JPH0116793B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 この発明は、切削工具や耐摩耗工具などとして
用いた場合に著しくすぐれた耐摩耗性を示し、更
に高温強度及び耐熱衝撃性の特に良好なサイアロ
ン基セラミツクスに関するものである。 〔従来技術及びその問題点〕 近年、切削工具用および摩摩耗工具用材料とし
て、窒化けい素（以下、Si₃N₄で示す）基セラミ
ツクスが注目されているが、このセラミツクス
は、Si₃N₄が共有結合性の強い化合物であること
から、焼結性が悪く、したがつて、その製造に際
してはホツトプレス法を用いる場合が多く、この
場合複雑な形状のものを製造することは難しく、
かつ生産性の低いものとなる。 さらに、Si₃N₄よりも焼結性が高く、かつ耐熱
衝撃性および耐酸化性などにもすぐれた、β−
Si₃N₄格子のSiの一部をAlで、Ｎの一部をＯで置
換した化合物、すなわち組成式： Si_6-zAl_zO_zN_8-z（ただしＯ＜Ｚ≦4.3）で表わさ
れるβ−サイアロンを主成分とするサイアロン基
セラミツクスを、切削工具や耐摩耗工具として用
いる試みもなされているが、このサイアロン基セ
ラミツクスは、靭性は高いものの、硬さがロツク
ウエル硬さＡスケール92程度とあまり高くないた
め、所望の耐摩耗性を示さないのが現状である。 〔先行技術〕 そこで、本出願人は、先に、 組成式：Si₆−zAlzOzN₈−ｚ（ただしＯ＜Ｚ≦
4.3）で表わされるβ−サイアロンと、組成式：
Mx（Si、Al）₁₂（Ｏ、Ｎ）₁₆（ただしＯ＜ｘ≦２、
Ｍ：Li、Na、Ca、Mg、Ｙ、希土類元素のうち
の１種または２種以上を示す）で表わされるα−
サイアロンとを主成分とし、このほかに 分散相形成成分としてのTi、Zr、およびHfの
炭化物、窒化物、炭窒化物、および炭窒酸化物の
うちの１種または２種以上：１〜40容量％と、 結合相形成成分としての上記Ｍに含まれる元
素、上記分散相を構成する金属元素、Si、および
Alの酸化物および窒化物のうちの１種または２
種以上：１〜20容量％、 を含有し、上記α−サイアロン／β−サイアロン
の容量比が25／75〜95／５の範囲にあることを特
徴とする耐摩耗性のすぐれたサイアロン基セラミ
ツクス を提案した。 この提案されたサイアロン基セラミツクスにお
いては、 β−サイアロンと共に、α−Si₃N₄格子のSiの
一部をAlで、Ｎの一部をＯで置換し、さらに同
格子間にLi、Na、Ca、Mg、Ｙ、および希土類
元素のうちの１種または２種以上（以下、これら
の元素を総合してＭで示す）が侵入し固溶した構
造をもつ化合物、すなわち組成式： Mx（Si、Al）₁₂（Ｏ、Ｎ））₁₆（ただしＯ＜ｘ≦２）
で表わされるα−サイアロンを共存させるので、
得られたセラミツクスは、硬さが向上するのであ
り、 さらに、α−サイアロンとβ−サイアロンとが
共存するセラミツクスに、分散相形成成分として
Ti等の炭化物、窒化物、炭窒化物、および炭窒
酸化物のうちの１種または２種以上を含有させる
ので、焼結時におけるサイアロンの粒成長が抑制
されるようになると共に、焼結性も向上するよう
になるから、得られたセラミツクスの硬さはさら
に向上し、耐摩耗性も一層改善されるようになる
のである。 〔発明が解決しようとする問題点及び知見事項〕 本発明者らは、上記の先に提案されたサイアロ
ン基セラミツクスについて、その後さらに試験研
究を重ねた所、原料粉末であるTiの炭化物、窒
化物、炭窒化物、および炭窒酸化物のうちの１種
または２種以上（以下、これらの化合物を総合し
てS₁で示す）の粉末の粒度及び配合割合に依り、
得られるセラミツクスの高温強度及び耐熱衝撃性
が大きく左右されることがわかつた。そこで、さ
らに精査した結果、原料粉末であるS₁粉末の粒度
が細かく、その配合割合も多くない場合には、得
られたセラミツクスの高温強度や耐熱衝撃性が特
にすぐれていること、そして、その作用は、得ら
れたセラミツクスの組織の顕微鏡による観察など
から、原料粉末であるS₁粉末の粒度が細かいと、
その結果得られたセラミツクス中の分散相形成成
分としてのS₁の粒度も細かくなり、又、S₁の配合
割合が多くない場合、得られたセラミツクス中の
分散相形成成分としてのS₁の含有量も多くないの
で、サイアロン本来の熱膨張係数が小さいという
特性を活かすことができ、したがつてこれら両者
が相俟つて高温強度と耐熱衝撃性の特にすぐれた
セラミツクスとなること、それ故、製造されたセ
ラミツクス中の分散相形成成分としてのS₁の粒度
が特定の粒度以下であり、しかも、前記のS₁の含
有量が特定の含有量以下の場合に、高温強度と耐
熱衝撃性の特にすぐれたセラミツクスとなること
を見い出した。 〔発明の構成に欠くことができない事項〕 この発明は、上記知見に基いて発明された耐摩
耗性、高温強度及び耐熱衝撃性のすぐれたサイア
ロン基セラミツクスであり、 組成式：Si_6-zAl_zO_zN_8-z（ただしＯ＜Ｚ≦4.3）
で表わされるβ−サイアロンと、組成式：Mx
（Si、Al）₁₂（Ｏ、Ｎ）₁₆（ただしＯ＜Ｘ≦２、Ｍ：
Li、Na、Ca、Mg、Ｙ、希土類元素のうちの１
種または２種以上を示す）で表わされるα−サイ
アロンとを主成分とし、このほかに、 分散相形成成分としての、平均粒径0.05〜0.5μ
ｍの、Tiの炭化物、窒化物、炭窒化物、および
炭窒酸化物のうちの１種または２種以上：１〜20
容量％と、 結合相形成成分としての上記Ｍに含まれる元
素、Ti、Si、およびAlの酸化物並びに酸窒化物
のうちの１種または２種以上：１〜20容量％ を含有し、上記α−サイアロン／β−サイアロン
の容量比が25／75〜95／５の範囲にあることを特
徴とするものである。 〔発明の構成要件と限定理由〕 この発明のサイアロン基セラミツクスの構成に
ついて、以下詳しく説明する。 (i) Siの粒度及び含有量 セラミツクス中のS₁の平均粒径は0.05〜0.5μ
ｍでしかも、含有量は１〜20容量％であること
が必要である。 というのは、サイアロンの熱膨張係数が3.4〜
3.8×10^-6／℃であるのに対し、S₁のそれは８
〜10×10^-6／℃と大きい。このため、S₁の含有
量が多くなればなる程、全体の熱膨張係数が大
きくなつてしまい、熱変化や熱衝撃に対して弱
くなつてしまう。つまり、前記のS₁の含有量が
20容量％を超えると、高温強度の低下が著し
く、さらに熱衝撃を受けたときの強度の低下が
大きくなりすぎ、逆に、１容量％未満では、サ
イアロンに対する粒成長抑制効果が不足しサイ
アロン粒が粗くなり、硬度及び強度の低下を招
くので、その含有量を１〜20容量％と定めた。 セラミツクス中のS₁の平均粒径は実際上
0.05μｍ未満とすることは困難であり、逆に、
平均粒径が0.5μｍを超えると、熱衝撃を受けた
ときの強度の低下が著しくなり、しかも、高温
強度も低下するので、0.05μｍから0.5μｍと定
めた。セラミツクス中のS₁の平均粒径は好まく
は0.3μｍ以下である。 (ii) 結合相形成成分の作用及び含有量 結合相形成成分として、上記Ｍに含まれる元
素、Ti、Si、およびAlの酸化物並びに酸窒化
物のうちの１種または２種以上を含有させる
と、これらの結合相形成成分は、低融点を有
し、したがつて焼結時に液相を形成して焼結を
促進し、かつ焼結後はサイアロンの粒界部にガ
ラス質または結晶質として存在するようになる
ことから、セラミツクスは十分に緻密化し、よ
り高い強度を持つようになる。 この場合、上記結合相形成成分の含有量は、
１〜20容量％とすることが必要で、これは、そ
の含有量が１容量％未満では所望の高密度化を
はかることができず、一方、20容量％を超える
と、セラミツクスの強度が低下するようになる
という理由によるものである。 (iii) α−サイアロン／β−サイアロンの容量比 α−サイアロンとβ−サイアロンの比率
（α／β）は、容量比で25／75〜95／５とする
ことが必要で、これはサイアロン中のα−サイ
アロンの割合が25容量％未満では所望の硬さ向
上効果が得られず、一方、95容量％を越えた割
合になると焼結性が低下するようになるという
理由にもとづくものである。 〔発明の附帯的事項〕 この発明のセラミツクスは、原料粉末として、 Si₃N₄粉末＋Al₂O₃粉未＋AlN粉末、 Si₃N₄粉末＋SiO₂粉末＋AlN粉末、 Si₂ON₂粉末＋AlN粉末、 以上〜のいずれかに組合せたαおよびβ−
サイアロン形成化合物粉末、 α−サイアロンに固溶し、また結合相も形成し
得るＭの酸化物および酸窒化物粉末のうちの１種
または２種以上、 分散相を形成するSiの粉末、 さらに、必要に応じて結合相形成成分として、
Tiの酸化物粉末および酸窒化物粉末のうちの１
種または２種を用意し、 これら原料粉末を、所定組成に配合し、この場
合β−サイアロンの組成式から計算されるものよ
りAlおよびＮが多くなるように配合し、混合し、 ついで、この混合粉末を、1550〜1800℃の範囲
内の温度でホツトプレスするか、あるいは前記混
合粉末より成形した圧粉体を前記温度で焼結する
ことによつて製造する際に、 上記のS₁の粉末として、後の混合工程の条件に
もよるが、平均粒径0.1〜1.1μｍの原料粉末を、
およそ１〜20容量％の配合割合で用いることによ
り、製造することができる。 前記のような平均粒径S₁の粉末（原料粉末）と
しては、次のようなものが挙げられる。 即ち、通常市販されているS₁の粉末をサイアロ
ンボールやアルミナボールを使つたボールミルな
どで粉砕したもの（この場合、ボールからの異成
分の混入がある）、 ブラズマアーク法やCVD法などで作つた超微
粉（例えば、サイアロン形成用原料であるSi₃N₄
と、Tiの窒化物を同一炉で同時にアークを使つ
て作つた超微粉混合物なども）。 また、Tiと他の金属との複合金属窒化物、炭
窒化物、炭窒酸化物粉末を配合原料とし焼結中に
分解させることにより、セラミツク中にTiの窒
化物、炭窒化物、炭窒酸化物の微粉末を生成させ
て、その結果この微粉末を含有させる方法もあ
る。例えば、Ti₂AlNを配合原料として用い、焼
結中にTiNを析出させる方法がある。場合によ
つては、Ti₂Nなどが生成しないよう、オートク
レープによつて、あるいは熱間静水圧加圧焼結法
において、高い窒素圧で焼結を行うことが好まし
い。 〔実施例〕 以下、比較例とともに実施例により、この発明
の構成及び効果を詳しく述べる。 実施例及び比較例 原料粉末として、平均粒径0.8μｍのSi₃N₄粉末、
同0.6μｍのα−Al₂O₃の粉末およびMgOの粉末、
同1.5μｍのAlN粉末、同1.0μｍのY₂O₃粉末および
LiO₂粉末、同0.5μｍのTiC粉末およびTiN粉末、
同1.1μｍのTiCN粉末、同0.4μｍのTiCNO粉末、
同2.5μｍのTi₂AlN粉末、比較用に同3.5μｍの
TiN粉末を用意し、これら原料粉末を第１表に
示される配合組成に配合し、湿式ボールミルにて
72時間混合粉砕した後、乾燥し、1.5t／cm²の圧力
でプレス成型し圧粉体とした後、得られた圧粉体
を常圧の窒素雰囲気中において1700℃で２時間焼
結し、更に1700℃、圧力1500Kg／cm²の窒素中で１
時間熱間静水圧加圧焼結することによつて、本発
明セラミツクス１〜６と比較セラミツクス１〜２
を製造した。 なお、比較セラミツクス１および２は、それぞ
れ分散相形成成分としてのS₁の粒度あるいは成分
含有量（第１表に＊印を付してある）がこの発明
の範囲から外れたものである。 この結果得られた本発明セラミツクス１〜６お
よび比較セラミツクス１〜２について、顕微鏡観
察およびＸ線回折などにより組成を調べると共
に、硬さ（ロツクウエル硬さＡスケール）を測定
し、また、JIS規格３mm×４mm×40mm（スパン間
距離：30mm）の抗折力試験片を切り出し、1000℃
での高温抗折力の測定を行い、それらの結果を第
１表に示した。 さらに、本発明セラミツクス１〜６および比較
セラミツクス１〜２からSNG432に則した切削チ
ツプを切り出し、 被削材：FCD45（ブリネル硬さ：290） 切削速度：300ｍ／分 一刃当りの送り：0.28mm／刃 切込み量：２mm 切削時間：15分 の条件の湿式フライス切削試験を行い、切刃の逃
げ面摩耗幅、チツピング、クラツクなどを測定な
いし観察した。この結果も第１表に示す。 第１表に示される結果から、本発明セラミツク
ス１〜６は、いずれも高い硬さと、約110Kg／cm²

〔発明の効果〕

実施例からもわかるように、この発明のサイア
ロン基セラミツクスは、高い硬度、ひいては高い
耐摩耗性と特にすぐれた高温強度及び耐熱衝撃性
を有しているので、実施例記載のような切削工具
として、又、耐摩耗工具としても用いることがで
きる有用な材料である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 組成式：Si_6-zAl_zO_zN_8-z（ただしＯ＜Ｚ≦
   4.3）で表わされるβ−サイアロンと、組成式：
   M_x（Si、Al）₁₂（Ｏ、Ｎ）₁₆（ただしＯ＜Ｘ≦２、
   Ｍ：Li、Na、Ca、Mg、Ｙ、希土類元素のうち
   の１種または２種以上を示す）で表わされるα−
   サイアロンとを主成分とし、このほかに、 分散相形成成分としての、平均粒径0.05〜0.5μ
   ｍの、Tiの炭化物、窒化物、炭窒化物、および
   炭窒酸化物のうちの１種または２種以上：１〜20
   容量％と、 結合相形成成分としての上記Ｍに含まれる元
   素、Ti、Si、およびAlの酸化物並びに酸窒化物
   のうちの１種または２種以上：１〜20容量％を含
   有し、上記α−サイアロン／β−サイアロンの容
   量比が25／75〜95／５の範囲にあることを特徴と
   する耐摩耗性、高温強度及び耐熱衝撃性のすぐれ
   たサイアロン基セラミツクス。