JP2010001203A - 窒化珪素焼結体、窒化珪素切削工具、窒化珪素焼結体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】窒化珪素焼結体の結晶組成100は、微少な粒子であるα型窒化珪素101および針状の粒子であるβ型窒化珪素103からなる結晶相110と、α型窒化珪素およびβ型窒化珪素の粒子の間に存在する、焼結助剤成分を含む粒界相120とから構成されている。窒化珪素焼結体は、α率が35%以下であり、かつ、二次元断面上での長軸径が2μm以上のβ型窒化珪素の粒子面積の占める比率が10%以下である。こうすることにより、窒化珪素焼結体の組成中に粒子形状が針状のβ型の窒化珪素粒子が存在するので、β型の窒化珪素が亀裂進展に対する抵抗となるとともに、β型の窒化珪素同士が互いに絡み合うことにより靭性が向上し、窒化珪素焼結体の耐磨耗性及び耐欠損性を向上できる。
【選択図】図5
Description
窒化珪素に焼結助剤を添加して焼結することにより生成される窒化珪素系焼結体であって、α型の窒化珪素およびβ型の窒化珪素からなる主結晶相と、前記焼結助剤を成分に含む粒界相と、から構成され、前記窒化珪素系焼結体における、前記α型の窒化珪素の占める比率が35%以下であり、かつ、前記窒化珪素焼結体の二次元断面状での長軸径が2μm以上のβ型の窒化珪素の占める比率が10%以下であることを特徴とする、窒化珪素焼結体。
適用例1の窒化珪素焼結体において、前記β型の窒化珪素の長軸径は、7μm以下である。適用例2の窒化珪素焼結体によればアルミニウム合金およびアルミニウム合金と鋳鉄とからなる材料の加工に有用な鋭利な刃先を得ることができる。
適用例1または適用例2の窒化珪素焼結体において、前記窒化珪素焼結体の二次元断面上における、前記粒界相の占める比率は、3面積%〜9面積%である。適用例3の窒化珪素焼結体によれば、従来の窒化珪素の焼成温度(約1700℃〜1900℃)よりも低温で焼結できるため、窒化珪素焼結体の粒子形状を、微細、かつ、針状組織化した、緻密な窒化珪素焼結体とすることができる。
適用例1ないし適用例3いずれかの窒化珪素焼結体において、前記焼結助剤は、マグネシウム(Mg)および希土類元素を含む。適用例4の窒化珪素焼結体によれば、マグネシウムが焼結助剤として用いられる。マグネシウムは粒界相を形成する他の焼結助剤及び窒化珪素原料が不純物として含む酸化珪素との液相生成温度を低温化することができることから、窒化珪素粒子の粗大化を抑制し、かつ、緻密化させることができる。また、希土類元素は他の焼結助剤と反応して粒界相を形成し、焼結体を緻密にするとともに、窒化珪素の針状粒子の生成により窒化珪素焼結体の機械的特性を向上することができる。また、イッテルビウム元素を含む焼結助剤は、各種希土類元素を含む焼結助剤の中でも窒化珪素の焼結性を向上させる効果が大きく、特に、マグネシウム元素を含む焼結助剤と組み合わせた場合、焼結性がより向上する。従って、窒化珪素粒子の微細、かつ、針状組織化ができる。
適用例4の窒化珪素焼結体において、前記焼結助剤は、前記マグネシウム(Mg)を酸化マグネシウム(MgO)換算で2〜5重量%含み、かつ、希土類元素としてイッテルビウム(Yb)を酸化イッテルビウム(Yb2O3)換算で3〜11重量%含む。適用例5の窒化珪素焼結体によれば、焼結助剤には、マグネシウム(Mg)を酸化マグネシウム(MgO)換算で2〜5重量%含み、かつ、イッテルビウム(Yb)を酸化イッテルビウム(Yb2O3)換算で3〜11重量%含まれる。従って、焼結助剤の偏析およびβ型の窒化珪素の粗大化を抑制でき、微細、かつ、針状組織化した、緻密な窒化珪素焼結体とすることができる。
窒化珪素質工具であって、α型の窒化珪素およびβ型の窒化珪素からなる主結晶相と、前記焼結助剤を成分に含む粒界相と、から構成される窒化珪素焼結体からなり、前記窒化珪素焼結体は、前記窒化珪素系焼結体におけるα型の窒化珪素の占める比率が35%以下、かつ、前記窒化珪素系焼結体の二次元断面上での長軸径が2μm以上のβ型の窒化珪素の粒子面積の占める比率が10%以下であることを特徴とする、窒化珪素質工具。
切削インサートであって、α型の窒化珪素およびβ型の窒化珪素からなる主結晶相と、前記焼結助剤を成分に含む粒界相と、から構成される窒化珪素焼結体からなり、前記窒化珪素焼結体は、前記窒化珪素系焼結体のα型の窒化珪素の占める比率が35%以下、かつ、前記窒化珪素系焼結体の二次元断面上での長軸径が2μm以上のβ型の窒化珪素の粒子面積の占める比率が10%以下であることを特徴とする、切削インサート。
適用例7の切削インサートにおいて、表面に非晶質炭素膜が被覆されていることを特徴とする。適用例8の切削インサートによれば、耐摩耗性、耐欠損性を更に向上できる。
窒化珪素切削工具であって、切削インサートを装着するための装着手段と、前記装着手段に装着された適用例7または適用例8の切削インサートと、を備える窒化珪素切削工具。
適用例6または適用例9の窒化珪素切削工具において、アルミニウム合金材料およびアルミニウム合金と鋳鉄とからなる材料の切削に用いることを特徴とする。適用例10の窒化珪素切削工具によれば、アルミニウム合金材料およびアルミニウム合金と鋳鉄とからなる材料の切削において、従来の窒化珪素切削工具や超硬工具に比して、優れた切削性能を有する切削工具を提供できる。
窒化珪素焼結体の製造方法であって、平均粒径0.5μmかつα型の窒化珪素の占める割合が95%以上の窒化珪素粉末と、焼結助剤とを、合計100重量%となるように配合して混合し、前記混合の結果生成された粉末を成形して成形体を生成し、前記成形体を約1500℃〜約1550℃で1次焼成し、前記1次焼成された成形体を、約1450℃〜約1550℃で2次焼成する、窒化珪素焼結体の製造方法。
窒化珪素切削工具の製造方法であって、平均粒径0.5μmかつα型の窒化珪素の占める割合が95%以上の窒化珪素粉末と、焼結助剤とを、合計100重量%となるように配合して混合し、前記混合の結果生成された粉末を成形して成形体を生成し、前記成形体を約1500℃で1次焼結し、前記1次焼成された成形体を、約1450℃〜約1550℃、より好ましくは、約1475℃〜約1525℃で2次焼結し、前記2次焼結により得られた窒化珪素焼結体を切削工具に加工する、窒化珪素切削工具の製造方法。
第1実施例の窒化珪素焼結体、切削インサート、窒化珪素切削工具について、適宜図面を参照しつつ、以下に説明する。
図1は、第1実施例における窒化珪素切削工具の製造方法を説明するフローチャートである。図2は、第1実施例における切削インサートを例示する説明図である。図3は、第1実施例における窒化珪素切削工具を表す正面図である。図4は、第1実施例における窒化珪素切削工具を表す平面図である。図2に示す切削インサートは、図1に示す製造方法により製造されたインサートである。図3および図4は、切削インサートが装着された状態の窒化珪素切削工具を表している。
上述の製造方法により製造された窒化珪素焼結体の性能について、比較例と比較しつつ以下に説明する。図6は、第1実施例の窒化珪素焼結体と従来の窒化珪素焼結体との組織をそれぞれ表す画像である。図7は、第1実施例におけるフライス加工を説明する模式図である。表1は、上述の製造方法により得られた窒化珪素焼結体(実施例試料1〜8)と、比較例の窒化珪素焼結体(比較例試料9〜14)の、配合組成(wt%)、1次焼成温度(℃)、2次焼成温度(℃)、窒化珪素焼結体の2次元断面において長軸径が2μm以上のβ型の窒化珪素の占める割合(%)、β型の窒化珪素の最大長軸径(μm)、窒化珪素焼結体のα率(%)、および、粒界相量(面積%)を表している。また、表1には、後述する方法により評価された耐欠損性について「欠損」の欄に併せて示した。以降、本明細書では、実施例の製造方法により得られた窒化珪素焼結体の試料1〜8を実施例試料1〜8と呼び、比較例としての窒化珪素焼結体の試料9〜14を比較例試料9〜14と呼ぶ。
・被削材:アルミニウム合金(AC4A−T6)
・切削速度:1000m/min.
・送り速度:0.1mm/刃
・切り込み深さ:1mm
・切削油:湿式(水溶性クーラントを使用)
・被削材:アルミニウム合金(AC4A−T6)
・切削速度:1000m/min.
・送り速度:0.1mm/刃
・切り込み深さ:1mm
・切削油:湿式(水溶性クーラントを使用)
・パス数:30パス
第2実施例では、性能評価試験において、アルミニウム合金と鋳鉄とからなる材料を被削材とする。なお、第2実施例において、窒化珪素焼結体を生成するための試料、窒化珪素焼結体、切削インサート、窒化珪素切削工具の製造方法は、第1実施例と同様である。
図9は、第2実施例における被削材を例示する説明図である。図10は、第2実施例におけるフライス加工を説明する模式図である。図11は、第2実施例における耐摩耗性の試験結果を表すグラフである。図9および図10に示すように、第2実施例の被削材500は、2本の矩形柱状のアルミニウム合金510と、2本のアルミニウム合金510の間に、アルミニウム合金510よりも小さい矩形柱状の鋳鉄520を2つ配置してなるアルミニウム合金・鋳鉄複合部材である。以降、被削材500をアルミニウム合金・鋳鉄複合部材500と呼ぶ。実施例試料1〜8、比較例試料10(第1実施例において説明した表1参照)および超硬(K種超硬)の切削インサートの刃先を、図4に示す正面削り用6枚歯フライスカッター用ホルダにセットし、以下に示す切削試験条件で、図9に示すアルミニウム合金・鋳鉄複合部材500の切削加工を行い、耐摩耗性および耐欠損性を評価した。第1実施例と同様に、フライスカッター4の回転軸4aを矢印R1に示すように回転させつつ、フライスカッター4を回転軸4aに対して垂直方向(図10の矢印R2方向)に移動させることにより、アルミニウム合金・鋳鉄複合部材500の表面を切削加工する。
・被削材:アルミニウム合金(AC4A−T6)+鋳鉄(FC200)
・被削材比率:アルミニウム合金(56パーセント)、鋳鉄(13パーセント)、空転(31パーセント)
・切削速度:1000m/min.
・送り速度:0.1mm/刃
・切り込み深さ:0.5mm
・切削油:湿式(水溶性クーラントを使用)
・パス数:10パス
4…フライスカッター
4a…回転軸
5…ホルダ
6…切削部
7…取付部
8…カートリッジ
9…クサビ
100…結晶組成
101…α型窒化珪素
103…β型窒化珪素
110…結晶相
120…粒界相
200…アルミニウム合金
200a…表面
300…グラフ
500…アルミニウム合金・鋳鉄複合部材
510…アルミニウム合金
520…鋳鉄
600…グラフ
Claims (8)
- 窒化珪素に焼結助剤を添加して焼結することにより生成される窒化珪素焼結体であって、
α型の窒化珪素およびβ型の窒化珪素からなる主結晶相と、
前記焼結助剤を成分に含む粒界相と、から構成され、
前記窒化珪素系焼結体のα型の窒化珪素の占める比率が35%以下であり、かつ、前記窒化珪素系焼結体の二次元断面上での、長軸径が2μm以上のβ型の窒化珪素の粒子面積の占める比率が10%以下であることを特徴とする、窒化珪素焼結体。 - 請求項1記載の窒化珪素焼結体であって、
前記β型の窒化珪素の長軸径は、7μm以下である、窒化珪素焼結体。 - 請求項1または請求項2記載の窒化珪素焼結体であって、
前記窒化珪素焼結体の二次元断面上における、前記粒界相の占める比率は、3面積%〜9面積%である、窒化珪素焼結体。 - 請求項1ないし請求項3いずれか記載の窒化珪素焼結体であって、
前記焼結助剤は、マグネシウム(Mg)および希土類元素を含む、窒化珪素焼結体。 - 請求項4記載の窒化珪素焼結体であって、
前記焼結助剤は、前記マグネシウム(Mg)を酸化マグネシウム(MgO)換算で2〜5重量%含み、かつ、希土類元素としてイッテルビウム(Yb)を酸化イッテルビウム(Yb2O3)換算で3〜11重量%含む、窒化珪素焼結体。 - 請求項1ないし請求項5いずれか記載の窒化珪素焼結体からなる切削インサートを備える窒化珪素切削工具。
- 請求項6記載の窒化珪素切削工具であって、
アルミニウム合金材料およびアルミニウム合金と鋳鉄とからなる材料の切削に用いることを特徴とする、窒化珪素切削工具。 - 請求項1ないし請求項5いずれか記載の窒化珪素焼結体の製造方法であって、
平均粒径0.5μmかつα型の窒化珪素の占める割合が95%以上の窒化珪素粉末と、焼結助剤とを、合計100重量%となるように配合して混合し、
前記混合の結果生成された粉末を成形して成形体を生成し、
前記成形体を約1500℃〜約1550℃で1次焼成し、
前記1次焼成された成形体を、約1450℃〜約1550℃で2次焼成する、窒化珪素焼結体の製造方法。
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