JPS59199579A - 耐摩耗性のすぐれたサイアロン基セラミツクス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、切削工具や耐摩耗工具などとして用いた゛
場合に著しくすぐれた耐摩耗性を示すサイアロン基セラ
ミックスに関するものである。

近年、切削工具用および耐摩耗工具用材料として、窒化
けい素（以下Ｓｉ３Ｎ４で示す）基セラミックスが注目
されているが、このセラミックスは、５ｉ３Ｎ４が共有
結合性の強い化合物であることから、焼結性が悪く、し
たがってその製造に際してはホットプレス法を用いる場
合が多く、この場合複雑な形状のものを製造することは
難しく、かつ生産性の低いものとなる。

さらに、Ｓｉ３Ｎ４よすも焼結性が高く、かつ耐熱衝撃
性および耐酸化性などにもすぐれた、β−８ｉ３Ｎ４格
子の８１の一部をＭで、Ｎの一部ｔｏで置換した化合物
、す々わち組成式。

５ｉ６−　ＺＭＺＯＺｌ（８−Ｚ（ただし０　（ｚ≦４
３）で表わされるβ−ザイアロン金主成分とするサイア
ロン基セラミックスを、切削工具や配摩耗工具として用
いる試みもなされているが、このサイアロン基セラミッ
クスは、靭性は高いものの、硬さがロックウェル硬さＡ
スケールで９２程度とあ捷り高くないため、所望の耐摩
耗性を示さないのが現状である。

そこで、本発明者等は、上述のような観点から、上記の
β−サイアロンを主成分とする従来サイアロン基セラミ
ックスに着目し、これ（て、これのもつ良好な焼結性を
損なうことなく、高硬度を伺与し、もってすぐれた耐摩
耗性を確保すへく研究を行々つだ結果、 （ａ）　　上記のβ−サイアロンと共（テ、α−３ｉ３
Ｎ４格子のＳｌの一部ｆｆ１ＡＡで、Ｎの一部を。で置
換し、さらに同格子間にＬｉ、　Ｎａ、　Ｃａ、　１φ
ｇ富および希土類元素のうちの１種寸たけ２種以上（以
下、これらの元素を総合してＭで示す）が侵入し固溶し
た構造をもつ化合物、すなわち組成式。

Ｍｘ（Ｓｉ、　ｕ）＋ｚ（ｏ、　Ｎ）＋６　（ただしｏ
＜Ｘ≦２）で表わされるα−サイアロンを共存させると
、この結果のセラミックスは、硬さが向上し、すぐれた
耐摩耗性をもつようになること。

なお、この場合α〜ザイアロンとβ−サイアロンの比率
（α／β）は、容量比で、２５／７５〜９５１５とする
のがよく、これは、α−サイアロンの割合が２５未満で
は硬さ向上効果が少なく、一方９５を越えた割合になる
と焼結性が低下するようになるという理由にもとづくも
のであること。

また、β−サイアロンは、上記のように組成式：　５ｉ
６−　ｚＭｚＯｚＮＢ−ｚで表わされ、Ｏ（ｚ≦４，３
の条件を満足する必要があり、これは、２の値が４．３
を越えた組成は存在しないという理由によるものである
が、この範囲内でも２が大きくなると、セラミックス中
に粗大な巣が発生しやすくなると共に、強度も低下する
ように々るのて、望件しくは０　（Ｚ≦２．０が好まし
いこと。

さらに、“α−サイアロンは、上記のように、組成式：
　Ｍｘ（Ｓｉ、　Ｍ）＋２　（０１Ｎ）１６で表わされ
、０〈Ｘ≦２の条件で存在するが、これ（はＸが２を越
えた組成になると、Ｍｋ格子間隙に侵入した状態で完全
に固溶させるととがてきないという理由にもとづくもの
であること。なお、α−サイアロンにおけるＳ１＋　Ａ
Ａ＋　　ＯおよびＮの比率は、Ｍの種類とＸの値により
変化し、正負の価数が等しくなるように定まるものと推
定されること。

（ｂ）　　上記（ａ）のα−サイアロンとβ−ザイアｏ
７とが共存するセラミックスに、分散相形成成分として
Ｔｉ、　Ｚｒ、およびＨｆの炭化物、窒化物、炭窒化物
、および炭窒酸化物のうちの１種寸たば２種以上（以下
、これらの化合物を総合してＳ、で示す）を含有させる
と、焼結時におけるサイアロンの粒成長が抑制されるよ
うになると共に、焼結性も向上するようになるので、セ
ラミックスの硬さはさらに向上し、削淳耗性も一層改善
されるように々る員。

な、１ｏ・、この場合８１の含有量は１〜４０容量％と
するのがよく、これは、その含有量が１容量係未ｐｉで
は所望の硬さおよび耐摩耗性向上効果が得られず、一方
４０容届％を越えて含有させると、焼結性が低下するよ
うに々ると共に、サイアロンのもつすぐれた例熱衝撃性
が損々われるようになるという理由によるものであるこ
と。

（Ｃ）　　上記（ｂ）のα−サイアロンとβ−サイアロ
ンが共存し、かつＳｌ　’ｆ金含有るセラミックスにお
いて、Ｓｌの１部を、Ｖ　、　Ｎｂ、　Ｔａ、およびＯ
ｒの炭化物。

窒化物、炭窒化物、および炭窒酸化物、並びにＭＯおよ
びＷの炭化物のうちの１種または２種以上（以下、これ
らの化合物全総合してＳ２で示す）で置換含有させると
、焼結時におけるサイアロンの粒成長がさらに一段と抑
制されるようになることから、硬さおよび強既のより一
層の向上がはがれるようになること。

なお、この場合ｓ２の置換含有割合、すなわちｓ２／　
（Ｓｌ　＋　８２　）は、０．０１〜０５とするのがよ
く、これは、その割合が０．０１未満でｆｄｓ２含有に
よる向上効果が得られず、一方その割合が０５を越える
と焼結性が劣化するようになるという理由によるもので
あること。

（ｄ）　　上記（ｂ）および（Ｃ１のセラミックスに、
結合相形成成分として、上記Ｍに含捷れる元素、上記分
散相形成成分としてのＳ、およびＳｚ’を構成する金属
元素、Ｓｌ、およびＭの酸化物および窒化物のうちの１
種または２種以上（以下、これらを総称して金属の酸・
窒化物という）全含有させると、これらの結合相形成成
分は、低融点を有し、したかって焼結時に液相を形成し
て焼結を促進し、かつ焼結後はサイアロンの粒界部にガ
ラス質または結晶質として存在するよつになることから
、セラミックスは十分に緻密化し、より高い強度をもつ
ようになること。

なお、この場合、上記結合相形成成分の含有量は、１〜
２０容量ヂとするのがよく、これは、その含有量が１容
量係未満では所望の高密度化全はかることかでさす、一
方２０容量係を越えて含有させるとセラミックスの強度
が低下するようになるという理由によるものであること
。

以」這ａ）〜（ｄ）に示される知見を得たのである。

この発明は、上記知見にもとづいて々されたものであっ
て、 （１）組成式　５ｉ６−　ｚ、Ｍ？ｚＯｚＮｇ−ｚ　（
ただし０　（ｚ≦４３）で表わされるβ−サイアロンと
、組成式゛Ｍｘ（Ｓｉ、Ｍ）’＋ｚ　（ｏ、　Ｎ）＋６
（ただしＯ（ｘ≦２）で表わされるα−サイアロンとを
主成分とし、このほかに、 分散相形成成分としてのＳｌ　：　１〜４ｏ容量係、結
合相形成成分としての金属の酸・窒化物：１〜２０容量
係、 を含有し、上記α−サイアロン／βサイアロンの容量比
が２５　／　７５〜９５１５の範囲にある耐摩耗性のす
ぐれたサイアロン基セラミックス。

（２）　　組成式：　５ｉ６−　ｚＡＡｚＯｚＮＢ−Ｚ
（ただしｏ＜ｚ≦４．３）で表わされるβ−サイアロン
と、組成式：Ｍｘ（Ｓｉ、　Ｍｈ２（０＋　Ｎ）＋６（
ただし０　（ｘ≦２）で表わされるα−サイアロンとを
主成分とし、このほかに、 分散相形成成分としての８１および８２１〜４０容量％
（ただし、容量比で、０．０１≦ｓ２／　（Ｓ、　＋８
２）≦０．５　　ン、 結合相形成成分としての金属の酸・窒化物、１〜２０容
量係、 を含有し、上記α−ザイアロン／β−ザイアロンの容量
比が２５／７５〜９５１５の範囲にある耐摩耗性のすぐ
れたサイアロン基セラミックス。

以上（１）および（２）のサイアロン基セラミックスに
特徴を有するものである。

また、この発明のセラミックスは、原料粉末として、 ■　Ｓｉ３Ｎ４粉末＋Ｍ２Ｏ３粉末＋ＭＮ粉末、■　Ｓ
ｉ３Ｎ４粉末＋８１０２粉末十ＭＮ粉末、■　Ｓｉ２Ｏ
Ｎ２粉末＋ＡｇＮ粉末、 以上■〜■のいずれかに組合せたαおよびβ−サイアロ
ン形成化合物粉末（ただし５１３ＮＪ’！、、α相含有
率の高いものが好ましい）、 α−サイアロンに固溶し、寸だ結合相も形成し得るＭの
酸化物および窒化物粉末、 分１１を相を形成するＳｌおよびＳ２の化合物粉末、並
びにこれらの２種以上の固溶体粉末、 さらに、結合相形成成分として、Ｓｌおよび８２を構成
する金属元素の酸化物粉末を用意し、これら原料粉末を
、所定組成に配合し、この場合β−サイアロンの組成式
から割算されるものよりＭおよびＮが多くなるように配
合し、混合し、ついで、この混合粉末を、１５５０〜１
８００℃の範囲内の温度でホットプレスするか、あるい
は前記混合粉末より成形した圧粉体全前記温度で焼結す
ることによって製造することができる。

なお、上記の焼結は、通常の状態で行なってもよいか、
この場合焼結後のセラミックスの表面変質層の厚みが厚
くなるので、圧粉体ｆｆ１ｓｉ３１’＋４粉末中に埋め
込んで焼結するのが好ましい。才だ焼結は、焼結中にＳ
ｉ３Ｎ４が分解するのを抑制するためにＮ２気とした方
が好寸しい。さらに、ｚ１メ四気圧カは、０、９気圧程
度でもよいが、１気圧が好ましく、さらに１気圧以上な
らば一層好ましいが、この場合には特別な焼結炉が必要
となる。丑だ、焼結温度は、上記のようＶＣＩ　５５０
−１８００　℃テ、］：イカ、好捷しくは１６５０〜１
７５０℃の範囲内の温度がよい。

さらに、焼結後のセラミックスに必要に応じて熱間静水
圧焼結を施すと、より一段と緻密化が進行するようにな
る。

つぎに、この発明のセラミックスを実施例により具体的
に説明する。

実施例　１ 原料粉末として、平均粒径：ｏ、８μ？２１の５１３１
り４（α相含有率：９ｏ容景渠）粉末およびＣａＯ粉末
、同０、６　ｐｍのα−Ｍ２０３粉末およびＭｇＯ粉末
、同１．５７１ｍの、ＵＮ粉末およびＴｉＮ粉末、いず
れも同１．．　ＯｆｉｍのＬｉ２Ｏ粉末、　　Ｎａ２Ｏ
粉末、およびＹ２Ｏ３粉末、同１．３　μ＋＋ｚのＴＩ
Ｃ粉末およびｚｒｃｏ、ｓＮｏ、ｓ（以下ＺｒＣＮで示
す）粉末、並びに同１．７μ２ｎのＨｆＣｏ、７Ｎｏ、
２０ｏ、ｔ　（以下ＨｆＣＮ０で示す）粉末を用意し、
これら原料粉末をそれぞれ第１表に示される配合組成に
配合し、湿式ボールミルにて７２時間混合した後、乾燥
し、ついでこの混゛合粉末をホットプレス用黒鉛型に充
填し、大気中、圧力　２００　Ｋｇ　／　ａｄ、　焼結
温度：　　１７００℃、保持時間：工時間の条件にてホ
ントプレス焼結することによって本発明セラミックス１
〜１゜および比較セラミックス１〜４をそれぞれ製造し
た。

なお、比較セラミックス１〜４は、いずれも構成成分の
うちのいずれかの成分含有量（第１表に※印を付したも
の）がこの発明の範囲から外れた組成金もつものである
。

この結果得られた本発明セラミックス１〜１゜および比
較セラミックス１〜４について、顕微鏡観察およびｘｉ
回折などにより組成を調べると共に、硬さくロックウェ
ル硬さＡスケール）ｌｌｌ定し、さらに、これより　Ｓ
　Ｎ　Ｇ　４３２に則した切削チップを切り出し、 被削材、チルドロール（ンヨア硬さ９０）、切削速度：
　５０７＋？　／　ｍｉｎ、切込み　０．５　ｍｍ、 送り　　０．１５　ｔｎｍ　／　ｒｅｖ、、切削時間：
　５　ｖａｉｎ、 の条件で高硬度υｊ鉄の切削試験を行ない、切刃の逃げ
面摩耗幅を測定した。これらの結果を第１表に示した。

第１表に示される結果から、本発明セラミックス１〜１
０は、いずれも高い硬さと、すぐれた耐摩耗性を示すの
に対して、比較セラミックス１〜４に見られるように、
構成成分のうちのいずれかの成分含有量がこの発明の範
囲から外れると、硬さが低いために欠損したり、耐摩耗
性の劣ったものになることが明らかである。

実施例　２ 反別粉末として、実施例１で用いたＳｉ３Ｎ４粉末。

Ａ、ｅＮ粉末、α−Ａｇ２０３粉末＋　Ｙ２Ｏ３粉末、
およびＺｒＣＮ粉末のほかに、平均粒径、０．５μｍの
Ｅｒ２０３粉末と、同１．６　ｐｔｎのＴｉｃ０３Ｎｏ
７（以下Ｔ　ｉ　ＣＮで示す）粉末およびＹＮ粉末を用
意し、これら原料粉末を、第２表に示される配合組成に
配合し、実施例１におけると同一の条件で混合し、乾燥
した後、ｌ　ｔｏｎβの圧力にて圧粉体にプレス成形し
、との圧粉体を、Ｓｉ３Ｎ４粉末中に埋め込んだ状態で
、１気圧の１匂雰囲気中、温度：１７２０℃に２時間保
持の条件で焼結することによって、本発明セラミックス
１１〜１５および比較セラミックス５〜７をそれぞれ製
造した。

この結果得られた本発明セラミックス１１〜１５および
比較セラミックス５〜７について、実施例１におけると
同様に組成および硬さを測定すると共に、これより　Ｓ
　ｘｑ　Ｇ４．３２の切削チップを切り出し 工具形状　直径１６０　ｍｍφのＤ　Ｎカッター、被削
材：Ｆｅ１２の幅１５０ｍｍＸ長さ４００　ｍｍの寸法
をもった鋳鉄角材、 切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ、 切込み：２瓢、 一刀当９の送ジ：０．１７ｍｍ１刃、 切削時間：　ｌ　ｈｒ、　。

切削状態　」１記ツノツタ−に切削チップ１枚を取りつ
け、ツノツタ−中心と被剛材の幅 の中心とを一致させて切削、 の条件で鋳鉄フライス切削試験を行ない、切刃の逃げ面
摩耗幅全測定した。これらの結果を第２表に示した。

第２表に示される結果から、本発明セラミックス１１〜
］５は、いずれも高い硬さとすぐれた耐摩耗性を示すの
に対して、組成がこの発明の範囲から外れた比較セラミ
ックス５〜７は、いずれも硬さおよび耐摩耗性の点で劣
るものであった。

実施例　３ 原料粉末として、実施例１で用いたＳｉ３Ｎ４粉末。

ＡβＮ粉末、α−Ｍ２０３粉末、Ｙ２Ｏ３粉末、さらに
実施例２で用いたＴ１ＣＮ粉末のほかに、いずれも平均
粒径　１，８μｏ＋、　を有するＶＣ粉末、　　ＺｒＮ
粉末、および（ｗ、Ｔｉ）ａｔ々固溶体（Ｗ　Ｃ／Ｔ　
ｊ、Ｃ／Ｔ　ｉ　Ｎ＝　６０／２５　／１５　。

重量比）粉末、いずれも同１５μＴｎの（Ｎ［、Ｔａ）
ＣＮＯ固溶体（重量比で、Ｎ　ｂ　Ｃ／Ｔ　ａ　Ｎ／Ｔ
　ａ○−７０／２９／１　）粉末およびＣｒ５（４粉末
、同１．２　ｐｍのＭ　Ｏ２Ｃ粉末を用意し、これら原
料粉末を、それぞれ第３表に示される配合組成（Ｃ配合
し、実施例１におけると同じ条件で混合し、乾燥した後
、ホットプレスの焼結温度を１６７０℃とする以外は同
じく同一の条件でホットプレス焼結することによって本
発明セラミックス１６〜２０および比較セラミックス８
゜９をそれぞれ製造した。

この結果得られた本発明セラミックス１６〜２０および
比較セラミックス８，９について、実施例１におけると
同様な条件で組成および硬さを測定すると共に、これよ
５　Ｓ　Ｎ　Ｇ　４３２の切削チップを切り出し、 被削材　５ＫＤ−６１の丸棒（硬さＨＲＣ５５）、切削
速度　１２０ｍ／ｍｌ７１、 切込み二〇、５つ、 送り　：　０．２　ｍｍ　／　ｒｅｖ、、切削油、水溶
性油を連続ふりかけ、 切削時間：１５ｍ＝、 の条件で焼入鋼の切ｑｔ＋試験を行ない、切刃の逃げ面
摩耗幅全測定した。これらの結果を第３表に示（−／・
−８寸だ、第３表には比較の目的で市販のＭ２Ｏ３基セ
ラミツクスの同一条件での試験結果も示した。

第：３表に示される結果から、本発明セラミックス１６
〜２０は、いずれも高い硬さとすぐれた耐ＪｌｌＩミ粍
１／−１１を示すのに対して、組成がこの発明の範囲か
ら外扛た比較セラミックス８，９および従来Δ１２２０
：＋基セラミックスは、特に切削試験における耐摩耗性
が劣るものであった。

上述のように、この発明のセラミックスは、高硬ｊνｔ
　Ｗ＝ｔし、かつ実用に際してはすぐれた耐摩耗性を示
すので、これを切削工具や耐摩耗工具などとして用いた
場合には著しく長期に亘ってすぐれた性能全安定的に発
揮するのである。

出願人　三菱金属株式会社 代理人　富　１）和　夫　外１名 ４５７一

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）組成式：　Ｓｉ６−ｚＭｚｏｚＮＢ−ｚ　（ただ
   し０　（ｚ≦４３）で表わされるβ−サイアロンと、組
   成式。 Ｍｘ（Ｓｉ、　Ｍ）＋ｚ（０，Ｎ）＋６　（ただし０　
   （Ｘ６２１Ｍ：Ｌｉ　、Ｎａ、　ｃａ、　Ｍｇ’：’＆
   希土類元素のうちの１種または２種以上を示す）で表わ
   されるα−サイアロンとを主成分とし、このほかに、 分散相形成成分としてのＴｉ、　Ｚｒ、およびＨｆの炭
   化物、窒化物、炭窒化物、および炭窒酸化物のうちの１
   種または２種以上二１〜４０゛容量俸と、結合相形成成
   分としての上記Ｍに含まれる元素。 上記分散相を構成する金属元素、Ｓｌ、およびＭの酸化
   物および窒化物のうちの１種または２種以上：１〜２０
   容量係、 を含有し、上記α−ザイアロン／β−サイアロンの容量
   比が２５／７５〜９５１５の範囲にあること全特徴とす
   る耐摩耗性のすぐれたサイアロン基セラミックス。
2. （２）組成式：　５ｉ６−　ｚＭｚＯｚＮＢ−Ｚ　（た
   だし０　＜　２≦４．３）で表わされるβ−サイアロン
   と、組成式。 Ｍｘ（Ｓｉ、　Ｍ）１ｚ（０，Ｎ）＋　ａ　（ただしＯ
   ＜Ｘ６２２Ｍ。 Ｌｉ、Ｎａ、。ａ、　Ｍｇ’Ｚ希土類元素。、ち。、種
   まえは２種以上を示す）で表わされるα−サイアロンと
   を主成分とし、このほかに、 分散相形成成分としてのＴｉ、　Ｚｒ、およびＨｆの炭
   化物、窒化物、炭窒化物、および炭窒酸化物のうちの１
   種または２種以上（以下これらｆ　Ｓｌで示す）と、Ｖ
   　、　Ｎｂ、　Ｔａ、およびＯｒの炭化物、窒化物。 炭窒化物、および炭窒酸化物、並びにＭＯおよびＷの炭
   化物のうちの１種または２種以上（以下これらを８２で
   示す）：１〜４０容量係（たたし、容量比で、０．０１
   ≦８２／　（ＳＩ＋　８２）≦０．５を満足すること）
   と、 結合相形成成分としての上記Ｍに含まれる元素。 」ユ記分散相のＳｌおよびｓ２’ｌ構成する金属元素、
   Ｓｌ。 およびＡ、ｅの酸化物および窒化物のうちの１種または
   ２７小以Ｊ−１〜２０容量係、 全含有し、上記α−サイアロン／β−サイアロンの容量
   比か２５　／　７５〜９５１５の範囲にあること全特徴
   とする耐摩耗性のすぐれたサイアロン基セラミックス。