JPS5934156B2 - アルミナ被覆した窒化アルミニウム焼結体 - Google Patents

アルミナ被覆した窒化アルミニウム焼結体

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JPS5934156B2
JPS5934156B2 JP52097509A JP9750977A JPS5934156B2 JP S5934156 B2 JPS5934156 B2 JP S5934156B2 JP 52097509 A JP52097509 A JP 52097509A JP 9750977 A JP9750977 A JP 9750977A JP S5934156 B2 JPS5934156 B2 JP S5934156B2
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    • B23B27/00—Tools for turning or boring machines; Tools of a similar kind in general; Accessories therefor
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    • B23B27/148—Composition of the cutting inserts
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は窒化アルミニウム焼結体の改良に係り詳しくは
窒化アルミニウムを主体とするセラミック焼結体の高速
切削用工具その他の用途に関する改良に係る。
窒化アルミニウム（ＡＩＮ）の焼結体は熱伝導率及び熱
衝撃強度が高く、しかも熔融金属に対する耐食性にすぐ
れているため各種耐熱材料として注目されている。
そのうち特に切削工具としての応用は、アルミナ系焼結
体に比してＡＩＮの硬さは一般には７０以下（ロックウ
ェル４５Ｎ）本発明と同一発明者による特開昭５０年第
１５１７０４号の改良ＡＩＮ焼結体において最高８５で
ある。一方アルミナ系では同硬さは８８〜９２を示す。
このためにＡＩＮ焼結体からなるセラミック工具では高
速切削における耐摩耗性に問題があるのと、さらにＡＩ
Ｎは水蒸気共存下において加熱されると不安定となる性
質があること等の理由から切削工具としては今だ成功し
ていない。またＡＩＮ焼結体は絶縁性は良好であり、前
述の水（水蒸気）に対する高温耐食性の改良により、切
削工具としての外各種の分野への応用も可能となり、特
に高温耐熱機械要素の類、ガスタービン等の部品、各種
高温用絶縁基材等に有効に利用可能となるものである。
本発明は、これらの欠点を除去することを課題とするも
のであり、この課題は、窒化アルミニウムを主体とする
セラミック焼結体の表面に粒径２．５μ以下の微細結晶
アルミナから成る被覆層を形成することにより達成され
る。
以下本発明について詳述する。
即ち本発明は、ＡＩＮを主体とするセラミック焼結体を
基材としその表面にアルミナの薄層を形成するものであ
るが、このアルミナ薄層形成はアルミナを化学気相蒸着
（ＣＶＤ）によりＡＩＮ表面に析出させて行うことがで
きる。
ここに用いるアルミナは平均結晶粒径２．５μ以下とす
ることにより切削工具としての摩耗を減少させることが
できることが本発明により明らかになつた。
好ましくはアルミナ平均粒径は１μ以下であるとより良
好な被覆が得られる。前記のアルミナ化学気相蒸着（Ｃ
ＶＤ）は、例えば１０００〜１１００℃に加熱したＡＩ
Ｎ焼結体を装填した反応容器中にＡｌＣｌ３．ＣＯ２，
Ｈ２場合により更にＣＯの混合ガスを流入して容易に行
うことができる。
この処理温度は９００〜１３００℃の間で条件に応じて
選択するが、余り高温になるとアルミナの平均粒子径が
粗大化し緻密さが失われる傾向があり、比較的低温域で
長時間処理することが望ましい。
ここにアルミナ被膜の厚さは、形成された平均結晶粒に
も関係するが、切削用工具としての適当な範囲は３〜２
０μである。
この範囲とはアルミナの耐摩耗性が発揮されかつ、切削
時において表面層に過度に急な温度勾配を生じることに
より熱クラツクを生じない程度の厚さの範囲をいう。但
し切削工具以外の目的に供する場合には、夫々の目的・
特性に応じて厚さを選択することができる。前記ＣＶＤ
による反応は次式、によつて生ずるが、この際ＡＩＮ基
材とアルミナ被膜の接触面においてはＡＩＯＮが形成さ
れることもあることが×線回折による結晶の同定及び×
線マイクロアナライザーによる線分析で認められた。
本発明は従つてＡＩＯＮ（７）極く薄い中間層の存在を
必ずしも排除しない。蓋し、ＡＩＮ焼結体表面のＮが次
式、によりアルミナの析出と同時に生じうるからである
。
なお本発明のアルミナ薄膜析出は前記ＣＶＤの外ＰＶＤ
（物理蒸着法）、スパツタリング等によつても可能であ
る。
また本発明に用いるＡＩＮ焼結体としては、ＡＩＮｌＯ
Ｏ容量部に対し、ＭＯ，Ｗのいずれか若しくは両者を金
属又は炭化物の形においてその金属換算総量で３０容量
部以内含有するＡＩＮ焼結体、または微量の−０３又は
ＳｉＯ２を含有して成る公知のＡＩＮ焼結体を用いるこ
とができる。
このいずれの場合にも、ＡＩＮ焼結体は、その密度がＡ
ＩＮの理論密度の９５％以上あることが本発明の目的を
効果的に実現する。即ち、ＡＩＮ焼結体の優れた特性と
して熱伝導率があるが、この熱伝導率は、焼結体の密度
は本発明によれば第３図に示すようにＡＩＮ焼結体の相
対密度（理論密度に対する密度％）９５％以上では、相
対密度に比例して増大する。第１図は、０〜０．１５容
量部のＭＯをＡＩＮＩＯＯ部に対し含むＡＩＮ焼結体の
相対密度と硬さ（ロツクウエル４５Ｎ）及び熱伝導率（
Ｃａｌ／儂Ｓｅｃ℃）との関係を示す。ここに容量部と
は各成分の理論容積比を言うものとする。この第１図は
、平均粒径２μのＡＩＮ粉末をカーボン型内に充填し、
Ｎ２雰囲気中２５０ｋ９／ｄの圧力で１７５０℃１時間
のホツトプレスを行つて得た試料についての測定結果で
ある。高速切削工具としての用途目的のためには、この
第３図から明らかな如く、ＡＩＮ焼結体の相対密度９７
％で熱伝導率０．０９ｃａ１／ＣＴｎｓｅｃ℃を示し、
硬さ（４５Ｎ）も７２を示すので９７％以．ヒの相対密
度が好ましく、最も好ましくは、相対密度９９％以上の
範囲である。
特に高速切削工具としては良好な熱伝導率が高い硬度と
共に要求されるからである。因みにＡｌ２Ｏ３焼結体の
熱伝導率は最高約０．０５ｃａ１／Ｃ！ＴＬ− ＳｅＣ
℃であるさ但し、他の目的に供する場合には、ＡＩＮ焼
結体は必ずしも上述の切削工具に対する要求に従う必要
はない。
ＡＩＮ焼結体の焼結方法としては、種々の方法が知られ
ているが、高密度を得るにはホツトプレス法、熱間静水
圧法などの加圧焼結が好ましく、添加物はＭＯ，Ｗ，Ｍ
Ｏ２Ｃ，ＷＣ，Ｙ２Ｏ３，ＳｉＯ２等があり、これらの
添加物は焼結体の熱伝導度を損わない範囲とすることが
好ましい。
後記の第１表及び第２表から明らかな如く、Ａｌ２Ｏ３
被覆したＡＩＮ焼結体はその高速切削寿命が極めて優れ
ているが、その理由は優れた熱伝導度のＡＩＮ焼結体を
基材としているため刃先に熱の集中がなく、そのために
アルミナ層の硬度は切削中において高く維持されうるた
めと考えられる。
以下本発明の実施例を記す。
平均粒径２μの市販のＡＩＮｌＯＯ容量部に対し平均粒
径０．７μのＷＣを１．０容量部配合し、充分混合した
後黒鉛型内に充填し、窒素雰囲気中、２５０ｋ９／ＣＴ
ｉｌの圧力で１７５００Ｃ１時間のホツトプレスを行つ
て厚さ５ｍ１Ｌ１面積１００ｍ１Ｌ×１００詣の板を得
た。
ここから１２．７×１２．７Ｘ４．８ｕ７１の四角チツ
プ（ノーズＲＯ．８ｍｌＬｌ面取リチヤンフア一量０．
０５ｍｍ）をダイヤモンドホイールによつて切出し、成
型した。
このＡＩＮ成型体をステンレス製反応容器５中に装填し
、加熱炉６内で約１１００℃に加熱した後ガスボンベ３
ａ，３ｂ，３ｃからＨ２，ＣＯ及びＣＯ２ガスを供給し
、ＡｌＣｌ，蒸発装置４を経てＡｌＣｌ３８％、ＣＯ３
Ｏ％、ＣＯ２３％及び鴇５９％の混合ガスとして４時間
流入した。
また反応容器は真空ポンプ７により２０−３０Ｔ０ｒｒ
に保つた。この結果厚さ３．０μのＡｌ２Ｏ３結晶層が
析出しアルミナ結晶の平均粒径は１．１μとなつた。こ
のようにして得られたチツプ、及びＡｌ２Ｏ３被覆を行
わないＡＩＮのチツプ、市販のＡｌ２Ｏ３セラミツク工
具（平均結晶粒径３．４μ）の３者について旋盤による
切削試験を以下の如く行つた。
第１表から明らかな如く、Ａｌ２Ｏ３被覆なしのＡＩＮ
焼結体は市販アルミナ工具よりもはるかに劣るが、本発
明のＡｌ２Ｏ３被覆ＡＩＮ焼結体は特に３００ｍ／―の
切削において従来の市販アルミナ工具をはるかに凌ぐ成
績を収めた。１２０（！）Ｘ２Ｏｌの材料を１００ケ外
周削りした後のＢで比較した。
チツプの刃先は０．０５ｍｍのホーニング。切削結果を
第２表に示す。第２表に示す如く、高速切削においては
、本発明にかかるＡｌ２Ｏ３被覆したＡＩＮ焼結体は極
めて優れた寿命を示す。
以上詳述の如く、本発明に係るＡｌＮ焼結体は切削工具
として優れた特性を有するが、その他ダイス、シヤフト
、軸受、ボールベアリング、メカニカルシールリング等
各種の高耐熱・高耐摩耗性を要する部材として使用され
るものである。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明のアルミナ被覆を有するＡＩＮ焼結体を
図式的に示す。 １・・・・・・ＡＩＮ焼結体、２・・・・・・アルミナ
被覆。 第２図はアルミナ被覆を施す工程のＣＶＤ法による一実
施例を示す。第３図はＭＯを含むＡＩＮ焼結体の相対密
度（％一横軸）と熱伝導率（Ｃａｌ／（１７７！・Ｓｅ
ｃ℃左縦軸）及び硬さ（ロツクウエル４５Ｎ、右縦軸）
との関係を示す。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 窒化アルミニウム焼結体の表面に平均粒径２．５μ
    以下のアルミナ結晶を被覆することを特徴とする窒化ア
    ルミニウム焼結体。 ２ 前記窒化アルミニウム焼結体が窒化アルミニウム１
    ００容量部に対しＭｏ，Ｗのいずれか若しくは両者を金
    属又は炭化物の形においてその金属換算総量で３．０容
    量部以内含有することを特徴とする特許請求の範囲第１
    項記載の窒化アルミニウム焼結体。 ３ 前記窒化アルミニウム焼結体が微量のＹ＿２Ｏ＿３
    又はＳｉＯ＿２を含有して成ることを特徴とする特許請
    求の範囲第１項記載の窒化アルミニウム焼結体。 ４ 前記窒化アルミニウム焼結体がその理論密度の９５
    ％以上の密度を有することを特徴とする特許請求の範囲
    第１項、第２項又は第３項記載の窒化アルミニウム焼結
    体。
JP52097509A 1977-08-16 1977-08-16 アルミナ被覆した窒化アルミニウム焼結体 Expired JPS5934156B2 (ja)

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