JPH0135041B2 - - Google Patents

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JPH0135041B2
JPH0135041B2 JP55087793A JP8779380A JPH0135041B2 JP H0135041 B2 JPH0135041 B2 JP H0135041B2 JP 55087793 A JP55087793 A JP 55087793A JP 8779380 A JP8779380 A JP 8779380A JP H0135041 B2 JPH0135041 B2 JP H0135041B2
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JP
Japan
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weight
sintered body
powder
group
combination
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JP55087793A
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English (en)
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JPS5717466A (en
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Hiroshi Tsukada
Masaya Myake
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Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、切削用工具として優れた性能をもつ
Si3N4基切削合金に関するものである。
従来、Si3N4基セラミツクスは耐熱衝撃性、高
温強度においてすぐれていることから、高温ガス
ダービンエンジン、熱交換器など高強度産業用セ
ラミツクスとして期待され、本格的普及を目指し
て熱および機械的衝撃性をより改善し、低コスト
の量産技術の開発等、種々の研究がなされてい
る。
一方、Si3N4SiC基セラミツクスの特性は切削
用工具としても当然期待されてよいが、鋼切削で
はSiとFeが反応する等の理由から、工具刃先が
異常摩耗したり、欠けたりする問題があり、切削
工具としては不適当とされていた。
本明者等はSi3N4基セラミツクスを切削工具と
して用いるべく研究を重ねた結果、Si3N4焼結体
の上にセラミツクをコーテイングすることによつ
て異常摩耗を防止しうることを見出したが、切削
工具として本格的に使用する場合には、接着性の
良いコーテイング膜の開発、並びに靭性の高い
Si3N4焼結体が必要となり、また各種刃先形状を
有する工具を安価に作るには、通常の粉末治金的
製法、すなわち粉末を金型中で成型した後、無加
圧下で焼結する製法で焼結体が得られることが望
ましい。
従来、Si3N4の焼結体を得る方法としては、
MgO、Al2O、Y2O3等の酸化物を加えホツトプレ
ス等で加圧しながら焼結する方法、あるいはSiを
加えて窒素中で加熱して窒化反応を利用する反応
焼結法が一般的であつたが、これらの方法で得た
Si3N4焼結体は靭性が乏しく、また焼結が困難で
量産に向いていない。そして上記酸化物を加える
方法では、Si3N4がSiO2との固溶体の生成により
Si3N4粉末を結合させるが、この結合材が多くな
ると高温強度が低下するのでこの量を少なくして
高温特性を向上することが試みられている。
切削工具として使用する場合、刃先温度は1000
℃〜2000℃であるので、この範囲で高温強度が保
持されればよいが、本発明者等はSi3N4焼結体を
切削用合金として用いる場合に最も適した結合材
を種々検討した結果、熱伝導率のよいa、
a、a族の炭化物、窒化物、炭窒化物が従来の
酸化物系よりも高温強度において優れており、上
記刃先温度における高温強度が保持されることを
見出した。また該a、a、a族の金属の1
種またはそれ以上の炭化物、窒化物、炭窒化物と
同時に、Fe、Co、Niからなる鉄族金属を焼結体
全体の5重量%までとなるよう、好ましくは
0.005〜5重量%の範囲となるように添加すると、
Fe族金属が炭化物、炭窒化物等とが反応して液
相を生成し、この液相がSi3N4粉末をよく結合し
てSi3N4の焼結を促進することを見出した。
5重量%を超えると高温強度が低下し、0.005
重量%より少ないと効果がかなり低下する。
上記a、a、a族化合物としてはW、
Mo、Ti、Ta、Nb、Hf、Zr、VまたはCrの炭化
物、窒化物、炭窒化物が挙げられ、これらは1種
またはそれ以上組合わせて用いることができ、こ
れらの量は焼結体全体に対し1〜30重量%が好ま
しく、1重量%以下では焼結しないし、30重量%
以上ではSi3N4焼結体としての効果が期待ができ
ない。
また本発明において、焼結体に対し5重量%以
下のMgOを添加することによつて密度の高い焼
結体を得ることができる。5重量%を超えると高
温強度が低下する。勿論、MgOは添加しないで
もよい。
このようにして得られたSi3N4基セラミツクス
を切削用工具として用いる場合、特に鋼切削の場
合には、その表面にTiC、AI2O3等のセラミツク
スを1層もしくはそれ以上の層を0.01〜10μの厚
さの範囲で被覆することにより、更に良い切削性
能を示す。
本発明の実施に当つてSi3N4粉末は5μ以下のα
型、β型あるいはアモルフアスのSi3N4粉末が用
いられる。結合材としては、WC、TiC、TaC、
NbC等の炭化物、MoCN、TiCN、TaCN等の炭
窒化物、TiN、TaN、NbN、HfN等の窒化物、
あるいは(W、Ti)C、(Mo、W)C、(Ti、
Mo)CM等の固溶体からなる10μ以下の硬質金属
粉末が、またFe族金属粉末としてはFe,Co、Ni
の5μ以下の粉末が選ばれる。
これらの粉末を有機溶媒中で湿式混合すること
によりSi3N4粉末中に硬質金属粉末、Fe族粉末が
十分、分散するようにすることによつて十分な密
度をもつ焼結体を得ることができる。
硬質金属粉末、またはFe族金属粉末をSi3N4
末中に均一混合する方法として、所定の組成を有
する硬質合金製のボールを用いて十分混合しなが
ら、粉末の磨砕と同時にボールから該硬質合金成
分を混入させる方法もよい。なお、混合容器壁の
成分も混入し、例えばステンレス製の混合容器も
用いた場合には、Feの他にCr、Ni等が若干混入
し、これらの成分も焼結性に好ましい影響を与え
る。
焼結にあたり、望ましい焼結温度範囲は1650〜
1800℃である。1650℃以下では焼結が十分進行せ
ず、1800℃以上までは窒化硅素の昇華、熱分解が
著しくなる。
実施例 1 0.5μのα型Si3N4粉末に1μのWC粉末7重量%、
Co粉末0.5重量%を混合し、アルコール溶媒中で
10時間、ボールミル混合した。
該混合粉末を1トン/cm2で型押し、1800℃で1
時間、窒素中で焼結した。本発明のSi3N4焼結体
はビツカース硬度Hv=1700、抗折力100Kg/mm2
あつた。該焼結体上に2μmのTiC層を被覆した
後、2μmのAl2O3層を被覆した。この切削用チツ
プを用いて炭素鋼(HB 20.0)を切削速度200
m/分、切り分み1.5mm、送り0.3mm/回転で切削
したところ、従来のWC−Co基合金にTiC/
Al2O3を被覆した切削チツプよりも長寿命の結果
を示した。
実施例 2 1μのβ−Si3N4粉末に5重量%のMgOを加えて
アセント溶媒中で超硬ボールを用いたアトライタ
ーによる湿式混合を5時間行つた。得られた粉末
に含まれるWC、Co量を測定したところ、WCが
5重量%、Coが0.5重量%含まれていた。
該混合粉末は型押後、1800℃で減圧下500Torr
中で2時間の焼結を行つた。
なお、Si3N4の分解を防止するためバツキング
材としてSi3N4粉末50に対してWC粉末を50の量
混合した粉末中に型押体を埋めて焼結した。
得られた合金は寸法精度がよく焼結され、チツ
プ形状SNG432の型の公差が入つていた。
本合金は比重3.25、硬度Hv=1800、抗折力=
105Kg/mm2であつた。本切削チツプを用いて鋳物
(FC−25)を切削速度400m/分にて断続切削を
行つた。比較チツプとしてAI2O3−TiC系セラミ
ツクスを用いて破損するまで切削を行つた。
AI2O3−TiC系セラミツクスは15分間で欠損した
が、本発明のSi3N4焼結体は30分切削しても破損
しなかつた。
なお、本発明品に公知の化学蒸着法によつて、
Al2O3を2μ被覆したものは、45分間切削可能であ
つた。
実施例 3 1μのSi3N4粉末に20重量%のTiC粉末、10重量
%のTiN粉末を加え、アルコール溶媒中、超硬
ボールを用いたアトライターにて5時間、混合し
た。得られた粉末にはWCが2重量%、Coが0.2
重量%含まれていた。該混合粉末は2トン/cm2
圧力で型押した後、窒素中、1800℃にて焼結し
た。得られた合金は実施例1に示すようにAl2O3
−2μ被覆した後、切削したところ、従来のSi3N4
焼結体よりもすぐれた性能を示した。
実施例 4 1μのβ−Si3N4の粉末90重量%にTiNを7重量
%、MgOを3重量%加え、アセント溶媒中アル
ミナ製のボールミルにてアルミナ製ボールによつ
て96時間混合、粉砕した。この混合粉末を2ト
ン/cm2の圧力にて型押ししたのち、窒素気流中
で、1850℃にて焼結した。得られた合金に、
TiNを5μ、Al2O3を1μ順次化学蒸着法にて被覆し
た。
このチツプにて炭素鋼(S45C、HB=250)を
切削速度300m/分、切り込み1.5mm、送り0.36
mm/回転で切削したところ、従来のSi3N4焼結体
では35秒しか切削出来なかつたのに比べ、本発明
品は10分間切削出来た。
実施例 5 1μのβ−Si3N4の粉末90重量%にZrO2を8重量
%、MgOを1.5重量%、AI2O3を0.5重量%加え、
アセント溶媒中でサーメツト(TiC−TiN−TaC
−Mo2C−WC−Co−Ni焼結合金)製ボールを用
いたボールミルで120時間混合、粉砕した。なお、
得られた粉末に含まれる(Ti、Ta、Mo、W)
(C、N)量およびCo、Ni量を測定したところ、
(Ti、Ta、Mo、W)(C、N)が4.8重量%、Co
が0.3重量%、Niが0.1重量%であつた。この混合
粉末を2トン/cm2の圧力で型押ししたのち、窒素
気流中で、1850℃にて焼結した。得られた試料
に、公知の化学蒸着法にて、TiNを1μ、Al2O3
5μ、TiNを1μ順次被覆した。この試料にてネズ
ミ鋳鉄(FC30、HB=300)を切削速度800m/
分、切り込み2mm、送り0.45mm/回転で切削した
ところ、従来のSi3N4、焼結体では48秒切削して
大破したのに対し、本発明品は15分間切削して、
フランク摩耗が0.38mmとほゞ寿命となつた。
実施例 6 1μのSi3N4の粉末にTiNを5重量%添加して、
アルコール溶媒中で、ナイロン内張りのボールミ
ルにて、Si3N4ボールを用いて、48時間混合し
た。該混合粉末をスプレードライヤーを用いて乾
燥造粒したのち、1トン/cm2の圧力で型押しを行
い、1800℃1時間窒素気流中で焼結を行つた。得
られた焼結体にAl2O3を公知の化学蒸着法にて3μ
被覆を行つた。このチツプにて鋳鉄(FC25)を
切削速度500mm/分、切り込み2mm、送り0.40
mm/回転で切削したところ、従来のWC−Co基合
金にTiC/Al2O3を被覆した切削チツプの3倍の
寿命が得られた。なおTiNの添加を行なわずに
同様の工程で粉末を作製して焼結したものは、緻
密化せず使用に耐えなかつた。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 a、a、a族の金属の1種またはそれ
    以上とC、Nの非金属元素の1種または2種の組
    合さからなる化合物、または該化合物を2種以上
    組合せた硬質相1〜30重量%、および残部が
    Si3N4であるSi3N4焼結体を母材とし、その表面
    にTiC、TiN、Al2O3の薄層を一層もしくはそれ
    以上被覆してなる工具用Si3N4焼結体。 2 a、a、a族の金属の1種またはそれ
    以上とC、Nの非金属元素の1種または2種の組
    合せからなる化合物、または該化合物を2種以上
    組合せた硬質相1〜30重量%、鉄族金属5重量%
    以下(0%は含まない)、および残部がSi3N4
    あるSi3N4焼結体を母材とし、その表面にTiC、
    TiN、Al2O3の薄層を一層もしくはそれ以上被覆
    してなる工具用Si3N4焼結体。 3 a、a、a族の金属の1種またはそれ
    以上とC、Nの非金属元素の1種または2種の組
    合せからなる化合物、または該化合物を2種以上
    組合せた硬質相1〜30重量%、MgO5重量%以下
    (0%は含まない)、および残部がSi3N4である
    Si3N4焼結体を母材とし、その表面にTiC、TiN、
    AI2O3の薄層を一層もしくはそれ以上被覆してな
    る工具用Si3N4焼結体。 4 a、a、a族の金属の1種またはそれ
    以上とC、Nの非金属元素の1種または2種の組
    合せからなる化合物、または該化合物を2種以上
    組合せた硬質相1〜30重量%、鉄族金属5重量%
    以下(0%ま含まない)、MgO5重量%以下(0
    %は含まない)、および残部がSi3N4であるSi3N4
    焼結体を母材とし、その表面にTiC、TiN、
    Al2O3の薄層を一層もしくはそれ以上被覆してな
    る工具用Si3N4焼結体。 5 Si3N4粉末をa、a、a族の金属の1
    種またはそれ以上とC、Nの非金属元素の1種ま
    たは2種とからなる化合物と鉄族金属よりなるボ
    ールを用いて有機溶媒中湿式混合し、該混合粉末
    を型押後、1650℃以上で焼結することを特徴とす
    る、a、a、a族の金属の1種またはそれ
    以上とC、Nの非金属元素の1種または2種の組
    合せからなる化合物、または該化合物を2種以上
    組合せた硬質相1〜30重量%、および残部が
    Si3N4であるSi3N4焼結体を得て、該焼結体を母
    材とし、その表面にTiC、TiN、Al2O3の薄層を
    一層もしくはそれ以上被覆することを特徴とする
    工具用Si3N4焼結体の製造法。
JP8779380A 1980-06-30 1980-06-30 Si3n4 sintered body for tool and manufacture Granted JPS5717466A (en)

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