JPS59232968A - 切削工具用複合炭窒化物固溶体系セラミックスおよびその製造法 - 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、高硬度および高靭性を有し、特にこれらの
特性が要求される鋼や鋳鉄などの高速切削などに切削工
具として用いた場合にすぐれた切削性能を発揮する炭窒
化物系セラミックス、およびその製造法に関するもので
ある。

一般に、切削工具の分野では、近年生産性向上のために
速い切削速度での切削加工が要望される傾向にあるが、
例えば炭化タングステン基超硬合金や、炭化チタン基サ
ーメットなどの硬質焼結材料は、すぐれた靭性をもつも
のの、耐摩耗性が十分でないために、高速切削などの苛
酷な条件下での使用に際しては、満足する切削寿命を示
さないものである。

そこで、高硬度、すなわち十分な耐摩耗性を有する酸化
アルミニウム全主体としたセラミックス焼結材料を、上
記の分野で使用する試みもなされているが、これらの酸
化物系セラミックスは反対に靭性に劣るものであるため
に、その用途が限ら基セラミックス焼結材料が注目され
ている。しかし、この材料の場合、窒化けい素が共有結
合性の強い化合物であることから、焼結が難しく、この
ため、その製造に際してはホットプレス法を用いること
が多い。しかし、ホットプレス法を用いた場合、緻密な
焼結材料が得られるものの、複雑な５− 形状の焼結材料は製造不可能であし、かつ生産性の低い
ものとなる。

さらに、窒化けい素よシも焼結性が高く、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Ｓｉの一部をＭで、Ｎの一部を０で置換し良化合物
、すなわち組成式： Ｓｉ　ｆｉ−２Ｍｚｏ□Ｎ　８−Ｚ　（ただしＯ＜　ｚ
≦４゜３）。

で表わされるβ−サイアロンを主成分とするサイアロン
基セラミックス焼結材料を、切削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焼結
材料を鋼および鋳鉄などの高速切削に用いると、構成成
分のＳｉと被削材中のＦｅとの反応性が高いために、切
刃における逃げ面摩耗およびすくい面摩耗とも著しく発
達してしまい、十分満足する耐摩耗性（切削寿命）を示
さないのが現状である。

しかして、本発明者等は、」二連のような観点から、ホ
ットプレス法などによらずに、通常の焼結条件で、高強
度と高靭性を兼ね備え、特にこれらの特性が要求される
鋼や鋳鉄などの高速切削など６一 に切削工具として用いた場合にすぐれた切削性能を発揮
する材料を製造すべく研究を行なった結果、■　Ｔｉと
Ｗの複合炭窒化物固溶体（以下、（Ｔ１゜Ｗ）ＣＮで示
す）粉末、 ■　Ｚｒ、　Ｈｆ、　Ｖ、　Ｎｂ、およびＴａのうちの
１種または２種以上と、Ｔｉと、Ｗの複合炭窒化物固溶
体（以下、（Ｍｌ、Ｔｉ、Ｗ）Ｃ！Ｎで示す、したがっ
てＭｌはＺｒ、　Ｈｆ、　Ｖ、　Ｎｂ、およびＴａのう
ちの１種または２種以上を示す）粉末、 ■　Ｔｉと、　ＯｒおよびＭＯのうちの１種または２種
と、Ｗの複合炭窒化物固溶体（以下、（Ｔｉ　１　’　
Ｍｚ　＋Ｗ’）ＯＮで示す、したがってＭｚはＯｒおよ
びＭｏのうちの１種または２種を示す）粉末。

■　Ｍｌと、　Ｔｉと＋Ｍ２と、Ｗの複合炭窒化物固溶
体Ｃ以下、（Ｍｌ、　Ｔｉ、　Ｍｚ、　Ｗ　）　ＯＮで
示す）粉末、以上■〜■のうちのいずれか１種に、 ＭｇおよびＯａの酸化物（以下、ＭｇＯおよびＯａＯで
示す）の粉末のうちの１種または２種二０．５〜１０重
量係（以下係は重量係を示す）と、ｕ、ｙ、およびＺｒ
の酸化物（以下、Ａ＋＋２０３゜Ｙ２Ｏ３，およびＺｒ
Ｏ２で示す）の粉末のうちの１種または２種以上：１〜
１０係、 とを配合してなる混合粉末よシブレス成形した圧粉体を
、非酸化性雰囲気にて、１７００〜２１００℃の範囲内
の所定温度で焼結を行なうと、焼結時に、前記のＭｇＯ
およびＣａＯ粉末の大半が分解し、この結果の分解生成
０２と、前記複合炭窒化物固溶体粉末中の炭素とが反応
することから、前記複合炭窒化物固溶体中の炭素が減少
すると同時に、活性なＷが析出するよう（／ｉ：なシ、
この析出Ｗによって焼結が著しく促進されるようになる
と共に、上記のように大半は焼結中に分解・反応してし
まうが、残存した０、０１〜１係のＭｇＯおよびＣａＯ
が複合炭窒化物固溶体、並びにＭ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、お
よびＺｒＯ２の粒成長を抑制することから、得られたセ
ラミックスは緻密で高強度をもったものになシ。

さらに、この結果のセラミックスにおいては。

複合炭窒化物固溶体が、 ■　ＴｉとＮに富む相と、ＷとＣに富む相。

■　Ｍ、と、　Ｔｉと、Ｎに富む相と、ＷとＣに富む相
。

■　Ｔ１とＮに富む相と、Ｍｚと、Ｗと、Ｃに富む相。

■　Ｍｌと、　Ｔｉと、Ｎに富む相と％Ｍ２と、Ｗと。

Ｃに富む相。

以上■〜■のいずれかの２相構造組織をもつようになる
ことから・高硬度と高靭性、すなわちすぐれた耐摩耗性
と高抗折力をもったものになシ、かつ微細均一に分散し
たＡｇ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、およびＺｒＯ２によって、一
段とすぐれた耐酸化性および耐摩耗性をもつようになる
という知見を得たのである。

この発明は、上記知見にもとづいてなされたものであっ
て、 （１）　　ＭｇＯおよびＯａＯのうちの１種または２種
＝０．０１〜１　係。

Ｍ２Ｏ３＋　Ｙ２Ｏ３、およびＺｒＯ２のうちの１種ま
たは２種以上：１〜１０係を含有し、 残シが（Ｔｉ、Ｗ）ＯＮおよび不可避不純物からなる組
成を有すると共に、前記（Ｔｉ、　Ｗ　）　ＯＮが、９
− Ｔ１とＮに富む相と、ＷとＣに富む相の２相構造組織を
もつ切削工具用炭窒化物系セラミックス。

（２）　　ＭｇＯおよびＣａＯのうちの１種または２種
＝０．０１〜１係、 Ｍ２Ｏ３，Ｙ２Ｏ３，およびＺｒＯ２のうちの１種また
は２種以上：１〜１０係を含有し、 残シが（Ｍｌ、　Ｔｉ、　Ｗ　）　ＯＮおよび不可避不
純物からなる組成を有すると共に、前記（Ｍｉ、Ｔｉ、
Ｗ）・ＣＮが、Ｍｌと、　Ｔｉと、Ｎに富む相と、Ｗと
Ｃに富む相の２相構造組織をもつ切削工具用炭窒化物系
セラミックス。

（３）　　ＭｇＯおよびＯａＯのうちの１種または２種
二０．０１〜１係、 Ｍ２Ｏ３１Ｙ２Ｏ３＋およびＺｒＯ２のうちの１種また
は２種以上＝１〜１０優を含有し、 残りが（Ｔ１．Ｍｚ、ｗ）ｃＮおよび不可避不純物から
なる組成を有すると共に、前記（Ｔｌ　＋　Ｍｚ　＋　
Ｗ　）・ＯＮが、ＴｉとＮに富む相とｈＭ２と、Ｗと、
Ｃに富む相の２相構造組織をもつ切削工具用炭窒化物系
セラミックス。

１０− （４）　　ＭｇＯおよびＣａＯのうちの１種または２種
：０．０１〜ｌ係、 ＡｊｈＯ３，Ｙ２Ｏ３、およびＺｒＯ２のうちの１種ま
たは２種以上：１〜ｌＯ係を含有し、 残シが（Ｍｌ、　Ｔｉ、　Ｍｌ、　Ｗ　）　ＣＮおよび
不可避不純物からなる組成を有すると共に、前記（Ｍｌ
　ｔ　Ｔｉ＋Ｍ２．Ｗ）Ｃ！Ｎが、Ｍ】、！：　、　Ｔ
ｉと、　ＮｖＣ富む相（！：　％　Ｍｌと、Ｗと、ＯＫ
富む相の２相構造組織をもつ切削工具用炭窒化物系セラ
ミックス。

（５）■（Ｔｉ、Ｗ）ＯＮ粉末、 ■（Ｍｌ、　Ｔｉ、　Ｗ　）　ＯＮ粉末、■（Ｔｉ、　
Ｍｌ、　Ｗ　）　ＯＮ粉末、■（Ｍ、、　Ｔｉ、　Ｍｌ
、　Ｗ　）　ＯＮ粉末、以上■〜■のうちのいずれかの
粉末に、ＭｇＯ粉宋およびＣａＯ粉末のうちの１種また
は２種：０．５〜１０係と。

Ｍ２Ｏ３粉末、Ｙ２Ｏ３粉末、およびＺｒＯ２粉末のう
ちの１種または２種以上＝１〜１０係、 を配合してなる混合粉末よシブレせ形した圧粉体を、非
酸化性雰囲気中、１７００〜２１００℃の範囲内の温度
で焼結することを主要工程とする切削工具用炭窒化物系
セラミックスの製造法。

以上（１）〜（５）に示す切削工具用炭窒化物系セラミ
ックスおよびその製造法に特徴を有するものである。

つぎに、この発明のセラミックスおよびその製造法にお
いて、　ＭｇＯおよびＣａＯの配合量および含有量、並
びに焼結温度全上記の通りに限定した理由を説明する。

（ａ）　　ＭｇＯおよびＣａＯの配合量および含有量こ
れらの成分は、上記のように焼結時に、その大半が分解
し、複合炭窒化物固溶体と反応して焼結性を促進し、か
つそのわずかな量がセラミックス中に残存して複合炭窒
化物固溶体相、並びに、１’ＪＪ２０ｓ　＋　Ｙ２Ｏ３
＋およびＺｒＯ２からなる酸化物相の粒成長を抑制し、
もってセラミックス全緻密化し、かつ強化する作用をも
つが、その配合量が０．５％未満では所望の焼結性改善
効果が得られないばかシでなくセラミックス中に残存す
る量が０．０１％未満となってしまって所望の粒成長抑
制効果が得られず、一方、その配合量が１０％を越える
と、セラミックス中の残存量が１係を越えて高くなって
しまい、セラミックス中に多量の巣が発生し、靭性およ
び耐欠損性の劣化が著しくなることから、その配合量を
０．５〜ｌＯ係、含有量を０．０１〜１係と定めた。

（ｂ）　　Ａｆｌｉ２０３　、　Ｙ２Ｏ３、およびｚｒ
０２ノ配合量オヨび含有量 これらの成分には、微細均一に分散してセラミックスの
耐酸化性および耐摩耗性を一段と向上させる作用がある
が、その配合量、すなわち含有量が１係未満では前記作
用に所望の改善効果がみられず、一方ｌＯ係を越えた配
合量、すなわち含有量になると、セラミックスの靭性お
よび耐欠損性が低下するようになることから、その配合
量、すなわち含有量を１〜１０係と定めた。

（Ｃ）焼結温度 その温度が１７００℃未満では、ＭｇＯおよびＯａＯの
分解が十分性なわれず、したがって焼結性の改善を期待
することはできず、しかもＭｇＯおよびＣａＯの多くが
セラミックス中に残存するようにな一１３＝ つてセラミックスの靭性および耐欠損性が低下するよう
になシ、一方、その温度が２１００℃を越えると、Ｍ２
Ｏ３，Ｙ２Ｏ３，およびＺｒＯ２もＭｇＯおよびＯａＯ
と同様に分解してし１うことから、セラミックスの耐酸
化性および耐摩耗性の一段の向上効果が期待できなくな
るばかりでなく、靭性および耐欠損性も低下するように
なることから、焼結温度を１７００〜２１００℃と定め
た。

なお、この発明の複合炭窒化物固溶体、すなわち（Ｍｌ
、Ｔｉ、　Ｗ）ＯＮ、　（Ｔｉ、Ｍｌ、　Ｗ）ＯＮ、お
よび（Ｍ１＋　’Ｉ’ｉ、　Ｍｌ、　Ｗ　）　ｃ　Ｎに
関して、Ｍｌは（Ｔｉ。

ｗ）ａＮにおけるＴｉの一部を１０〜４０原子係の範囲
内で置換した形で含有するのが望ましく、この場合Ｍ１
がＺｒおよびＴ（ｆであれば、セラミックスの耐摩耗性
が一段と向上するようになり、またＭｌがＶ、Ｎｂ、お
よびＴａであれば、靭性および耐欠損性が一層向上し、
さらにＭｌは同じ＜（Ｔｉ、Ｗ）ｌ：！ＮにおけるＷの
一部を１０〜３０原子係の範囲内でＯｒおよびＭＯで置
換した形で含有するのが望ましく、これによって焼結性
が一段と向上するようになる１４− のである。

つぎに、この発明のセラミックスおよびその製造法を実
施例により具体的に説明する。

実施例 原料粉末として、それぞれ第１表に示される組成式（括
弧内数字は原子比を示す）をもち、かついずれも平均粒
径が１μｍの各種の複合炭窒化物固溶体粉宋、平均粒径
：０．５μｍのＭ２Ｏ３粉末。

同Ｑ、５μｍのＹ２Ｏ３粉末、同０．５μｍのＺｒ　０
２粉宋。

同０．４ｐｍのＭｇＯ粉末、および同０．５１１ｍのＯ
ａＯ粉末を用意し、これら原料粉末を同じく第１表に示
される配合組成に配合し、ボールミルにて７２時間湿式
粉砕混合し、乾燥した後、１５Ｋｐ／−の圧力にて圧粉
体にプレス成形し、ついでこの圧粉体を同じく第１表に
示される条件にて焼結することによって同じく第１表に
示される成分組成をもった本発明セラミックス１〜３３
および比較セラミックス１〜６をそれぞれ製造した。

なお、比較セラミックス１〜Ｇは、いずれも配合組成（
最終成分組成）および焼結温度のうちのいずれかの条件
（第１表に※印を付したもの〕がこの発明の範囲から外
れた条件で製造されるものである。

ついで、この結果得られた本発明セラミックス１〜３３
および比較セラミックス１〜６について、耐摩耗性を評
価する目的でビッカース硬さを、また靭性を評価する目
的で抗折力を測定し、さらにＡＳＴＭ規格に則したボア
発生状態全観察した。

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１〜３
３ば、いずれも高硬度および高靭性を有すると共に、緻
密な組織を有するのに対して、比較セラミックス１〜６
に見られるように、配合組成（成分組成）および焼結温
度のうちのいずれかでもこの発明の範囲から外れると、
硬さおよび靭性の劣ったものになシ、しかもボア発生の
多いものとなることが明らかである。なお、比較セラミ
ックス３は、本発明セラミックス１〜３３と同様に複合
炭窒化物固溶体が２相構造組織をもつものであったが、
比較セラミックス１，２，４，５゜および６は、いずれ
も複合炭窒化物固溶体が１相組織をもつものであった。

また、上記本発明セラミックス１〜３３および比較セラ
ミックス１〜６ｖＣついて、 チップ形状：　５ＮＰ４３２（ホーニング：０．２×２
５°）、被削材：　ＳＮＣ！Ｍ−１３（硬さ：　ＨＢ２
４０　）の丸棒、切削速度：４００ｍ１ｍ１ｎ、 送シ：０．２閣／　ｒｅｖ、％ 切込み−１，５聾、 切削時間：１０ｍ１ｎ、 の条件での鋼連続高速切削試験、およびチップ形状：　
５ＮＰ４３２（ホーニング：０．１ｘ２５°）、被削材
：　Ｆ　ｃ　２５（硬さ：ＨＢ１５０）の角材、切削速
度：５００ｍ７’ｍｍ、 送　り　　：　　　０．　２　５　　ｉｎ／　　ｒｅｖ
、　　　、切込み；３謳、 切削時間：１０ｍｍ、 の条件での鋳鉄断続高速切削試験を行ない、前者の切削
試験では耐摩耗性を評価する目的で切刃の逃げ面摩耗幅
全測定し、また後者の切削試験では靭性および耐欠損性
を評価する目的で１０個の切刃について試験を行ない、
欠損発生切刃数（欠損切刃数／試験切刃数）をチェック
した。これらの結果を第２表に示した。また、第２表に
は、比較の目的で市販のＭ２Ｏ３−３０１Ｔｊ、Ｃセラ
ミックス（従来セラミックス１という）およびＳｉ３Ｎ
４−１０％Ｍ２Ｏ３−５％ＡｔＮセラミックス（従来セ
ラミックス２という）の同一条件による切削試験結果も
示した。

第２表に示される結果から、本発明セラミックス１〜３
３は高硬度および高靭性を有するので、硬さおよび靭性
の劣る比較セラミックス１〜６および特に靭性の劣る市
販セラミックスに比して、きわめてすぐれた耐摩耗性お
よび耐欠損性を示すことが明らかである。

上述のように、この発明の方法によれば、高硬度および
高靭性を有し、かつ緻密な炭窒化物系セラミックス全ホ
ットプレスなどの方法を用いることなく製造することが
でき、しかもこの結果の炭窒化物系セラミックスを鋼お
よび鋳鉄などの高速切削などに切削工具として用いた場
合には著しぐ長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮する
など工業上有用な効果が得られるのである。

出願人　三菱金属株式会社 代理人　富　１）和　夫　外１名 ２５−

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　ＭｇおよびＣａの酸化物のうちの１種または
   ２種：０．０１〜１重量係・ Ａｇ、Ｙ、およびＺｒの酸化物のうちの１種または２種
   以上：１〜１０重量ｔｌＩを含有し、残シがＴｉと、Ｗ
   の複合炭窒化物固溶体および不可避不純物からなる組成
   を有すると共に、前記複合炭窒化物固溶体が、Ｔ１とＮ
   に富む相と、ＷとＣに富む相の２相構造組織をもつこと
   を特徴とする切削工具用炭窒化物系セラミックス。
2. （２）　　ＭｇおよびＣａの酸化物のうちの１種または
   ２種：０．０１−１重量係、 ｕ、ｙ、および、Ｚｒの酸化物のうちの１種または２種
   以上：１〜１０重量係全含有し、 残りが、Ｚｒ、　Ｈｆ、　Ｖ、　Ｎｂ、およびＴａのう
   ちの１種または２種以上と、　Ｔｉと、Ｗの複合炭窒化
   物固溶体および不可避不純物からなる組成を有すると共
   に、前記複合炭窒化物固溶体が、Ｚｒ、　Ｈｆ、　Ｖ　
   、　Ｎｂ。 およびＴａのうちの１種または２種以上と、Ｔ１と。 Ｎに富む相と、ＷとＣに富む相の２相構造組織をもつこ
   とを特徴とする切削工具用炭窒化物系セラミックス。
3. （３）　　ＭｇおよびＣａの酸化物のうちの１種または
   ２種：０．０１〜１重量係。 Ａｇ、Ｙ、およびＺｒの酸化物のうちの１種または２種
   以上：１〜１０重量係重量布し、 残りがＴ１と、　ＯｒおよびＭＯのうちの１種または２
   種と、Ｗの複合炭窒化物固溶体および不可避不純物から
   なる組成を有すると共に、前記複合炭窒化物固溶体が、
   ＴｉとＮに富む相と、ＣｒおよびＭＯのうちの１種また
   は２種と、Ｗと、Ｃに富む相の２相構造組織をもつこと
   を特徴とする切削工具用炭窒化物系セラミックス。
4. （４）　　ＭｇおよびＯａの酸化物のうちの１種または
   ２種：０．０１〜１重量係、 Ａ６．Ｙ、およびＺｒの酸化物のうちの１種または２種
   以上：１〜１０重量％を含有し、 残シが、Ｚｒ、　Ｈｆ、　Ｖ　、　Ｎｂ、およびＴａの
   うちの１種または２種以上と、Ｔ１と、　ＯｒおよびＭ
   Ｏのうちの１ｍまたは２種と、Ｗの複合炭窒化物固溶体
   および不可避不純物からなる組成含有すると共に、前記
   複合炭窒化物固溶体が、Ｚｒ、　Ｈｆ、　Ｖ　、　Ｎｂ
   、およびＴａのうちの１種または２種以上と、Ｔ１と、
   Ｎに富む相と、ＯｒおよびＭｏのうちの１種または２種
   と、Ｗと、Ｃに富む相の２相構造組織をもつことを特徴
   とする切削工具用炭窒化物系セラミックス。
5. （５）■　ＴｉとＷの複合炭窒化物固溶体粉末。 ■　Ｚｒ、　Ｈｆ、　Ｖ　、　Ｎｂ、およびＴａのうち
   の１種または２種以上と、Ｔｉと、Ｗの複合炭窒化物固
   溶体粉末、 ■　Ｔ１と、　ＯｒおよびＭｏのうちの１種または２種
   と、Ｗの複合炭窒化物固溶体粉末、 ■　Ｚｒ、　Ｈｆ、　　Ｖ　、　Ｎｂ、およびＴａのう
   ちの１種または２種以上と、Ｔｉと、　ＣｒおよびＭＯ
   のうちの１種または２種と、Ｗの複合炭窒化物固溶体粉
   末、以上■〜■のうちのいずれかの複合炭窒化物固溶体
   粉末に、 ＭｇおよびＣａの酸化物粉末のうちの１種または２種二
   ０．５〜１０重量係と、 Ａ６．Ｙ、およびＺｒの酸化物粉末のうちの１種または
   ２種以上：１〜１０重量係。 全配合してなる混合粉末よシブレス成形した圧粉体を、
   非酸化性雰囲気中、１７００〜２１００℃の範囲内の温
   度で焼結することを特徴とする切削工具用炭窒化物系セ
   ラミックスの製造法。