JPH055782B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

［発明の技術分野］ 本発明は切削工具用窒化珪素焼結体及びその製
造方法に関し、更に詳しくは、高速切削において
切削性が優れた窒化珪素焼結体を主材とした切削
工具用焼結体及びその製造方法に関する。 ［発明の技術的背景とその問題点］ 窒化珪素を主材とするセラミツクは、高温強
度、高温硬度等の優れた特性を有し、耐熱構造部
材に応用されている。 最近、切削工具への応用のための幾つかの試み
がなされているが、これらは主に焼結性を高め、
強度を改善するための添加物に関するものであつ
て、次のようなことが知られている。即ち、焼結
性を高め、窒化珪素粒子の充填密度を高め、構造
を緻密化させるための高密度化主材として、酸化
アルミニウム（Al₂O₃）、酸化マグネシウム
（MgO）、酸化イツトリウム（Y₂O₃）等が利用さ
れている。また、セラミツク焼結体の耐熱性、耐
摩耗性及び靭性を増進させるための添加剤とし
て、炭化チタン（TiC）、窒化チタン（TiN）、炭
化チタン−窒化チタン固溶体（TiC−Ｎ）、炭化
タングステン（WC）、炭化タンタル（TaC）、窒
化タンタル（TaN）が利用されている。 この中でも添加剤として炭化チタン及び窒化チ
タン系を用いた切削工具は、耐熱性、耐摩耗性、
靭性等の面で最も優れたものとして開示されてい
る。 例えば、特開昭56−32377号公報には、切削工
具用窒化珪素焼結体の材料として、窒化アルミニ
ウム（AlN）、酸化アルミニウム（Al₂O₃）、酸化
マグネシウム（MgO）、酸化珪素（SiO₂）等を用
いたものが開示されており、さらに靭性増進のた
め酸化チタン、窒化チタン、炭化チタン−窒化チ
タン固溶体の中から１種又は２種以上のものが５
〜40重量％添加されている。 また、特開昭56−73670号には、窒化珪素、酸
化イツトリウム、酸化マグネシウム、酸化セリウ
ム及び酸化ジルコニウムからなる混合物と、酸化
アルミニウム、酸化タングステン、珪化タングス
テン、タングステン及び炭化チタンからなる混合
物と高性能切削工具用材料の製造方法が開示され
ている。 上記公報の内容に関連したものとしては、特開
昭57−205374号、同57−205376号、同58−95662
号、同58−199782号及び同58−213679号が挙げら
れる。 しかし、上記より明らかな通り、窒化珪素を主
成分とし、添加剤として特に炭化チタンを使用し
た切削工具は、窒化チタン及び他の成分を使用し
たものよりも切削性能は優れているものの、焼結
反応中に２次生成物が形成されて焼結性を低下さ
せるとともに、切削工具の緻密性を不良にする
等、幾つかの問題点をかかえていた。 ［発明の目的］ 本発明は目的は上記した問題点の解消にあり、
高速切削において切削性が優れた切削工具用窒化
珪素焼結体及びその製造方法に関する。 ［発明の概要］ 本発明者らは、上記した目的を達成すべく鋭意
研究を重ねた結果、窒化珪素と混合して焼結する
際、問題点の内包された炭化チタンを本発明に従
つて特殊処理することにより、優れた性能の切削
工具を容易に焼結できることを知見して本発明に
到達することができた。 すなわち、本発明の切削工具用窒化珪素焼結体
は、窒化チタンで被覆された炭化チタン10〜40重
量％、酸化アルミニウム１〜５重量％、酸化イツ
トリウム１〜10重量％及び残部が窒化珪素から成
ることを特徴とするものである。 本発明の一特徴をなす成分である窒化チタンで
被覆された炭化チタンについて、以下に述べる。 窒化珪素微粒粉末に炭化チタン微粉末を添加し
て非酸化性雰囲気中で約1600〜1800℃の温度で焼
結して切削工具を製造する場合、つぎのような化
学反応が起きる。 Si₃N₄＋3TiC→3TiN＋3SiC＋１／２N₂↑ …(1) すなわち、この反応に従つて炭化チタンが一部
窒化チタンへ変換される。ところが、この反応は
切削工具の構造上、つぎのような、望ましくない
幾つかの不都合をもたらす。 第一は、上記(1)の反応が起こるとき、窒化珪素
が炭化珪素に変換される点である。このようにし
て生成した炭化珪素の焼結温度は2000℃以上であ
るため、約1600〜1800℃の温度範囲では、液相焼
結反応によつて緻密化が達成され、窒化珪素の焼
結が妨げられることになる。 第二は、添加された炭化チタンの一部が窒化チ
タンに変換されるので、炭化チタンを窒化珪素中
に分散させて切削工具の性能を向上させようとし
た本来の意図とはかけ離れることになる点であ
る。 第三は、窒素（N₂）ガスが発生するために、
そのガスの移動によつて製品に微細な気孔が形成
されやすく、そのために緻密化焼結に甚大な支障
をもたらし、切削工具の性能が低下する要因とな
る点である。 しかしながら、もし炭化チタンの代わりに窒化
チタンを靭性増進剤として添加した場合には、上
記(1)のような反応が起きないので、窒化珪素を主
成分とする切削工具の焼結は炭化チタンに比して
はるかに容易となるが、窒化チタンは炭化チタン
に比していろいろな側面で性能が劣つている。 参考のため、セラミツク切削工具に使用される
材料の物理的特性を第１表に示す。

【表】 第１表から明らかなように、炭化チタンは切削
工具に使用される多くの材料のうち、大体におい
て特に優れた性質を有している。特に、炭化チタ
ンは窒化チタンに比して、切削工具として要求さ
れる特性中最も重要な、硬度とヤング率が高い。 即ち、窒化珪素微粒子内に炭化チタンを分散さ
せるのが、優れた硬度及びヤング率が得られる点
で理想的にみえるが、前述のように不必要な反応
が起ることになつて焼結が容易ではない。一方、
窒化珪素微粒子内に窒化チタンを分散させること
は炭化チタンを分散させるよりも、はるかに容易
であるけれども、切削工具の性能、即ち、硬度、
靭性、耐熱性面で炭化チタン分散の窒化珪素焼結
体に比して性能が劣る。従つて、本発明者らはこ
れら両者の欠点を補充するために、つぎのような
構成を着眼するに至つた。即ち、炭化チタンの微
粒子表面に窒化チタンの薄い被膜を形成させて焼
結に使用するのである。このようにすることによ
り、このように窒化チタンの被覆された炭化チタ
ンは、その表面的性質は窒化チタンの挙動を示す
が、その実態は炭化チタンなのである。 前述したように、新しい構成を有する窒化チタ
ンの被覆された炭化チタンを窒化珪素に分散させ
たセラミツク工具を焼結させるのが、本発明の好
ましい技術的特徴である。このような方法によつ
て焼結反応を行なうと、窒化珪素微粒子間に分散
される窒化チタンの被覆された炭化チタンは、反
応に際しては窒化チタンとして行動して容易に分
散し、また反応を阻害する窒素ガスおよび反応物
である炭化珪素を生成しないばかりでなく、焼結
後には炭化チタンの性能を発揮するので、炭化チ
タンが分散された窒化珪素セラミツク切削工具の
性能と、窒化チタンと窒化珪素間の比較的容易な
焼結反応性を同時に内包するものである。 本発明は、また、切削工具用窒化珪素焼結体の
製造方法に関するものであり、すなわち、窒化チ
タンで被覆された炭化チタン10〜40重量％、酸化
アルミニウム１〜５重量％、酸化イツトリウム１
〜10重量％及び残部が窒化珪素から成る混合物を
乾燥処理し、得られた処理物を熱間加圧焼結する
ことを特徴とするものである。 本発明の製造方法に使用される成分である窒化
チタンでその表面を被覆された炭化チタンは、一
般に知られている方法を適用して容易に得ること
ができ、その具体例を以下に述べる。 一般に、窒化チタンはオキサイド（oxide）
法、メタル（metal）法、塩化物法等によつて製
造される。オキサイド法では、酸化チタンを還元
に必要な炭素と充分に混合し、窒素ガスまたはア
ンモニアガス中で1500〜1800℃の温度で加熱して
還元と同時に窒化させる方法であるが、窒素が充
分でなかつたり、部分的に炭素が寄りあつまつて
いる場合、炭化チタンが生成される場合があるか
ら、高純度の窒化チタンを得ることは困難であ
る。これに反し、塩化物反応は切削工具の被覆に
広く利用される原理であつて、水素と窒素または
アンモニアを四塩化チタンの気体とともに反応さ
せて塩化物を分散させると同時に窒化反応が起つ
て窒化チタンが析出する方法であるが、この場
合、窒化チタンの粒子の大きさも相当微細であ
り、純度も高い。このような観点から考慮する
と、炭化チタンの微粒粉表面を窒化チタンで被覆
するには、前述した塩化物法が適するのが好まし
い。 以下、この塩化物法によつて炭化チタン表面に
窒化チタン被膜を形成させる方法につき詳述す
る。 窒化チタンが炭化チタン表面に被覆されるとき
に起こる原理は、つぎの方程式に示すとおりであ
る。 2TiCl₄＋N₂＋4H₂→2TiN＋8HCl …(2) 使用される気体は水素、窒素、アルゴンである
が、水素と窒素は四塩化チタンとともに窒化チタ
ン被膜形成反応に関与する気体であり、アルゴン
は電気炉の中の空気を除去するために使用され
る。四塩化チタンは、水素ガスをキヤリアガス
（carrier gas）として使用して四塩化チタン溶液
をバブリング（bubbling）させることにより気化
される。このとき、四塩化チタン溶液は温度によ
つて蒸気圧が異なり、水素ガスの流量によつて変
化することになるので、四塩化チタン気体の流量
は、水素ガスの流量と四塩化チタンの温度とで調
節できる。四塩化チタンを入れた容器の温度を50
℃に維持し、四塩化チタンと窒素ガスとが一緒に
なる部分からは温度を200℃に維持して四塩化チ
タンが凝縮するのを防ぐ。 被膜は、炭化チタン微粒粉を電気炉に装入した
後、アルゴンガスをつめこんでその内部を非活性
雰囲気にしてやり、四塩化チタン気化器から四塩
化チタン気体と窒素および水素ガスを流しこみな
がら1000〜1200℃の温度まで上記微粒粉を加熱し
て炭化チタン微粒粉表面に窒化チタンを蒸着さ
せ、150℃まで徐々に冷却することによつて形成
する。この際、四塩化チタン分圧と水素分圧はそ
れぞれ0.1〜0.5気圧に維持しなければならない。
ここで形成した被膜は炭化チタンに比して化学的
に安定しているために、炭化チタン周囲に被覆さ
れた窒化チタンがさらに第二の反応を起こす可能
性は大変少ない。 また、本発明の他の実施態様によれば、炭化チ
タン表面の窒化チタンの被覆は、炭化チタンと窒
素の直接反応によつて行なうことも可能である。
このときの反応はつぎのとおりである。 2TiC＋N₂＋4H₂→2TiN＋2CH₄↑ …(3) この反応の主目的は炭化チタンを窒化反応させ
ることであるが、炭化チタンよりも窒化チタンが
安定しているために、炭化チタンと窒素ガスが反
応して炭化チタンが窒化チタンへ変換されるので
ある。この際、炭素を窒素に置換させるために水
素が必要となる。この反応で水素分圧が炭化チタ
ン表面における窒化反応を調節する因子となる。
この方法では電気炉に炭化チタン粉末を薄く分散
させ、1000〜1500℃の温度で窒素と水素の混合気
体を供給すると炭化チタンの窒化が起こるが、こ
のとき水素の分圧は0.001〜0.01気圧にして約２
時間反応させる。 前述した方法によつて得た窒化チタン被覆炭化
チタンを窒化珪素に10〜40重量％添加した後、焼
結促進剤として酸化アルミニウム１〜５重量％及
び酸化イツトリウム１〜８重量％を添加してメチ
ルアルコールと撹拌し、ついでアルミナボール下
で約16時間粉砕および撹拌し、110℃の温度で乾
燥する。ここで得た微粒粉、即ち−60メツシユと
＋100メツシユの間の粒度分布を有する微粒を採
り、1600〜1800℃の温度で350Kg／cm²の圧力で約
１〜２時間熱間加圧焼結して工具を製造する。こ
の際、熱間加圧焼結すれば、製品を再加工しては
じめて使用できるのであるが、熱間加圧焼結の場
合、試片の硬度が大きいため加工が極めて困難で
ある。それ故に、大量生産を可能にするためには
熱間静水圧焼結（hot isostactic pressing）が好
ましい。この場合には、試片を所望の形に成形
し、予備的に焼結して精密加工をした後、再び熱
間静水圧焼結を行なうが、このとき、製品の変形
が少なく、後続の加工工程がほとんど省かれ、経
済的に高性能の切削工具を製造することができ
る。 以下、実施例及び比較例を掲げ、本発明を詳述
するが、本発明がこれらの実施例に限定されるも
のではない。 ［発明の実施例］ 実施例 １〜８ 平均粒径2μｍの炭化チタン粉末100ｇを炭化珪
素発熱体電気炉に投入し、窒素と水素の混合気体
を、その水素分圧を0.001、0.003、0.005、0.01気
圧と、それぞれ異なるようにして２／分で供給
しながら、1500℃の温度で２時間加熱して炭化チ
タンの表面に窒化チタン層を形成させることによ
り、窒化チタンで被覆された炭化チタンを得た。 酸化イツトリウムだけを単独でアルミナボール
下で８時間粉砕して得た微粒粉６ｇとアルミナ２
ｇをメチルアルコール溶媒として撹拌器で15分間
撹拌して均一に分散させた後、これに窒化珪素75
ｇを添加した。この混合物を上で得た窒化チタン
で被覆された炭化チタン粉末28ｇと一緒にアルミ
ナボール下で16時間粉砕及び混合して、110℃で
乾燥した。このようにして得た試料を−60メツシ
ユと＋100メツシユの間の粒度分布を有する粒子
を採つて焼結原料とした。 飼料と黒鉛モールド間の反応を防ぐために表面
に窒化ホウ素（BN）粉末を薄く塗布した後、試
料20ｇを直径３cmの黒鉛モールドに入れ、1700℃
及び1750℃の温度でそれぞれ、１時間ずつ熱間加
圧焼結して本発明の切削工具用焼結体を製造し
た。 また、切削試験を行つて切削工具の性能試験を
行なつた。被削材料としては、FC25鋳鉄を使用
し、切削速度300ｍ／分、送り速度0.3mm／回転
（rev）および切削深度2.0mmの切削条件下で切削
工具の上面摩耗（crater）が0.1mm、側面摩耗
（flank）が0.4mmになるまでの時間を測定してそ
の結果を第２表に示した。 比較例 １及び２ 比較例として、無処理のものを用いた以外、実
施例１〜８と同様にして比較品を調製し、実施例
１〜８と同様の評価試験を行つた。結果を第２表
に一括して示す。

【表】 実施例 ９〜16 炭化チタンの表面を窒化チタンで被覆するため
に、先に説明した塩化物法の方法を実施して窒化
反応させた。 平均粒径2μｍの炭化チタン粉末50ｇを採り、
これを誘導炉（Induction furnace）に入れ、粉
末を回転させながら水素ガスと窒素ガスを流して
四塩化チタンで窒化させた。反応温度は1050℃と
1100℃に変化させ、四塩化チタンの分圧は0.2気
圧、0.4気圧、水素の分圧は0.3気圧、0.5気圧と変
化させ、表面を窒化チタンで被覆された炭化チタ
ン粉末を得た。 このようにして得た粉末を実施例１で詳述した
とおりの組成比で、窒化珪素を主材として、酸化
アルミニウム、酸化イツトリウムの添加された組
成物に、炭化窒化チタンを靭性増進剤として加え
て1750℃の温度で１時間ずつ熱間加圧焼結して切
削工具を製造した。 このとき製造された切削工具の性能試験のた
め、被削材料としてFC25鋳鉄を使用し、切削速
度300ｍ／分、送り速度0.3mm／回転（rev）、切削
深度2.0mmの切削条件下で切削工具の上面摩耗
（crater）が0.1mm、側面摩耗（flank）が0.4mmに
なるまでの時間を測定した。結果を第３表に示し
た。 比較例 ３ 比較例として第３表に示すように無処理のもの
を用いた以外、実施例９〜16と同様にして比較品
を調製し、実施例９〜16と同様の評価試験を行な
つた。結果を第３表に一括して示す。

【表】 実施例 17及び18 実施例１〜８と同様にして製造された切削工具
（実施例17）及び実施例９〜16と同様にして製造
された切削工具（実施例18）を用いて、第４表に
示す条件でその切削性能を評価した。結果を第４
表に示す。 比較例 ４及び５ 比較例として、第４表に示す切削工具を用い
て、第４表に示す条件で、その切削性能を評価し
た。結果を第４表に示す。

【表】 ［発明の効果］ 以上に詳述した通り、本発明の切削工具用窒化
珪素焼結体は、曲げ強度、靭性及び硬度等の諸特
性をバランス良く具備したものであり、例えば、
高速切削に使用されて優れた切削性を発揮するも
のである。また、本発明の製造方法によれば、上
記したような優れた性能を有する焼結が得られる
のみならず、極めて簡易かつ経済的な製造を可能
とするものであり、その実用的価値は極めて大で
ある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 窒化チタンで被覆された炭化チタン10〜40重
   量％、酸化アルミニウム１〜５重量％、酸化イツ
   トリウム１〜10重量％及び残部が窒化珪素から成
   ることを特徴とする切削工具用窒化珪素焼結体。 ２ 窒化チタンで被覆された炭化チタン10〜40重
   量％、酸化アルミニウム１〜５重量％、酸化イツ
   トリウム１〜10重量％及び残部が窒化珪素から成
   る混合物を乾燥処理し、得られた処理物を熱間加
   圧焼結することを特徴とする切削工具用窒化珪素
   焼結体の製造方法。 ３ 窒化チタンで被覆された炭化チタンが、四塩
   化チタン、水素及び窒素を用いて炭化チタン表面
   に窒化チタン被覆を蒸着することによつて形成さ
   れる特許請求の範囲第２項記載の製造方法。 ４ 四塩化チタンの分圧が0.1〜0.5気圧であつ
   て、水素の分圧が0.1〜0.5気圧であり、かつ蒸着
   温度が1000〜1200℃である特許請求の範囲第３項
   記載の製造方法。 ５ 水素分圧が0.001〜0.01気圧で、蒸着温度が
   1000〜1500℃である特許請求の範囲第４項記載の
   製造方法。 ６ 窒化チタンで被覆された炭化チタンが、炭化
   チタン、窒素及び水素を用いて炭化チタン表面に
   窒化チタン被膜を形成することによつて形成され
   る特許請求の範囲第２項記載の製造方法。 ７ 熱間加圧焼結の温度が、1600〜1800℃である
   特許請求の範囲第２項記載の製造方法。