JP4342975B2 - サイアロン質工具、切削インサート、及び切削工具 - Google Patents
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Description
a)こうした、被削材と窒化珪素基材の溶着損傷を低減するために、窒化珪素基材に鉄や炭素との反応性が低いチタン化合物やアルミ化合物からなる硬質層を被覆する方法が知られている。
b)さらに、被削材と窒化珪素基材の化学反応を抑制するために、窒化珪素に窒化チタンやアルミナを添加し基材自体の化学反応性を向上させる方法が知られている。
ダクタイル鋳鉄等からなる被削材との溶着反応については、窒化珪素が被削材と高い温度、高い切削圧力で接触する際に、珪素と窒素に分解しやすいことに起因して生じる。この窒化珪素の分解反応を抑制することが、窒化珪素工具の溶着損傷による刃先摩耗を小さくし、工具寿命を延長させるために重要であるが、下記の2つの方法が窒化珪素と被削材の反応を抑制するために考えられる。
アルミナは化学的に安定で、被削材に含まれる主成分である鉄や炭素とも反応しにくい成分である。しかし、アルミナのみからなる工具で上記被削材を切削加工すると、低強度であるがゆえに、工具刃先の欠損により充分な工具寿命が得られない。
・2つめは、第2相としてチタン化合物を添加する方法である(尚、第1相はサイアロンである)。
(1)請求項1の発明は、β-Sialon(サイアロン)及びα-SialonからなるSialon相又はβ-SialonからなるSialon相を主相とし、焼結助剤を添加したサイアロン焼結体からなり、ダクタイル鋳鉄加工において500m/minを超える切削速度にて用いられるダクタイル鋳鉄加工用のサイアロン質工具であって、Tiの炭化物、窒化物、酸化物、炭窒化物、酸窒化物より選ばれる1種以上を6〜30モル%と、Alを酸化物換算で13〜26モル%と、を含有するとともに、前記β-Sialonが表される組成式Si6-ZAlZOZN8-ZにおけるZ値が0.5〜1.0で、前記Sialon相中のα-Sialon割合を表すα率が30%以下であり、且つ、前記サイアロン焼結体の切断面において、サイアロン焼結体全体を100面積%とした場合に、サイアロン焼結体の粒界ガラス相及び粒界結晶相が、10〜25面積%であり、更に、前記サイアロン焼結体の切断面において、サイアロン焼結体中におけるβ-Sialon及びα-Sialon粒子の平均長軸長が1.2〜2.2μm、前記β-Sialon及びα-Sialon粒子の平均短軸径が0.2〜1.0μmであることを特徴とするダクタイル鋳鉄加工用のサイアロン質工具を要旨とする。
また、サイアロンには、組成式Si6-ZAlZOZN8-Z(0<Z≦4.2)で示されるβ-Sialonと、組成式Mx(Si,Al)12(O,N)16(0<X≦2、MはMg,Ca,Sc,Y,Dy,Er,Yb,Lu等の侵入型で固溶する元素を示す)で示されるα-Sialonがある。β-Sialonは窒化珪素同様に針状粒子が複雑に絡み合った組織となるため、高靭性があり、α-Sialonは等軸状の粒子形状であるため、低靭性ではあるが、β-Sialonと比較して硬度が高い特徴を有する。
本発明者の研究によれば、サイアロン粒子はβ-Sialonである方が高靭性であることにより、良好な切削性能が得られたが、一部がα-Sialonであっても、X線回折図におけるβ-Sialonの(101)面ピーク強度をβ1、(210)面ピーク強度をβ2、α-Sialonの(102)面ピーク強度をα1、(210)面ピーク強度をα2とした時に、(α1+α2)/(β1+β2+α1+α2)で算出される、“α率”が30%までは、切削性能の低下は認められなかったので、α率を30%以下の数値に規定した。
つまり、本発明では、上述した様に、α率が30%以下であるので、十分な切削性能(耐摩耗性及び耐欠損性)を有しており好適である。
更に、粒界相は、焼結助剤が焼結時に液相化して、サイアロン粒子の生成、サイアロン粒子の再配列、粒成長に寄与した後、冷却時に固化して、焼結助剤、窒化珪素及び窒化珪素に不純物として含まれるシリカ成分からなる、ガラスあるいは結晶相として生成するものである。この粒界相は、サイアロン粒子と比較すると、低融点かつ低靭性であるため、サイアロン基材自体の耐熱性、靭性を改善するためには、適切な量に制御する必要がある。
ただし、粒界ガラス相量及び粒界結晶相量は、例えば焼結助剤量の低減により、減少させることができるが、減少させすぎると焼結時の液相量が不足し、焼結性の低下および粒界相部分に微小な空孔を生じさせ、サイアロン基材の強度を低下させる原因となる。逆に粒界相量を増加させすぎると、前述のように、粒界ガラス相及び粒界結晶相はサイアロン粒子と比較して、融点及び靭性が劣る成分であるため、サイアロン基材自体の耐熱性、靭性が低下してしまうこととなる。
従って、本発明では、粒界相ガラス相及び粒界結晶相量を、焼結体の切断面において、
全体を100面積%とした場合に、10〜25面積%に限定した。つまり、本発明の範囲であれば、サイアロン基材の強度、耐熱性、靭性を高く維持することができる。
しかも、本発明は、サイアロン焼結体の切断面において、サイアロン焼結体中におけるβ-Sialon及びα-Sialon粒子の平均長軸長が1.2〜2.2μm、β-Sialon及びα-Sialon粒子の平均短軸径が0.2〜1.0μmである。
セラミック材料に関して、粒子径は、一般に微細・均一である方が、組織中に発生する強度低下の原因となりうる欠陥寸法も小とすることができ、強度を向上させる結果となる。しかし、組織を微細にしすぎると、基材に発生したクラックの進展を湾曲させる、いわゆるディフレクション効果が得られず、破壊靭性値が低下し、短寿命となる。
従って、全体の平均粒径は小さくしながらも、窒化珪素粒子の平均長軸長、平均短軸径を適当な値に制御することが、強度および破壊靭性値を維持するために重要である。
それゆえ、サイアロン焼結体中におけるβ-Sialon及びα-Sialon粒子の長軸長および短軸径を、焼結助剤種類・量等を調整して、制御することが重要である。具体的には、平均長軸長が、焼結体の切断面において1.2〜2.2μm、平均短軸径が0.2〜1.0μmであると、靭性及び強度に優れたサイアロン基材を得ることができるため、この値に限定する。
なお、本発明において平均長軸長および平均短軸径の測定方法は以下の通りである。
まず、走査型電子顕微鏡(SEM)により、チップ(例えば実施例の切削インサート)のすくい面の刃先部分の組織写真を撮影する。次に、この写真を画像解析して、図1に示す様に、一つの粒子(1)の中で最も幅が大きい部分をその粒子の長軸長(X)とし、500〜1000ヶの粒子の長軸長の平均を平均長軸長とする。一方、長軸に対して垂直方向で最も幅が小さい部分を、その粒子の短軸径(Y)とし、短軸径の平均を平均短軸径とする。
(2)請求項2の発明は、前記焼結助剤として、Sc、Ce、Dy、Er、Luより選ばれる1種類以上を、酸化物換算で3〜8モル%添加したことを特徴とする前記請求項1に記載のサイアロン質工具を要旨とする。
本発明は、前記サイアロン焼結体からなるダクタイル鋳鉄加工用のサイアロン質工具である切削インサートを例示している。
この切削インサートは、耐摩耗性及び耐欠損性に優れているので、長寿命を有しており、この切削インサートを用いて切削加工を行うことにより、好適な加工を実施することができる。例えば同じ切削インサートを用いて、長期間にわたり、高い精度で切削加工を行うことができる。
(4)請求項4の発明は、前記請求項3に記載の切削インサートをホルダに備えたことを特徴とする切削工具を要旨とする。
平均粒径1.0μm以下のα−Si3N4粉末及び焼結助剤として、平均粒径1.0μm以下のCeO2粉末、Dy2O3粉末、Er2O3粉末、Lu2O3粉末、Sc2O3粉末、Al2O3粉末、AlN粉末、TiC粉末、TiN粉末、TiCN粉末、TiO2粉末を、下記表1に示す配合割合で秤量した。
このスラリーを325メッシュのふるいに通し、エタノールを溶解したマイクロワックス系の有機バインダを5.0重量%添加しスプレードライした。
上述した製造方法によって得られた実施例および比較例の切削インサート2を、周知のX線回折の手法により分析して、β-Sialon及びα-SialonからなるSialon相を主相するサイアロン焼結体であることを確認した。
前記図4及び図5に示す様に、フライスカッター4は、略円柱状のカッターボディ本体(ホルダ)5を有し、その先端側(加工面側:図4の手前側)の外周に沿って、6箇所に凹状の切削部6が設けられたものである。
それらの結果を、前記表1に示す。尚、表1の可能被削材枚数の欄の欠損では、欠損時の枚数も記載した。
<加工条件>
被削材:JIS FCD450(ダクタイル鋳鉄)
寸法(縦130mm×横700mm×厚み30mm)
切削速度:1000m/min
送り速度:0.15mm/刃
切り込み深さ:2.0mm
切削油:乾式
使用カッター:φ100、1枚刃にて加工
尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
2…切削インサート
4…フライスカッター
X…結晶粒の長軸長
Y…結晶粒の短軸径
Claims (4)
- β-Sialon及びα-SialonからなるSialon相又はβ-SialonからなるSialon相を主相とし、焼結助剤を添加したサイアロン焼結体からなり、ダクタイル鋳鉄加工において500m/minを超える切削速度にて用いられるダクタイル鋳鉄加工用のサイアロン質工具であって、
Tiの炭化物、窒化物、酸化物、炭窒化物、酸窒化物より選ばれる1種以上を6〜30モル%と、Alを酸化物換算で13〜26モル%と、を含有するとともに、
前記β-Sialonが表される組成式Si6-ZAlZOZN8-ZにおけるZ値が0.5〜1.0で、前記Sialon相中のα-Sialon割合を表すα率が30%以下であり、
且つ、前記サイアロン焼結体の切断面において、サイアロン焼結体全体を100面積%とした場合に、サイアロン焼結体の粒界ガラス相及び粒界結晶相が、10〜25面積%であり、
更に、前記サイアロン焼結体の切断面において、サイアロン焼結体中におけるβ-Sialon及びα-Sialon粒子の平均長軸長が1.2〜2.2μm、前記β-Sialon及びα-Sialon粒子の平均短軸径が0.2〜1.0μmであることを特徴とするダクタイル鋳鉄加工用のサイアロン質工具。 - 前記焼結助剤として、Sc、Ce、Dy、Er、Luより選ばれる1種類以上を、酸化物換算で3〜8モル%添加したことを特徴とする前記請求項1に記載のダクタイル鋳鉄加工用のサイアロン質工具。
- 前記請求項1又は2に記載のダクタイル鋳鉄加工用のサイアロン質工具は、切削インサートであることを特徴とする切削インサート。
- 前記請求項3に記載の切削インサートをホルダに備えたことを特徴とする切削工具。
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