JPH0338042B2 - - Google Patents

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 実質的にち密な非酸化物セラミツク部材との
   界面における温度条件下で、金属酸化物含有化合
   物を形成するタイプの金属基体と、高温で動きな
   がら面を接している該セラミツク部材の摩耗寿命
   を延長する方法において、面が接している間に該
   セラミツク部材と金属基体との間から酸素を除去
   することを特徴とする方法。 ２ 界面において、これに向けた不活性雰囲気の
   気流を使用して酸素除去を行い、該気流が該界面
   に存在する酸素を少なくとも60％減じる、特許請
   求の範囲第１項に記載の方法。 ３ 不活性雰囲気が比較的純粋な窒素ガス気流で
   ある、特許請求の範囲第２項に記載の方法。 ４ 非酸化物セラミツクを窒化ケイ素、炭化タン
   グステン、炭化チタン、窒化チタン、又はこれら
   の混合物から成る群から選定する、特許請求の範
   囲第１項に記載の方法。 ５ 金属を、鉄を基質とする金属又は合金、アル
   ミニウム、亜鉛、チタン、及び超合金から成る群
   から選定する、特許請求の範囲第４項に記載の方
   法。 ６ 実質的にち密な非酸化物セラミツク切削工具
   で金属を機械加工する方法において、該金属は、
   該金属と工具との界面における温度条件下で、工
   具の切削表面上に金属酸化物含有化合物を形成す
   るタイプであり、下記の工程、 (a) 負荷をかけて、少なくとも120表面メート
   ル／分（400表面フイート／分）の相対速度で、
   且つ工具界面を横切る実質的な数の微小部分で
   少なくとも750℃の温度に達するのに有効な時
   間の間、実質的にち密な非セラミツク切削工具
   を該金属に対して相対的に動かし、且つ (b) 工程(a)を実施している間、該工具と金属との
   間の界面から酸素を除去する、 ことを特徴とする方法。 ７ セラミツク切削工具が炭化又は窒化金属から
   成る、特許請求の範囲第６項に記載の方法。 ８ 界面において、これに向けた不活性雰囲気の
   気流を用いて、酸素の除去を行う、特許請求の範
   囲第６項に記載の方法。 ９ 不活性雰囲気が比較的純粋な窒素ガス気流で
   ある特許請求の範囲第８項に記載の方法。 １０ 切削工具は実質的にSi₃N₄から成る、特許
   請求の範囲第６項に記載の方法。 １１ 切削工具は窒化ケイ素及び酸素担持剤の粉
   末混合物を加熱溶融した生成物であり、該剤のケ
   イ素への添加は窒化の前か後のどちらかである
   が、溶融の前である、特許請求の範囲第１０項に
   記載の方法。 １２ 粉末混合物はAl₂O₃ 0.2重量％から1.0重量
   ％までから成る、特許請求の範囲第１１項に記載
   の方法。 １３ 相対運動を1760〜3660Kg／cm²（25000〜
   52000ポンド／平方インチ）までの範囲の負荷を
   使用して行う、特許請求の範囲第６項に記載の方
   法。 １４ 切削工具の密度は完全な理論値の少なくと
   も98％である、特許請求の範囲第６項に記載の方
   法。 １５ 窒化ケイ素混合物はオキシ窒化物２重量％
   から14重量％まで、及びAl₂O₃ 0.2重量％から1.0
   ％までから成る、特許請求の範囲第１１項に記載
   の方法。 １６ ケイ素にY₂O₃を４％から12％まで添加し
   て混合物を作り、且つ加熱してオキシ窒化物含有
   混合物を作る、特許請求の範囲第１１項に記載の
   方法。 〔産業上の利用分野〕 本発明は非酸化物セラミツク部材の摩耗寿命を
   延長する方法並びに非酸化物セラミツク工具を用
   いて金属を機械加工する方法に関する。 〔従来の技術〕 (a)高速度〔120表面メートル／分（400表面フイ
   ート／分よりも速い）〕、又は厳しい負荷の下で、
   空気中で金属を切断するために、あるいは(b)軸受
   け又はピストン／シリンダーに使用するときの、
   高温の、堅い金属表面をこするために、金属炭化
   物又は金属窒化物のような非酸化物セラミツクを
   使用する場合には、摩耗界面で、高温が生ずる。
   これらの高い界面温度（750℃よりも高い）では、
   空気又は類似の酸化物の存在で、セラミツクは酸
   化物を形成する。酸化物はセラミツクと金属との
   間の溶着の原因になり、且つセラミツクの摩耗寿
   命を実質的に減じる。 面白いことに、そのような酸化物は、非酸化物
   セラミツクに対する場合とは反対に、界面での溶
   着を阻止するので、鉄を基質とする高速度工具鋼
   のような工具材料に対して役に立つものであるこ
   とが注目されている。しかし、非酸化物セラミツ
   クに関しては、酸化物形成は依然として問題であ
   る。油又は他の冷媒で急冷によつて界面温度を下
   げる先行技術による試みでは、急熱急冷に対して
   非常に鋭敏なセラミツク工具に亀裂を生じた。 酸化物又は非酸化物のセラミツク切削工具を用
   いて、じん性合金（ニツケル及びコバルトを基質
   とする超合金、又は加工硬化性ステンレス鋼のよ
   うな）を切削するための切削条件を変更する試み
   が行われた。米国特許第3990332号明細書では、
   工具を酸素気流で囲むか又は浸漬して、熱こう配
   が突然変化する切削線の深さで、切り欠きを減じ
   る酸化物形成を促進した。工具の全摩耗に及ぼす
   酸素の作用について行つた発表はない。 炭化タングステン及び炭化チタンを基質とする
   工具ビツトは過去10年から15年間、鋼及び鉄を機
   械加工するのに使用されており、ありふれたもの
   である。最近になつて、高温圧縮窒化ケイ素で工
   具ビツトが作られ、且つ一定の条件下では、ねず
   み鋳鉄の機械加工用に格別に良好な特性のあるこ
   とが初めて示された（米国特許第4323325号明細
   書参照）。これらのSi₃N₄工具ビツトは寿命が長
   く、又もつと普通の材料で作つた工具ビツトより
   も高速度で使用できることが分かつた。しかしな
   がら、鋳鉄以外の金属、すなわちアルミニウム
   を、スピネル変性Si₃N₄工具ビツトで機械加工す
   る先行技術による試みにおける結果は比較的不十
   分であつた（特開昭49−113803号明細書参照）。
   強さ、硬さ、熱伝導度及び熱衝撃抵抗力について
   みると、広範囲の加工部材に対して使用する場合
   に、Si₃N₄が優れた工具材料であることは、当業
   者なら明らかであろう。このような非酸化物セラ
   ミツクの摩耗問題を理解していなければ、鋼の機
   械加工に関して、ある程度の成功をすることがで
   きるようにするために、他のタイプのセラミツク
   を基質とする物質（酸化アルミニウムのような）
   を使用してきた（米国特許第4286905号明細書参
   照）。 〔発明が解決しようとする課題〕 鋼のような金属を、高温で、非酸化性セラミツ
   クで機械加工、又は面を接触させて切削すること
   のできる切削条件があれば、非常に有益であろう
   し、更に詳細には、Si₃N₄がたとえばねずみ鋳鉄
   に対して示す優れた特性を維持したままで、窒化
   ケイ素を基質とする工具ビツトで金属を機械加工
   することができる切削条件があれば有益であろ
   う。本発明はこの切削条件を求めようとするもの
   である。 本発明は、非酸化物セラミツク部材との界面で
   の支配的な温度条件下で、金属酸化物含有化合物
   を形成するタイプの金属と面を接して高温で移動
   する、実質的にち密な非酸化物セラミツク部材の
   摩耗寿命を延長する方法である。 〔課題を解決する手段〕 方法は面が接している間に、セラミツク部材と
   金属との間から酸素を除去することから成る。 酸素の除去は、界面に対して不活性雰囲気の気
   流を当てることによつて行い、気流は界面に存在
   する酸素を少なくとも60％減じるのが好ましい。
   不活性雰囲気は、比較的純粋な窒素ガス気流から
   成るのが有利である。 更に詳細には、本発明には、実雌的に、ち密
   な、非酸化物セラミツク切削工具を用いて、金属
   を機械加工する方法である。方法は、(a)負荷をか
   けて、１分間当たり、少なくとも120表面メート
   ル（400表面フイート）の相対速度で、工具界面
   を通る実質的な数の微細位置で、少なくとも750
   ℃の温度に達するのに有効な時間の間、実質的
   に、ち密な非酸化物セラミツク切削工具を金属に
   対して相対的に動かし、且つ(b)工程(a)を実施して
   いる間に、該工具と金属との間から酸素を排除す
   ることから成る。 非酸化物セラミツクは窒化ケイ素、炭化タング
   ステン、炭化チタン、窒化チタン、これらの混合
   物、あるいはこれらの群のコーテイングセラミツ
   クから成る群から選定するのが好ましい。金属
   は、鉄を基質とする金属又は合金、アルミニウ
   ム、亜鉛、チタン、及び超合金から成る群から選
   定するのが好ましい。 工具自体は窒化ケイ素と、好ましくは結晶形態
   をしている、ある制限された割合の酸素担持剤と
   の粉末混合物を熱溶融して製造したものであるの
   が有利である。酸素担持剤は溶融する前の窒化す
   る以前又は以後のどちらかに添加する。例えば、
   混合物はAl₂O₃ 0.2％〜1.0％、及びオキシ窒化物
   ２％〜14％（これは直接Si₃N₄粉末に添加しても
   よく、又はケイ素粉末に添加してから、これに窒
   化操作を施してもよい）を含有するのが有利なこ
   とがあり、あるいはケイ素粉末又はSi₃N₄に対し
   て４〜12％の量で酸化イツトリウムを添加含有し
   ていてもよく、次にこれに熱処理を施して、オキ
   シ窒化物を作る。 切削工程についての負荷（金属に対する工具の
   加圧）は約1760〜3660Kg／cm²（約25000〜52000ポ
   ンド／平方インチ）の範囲で行い、且つ工具の密
   度は完全な理論値の少なくとも98％であるのが好
   ましい。 ここで本発明を実施する好ましい方法は次の通
   りである。 Si₃N₄を基質とする切削工具を作り、且つ切断
   又はせん断方式で金属に対して相対的に動かす。
   金属は、金属と刃物の界面での支配的な加熱条件
   下で、Si₃N₄工具の切断表面に金属酸化物含有化
   合物を形成するタイプである。この化合物は高い
   界面温度で液体として生成するのが普通である
   が、この液体は固溶体であつたり、オキシ窒化物
   であつたりケイ酸塩であつたりする。工具は、負
   荷をかけて１分間当たり少なくとも120表面メー
   トル（400表面フイート）の相対速度で、工具温
   度を少なくとも750℃にするのに有効な時間動か
   す。切断操作を行つている間中、工具と金属との
   間の界面から酸素を除去する。 工具製作 Si₃N₄を基質とする工具は米国特許第4323325
   号明細書、及び米国特許出願第4442512号明細書
   に発表の方法で製作することができる。すなわ
   ち、窒化ケイ素の粉末混合物を酸素担持剤（オキ
   シ窒化ケイ素２〜14重量％、酸化アルミニウム
   0.2〜1.0重量％が好ましい）と混合し、且つホツ
   トプレス又は窒素化のどちらかで、完全理論量の
   少なくとも98％、又は3.2〜3.3ｇ／cm³の十分な密
   度の熱溶融生成物を作る。このような方法を変更
   して、未処理のケイ素金属粉末に酸素担持剤
   （Y₂O₃ ４〜12％及びAl₂O₃ 0.2〜1.0％が好まし
   い）を添加し、混合物をコールドプレス後に窒素
   化してオキシ窒化物微結晶を生成させた後に、ホ
   ツトプレス及び（又は）最後の焼結を行つてもよ
   い。 好ましい方法では窒化ケイ素で作つた工具を使
   用するけれども、本発明は、窒化ケイ素、炭化タ
   ングステン、炭化チタン、窒化チタン、これらの
   混合物から成る群から選定するのが好ましい他の
   非酸化物セラミツク、及び立方晶系窒化ホウ素の
   ような、この群のセラミツクに対するコーテイン
   グに適用する。 切断する金属 本発明によつて切断する金属は、工具の切断表
   面に金属酸化物含有化合物を生じるタイプであ
   る。このような金属は、本質的に、鉄を基質とす
   る金属又は合金、アルミニウム、亜鉛、チタン、
   及び超合金から成る群から選定するのが好まし
   い。超合金はニツケル又はコバルトを基質とする
   合金（これらは錬造、鋳造、又は静水圧プレスす
   ることができる）が最良の代表であり、これらは
   高温で高強度が特徴である。それらの組成物は有
   意量の合金形成元素と共に主要量のニツケル又は
   コバルトを含有する。一例はCo28％、Cr25％、
   Fe25％、Ti5％、Mo7％、W6％、タンタル及び
   ニオブ２％、及び他の合金形成成分２％である。 酸素の除去 非酸化物セラミツクは、高温摩耗を受けた場合
   には、酸化物の形成を促進するような、金属に対
   する高温切削工具操作中に形成されることのある
   酸化物の存在によつて邪魔されない。切削工具を
   1760〜3660Kg／cm²（25000〜52000ポンド／平方イ
   ンチ）の圧力で、しかも少なくとも120表面メー
   トル／分（400表面フイート／分）の表面速度で、
   金属に押しつけるので、表面は熱くなり、且つ少
   なくとも750℃の温度に達する。金属は界面で溶
   融し、且つ切断操作を取り巻く雰囲気中の酸素の
   存在、及び鉄の存在のために、酸化鉄のような物
   質を液体で生成することがある。また、金属は摩
   擦の結果として、微小部分でおこる高温のため
   に、界面表面での若干の僅かに高くなつている部
   分で溶融することがある。金属の全体温度は酸化
   物促進温度に到達しないかも知れないが、微小部
   分では到達する。 このように、微小部分は界面に亘つて点在して
   いるので、酸化物はばらばらに生成し、鋳鉄では
   特に、これが起こる。Si₃N₄はねずみ鋳鉄を、た
   とえ有効に機械切断するとしても、酸素排除を行
   えば、微小部分での酸化物形成の可能性があるた
   めに、もつと改良を加えることができる。 酸素又は酸化物を形成する金属の少なくとも一
   方を排除して、このような金属酸化物を形成しな
   いようにすること、従つて摩耗の増進を促進する
   ことは重要である。 切断中に不活性ガス、好ましくは窒素の気流を
   界面に注ぐことによつて、除去を行うのが好まし
   い。気流は、界面に存在する酸素を少なくとも60
   ％、最適条件では100％減じるように注ぐべきで
   ある。 本発明は一般に、セラミツクエンジンを構成す
   る部品中の軸受け、又は構成要素の一部として非
   酸化物セラミツクを伴つているピストン又はシリ
   ンダーエンジンに適用することのできる非酸化物
   セラミツクの高温摩耗に使用することができる。
   本発明を使用することによつて、これらの適用品
   中のセラミツクの摩耗寿命をかなり延ばすことが
   できる。 〔実施例〕 標準化したピン及び円盤試験を使用して、拡大
   した機械切断条件を刺激するために、一連の実験
   を行つた。この試験では、工具が磨耗するかどう
   かを測定するために大量の金属を除去するのに必
   要な時間を省く。この試験では、化学的見地を別
   にして、試験は実際の機械加工試験とよく相関す
   る。Si₃N₄（ホツトプレスする前に、粉末混合物
   中にY₂O₃ ８％及びAl₂O₃ １％を含有）を、先に
   検討した製作技法に従つてホツトプレスしてピン
   を得た。次にピンを減摩試験装置に入れ、動かし
   て、金属の回転している円盤又は板（これは通常
   機械加工操作で切断したものである）と接触させ
   る。ピンを18Kg（5000ポンド／平方インチ）以下
   の負荷でプレスした。ピンを金属板に対して約１
   分間、押しつけ、円盤を毎分約300表面メートル
   （約1000表面フイート）で回転させる。負荷を
   2100〜3500Kg／cm²（30000〜50000ポンド／平方イ
   ンチ）との間で変化させて推算し、且つピンの押
   しつけは環境条件下（空気中）で行つた。金属板
   は1045鋼又はねずみ鋳鉄から成つていた。鋼の組
   成はＣが0.46％、Mnが0.75％、Ｐが0.04％、Ｓが
   0.65％、及び残部が鉄であつた。鋼は引張り強さ
   が6900Kg／cm²（98000ポンド／平方インチ）、硬さ
   が94Rc「Ｂ」又は191／205ブリネル（Brinell）で
   あつた。ねずみ鋳鉄の組成は、Snが0.07％、Ｓが
   0.069％、Mnが0.7％、Siが2.16％、Ｃが3.19％
   で、残部が鉄であつた。ねずみ鋳鉄の引張り強さ
   は6900Kg／cm²（98000ポンド／平方インチ）、硬さ
   は94Rc「Ｂ」又は205／216ブリネルであつた。試
   験は、板の材料がSi₃N₄の表面に移されるような
   方法で行つて板を深く切り込んだ。金属円盤の構
   成要素を1045鋼にした場合には、Si₃N₄ピンは著
   しく磨耗した（第１図のグラフＡ参照）。金属の
   構成要素をねずみ鋳鉄にした場合には、検出され
   た摩耗はわずかであつた（第２図グラフ参照）。 Si₃N₄ピンの表面に移された物質は、金属ねず
   み鋳鉄又は1045鋼のいかんにかかわらず、鉄及び
   マンガンが多いことが分かつた。マンガンは鋳鉄
   及び鋼の両方の中に１％よりも少ない濃度で存在
   していた。鋼を加工する場合のSi₃N₄ピンの温度
   は大体800〜1200℃であることが分かつたが、一
   方鋳鉄を加工する場合のピンの温度は約600〜900
   ℃であると推定された。 鉄、マンガン、及びSi₃N₄の反応を研究するた
   めに、これらのそれぞれの物質の粉末を圧縮成形
   してペレツトにし、且つ600〜1200℃の範囲にわ
   たる、種々の温度で空気中で加熱した。反応の推
   移をＸ線回折で追跡した。600〜800℃の温度で
   は、鉄及びマンガンは、それぞれ酸化鉄及び酸化
   第一マンガンに転化し、800℃よりも上で、痕跡
   のSiO₂が生成した。900℃よりも高い温度では、
   SiO₂の生成量が増加し、且つMnSiN₂が生成し
   て、Mn₂O₃の濃度が低下した。900〜1000℃の温
   度では、この化学変化に伴つて、試料全体の溶融
   が起こつた。これはSi₃N₄を基質とする切削工具
   の鋼に対する摩耗の一因になる重要な因子であ
   る。 鋼からマンガンを除くことは実際的ではないの
   で、系から酸素を除去することによつて、Si₃N₄
   工具の性能を改良した。窒素気流の雰囲気中で実
   験を行つた以外は、ホツトプレスしたSi₃N₄で作
   つたピンを再び1045鋼及びねずみ鋳鉄の板に押し
   つけ、先に記載したようにして300表面メート
   ル／分（1000表面フイート／分）の速度で回転さ
   せた。窒素ガス気流を界面の周りに注いで、この
   雰囲気を作つた。種々の流速及び種々の流れの方
   向で、酸素の排除、すなわち存在が種々の程度に
   なつた。窒素気流中で、どちらかの板に対して試
   験したピンで品質低下は、ほとんど、あるいは全
   くなかつた（第１図のグラフ、Ｂ，Ｃ，Ｄ及び第
   ２図のグラフＢ参照）。同様な条件の下で空気中
   で鋼に対して試験したピンでは品質低下は顕著で
   あつた、又空気中で鋳鉄に対しては、多少測定可
   能な摩耗があつた。 Si₃N₄を基質とする工具材料では、材料中に存
   在するAl₂O₃が摩耗改良の程度の影響を及ぼす。
   第３図に示すように、種々のAl₂O₃含有量の
   Si₃N₄材料を使用し、空気及びN₂の両雰囲気中で
   ピンの円盤試験を行つた。Al₂O₃の量をSi₃N₄を
   基準にして1.5重量％から0.4重量％まで低下させ
   れば、窒素中では摩耗が減少した。しかしなが
   ら、Al₂O₃の存在量を0.4％から1.5％まで増加さ
   せれば、空気中の摩耗が減少した。Al₂O₃は
   Si₃N₄製造のときのガラス形成体であつて、ホツ
   トプレス又は焼結を助ける。しかしながら、高温
   でSi₃N₄工具の摩耗寿命を延ばそうとする場合に
   は、Al₂O₃の量を厳密に制御しなければならな
   い。作業する温度が高い程、ガラスの存在が摩耗
   を促進する。 炭化タングステンのような、他の酸化物セラミ
   ツク材料も又、窒素気流を存在させ、従つて界面
   から酸素を排除して、円盤試験のピンで試験し
   た。WCピンは寿命の増加を示した（第４図参
   照）が、因子３程度であるSi₃N₄を基質とするピ
   ンの寿命増加ほど顕著ではなかつた。 ピン及び円盤疑似試験を確証する一連の実際の
   機械加工試験を行つた。刃物をSi₃N₄（Y₂O₃ ８％
   及びAl₂O₃ １％の混合物から）で製作し、且つ
   450表面メートル／分（1500表面フイート／分）
   まで変化させる工具速度、全切断深さ1.5mm
   （0.06インチ）、及び仕込み速度約0.28mm（約0.011
   インチ）回転で、鋳鉄及び鋼に対する旋盤機械加
   工操作で使用した。空気中及び酸素を少なくした
   雰囲気（残留酸素0.6％又は5.0％）の中での機械
   加工の間では、摩耗に有意な相違があつた、第５
   図及び第６図を参照されたい。空気は通常O₂を
   約21％含有している。