JPH0569205A - セラミツクス切削工具 - Google Patents

セラミツクス切削工具

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JPH0569205A
JPH0569205A JP26108291A JP26108291A JPH0569205A JP H0569205 A JPH0569205 A JP H0569205A JP 26108291 A JP26108291 A JP 26108291A JP 26108291 A JP26108291 A JP 26108291A JP H0569205 A JPH0569205 A JP H0569205A
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JP
Japan
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nitride
carbide
carbonitride
cutting
cutting tool
Prior art date
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Application number
JP26108291A
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English (en)
Inventor
Naoya Omori
直也 大森
Hideki Moriguchi
秀樹 森口
Akinori Kobayashi
晄徳 小林
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Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Publication date
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  • Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本質的にアルミナ系セラミックス焼結体から
なり、高硬度材料を高能率且つ長寿命で切削することの
出来るセラミックス切削工具を提供する。 【構成】 Al2O3のマトリックス中に10〜50重量%のTi
の炭化物、窒化物、炭窒化物又は炭窒酸化物の少なくと
も1種を含有したアルミナ系セラミックス焼結体の母材
と、(1)この母材の表面に設けたTiとAlの合金の炭化
物、窒化物又は炭窒化物の少なくとも1種からなるか、
又は(2)この母材の表面に設けたTiとAlの合金の炭化
物、窒化物又は炭窒化物の少なくとも1種と、Tiの炭化
物、窒化物又は炭窒化物の少なくとも1種との組み合わ
せからなり、膜厚が0.2〜10μmの被覆層とを備えたセラ
ミックス切削工具。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、合金工具鋼等の高硬度
材料を高能率で切削できる長寿命のアルミナ系セラミッ
クス切削工具に関する。
【0002】
【従来の技術】合金工具鋼等の高硬度材料、特にロック
ェルC硬度(HRC)で50以上又はビッカース硬度
(HV)で500kgf/mm2以上の高硬度材料は、機械加工が
極めて難しく、特に通常の超硬合金等の切削工具では殆
ど切削できないほど切削加工が困難である。
【0003】従来、かかる高硬度材料の切削には、立方
晶窒化ホウ素(CBN)焼結体からなる切削工具、又は
黒セラと称されるAl2O3−TiC系セラミックス焼結体を初
めとするアルミナ(Al2O3)系焼結体からなる切削工具
が用いられていた。
【0004】しかし、CBN焼結体切削工具は、その製
造プロセスに超高圧超高温を必要とすることから、超硬
合金切削工具に比べて価格が極めて高価であり、又製造
できる工具の形状にも大幅な制限が加わる等の欠点があ
った。一方、黒セラ切削工具は安価であり工具形状にも
かなりの自由度があるものの、実際に高硬度材料を切削
すると靭性の不足が目立ち、チッピングやフレーキング
が発生しやすい等、安定した切削を行うことが難しいの
が現実であった。
【0005】この様に、高硬度材料の切削が困難になる
のは切削抵抗の三分力のうち背分力が非常に大きくなる
ためと考えられ、従って安価ではあるが耐欠損性に不安
のある黒セラ等のアルミナ系セラミックス焼結体切削工
具については、その強度及び靭性を改善向上させること
が必要とされている。
【0006】そこで従来、Al2O3−TiC系等のAl2O3系セ
ラミックス焼結体について、HIP処理によりAl2O3
晶粒子及びTiC粒子の粒径を小さくする方法(特公平1−
22223号公報)、或はNb、V、Zr、Ta、Hf等を金属又は酸
化物の形で添加し、TiCを均一微細に分散させて焼結体
強度を向上させる方法(特公昭63−35587号公報)が提
案されている。これらの方法により、焼結体中に存在す
るポアを無くして強度及び硬度を向上させることは可能
になったが、背分力が特に大きくなる高硬度材料の切削
においては尚その強度及び耐摩耗性が十分とは言えなか
った。
【0007】上記方法以外に、切削工具のすくい面をラ
ッピングして切粉の排出を容易にすることにより、切削
抵抗の低減を図る方法も取られている。又、ブレーカー
を設ける等して切削抵抗を低減する方法も当然考えられ
るが、セラミックス切削工具では強度面での不安があり
且つ製造上の制約もあるため普及していない。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】本発明はかかる従来の
事情に鑑み、本質的にAl2O3−TiC系等の低価格のアルミ
ナ系セラミックス焼結体からなり、特にHRCで50以上
又はHVで500Kgf/mm2以上の高硬度材料を高能率で且つ
長寿命で切削することの出来るセラミックス切削工具を
提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明のセラミックス切削工具においては;Al2O3
のマトリックス中に10〜50重量%のTiの炭化物、窒化
物、炭窒化物又は炭窒酸化物の少なくとも1種を含有し
たアルミナ系セラミックス焼結体の母材と、(1)この母
材の表面に設けたTiとAlの合金の炭化物、窒化物又は炭
窒化物の少なくとも1種からなる合計膜厚0.2〜10μmの
被覆層とを備えるか、又は(2)この母材の表面に設けたT
iとAlの合金の炭化物、窒化物又は炭窒化物の少なくと
も1種と、Tiの炭化物、窒化物又は炭窒化物の少なくと
も1種との組み合わせからなる合計膜厚0.2〜10μmの被
覆層とを備えたことを特徴とする。
【0010】尚、本発明において、TiとAlの合金の炭化
物、窒化物又は炭窒化物とは、下記する化学式
【化1】 (Ti1-xAlx)(C1-yNy) (式中、0<x<1及び0≦y≦1) で表される化合物を意味する。
【0011】
【作用】本発明では、上記特定の母材と被覆層との組み
合わせにより、被覆層に熱膨張係数差による表面残留圧
縮応力が生じ、これが母材であるAl2O3系セラミックス
焼結体の靭性を向上させる。
【0012】特に、TiとAlの合金の炭化物、窒化物又は
炭窒化物からなる被覆層は、前述の靭性向上の効果に加
えて切削工具の耐摩耗性を向上させる効果がある。その
理由は明確ではないが、被覆層中に含まれるAlが切削時
に生じる高温により一部化学反応を起こしてAl2O3を生
成し、このAl2O3により耐摩耗性が高められるものと考
えられる。
【0013】従って、本発明のセラミックス切削工具は
高硬度材料の切削工具として、特にHRCで50以上又は
Vで500kgf/mm2以上の高硬度材料用の切削工具とし
て、靭性及び耐摩耗性に優れ、従来の被覆層を有しない
Al2O3−TiC系セラミックス焼結体等からなるセラミック
ス切削工具に比べ数倍の寿命を有し、高能率で安定した
切削を行うことが出来る。
【0014】又、被覆層としてTiとAlの合金の炭化物、
窒化物又は炭窒化物と組み合わせて使用されるTiの炭化
物、窒化物又は炭窒化物は、母材との密着力に優れ、中
でもTiNは母材との密着力に優れていることが分かっ
た。従って、被覆層のうち母材と接触する最内層をTiN
とすることにより、特に母材との密着力に優れた被覆層
を得ることが出来る。
【0015】更に、Tiの炭化物、窒化物又は炭窒化物
は、摩擦係数がTiとAlの合金の炭化物、窒化物、炭窒化
物や一般的な方法により研削された従来のAl2O3−TiC系
セラミックス焼結体よりも小さいので、これを被覆層に
含ませることにより切り粉の排出が良くなり、切削抵抗
が低減される。特に被覆層を構成し得る化合物の内でTi
Nが最も摩擦係数が小さいので、被覆層の最外層をTiNと
すれば高硬度材料切削時の切削抵抗を軽減させる効果が
大きい。
【0016】本発明のセラミックス切削工具において
は、少なくとも切れ刃近傍における表面粗さを0.2S以下
とすることが切削抵抗の低減に有効であり、これにより
切削抵抗が更に小さくなって、長期に亙り使用可能な切
削工具が得られることが分かった。表面粗さの向上に
は、ダイヤモンド砥粒によるダイヤモンドペーストを用
いた表面研磨等の方法を使用できる。
【0017】母材となるアルミナ系セラミックス焼結体
は、Al2O3のマトリックス中にTiの炭化物、窒化物、炭
窒化物又は炭窒酸化物から選ばれた少なくとも1つの化
合物を含有したものである。これらのAl2O3系セラミッ
クス焼結体は、強度並びに硬度が高く従来から高硬度材
料の切削工具として使用されていたものである。しか
し、本発明の切削工具の母材として用いるためには、Ti
炭化物、窒化物、炭窒化物又は炭窒酸化物の添加量が10
重量%未満では焼結体の強度及び硬度が低く、又50重量
%を越えると焼結性が悪くなるので、10〜50重量%の範
囲とする。
【0018】尚、母材となる上記アルミナ系セラミック
ス焼結体は公知であり、例えば所定割合に混合した原料
粉末組成物を1500〜1900℃程度の温度で焼結することに
より得られる。焼結法としてはホットプレス法が好まし
いが、普通焼結法やHIP法を採用することも出来る。
又、焼結に際しては、添加物としてNiO、Y2O3、MgO等の
公知の焼結助剤を用いて良いことは当然である。
【0019】上記母材表面に設ける被覆層は、AlとTiの
合金の炭化物、窒化物又は炭窒化物からなる単層か又は
複層、若しくはこれらとTiの炭化物、窒化物又は炭窒化
物からなる複層からなるが、いずれの場合であっても被
覆層の合計膜厚は0.2〜10μmの範囲とする。その理由
は、0.2μm未満の膜厚では靭性や耐摩耗性の向上効果が
小さく、10μmを越えると被覆層自体の靭性が低下する
からである。又、被覆層のAlとTiの合金の炭化物、窒化
物又は炭窒化物に、少量の4A、5A、6A族元素や鉄
系金属元素が含まれても、前述した被覆層の優秀性に変
わりはない。
【0020】上記被覆層の形成には、公知のPVD法や
CVD法などの物理的又は化学的な薄膜形成方法を利用
することが出来る。尚、PVD法によりAlとTiの合金の
炭化物、窒化物又は炭窒化物を被覆する場合、TiとAlの
合金のターゲットを用いても良いし、TiとAl別々のター
ゲットを設置しても良い。
【0021】
【実施例】平均粒径0.4μmのAl2O3粉末に平均粒径1.0μ
mのTiC粉末を30体積%混合し、この混合粉末を黒鉛ダイ
スに充填した後、アルゴンガス中において30MPaの圧力
の下に1650℃で1時間ホットプレス焼結して、型番SNGN
120408の切削チップ形状のAl2O3−TiC焼結体を製造し
た。
【0022】得られたAl2O3−TiC焼結体を母材とし、そ
の表面に通常のPVD法により表1に示す被覆層をそれ
ぞれ形成して、切削チップ1〜12(但し、切削チップ
12は比較例)を作製した。又、被覆層を形成せず、Al
2O3−TiC焼結体のみからなる切削チップ13(比較例)
も準備した。
【0023】次に、各切削チップ1〜13を用いて、下
記条件で切削試験を行った。 切削条件:被 削 材…SKD11(HRC 60) 切削速度…100m/min. 送 り…0.1mm/rev. 切り込み…1.0mm ホルダー…FN11R44A 切 削 油…乾式 切削時間…10min.
【0024】上記切削試験において、各切削チップの被
覆層の剥離状態を観察し、又試験後の各切削チップにつ
いてフランク摩耗幅を測定し、表1に切削試験結果とし
て併せて記載した。
【0025】
【表1】 切 削 被 覆 層 構 造 及び 膜 厚 合計膜厚 切削試験結果チップ (内層→外層) (μm) (μm) フランク摩耗幅 1 Ti3AlC(4.0) 4.0 0.08mm 2 TiAlN(4.0) 4.0 0.07mm 3 Ti3AlCN(4.5) 4.5 0.07mm 4 Ti3AlN(4.5) 4.5 0.06mm 5 TiAlN(1.5)→TiAlCN(2.5) 4.0 0.06mm 6 Ti3AlC(2.0)→TiAlN(1.5) 3.5 0.06mm 7 TiN(0.5)→Ti3AlCN(3.5) 4.0 0.04mm 8 TiN(0.5)→Ti3AlC(2.0)→TiAlN(1.5) 4.0 0.04mm 9 TiN(1.0)→TiAlN(3.0)→TiN(0.5) 4.5 0.04mm 10 TiN(1.0)→Ti3AlCN(3.0)→TiN(0.5)* 4.5 0.03mm 11 (Ti−6wt%Al−4wt%V)N 4.0 0.09mm 12 TiN(3.0) 3.0 0.12mm 13 被覆層なし − 3分で欠損 (注)TiAlは50at%Ti−50at%Al合金を、Ti3Alは75at
%Ti−25at%合金を意味する。又、*印を付したチップ
は切れ刃近傍を粒径30〜40μmのダイヤモンド砥粒によ
るダイヤモンドペーストを用いて表面粗さを0.2Sまで向
上させた。
【0026】
【発明の効果】本発明によれば、合金工具鋼などの高硬
度材料、特にHRCで50以上又はHVで500Kgf/mm2以上
の高硬度材料を、高能率且つ高寿命で切削することがで
きる、高靭性で耐摩耗性に優れた低価格のセラミックス
切削工具を提供することが出来る。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Al2O3のマトリックス中に10〜50重量%
    のTiの炭化物、窒化物、炭窒化物又は炭窒酸化物の少な
    くとも1種を含有したアルミナ系セラミックス焼結体の
    母材と、この母材の表面に設けたTiとAlの合金の炭化
    物、窒化物又は炭窒化物の少なくとも1種からなる膜厚
    0.2〜10μmの被覆層とを備えたことを特徴とするセラミ
    ックス切削工具。
  2. 【請求項2】 Al2O3のマトリックス中に10〜50重量%
    のTiの炭化物、窒化物、炭窒化物又は炭窒酸化物の少な
    くとも1種を含有したアルミナ系セラミックス焼結体の
    母材と、この母材の表面に設けたTiとAlの合金の炭化
    物、窒化物又は炭窒化物の少なくとも1種とTiの炭化
    物、窒化物又は炭窒化物の少なくとも1種との組み合わ
    せからなる合計膜厚0.2〜10μmの被覆層とを備えたこと
    を特徴とするセラミックス切削工具。
  3. 【請求項3】 被覆層の最内層がTiNであることを特徴
    とする、請求項2に記載のセラミックス切削工具。
  4. 【請求項4】 被覆層の最外層がTiNであることを特徴
    とする、請求項2又は請求項3に記載のセラミックス切
    削工具。
  5. 【請求項5】 少なくとも切れ刃近傍における表面粗さ
    が0.2S以下であることを特徴とする、請求項1ないし請
    求項4のいずれかに記載のセラミックス切削工具。
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