JPH0339989B2 - - Google Patents

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JPH0339989B2
JPH0339989B2 JP57133676A JP13367682A JPH0339989B2 JP H0339989 B2 JPH0339989 B2 JP H0339989B2 JP 57133676 A JP57133676 A JP 57133676A JP 13367682 A JP13367682 A JP 13367682A JP H0339989 B2 JPH0339989 B2 JP H0339989B2
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weight
zro
mgo
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cutting
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  • Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
本発明は窒化珪素を主体とする高靭性セラミツ
ク工具の製造法に関する。 従来鋳物の黒皮を100m/min以上のハイスピ
ードで切削するセラミツク工具としては、Al2O3
及びAl2O3−TiC等をホツトプレス若しくは熱間
静水圧法(HIP法)などにより焼結したものが主
として使用されてきた。ところがこれらの工具
は、使用中欠け、割れ等を起し易く、自動機で切
削加工する場合には、稼動率の低下の最大原因に
なつていた。 又、工具としての寿命は欠け及び割れに左右さ
れ、摩耗幅が非常に少ない状態でも交換しなけれ
ばならないことが多かつた。 これらの欠点を解消するため、さきにAl2O3
材料よりも衝撃強さ、熱衝撃強さ及び靭性の高い
窒化珪素に着目し、研究の結果、MgO及び安定
化したZrO2を焼結助剤としてホツトプレスする
ことにより使用中に欠けや割れのない高靭性窒化
珪素工具を開発した(特開昭55−62857号公報参
照)。 該工具は、Si3N4、ZrO2、MgOの3成分組成
を焼結するものであるが、ホツトプレスによる加
圧焼結を用いておりコストが極めて高い。そこ
で、セラミツク工具として、加圧焼結しないで安
価に普通焼結できる組成物で、かつ高靭性のセラ
ミツク工具の開発が望まれていた。 又、同様のSi3N4、ZrO2、MgOの3成分組成
の焼結体として、特開昭55−109276号公報に記載
のものが知られている。しかし、このものは抗折
力は最大78Kg/mm2程度と小さく、高靭性が必要な
セラミツク工具の用途には使用できなかつた。 一方、Si3N4系セラミツク工具において、ホツ
トプレスによらないで、普通焼結する方法として
特開昭56−73670号公報に記載のものが知られて
いるが、その製造方法の要旨は、Si3N4からなる
基質粉末に、第2粉末としてY2O3、MgO、
ZrO2、CeO2及びこれらの混合物より選定したも
のを添加し、更に第3粉末としてAl2O3、WC、
WSi2、W、TiC及びこれらの混合物より選定し
たものを添加して、混合、粒度調整した後、この
3種類の粉末の混合物を普通焼結するものであ
り、この第3粉末の添加が必須とされ、Si3N4
ZrO2、MgO、Y2O3、CeO2を選択混合するだけ
では加圧焼結しないで緻密化することはできず、
高靭性のセラミツク工具を作り出すことはできな
かつた。 更に、他のSi3N4系のセラミツクの高強度化方
法として、例えば、特公昭56−388号公報(これ
は、Si3N4の基質粉末にY2O3等の希土類酸化物を
混合し、AlNの存在下で焼結する)や、特開昭
54−99115号公報(これはSi3N4、MgO及びラン
タン族酸化物の混合粉末を焼結して耐熱性ハース
ロールを製造する)が知られているが、いずれも
特殊な条件下で焼結したり、高靭性を目的としな
いで、耐熱性を向上させることを目的としたもの
である。 本発明者らの知る限りにおいては、Si3N4
MgO、ZrO2の3成分組成に、Y2O3及び/又は
Dy2O3を添加して、4成分ないしは5成分組成と
することにより、従来ホツトプレスでしか得られ
なかつた切削工具の用途に適する高靭性のセラミ
ツクが普通焼結によつて得られることを示す公知
例は存在しない。 本発明者等は鋭意検討の結果、このような高靭
性のセラミツク工具の開発に成功した。 すなわち本発明の要旨は、図面に示すように正
三角形に交わる三軸にそれぞれSi3N4、MgO及び
安定化されたZrO2の重量%の表示した三角座標
において、点A(Si3N494重量%、MgO3重量%、
ZrO23重量%)、点B(Si3N485重量%、MgO12重
量%、ZrO23重量%)、点C(Si3N480重量%、
MgO10重量%、ZrO210重量%)及び点D
(Si3N485重量%、MgO3重量%、ZrO212重量%)
を結ぶ実線で囲まれる範囲においてSi3N4、MgO
及び安定化されたZrO2の各粉末を配合した第1
粉末85〜98重量%とDy2O3及びY2O3の少なくと
も1種からなる第2粉末2〜15重量%の混合粉末
を成形し、ホツトプレスによらないで、焼結する
ことを特徴とする高靭性セラミツク工具の製造法
にある。 以下に本発明を詳細に説明するに、本発明では
原料としてSi3N4、MgO及びZrO2の三成分と
Dy2O3及びY2O3のうちの一成分以上を必要とし、
ZrO2はY2O3、CaOなどで安定化されていること
を要する。安定化されていないZrO2を使用する
と、焼結後部分安定化した形か又は単斜晶系の形
で焼結体中に残留し、切削加工する際工具先端の
温度が1000℃以上に上昇した時、高温型の正方晶
系に変態を行ない、異常な容積変化を伴うため熱
歪により欠け、割れに対する抵抗性が減少してし
まう。 上記のSi3N4、MgO、ZrO2の三成分の配合量
は図面に示すような三角座標において点A,B,
C,Dを結ぶ実線で囲まれる範囲内であることが
要求される。この範囲内であると欠けに対する抵
抗性が大きく、範囲外になるとそれが低下する。
また概してMgOが少なくなると耐摩耗性が低下
する傾向がある。80重量%以上94重量%以下の
Si3N4にY2O3、又はCaOで安定化したZrO2を添
加剤として3重量%以上12重量%以下加えた理由
は、ZrO2添加量が3重量%より少ない範囲では
靭性の向上効果がみられず、12重量%より多くな
ると工具としての硬度の低下と共に切削時の摩耗
が多くなる点にある。又、Si3N4の限定理由は、
Si3N4が94重量%を越えると焼結性が悪く目的と
する特性が得られず、80重量%未満では切削時の
耐摩耗性が低下するためである。又、MgOを3
重量%以上12重量%以下加える理由は3重量%よ
り少ない範囲では焼結促進剤としての効果が少な
く、12重量%より多くなると切削時の摩耗が多く
なり工具としての特性が得にくくなるためであ
る。 以上の三成分でホツトプレスによる緻密化は可
能であるが、これを普通焼結するためには、上記
三成分85〜98重量%にさらにDy2O3及びY2O3
少なくとも1種を2〜15重量%添加しなければな
らない。Dy2O3及びY2O3の添加量の限定理由は、
添加量2重量%未満では普通焼結ができず、15重
量%を越えると硬度の低下と共に切削時の摩耗が
多くなり工具として使用できない。 本発明により工具を製造するためには、以上の
混合粉末に有機バインダーを添加し、金型プレス
により所定の形状に成型し、仮焼して有機バイン
ダーを除去した後、1550〜1800℃、非酸化性雰囲
気でホツトプレスによらないで焼成する。非酸化
性雰囲気で焼成するのは窒化珪素が酸化し易いか
らで、1550℃未満の温度では焼結が不十分となる
場合があり、1800℃を越えるとSi3N4の蒸発が著
しくなる。 以下に実施例によつて本発明をより詳細に説明
する。 実施例 1 α−Si3N490重量%とβ−Si3N410重量%より
なる粉末とCaO20モル%により安定化したZrO2
MgO、Dy2O3及びY2O3を表1に示す比で混合し、
ボールミルにより粉砕して平均粒径1μとした。
これに5外重量%のパラフインを加え造粒し、金
型プレスによりプレス圧1.5ton/cm2で所定形状に
成型した。これを真空中800℃で仮焼した後、N2
気流中で表1に示す温度で1時間焼結した。得ら
れた焼結体を研磨して、SNGN432−TN(チヤン
フアー0.1)、SNGN455−TN(チヤンフアー0.2)
及び4×8×25mmの各テストピースを作成し、諸
物性を測定した。なお、表中の注は下記のとおり
である。 *1 Y2O3で安定化したZrO2を使用した *2 SNGN432−TN(チヤンフアー0.1)のテ
ストピースを用い、被削材として100φ×500lの
FC25を選び、切削条件を切削速度400m/
min、切込み2.0mm、送り0.3mm/revとし、1000
mm切削後のフランク摩耗幅VBを測定した。 *3 SNGN455−TN(チヤンフアー0.2)のテ
ストピースを用い、被削材として200φ×35l
のFC20(黒皮)を選び、切削条件を切削速度
400m/min、切込み2.5mm、送り0.3mm/rev
とし、円板の外側面を軸方向に切削した。
【表】
【表】 表1によつて示される通り本発明のセラミツク
工具は、靭性特に鋳物のラフカツトに対する工具
のチツピング、欠けに対する抵抗性に優れ、自動
機における工具の信頼性を大幅に向上させること
ができる。その理由は断定できないが、第1に表
1に示す如き断続切削に於ては刃先の温度は1000
℃以上に上昇することが繰り返され、この時
Al2O3−TiC系工具は熱膨脹係数が約7×10-6
℃と大きいのに対し本発明のSi3N4を主体とする
工具は約3.5×10-6/℃と小さく熱衝撃に強いた
めと考えられる。又、第2にSi3N4を主体とする
工具は微構造的に観察した時、繊維構造を示し、
破壊に対する靭性が高いためと考えられる。 又、Si3N4−MgO−ZrO2にDy2O3やY2O3を添
加することにより普通焼結が可能となり、ホツト
プレスした場合に較べ切断不要となり、研磨加工
時間も大幅に短縮されるとともに穴付チツプ等の
複雑形状の切削工具も容易に得られる様になつ
た。 実施例 2 実施例1の試料No.2と同一組成にて安定化ジル
コニヤを用いる代りに、安定化されていない単斜
晶系のジルコニヤを用い、比較試料No.2Rを製作
した。特に欠け、割れを起すまでの製品の切削枚
数を調査する試料は10ケ製作し、No.2と比較した
結果表2の通りになつた。
【表】 表2より明らかな如く、抗折力、硬度、耐摩耗
性では両者共差がないけれども、欠け、割れを起
すまでの製品の切削枚数はNo.2が10ケの試料中、
10ケ皆150ケ以上切削できたのに対し、No.2Rは4
ケのみ150以上切削でき、その他は32ケ〜131ケの
間にばらついていた。これの理由は断定できない
が、No.2RがX線回折により、少量の単斜晶系の
低温型ZrO2を検出されるのに対し、本発明のNo.
2はすべて安定化ZrO2のみ検出されるため、欠
け、割れに対する強さが安定しているためと思わ
れる。 最近の切削機械はいずれも自動化が進んでお
り、工具の突発的な欠け、割れは大変やつかいな
問題を起すため、本発明による安定した工具は欠
け、割れに対する強さのばらつきの大きいNo.2R
に比較し、大きな長所を有している。なお、更に
室温から1200℃までの熱膨脹を調査したところ、
No.2Rは900℃と1000℃の間で熱膨脹係数の変化点
が認められたがNo.2は変化点が認められず直線的
膨脹曲線を示した。 又、本発明のセラミツク工具は、上記のような
優れた諸物性のため、鋳物以外の金属、例えばア
ルミニウム、スチールなどの切削工具、更には切
削のような振動や熱のかかる機械用耐熱部品に使
用することができる。
【図面の簡単な説明】
図面は焼結されるべき混合粉末を構成する各要
素の配合割合を示す三角座標図である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 図面に示すように正三角形に交わる三軸にそ
    れぞれSi3N4、MgO及び安定化されたZrO2の重
    量%を表示した三角座標において、点A
    (Si3N494重量%、MgO3重量%、ZrO23重量%)、
    点B(Si3N485重量%、MgO12重量%、ZrO23重
    量%)、点C(Si3N480重量%、MgO10重量%、
    ZrO210重量%)及び点D(Si3N485重量%、
    MgO3重量%、ZrO212重量%)を結ぶ実線で囲
    まれる範囲においてSi3N4、MgO及び安定化され
    たZrO2の各粉末を配合した第1粉末85〜98重量
    %とDy2O3及びY2O3の少なくとも1種からなる
    第2粉末2〜15重量%の混合粉末を成形し、ホツ
    トプレスによらないで焼結することを特徴とする
    高靭性セラミツク工具の製造法。
JP57133676A 1982-08-02 1982-08-02 高靭性セラミツク工具 Granted JPS5926976A (ja)

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JPS5926976A JPS5926976A (ja) 1984-02-13
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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