JP2005212048A

JP2005212048A - セラミックスおよびこれを用いた切削工具

Info

Publication number: JP2005212048A
Application number: JP2004022291A
Authority: JP
Inventors: Keiji Usami; 恵司宇佐美
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-01-29
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2005-08-11

Abstract

【課題】安定して高硬度、高靭性を有し、安定した高い耐摩耗性と耐欠損性を発揮することのできるセラミックスとこれを用いた切削工具を提供する。
【解決手段】Ｓｉ_３Ｎ_４もしくはサイアロン（Ｓｉａｌｏｎ）粒子を金属および／または合金と非晶質相にて結合してなるセラミックスを切削工具として用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、高硬度、高靭性を有して、耐欠損性、耐摩耗性に優れる切削工具として特に適したセラミックスに関するものである。

Ｓｉ_３Ｎ_４もしくはサイアロン（Ｓｉａｌｏｎ）粒子を主成分とするセラミックスは、硬度、靭性および強度に優れることから、構造材として種々な用途に使用されている。

かかるセラミックスは、Ｓｉ_３Ｎ_４もしくはサイアロン粒子に対して各種の焼結助剤を添加したものであり、具体的な焼結助剤としては、Ｙ_２Ｏ_３などの周期律表第３ａ族元素酸化物、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＳｉＯ_２等の酸化物が主に用いられており、またはＴｉＣ等の炭化物が用いられる場合もある（特許文献１参照）。また、これら焼結助剤は主結晶粒子間の粒界に非晶質相として存在するか、あるいはセラミックスの高温強度や高温での破壊靭性を向上させるために粒界に結晶として析出させることも提案されている（例えば、特許文献２、特許文献３参照）。

一方、近年、各種切削加工分野において、生産性を向上するために、高速加工、高送り加工等の重切削に対する要求が高まっており、切削工具の使用条件が年々、高速化、高送り化へと進んでいる。このため、切削工具に用いられるセラミックスにはより一層の耐摩耗性、耐欠損性が要求されている。

そこで、特許文献４には、Ｓｉ_３Ｎ_４とともに添加する焼結助剤量を極力減らして硬度を高めた切削工具が開示されている。
米国特許第５４３２１３２号明細書特開１９９６−３１９１６５号公報特開１９９７−２８７８号公報米国特許第５３８２２７３号明細書

しかし、特許文献２、３に記載されるように粒界相を結晶化したセラミックスでは、高温特性は向上するものの、ねずみ鋳鉄やダクタイル鋳鉄等の加工のように突発的に大きな衝撃が加わるような加工においては、突発的に刃先がチッピングしたり、大きな欠損が発生してしまい、安定した加工ができないという問題があった。

また、特許文献４のように焼結助剤量を極力減じたセラミックスでは、優れた耐摩耗性および耐欠損性を有する切削工具となるものの、焼結性が悪くなるために製品の歩留まりが低下したり、製品間の特性ばらつきが大きくなってしまうという問題があった。

従って、本発明は、安定して高硬度、高靭性を有し、特にダクタイル鋳鉄等の難削材の切削に対して安定して高い耐摩耗性と耐欠損性を発揮することのできるセラミックスとこれを用いた切削工具を提供することを目的とするものである。

本発明者はかかる課題に対して種々検討した結果、Ｓｉ_３Ｎ_４もしくはサイアロン（Ｓｉａｌｏｎ）粒子間に、焼結助剤に起因する極少量の非晶質相とともに、金属および／または合金を存在せしめて主結晶粒子を結合させることにより、セラミックスの硬度と靭性をともに安定して高めることができ、切削工具に適応した場合でも高速加工、高送り加工等のきつい加工条件や難削材の加工に対しても安定した耐摩耗性および耐欠損性を示すことを見いだし、本発明に至った。

すなわち、本発明のセラミックスは、Ｓｉ_３Ｎ_４もしくはサイアロン（Ｓｉａｌｏｎ）粒子を金属および／または合金と非晶質相にて結合してなることを特徴とするセラミックスである。

ここで、Ｘ線回折パターンにおいて、前記Ｓｉ_３Ｎ_４粒子もしくはサイアロン粒子のピークのうち、最大強度を有するピークのピーク強度Ｉ_Ｓと、金属および合金のピークのうち、最大強度を有するピークのピーク強度Ｉ_Ｍとの比が、０＜Ｉ_Ｍ／Ｉ_Ｓ≦０．２であることが硬度の低下を抑え、十分な強度を有することができ、耐欠損性、耐摩耗性の両方を向上させることができる点で望ましい。

また、前記Ｘ線回折パターンにおいて、前記金属および／または合金のうちの最大強度を有するピークが２θ＝２９．５〜３１．０°の範囲内に存在すること、特に、前記金属および／または合金として、Ｓｉと周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族の群より選ばれる少なくとも１種以上の金属元素よりなる合金を含むこと、中でも前記合金がＳｉ_２Ｗであることが、セラミックスの硬度を維持したまま靭性を高めることができるとともに安定した焼結性を持って安定した特性のセラミックスを作製することができて、切削工具として安定した耐摩耗性および耐欠損性を有するものとなる点で望ましい。

さらに、前記非晶質相を１０質量％以下の割合で含有することが、セラミックスの硬度および耐摩耗性を維持する点で望ましい。

上記セラミックスを具備する切削工具は安定した耐摩耗性および耐欠損性を有する信頼性の高いものである。

上記本発明のセラミックスおよび切削工具は、Ｓｉ_３Ｎ_４もしくはサイアロン（Ｓｉａｌｏｎ）粒子を金属および／または合金と非晶質相にて結合せしめることにより、セラミックスの硬度と靭性をともに安定して高めることができ、切削工具に適応した場合でも高速加工、高送り加工等のきつい加工条件やねずみ鋳鉄やダクタイル鋳鉄等の難削材の加工に対しても安定した耐摩耗性および耐欠損性を発揮することができる。

本発明のセラミックスは、Ｓｉ_３Ｎ_４もしくはサイアロン（Ｓｉａｌｏｎ）粒子を金属および／または合金と非晶質相にて結合してなることを特徴とするセラミックスである。

ここで、本発明のセラミックスのＸ線回折パターンの一例である図１に示すように、前記Ｓｉ_３Ｎ_４粒子のピークのうちの最大強度を有するピークのピーク強度Ｉ_Ｓと、金属および合金のピークのうちの最大強度を有するピークのピーク強度Ｉ_Ｍとの比が、０＜Ｉ_Ｍ／Ｉ_Ｓ≦０．２であることが硬度の低下を抑え、十分な強度を有することができ、耐欠損性、耐摩耗性の両方を向上させることができる点で望ましい。

さらには、本発明によれば、上記セラミックス基体表面に、（ＴｉＭ_１−ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１−ｙ）（ただし、ＭはＴｉ以外の周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属、Ａｌ、Ｓｉのうちの１種以上、０．４＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で表わされる硬質被覆層（以下、Ｔｉ系被覆層と略す。）を被覆してもよく、かかる被覆層はサーメット母材の直上に形成することが望ましい。さらには、高硬度や高温安定性などの耐熱性の点で、Ｍは、Ａｌ、Ｓｉ、ＺｒおよびＣｒの群から選ばれる１種、最適にはＡｌであることが最も望ましい。

また、硬質被覆層としては、上記Ｔｉ系被覆層に加えて、例えば、ダイヤモンド、立方晶窒化硼素、アルミナ、およびＡｌ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｓｉの１種以上の炭化物、窒化物、炭窒化物の１種以上からなる他の硬質被覆層を形成することもできる。
（製造方法）
本発明のセラミックスの製造方法として、Ｓｉ_３Ｎ_４もしくはサイアロン（Ｓｉａｌｏｎ）粉末４５〜９９モル％、特に９０〜９９モル％、周期律表第３ａ族元素（ＲＥ）酸化物粉末をＲＥ_２Ｏ_３換算で１〜１０モル％、Ａｌ_２Ｏ_３粉末を１〜３０モル％、ＳｉＯ_２粉末および金属Ｓｉ粉末を０〜１０モル％、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族のうちの少なくとも１種の金属および／または合金粉末を０．１〜３モル％の割合で混合した混合物を所定形状に成形した後、所望により脱バインダ処理を行い、１１００〜１８００℃の非酸化性雰囲気で、所望により金属粉末を炭化や窒化処理した後焼成することによって得られるものである。

（実施例１）
Ｓｉ_３Ｎ_４粉末（ＢＥＴ比表面積９ｍ^２／ｇ、α率９８％、酸素量１．２重量％）に対し、焼結助剤として希土類元素酸化物の粉末（平均粒径１．５μｍ）とＡｌ_２Ｏ_３粉末（純度９９．９％、平均粒径２μｍ）、さらに酸化珪素および金属Ｓｉ粉末（純度９９．９％、平均粒径２μｍ）を、表１の様な割合で添加し、さらにバインダーおよび溶媒を添加、混合後、混練乾燥し、１００ＭＰａ（１ｔｏｎ／ｃｍ^２）の圧力にてプレス成形し成形体を得た。この成形体を脱脂後、常圧の窒素雰囲気下にて１２００℃で５時間保持し、さらに１７５０℃の温度にて３時間焼成した。

得られた焼結体についてＸ線回折分析にて相を確認すると共に、工具形状に加工を施し、切削試験を行った。

（切削条件）
切削速度５００ｍ／ｍｉｎ
切込２ｍｍ
送り０．５ｍｍ／刃
被削材ＦＣＤ４５０
工具形状切削速度５００ｍ／ｍｉｎ
切込２ｍｍ
送り０．５ｍｍ／刃
被削材ＦＣＤ４５０
工具形状ＳＮＧＮ１２０４１２チャンファ０．２ｍｍ×２５°
切削試験による評価は加工できたワーク数量の比較により行った。最大加工数を１００個に設定し、１００個まで加工できた場合はそのときの摩耗量にて比較を行った。

また、得られたセラミックスについてＣｕＫα線によるＸ線回折測定を行ない、回折パターンから各ピークの同定を行なった。そして、金属および合金のピークが存在するかを確認するとともに、Ｓｉ_３Ｎ_４のピークのうちの最大強度を有するピーク（Ｉ_Ｓ）と前記金属および合金のピークのうちの最大強度を有するピーク（Ｉ_Ｍ）とのピーク強度比（Ｉ_Ｍ／Ｉ_Ｓ）を算出した。

さらには、Ｘ線回折パターンからリートベルト解析法を用いて非晶質相の定量を行なった。

表１から明らかなように、Ｓｉ_３Ｎ_４もしくはサイアロン（Ｓｉａｌｏｎ）粒子を金属または合金と非晶質相にて結合した構成からなる試料Ｎｏ．１〜８では、いずれも切削試験において良好な耐摩耗性を示し、かつ、欠損も見られなかった。なお、試料Ｎｏ．１〜７については主結晶がＳｉ_３Ｎ_４からなり、試料Ｎｏ．８についてはサイアロンであった。

これに対して、金属または合金を含まない試料Ｎｏ．９〜１１では、耐欠損性または耐摩耗性が悪くなり加工可能数が少ないものであった。

本発明のセラミックスについて、その一例についてのＸ線回折パターンを示す図である。

符号の説明

Ｉ_ＳＳｉ_３Ｎ_４のピークのうちの最大強度を有するピーク強度
Ｉ_Ｍ金属または合金のピークのうちの最大強度を有するピーク強度

Claims

Ｓｉ_３Ｎ_４もしくはサイアロン（Ｓｉａｌｏｎ）粒子を金属および／または合金と非晶質相にて結合してなることを特徴とするセラミックス。
Ｘ線回折パターンにおいて、前記Ｓｉ_３Ｎ_４粒子もしくはサイアロン粒子のピークのうち、最大強度を有するピークのピーク強度Ｉ_Ｓと、金属および合金のピークのうち、最大強度を有するピークのピーク強度Ｉ_Ｍとの比が、０＜Ｉ_Ｍ／Ｉ_Ｓ≦０．２であることを特徴とする請求項１記載のセラミックス。
前記Ｘ線回折パターンにおいて、前記金属および／または合金のうちの最大強度を有するピークが２θ＝２９．５〜３１．０°の範囲内に存在することを特徴とする請求項２記載のセラミックス。
前記金属および／または合金として、Ｓｉと周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族の群より選ばれる少なくとも１種以上の金属元素よりなる合金を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載のセラミックス。
前記合金がＳｉ_２Ｗであることを特徴とする請求項４記載のセラミックス。
Ｘ線回折法で求められる前記非晶質相の含有量が１０質量％以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか記載のセラミックス。
請求項１乃至６のいずれかに記載のセラミックスを具備する切削工具。