JP7507582B2

JP7507582B2 - セラミックス焼結体、及び切削工具

Info

Publication number: JP7507582B2
Application number: JP2020058074A
Authority: JP
Inventors: 信良荒木; 悠太飯田; 淳茂木; 祐介勝
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2020-03-27
Filing date: 2020-03-27
Publication date: 2024-06-28
Anticipated expiration: 2040-03-27
Also published as: JP2021155282A

Description

本開示は、セラミックス焼結体、及び切削工具に関する。

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_２Ｏ_３－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。

Ａｌ_２Ｏ_３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。

国際公開第２０１８／１９８７１９号公報

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Ｗ_２Ｃ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。

〔１〕アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、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）を含み、
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 _２Ｏ _３）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。

〔２〕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。

〔３〕隣接するアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）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。

〔４〕〔１〕から〔３〕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。

〔５〕〔１〕から〔３〕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。

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種の元素を含むことで、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_２Ｏ_３）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。

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。図１の一部を拡大して示す拡大図である。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。

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。

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_２Ｏ_３）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（ＳｃａｎｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，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。

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種の元素を含む。

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る。

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種の元素を含むことで、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。

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。

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。

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。

（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。

（２．１）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_２Ｏ_３粉末）
・ジルコニア粉末（ＺｒＯ_２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）

（２．２）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。

（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。

（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_２Ｏ_３、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。

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_２Ｏ_３粉末）：平均粒径０．５μｍ
・ジルコニア粉末（ＺｒＯ_２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

（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。

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_２Ｏ_３粉末）：平均粒径０．５μｍ

（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．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）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。

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２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２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２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。

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３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３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３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３要件〕：切削工具にジルコニウムが含まれる。

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。

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

Claims

アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、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）を含み、
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 _２Ｏ _３）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。
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。
隣接するアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）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２に記載のセラミックス焼結体。
請求項１から請求項３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。
請求項１から請求項３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。