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JP7507582B2 - Ceramic sintered body and cutting tool - Google Patents
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JP7507582B2 - Ceramic sintered body and cutting tool - Google Patents

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Description

本開示は、セラミックス焼結体、及び切削工具に関する。 This disclosure relates to a ceramic sintered body and a cutting tool.

近年、各種製造現場において材料加工の高速化および効率化が求められており、切削加工においても、より高速な加工が期待されている。そのため、切削加工を行う際に、耐熱性の優れたセラミックス工具が用いられている。その一例として、高硬度で高熱伝導であるAl-WC系の焼結体から構成された切削工具が用いられている。 In recent years, there has been a demand for faster and more efficient material processing in various manufacturing sites, and even faster cutting is expected. For this reason, ceramic tools with excellent heat resistance are used when performing cutting. One example is a cutting tool made of an Al 2 O 3 -WC sintered body, which has high hardness and high thermal conductivity.

AlおよびWCを含有する従来の焼結体は、WC/WC界面の結合が十分でなく、材料加工の高速化および効率化が進むにつれて、高い負荷に耐えられないことがある。そのため、このような焼結体によって構成される切削工具としての性能は、必ずしも満足できるものではなかった。 Conventional sintered bodies containing Al2O3 and WC do not have sufficient bonding at the WC/WC interface, and may not be able to withstand high loads as material processing speeds and efficiency increases. Therefore, the performance of cutting tools made of such sintered bodies is not necessarily satisfactory.

国際公開第2018/198719号公報International Publication No. 2018/198719

しかしながら、特許文献1に開示される焼結体では、脆弱な金属層が凝縮したり、金属層の融点を上げるために添加されるタングステンが組織中のWCと反応して脆弱なWCの粗大粒子を生じさせたりする。そのため、十分な耐欠損性を有するものではなかった。
本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、耐欠損性を高めることができるセラミックス焼結体及び切削工具を提供することを目的とする。本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
However, in the sintered body disclosed in Patent Document 1, the brittle metal layer condenses, and tungsten added to increase the melting point of the metal layer reacts with WC in the structure to produce coarse particles of brittle W 2 C. Therefore, the sintered body does not have sufficient chipping resistance.
The present disclosure has been made in view of the above-mentioned circumstances, and has an object to provide a ceramic sintered body and a cutting tool capable of improving fracture resistance. The present disclosure can be realized in the following aspects.

〔1〕アルミナ(Al)、および炭化タングステン(WC)を含むセラミックス焼結体であって、
隣接する炭化タングステン(WC)結晶粒子同士の結晶粒界に、ニッケル(Ni)を含
セラミックス焼結体の質量を100質量%として、
炭化タングステン(WC)の含有量は、48.0質量%以上であり、
アルミナ(Al )の含有量は、3.5質量%以上であり、
前記結晶粒界に含まれるニッケル(Ni)の含有量は、0.5質量%以上3質量%以下である、セラミックス焼結体。
[1] A ceramic sintered body containing alumina (Al 2 O 3 ) and tungsten carbide (WC),
Nickel (Ni) is contained in the grain boundaries between adjacent tungsten carbide (WC) crystal grains,
The mass of the ceramic sintered body is taken as 100 mass%,
The content of tungsten carbide (WC) is 48.0 mass% or more,
The content of alumina (Al 2 O 3 ) is 3.5 mass% or more,
The content of nickel (Ni) contained in the crystal grain boundaries is 0.5 mass % or more and 3 mass % or less .

〕前記結晶粒界に、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb)、タンタル(W)、およびハフニウム(Hf)からなる群より選択される少なくとも1種の元素が
存在している、〔1に記載のセラミックス焼結体。
[ 2 ] At least one element selected from the group consisting of chromium (Cr), molybdenum (Mo), niobium (Nb), tantalum (W), and hafnium (Hf) is present in the crystal grain boundaries . The ceramic sintered body according to [1 ] .

〕隣接するアルミナ(Al)結晶粒子と炭化タングステン(WC)結晶粒子との結晶粒界に、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、ランタノイド、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、およびハフニウム(Hf)からなる群より選択される少なくとも1つが含まれている、〔1〕又は〔2〕のいずれか一項に記載のセラミックス焼結体。 [ 3 ] The ceramic sintered body according to any one of [1] and [2 ] , wherein at least one selected from the group consisting of scandium (Sc), yttrium (Y), lanthanoids, titanium (Ti), zirconium (Zr), and hafnium (Hf) is contained in the grain boundaries between adjacent alumina (Al 2 O 3 ) crystal grains and tungsten carbide (WC) crystal grains.

〕〔1〕から〔〕のいずれか一項に記載のセラミックス焼結体から構成されている、切削工具。 [ 4 ] A cutting tool comprising the ceramic sintered body according to any one of [1] to [ 3 ].

〕〔1〕から〔〕のいずれか一項に記載のセラミックス焼結体を基材とし、該基材の表面には被覆層が形成されている、切削工具。 [ 5 ] A cutting tool using the ceramic sintered body according to any one of [1] to [ 3 ] as a substrate, and having a coating layer formed on the surface of the substrate.

本開示のセラミックス焼結体は、隣接する炭化タングステン(WC)結晶粒子同士の結晶粒界に、鉄(Fe)、コバルト(Co)、およびニッケル(Ni)からなる群より選択される少なくとも1種の元素を含ことで、炭化タングステン結晶粒子同士の結晶粒界における結合を強化することができる。そのため、セラミックス焼結体の耐欠損性を高めることができる
セラミックス焼結体の質量を100質量%として、炭化タングステン(WC)結晶粒子同士の結晶粒界に、含まれる、鉄(Fe)、コバルト(Co)、およびニッケル(Ni)の合計含有率は、0.5質量%以上4.5質量%以下である場合には、炭化タングステン結晶粒子同士の結晶粒界における結合をより一層強化することができる。そのため、セラミックス焼結体の耐欠損性をより一層高めることができる。
炭化タングステン(WC)結晶粒子同士の結晶粒界に、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb)、タンタル(W)、およびハフニウム(Hf)からなる群より選択される少なくとも1種の元素が存在している場合には、金属層の軟化温度が上昇し、より高速な切削に耐えられるようになる。
隣接するアルミナ(Al)結晶粒子と炭化タングステン(WC)結晶粒子との結晶粒界に、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、ランタノイド、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、およびハフニウム(Hf)からなる群より選択される少なくとも1つが含まれている場合には、アルミナ結晶粒子と炭化タングステン結晶粒子との間の結晶粒界における結合を強化することができる。そのため、セラミックス焼結体の耐欠損性をより一層高めることができる。
本発明のセラミックス焼結体を切削工具に供することで、鋼材の高速加工下における耐摩耗性と耐欠損性を両立できる。
本発明のセラミックス焼結体を基材とし、被覆層が形成されている場合には、表面を硬質化するとともに表面における基材の酸化を抑制できるため、切削工具の耐摩耗性を向上できる。
The ceramic sintered body of the present disclosure contains at least one element selected from the group consisting of iron (Fe), cobalt (Co), and nickel (Ni) in the grain boundaries between adjacent tungsten carbide (WC) crystal grains, which strengthens the bond at the grain boundaries between the tungsten carbide crystal grains, thereby improving the chipping resistance of the ceramic sintered body .
When the total content of iron (Fe), cobalt (Co), and nickel (Ni) contained in the grain boundaries between tungsten carbide (WC) crystal grains is 0.5% by mass or more and 4.5% by mass or less, assuming the mass of the ceramic sintered body to be 100% by mass, the bond in the grain boundaries between the tungsten carbide crystal grains can be further strengthened, and therefore the chipping resistance of the ceramic sintered body can be further improved.
When at least one element selected from the group consisting of chromium (Cr), molybdenum (Mo), niobium (Nb), tantalum (W), and hafnium (Hf) is present at the grain boundaries between tungsten carbide (WC) crystal grains , the softening temperature of the metal layer increases, making it able to withstand higher speed cutting.
When the grain boundaries between adjacent alumina (Al 2 O 3 ) and tungsten carbide (WC) crystal grains contain at least one element selected from the group consisting of scandium (Sc), yttrium (Y), lanthanoids, titanium (Ti), zirconium (Zr), and hafnium (Hf), the bonds at the grain boundaries between the alumina and tungsten carbide crystal grains can be strengthened, and the chipping resistance of the ceramic sintered body can be further improved.
By using the ceramic sintered body of the present invention for a cutting tool, it is possible to achieve both wear resistance and chipping resistance during high-speed machining of steel materials.
When a coating layer is formed on the ceramic sintered body of the present invention as a substrate, the surface can be hardened and oxidation of the substrate on the surface can be suppressed, thereby improving the wear resistance of the cutting tool.

セラミックス焼結体のSEM画像を模式的に示した図である。FIG. 2 is a diagram showing a schematic SEM image of a ceramic sintered body. 図1の一部を拡大して示す拡大図である。FIG. 2 is an enlarged view showing a part of FIG. 1 . 炭化タングステン結晶粒子同士の間の結晶粒界の周辺におけるコバルト元素の濃度をEDSで測定したグラフである。1 is a graph showing the concentration of cobalt element in the vicinity of grain boundaries between tungsten carbide crystal grains, measured by EDS.

以下、更に詳しく説明する。なお、本明細書において、数値範囲について「~」を用いた記載では、特に断りがない限り、下限値及び上限値を含むものとする。例えば、「10~20」という記載では、下限値である「10」、上限値である「20」のいずれも含むものとする。すなわち、「10~20」は、「10以上20以下」と同じ意味である。 The following provides a more detailed explanation. In this specification, when a numerical range is described using "to" it is intended to include both the lower limit and the upper limit unless otherwise specified. For example, "10 to 20" is intended to include both the lower limit of "10" and the upper limit of "20". In other words, "10 to 20" has the same meaning as "10 or more and 20 or less".

1.セラミックス焼結体1
(1)セラミックス焼結体1の構成
セラミックス焼結体1は、図1に示すように、アルミナ(Al)結晶粒子11と、炭化タングステン(WC)結晶粒子12と、を備えている。図1は、セラミックス焼結体1のSEM(Scanning Electron Microscope,走査型電子顕微鏡)により得られたSEM画像を模式的に示した図である。但し、図1は、セラミックス焼結体1のSEM画像を概念的に示したものであり、実際のSEM画像を正確に示したものではない。図2は、図1の内側の一点鎖線で囲まれる部分を拡大したものであり、炭化タングステン結晶粒子12同士の界面の一部を示している。
1. Sintered ceramics 1
(1) Structure of the ceramic sintered body 1 As shown in Fig. 1, the ceramic sintered body 1 includes alumina (Al 2 O 3 ) crystal grains 11 and tungsten carbide (WC) crystal grains 12. Fig. 1 is a schematic diagram of an SEM image of the ceramic sintered body 1 obtained by a SEM (Scanning Electron Microscope). However, Fig. 1 is a conceptual diagram of the SEM image of the ceramic sintered body 1, and does not accurately show an actual SEM image. Fig. 2 is an enlarged view of the part surrounded by the dashed line on the inside of Fig. 1, and shows a part of the interface between the tungsten carbide crystal grains 12.

隣接する炭化タングステン結晶粒子12同士の結晶粒界Gに、鉄(Fe)、コバルト(Co)、およびニッケル(Ni)からなる群より選択される少なくとも1種の元素を含 The grain boundaries G between adjacent tungsten carbide crystal grains 12 contain at least one element selected from the group consisting of iron (Fe), cobalt (Co), and nickel (Ni).

例えば、図3のグラフは、隣接する炭化タングステン結晶粒子12同士の間の結晶粒界Gの周辺におけるコバルト元素の濃度をEDSで測定したグラフである。図3のグラフの横軸は、結晶粒界Gを横切る直線上の位置として、一方の炭化タングステン結晶粒子12における位置A1から、結晶粒界G上の位置A2を経て、他方の炭化タングステン結晶粒子12における位置A3までの各位置を示す。図3のグラフの縦軸は、コバルト(Cо)元素の濃度を示す。炭化タングステン結晶粒子12同士が隣接する結晶粒界Gに、コバルトが分布する。ここで結晶粒界Gのいずれの位置においてEDSを用いたライン分析を行っても、鉄、コバルト、およびニッケルからなる群より選択される少なくとも1種の元素が検出され For example, the graph in Fig. 3 is a graph in which the concentration of cobalt element in the vicinity of the grain boundary G between adjacent tungsten carbide crystal grains 12 is measured by EDS. The horizontal axis of the graph in Fig. 3 indicates each position on a line crossing the grain boundary G, from position A1 in one tungsten carbide crystal grain 12, through position A2 on the grain boundary G, to position A3 in the other tungsten carbide crystal grain 12. The vertical axis of the graph in Fig. 3 indicates the concentration of cobalt (C0) element. Cobalt is distributed in the grain boundary G where the tungsten carbide crystal grains 12 are adjacent to each other. Here , no matter which position of the grain boundary G is subjected to line analysis using EDS, at least one element selected from the group consisting of iron, cobalt, and nickel is detected .

このように、隣接する炭化タングステン結晶粒子12同士の結晶粒界Gに、鉄、コバルト、およびニッケルからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含ことで、炭化タングステン結晶粒子12同士の結晶粒界Gにおける結合を強化することができる。そのため、セラミックス焼結体1の耐欠損性を高めることができる。 In this way, by including at least one element selected from the group consisting of iron, cobalt, and nickel in the grain boundaries G between adjacent tungsten carbide crystal grains 12, it is possible to strengthen the bonds at the grain boundaries G between the tungsten carbide crystal grains 12. As a result, it is possible to improve the chipping resistance of the ceramic sintered body 1.

セラミックス焼結体1の質量を100質量%として、炭化タングステン(WC)結晶粒子同士の結晶粒界に含まれる、鉄(Fe)、コバルト(Co)、およびニッケル(Ni)の合計含有率は、0.5質量%以上であることが好ましく、1質量%以上がより好ましく、1.5質量%以上がより一層好ましい。また、この合計含有率は、4.5質量%以下であることが好ましく、3質量%以下がより好ましく、2質量%以下がより一層好ましい。また、この合計含有率は、0.5質量%以上 4.5質量%以下であることが好ましく、1質量%以上3質量%以下がより好ましく、1.5質量%以上2質量%以下がより一層好ましい。このような構成によって、炭化タングステン結晶粒子12同士の結晶粒界Gにおける結合をより一層強化することができる。そのため、セラミックス焼結体1の耐欠損性をより一層高めることができる。 The mass of the ceramic sintered body 1 is taken as 100 mass%, and the total content of iron (Fe), cobalt (Co), and nickel (Ni) contained in the grain boundaries between tungsten carbide (WC) crystal particles is preferably 0.5 mass% or more, more preferably 1 mass% or more, and even more preferably 1.5 mass% or more. This total content is preferably 4.5 mass% or less, more preferably 3 mass% or less, and even more preferably 2 mass% or less. This total content is preferably 0.5 mass% or more and 4.5 mass% or less, more preferably 1 mass% or more and 3 mass% or less, and even more preferably 1.5 mass% or more and 2 mass% or less. With this configuration, the bond at the grain boundaries G between the tungsten carbide crystal particles 12 can be further strengthened. Therefore, the chipping resistance of the ceramic sintered body 1 can be further improved.

炭化タングステン(WC)結晶粒子同士の結晶粒界に、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb)、タンタル(W)、およびハフニウム(Hf)からなる群より選択される少なくとも1種の元素が存在していることが好ましい。このような構成によって、金属層の軟化温度が上昇し、より高速な切削に耐えられるようになる。 It is preferable that at least one element selected from the group consisting of chromium (Cr), molybdenum (Mo), niobium (Nb), tantalum (W) and hafnium (Hf) is present at the grain boundaries between tungsten carbide (WC) crystal grains. With this configuration, the softening temperature of the metal layer is increased, and the metal layer can withstand higher speed cutting.

セラミックス焼結体1は、隣接するアルミナ結晶粒子11と炭化タングステン結晶粒子12との結晶粒界に、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、ランタノイド、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、およびハフニウム(Hf)からなる群より選択される少なくとも1つが含まれていることが好ましい。このような構成によって、アルミナ結晶粒子11と炭化タングステン結晶粒子12との間の結晶粒界における結合を強化することができる。そのため、セラミックス焼結体1の耐欠損性をより一層高めることができる。 It is preferable that the ceramic sintered body 1 contains at least one element selected from the group consisting of scandium (Sc), yttrium (Y), lanthanides, titanium (Ti), zirconium (Zr), and hafnium (Hf) in the grain boundaries between adjacent alumina crystal grains 11 and tungsten carbide crystal grains 12. This configuration can strengthen the bond in the grain boundaries between the alumina crystal grains 11 and tungsten carbide crystal grains 12. This can further increase the chipping resistance of the ceramic sintered body 1.

(2)セラミックス焼結体1の製造方法(製造方法A)
セラミックス焼結体1の製造方法は特に限定されない。セラミックス焼結体1の製造方法の一例を以下に示す。
(2) Manufacturing method of ceramic sintered body 1 (manufacturing method A)
There is no particular limitation on the method for producing the ceramic sintered body 1. An example of the method for producing the ceramic sintered body 1 will be described below.

(2.1)原料
原料として次の原料粉末を使用する。
・炭化タングステン粉末(WC粉末)
・アルミナ粉末(Al粉末)
・ジルコニア粉末(ZrO粉末)
・コバルト粉末(Co粉末)
・ニッケル粉末(Ni粉末)
・モリブデン粉末(Mo粉末)
・タンタル粉末(Ta粉末)
・ハフニウム粉末(Hf粉末)
(2.1) Raw Materials The following raw material powders are used as raw materials.
・Tungsten carbide powder (WC powder)
Alumina powder ( Al2O3 powder )
・Zirconia powder ( ZrO2 powder)
・Cobalt powder (Co powder)
Nickel powder (Ni powder)
・Molybdenum powder (Mo powder)
・Tantalum powder (Ta powder)
・Hafnium powder (Hf powder)

(2.2)混合乾燥粉末(原料粉末X)の作製
(2.2.1)炭化タングステン粉末、アルミナ粉末、ジルコニア粉末、コバルト粉末、ニッケル粉末、モリブデン粉末、タンタル粉末、およびハフニウム粉末を用意する。
(2.2.2)炭化タングステン粉末、および金属粉末(コバルト粉末、ニッケル粉末、モリブデン粉末、タンタル粉末、およびハフニウム粉末のうち表1に記載の粉末)を予備粉砕する。得られたスラリーを目開き25μmの篩に通し、振動乾燥機によって乾燥させる。得られた粉末を目開き125μmの篩に通し、炭化タングステン粉末に金属粉末がコーティングされた原料粉末Xを得る。
(2.3)調合
原料粉末X、およびアルミナ粉末を、5℃以下に冷却したイオン交換水とともに冷却ジャケットを備えたカルマンアジテーターに投入し、冷却しつつ撹拌し、スラリーを得る。
(2.4)乾燥、造粒
得られたスラリーを目開き25μmの篩に通し、ロータリーエバポレーターを用いて減圧乾燥させる。得られた粉末を目開き250μmの篩に通し、乾燥粉末を得る。
(2.5)焼成
得られた混合乾燥粉末をカーボン冶具に投入し、真空条件にて所定温度で焼成した後、所定温度でホットプレス焼成する。このようにして、セラミックス焼結体1が作製される。セラミックス焼結体1は、切削、研削、及び研磨の少なくとも1つの加工法によって形状や表面の仕上げを行ってもよい。
(2.2) Preparation of Mixed Dry Powder (Raw Material Powder X) (2.2.1) Tungsten carbide powder, alumina powder, zirconia powder, cobalt powder, nickel powder, molybdenum powder, tantalum powder, and hafnium powder are prepared.
(2.2.2) Tungsten carbide powder and metal powder (cobalt powder, nickel powder, molybdenum powder, tantalum powder, and hafnium powder listed in Table 1) are pre-pulverized. The resulting slurry is passed through a sieve with a mesh size of 25 μm and dried by a vibrating dryer. The resulting powder is passed through a sieve with a mesh size of 125 μm to obtain raw material powder X in which tungsten carbide powder is coated with metal powder.
(2.3) Blending Raw material powder X and alumina powder are charged into a Karman agitator equipped with a cooling jacket together with ion-exchanged water cooled to 5° C. or less, and stirred while cooling to obtain a slurry.
(2.4) Drying and granulation The obtained slurry is passed through a sieve with an opening of 25 μm and dried under reduced pressure using a rotary evaporator. The obtained powder is passed through a sieve with an opening of 250 μm to obtain a dry powder.
(2.5) Firing The obtained mixed dry powder is put into a carbon jig and sintered at a predetermined temperature under vacuum conditions, and then hot press sintered at a predetermined temperature. In this manner, the ceramic sintered body 1 is produced. The ceramic sintered body 1 may be subjected to shape and surface finishing by at least one of cutting, grinding, and polishing.

(3)切削工具の用途
切削工具は、セラミックス焼結体1から構成されている。切削工具は、従来公知の様々な切削工具に適用することができる。切削工具として、旋削加工用又はフライス加工用刃先交換型チップ(切削インサート、スローアウェイチップ)、ドリル、エンドミル、を好適に例示できる。なお、切削工具は、広義の切削工具であり、旋削加工、フライス加工などを行う工具全般を言う。
(3) Use of cutting tool The cutting tool is composed of the ceramic sintered body 1. The cutting tool can be applied to various cutting tools known in the art. Suitable examples of the cutting tool include indexable inserts for turning or milling (cutting inserts, throw-away inserts), drills, and end mills. The cutting tool is a cutting tool in a broad sense, and refers to all tools that perform turning, milling, etc.

(4)表面の被覆層
切削工具は、セラミックス焼結体1を基材として、基材の表面に被覆層が形成されていてもよい。被覆層が形成されると、切削工具の表面硬度が増加すると共に、被加工物との反応・溶着による摩耗進行が抑制される。その結果、切削工具の耐摩耗性が向上する。
被覆層の成分は特に限定されない。被覆層は、チタン、ジルコニウム、及びアルミニウムの炭化物、窒化物、酸化物、炭窒化物、炭酸化物、酸窒化物、及び炭窒酸化物より選択される少なくとも1種の化合物から形成されていることが好ましい。チタン、ジルコニウム、及びアルミニウムの炭化物、窒化物、酸化物、炭窒化物、炭酸化物、酸窒化物、及び炭窒酸化物より選択される少なくとも1種の化合物としては、特に限定されないが、TiN、TiCN、TiAlN、TiAlVN、Al 、CrAlNが好適な例として挙げられる。
被覆層の厚みは、特に限定されない。被覆層の厚みは、耐摩耗性の観点から、0.02μm以上30μm以下が好ましい。
(4) Surface Coating Layer The cutting tool may have a coating layer formed on the surface of the substrate, the substrate being the ceramic sintered body 1. When the coating layer is formed, the surface hardness of the cutting tool increases and the progress of wear caused by reaction and adhesion with the workpiece is suppressed. As a result, the wear resistance of the cutting tool is improved.
The components of the coating layer are not particularly limited. The coating layer is preferably formed of at least one compound selected from carbides, nitrides, oxides, carbonitrides, carbonates, oxynitrides, and carbonitrides of titanium, zirconium, and aluminum. The at least one compound selected from carbides, nitrides, oxides, carbonitrides, carbonates, oxynitrides, and carbonitrides of titanium, zirconium, and aluminum is not particularly limited, and suitable examples include TiN, TiCN, TiAlN, TiAlVN, Al 2 O 3 , and CrAlN.
The thickness of the coating layer is not particularly limited, but is preferably 0.02 μm or more and 30 μm or less from the viewpoint of abrasion resistance.

1 セラミックス焼結体の作製
1.1 実施例1~22のセラミックス焼結体(製造方法Aで作製する焼結体)
(1)原料
原料として次の原料粉末を使用した。
・炭化タングステン粉末(WC粉末):平均粒径0.7μm
・アルミナ粉末(Al粉末):平均粒径0.5μm
・ジルコニア粉末(ZrO粉末):平均粒径0.3μm
・コバルト粉末(Co粉末):平均粒径0.1μm
・ニッケル粉末(Ni粉末):平均粒径0.1μm
・モリブデン粉末(Mo粉末):平均粒径0.1μm
・タンタル粉末(Ta粉末):平均粒径0.1μm
・ハフニウム粉末(Hf粉末):平均粒径0.1μm
1. Preparation of ceramic sintered bodies 1.1 Ceramic sintered bodies of Examples 1 to 22 (sintered bodies prepared by manufacturing method A)
(1) Raw Materials The following raw material powders were used as raw materials.
Tungsten carbide powder (WC powder): average particle size 0.7 μm
Alumina powder (Al 2 O 3 powder): average particle size 0.5 μm
Zirconia powder ( ZrO2 powder): average particle size 0.3 μm
Cobalt powder (Co powder): average particle size 0.1 μm
Nickel powder (Ni powder): average particle size 0.1 μm
Molybdenum powder (Mo powder): average particle size 0.1 μm
Tantalum powder (Ta powder): average particle size 0.1 μm
Hafnium powder (Hf powder): average particle size 0.1 μm

(2)混合乾燥粉末(原料粉末X)の作製
(2.1)炭化タングステン粉末、アルミナ粉末、ジルコニア粉末、コバルト粉末、ニッケル粉末、モリブデン粉末、タンタル粉末、およびハフニウム粉末を用意した。
(2.2)炭化タングステン粉末、および金属粉末(コバルト粉末、ニッケル粉末、モリブデン粉末、タンタル粉末、およびハフニウム粉末のうち表1に記載の粉末)を予備粉砕した。炭化タングステン粉末、および金属粉末を、超硬製の球石、バインダー粉末(ポリビニルアルコール)、およびアセトンとともに樹脂製のポットに投入して粉砕した。粉砕時間は55時間である。得られたスラリーを目開き25μmの篩に通し、振動乾燥機によって乾燥させた。得られた粉末を目開き125μmの篩に通し、炭化タングステン粉末に金属粉末がコーティングされた原料粉末Xを得た。
(3)調合
原料粉末X、およびアルミナ粉末を、5℃以下に冷却したイオン交換水とともに冷却ジャケットを備えたカルマンアジテーターに投入し、冷却しつつ撹拌し、スラリーを得た。水温が5℃以下となるようにして、6時間撹拌を行った。なお、実施例17~22については、ジルコニア粉末もカルマンアジテーターに投入して撹拌した。
(4)乾燥、造粒
得られたスラリーを目開き25μmの篩に通し、ロータリーエバポレーターを用いて減圧乾燥させた。得られた粉末を目開き250μmの篩に通し、乾燥粉末を得た。
(5)焼成
得られた混合乾燥粉末を表1に記載の組成(mass%)の割合で秤量してからカーボン冶具に投入し、真空条件にて所定温度で焼成した後、所定温度でホットプレス焼成した。具体的には、真空条件にて800℃で2時間焼成した後、表1に記載の焼成温度でホットプレス焼成した。ホットプレス焼成において、焼成時間は2時間であり、圧力は30MPaであり、雰囲気ガスはアルゴン(Ar)である。このようにして、セラミックス焼結体1が作製される。セラミックス焼結体1は、切削、研削、及び研磨の少なくとも1つの加工法によって形状や表面の仕上げを行ってもよい。なお、表1に記載の組成(mass%)は小数第二位を四捨五入したものである。
(2) Preparation of Mixed Dry Powder (Raw Material Powder X) (2.1) Tungsten carbide powder, alumina powder, zirconia powder, cobalt powder, nickel powder, molybdenum powder, tantalum powder, and hafnium powder were prepared.
(2.2) Tungsten carbide powder and metal powder (cobalt powder, nickel powder, molybdenum powder, tantalum powder, and hafnium powder as listed in Table 1) were pre-pulverized. The tungsten carbide powder and metal powder were put into a resin pot together with cemented carbide balls, binder powder (polyvinyl alcohol), and acetone and pulverized. The pulverization time was 55 hours. The obtained slurry was passed through a sieve with a mesh size of 25 μm and dried by a vibrating dryer. The obtained powder was passed through a sieve with a mesh size of 125 μm to obtain raw material powder X in which tungsten carbide powder was coated with metal powder.
(3) Preparation Raw material powder X and alumina powder were charged into a Karman agitator equipped with a cooling jacket together with ion-exchanged water cooled to 5°C or less, and stirred while cooling to obtain a slurry. Stirring was carried out for 6 hours while keeping the water temperature at 5°C or less. In addition, for Examples 17 to 22, zirconia powder was also charged into the Karman agitator and stirred.
(4) Drying and granulation The obtained slurry was passed through a sieve with 25 μm openings and dried under reduced pressure using a rotary evaporator. The obtained powder was passed through a sieve with 250 μm openings to obtain a dry powder.
(5) Firing The obtained mixed dry powder was weighed in the composition (mass%) ratio shown in Table 1, then put into a carbon jig, sintered at a predetermined temperature under vacuum conditions, and then hot press sintered at a predetermined temperature. Specifically, it was sintered at 800°C for 2 hours under vacuum conditions, and then hot press sintered at the sintering temperature shown in Table 1. In the hot press sintering, the sintering time is 2 hours, the pressure is 30 MPa, and the atmospheric gas is argon (Ar). In this way, the ceramic sintered body 1 is produced. The ceramic sintered body 1 may be finished in shape or on the surface by at least one of cutting, grinding, and polishing. The composition (mass%) shown in Table 1 is rounded off to the nearest tenth.

Figure 0007507582000001
Figure 0007507582000001

1.2 比較例1~5のセラミックス焼結体(実験方法Bで作製する焼結体)
比較例1~5のセラミックス焼結体は、炭化タングステン粉末および金属粉末の予備粉砕を行わなかった。
(1)原料
原料として次の原料粉末を使用した。
・炭化タングステン粉末(WC粉末):平均粒径0.7μm
・アルミナ粉末(Al粉末):平均粒径0.5μm
1.2 Ceramic sintered bodies of Comparative Examples 1 to 5 (sintered bodies prepared by Experimental Method B)
In the ceramic sintered bodies of Comparative Examples 1 to 5, the tungsten carbide powder and the metal powder were not pre-pulverized.
(1) Raw Materials The following raw material powders were used as raw materials.
Tungsten carbide powder (WC powder): average particle size 0.7 μm
Alumina powder (Al 2 O 3 powder): average particle size 0.5 μm

(2)混合乾燥粉末の作製(調合)
(2.1)炭化タングステン粉末、およびアルミナ粉末を用意した。
(2.2)炭化タングステン粉末、およびアルミナ粉末を、アセトンとともに樹脂製のポットに投入して撹拌した。撹拌時間は60時間である。
(3)乾燥、造粒
得られたスラリーを目開き25μmの篩に通し、振動乾燥機によって乾燥させた。得られた粉末を目開き250μmの篩に通し、乾燥粉末を得た。
(4)焼成
得られた乾燥粉末をカーボン冶具に投入し、表1に記載の焼成温度でホットプレス焼成した。焼成時間は2時間であり、圧力は30MPaであり、雰囲気ガスはアルゴン(Ar)である。このようにして、比較例1~5のセラミックス焼結体が作製される。セラミックス焼結体は、切削、研削、及び研磨の少なくとも1つの加工法によって形状や表面の仕上げを行ってもよい。
(2) Preparation of mixed dry powder (mixture)
(2.1) Tungsten carbide powder and alumina powder were prepared.
(2.2) Tungsten carbide powder and alumina powder were placed in a resin pot together with acetone and stirred for 60 hours.
(3) Drying and granulation The obtained slurry was passed through a sieve with a mesh size of 25 μm and dried using a vibration dryer. The obtained powder was passed through a sieve with a mesh size of 250 μm to obtain a dry powder.
(4) Firing The obtained dried powder was put into a carbon jig and hot-pressed and sintered at the sintering temperature shown in Table 1. The sintering time was 2 hours, the pressure was 30 MPa, and the atmospheric gas was argon (Ar). In this manner, the ceramic sintered bodies of Comparative Examples 1 to 5 were produced. The shape and surface of the ceramic sintered body may be finished by at least one of cutting, grinding, and polishing.

2.切削試験
(1)試験方法
各セラミックス焼結体から構成される各切削工具を用いて、切削試験を行って耐欠損性を評価した。
試験条件は、下記の通りである。
・工具形状:DNGA150412BQT00520
・被削材:チタン合金(Ti-6Al-4V)
・切削速度:500m/min
・切込み量:0.5mm~
・送り量:0.1mm/rev.
・切削環境:Wet
切込み量は、0.5mmから1パス毎に0.1mmずつ増加させる。
切削工具に欠損が生じたときの切込み量を評価した。
2. Cutting Test (1) Test Method Cutting tests were carried out using cutting tools made of each of the ceramic sintered bodies to evaluate chipping resistance.
The test conditions are as follows.
・Tool shape:DNGA150412BQT00520
・Cutting material: Titanium alloy (Ti-6Al-4V)
Cutting speed: 500 m/min
・Cutting depth: 0.5mm and up
・Feed rate: 0.1 mm/rev.
・Cutting environment: Wet
The cutting depth is increased by 0.1 mm for each pass from 0.5 mm.
The depth of cut when chipping occurred in the cutting tool was evaluated.

(2)試験結果
表1に試験結果を併記し、これについて検討する。
実施例1~22の切削工具は、下記第1要件を満たしている。これに対して比較例1~5の切削工具は、第1要件を満たしていない。実施例1~22の切削工具は、欠損時の切込み量が1.0~1.8mmであり、比較例1~5の切削工具は、欠損時の切込み量が0.5~0.6mmである。そのため、実施例1~22の切削工具は、比較例1~5の切削工具と比較して耐欠損性が高かった。よって、第1要件を満たすことで耐欠損性が向上することが確認された。
〔第1要件〕:コバルト、およびニッケルのうち少なくとも1種の元素を含む。
(2) Test Results The test results are shown in Table 1 and will be discussed.
The cutting tools of Examples 1 to 22 satisfy the following first requirement. In contrast, the cutting tools of Comparative Examples 1 to 5 do not satisfy the first requirement. The cutting tools of Examples 1 to 22 had a depth of cut at the time of fracture of 1.0 to 1.8 mm, while the cutting tools of Comparative Examples 1 to 5 had a depth of cut at the time of fracture of 0.5 to 0.6 mm. Therefore, the cutting tools of Examples 1 to 22 had higher fracture resistance than the cutting tools of Comparative Examples 1 to 5. It was therefore confirmed that fracture resistance was improved by satisfying the first requirement.
[First requirement]: Contains at least one element of cobalt and nickel.

次に、実施例1~16の切削工具を比較検討する。実施例14~16の切削工具は、いずれも第1要件に加えて下記第要件も満たしていた。他方で、実施例1~10の切削工具は、いずれも下記第要件を満たしていない実施例14~16の切削工具は、欠損時の切込み量が1.5mmである。実施例1~13の切削工具は、欠損時の切込み量が1.0~1.2mmである。実施例14~16の切削工具は、実施例1~13の切削工具と比較して耐欠損性が高かった。よって、第1要件に加えて第要件を満たすことで耐欠損性がより向上することが確認された。
〔第2要件〕:炭化タングステン(WC)結晶粒子同士の結晶粒界に、モリブデン、タンタル、およびハフニウムからなる群より選択される少なくとも1種の元素が存在している。
Next, the cutting tools of Examples 1 to 16 are compared. All of the cutting tools of Examples 14 to 16 satisfied the second requirement below in addition to the first requirement. On the other hand, none of the cutting tools of Examples 1 to 10 satisfied the second requirement below . The cutting tools of Examples 14 to 16 had a depth of cut at the time of chipping of 1.5 mm. The cutting tools of Examples 1 to 13 had a depth of cut at the time of chipping of 1.0 to 1.2 mm. The cutting tools of Examples 14 to 16 had higher chipping resistance than the cutting tools of Examples 1 to 13. It was therefore confirmed that chipping resistance is further improved by satisfying the second requirement in addition to the first requirement.
[Second requirement] : At least one element selected from the group consisting of molybdenum, tantalum, and hafnium is present in the grain boundaries between tungsten carbide (WC) crystal grains .

次に、実施例1~22の切削工具を比較検討する。実施例20~22の切削工具は、いずれも第1要件に加えて下記第要件も満たしていた。他方で、実施例1~16の切削工具は、いずれも下記第要件を満たしていない実施例20~22の切削工具は、欠損時の切込み量が1.7~1.8mmである。実施例1~19の切削工具は、欠損時の切込み量が1.0~1.5mmである。実施例20~22の切削工具は、実施例1~19の切削工具と比較して耐欠損性が高かった。よって、第1要件に加えて第要件を満たすことで耐欠損性がより向上することが確認された
〔第要件〕:切削工具にジルコニウムが含まれる。
Next, the cutting tools of Examples 1 to 22 are compared. All of the cutting tools of Examples 20 to 22 satisfied the third requirement below in addition to the first requirement. On the other hand, none of the cutting tools of Examples 1 to 16 satisfied the third requirement below . The cutting tools of Examples 20 to 22 had a depth of cut at the time of chipping of 1.7 to 1.8 mm. The cutting tools of Examples 1 to 19 had a depth of cut at the time of chipping of 1.0 to 1.5 mm. The cutting tools of Examples 20 to 22 had higher chipping resistance than the cutting tools of Examples 1 to 19. It was therefore confirmed that chipping resistance was further improved by satisfying the third requirement in addition to the first requirement .
[ Third requirement]: The cutting tool contains zirconium.

本発明は上記で詳述した実施形態に限定されず、本発明の請求項に示した範囲で様々な変形又は変更が可能である。 The present invention is not limited to the embodiments detailed above, and various modifications and variations are possible within the scope of the claims of the present invention.

1 …セラミックス焼結体
11 …アルミナ結晶粒子
12 …炭化タングステン結晶粒子
G …炭化タングステン結晶粒子同士の結晶粒界
1 ... ceramic sintered body 11 ... alumina crystal grain 12 ... tungsten carbide crystal grain G ... grain boundary between tungsten carbide crystal grains

Claims (5)

アルミナ(Al)、および炭化タングステン(WC)を含むセラミックス焼結体であって、
隣接する炭化タングステン(WC)結晶粒子同士の結晶粒界に、ニッケル(Ni)を含
前記セラミックス焼結体の質量を100質量%として、
炭化タングステン(WC)の含有量は、48.0質量%以上であり、
アルミナ(Al )の含有量は、3.5質量%以上であり、
前記結晶粒界に含まれるニッケル(Ni)の含有量は、0.5質量%以上3質量%以下である、セラミックス焼結体。
A ceramic sintered body containing alumina (Al 2 O 3 ) and tungsten carbide (WC),
Nickel (Ni) is contained in the grain boundaries between adjacent tungsten carbide (WC) crystal grains,
The mass of the ceramic sintered body is taken as 100 mass%,
The content of tungsten carbide (WC) is 48.0 mass% or more,
The content of alumina (Al 2 O 3 ) is 3.5 mass% or more,
The content of nickel (Ni) contained in the crystal grain boundaries is 0.5 mass % or more and 3 mass % or less.
前記結晶粒界に、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、およびハフニウム(Hf)からなる群より選択される少なくとも1種の元素が存在している、請求項1に記載のセラミックス焼結体。 2. The ceramic sintered body according to claim 1, wherein at least one element selected from the group consisting of chromium (Cr), molybdenum (Mo), niobium (Nb), tantalum (Ta), and hafnium (Hf) is present in the crystal grain boundaries. 隣接するアルミナ(Al)結晶粒子と炭化タングステン(WC)結晶粒子との結晶粒界に、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、ランタノイド、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、およびハフニウム(Hf)からなる群より選択される少なくとも1つが含まれている、請求項1又は請求項に記載のセラミックス焼結体。 3. The ceramic sintered body according to claim 1 , wherein at least one element selected from the group consisting of scandium (Sc), yttrium (Y), lanthanides, titanium (Ti), zirconium (Zr), and hafnium (Hf) is contained in a grain boundary between adjacent alumina (Al2O3) crystal grains and tungsten carbide (WC ) crystal grains. 請求項1から請求項のいずれか一項に記載のセラミックス焼結体から構成されている、切削工具。 A cutting tool comprising the ceramic sintered body according to any one of claims 1 to 3 . 請求項1から請求項のいずれか一項に記載のセラミックス焼結体を基材とし、該基材の表面には被覆層が形成されている、切削工具。 A cutting tool comprising the ceramic sintered body according to any one of claims 1 to 3 as a substrate, and a coating layer formed on a surface of the substrate.
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