JPH11236269A

JPH11236269A - 窒化珪素質焼結体およびそれを用いた切削工具

Info

Publication number: JPH11236269A
Application number: JP10043977A
Authority: JP
Inventors: Masashi Sakagami; 勝伺坂上
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-02-25
Filing date: 1998-02-25
Publication date: 1999-08-31
Anticipated expiration: 2018-02-25
Also published as: JP3762090B2

Abstract

(57)【要約】【課題】窒化珪素質マトリックスとＴｉ化合物系強化相
を分散せしめた複合材料において強化相のマトリックス
への濡れ性を向上させて特性向上効果を最大源に発揮し
た高強度、高靱性および高硬度を有し耐摩耗性に優れた
窒化珪素質焼結体を提供する。【解決手段】β−窒化珪素結晶からなる主相と、少なく
とも周期律表第３ａ族元素を含有する粒界相とを具備す
るマトリックス相１中に、Ｔｉの窒化物、炭窒化物、炭
酸窒化物のうちの少なくとも１種のＴｉ化合物からなる
粒子あるいはウイスカーと、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、
Ｍｏ、ＷおよびＭｎの群から選ばれる少なくとも１種の
遷移金属を含有する強化相２を１０〜４０体積％の割合
で分散してなり、特に強化相２を、Ｔｉ化合物からなる
コア部２ａとコア部２ａの周囲に遷移金属を含有するシ
ェル部２ｂにより形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、耐摩耗部品、摺動
部品、耐蝕性部品、耐熱用部品、もしくは装飾用部品な
どに適用され、とりわけ、切削工具に好適に使用される
耐摩耗性に優れた窒化珪素質焼結体と、それを用いた切
削工具に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、セラミックスは、金属に比べ比
重が小さいため、製品重量が軽く、金属より高い硬度を
有し、耐摩耗性、耐酸化性、耐蝕性及び耐熱性に優れて
いることから、耐摩耗性を有する切削工具や、ベアリン
グ用ボールなどの摺動用部品、バルブ、ヘッドライナ
ー、発熱体、焼成管などの耐熱性部品、時計ケース、釣
り具のリール用ガイドなどの装飾用部品などの幅広い分
野に用いられている。

【０００３】このような用途に用いられるセラミックス
材料は、アルミナ、炭化珪素、窒化アルミニウム、グラ
ファイトあるいは窒化珪素を主体とするセラミックスが
最も使用されているが、金属より破壊靭性や強度が低い
ために、セラミックス複合材料の様々な検討が進められ
ている。

【０００４】その中でも、上記の主成分に対して、硬質
粒子や、繊維状結晶粒子（ウイスカー、ファイバー）を
分散させることにより、靱性あるいは強度を改善する試
みが行われている。例えば、分散相としては、ジルコニ
ア等の酸化物粒子の他に、カーボンファイバー、炭化珪
素、炭化チタン、炭窒化チタン等の炭化物、炭窒化物な
どの粒子、あるいはそれらのウイスカー等が知られてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】例えば、アルミナ−炭
化珪素ウイスカー系複合材料は、アルミナセラミックス
に比較して靭性や強度を大きく向上できるものの、アル
ミナ自体の強度、靱性および高温強度等の特性が低いた
めに、その効果も限界があり、使用できる用途が限られ
ている。

【０００６】これに対して、窒化珪素質焼結体は、焼成
の段階で結晶が針状に成長するために、この針状結晶が
からみあった構造となることにより、セラミックスの中
でも靭性や強度、耐熱衝撃性等に優れた材料であるが、
実用的には不十分であることから、炭化珪素ウイスカー
を分散させて靭性や強度をさらに向上させる試みがあ
る。ところが、窒化珪素や炭化珪素は、いずれも金属と
の凝着、溶着性がアルミナより高く、また、硬度が低い
ため耐摩耗性が低いという問題があった。

【０００７】そこで、本発明者は、窒化珪素質焼結体の
靭性や強度の向上に加え、耐摩耗性を向上させる上で、
それ自体、硬度が高く、耐摩耗性に優れたＴｉＣやＴｉ
Ｎなどのチタン化合物ウイスカーを分散させる試みを行
ったが、期待される効果が得られないものであった。そ
れは、上記チタン化合物が、窒化珪素との濡れ性が悪い
ために、窒化珪素マトリックスとの密着性や親和性が低
く、相互適合性が十分でない点であることがわかった。

【０００８】従って、本発明の目的は、窒化珪素をマト
リックスとして、Ｔｉ化合物系強化相を分散せしめた複
合材料において、前記強化相とマトリックスとの濡れ性
を向上させて、強化相による特性向上効果を最大源に発
揮し、高強度、高靱性および高硬度を有し耐摩耗性に優
れた窒化珪素質焼結体を提供するにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者は、窒化珪素系
マトリックス相とＴｉ化合物系強化相との濡れ性を向上
させるための具体的な構成について種々検討した結果、
Ｔｉ化合物系強化相中に、特定の遷移金属を存在せしめ
ることにより、窒化珪素マトリックスとの濡れ性が改善
されることを見いだし、本発明に至った。

【００１０】即ち、本発明の窒化珪素質焼結体は、β−
窒化珪素結晶からなる主相と、少なくとも周期律表第３
ａ族元素を含有する粒界相とを具備するマトリックス相
中に、Ｔｉの窒化物、炭窒化物、炭酸窒化物のうちの少
なくとも１種のＴｉ化合物からなる粒子あるいはウイス
カーと、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｍｏ、ＷおよびＭｎ
の群から選ばれる少なくとも１種の遷移金属を含有する
強化相が１０〜４０体積％の割合で分散してなることを
特徴とするものである。

【００１１】また、前記強化相は、Ｔｉの窒化物、炭窒
化物、炭酸窒化物のうちの少なくとも１種のＴｉ化合物
からなる粒子あるいはウイスカーからなるコア部と、該
コア部の周囲に前記遷移金属を含有するシェル部を有す
ること、前記遷移金属が、前記Ｔｉ化合物以外の全成分
を１００重量％として、金属に換算して０．０１〜８重
量％の割合で含まれること、前記マトリックス相が、マ
トリックス全量中、窒化珪素を７０〜９５重量％、周期
律表第３ａ族元素を酸化物換算で１〜１５重量％、アル
ミニウムを酸化物換算量で７重量％以下、不純物的酸素
を酸化珪素換算量で１０重量％以下の割合で含むこと、
焼結体の相対密度が９５％以上、気孔率が３％以下、平
均ボイド径が５μｍ以下であること、該焼結体のラマン
分光分析法により検出される窒化珪素の２０６ｃｍ^-1の
ピーク強度Ｘ₁と、Ｓｉの５２１ｃｍ^-1のピーク強度Ｘ
₂との比（Ｘ₂／Ｘ₁）が０．２〜３であること等の種
々の特徴を具備するものである。

【００１２】また、本発明によれば、上記の窒化珪素質
焼結体を切削工具として用いることを特徴とするもので
ある。

【００１３】

【作用】窒化珪素質焼結体の靭性、強度および硬度を向
上させる場合、セラミックウイスカー等を強化相として
分散させることが効果的であるが、その中でも、硬度が
高く、耐摩耗性に優れたＴｉＣ等のＴｉ化合物を選択す
ることにより機械的特性の向上が期待できる。しかも、
窒化珪素に対して、Ｔｉ化合物を添加し焼成した焼結体
では、強度、靭性はある程度の効果が見られたが、耐摩
耗性については顕著な向上は見られず、むしろ耐摩耗性
が劣化する傾向が見られた。

【００１４】これは、Ｔｉ化合物が、窒化珪素との濡れ
性、密着性や親和性が悪く、相互適合性が十分でないた
めであり、そのために、Ｔｉ化合物の形状や添加量など
を細かく制御しなければならない。つまり、相互適合性
が悪い物質を分散させると、添加量や形状によって、ク
ラックのブリッジング効果により靭性や強度は向上する
が、焼結性が劣化したり、分散強化物質と窒化珪素マト
リックスとの濡れ性、密着性や親和性が悪いため相互の
結合力が低下し、焼結体表面の分散強化相の脱落（脱
粒）等が発生するために耐摩耗性は劣化したものと推察
される。

【００１５】これに対して、本発明によれば、Ｔｉ化合
物からなる強化相中に、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｍ
ｏ、ＷおよびＭｎの群から選ばれる少なくとも１種の遷
移金属を含有せしめると、上記遷移金属が、いわゆるＴ
ｉ化合物からなるコア部の周囲にシェル部を形成するこ
とにより、強化相の窒化珪素マトリックスへの濡れ性を
改善して相互適合性を向上させる作用を成す結果、焼結
体の靭性や強度とともに、耐摩耗性を著しく向上させる
ことができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の窒化珪素質焼結体は、図
１の概略組織図に示すように、窒化珪素質マトリックス
相１と、Ｔｉ化合物系強化相２とから構成される。窒化
珪素質マトリックス相１は、β−窒化珪素結晶からなる
主相と、少なくとも周期律表第３ａ族元素を含有する粒
界相とを具備する。一方、Ｔｉ化合物系強化相２は、Ｔ
ｉの窒化物、炭窒化物、炭酸窒化物のうちの少なくとも
１種の粒子あるいはウイスカーを主体とするものであ
る。

【００１７】Ｔｉ化合物系強化相２中のＴｉ化合物とし
ては、Ｔｉの窒化物、炭窒化物、炭酸窒化物のうちの少
なくとも１種からなる粒子あるいはウイスカー（繊維状
物質）からなり、例えば、ＴｉＣ，ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、
ＴｉＣＯ、ＴｉＮＯ、ＴｉＣＮＯ等が挙げられる。これ
らの粒子及びウイスカーは、化学量論組成であっても、
又は非化学量論組成からなっているものでもよい。

【００１８】また、前記Ｔｉ化合物は、特にウイスカー
であることが望ましく、その場合、ウイスカーは長繊維
状のもの又は短繊維状のもの、もしくはこれらの混合物
であってもよいが、平均粒径（短軸径）が０．１〜２μ
ｍ、好ましくは０．５〜１．５μｍで、平均アスペクト
比が２〜５０、好ましくは４〜３０であるものが望まし
い。これは、平均粒径が２μｍを越えると焼結性が妨げ
られ、マトリックスとウイスカーの結合力が低下し、焼
結体の靱性、強度及び耐摩耗性が低下するからである。
平均アスペクト比も同様の理由による。

【００１９】又、粒子形状のＴｉ化合物を用いる場合に
は、平均粒径が０．２〜３μｍ、好ましくは０．４〜
１．５μｍであることが望ましい。これは、粒子形状で
ある場合、平均粒径が３μｍをこえるとマトリックスと
の結合力が低下し、焼結体の靱性、強度及び耐摩耗性が
低下するからである。

【００２０】本発明によれば、Ｔｉ化合物系強化相２中
に、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｍｏ、ＷおよびＭｎの群
から選ばれる少なくとも１種の遷移金属を含有すること
が重要である。これらの遷移金属の存在によって、Ｔｉ
化合物系強化相２の窒化珪素質マトリックス相１との濡
れ性を改善し、相互適合性を向上させることができるの
である。

【００２１】上記のようにＴｉ化合物系強化相２中に前
記遷移金属が含まれる場合、組織上、図１に示すよう
に、Ｔｉ化合物系強化相２は、概して、Ｔｉ化合物から
なる中心部（コア部）２ａと、その周囲に前記遷移金属
を含むシェル部２ｂが形成される。この遷移金属は、酸
化物、窒化物、酸窒化物もしくは珪化物として存在する
ことが望ましく、その場合、遷移金属は、コア部２ａ中
にＴｉ化合物との固溶体を形成する。但し、遷移金属
は、コア部２ａよりも、主としてシェル部２ｂに多く含
まれる。

【００２２】このように、遷移金属が、コア−シェル構
造におけるシェル部２ｂに多く含まれることにより、強
化相２と、窒化珪素マトリックス相１との濡れ性の向上
に寄与できる。なお、上記シェル部２ｂは、必ずしも全
周囲に形成されていなくても、コア部２ａの周囲の５０
％以上に形成されていれば、その効果が発揮される。

【００２３】このシェル部２ｂの厚みは、特に限定され
るものではないが、好ましくは平均で０．１〜０．５μ
ｍ程度が望ましい。

【００２４】本発明においては、上記Ｔｉ化合物は、全
量中に、１０〜４０体積％、特に１５〜３０体積％の割
合で含有されていることが望ましい。上記含有量が１０
体積％よりも少ないとＴｉ化合物による機械的特性の向
上効果が期待できず、含有量が４０体積％を超えると焼
結性やマトリックスとの結合力が低下し、強度や耐摩耗
性が低下する場合がある。なお、前記Ｔｉ化合物系強化
相２中に含有される前記遷移金属は、Ｔｉ化合物以外の
全成分の合計量を１００重量％とした時に、０．０１〜
８重量％の割合で含有され、特に強度や耐摩耗性の向上
の点で０．１〜５重量％、また、０．５〜４重量％でさ
らに耐摩耗性を向上できる。

【００２５】一方、窒化珪素質マトリックス相は、組成
上、前記Ｔｉ化合物以外の全成分の合計量を１００重量
％とした時、窒化珪素を７５〜９５重量％、好適には８
０〜９０重量％含む。窒化珪素結晶相は、平均粒径（短
軸径）が０．５〜２μｍ、平均アスペクト比が３以上の
針状のβ−窒化珪素粒子からなり、それが互いに絡み合
った構造となることで、焼結体の破壊靱性および強度の
向上に寄与する。

【００２６】さらに、上記窒化珪素質焼結体には、焼結
助剤成分として、周期律表第３ａ族元素を含み、その含
有量は酸化物換算で１〜１５重量％、好適には３〜１０
重量％であることが望ましい。その他の焼結助剤として
は、アルミニウムを酸化物換算量７重量％以下、好適に
は５重量％以下、さらに不純物的酸素を酸化珪素換算量
で１０重量％以下、好適には８重量％以下の割合でそれ
ぞれ含むことが望ましい。上記周期律表第３ａ族元素と
しては、Ｙ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｓｍ等が挙げられ、こ
れらの中でもＹ、Ｙｂ，Ｅｒが好適である。

【００２７】ここで、上記不純物的酸素とは、焼結体中
の全酸素量から焼結体中のＹまたは希土類元素（ＲＥ）
およびＡｌに対して化学量論組成（ＲＥ₂Ｏ₃およびＡ
ｌ₂Ｏ₃）で結合していると仮定される酸素量を差し引
いた残りの酸素量であり、そのほとんどは窒化珪素粉末
中の不可避的酸素または意図的に添加されたＳｉＯ₂成
分より構成される。

【００２８】前記周期律表第３ａ族元素、アルミニウ
ム、不純物的酸素は、窒化珪素結晶相の粒界に、ガラス
相を形成するか、または希土類元素−Ｓｉ₃Ｎ₄−Ｓｉ
Ｏ₂系の結晶相として存在してもよい。なお、アルミニ
ウムは、β−窒化珪素結晶相中に一部固溶していてもよ
い。

【００２９】また、本発明の窒化珪素質焼結体は、優れ
た機械的特性を得る上で、相対密度が９５％以上、好適
には９８％以上であり、気孔率を３％以下、好適には
１．５％以下であることが、優れた耐摩耗性を達成する
上で望ましい。

【００３０】さらに、窒化珪素質焼結体内には、実質的
にはボイドが存在しないことが望ましいが、不可避的に
ボイドが発生する場合、ボイドを均一に点在させること
で、破壊源であるクラックが発生した場合において、ク
ラックの進展により破損や欠損および割損が生じても、
クラックの進展を防止することができる。このボイドの
平均径は５μｍ以下であることが望ましい。これは、平
均ボイド径が５μｍを越えると、微小な脱粒摩耗やチッ
ピングを併発し、脱粒が増加し、摩耗が増加するためで
ある。

【００３１】このようなボイドを均一に点在させるに
は、窒化珪素原料を混合粉砕し、造粒なしに、成形、焼
成したり、混合粉末を一旦造粒した後、この造粒した粉
体を成形時に成形圧力を十分に上げて造粒粉体をつぶす
ことにより、均一に点在させることができる。なお、ボ
イド径分布は、用いる原料粉末と成形時の圧力、さらに
は焼成条件による緻密化の程度によって制御できる。

【００３２】さらに、本発明によれば、かかる焼結体を
ラマン分光分析法によって分析した時に、微小のＳｉが
検出されることが望ましい。このＳｉは、走査型電子顕
微鏡（ＳＥＭ）においても観察することができないレベ
ルのものであり、ラマン分光分析法によって検出される
ものである。このＳｉがＳＥＭ観察では検出できないも
のの、おそらく窒化珪素質マトリックス中の窒化珪素結
晶粒界中もしくは窒化珪素粒内に分散しているものと推
察される。

【００３３】このようなＳｉをマトリックス中に存在さ
せることにより、強度および靱性を高めることができ
る。この理由は定かではないが、おそらく粒界に分散す
るＳｉがクラックの進展を妨げる作用をなしているため
と推察される。

【００３４】しかし、ここで粒界に存在するＳｉ粒子
は、ごく微量であることが必要であり、例えば、Ｘ線回
折測定法によって検出されるレベルで存在すると、それ
が破壊源となり、焼結体の強度を劣化させてしまう。こ
れに対して、本発明の焼結体は、ごく微量のＳｉまで検
出可能なラマン分光分析法に従い、特定のレベルで存在
することが必要である。それは、具体的にはβ−窒化珪
素の２０６ｃｍ^-1付近に存在するピークの強度をＸ₁、
Ｓｉの５２１ｃｍ^-1付近のピークの強度をＸ₂としたと
き、Ｘ₂／Ｘ₁で表されるピーク比が０．２〜３、好ま
しくは０．５〜２であることが望ましい。このピーク比
が０．２よりも低いと強度、靱性の向上効果が低く、所
望の特性が得られず、３を越えると、析出したＳｉ自体
が破壊源となり強度を劣化させてしまうためである。

【００３５】次に、本発明の窒化珪素質焼結体を製造す
る方法について説明すると、窒化珪素原料として、窒化
珪素粉末、特にα化率が９０％以上の粉末を用いるか、
あるいは窒化珪素原料の０〜８０重量％相当量を珪素粉
末に置き換え、珪素粉末を低温で窒化するとα−Ｓｉ₃
Ｎ₄が生成されやすくなり、窒化後の成形体のα−Ｓｉ
₃Ｎ₄の含有量を高めることができる。このようなα−
Ｓｉ₃Ｎ₄の含有量の大きい成形体を焼成すると、針状
のβ−窒化珪素結晶相の生成を増加させることができ、
焼結体の強度および靱性を高くさせることができる。ま
た、窒化珪素粉末の平均粒径は、０．４〜１．２μｍ、
不純物酸素量は０．５〜１．５重量％が適当である。

【００３６】次に、このような窒化珪素粉末に対して、
周期律表第３ａ族元素酸化物、場合によっては、Ａｌ₂
Ｏ₃粉末、さらにはＳｉＯ₂粉末を、焼成前の成形体組
成が、希土類元素の酸化物換算量が１〜１５重量％、特
に３〜１０重量％、Ａｌ₂Ｏ₃を７重量％以下、特に５
重量％以下、さらには、成形体中の全酸素量から周期律
表第３ａ族元素酸化物粉末、Ａｌ₂Ｏ₃粉末中の酸素分
を差し引いた残りの酸素量が、ＳｉＯ₂換算で１０重量
％以下、特に８重量％以下となるように添加する。

【００３７】また、上記の成分の他に、Ｎｉ、Ｃｏ、
Ｗ、Ｍｏ、Ｍｎ、ＣｕおよびＦｅのうちの少なくとも１
種の遷移金属の酸化物、窒化物、酸窒化物もしくは珪化
物粉末を金属に換算して０．０１〜８重量％の割合で添
加し、さらに、上記の成分に対して、Ｔｉの窒化物、炭
窒化物、炭酸窒化物のうちの少なくとも１種の粒子ある
いはウイスカーを１０〜４０体積％の割合で添加混合す
る。

【００３８】得られた混合粉末をメッシュパス造粒、ス
プレー造粒、乾式造粒等により３０〜３００μｍの大き
さの造粒体を形成した後に、公知の成形法、たとえばプ
レス成形、鋳込み成形、押し出し成形、射出成形、冷間
静水圧成形などにより所望の形状に成形する。

【００３９】つぎに、この成形体を１６５０〜１８５０
℃、特に１７００〜１８００℃の窒素雰囲気中、特にＳ
ｉＯ含有雰囲気中で公知の焼成方法により、焼結体密度
が理論密度の９５％以上となる条件で焼成緻密化する。
焼成方法としては、常圧焼成、窒素ガス加圧焼成、熱間
静水圧焼成法など周知の焼成方法が採用される。ＳｉＯ
の雰囲気は、ＳｉＯ₂＋Ｓｉ、もしくはＳｉＯ₂＋Ｓｉ
₃Ｎ₄の混合粉末を成形体が収納される焼成鉢内に一緒
に入れて焼成することにより形成することができる。

【００４０】なお、焼結体中のマトリックス中にＳｉを
残存させるためには、焼成温度を、窒化珪素が常圧にて
珪素と窒素ガスに分解する平衡温度から約３０℃低い温
度範囲内で焼成して、ごく微量のＳｉ₃Ｎ₄を分解さ
せ、分解によって生成されたＳｉがマトリックス中の窒
化珪素結晶粒子の粒界中に存在することになる。なお、
Ｓｉ量は、上記温度範囲での保持時間などにより任意に
制御することが可能である。

【００４１】また、上記のようにして焼成した焼結体を
さらに熱間静水圧焼成によって、１６００〜１８００℃
の温度で窒素ガス、またはアルゴンガス中で１０００〜
２０００ａｔｍの圧力下で焼成して、さらに緻密化を図
ることもできる。

【００４２】

【実施例】平均粒径が１μｍ、α化率９８％、酸素含有
量が１．２重量％の窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）粉末、平均
粒径が０．７μｍの珪素粉末、平均粒径が１μｍ以下の
各種の周期律表第３ａ族元素酸化物（ＲＥ₂Ｏ₃）、酸
化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）および酸化珪素（ＳｉＯ
₂）の粉末、さらには、遷移金属化合物と、Ｔｉ化合物
を、成形体組成が表１，２の比率になるように混合し
た。なお、Ｔｉ化合物としては、平均粒径が０．５〜１
μｍの粒子状、平均粒径（短軸径）が０．８μｍ、平均
アスペクト比が１０〜２０のＴｉ化合物ウイスカーを用
いた。

【００４３】得られた混合物をスプレードライによって
粒径が４０〜２００μｍの造粒体を作製した。その後、
０．３〜３ｔ／ｃｍ²の圧力でもってラバープレス（ア
イソスタテイックプレス）成形をおこなった。

【００４４】そして、成形体中にＳｉ粉末を含まない場
合には、窒素圧９気圧の窒素中、表１の焼成温度で５時
間焼成し、その後に炉冷して焼結体を得た。また、Ｓｉ
粉末を含む場合には、１１５０℃で５時間加熱して窒化
させ、その後に表１の焼成温度で５時間焼成し、続けて
炉冷して焼結体を得た。なお、ボイドの大きさは成形時
の圧力によって制御した。

【００４５】なお、焼成は、各成形体を成形体重量の５
％のＳｉＯ₂＋Ｓｉ（重量比で１：１）混合粉末を配置
し、炭化珪素質の匣鉢に入れて焼成した。なお、試料Ｎ
o.２２については、ＳｉＯ₂＋Ｓｉ混合粉末を配置せず
に焼成した。

【００４６】かくして得られた各焼結体に対して、相対
密度、気孔率、強度、靭性、硬度および平均ボイド径を
以下の方法で測定し、その結果を表４に示した。相対密
度および気孔率は、ＪＩＳＲ１６０１にて規定された条
件の形状にまで加工し、アルキメデス法に基づく比重測
定から求めた。強度は、ＪＩＳＲ１６０１に基づき室温
の４点曲げ抗折強度試験をおこなって求めた。靭性は鏡
面仕上げをおこなった試料に対して、ＪＩＳ−Ｒ１６０
７に基づく室温での破壊靱性を測定した。硬度は、ビッ
カース硬度（荷重１ｋｇ）により測定した。さらに平均
ボイド径は、ＳＥＭや実体顕微鏡を用いてを調べた。

【００４７】さらに、ラマン分光分析法により窒化珪素
の２０６ｃｍ^-1のピーク強度Ｘ₁と、Ｓｉの５２１ｃｍ
^-1のピーク強度Ｘ₂とのＸ₂／Ｘ₁比を求めた。なお、
試料Ｎo.３についてそのラマン分光分析チャートを図２
に示した。

【００４８】また、各組成の焼結体を用いて下記表３の
条件で切削テストを行い、テスト後の摩耗量を測定し
た。

【００４９】

【表１】

【００５０】

【表２】

【００５１】

【表３】

【００５２】

【表４】

【００５３】表１および表４の結果から明らかな通り、
遷移金属を全く添加しない試料Ｎo.７，２５では、摩耗
量が３ｍｍ以上と大きく、耐摩耗特性が低いものであっ
たが、本発明に従い、所定量の遷移金属を添加せしめた
本発明試料は、いずれも強度８００ＭＰａ以上、靭性
７．０ＭＰａ・ｍ^1/2以上、硬度１５．０ＧＰａ以上の
機械的特性を有し、摩耗特性においても、切削テスト１
で１．０ｍｍ以下、切削テスト２では０．５ｍｍ以下の
優れた耐摩耗性を有するものであった。

【００５４】表１の結果によると、Ｔｉ化合物の量が本
発明範囲より少ない試料Ｎo.１、２３では、耐摩耗性の
効果が十分でなく、本発明範囲より多い試料Ｎo.６、２
４では、焼結性が低下するとともに、耐摩耗性は大幅に
劣化した。

【００５５】本発明品の中で、ラマン分光分析による強
度比が０．２〜３の試料は、この範囲から逸脱する試料
Ｎo.２０、２１、２２よりも優れた特性を示し、いずれ
も室温強度９００ＭＰａ以上、靱性が８．０ＭＰａ・ｍ
^1/2以上で切削テスト１で０．４ｍｍ以下、切削テスト
２で０．３ｍｍ以下の優れた特性であった。

【００５６】

【発明の効果】以上の通り、本発明の窒化珪素質焼結体
によれば、窒化珪素マトリックス相とのＴｉの窒化物、
炭窒化物、炭酸窒化物のうちの少なくとも１種のＴｉ化
合物からなる粒子、あるいはそのウイスカーとの濡れ性
を改善し、強度、靱性および耐摩耗性に優れ、切削工具
等に好適な焼結体を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の窒化珪素質焼結体の概略組織図を示
す。

【図２】本発明の窒化珪素質焼結体（試料Ｎo.３）のラ
マン分光分析チャートの一例を示す。

【符号の説明】

１マトリックス相２強化相３コア部４シェル部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】β−窒化珪素結晶からなる主相と、少なく
とも周期律表第３ａ族元素を含有する粒界相とを具備す
るマトリックス相中に、Ｔｉの窒化物、炭窒化物、炭酸
窒化物のうちの少なくとも１種のＴｉ化合物からなる粒
子、あるいはそのウイスカーと、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃ
ｕ、Ｍｏ、ＷおよびＭｎの群から選ばれる少なくとも１
種の遷移金属を含有する強化相を１０〜４０体積％の割
合で分散してなることを特徴とする窒化珪素質焼結体。
【請求項２】前記強化相が、Ｔｉの窒化物、炭窒化物、
炭酸窒化物のうちの少なくとも１種のＴｉ化合物の粒子
あるいはウイスカーからなるコア部と、該コア部の周囲
に前記遷移金属を含有するシェル部を有することを特徴
とする請求項１記載の窒化珪素質焼結体。
【請求項３】前記遷移金属が、前記Ｔｉ化合物以外の全
成分を１００重量％として、金属に換算して、０．０１
〜８重量％の割合で含まれることを特徴とする請求項１
記載の窒化珪素質焼結体。
【請求項４】ラマン分光分析法により検出される窒化珪
素の２０６ｃｍ^-1のピーク強度Ｘ₁と、Ｓｉの５２１ｃ
ｍ^-1のピーク強度Ｘ₂との比（Ｘ₂／Ｘ₁）が０．２〜
３である請求項１記載の窒化珪素質焼結体。
【請求項５】前記マトリックス相が、Ｔｉ化合物以外の
全成分を１００重量％として、窒化珪素を７０〜９５重
量％、周期律表第３ａ族元素を酸化物換算で１〜１５重
量％、アルミニウムを酸化物換算量で７重量％以下、不
純物的酸素を酸化珪素換算量で１０重量％以下の割合で
含む請求項１記載の窒化珪素質焼結体。
【請求項６】相対密度９５％以上、気孔率３％以下、平
均ボイド径が５μｍ以下であることを特徴とする請求項
１記載の窒化珪素質焼結体。
【請求項７】請求項１乃至請求項６のうちのいずれかに
記載の窒化珪素質焼結体からなる切削工具。