JPS6246513B2

JPS6246513B2 -

Info

Publication number: JPS6246513B2
Application number: JP57183553A
Authority: JP
Inventors: Taijiro Sugisawa; Teruyoshi Tanase
Original assignee: Mitsubishi Metal Corp
Current assignee: Mitsubishi Metal Corp
Priority date: 1982-10-19
Filing date: 1982-10-19
Publication date: 1987-10-02
Also published as: JPS5973472A

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は、すぐれた耐摩耗性、耐熱衝撃性、
および高温強度を有し、特にこれらの特性が要求
される鋼および鋳鉄の高速切削に切削工具として
使用した場合にすぐれた切削性能を発揮するサイ
アロン系セラミツク材料に関するものである。近年、鋼および鋳鉄の高速切削を可能とすべく
種々の研究開発が試みられ、なかでも工作機械の
高剛性化と切削工具材料の改善の両面から、これ
ら被削材の高速切削への移行は着々と達成されつ
つあり、現時点では300〜600ｍ／minの高い切削
速度での安定した切削が１つの目標とされてい
る。なお、上記の300〜600ｍ／minの高い切削速度
は、高速切削時に発生する熱に対してすぐれた耐
酸化性を示すと共に、Feとの化学的反応性が低
く、かつ摩擦係数の小さな酸化アルミニウム（以
下Al₂O₃で示す）を主成分として含有するAl₂O₃
系セラミツク材料を切削工具として使用するとい
う前提で、高速切削を可能とすべく工作機械に改
良を加えることによつて達成できるとして定めら
れたものである。しかしながら、上記のAl₂O₃系セラミツク材料
は、十分な耐熱衝撃性および高温における機械的
強度を備えていないために、これを切削工具とし
て、特に鋼の切削に300〜600ｍ／minの高い切削
速度で使用した場合、工作機械の改良も未だ不十
分であることと相まつて、安定した切削性能を発
揮し得ないのが現状である。また、一方、熱膨張係数が小さく、したがつて
耐熱衝撃性にすぐれ、かつ高温における機械的強
度にもすぐれ、Si₃N₄格子のSiをAlで、ＮをＯで
置換した化合物、すなわち組成式：
Si_6-ZAl_ZO_ZN_8-Z（ただしＯ＜ｚ≦4.3）で表わさ
れるサイアロン（βまたはβ′サイアロンとも云
われる）からなるセラミツク材料、さらに前記サ
イアロンに、それぞれ酸化イツトリウム（以下
Y₂O₃で示す）、酸化マグネシウム（以下MgOで示
す）、酸化けい素（以下SiO₂で示す）、窒化アル
ミニウム（以下AlNで示す）、酸化チタン（以下
TiO₂で示す）、酸化ジルコニウム（以下ZrO₂で示
す）、および酸化ハフニウム（以下HfO₂で示す）
のうちの１種または２種以上を１〜30重量％程度
含有させたものからなるサイアロン系セラミツク
材料を、鋼および鋳鉄の高速切削に切削工具とし
て使用する試みもなされているが、これらサイア
ロン系セラミツク材料はFeとの反応性が高いた
めに、特に鋼の高速切削に際して摩耗が激しく、
切削工具としては汎用性のきわめて低いものであ
る。そこで、本発明者等は、上述のような観点か
ら、すぐれた耐熱衝撃性および高温強度を有する
が、特に鋼の高速切削に切削工具として使用した
場合、摩耗が激しく、実用に供し得ない上記従来
サイアロン系セラミツク材料に着目し、これにす
ぐれた耐摩耗性を付与すべく研究を行なつた結
果、上記のサイアロン系セラミツク材料に、Ti
とＷの複合炭窒化物固溶体（以下、（Ti，Ｗ）CN
で示す）を含有させると、サイアロンによつても
たらされるすぐれた耐熱衝撃性と高温強度を保持
した状態で、すぐれた耐摩耗性および靭性を具備
するようになり、したがつてこの結果のサイアロ
ン系セラミツク材料を切削工具として用いた場合
には、鋳鉄は勿論のこと、鋼の高速切削において
もすぐれた切削性能を長期に亘つて発揮するとい
う知見を得たのである。したがつて、この発明は、上記知見にもとづい
てなされたものであつて、重量％で、（Ti，Ｗ）CN：10〜70％、を含有し、さらに必要に応じて、 Y₂O₃，MgO，SiO₂，AlN，TiO₂，ZrO₂，およ
びHfO₂（AlN成分を含むが、他成分が金属の酸
化物からなるので、以下、これらを総称して金属
酸化物という）のうちの１種または２種以上：１
〜30％、を含有し、残りがサイアロンと不可避不純物、からなる組成を有する耐摩耗性、耐熱衝撃性、高
温強度、および靭性にすぐれ、特にこれらの特性
が要求される鋼および鋳鉄の高速切削に切削工具
として用いた場合に長期に亘つてすぐれた切削性
能を発揮するサイアロン系セラミツク材料に特徴
を有するものである。つぎに、この発明のサイアロン系セラミツク材
料において、成分組成範囲を上記の通りに限定し
た理由を説明する。 (a) （Ti，Ｗ）CN この成分は、セラミツク材料中で、不連続相あ
るいは連続相を形成した状態で存在し、セラミツ
ク材料にすぐれた耐摩耗性と靭性を付与する作用
をもつが、その含有量が10％未満では所望の耐摩
耗性および靭性を確保することができず、一方70
％を越えて含有させるとセラミツク材料の耐熱衝
撃性が劣化するようになることから、その含有量
を10〜70％と定めた。なお、この（Ti，Ｗ）CN成分は、Ｗに比して
Tiの割合が多い炭窒化物相と、Ｗを主成分とす
る金属相との２相域組織をもつものであり、組成
式：（Ti_x，Ｗ_1-x）Ｃ_yＮ_zで表わした場合、それ
ぞれ0.2≦ｘ≦0.7，0.05≦ｙ≦0.70，0.15≦ｚ≦
0.70，0.3≦ｘ＋ｙ≦0.85を満足するものが望まし
い。すなわち、ｘの値が0.2未満ではTiを主成分
とする炭窒化物相の量が少なくなりすぎて所望の
すぐれた耐摩耗性を確保することができず、一方
0.7を越えたｘ値になると、逆に前記Ｗを主成分
とする金属相の量が少なくなりすぎて、靭性が低
下するようになることから、ｘ値を0.3〜0.7とす
る。また、ｙの値が0.05未満では炭窒化物相の形
成が少なく、窒化物相が表われて耐摩耗性を劣化
させるようになり、一方ｙ値が0.7を越えると炭
化物相が形成されるようになつて靭性劣化の原因
となることから、ｙ値を0.05〜0.70とした。ｚの
値については、窒素には炭窒化物相の粒径を細か
くすると共に、被削材との反応を抑制して耐摩耗
性を向上させる作用があるので、その値が0.15未
満では炭窒化物相の粒度が粗くなり、かつ炭化物
相も形成されるようになつて靭性が低下し、一方
ｚ値が0.70を越えることは、ｘ値の上限が0.70で
あることから、あり得ず、かかる点から0.15〜
0.70とする。さらにｘ＋ｙの値が0.3未満では炭
窒化物相の量が少なすぎて所望の耐摩耗性を確保
することができず、一方ｘ＋ｙ値が0.85を越える
と、逆に金属相が少なくなりすぎて所望の靭性を
確保することができないことから、ｘ＋ｙ値を
0.30〜0.85とするのである。 (b) 金属酸化物これらの成分には、焼結性を改善し、普通焼結
法によつても緻密なセラミツク材料の製造を可能
とし、もつて靭性および強度を一段と向上させる
作用があるので、これらの特性が要求される場合
に必要に応じて含有されるが、その含有量が１％
未満では前記作用に所望の効果が得られず、一方
30％を越えて含有させると、耐摩耗性が劣化する
ようになることから、その含有量を１〜30％と定
めた。 (c) 不可避不純物不可避不純物として、Fe，Ca，Na，Co，Ni，
Mn，およびCrなどのうちの１種または２種以上
を含有するが、これらの不可避不純物は総量で５
％を越えない限り、セラミツク材料の特性に何ら
悪影響を及ぼすものではない。また、この発明のセラミツク材料は、原料粉末
として、Si₃N₄粉末、Al₂O₃粉末、およびAlN粉末
を固溶化調製して形成した組成式：
Si_6-zAl_zO_zN_8-z（ただしＯ＜ｚ≦4.3）で表わさ
れるサイアロン粉末、焼結時にサイアロンを形成
する目的で、サイアロンの構成粉末であるSi₃N₄
粉末、Al₂O₃粉末、およびAlN粉末、さらに種々
の組成（組成式：Ti_x，Ｗ_1-x）Ｃ_yＮ_zのｘ，ｙ、
およびｚの値が異つたもの）を有する（Ti，
Ｗ）CN粉末、各種の金属酸化物粉末をそれぞれ
用意し、これら原料粉末を所定の配合組成に配合
し、ボールミルや振動ミルなどを用いて十分に混
合した後、静水圧プレスや機械的プレスを用いて
圧粉体に成形し、ついで、この圧粉体を、真空中
または雰囲気ガス中で普通焼結するか、あるいは
ホツトプレスし、さらに必要に応じて焼結後、よ
り確実に緻密化する目的で熱間静水圧プレス
（HIP）処理を施すことによつて製造することが
できる。つぎに、この発明のセラミツク材料を実施例に
より具体的に説明する。実施例まず、いずれも市販の平均粒径：1.5μｍを有
するTiC粉末、同1.5μｍのTiN粉末、および同
1.0μｍのＷ粉末を用意し、これら粉末を所定の
配合組成に配合し、乾式で混合した後、圧力：
5.0mmＨｇの窒素雰囲気中、温度：1500℃に加熱
保持して固溶化し、冷却後粗砕し、引続いてボー
ルミルにて粉砕することによつて、それぞれ第１
表に示される組成、並びにいずれも平均粒径：
1.0μｍをもつた７種類の（Ti，Ｗ）CN粉末を調
製した。また、同様に、いずれも市販の平均粒径：1.3
μｍを有するSi₃N₄粉末、同0.7μｍのAl₂O₃粉
末、および同1.5μｍのAlN粉末を用意し、これ
ら粉末を所定の配合組成に配合し、乾式で混合し
た後、圧力：760mmＨｇの窒素雰囲気中、温度：
1550℃に加熱保持して固溶化し、冷却後粗砕し、
引続いて粉砕することによつて、組成式：
Si₃Al₃O₃N₅を有する平均粒径：1.0μｍのサイア
ロン粉末を調製した。ついで、上記の各種の（Ti，Ｗ）CN粉末およ
びサイアロン粉末を、別途用意したいずれも平均
粒径：0.8μｍを有するY₂O₃粉末、MgO粉末、
SiO₂粉末、AlN粉末、TiO₂粉末、ZrO₂粉末、お
よびHfO₂粉末とともに原料粉末として用い、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、Al₂O₃製ボールミルにて48時間湿
式混合し、乾燥した後、黒鉛モールドを用い、温
度：1550℃に20分間保持の条件でホツトプレスす
ることによつて、実質的に配合組成と同一の成分
組成をもつた本発明セラミツク材料１〜10および
（Ti，Ｗ）CNを含有しない比較セラミツク材料１
をそれぞれ製造した。また、上記のホツトプレス法に代つて、混合粉
末を、機械的プレスを用いて、1ton／cm²の圧力で
圧粉体に成形し、この圧粉体を窒素雰囲気中、温
度：1600〜1750℃に２時間保持の条件で焼結する
ことからなる普通焼結法を適用する以外は、同一
の製造条件で本発明セラミツク材料

【表】 11〜21および同じく（Ti，Ｗ）CNを含有しない
比較セラミツク材料２をそれぞれ製造した。つぎに、この結果得られた本発明セラミツク材
料１〜21および比較セラミツク材料１，２につい
て、ビツカース硬さおよび抗折力を測定すると共
に、これよりCIS規格のSNGN432型の切削チツプ
を成形し、被削材：SNCM―８（硬さ：Ｈ_B
220）、切削速度：300ｍ／min、切込み：２mm、
送り：0.45mm／rev.の条件での鋼高速連続切削試
験、および被削材：FC―25（硬さ：Ｈ_B180）、切
削速度：400ｍ／min、切込み：２mm、送り：
0.45mm／rev.の条件での鋳鉄高速連続切削試験を
行ない、それぞれ切刃の逃げ面摩耗幅：0.4mm基
準での寿命時間を測定した。これらの測定結果を
第１表に合せて示した。第１表に示される結果から、本発明セラミツク
材料１〜21は、いずれもすぐれた耐摩耗性、耐熱
衝撃性、および高温強度をもつことから、鋼およ
び鋳鉄の高速切削において長い切削寿命を示すこ
とが明らかである。これに対して、（Ti，Ｗ）CN
成分を含有しない、すなわち従来サイアロン系セ
ラミツク材料に相当する比較セラミツク材料１，
２は、いずれも耐熱衝撃性および高温強度を有す
るものの耐摩耗性に劣るものであるため、その切
削寿命はきわめて短かいものとなつている。上述のように、この発明のサイアロン系セラミ
ツク材料は、すぐれた耐摩耗性、耐熱衝撃性、お
よび高温強度を兼ね備えているので、特にこれら
の特性が要求される鋼の高速切削は勿論のこと、
鋳鉄の高速切削に切削工具として用いた場合に、
著しく長期に亘つてすぐれた切削性能を発揮する
のである。

Claims

【特許請求の範囲】１ TiとＷの複合炭窒化物固溶体：10〜70重量
％を含有し、残りがサイアロンと不可避不純物か
らなる組成を有することを特徴とする切削工具用
サイアロン系セラミツク材料。２ TiとＷの複合炭窒化物固溶体：10〜70重量
％を含有し、さらに酸化イツトリウム、酸化マグ
ネシウム、酸化けい素、窒化アルミニウム、酸化
チタン、酸化ジルコニウム、および酸化ハフニウ
ムのうちの１種または２種以上：１〜30重量％を
含有し、残りがサイアロンと不可避不純物からな
る組成を有することを特徴とする切削工具用サイ
アロン系セラミツク材料。