２Ｏ_３換算で０．５〜１０体積％、望ましくは１〜８体積％である。これによって、焼結体の緻密化が促進される。窒化アルミニウムの添加量は、ＡｌＮ換算で０〜１０質量％、特に３〜８質量％である。また、酸化アルミニウムの添加量は、Ａｌ_２Ｏ_３換算で０〜１０質量％、特に１〜５質量％である。これらのアルミニウム化合物によって、低温で液相を生成させて焼結体の緻密化を促進できるとともに、焼結体の耐酸化性を高めて耐摩耗性を向上できる。周期表第６族元素珪化物を形成するための原料は、周期表第６族元素の酸化物、炭化物、珪化物、窒化物等いずれでも良いが、安価で微粉末が得られやすいことから酸化物を用いることが望ましい。窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、周期表第６族元素の酸化物、炭化物、珪化物、窒化物等の原料は平均粒径が０．５〜５μｍの粉末を用いる。

また、所望により、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を０〜１０質量％、シリカ（ＳｉＯ_２）を０〜１０質量％の範囲で添加してもよい。さらに、周期表第６族元素珪化物を形成するために、周期表第６族元素の酸化物、炭化物、珪化物、窒化物等いずれかの原料粉末を添加することができる。安価で微粉末が得られやすいことから酸化物を用いることが望ましい。これら原料は平均粒径が０．５〜５μｍの粉末を用いる。

次に、これらの原料を秤量した混合粉末に適宜バインダや溶剤を添加して混合、粉砕し、スプレードライ法等により乾燥、造粒する。そして、この造粒粉末をプレス成形により所定の切削工具形状に成形する。成形に際しては、すくい面となる成形体の主面と逃げ面となる成形体の側面における成形密度を変えることが重要である。成形体の主面と側面における成形密度を変える方法の一例としては、プレス成形する際の金型の上下パンチの移動速度を速くするとともに、荷重をかける時間を短くすることによって可能となる。成形体の主面と側面における成形密度を変える他の方法としては、成形時に用いる顆粒の粒径や硬さ、顆粒の流れやすさ、バインダの硬さ、バインダの添加量等を調整することによっても可能である。

また、窒化珪素系焼結体の表面における結晶相の含有比率を好適な状態とするために、焼成鉢の中にＭｎＯ_２粉末とＳｉ_３Ｎ_４粉末を質量比で１：５〜１：５０の割合で混合した混合粉末を含有するペースト（Ｍｎペースト）を塗布して乾燥させた状態で焼成することもできる。ＭｎＯ_２粉末は成形体の表面に付着して触媒として作用し、焼結体の表面の焼成を進行させる。その結果、焼結体の表面と内部とは異なる状態になり、焼結体の表面状態を所定の範囲に調整できる。また、ＭｎＯ_２は焼結体の表面に付着して触媒として作用し、焼結体の表面の焼成を進行させる。その結果、焼結体の表面と内部とは異なる状態になり、焼結体の表面状態を所定の範囲に調整できる。ＭｎＯ_２粉末は、焼成中に焼結体の表面から揮発して、焼成後は焼結体中には残存しない。

その後、下記条件にて焼成する。焼成の具体的な条件は、上記成形体を焼成炉に入れて、焼成炉内を１０１Ｐａ〜１０１１Ｐａ（１〜１０気圧）の窒素雰囲気とした後、１〜１０℃／分で昇温して１６５０〜１８００℃の焼成温度で１〜５時間保持する。そして、焼成温度から１２５０〜１６００℃の保持温度までの第１の降温速度を１〜９℃／分で冷却した後、保持温度で１〜４時間保持し、その後、室温までを１０〜５０℃／分の第２の降温速度で冷却する。

本実施態様によれば、上記焼成後の冷却過程における１２５０〜１６００℃での保持により、窒化珪素の熱膨張係数（室温から１４２０℃までの線熱膨張係数が３．５×１０^−６）およびサイアロンの熱膨張係数（室温から１０００℃までの線熱膨張係数が３．２×１０^−６）と、窒化チタンの熱膨張係数（室温から１０００℃までの線熱膨張係数が９．４×１０^−６）との差によって、窒化珪素およびサイアロンと窒化チタンとの間に体積膨張が発生する。その際、すくい面と逃げ面となる主面と側面の成形密度が異なるので、すくい面と逃げ面における窒化珪素およびサイアロンと窒化チタンとの体積膨張も異なる。その結果、保持温度での保持後、保持温度から室温まで１０〜５０℃／分の降温速度で冷却することによって、すくい面と逃げ面における窒化珪素およびサイアロンと窒化チタンとの残留応力を所定の範囲とすることができる。また、焼成温度から１４５０〜１６００℃の範囲内まで１〜１０℃／分の速度で降温し、その温度で１〜４時間保持することによって、この保持時間内にて表面のメリライト相を本発明の範囲内の配向で結晶化させることができる。このとき、窒化チタン相もメリライト相の生成に伴って、特定の方向に配向する。

そして、上述した焼結体には研削加工が施される。具体的な研磨加工は、すくい面を両頭研削により加工し、逃げ面を外周研削により加工する。その後、所望により、切刃に対して弾性砥石を用いた研磨やホイールブラシ研磨等を用いて研磨し、切刃にチャンファホーニングやＲ面ホーニングを設ける。

また、上記焼結体の表面に、ＣＶＤ法やＰＶＤ法の気相合成法によって、ＴｉＮやＡｌ_２Ｏ_３、ＴｉＡｌＮ等の硬質被覆層を被着形成してもよい。

出発原料として、平均粒径０．３μｍの窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）粉末と、平均粒径１．２μｍのＲＥ元素酸化物粉末と、平均粒径０．７μｍの酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）粉末と、平均粒径０．７μｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末と、平均粒径２．５μｍの窒化チタン（ＴｉＮ）粉末とを表１の割合で調合し、バインダと溶剤とを添加した後、アトライタミルにて７２時間、粉砕、混合した。

その後、乾燥して溶剤を除去して造粒粉末を作製し、この造粒粉末をＳＮＭＧ１２０４形状およびＲＮＧＮ１２０４形状の切削工具形状のプレス成形用の金型内に充填した。そして、上下パンチの移動速度および荷重をかける時間を調整しながら３０００ｋｇの成型荷重をかけてプレス成形した。ＳＮＭＧ１２０４形状の成形体１０個については生密度を測定した。１０個の成形体については、成形体の上下面を１ｍｍ厚みずつ研磨して生密度を測定した。１０個の成形体については、成形体の４つの側面を１ｍｍ厚みずつ研磨して生密度を測定した。それぞれの平均値を算出し、すくい面と逃げ面の生密度の比率（すくい面／逃げ面）を算出して、生密度比として記載した。表中、生密度比と表記した。

この成形体を焼成鉢内にセットし、脱脂後、焼成炉内を窒素９１１Ｐａ（９気圧）にして、表１の焼成条件にて焼結させ、焼結体を得た。なお、焼成温度では２時間保持した。また、表中、焼成温度から１２５０〜１６００℃の保持温度までの第１の降温速度を降温速度１、保持温度での保持時間を保持時間、保持温度から室温までの第２の降温速度を降温速度２と記載した。さらに、この焼結体の表面をすくい面については両頭研削加工し、逃げ面については外周研削加工し、切刃については弾性砥石を用いて０．１０ｍｍ×２０°の形状になるようチャンファホーニング加工を施して切削工具を得た。

得られた窒化珪素系焼結体について、すくい面および逃げ面を鏡面状態とした後、２Ｄ法（装置：Ｘ線回折 BrukerAXS社製 D8 DISCOVER with GADDS Super Speed、線源：CuK_α、出力４５ｋＶ、１１０ｍＡ、検出器距離１５ｃｍ、コリメータ径：０．８ｍｍφ、測定回折線：１４０°（ＴｉＮ（５１１）面））を用いてすくい面および逃げ面における窒化チタンの残留応力を測定した。また、Ｘ線回折ピークを確認したところ、いずれの試料にも窒化珪素系相（α−サイアロン相、β−サイアロン相）と窒化チタン相の存在が確認できた。なお、試料Ｎｏ．６以外の試料については、窒化珪素系相中のβ−サイアロン相のＺ値は、いずれの試料も０．０１〜０．３の範囲内であり、試料Ｎｏ．６については、α−サイアロン相およびβ−サイアロン相の存在は確認できず、窒化珪素質焼結体からなるものであった。

また、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて焼結体の研磨断面組織を観察し、エネルギー分散分光（ＥＰＭＡ）分析によって、ＳｉとＴｉ元素の元素マッピングをとり、窒化珪素系相と窒化チタン相を特定した。そして、ルーゼックス画像解析法から、窒化珪素系相と窒化チタン相との存在比率を面積％として求め、それを体積％と見なして求めた。結果は表２に示す通りである。

さらに、得られたＲＮＧＮ１２０４形状の切削工具を用いて、下記条件により切削性能を評価した。
加工方法：旋削加工
被削材：インコネル７１８５０φ丸棒
切削速度：２００ｍ／分
送り量：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み量：１．０ｍｍ
切削条件：湿式切削
評価項目：５分切削後の境界摩耗量を測定するとともに刃先状態を観察した。
結果は表２に示した。

表１および２に示した結果によれば、窒化チタン相の含有比率が１０体積％より少ない試料Ｎｏ．１２では突発欠損が発生し、窒化チタン相の含有比率が３０体積％より多い試料Ｎｏ．１３、および窒化珪素系相の含有比率が５０体積％よりも少ない試料Ｎｏ．１４では境界摩耗が大きくなった。焼成温度から保持温度で保持することなく降温した試料Ｎｏ．１５、降温速度１が９℃／分より速い試料Ｎｏ．１６、降温速度２が１０℃／分より遅い試料Ｎｏ．１７、焼成温度から保持温度で保持することなく降温速度１の範囲よりも速い速度で降温した試料Ｎｏ．１９、すくい面側の生密度が逃げ面側の生密度よりも小さい試料Ｎｏ．１８では、いずれもすくい面における窒化チタン相にかかる引張応力が、逃げ面における窒化チタン相にかかる引張応力以下となり、切刃にチッピングが発生したり、すくい面に向かってフレーキングが発生したり、逃げ面において境界摩耗が大きくなったりした。

これに対して、本発明の範囲内の試料Ｎｏ．１〜１１はいずれも摩耗量が小さく刃先のチッピングやすくい面に向かうフレーキングの発生が少ない切削性能を示した。

出発原料として、平均粒径１．２μｍの窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）粉末と、平均粒径０．７μｍの酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）粉末と、平均粒径１．５μｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末と、平均粒径１．０μｍの酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）と、平均粒径１．０μｍの酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）と、平均粒径１．０μｍの窒化チタン（ＴｉＮ）粉末をそれぞれ表３の組成で調合し、バインダと溶剤とを添加した後、アトライタミルにて７２時間、粉砕、混合した。

その後、乾燥して溶剤を除去して造粒粉末を作製し、この造粒粉末をＲＮＧＮ１２０４１２形状の切削工具形状のプレス成形用の金型内に充填した。そして、上下パンチの移動速度および荷重をかける時間を調整しながら３０００ｋｇの成型荷重をかけてプレス成形した。実施例１の生密度比を１．０３５とした。そして、平均粒径３μｍのＳｉ_３Ｎ_４粉末と平均粒径３μｍのＭｎＯ_２の粉末とを１：２０の比率で混合し、これに有機樹脂を添加したＭｎペーストを作製し、はけを使って成形体の表面に塗布し、乾燥するＭｎペースト塗布を実施した。表３にはＭｎペースト塗布の有無を記載した。

次に、成形体を焼成鉢内にセットし、脱脂後、焼成炉内を窒素９０９ｋＰａ（９気圧）にして、表３の焼成温度と焼成時間にて焼成し、該焼成温度から１４５０〜１６００℃の保持温度までの降温速度を５℃／ｍｉｎとし、表３の保持温度、保持時間で保持し、該保持温度から室温までの降温速度を５０℃／ｍｉｎで降温して焼結体を得た。さらに、この焼結体の表面をすくい面については両頭研削加工し、逃げ面については外周研削加工し、切刃については弾性砥石を用いて０．１０ｍｍ×２０°の形状になるようチャンファホーニング加工を施して試料Ｎｏ．２０〜３６の切削工具を得た。

なお、試料Ｎｏ．２０〜３６のいずれの焼結体においても、存在する窒化珪素系相の一部が、βサイアロンおよびαサイアロンとなっていた。

得られた窒化珪素系焼結体について、Ｘ線回折測定にて、すくい面の未研磨状態（表面）と１０００μｍ研磨した状態（内部）でのＸ線回折ピークを測定し、測定された全ピークの総和と窒化珪素系相を示すピークの総和とのピーク強度比、測定された全ピークの総和とメリライト相を示すピークの総和とのピーク強度比、メリライト相を示す全ピークの総和とメリライト相（２０１）面を示すピークとのピーク強度比、測定された全ピークの総和とＹＡＧ相を示すピークの総和とのピーク強度比をそれぞれ求めた。それらの表面／内部比を求めた。表中、比率と記載した。結果は表４、５に示した。なお、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて、いずれの試料も窒化珪素相が５０体積％以上存在していることを確認した。

また、実施例１と同様にして、すくい面および逃げ面における窒化チタンの残留応力を測定した。さらに、得られたＳＮＧＮ１２０４１２形状の切削工具を用いて、下記条件により切削性能を評価した。結果は表６に示した。
加工方法：旋削加工
被削材：インコネル７１８２００φ丸棒
切削速度：４００ｍ／分
送り量：０．１０ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み量：１．０ｍｍ
切削条件：湿式切削
評価項目：摩耗量が０．３ｍｍとなった切削時間を測定して工具寿命とした。また、工具寿命となった時点での切刃の状態を観察した。

表３〜６に示した結果によれば、窒化チタン相を１０〜３０体積％の割合で含有し、すくい面における窒化チタン相にかかる引張応力が、逃げ面における前記窒化チタン相にかかる引張応力よりも大きい試料Ｎｏ．２０〜３３では、切刃の損傷がほとんど無く、安定して長寿命な切削工具となった。一方、本発明の範囲外である試料Ｎｏ．３４〜３６においては、早期に切刃に損傷が見られ、そこから摩耗が進行して短い工具寿命となってしまった。

１工具（スローアウェイチップ）
２すくい面
３逃げ面
４切刃

Claims

すくい面と、逃げ面と、前記すくい面と前記逃げ面との交差稜線部である切刃とを有し、窒化珪素系相を５０体積％以上、窒化チタン相を１０〜３０体積％の割合で含有する窒化珪素系焼結体からなり、前記窒化チタン相にかかる残留応力が引張応力であり、かつ前記すくい面における前記窒化チタン相にかかる引張応力が、前記逃げ面における前記窒化チタン相にかかる引張応力よりも大きい切削工具。
前記窒化珪素系焼結体が、さらにメリライト（Ｙ_２Ｓｉ_３Ｏ_３Ｎ_４）相を含み、前記窒化珪素系焼結体のＸ線回折測定において、表面における全ピークに対する前記窒化珪素系相のピークのピーク強度比が、内部における全ピークに対する前記窒化珪素系相のピークのピーク強度比よりも小さく、前記表面における全ピークに対する前記メリライト相のピークのピーク強度比が、前記内部における全ピークに対する前記メリライト相のピークのピーク強度比よりも大きく、かつ前記表面における前記メリライト相の全メリライトピークに対する（２０１）面のピークのピーク強度比が前記内部における前記メリライト相の前記全メリライトピークに対する（２０１）面のピークのピーク強度比よりも大きい請求項１に記載の切削工具。
前記表面における全ピークに対する窒化珪素系相のピークのピーク強度比が、前記内部における全ピークに対する窒化珪素系相のピークのピーク強度比に対する比率で０．０５〜０．５の範囲内である請求項２に記載の切削工具。
前記表面における全ピークに対するメリライト相のピークのピーク強度比が、前記内部における全ピークに対するメリライト相のピークのピーク強度比に対する比率で３．０〜６．０の範囲内である請求項２または３に記載の切削工具。
前記表面におけるメリライト相の全メリライトピークに対する（２０１）面のピークのピーク強度比が、前記内部におけるメリライト相の全メリライトピークに対する（２０１）面のピークのピーク強度比に対する比率で１．１〜２．０の範囲である請求項２乃至４のいずれかに記載の切削工具。
前記表面における前記窒化チタン相の全窒化チタンピークに対する（１１１）面のピークのピーク強度比が、前記内部における前記窒化チタン相の全窒化チタンピークに対する（１１１）面のピークのピーク強度比よりも大きい請求項２乃至５のいずれかに記載の切削工具。
前記表面における窒化チタン相の全窒化チタンピークに対する（１１１）面のピークのピーク強度比が、前記内部における窒化チタン相の全窒化チタンピークに対する（１１１）面のピークのピーク強度比に対する比率で１．１〜１．４の範囲内である請求項６に記載の切削工具。
さらに、窒化珪素系焼結体は、ＹＡＧ（３Ｙ_２Ｏ_３・５Ａｌ_２Ｏ_３）相を含有するとともに、前記表面における全ピークに対する前記ＹＡＧ相の（４２０）面のピークのピーク強度比が、前記内部における全ピークに対する前記ＹＡＧ相の（４２０）面のピークのピーク強度比に対する比率で０．９〜１．１である請求項２乃至７のいずれかに記載の切削工具。
前記窒化珪素系焼結体の表面に、さらに硬質被覆層が設けられている請求項１乃至８のいずれかに記載の切削工具。