JPS63156076A - 高靭性・耐摩耗性セラミツク工具材料 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は耐摩耗性に優れたセラミンク工具材料特に、鋼
、鋳鉄、高ニッケル、アルミニウム、チタン等を高速切
削し得る工具材料に関する。

（従来の技術） 窒化珪素（ＳｉｌＮ４）を主成分とする窒化珪素系セラ
ミックスは、強度、耐酸化性、耐摩耗性、耐熱衝撃性、
耐食性等の特性に優れているので、切削工具材料等とし
て好ましいものとし、注目されている。

しかしながらＳｉ、　Ｎ、単独では金属に比べて品質安
定性や均質性が乏しく、信頼性の向上や高特性と言う視
点から一層高靭性化が望まれている。

そのため、特開昭５９−３０７７Ｑ号、特開昭５９−５
４６８０号、特開昭６０−２４６２６８号のようにＳｉ
Ｃウィスカーを強化材として使用し複合化する試みがあ
るが、切削工具材料としては耐欠損性、耐摩耗性共に不
充分であるので、特に耐熱鋼等の高速切削用の工具材料
としては実用化されていないのが実情である。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は上記の如き実情に鑑み、高温特性と靭性と１；
優れた特性を有するβ−サイアロン基セラミック材料の
表面層を改質すること（：よって、耐欠損性と耐摩耗性
とを兼ね備えた切削工具材料を目的とするものである。

（問題点を解決するための手段） 本発明は上記の目的を達成するために種々検討の結果な
されたもので、その概要は以下に記すとおりである。

ＳｉＣウィスカー５〜４５重量％、Ｚｒ　化合物をＺｒ
換算で５〜２０重量％、残部β−サイアロン基セラミッ
クを主成分とする複合焼結体の表面１″−平均膜厚０．
１〜５ＩＩＭの緻密なＡｌ、　Ｏ，コーティング層を設
けたセラミック工具材料を第１の発明とし、Ａｌ、０．
コーティング層を施す前に厚さ３μ期以下のＡ’ｌＮ及
び又はＡｌＯＮからなる中間層を介して、中間層を含む
平均膜厚０．１〜５μ屑の緻密なＡｍ、　Ｏ，コーティ
ング層を設けたセラミック工具材料を第２の発明とする
ものである。

先ずβ−サイアロン基セラミック（：ついて述べれば、
第１の発明、第２の発明共通で、組成式８式％ るβ−サイアロンとこのような組成式を持つβ−サイア
ロンに対し、１〜２５重ｉｌチのＺｒ　、　Ｓｉ　。

Ａｍ　、　Ｏ、Ｎと不可避不純物又はそれにＹ９Ｍｇ・
Ｃａ及び希土類の１種以上を含むガラス相で構成されて
いるものが望ましい。

このガラス相が１重量％より少ない場合はβ−サイアロ
ンの焼結が十分達成できない為所望の密度を得ることが
できず、又２５重量％よりも多い場合には靭性や高温強
度の劣化を来たすため、切削時に刃先先端部が高温にな
る切削工具材料としては好ましくないからである。又、
特にこのようなガラス生成物の添加は常圧焼結やガス圧
焼結法を採用する際に有効である。

ここで２値を特定する理由は２１＞１の場合に機械的強
度及び靭性が低下し、切削工具材料として必要な機械的
特性を満足することができなくなるためである。

次にＳｉＣウィスカーの量を５〜４５重量％とする理由
は、５重量％より少ない場合はセラミック材料に靭性の
向上か見られず、逆に４５重量％を越える場合は焼結性
が低下し、共に切削時に於いて欠は易く、耐欠損性に劣
る為、上記の範囲が好ましい。しかし更に好ましい範囲
は１０〜３０重ｆｆｌチ、最も好ましい範囲は１５〜２
５重量％の範囲である。

なおウィスカーの一般定義は断面積が８　Ｘ　１０４１
が以下で長さが断面の平均直径に比して１０倍以上の単
結晶であるが、本発明で使用するウィスカーとしては平
均直径０．２〜１Ｐ１平均長さ５〜１００μ屑、アスペ
クト比５〜５００のもので１１゜Ｃａ　、　Ｍｇ　、　
Ｎｉ　、　Ｆｅ　、　Ｍｎ　、　Ｇｏ　、　Ｃｒ等のカ
チオン不純物や８１０８の含有量が１．０チ以下のくび
れや枝分れや面欠陥の少ないひげ状結晶を用いることが
高靭性な緻密体を得る上で好ましい。

又、Ｚｒ化合物をＺｒ換算で３〜２０重量％とする理由
は５重量−未満では靭性の改善効果が十分でなく、又２
０重量−を越えると焼結体の硬度や熱伝導率や靭性が低
下し、耐摩耗性や耐欠損性に劣る為好ましくないからで
ある。ここでＺｒ　化合物は特に限定されないが、例え
ばＺｒ０ｊ（単斜晶、正方晶、立方晶又はそれらの共存
体）やＡＳＴＭカードＮｏ　２０−６８４　（Ｑ　Ｚｒ
Ｏ（＝　Ｘ線回折〕結果カかなり良く一致するような化
合物を言う。

Ｚｒ化合物の作用は、焼結時（ニ一旦ガ２ス相に固溶し
たＺｒ　がガラス相とＳｉＣウィスカーの界面に於いて
両者の濡れ性を改善し、両者のより強固な結合を可能に
することによって、ＳＩＣウィスカーの持つ本来の特性
が十分に発揮出来る様に作用して、靭性を向上すること
にある。

またガラス相に固溶したＺｒは焼結後に一部がガラス相
中に残るものの、大半はその時の配合組成によってとり
得る結晶相でガラス相より再析出し、焼結体中に存在す
る。

従って例えば焼結体中にＺｒＯ，として存在する場合で
も、配合組成によって単斜晶、正方晶、立方晶又はそれ
らの共存体として存在することが可能であり、又その結
晶系に違いがあってもすべて焼結時における本願のＺｒ
の作用効果が同じである為、同様に高強度、高靭性な焼
結体となり得る。

又このβ−サイアロン基セラミック複合焼結体は緻密な
焼結体に焼結することにより破壊靭性、抗折強度を好ま
しい値のものとすることができる。

本発明はこのようなβ−サイアロン基セラミック複合焼
結体の表面にＡＩ２Ｏ２コーティング層を設けた切削工
具材料（：関するものであるが、とのＡｌ２Ｏ２コーテ
ィング層は焼結体表面に直接設ける第１の発明と、Ａｌ
Ｎ及び又はＡｌ　ＯＮ　から成る中間層を介して設ける
第２の発明からなる。

しかし、いずれの場合も短、０．を化学気相蒸着法（Ｃ
ＶＤ　）により析出させることができる。このＣＶ’Ｄ
法は例えば１０００℃〜１１ｏｏ℃にβ−サイアロン基
セラミック複合焼結体を加熱し、これを装填しである反
応容器中にＡＩＣ’ｌ、　　、　Ｇｏ、　　、　Ｈ。

場合により更にＣＯを含めた混合ガスを流入して容易に
行なうことができる。この処理温度は９００℃〜１５０
０℃の範囲で条件に応じて選択するが、余り高温になる
とＡｌ、　Ｏ，の粒径が粗大化し、緻密さが失なわれる
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。

第１の発明に於いてはＡＮ２Ｏ２コーティング層の厚み
は０．１〜５μ冑が厄、０．の耐摩耗性を発揮しかつ切
削時に於いて表面層Ｃ二過度の急激な温度勾配が生じて
も熱クラツクを生じないので好ましい。

ＡＩ、　Ｏ，コーティング層の厚みが０．１Ｐ　より薄
い場合はその効果が不十分であり、５μｍ　より厚くな
ると熱衝撃で剥離し易くなる為好ましくない。

なおβ−サイアロンとＡｌ２Ｏ２の熱膨張係数は前者が
３．ＯＸ　１０′／　℃、後者が７，８　Ｘ　１０−’
／℃と大きく異なる為、切削条件によってはこの被覆層
に剥離を生じることがある。

第２の発明に於いてはこの現象を予防する為にβ−サイ
アロン基セラミック複合焼結体から成る母材の上に、Ａ
ｌＮ　−？　ＡｌＯＮ　　の薄い層を中間層として設け
ることにより前記の如き母材とＡＩ　、　Ｏ、コーティ
ング層の熱膨張係数の差による熱応力を緩和してより強
固なＡｌ、Ｏ，コーティング層を施すことができる。こ
の場合、前記した中間層の厚みとしては熱応力の緩和の
点から３μ層以下で十分であり中間層を含むＡｌ２Ｏ２
コーティング層の厚みとしては０．１〜５μｍに設定す
ることが切削時の耐摩耗性や耐剥離性の点から好ましい
。中間層及び中間層を含むＡ１，０□層の厚みがこれら
より過大であると熱衝撃により母材である焼結体と被覆
層との間に亀裂が入り易く、切削時に刃先欠損の原因と
なる。

コーティング層を（’ＶＤ法により構成する場合、下記
の如き析出反応によって設けられる。

１　）　２ＡＩＣ１，＋３ＧＯ，＋５鳥→Ａｌ、　０．
　＋６ＨＣ１＋５ＣＯ２）　　２Ａ１Ｃ１，＋Ｎ、　＋
５Ｈ，→２ＡｌＮ＋４ＨＣ１５）　　２Ａ１（Ｊ、　＋
２ＧＯ，＋３Ｈ，＋Ｎ、→２Ａ１ＯＮ＋＋５ＨＣ１＋２
Ｇ。

コーティング層はＡｍ、　Ｏ，のみからなる−重被覆で
よいが、上述の反応式２）、５）に示される析出反応に
よってＡｌＮ又はＡｌＯＮの一種以上の層を設け、つい
で反応式１）（二示される析出反応によってＡｌ、　Ｏ
，の層を設けることによって多重被覆層とすることがで
きる。なお本発明のコーティング層の生成は上記ＣＶ＋
Ｏ法の他ＰＶＤ法（物理蒸着法）やスパッタリング等の
手法によっても可能である。

（実施例） 以下本発明の実施例について説明する。

実施例１ α率９０％で平均粒径０．６　Ｐ（１）　５ｉｘＮ４粉
末１”−１平均粒径１μｍのα−Ａ’ｌ２Ｏ２粉末とＳ
ｉＣウィスカー（ＡＲＣＯケミカル社製ＳＣ−９）及び
平均粒径０，５μの単斜晶ＺｒＯ，を第１表に示すよう
な割合に配合し、エタノール中で４時間均一に分散混合
した後、乾燥し、造粒して素地を得た。

この素地を黒鉛型中で表中に示すような焼成温度で各６
０分間２００＃／３”　　の圧力でホットプレスし、緻
密に焼結した焼結体を得た。次にこの焼結体を５ＮＧＮ
　４３２のチップ形状に研摩加工した後、ステンレス製
反応容器中に装填し、加熱炉内で１１００℃に加熱した
後、■、及びＣｏ、ガスを供給し、ＡｌＣｌ、発生装置
を経てＡＮＣｌ、　１２容量チ、Ｃ０，２５容量チ及び
■、６５容量チ容量台ガスを反応容器内に流入した。又
反応容器は真空ポンプにより２０〜５０　Ｔｏｒｒニ保
ち、Ａｌｌ２Ｏ２：ｌ−ティング層の膜厚は反応時間を
変えることによって行なった。

このようにして得られた試料とコーティング前の試料と
を用いて極めて難削材として知られている高ニッケル合
金（インコネル７１８）の切削試験を下記条件により行
ない、切削後の欠損及び摩耗量を測定した。

切削条件は以下のとおりである。

切削速度　　２００　ｎａ　／　ｍｉｎ切り込み　　１
．ＯＭ 送り速度　　０　、２　ｍ　／　ｒｅｖ切削時間　　１
０　ｍｉｎ この結果を第１表に示す。

これによれば本発明（第１の発明）の範囲内でβ−サイ
アロン基セラミック複合焼結体の表面Ｅ０．１μＩｗ〜
５μ屑のＡＸ、０．コーティング層を設けたセラミック
工具材料は難切削材である高ニッケル合金の切削でも欠
損を生じず、耐摩耗性に優れたものであることが認めら
れ、比較例のものは殆んど欠損、チッピングを生じるか
、摩耗量が大で実用に耐えないことが立証された。

実施例２ 平均粒径２μ屑以下のＹ２Ｏ２、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ｄｙ
２Ｏ３をＺｒ　、　Ｓｉ　、　ｋｌ、　Ｏ、Ｎ以外のガ
ラス生成化合物として添加する以外は実施例１と同様に
して第２表に示すような割合に配合して得た素地粉末を
黒鉛型中で１フ５０℃Ｘ　２００　ｋｇ／ｅｘ”の温度
、圧力の条件下で各６０分間ホットプレスし、緻密に焼
結した焼結体を得た。次にこの焼結体を５ＮＧＮ４３２
のチップ形状に研摩加工した後、ステンレス製反応容器
中に装填し、１０５０℃に加熱した後、温度を３２０℃
に保ったＡｌ　　ｆツブ中にＨＣＩを通過させて発生し
たＡｌＣｌ、及び−ｅ　’％　＊　Ｃｏ１の混合ガスを
連続的に変化させて反応容器内に供給した。

ＡｌＮ　−Ａ１０Ｎの混合中間層を形成する場合はＡｌ
Ｃ１゜ガス１８容量チ、Ｎ、ガス１２容量チ、■、ガス
７０容量チを最初に流し、３０分毎にＮ３ガス２容量−
減じてＧｏ、ガスを２容量チずつ増すようにし、最終的
にＮ２　　ガスを停止させ、外層にＡｌ、　Ｏ，を形成
した。Ａ’ｌＮ中間層を形成する場合はＡＸ　Ｃｍ、ガ
ス１８容量優、Ｎ、ガス１２容量チ、Ｅ８ガス７０容量
チの混合ガスを流した。ＡｌＯＮ　　中間層を形成する
場合は、ＡｌＣ１，ガス１２容量チ、Ｎ！　　ガス７容
量チ、Ｃヘガス１６容量チ、Ｈ，ガス６５容量慢の混合
ガスを流した。

そしてこれらの混合ガスの焼結体表面への接触時間を変
化させ、中間生成層及び外層の厚みを異ならしめたチッ
プを得た。

次にこのチップを下記の切削条件（二てフライス切削の
テストを実施した。

切削条件 被剛材　　クロムモリブデン鋼ＳＣＭ４４０（ＨＢ２８
０） 切削速度　　２００　ｒｓ　／ｍｉｎ 切り込み　　１．５鱈 送り速度　　０．２鱈／１ｏｏｔｈ 切削テストは刃先が欠損するまで実施し、刃先が欠損す
るまでの衝撃回数を測定し、１０点の平均値を結果とし
て第２表１−示した。

この結果からＡｌＮやＡＩ　ＯＮ　の中間生成層を設け
た第２の発明は、これを有しないものに比べて衝撃回数
が増加し、切削寿命が延びることが判った。

実施例３ Ｚｒ化合物としてＺｒＯ！、　ＺｒＮ　を用いることと
した以外は実施例２と同様にして第５表に示す割合に配
合して調整した素地粉末を焼結し、得られた焼結体母材
の組成をＸ線回折により同定した。

又機械的特性として強度と靭性を測定し、その結果を第
５表に示す。

この結果から添加するＺｒ化合物の種類に拘らず焼結後
は配合組成によってＺｒｏ、やＺｒＯやＺｒの酸窒化物
と思われるＺｒ化合物として焼結体中に存在することが
判った。

又ＺｒＯ□として存在する場合でも配合組成（：よって
単斜晶、正方晶、立方晶又はそれらの共存体として存在
するが、すべて同様：：高強度・高靭性を有する焼結体
となることが判った。

実施例４ 出発原料としてＳｉ、　Ｎ４以外に予めｚ＝０．３に合
成されたβ−サイアロン粉末を用いる以外には実施例２
と同様にして、第４表に示すような割合に配合して得た
素地粉末を２０口Ｘ７ａｍの寸法に成形圧１．５ｔｏｎ
／ｄでプレス成形した後、１７５０℃の１気圧の窒素ガ
ス雰囲気中で２時間焼結し１次焼結体を得た。次にこの
焼結体を１７５０ｔｒ。

７０気圧の加圧窒素ガス雰囲気中で２時間再焼結し、緻
密な２次焼結体を得た。このようにして得られた焼結体
を実施例２と同様にして加工した後、表面にＡｌ２Ｏ２
コーティング層を設け、下記の切削条件にて切削テスト
を実施し、切削後の欠損及び摩耗量を測定した。

切削条件 被削材　ＳＣｒ　４２０ 切削速度　５００７１１　／ｍｉｎ 切り込み　１．Ｏｎ 送り速度　０．３　ｍ　／　ｒ８Ｖ 切削時間　１０分 この結果から本発明の範凹内に於いて、焼結体表面に社
、０．コーティング層を施した切削材料は耐欠損性及び
耐摩耗性に優れた切削性能を有していることが立証され
た。

（発明の効果） 第１の発明によればＳｉＣウィスカーとＺｒ化合物を複
合したβ−サイア０ン基セラミツク焼結体の優れた特性
である高靭性を利用し、”ｔ’ｓコーティング被膜を付
けることによって切削工具として必要な耐欠損性と耐摩
耗性を向上した工具材料を提供するものであり、第２の
０発明によればＡ：Ｌ、　Ｏ。

コーティング被膜を設けるに際し、ＡｌＮ及び又はＡｌ
ｏＮ層を中間層として設けることにより、第１の発明１
：係るものより一層耐熱衝撃性を改良し、著るしく切削
寿命の延びた切削工具を提供することができる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ＳｉＣウィスカー５〜４５重量％、Ｚｒ化合物を
   Ｚｒ換算で３〜２０重量％、残部β−サイアロン基セラ
   ミックを主成分とし、そのβ−サイアロン基セラミック
   が組成式Ｓｉ＿６＿−＿ｚＡｌ＿ｚＯ＿ｚＮ＿１＿−＿
   ｚ（但し０＜ｚ≦１）で表わされるβ−サイアロンと１
   〜２５重量％のＺｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｏ、Ｎと不可避不純
   物又はそれにＹ、Ｍｇ、Ｃａ及び希土類元素の１種以上
   を含むガラス相で主として構成される複合焼結体の表面
   に、平均膜厚０．１〜５μｍの緻密なＡｌ＿２Ｏ＿３コ
   ーティング層が設けられていることを特徴とする高靭性
   ・耐摩耗性セラミック工具材料
2. （２）ＳｉＣウィスカー５〜４５重量％、Ｚｒ化合物を
   Ｚｒ換算で３〜２０重量％、残部β−サイアロン基セラ
   ミックを主成分とし、そのβ−サイアロン基セラミック
   が組成式Ｓｉ＿６＿−＿ｚＡｌ＿ｚＯ＿ｚＮ＿６＿−＿
   ｚ（但し０＜ｚ≦１）で表わされるβ−サイアロンと１
   〜２５重量％のＺｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｏ、Ｎと不可避不純
   物又はそれにＹ、Ｍｇ、Ｃａ及び希土類元素の１種以上
   を含むガラス相で主として構成される複合焼結体の表面
   に、厚さ３μｍ以下のＡｌＮ又はＡｌＯＮのうちの１種
   以上からなる中間層を介して、中間層を含む平均膜厚０
   ．１〜５μｍの緻密なＡｌ＿２Ｏ＿２コーティング層が
   設けられていることを特徴とする高靭性・耐摩耗性セラ
   ミック工具材料