JPS589784B2

JPS589784B2 - ジルコニア質切削工具材

Info

Publication number: JPS589784B2
Application number: JP54045567A
Authority: JP
Inventors: 弘義高木; 夏雄梅田; 利夫河波; 憲一西岡
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1979-04-13
Filing date: 1979-04-13
Publication date: 1983-02-22
Also published as: JPS55140762A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、ジルコニアにイットリウム、カルシウム及び
マグネシウムの酸化物の一種又は二種以上をドープした
ジルコニア固溶体の焼結体からなる金属用切削工具材に
関する。

従来、高速度切削用工具材料としてセラミックスが注目
されており、すでにＡｌ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３−Ｔｉｃ、
Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＮ、サーメット等を用いた工具が開発
されている。

しかしながら、これ等の工具は、鋳鉄、鋼等に対しては
優れた切削性を示しはするものの、材質的に靭性に乏し
い為欠けやすいという難点がある。

又、被切削金属との親和力が大きい為、アルミニウム合
金、銅合金等の切削は困難であった。

本発明者は、高速度切削用工具材料に関する研究を進め
た結果、ジルコニア焼結体に着目した。

周知の如く、１００％ジルコニアの焼結体は、約１００
０℃以下では単斜晶系構造を有するが、１２００℃付近
で大きな体積変化を伴って正方晶系相に可逆的に転移し
て崩壊する。

従って、アルカリ土類金属の酸化物、希土類酸化物等を
加えて転移を抑制した等軸晶系相のジルコニア固溶体が
一部の分野で使用されているが、これ等の焼結体も強度
が低く且つ靭性にも欠ける為、切削工具材としては利用
されるにはいたっていない。

又、ジルコニア−アルミナの二成分系配合物を溶融後急
速に過冷却を行なってアルミナと単斜晶系及び正方晶系
相ジルコニアの共晶体とした砥粒が開発され、研削用砥
石として利用されているが、この砥粒も使用温度が８０
０℃以上に達すると、この高温度からの冷却中に正方晶
系相が単斜晶系相に転移する為、大きなクラツクが生じ
て崩壊する、Ａｌ２Ｏ３とＺｒＯ２の共晶体である為、
その境界の強度が低い等の欠点がある。

従って、このジルコニア−アルミナ系材料を切削工具に
加工することは困難であり、高速度切削加工時には１０
００℃附近にも達する金属切削工具に使用することは出
来ない。

しかるに、本発明者の研究によれば、イットリウム、カ
ルシウム及びマグネシウムの酸化物の少なくとも１種を
含有するジルコニア固溶体の焼結体であって、単斜晶系
、正方晶系及び等軸晶系の三結晶相を有し、且つ正方晶
系と等軸晶系の二相の合量が特定の範囲内にあるジルコ
ニア系材料を使用する場合には、アルミニウム合金等の
いわゆる難削性金属についても高速度切削性を発揮し、
工具寿命の延長及び平滑な仕上げ面を可能とする切削工
具が得られることが見出された。

即ち、本発明は、イットリウム、カルシウム及びマグネ
シウムの酸化物の一種又は二種以上を含有するジルコニ
ア固溶体の焼結体からなり、該焼結体の結晶は単斜晶系
、正方晶系及び等軸晶系の三和を含み、且つ正方晶系と
等軸晶系の二相の含量が６０〜９５重量％であることを
特徴とするジルコニア質切削工具材を提供するものであ
る。

本発明切削工具材は、被切削金属との接触により瞬時に
１０００℃以上の高温になり、大きな熱応力及び機械的
応力下におかれ、更に被切削金属との間に化学的反応さ
えも生ずる苛酷な切削条件下にも、優れた切削性能及び
耐久性を発揮し得るものである。

又、その曲げ強度は、少なくとも５０ｋｇ／ｍｍ２であ
り、製造条件によっては１００ｋｇ／ｍｍ２を上回る超
高強度を達成することも可能である。

本発明材料におけるイットリア含量はジルコニアに対し
通常１．０〜６．０モル％であり、より好ましくは１．
５〜５．０モル％である。

又、カルシア含量はジルコニアに対し通常２．０〜８．
０モル％であり、より好ましくは２．５〜６．０モル％
である。

更に、マグネシア含量はジルコニアに対し通常３．０〜
１０．０モル％、より好ましくは４．０〜９．０モル％
である。

これらの二種以上を混合使用する場合には、夫々の混合
比率において上記含量範囲内とすればよい。

例えばイットリアとカルシアとを等量使用する場合には
、イットリア使用量は（１．０〜６．０×１／２）＝０
．５〜３．０モル％、カルシア使用量は（２．０〜８．
０×１／２）＝１．０〜４．０モル％とすれば良い。

これらの含量が上記の下限量を下回ると、単斜晶系相が
増加して、高温下での正方晶系相への転移とこれに伴う
体積変化による崩壊を生ずる傾向がある。

一方、これらの含量が上記上限量を上回ると曲げ強度が
低下する傾向が顕著となる。

正方晶系相と等軸晶系相の二相の合量が６０重量％未満
では耐熱衝撃性が低く、９５重量％を上回ると正方晶系
相の含有率が相対的に低くなって耐久性が劣化する。

本発明のジルコニア質切削工具材は、例えば次の様にし
て製造される。

先ずジルコニアに対し前記の範囲内で所定量のイットリ
ア、カルシア、マグネシアの一種又は二種以上を加え、
均一に混合して１μｍ以下の微細な一次粒子からなる粉
体を調製する。

次いで、該粉体を０．５ｔｏｎ／ｃｍ２以上の加圧下
に所定形状に成形し、１３００〜１８００℃程度で常圧
若しくは加圧下に焼成し、理論密度近くまで焼き締める
。

かくして、焼結体中に室温においても単斜晶系相に転移
しない正方晶系相を残留させる。

焼成雰囲気は特に限定されないが、大気中での焼成が経
済的に最も有利である。

成形圧力が高い程有利なことは言うまでもないことであ
り、又焼成温度は１３５０〜１６５０℃程度がより好ま
しい。

焼成温度が１３００〜１８００℃の範囲外となると、焼
結体の強度が低下する。

ジルコニア固溶体焼結体内に正方晶系相を残留させた本
発明材料に於ては、外部からの熱応力及び機械的応力に
よりクラツクを発生させるエネルギー或いは微細なクラ
ツクを更に進行させるエネルギーを内部に残留する正方
晶系相が吸収することにより、これ等応力に対する高い
耐久性を発揮するものと推考される。

従って、本発明材料は極めて過酷な金属切削条件下に於
ても優れた耐熱性、耐熱衝撃性、高強度、高硬度を発揮
し、更に金属との親和力も少なく化学的に安定である為
、アルミニウム合金、銅合金等の難削材に対する切削性
にも極めて優れている。

尚、本発明の正方晶系相含有ジルコニア固溶体の焼結体
は、優れた耐熱性、耐熱衝撃性、高強度、高硬度等の特
性を備えているので、切削工具材としてのみならず、各
種の耐摩耗材料、高強度材料等としても有用である。

実施例１純度９９．９％のオキシ塩化ジルコニウムの１モル％溶
液にＺｒＯ２に対してＹ２Ｏ３が３．５モル％となる様
に純度９９．９％の塩化イットリウムを加え、均一に混
合した後、共沈により混合水酸化物を得、これを脱水乾
燥し、８００℃で仮焼して粒径平均約１５０穴の一次粒
子粉体を得る。

該粉体を２ｔｏｎ／ｃｍ２で加圧成形し、開放雰囲気電
気炉内で１４８０℃で２時間焼成した後、室温まで徐冷
する。

この焼成体は、単斜晶系相、正方晶系相及び等軸晶系相
の三相を含み、正方晶系相と等軸晶系相との合量が９０
重量％、硬度ＨＲＡ９２．６、曲げ強度９２ｋｇ／ｍｍ
２であった。

得られた焼結体を１３ｍｍ角、厚さ５．０ｍｍ、ノーズ
半径０．５ｍｍとなる様に研削及び研摩する。

この試料を旋盤に取り付け、切削速度５００ｍ／ｍｉｎ
、切り込み１．０ｍｍ、送り０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．の
条件で、１３％Ｓｉ含有アルミニウム合金を旋削した。

延べ１０分３３秒後の該試料切削工具の逃げ面摩耗は０
．２４ｍｍであった。

又、旋削面の平滑面は、ダイヤモンド工具を使用した場
合とほぼ同様であった。

尚、ジルコニア固溶体焼結体中の結晶相の測定は、以下
の手順で行なった。

（ｉ）焼結体試料の表面をダイヤモンド砥石＃１００で
研削した平板状表面にＸ線を照射し、その回折線プロフ
ィルにより、各結晶構造を確認する単斜晶は、正方晶及
び等軸晶とは回折線の格子面間隔が大きく異なるので、
その回折Ｘ線強度比（面積比）から定量を行なうことが
出来る（ｉｉ）正方晶と等軸晶とは格子面間隔の値が近
似しており、その分離と定量を直接且つ正確に行なうこ
とは出来ない。

従って、等軸晶（ｃ）の回折Ｘ線像：ｃ＜１１１＞、ｃ
＜２００＞、ｃ＜２０２＞、ｃ＜３１１＞、ｃ＜２２２
＞及びｃ＜４００＞と、正方晶（ｔ）の回析Ｘ線像：ｔ
＜１１１＞、ｔ＜００２＞、ｔ＜２００＞、ｔ＜２０２
＞、ｔ＜２２０＞、ｔ＜１１３＞、ｔ＜３１１＞、ｔ＜
１１３＞、ｔ＜３１１＞、ｔ＜２２２＞、ｔ＜００４＞
及びｔ＜４００＞とを対比し、試料中に正方晶が存在し
ているか否かを確認する。

（ｉｉｉ）上記（ｉｉ）により正方晶の存在が確認され
た試料については等軸晶と正方晶の混合＜１１１＞（両
者は区別出来ない）を、正方晶の存在しない試料につい
ては等軸晶＜１１１＞をとり、単斜晶＜１１１＞及び単
斜晶＜１１１＞との強度（■）の比から下式に従って正
方晶＋等軸晶の値を求めた。

又、曲げ強度は、長さ２５ｍｍ、３ｍｍ角の試験片の表
面を長さ方向に平滑に研摩し、スパン距離２０ｍｍの三
点曲げ試験により求めた。

実施例２ＺｒＯ２に対してＹ２Ｏ３が２．３モル％となる様にオ
キシ塩化ジルコニウム溶液と塩化イットリウム溶液とを
混合し、共沈により得られた混合水酸化物を脱水乾燥し
、９００℃で仮焼して粒径約２３０λの一次粒子粉体を
得る。

該粉体を２ｔｏｎ／ｃｍ２で加圧成形し、開放雰囲気電
気炉内で１５００℃で２時間焼成する。

焼結体中の正方晶系相と等軸晶系相との含量は、８５重
量％で硬度ＨＲＡ９２．５曲げ強度１１０ｋｇ／ｍｍ２
であった。

得られた焼結体を実施例１と同様にして切削工具材とし
て使用したところ、延べ１２分６秒後の該試料切削工具
の逃げ面摩耗は０．２２ｍｍで、実施例１と同等以上の
優れた効果が得られた。

実施例３１モル％のオキシ塩化ジルコニウム（純度９９９％）溶
液に炭酸カルシウム（試薬特級）を加え、十分に攪拌し
溶解させたのち、アンモニア水を滴下し、ＺｒＯ２に対
して４モル％のカルシウムを吸着させたジルコニウム水
酸化物を得、これを脱水乾燥し、９００℃で仮焼して平
均粒径約２８０Åの一次粒子粉体を得る。

この粉体の二次粒子を０．３μ以下の平均粒径に分散さ
せた後、２．５ｔｏｎ／ｃｍ２で加圧成形し、開放雰囲
気電気炉内で１５００℃で２時間焼成した後室温まで徐
冷した。

この焼成体は単斜晶系相、正方晶系相及び等軸晶系相の
三相を含み、正方晶系と等軸晶系の二相の含量は７８重
量％、硬度ＨＲＡ９１．７、曲げ強度７０ｋｇ／ｍｍ２
であった。

この焼結体を実施例１と同条件で旋削に使用した。

延べ４分２１秒後の該試料切削工具の逃げ面摩耗は０．
２３ｍｍであった。

実施例４１モル％のオキシ塩化ジルコニウム（純度９９．９％）
溶液に塩化マグネシウム（試薬特級）を加え、十分に攪
拌したのち、アンモニア水で共沈させ、ＺｒＯ２に対し
て５モル％のマグネシウムを含む混合水酸化物を得、こ
れを脱水乾燥し、９５０℃で仮焼して、平均粒径約３２
０Åの一次粒子をもった粉体を得る。

この粉体を０．３μ以下の二次粒子平均粒径に分散させ
た後、２．５ｔｏｎ／ｃｍ２で加圧成形し、電気炉内で
１５３０℃で２時間焼成した後室温まで徐冷した。

この焼成体は単斜晶系相、正方晶系相及び等軸晶系相の
三和を含み、正方晶系と等軸晶系の二相の合量は７０重
量％、硬度ＨＲＡ９２．３、曲げ強度８５ｋｇ／ｍｍ２
であった。

この焼結体を実施例１と同条件で旋削に使用した。

延べ６分２７秒後の該試料切削工具の逃げ面摩耗は０．
２４ｍｍであった。

比較例１〜６（ｉ）比較例１：実施例４においてＺｒＯ２に対する安
定化剤としてのマグネシウムの量を８．５モル％とし、
仮焼温度１４００℃、平均一次粒子径約２μｍの粉体を
２．５μｍ以下の平均二次粒子径に分散させる以外は、
実施例４と同様にして焼結体を得た。

正方晶＋等軸晶の量、曲げ強度硬度等は、比較例２〜６
の結果とともに第１表に示す通りである。

（ｉｉ）比較例：実施例２においてＺｒＯ２に対するＹ
２Ｏ３の量を２．０モル％とし、仮焼温度１２００℃で
粒径１．５μｍの一次粒子粉体とする以外は実施例２と
同様にして焼結体を得た。

（ｉｉｉ）比較例３：実施例２においてＺｒＯ２に対す
るＹ２Ｏ３の量を４．８モル％とし、焼成温度を１８５
０℃とする以外は、実施例２と同様にして焼結体を得た
。

（ｉｖ）比較例４：実施例３においてＺｒＯ２に対する
ＣａＯの量を９モル％とする以外は、実施例３と同様に
して焼結体を得た。

（ｖ）比較例５：実施例３においてＺｒＯ２に対しＣａ
Ｏ２．０モル％及びＹ２Ｏ３．０モル％を含有させ、
焼成温度を１６５０℃とする以外は、実施例３と同様に
して焼結体を得た。

（ｖｉ）比較例６：実施例４においてＺｒＯ２に対する
マグネシウムの量を１５モル％とする以外は、実施例４
と同様にして焼結体を得た。

第１表に示す結果から、正方晶系相と等軸晶系相の合量
が６０重量％未満の場合（比較例１及び２）には、曲げ
強度が極めて低く到底実用に供し得ないことが明らかで
ある。

正方晶系相と等軸晶系相の合量が６０重量％と９５重量
％の範囲内にある場合にも、正方晶が存在しなければ（
比較例３）、やはり曲げ強度が低い。

又、正方晶系相と等軸晶系相との含量が９５重量％を上
回ると、正方晶系相が存在しない場合には曲げ強度が著
るしく低くなったり（比較例６）、正方晶系相が存在し
ていても硬度（ＨＲＡ）が９０に達しなかったりする（
比較例４）。

正方晶系相と等軸晶系相との合量が９８％の比較例５に
ついては、正方晶系相の存在も認められ且つ曲げ強度及
び硬度（ＨＲＡ）も一応実用範囲に達しているものと思
われたので、実施例１と同様の方法で切削工具に仕上げ
た後、実施例１と同様にして１３％Ｓｉ含有アルミニウ
ム合金の旋削に使用した。

しかるに、１０秒後には欠損を生じ、やはり実用に供し
得ないことが判明した。

Claims

【特許請求の範囲】

１イットリウム、カルシウム及びマグネシウムの酸化
物の一種又は二種以上を含有するジルコニア固溶体の焼
結体からなり、該焼結体の結晶は単斜晶系、正方晶系及
び等軸晶系の三相を含み、且つ正方晶系と等軸晶系の二
相の合量が６０〜９５重量％であることを特徴とするジ
ルコニア質切削工具材。