JP2014141359A - Sialon-base sintered compact - Google Patents

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Kentaro Chihara
健太朗 千原
Kenichi Wataya
研一 綿谷
Akira Kukino
暁 久木野
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sialon-base sintered compact that contains cubic crystal-type sialon particles and has excellent toughness.SOLUTION: A sialon-base sintered compact of the invention includes equiaxial crystal, cubic crystal-type sialon particles, and columnar crystal β-type sialon particles, so that the sialon-base sintered compact has high toughness in addition to excellent wear resistance.

Description

本発明はサイアロン基焼結体とそれを用いた切削工具、およびその製造方法に関し、より特定的には、等軸晶の立方晶型サイアロン粒子と柱状晶のβ型サイアロン粒子を含むサイアロン基焼結体とそれを用いた切削工具、およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a sialon-based sintered body, a cutting tool using the sialon-based sintered body, and a manufacturing method thereof, and more specifically, a sialon-based sintering containing equiaxed cubic sialon particles and columnar β-sialon particles. The present invention relates to a bonded body, a cutting tool using the same, and a manufacturing method thereof.

サイアロンは窒化ケイ素にアルミニウムと酸素が固溶した構造を有しており、通常六方晶系に属するα型サイアロンとβ型サイアロンの2種類の結晶系が存在する。係るサイアロンを用いたサイアロン基焼結体は金属との反応性が低いという特性を有しており、切削工具用材料として開発が進められてきた。最近になって、硬度をさらに増大させ、切削工具用材料として用いた際の耐摩耗性を向上する目的で、α型サイアロンやβ型サイアロンに比べて硬度が高い立方晶型サイアロンの結晶粒子を含有する焼結体が開発されている(特許文献1)。   Sialon has a structure in which aluminum and oxygen are dissolved in silicon nitride, and there are usually two types of crystal systems, α-sialon and β-sialon, which belong to the hexagonal system. A sialon-based sintered body using such sialon has a characteristic of low reactivity with a metal, and has been developed as a cutting tool material. Recently, in order to further increase hardness and improve wear resistance when used as a cutting tool material, cubic sialon crystal particles with higher hardness than α-sialon and β-sialon are used. A sintered body containing the same has been developed (Patent Document 1).

しかしながら、立方晶型サイアロンは硬度が高く耐摩耗性に優れる反面、脆いという性質を有しているため、立方晶型サイアロン粒子を含有するサイアロン基焼結体を切削工具に用いる際には、耐欠損性の観点で必ずしも十分とはいえない面があり、さらなる靭性の向上が望まれていた。   However, cubic sialon has high hardness and excellent wear resistance, but is brittle, so when using a sialon-based sintered body containing cubic sialon particles for a cutting tool, There are aspects that are not always sufficient in terms of defectability, and further improvement in toughness has been desired.

特開2011−121822号公報JP 2011-121822 A

本発明は、金属との反応性が低く、優れた耐摩耗性を有する立方晶型サイアロン粒子を含有するサイアロン基焼結体を用いた切削工具において、切削時の切れ刃のチッピングや欠損を低減するために、前記サイアロン基焼結体の靭性を向上することを目的とする。   The present invention reduces chipping and chipping of cutting edges during cutting in a cutting tool using a sialon-based sintered body containing cubic sialon particles having low reactivity with metal and excellent wear resistance. Therefore, an object is to improve the toughness of the sialon-based sintered body.

本発明者らは上記の要請に鑑み、立方晶型サイアロン粒子を含有するサイアロン基焼結体の組織、特に結晶粒子の形状に着目して、靭性を向上させる方法について鋭意検討を重ねた。その結果、等軸晶の立方晶型サイアロン粒子を含有するサイアロン基焼結体中に、柱状晶のβ型サイアロン粒子を存在させることにより、硬度が高く耐摩耗性に優れるという立方晶型サイアロンの特長を生かしつつ、サイアロン基焼結体の靭性を向上させ得ることを見出し、本発明を完成させたものである。   In view of the above requirements, the present inventors have intensively studied a method for improving toughness by paying attention to the structure of a sialon-based sintered body containing cubic sialon particles, particularly the shape of crystal particles. As a result, the presence of the columnar β-type sialon particles in the sialon-based sintered body containing the equiaxed cubic type sialon particles makes the hardness of the cubic type sialon excellent in wear resistance. The inventors have found that the toughness of a sialon-based sintered body can be improved while taking advantage of the features, and have completed the present invention.

すなわち、本発明の第1の態様は、等軸晶の立方晶型サイアロン粒子と、柱状晶のβ型サイアロン粒子を含むサイアロン基焼結体である。   That is, the first aspect of the present invention is a sialon-based sintered body including equiaxed cubic sialon particles and columnar β-sialon particles.

前記焼結体において、前記柱状晶のβ型サイアロン粒子の平均アスペクト比が2以上、かつ平均短軸径が0.2μm以上10μm以下であることが好ましい。   The sintered body preferably has an average aspect ratio of the columnar crystal β-type sialon particles of 2 or more and an average minor axis diameter of 0.2 μm or more and 10 μm or less.

前記焼結体において、前記等軸晶の立方晶型サイアロン粒子の平均粒径が0.05μm以上5μm以下であることが好ましい。   In the sintered body, the equiaxed cubic sialon particles preferably have an average particle size of 0.05 μm or more and 5 μm or less.

前記焼結体において、X線回折における立方晶型サイアロンの(311)面のピーク強度IC(311)と、β型サイアロンの(200)面のピーク強度Iβ(200)の比IC(311)/(IC(311)+Iβ(200))が、0.2以上0.9以下であることが好ましい。 In the sintered body, the ratio of the peak intensity I C (311) of the (311) plane of cubic sialon and the peak intensity I β (200) of the (200) plane of β-type sialon in X-ray diffraction ( I C ( 311) / (IC (311) + Iβ (200) ) is preferably 0.2 or more and 0.9 or less.

前記焼結体において、さらに第3化合物として、下記の(a)および/または(b)を含むことが好ましい。
(a)アルミニウム、ホウ素、ケイ素、チタニウム、鉄、ニッケルからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、炭素、窒素、酸素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素との化合物。
(b)アルミニウム、ホウ素、ケイ素、チタニウム、鉄、ニッケルからなる群より選ばれる少なくとも2種の元素の化合物。
The sintered body preferably further includes the following (a) and / or (b) as the third compound.
(A) A compound of at least one element selected from the group consisting of aluminum, boron, silicon, titanium, iron and nickel and at least one element selected from the group consisting of carbon, nitrogen and oxygen.
(B) A compound of at least two elements selected from the group consisting of aluminum, boron, silicon, titanium, iron, and nickel.

前記焼結体において、前記第3化合物の含有量が10体積%以上50体積%以下であることが好ましい。   In the sintered body, the content of the third compound is preferably 10% by volume or more and 50% by volume or less.

前記焼結体において、ビッカース硬度が22GPa以上、かつ破壊靭性値が5MPa・m1/2以上であることが好ましい。 The sintered body preferably has a Vickers hardness of 22 GPa or more and a fracture toughness value of 5 MPa · m 1/2 or more.

本発明の第2の態様は、上記のサイアロン基焼結体を用いた切削工具である。   The second aspect of the present invention is a cutting tool using the above sialon-based sintered body.

本発明の第3の態様は、平均アスペクト比が2以上、かつ平均短軸径が0.2μm以上10μm以下である柱状晶のβ型サイアロン粒子を含む粉末を、1800℃以上2000℃以下の温度、かつ40GPa以上60GPa以下の圧力で処理することにより、等軸晶の立方晶型サイアロン粒子と柱状晶のβ型サイアロン粒子を含む混合粉末を作製する工程と、前記混合粉末を1200℃以上1800℃以下の温度で焼結する工程を備えるサイアロン基焼結体の製造方法である。   In a third aspect of the present invention, a powder containing columnar crystal β-sialon particles having an average aspect ratio of 2 or more and an average minor axis diameter of 0.2 μm or more and 10 μm or less is a temperature of 1800 ° C. or more and 2000 ° C. or less. And a process of producing a mixed powder containing equiaxed cubic sialon particles and columnar β-sialon particles by treating at a pressure of 40 GPa or more and 60 GPa or less, and the mixed powder is processed at 1200 ° C. or more and 1800 ° C. A method for producing a sialon-based sintered body comprising a step of sintering at the following temperature.

以上のような本発明によれば、金属との反応性が低く、優れた耐摩耗性を有する立方晶型サイアロン粒子を含有するサイアロン基焼結体の脆さを改善して、靭性を向上させることができ、前記サイアロン基焼結体を切削工具として用いる際に、切削時の切れ刃のチッピングや欠損を低減することができる。   According to the present invention as described above, the brittleness of the sialon-based sintered body containing cubic sialon particles having low reactivity with metal and excellent wear resistance is improved, and toughness is improved. When the sialon-based sintered body is used as a cutting tool, chipping or chipping of the cutting edge during cutting can be reduced.

以下、本発明の第1の態様であるサイアロン基焼結体の実施形態について説明する。   Hereinafter, an embodiment of a sialon-based sintered body according to the first aspect of the present invention will be described.

本発明のサイアロン基焼結体は、等軸晶の立方晶型サイアロン粒子と、柱状晶のβ型サイアロン粒子を含むサイアロン基焼結体である。難削材料であるインコネルなどの耐熱合金の切削加工においては、金属との反応性が低いという特長を生かしたβ型サイアロン焼結体製の工具が用いられてきたが、耐摩耗性と耐欠損性をさらに向上させるために、サイアロン焼結体の硬度と靭性の両方を同時に増大させることが求められていた。この要求に対して発明者らは、β型サイアロンに替えて硬度が高く耐摩耗性に優れた立方晶型サイアロンを用いることを検討したが、立方晶型サイアロンは等軸晶であるため、靭性の面ではいまだ十分とは言えないものであった。そこで、等軸晶の立方晶型サイアロン粒子と柱状晶のβ型サイアロン粒子を、本発明のサイアロン基焼結体中に併存させるようにした結果、等軸晶の立方晶型サイアロン粒子による硬度の増大と、柱状晶のβ型サイアロン粒子による靭性の増大を両立させることが可能になり、耐摩耗性と耐欠損性の両方を同時に向上させることができた。   The sialon-based sintered body of the present invention is a sialon-based sintered body including equiaxed cubic sialon particles and columnar β-sialon particles. In machining of heat-resistant alloys such as Inconel, which are difficult to cut materials, tools made of β-type sialon sintered bodies that take advantage of low reactivity with metals have been used, but wear resistance and fracture resistance In order to further improve the properties, it has been required to simultaneously increase both the hardness and toughness of the sialon sintered body. In response to this requirement, the inventors examined the use of cubic sialon having high hardness and excellent wear resistance instead of β-sialon, but because cubic sialon is equiaxed, it has toughness. However, it was still not enough. Therefore, as a result of coexisting the equiaxed cubic sialon particles and the columnar β-sialon particles in the sialon-based sintered body of the present invention, the hardness of the equiaxed cubic sialon particles is increased. It was possible to achieve both increase and toughness increase by columnar β-sialon particles, and both wear resistance and fracture resistance could be improved at the same time.

立方晶型サイアロンを含むサイアロン基焼結体を作製するにあたっては、後述するように、β型サイアロンの粉末を出発原料として、衝撃合成圧縮等の手法を用いてβ型サイアロンの一部を立方晶型サイアロンに相変態させた粉末を作製し、その粉末を焼結することによって前記焼結体を得る。このとき出発原料として用いるβ型サイアロン粉末の粒子の形態が、前記焼結体の組織を決定する。常圧窒素雰囲気下で一般的な炭素還元窒化法によってβ型サイアロンを合成すると、等軸晶の粉末粒子しか得られない。等軸晶のβ型サイアロン粉末を出発原料として衝撃合成圧縮を行うと、等軸晶の立方晶型サイアロン粒子と等軸晶のβ型サイアロン粒子を含む粉末が得られるが、かかる粉末を焼結しても、等軸晶の立方晶型サイアロン粒子と等軸晶のβ型サイアロン粒子を含むサイアロン基焼結体しか得られず、靭性の向上は期待できない。   In preparing a sialon-based sintered body containing cubic sialon, as will be described later, a part of β sialon is cubically crystallized using a method such as impact synthesis compression using β type sialon powder as a starting material. A powder transformed into a type sialon is prepared, and the sintered body is obtained by sintering the powder. At this time, the form of particles of β-sialon powder used as a starting material determines the structure of the sintered body. When β-sialon is synthesized by a general carbon reductive nitriding method under an atmospheric pressure nitrogen atmosphere, only equiaxed crystal powder particles can be obtained. When impact synthesis compression is performed using equiaxed β-sialon powder as a starting material, a powder containing equiaxed cubic sialon particles and equiaxed β-sialon particles is obtained. Even so, only a sialon-based sintered body including equiaxed cubic sialon particles and equiaxed β-sialon particles can be obtained, and improvement in toughness cannot be expected.

これに対して、大気圧以上の窒素雰囲気下で金属シリコンの窒化反応とその反応熱を利用した高温窒化合成プロセスを用いてβ型サイアロンを合成すると、β型サイアロン粒子の異常粒成長が生じる2500℃程度まで反応温度を高めることができるため、c軸方向に六角形の柱状晶が成長したβ型サイアロン粉末を得ることができる。かかる柱状晶のβ型サイアロン粉末を出発原料として衝撃合成圧縮を行うと、相変態した立方晶型サイアロン粉末は等軸晶になるが、相変態しなかったβ型サイアロン粉末は柱状晶のまま残留し、等軸晶の立方晶型サイアロン粒子と柱状晶のβ型サイアロン粒子を含む粉末が得られる。この粉末を焼結すると、等軸晶の立方晶型サイアロン粒子と柱状晶のβ型サイアロン粒子を含むサイアロン基焼結体が得られ、硬度と靭性を同時に向上できる。   On the other hand, when β-sialon is synthesized using a high temperature nitridation synthesis process utilizing a nitridation reaction of metal silicon and its reaction heat in a nitrogen atmosphere at atmospheric pressure or higher, abnormal grain growth of β-sialon particles occurs 2500 Since the reaction temperature can be increased to about 0 ° C., β-sialon powder having hexagonal columnar crystals grown in the c-axis direction can be obtained. When impact-compression compression is performed using such columnar β-sialon powder as a starting material, cubic sialon powder that has undergone phase transformation becomes equiaxed, but β-sialon powder that has not undergone phase transformation remains columnar. Thus, a powder containing equiaxed cubic sialon particles and columnar β-sialon particles is obtained. When this powder is sintered, a sialon-based sintered body containing equiaxed cubic sialon particles and columnar β-sialon particles can be obtained, and the hardness and toughness can be improved at the same time.

上記のサイアロン基焼結体においては、柱状晶のβ型サイアロン粒子の平均アスペクト比が2以上、かつ平均短軸径が0.2μm以上10μm以下であることが好ましい。サイアロン基焼結体に外部から応力が加わり焼結体の内部を亀裂が進展する際に、亀裂は柱状晶を迂回するように進展するため、破壊に要するエネルギーが大きくなることによって靭性が増大するが、柱状晶のβ型サイアロン粒子の平均アスペクト比が2未満であると、亀裂が迂回する距離が小さくなり、靭性向上の効果が得られにくくなるため、柱状晶のβ型サイアロン粒子の平均アスペクト比は2以上であることが好ましい。また、β型サイアロン粒子の平均短軸径が0.2μm未満であると、亀裂がβ型サイアロン粒子を切断して進展するようになり、平均短軸径が10μmを超えると、外部から応力が加わった際にβ型サイアロン粒子に応力集中が起こって破壊の起点となる可能性がある。このため、柱状晶のβ型サイアロン粒子の平均短軸径は0.2μm以上10μm以下であることが好ましい。さらに、硬度の低下を抑制しつつ靱性を向上させる観点から、柱状晶のβ型サイアロン粒子の平均アスペクト比が3以上、かつ平均短軸径が1μm以上5μm以下であることがより好ましい。   In the above-described sialon-based sintered body, it is preferable that the average aspect ratio of the columnar β-type sialon particles is 2 or more and the average minor axis diameter is 0.2 μm or more and 10 μm or less. When stress is applied to the sialon-based sintered body from the outside and the crack progresses inside the sintered body, the crack progresses so as to bypass the columnar crystals, so the toughness increases by increasing the energy required for fracture. However, if the average aspect ratio of columnar β-sialon particles is less than 2, the distance by which cracks bypass is reduced and it becomes difficult to obtain the effect of improving toughness. The ratio is preferably 2 or more. In addition, if the average minor axis diameter of β-type sialon particles is less than 0.2 μm, cracks will progress by cutting the β-type sialon particles, and if the average minor axis diameter exceeds 10 μm, stress will be applied from the outside. When added, stress concentration may occur in the β-type sialon particles, which may be the starting point of fracture. Therefore, the average minor axis diameter of the columnar β-type sialon particles is preferably 0.2 μm or more and 10 μm or less. Furthermore, from the viewpoint of improving toughness while suppressing a decrease in hardness, it is more preferable that the average aspect ratio of β-sialon particles of columnar crystals is 3 or more and the average minor axis diameter is 1 μm or more and 5 μm or less.

このとき、β型サイアロン粒子の平均アスペクト比と平均短軸径は、SEM(Scanning Electron Microscope、走査型電子顕微鏡)を用いたEBSD(Electron Back Scattering Diffraction pattern、電子後方散乱解析像法)による結晶相のマッピングと画像解析によって求めることができる。具体的には、本発明のサイアロン基焼結体の組織観察面をクロスセクションポリッシャ(Cross section polisher)を用いたビーム加工によって鏡面に加工し、FE−SEM(Field Emission Scanning Electron Microscope、電界放射走査型電子顕微鏡)を用いて5000倍以上の倍率で観察を行い、FE−SEMに付属するEBSD装置を用いて前記観察面の結晶相のマッピングを行う。このとき、予めX線回折で測定しておいた立方晶型サイアロン、β型サイアロンおよび第3化合物等の、それぞれの結晶構造と格子定数を解析用のパラメータに入力しておくことで、前記観察面の結晶相と結晶方位のマッピング図が得られる。前記マッピング図から結晶方位の違いを利用して立方晶型サイアロンとβ型サイアロンの粒界を識別し、任意に抽出した50個のβ型サイアロン粒子のそれぞれについて、画像解析ソフトを用いて短軸径と長軸径を求め、50個の短軸径の平均値を平均短軸径、50個の長軸径の平均値を平均長軸径と定義する。平均長軸径を平均短軸径で除することによって平均アスペクト比を算出する。なお、β型サイアロン粒子の平均アスペクト比と平均短軸径の測定にあたっては、TEM(Transmission Electron Microscope、透過型電子顕微鏡)のディフラクション解析など結晶相の同定が可能な他の観察手段を用いることも可能である。   At this time, the average aspect ratio and the average minor axis diameter of the β-type sialon particles are the crystal phase by EBSD (Electron Back Scattering Diffraction Pattern) using SEM (Scanning Electron Microscope). Mapping and image analysis. Specifically, the structure observation surface of the sialon-based sintered body of the present invention is processed into a mirror surface by beam processing using a cross section polisher, and an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope). Is observed at a magnification of 5000 times or more using a scanning electron microscope), and the crystal phase of the observation surface is mapped using an EBSD apparatus attached to the FE-SEM. At this time, by inputting the respective crystal structures and lattice constants of cubic sialon, β-sialon, third compound, etc., previously measured by X-ray diffraction as parameters for analysis, the observation is performed. A mapping diagram of the crystal phase and crystal orientation of the surface is obtained. Using the difference in crystal orientation from the mapping diagram, the grain boundaries of cubic sialon and β sialon are identified, and each of the 50 β sialon particles arbitrarily extracted is imaged using image analysis software. The diameter and the major axis diameter are obtained, and the average value of 50 short axis diameters is defined as the average minor axis diameter, and the average value of 50 major axis diameters is defined as the average major axis diameter. The average aspect ratio is calculated by dividing the average major axis diameter by the average minor axis diameter. When measuring the average aspect ratio and average minor axis diameter of β-type sialon particles, use other observation means that can identify the crystal phase, such as TEM (Transmission Electron Microscope) transmission analysis. Is also possible.

上記のサイアロン基焼結体においては、等軸晶の立方晶型サイアロン粒子の平均粒径が0.05μm以上5μm以下であることが好ましい。立方晶型サイアロン粒子の平均粒径が0.05μm未満のときには焼結体が脆くなって切削工具として使用する際に欠損しやすくなり、一方、平均粒径が5μmを超えると硬度が低下して切削工具として使用する際に摩耗しやすくなるためである。さらに、焼結体の強度を向上させる観点から、等軸晶の立方晶型サイアロン粒子の平均粒径が0.1μm以上2μm以下であることがより好ましい。   In the above sialon-based sintered body, it is preferable that the average particle diameter of the equiaxed cubic sialon particles is 0.05 μm or more and 5 μm or less. When the average particle size of the cubic sialon particles is less than 0.05 μm, the sintered body becomes brittle and easily broken when used as a cutting tool. On the other hand, when the average particle size exceeds 5 μm, the hardness decreases. This is because wear tends to occur when used as a cutting tool. Further, from the viewpoint of improving the strength of the sintered body, the average particle diameter of the equiaxed cubic sialon particles is more preferably 0.1 μm or more and 2 μm or less.

このとき立方晶型サイアロン粒子の平均粒径は、上述のβ型サイアロン粒子の平均アスペクト比と平均短軸径と同様に、SEMを用いたEBSDによる結晶相のマッピングと画像解析によって求めることができる。マッピング図から任意に抽出した50個の立方晶型サイアロン粒子のそれぞれについて、画像解析ソフトを用いてヘイウッド径を求め、50個のヘイウッド径の平均値を平均粒径と定義する。   At this time, the average particle diameter of the cubic sialon particles can be determined by mapping the crystal phase by EBSD using SEM and image analysis, as with the average aspect ratio and average minor axis diameter of the β-sialon particles described above. . For each of the 50 cubic sialon particles arbitrarily extracted from the mapping diagram, the Haywood diameter is obtained using image analysis software, and the average value of the 50 Haywood diameters is defined as the average particle diameter.

上記のサイアロン基焼結体においては、X線回折における立方晶型サイアロンの(311)面のピーク強度IC(311)と、β型サイアロンの(200)面のピーク強度Iβ(200)の比IC(311)/(IC(311)+Iβ(200))が、0.2以上0.9以下であることが好ましい。このとき、本発明のサイアロン基焼結体を400番のダイヤ砥石を用いて平面研削し、Cu−Kαの特性X線を用いて前記平面研削面を測定したX線回折パターンから、立方晶型サイアロンの(311)面のピーク強度IC(311)と、β型サイアロンの(200)面のピーク強度Iβ(200)を求めることができる。IC(311)/(IC(311)+Iβ(200))をRcと定義すると、Rcは本発明のサイアロン基焼結体が含有する立方晶型サイアロンの比率を示している。Rcが0.2未満であると、サイアロン基焼結体に含まれる立方晶型サイアロン粒子の比率が小さいため、β型サイアロン焼結体と比べて十分な硬度の増加を得ることが難しくなる。一方、Rcが0.9を超えると、サイアロン基焼結体に含まれる柱状晶のβ型サイアロン粒子の比率が小さくなり、靭性が低下するため好ましくない。 In the above sialon-based sintered body, the peak intensity I C (311) of the (311) plane of cubic sialon and the peak intensity I β (200) of the (200) plane of β-type sialon in X-ray diffraction. The ratio I C (311) / (I C (311) + I β (200) ) is preferably 0.2 or more and 0.9 or less. At this time, the sialon-based sintered body of the present invention was subjected to surface grinding using a No. 400 diamond grindstone, and a cubic crystal was obtained from an X-ray diffraction pattern obtained by measuring the surface ground surface using Cu- characteristic X-rays. The peak intensity I C (311) of the (311) plane of the type sialon and the peak intensity I β (200) of the (200) plane of the β type sialon can be obtained. When I C (311) / (I C (311) + I β (200) ) is defined as Rc, Rc indicates the ratio of cubic sialon contained in the sialon-based sintered body of the present invention. When Rc is less than 0.2, the ratio of cubic sialon particles contained in the sialon-based sintered body is small, and it becomes difficult to obtain a sufficient increase in hardness compared to the β-type sialon sintered body. On the other hand, if Rc exceeds 0.9, the ratio of columnar β-type sialon particles contained in the sialon-based sintered body is reduced, and the toughness is lowered, which is not preferable.

工具摩耗の生じやすい耐熱合金の高速仕上加工用途に用いる工具には、Rcが0.4〜0.9の範囲の硬度を重視した材料を用いることが好ましい。一方、耐欠損性を重視した粗加工用途に用いる工具には、Rcが0.2〜0.6の範囲の靭性を重視した材料を用いることが好ましい。   For a tool used for high-speed finishing of a heat-resistant alloy that easily causes tool wear, it is preferable to use a material that places importance on the hardness of Rc in the range of 0.4 to 0.9. On the other hand, it is preferable to use a material with an emphasis on toughness in the range of Rc of 0.2 to 0.6 for a tool used for rough machining with an emphasis on fracture resistance.

上記のサイアロン基焼結体においては、さらに第3化合物として、下記の(a)および/または(b)を含むことが好ましい。
(a)アルミニウム、ホウ素、ケイ素、チタニウム、鉄、ニッケルからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、炭素、窒素、酸素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素との化合物。
(b)アルミニウム、ホウ素、ケイ素、チタニウム、鉄、ニッケルからなる群より選ばれる少なくとも2種の元素の化合物。
The sialon-based sintered body preferably further includes the following (a) and / or (b) as the third compound.
(A) A compound of at least one element selected from the group consisting of aluminum, boron, silicon, titanium, iron and nickel and at least one element selected from the group consisting of carbon, nitrogen and oxygen.
(B) A compound of at least two elements selected from the group consisting of aluminum, boron, silicon, titanium, iron, and nickel.

かかる第3化合物が、立方晶型サイアロン粒子やβ型サイアロン粒子の結合材として機能することにより、立方晶型サイアロン粒子とβ型サイアロン粒子の結合がより強固になるからである。加えて、第3化合物自体が靭性の高い物質である場合、それを分散させたサイアロン基焼結体の靭性も向上する。   This is because such a third compound functions as a binder for cubic sialon particles and β-sialon particles, thereby further strengthening the bond between the cubic sialon particles and β-sialon particles. In addition, when the third compound itself is a substance having high toughness, the toughness of the sialon-based sintered body in which the third compound is dispersed is also improved.

このとき、第3化合物の含有量はサイアロン基焼結体の10体積%以上50体積%以下であることが好ましい。第3化合物の含有量が10体積%未満では、第3化合物を添加しない場合に比べて、第3化合物を添加する効果が十分に得られないためである。一方、第3化合物の含有量が50体積%を超えると、立方晶型サイアロン粒子の含有量の低下に伴い硬度が減少することに加え、金属との反応性が低いというサイアロン基焼結体本来の特長が失われるため好ましくない。   At this time, the content of the third compound is preferably 10% by volume or more and 50% by volume or less of the sialon-based sintered body. This is because when the content of the third compound is less than 10% by volume, the effect of adding the third compound cannot be sufficiently obtained as compared with the case where the third compound is not added. On the other hand, if the content of the third compound exceeds 50% by volume, the sialon-based sintered body inherently has a low reactivity with metals in addition to a decrease in hardness with a decrease in the content of cubic sialon particles. This is not preferable because the features of are lost.

第3化合物は、柱状晶のβ型サイアロン粉末を出発原料として衝撃合成圧縮を行い、等軸晶の立方晶型サイアロン粒子と柱状晶のβ型サイアロン粒子を含む粉末を得た後、焼結する前に粉末の状態で所定量を添加、混合する。焼結の前後でX線回折を行うと、立方晶型サイアロン、β型サイアロンおよび第3化合物のピーク強度比に大きな変化はなく、粉末の状態で添加した第3化合物の体積比率が、焼結体においてもほぼそのまま維持されていることが確認された。上記のX線回折以外にも、鏡面研磨した焼結体断面をSEM観察し、EDX(Energy Dispersive X-ray spectrometry、エネルギー分散型X線分析)を用いて結晶粒子を構成する元素を調べ、第3化合物の粒子を特定することによってその面積比率を求め、体積比率とみなすというやり方によっても、サイアロン基焼結体に含まれる第3化合物の体積比率を特定することができる。   The third compound is subjected to impact synthesis compression using columnar β-sialon powder as a starting material to obtain powder containing equiaxed cubic sialon particles and columnar β-sialon particles, and then sintered. A predetermined amount is added and mixed in the state of powder before. When X-ray diffraction is performed before and after sintering, there is no significant change in the peak intensity ratio of cubic sialon, β-sialon and third compound, and the volume ratio of the third compound added in the powder state is It was confirmed that the body was maintained as it was. In addition to the above X-ray diffraction, the mirror-polished sintered body cross section is observed by SEM, and the elements constituting the crystal particles are examined using EDX (Energy Dispersive X-ray spectrometry). The volume ratio of the third compound contained in the sialon-based sintered body can also be specified by determining the area ratio by specifying the particles of the three compounds and regarding it as the volume ratio.

本発明のサイアロン基焼結体においては、ビッカース硬度が22GPa以上、かつ破壊靭性値が5MPa・m1/2以上であることが好ましい。通常β型サイアロン焼結体は、ビッカース硬度が17GPa程度かつ破壊靭性値が6MPa・m1/2程度である。かかるβ型サイアロン焼結体製の切削工具を用いて、難削材料であるインコネルなどの耐熱合金の切削加工を行うと、工具としての十分な耐摩耗性が得られない。これに対して、本発明のサイアロン基焼結体のように立方晶型サイアロン粒子を含有することにより、焼結体のビッカース硬度が22GPa以上になると、難削材料であるインコネルなどの耐熱合金に対しても、工具としての十分な耐摩耗性を有するようになる。このとき、サイアロン基焼結体の破壊靭性値が5MPa・m1/2未満になると、工具として十分な耐欠損性を確保することが難しくなるため、本発明のサイアロン基焼結体の破壊靭性値は5MPa・m1/2以上であることが好ましい。本発明のサイアロン基焼結体においては、硬度は高いが脆いという性質を有する立方晶型サイアロン粒子を含有させることによる破壊靭性値の低下を、焼結体中に柱状晶のβ型サイアロン粒子を併存させることにより抑制している。 In the sialon-based sintered body of the present invention, it is preferable that the Vickers hardness is 22 GPa or more and the fracture toughness value is 5 MPa · m 1/2 or more. Usually, a β-type sialon sintered body has a Vickers hardness of about 17 GPa and a fracture toughness value of about 6 MPa · m 1/2 . When a cutting tool made of such a β-sialon sintered body is used to cut a heat-resistant alloy such as Inconel, which is a difficult-to-cut material, sufficient wear resistance as a tool cannot be obtained. On the other hand, when cubic sialon particles are contained as in the sialon-based sintered body of the present invention, when the Vickers hardness of the sintered body is 22 GPa or more, a heat-resistant alloy such as Inconel, which is a difficult-to-cut material, is used. On the other hand, it has sufficient wear resistance as a tool. At this time, if the fracture toughness value of the sialon-based sintered body is less than 5 MPa · m 1/2 , it becomes difficult to ensure sufficient fracture resistance as a tool, so the fracture toughness of the sialon-based sintered body of the present invention The value is preferably 5 MPa · m 1/2 or more. In the sialon-based sintered body of the present invention, the reduction in fracture toughness value due to the inclusion of cubic sialon particles having a high hardness but brittleness, columnar β-sialon particles in the sintered body It is suppressed by coexisting.

本発明のサイアロン基焼結体のビッカース硬度は、ベークライト樹脂に埋め込んだ焼結体を9μmと3μmのダイヤモンド砥粒を用いてそれぞれ30分間研磨した後、焼結体の研磨面にビッカース硬度計(AKASHI製、HV−112)を用いて、10kgfの荷重でダイヤモンド圧子を押し込むことにより測定した。ダイヤモンド圧子を押し込むことによって生じた圧痕からビッカース硬度Hv10を求めた。さらに、圧痕から伝播している亀裂長さを測定し、JIS R 1607(ファインセラミックスの室温破壊じん(靱)性試験方法)に準拠したIF法により破壊靭性値を求めた。 The Vickers hardness of the sialon-based sintered body of the present invention is determined by polishing a sintered body embedded in a bakelite resin for 30 minutes using 9 μm and 3 μm diamond abrasive grains, respectively, and then applying a Vickers hardness meter ( Measurement was performed by pushing a diamond indenter with a load of 10 kgf using AKASHI (HV-112). The Vickers hardness Hv10 was determined from the indentation generated by pressing the diamond indenter. Furthermore, the crack length propagating from the indentation was measured, and the fracture toughness value was determined by the IF method in accordance with JIS R 1607 (room temperature fracture toughness (toughness test method for fine ceramics)).

本発明の第2の態様は、上記のサイアロン基焼結体を用いた切削工具である。本発明のサイアロン基焼結体においては、金属との反応性が低いというサイアロン本来の特長を生かし、等軸晶の立方晶型サイアロン粒子による硬度の増大と、柱状晶のβ型サイアロン粒子による靭性の増大を両立できたことにより、難削材料であるインコネルなどの耐熱合金の切削加工等の用途に用いられる工具として好適に用いることができる。そして、かかる用途に用いたときに、従来のβ型サイアロン焼結体製の工具に比べて、耐摩耗性と耐欠損性を大幅に向上させることができる。   The second aspect of the present invention is a cutting tool using the above sialon-based sintered body. In the sialon-based sintered body of the present invention, taking advantage of the original characteristics of sialon that the reactivity with metal is low, the hardness is increased by equiaxed cubic sialon particles, and the toughness by columnar β-sialon particles Therefore, it can be suitably used as a tool used for applications such as cutting of heat-resistant alloys such as Inconel, which is a difficult-to-cut material. And when it uses for such a use, compared with the tool made from the conventional (beta) type sialon sintered compact, abrasion resistance and a fracture resistance can be improved significantly.

本発明の第3の態様であるサイアロン基焼結体の製造方法の実施形態について、以下、工程順に説明する。   An embodiment of the method for producing a sialon-based sintered body according to the third aspect of the present invention will be described below in the order of steps.

(柱状晶のβ型サイアロン粉末を合成する工程)
Si6−ZAl8−Z(Zは0を超え、4.2以下の数値)の化学式で示されるβ型サイアロンを合成するにあたり、SiO、Alと炭素を出発原料として、一般的な大気圧の窒素雰囲気下での炭素還元窒化法を用いて合成すると、得られるβ型サイアロン粉末の粒子は等軸晶となる。これに対して、例えば下記の(I)式で示される、大気圧以上の窒素雰囲気下での金属シリコンの窒化反応を応用した高温窒化合成法を用いると、サイアロンの合成温度をβ型サイアロン粒子の異常粒成長が起こる2500℃程度まで高めることができるため、c軸方向に六角形の柱状晶が成長したβ型サイアロンの粉末を得ることができる。
(Process of synthesizing columnar β-type sialon powder)
Si 6-Z Al Z O Z N 8-Z (Z is greater than 0, 4.2 or less number) Upon synthesizing β-sialon represented by the chemical formula, starting carbon and SiO 2, Al 2 O 3 When synthesized using a carbon reductive nitriding method under a general nitrogen atmosphere at atmospheric pressure as a raw material, the β-sialon powder particles obtained are equiaxed crystals. On the other hand, for example, by using a high temperature nitriding synthesis method that applies a nitriding reaction of metal silicon under a nitrogen atmosphere at atmospheric pressure or higher, represented by the following formula (I), the synthesis temperature of sialon is changed to β-type sialon particles. Therefore, β-sialon powder in which hexagonal columnar crystals grow in the c-axis direction can be obtained.

3(2−0.5Z)Si+ZAl+0.5ZSiO+(4−0.5Z)N
→Si6−ZAl8−Z ・・・(I)
Si粉末(平均粒径0.5〜45μm、純度96%以上、より好ましくは純度99%以上)、SiO粉末(平均粒径0.1〜20μm)およびAl粉末(平均粒径1〜75μm)を所望のZ値に応じて秤量した後、ボールミルやシェイカーミキサー等で混合し、β型サイアロン合成用の原料粉末を準備する。このとき上記の(I)式以外にも、Al成分としてAlNやAlを適宜組み合わせて用いることも可能である。β型サイアロンを合成する際に、合成温度が3000℃以上になるとβ型サイアロンの分解が起こり、AlやSiが析出して、所望の組成のβ型サイアロンが合成できない場合がある。かかる分解を抑制するため、合成反応と温度を調整する目的で、TiN等のセラミックス粉末や後工程で除去が可能なNaCl粉末等の希釈成分を予め添加しておくことが効果的である。また、窒素ガスの圧力が1MPa未満もしくは合成温度が2000℃未満では、所望の柱状晶のβ型サイアロン粉末が得られない、あるいは窒化反応が起こらないことがある。ネッキングが少なくかつアスペクト比の高い柱状晶のβ型サイアロン粉末を合成する温度としては、2300〜2700℃が好ましい。また、β型サイアロンを合成する容器に充填する窒素ガスの圧力は1.5MPa以上であることが好ましく、柱状晶の成長を促す上では3MPa以上の窒素ガス圧力の下で合成を行うことがより好ましい。このようなガス圧に耐え得る合成装置としては、燃焼合成装置、あるいはHIP(Hot Isostatic Pressing、熱間静水圧プレス)装置が適している。
3 (2-0.5Z) Si + ZAl + 0.5ZSiO 2 + (4-0.5Z) N 2
→ Si 6-Z Al Z O Z N 8-Z (I)
Si powder (average particle size 0.5 to 45 μm, purity 96% or more, more preferably 99% or more), SiO 2 powder (average particle size 0.1 to 20 μm) and Al powder (average particle size 1 to 75 μm) Are weighed according to a desired Z value, and then mixed with a ball mill, a shaker mixer or the like to prepare a raw material powder for β-sialon synthesis. At this time, in addition to the above formula (I), it is also possible to use an appropriate combination of AlN or Al 2 O 3 as the Al component. When synthesizing β-sialon, if the synthesis temperature is 3000 ° C. or higher, β-sialon is decomposed and Al or Si is precipitated, and β-sialon having a desired composition may not be synthesized. In order to suppress such decomposition, for the purpose of adjusting the synthesis reaction and temperature, it is effective to add in advance a diluting component such as ceramic powder such as TiN or NaCl powder that can be removed in a subsequent process. If the pressure of the nitrogen gas is less than 1 MPa or the synthesis temperature is less than 2000 ° C., the desired columnar β-sialon powder may not be obtained or the nitriding reaction may not occur. The temperature for synthesizing the β-sialon powder having a columnar crystal with little necking and high aspect ratio is preferably 2300 to 2700 ° C. Further, the pressure of the nitrogen gas filled in the vessel for synthesizing β-sialon is preferably 1.5 MPa or more, and in order to promote the growth of columnar crystals, the synthesis is performed under a nitrogen gas pressure of 3 MPa or more. preferable. As a synthesis apparatus that can withstand such gas pressure, a combustion synthesis apparatus or a HIP (Hot Isostatic Pressing) apparatus is suitable.

上記のようにしてβ型サイアロンを合成すると、粒子同士がネッキングした凝集粉末が得られるため、凝集を解砕する必要がある。ボールミルやアトライターなどのメディア粉砕プロセスを用いて凝集粉末を長時間にわたって解砕すると、柱状晶が過粉砕されて等軸晶になってしまう可能性があるため、解砕にあたってはメディア粉砕プロセスの方法や条件の制御が重要となる。解砕には、メディア粉砕プロセスの中では比較的粉砕力の小さい湿式ボールミルが適している。例えば、前記合成粉末と溶媒をスラリーの固形分比率が20〜80質量%となるように調合した後、メディアとしてφ1〜10mm程度の窒化ケイ素またはアルミナ製のボールを用いて、2〜10時間のボールミルを行うことで凝集を解砕することが好ましい。   When β-sialon is synthesized as described above, an agglomerated powder in which the particles are necked together is obtained, and it is necessary to break up the agglomeration. If the agglomerated powder is pulverized for a long time using a media grinding process such as a ball mill or an attritor, the columnar crystals may be overmilled to become equiaxed crystals. Control of methods and conditions is important. For the crushing, a wet ball mill having a relatively small crushing force is suitable in the media crushing process. For example, after blending the synthetic powder and the solvent so that the solid content ratio of the slurry is 20 to 80% by mass, using a silicon nitride or alumina ball having a diameter of about 1 to 10 mm as a medium for 2 to 10 hours It is preferable to break up the agglomeration by ball milling.

より好ましい解砕方法は、超音波ホモジナイザーや湿式ジェットミルなどの、粉末粒子の粉砕を伴わないメディアレス解砕プロセスを用いることである。例えば、前記合成粉末と溶媒を固形分比率が10〜50質量%となるように調合したスラリーを、湿式ジェットミルにより流速マッハ0.8以上で3パス以上処理することにより、柱状晶のβ型サイアロン粉末が単分散したスラリーを得ることができる。ジェットミルには、スラリーをダイヤモンドやセラミックス焼結体に衝突させる衝突板型の装置を用いてもよい。その場合には、噴射圧力を0.5〜1.5MPaに低下させても凝集の解砕が可能である。また、予備的にボールミルによって前記合成粉末を湿式分散させた後、メディアレス解砕プロセスを行ってもよい。   A more preferable crushing method is to use a medialess crushing process that does not involve crushing of powder particles, such as an ultrasonic homogenizer or a wet jet mill. For example, a slurry prepared by mixing the synthetic powder and the solvent so that the solid content ratio is 10 to 50% by mass is processed by a wet jet mill at a flow rate of Mach of 0.8 or more for 3 passes or more to form a β-type columnar crystal A slurry in which sialon powder is monodispersed can be obtained. For the jet mill, a collision plate type apparatus that collides the slurry with the diamond or ceramic sintered body may be used. In that case, aggregation can be crushed even if the injection pressure is reduced to 0.5 to 1.5 MPa. In addition, a medialess crushing process may be performed after the synthetic powder is preliminarily wet dispersed by a ball mill.

解砕にあたっては、解砕後のβ型サイアロン粉末の(101)面のX線回折ピークの半値幅が、0.35°〜2.0°となるように解砕条件を調整することが好ましい。前記半値幅が0.35°未満であると、後の衝撃合成圧縮プロセスにおいて、立方晶型サイアロンへの相変態が促進され、所望の柱状晶のβ型サイアロンが残存しないことがあるためである。また、前記半値幅が2.0°を超えるまで微細化されたβ型サイアロンでは、比表面積の増加に伴う酸化によって、所望の立方晶型サイアロンが合成できないことがある。   In crushing, it is preferable to adjust the crushing conditions so that the half width of the X-ray diffraction peak of the (101) plane of the β-sialon powder after crushing is 0.35 ° to 2.0 °. . This is because if the half width is less than 0.35 °, phase transformation to cubic sialon is promoted in the subsequent impact synthetic compression process, and β-sialon having a desired columnar crystal may not remain. . Moreover, in the β-sialon refined until the half width exceeds 2.0 °, a desired cubic sialon may not be synthesized due to oxidation accompanying an increase in specific surface area.

上述のようにして高温窒化合成並びに解砕を行うことにより、立方晶型サイアロンを合成する際の出発原料として好適な、柱状晶のβ型サイアロン粉末を得ることができる。SEMあるいはTEMを用いて撮像した1万倍の電子像において、任意に抽出した500個の粉末粒子の短軸径の平均値は0.2〜10μmであり、かつ長軸径の平均値を短軸径の平均値で除することによって求めたアスペクト比は2以上となっている。   By performing high-temperature nitridation synthesis and crushing as described above, columnar β-sialon powder suitable as a starting material for the synthesis of cubic sialon can be obtained. In a 10,000 times electronic image taken using SEM or TEM, the average short axis diameter of 500 powder particles extracted arbitrarily is 0.2 to 10 μm, and the average long axis diameter is short. The aspect ratio obtained by dividing by the average value of the shaft diameter is 2 or more.

(立方晶型サイアロン粉末を合成する工程)
上述のようにして得られた柱状晶のβ型サイアロン粉末を、1800℃以上2000℃以下の温度、かつ40GPa以上60GPa以下の圧力で処理することにより、その一部を立方晶型サイアロンに相変態させることができる。例えば、前記の処理に衝撃圧縮プロセスを用いる場合には、衝撃圧力を40GPa程度とし、温度を1800〜2000℃とすることによって、等軸晶の立方晶型サイアロンと柱状晶のβ型サイアロンが混在した粉末が得られる。
(Process of synthesizing cubic sialon powder)
The columnar β-sialon powder obtained as described above is treated at a temperature of 1800 ° C. or more and 2000 ° C. or less and a pressure of 40 GPa or more and 60 GPa or less to partially transform it into cubic sialon. Can be made. For example, when an impact compression process is used for the above-mentioned treatment, by setting the impact pressure to about 40 GPa and the temperature to 1800 to 2000 ° C., equiaxed cubic sialon and columnar β-sialon are mixed. Powder is obtained.

前記処理粉末をTEMを用いて撮像した5万倍の電子像において、粒径が0.05〜5μm程度の等軸晶の粒子と、短軸径が0.2〜10μm程度でアスペクト比が2以上の柱状晶の粒子が観察された。ディフラクション解析により、等軸晶の粒子は立方晶型サイアロンであり、柱状晶の粒子はβ型サイアロンであることを確認した。   In a 50,000-fold electron image obtained by imaging the treated powder using a TEM, equiaxed grains having a grain size of about 0.05 to 5 μm, a minor axis diameter of about 0.2 to 10 μm, and an aspect ratio of 2 The above columnar grains were observed. It was confirmed by diffraction analysis that the equiaxed grains were cubic sialon and the columnar grains were β sialon.

(混合工程)
上述の立方晶型サイアロンとβ型サイアロンを含む処理粉末に、第3化合物として、下記の(a)の粉末および/または(b)の粉末を添加して混合する。
(a)アルミニウム、ホウ素、ケイ素、チタニウム、鉄、ニッケルからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、炭素、窒素、酸素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素との化合物。
(b)アルミニウム、ホウ素、ケイ素、チタニウム、鉄、ニッケルからなる群より選ばれる少なくとも2種の元素の化合物。
(Mixing process)
The following powder (a) and / or (b) is added and mixed as the third compound to the above-described treated powder containing cubic sialon and β-sialon.
(A) A compound of at least one element selected from the group consisting of aluminum, boron, silicon, titanium, iron and nickel and at least one element selected from the group consisting of carbon, nitrogen and oxygen.
(B) A compound of at least two elements selected from the group consisting of aluminum, boron, silicon, titanium, iron, and nickel.

第3化合物はサイアロン基焼結体の10〜50体積%の範囲で添加することが好ましい。第3化合物を10体積%以上添加することにより、粒子分散による焼結体の靭性向上が期待でき、50体積%以下の添加であれば、硬度も大きく低下しないからである。   The third compound is preferably added in the range of 10 to 50% by volume of the sialon-based sintered body. This is because by adding 10% by volume or more of the third compound, improvement in the toughness of the sintered body due to particle dispersion can be expected, and if the addition is 50% by volume or less, the hardness will not be greatly reduced.

第3化合物の粉末としては、平均粒径0.05〜2μm程度の窒化チタン粉末、平均粒径0.05〜2μm程度の窒化アルミニウム粉末、平均粒径0.1〜3μm程度の立方晶窒化ホウ素粉末、平均粒径0.1〜3μm程度の炭化ケイ素粉末、平均粒径0.5〜10μm程度のTiAl粉末、平均粒径0.5〜10μm程度のFeAl粉末、平均粒径0.5〜10μm程度のNiAl粉末などが好適に用いられる。   As the powder of the third compound, titanium nitride powder having an average particle size of about 0.05 to 2 μm, aluminum nitride powder having an average particle size of about 0.05 to 2 μm, cubic boron nitride having an average particle size of about 0.1 to 3 μm Powder, silicon carbide powder having an average particle size of about 0.1 to 3 μm, TiAl powder having an average particle size of about 0.5 to 10 μm, FeAl powder having an average particle size of about 0.5 to 10 μm, average particle size of 0.5 to 10 μm About NiAl powder or the like is preferably used.

混合に際しては、メディアとしてφ3〜10mm程度の窒化ケイ素製またはアルミナ製のボールを用いて、エタノールなどの溶媒中で12時間以内の短時間のボールミル混合を行うか、超音波ホモジナイザーや湿式ジェットミルなどのメディアレス混合装置を用いて混合することにより、立方晶型サイアロン粉末、β型サイアロン粉末および第3化合物粉末が均一分散された混合スラリーを得ることができる。とりわけ、柱状晶のβ型サイアロン粉末を粉砕せず、アスペクト比の高い状態を維持するという観点から、メディアレス混合装置を用いることが好ましい。また、複数の第3化合物粉末を添加する場合には、予めボールミルやビーズミルを用いて第3化合物粉末のみを十分に混合したスラリーを、サイアロン粉末に加えて短時間のボールミル混合やメディアレス混合を行うことが効果的である。   In mixing, silicon nitride or alumina balls having a diameter of about 3 to 10 mm are used as media, and ball mill mixing is performed for a short time within 12 hours in a solvent such as ethanol, or an ultrasonic homogenizer or a wet jet mill. By mixing using the medialess mixing apparatus, a mixed slurry in which cubic sialon powder, β-sialon powder and third compound powder are uniformly dispersed can be obtained. In particular, it is preferable to use a medialess mixing device from the viewpoint of maintaining a high aspect ratio without crushing columnar β-sialon powder. In addition, when adding a plurality of third compound powders, a slurry in which only the third compound powders are sufficiently mixed in advance using a ball mill or a bead mill is added to the sialon powders for short-time ball mill mixing or medialess mixing. It is effective to do.

上記のようにして得られたスラリーを、自然乾燥、スプレードライヤーあるいはスラリードライヤーなどにより乾燥させて、混合粉末を得る。   The slurry obtained as described above is dried by natural drying, a spray dryer or a slurry dryer to obtain a mixed powder.

(焼結工程)
前記混合粉末を油圧プレスなどを用いて成形した後、ベルト型超高圧プレス装置などの高圧発生装置を用いて、3〜7GPaの圧力下、1200〜1800℃の温度域で焼結する。焼結に先立って混合粉末の成形体を予備焼結し、ある程度緻密化させたものを焼結することも可能である。また、パルス通電焼結装置(SPS)を用いて、30〜200MPaの圧力下、1200〜1600℃の温度域に5分程度よりも短い時間保持することによっても焼結することができる。
(Sintering process)
The mixed powder is molded using a hydraulic press or the like, and then sintered in a temperature range of 1200 to 1800 ° C. under a pressure of 3 to 7 GPa using a high pressure generator such as a belt-type ultrahigh pressure press. Prior to sintering, it is also possible to pre-sinter the compact of the mixed powder and to sinter the compacted product to some extent. Moreover, it can also sinter by hold | maintaining for a time shorter than about 5 minutes in the temperature range of 1200-1600 degreeC under the pressure of 30-200 MPa using a pulse electric current sintering apparatus (SPS).

(実施例1)
Si粉末(高純度化学製、品名:SIE19PB、純度99%、粒径45μm以下)、Al粉末(ミナルコ製、品名:300A、粒径45μm以下)およびSiO粉末(電気化学工業製、品名:FB−5D、平均粒径5μm)を用いて、上述の(I)式に従いβ型サイアロン粉末を合成した。このとき合成されるβ型サイアロン(Si6−ZAl8−Z)の組成がZ=1となるように、Si粉末、Al粉末およびSiO2粉末を配合して出発原料とした。
Example 1
Si powder (product of high-purity chemical, product name: SIE19PB, purity 99%, particle size 45 μm or less), Al powder (product of Minalco, product name: 300 A, particle size 45 μm or less) and SiO 2 powder (manufactured by Denki Kagaku Kogyo, product name: FB) Β-sialon powder was synthesized according to the above formula (I) using -5D and an average particle diameter of 5 μm. As the composition of this case β-sialon is synthesized (Si 6-Z Al Z O Z N 8-Z) becomes Z = 1, and a starting material by blending the Si powder, Al powder and SiO2 powder.

前記出発原料200gに、反応希釈と温度調整の目的でNaCl粉末200gを加えたものを、φ6mmの窒化ケイ素製ボール500gを入れたナイロンポットに投入し、シェイカーミキサーで30分の乾式混合を行って、高温窒化合成用の混合粉とした。   200 g of NaCl powder added to 200 g of the starting material for the purpose of reaction dilution and temperature adjustment is put into a nylon pot containing 500 g of φ6 mm silicon nitride balls, and dry-mixed for 30 minutes with a shaker mixer. A mixed powder for high-temperature nitriding synthesis was prepared.

燃焼合成装置またはHIP装置を用いて、高温窒化合成法により前記混合粉からβ型サイアロンを作製した。   Using a combustion synthesizer or HIP device, β-sialon was produced from the mixed powder by a high temperature nitriding synthesis method.

試料No.1−1〜1−11、および1−14は、燃焼合成装置を用いてβ型サイアロンを作製した。前記混合粉を容量500ミリリットルのポーラスカーボン製るつぼ内に静置した後、直径20mm、厚さ5mmの形状に型押ししたTi粉末(東邦チタニウム製、品名:TC450、粒径45μm以下)のペレットを、着火材として前記混合粉上にセットした。前記るつぼを燃焼合成装置内のステージに設置した後、着火源のタングステンワイヤー(アライドマテリアル製、線径φ0.5mm)を電極間に取り付けた。燃焼合成装置内をロータリーポンプを用いて真空引きした後、JIS2級の高純度窒素ガス(純度99.99vol%以上)を導入し、装置内の窒素ガス圧力を3MPaまで高めた。合成反応を開始させるにあたり、電極間の電圧を上昇させることによりタングステンワイヤーを白熱させてチタンペレットに着火し、その反応熱が前記混合粉に伝播することで、β型サイアロンの自己燃焼反応を生起させた。このとき二色放射温度計を用いて測定した反応温度は2500℃であった。   Sample No. 1-1 to 1-11 and 1-14 produced β-sialon using a combustion synthesizer. After leaving the mixed powder in a porous carbon crucible having a capacity of 500 ml, pellets of Ti powder (made by Toho Titanium, product name: TC450, particle size of 45 μm or less) embossed into a shape having a diameter of 20 mm and a thickness of 5 mm are obtained. Then, it was set on the mixed powder as an ignition material. After the crucible was placed on the stage in the combustion synthesizer, an ignition source tungsten wire (made by Allied Material, wire diameter φ0.5 mm) was attached between the electrodes. After evacuating the inside of the combustion synthesis apparatus using a rotary pump, JIS class 2 high-purity nitrogen gas (purity 99.99 vol% or more) was introduced, and the nitrogen gas pressure in the apparatus was increased to 3 MPa. In starting the synthesis reaction, the tungsten wire is incandescent by increasing the voltage between the electrodes to ignite the titanium pellets, and the reaction heat propagates to the mixed powder, thereby causing a self-combustion reaction of β-sialon. I let you. At this time, the reaction temperature measured using a two-color radiation thermometer was 2500 ° C.

試料No.1−12と1−13は、HIP装置を用いてβ型サイアロンを作製した。前記混合粉を容量100ミリリットルのカーボン製円筒るつぼ内に静置した後、前記るつぼをHIP装置内にセットした。HIP装置内を真空ポンプを用いて真空引きした後、JIS2級の高純度窒素ガス(純度99.99vol%以上)を導入し、HIP装置内の窒素ガス圧力を20MPaまで高めた。合成反応を開始させるにあたり、ヒーター温度を2500℃まで上昇させ、そのジュール熱が前記混合粉に伝播することで、β型サイアロンの自己燃焼反応を生起させた。ヒーター付近に設置された熱電対を用いて測定した反応温度は2700℃であった。   Sample No. 1-12 and 1-13 produced β-sialon using a HIP device. The mixed powder was left in a carbon cylindrical crucible having a capacity of 100 ml, and then the crucible was set in an HIP apparatus. After evacuating the inside of the HIP apparatus using a vacuum pump, JIS class 2 high-purity nitrogen gas (purity 99.99 vol% or more) was introduced, and the nitrogen gas pressure in the HIP apparatus was increased to 20 MPa. In starting the synthesis reaction, the heater temperature was raised to 2500 ° C., and the Joule heat was propagated to the mixed powder, thereby causing β-sialon self-combustion reaction. The reaction temperature measured using a thermocouple installed in the vicinity of the heater was 2700 ° C.

上記のようにして合成した反応生成物を装置から取出し、アルミナ乳鉢にて凝集を粉砕した後、純水中でNaClを除去した。X線回折装置(パナリティカル製X’Pert Powder、Cu−Kα線、2θ−θ法、電圧×電流:45kV×40A、測定範囲:2θ=10〜80°、スキャンステップ:0.03°、スキャン速度:1ステップ/秒)を用いて、NaCl除去後の反応生成物の結晶相を同定した結果、すべての回折ピークがβ型SiAlON(JCPDSカード:01−077−0755)と一致したことから、Z=1のβ型サイアロンが合成できたと判断した。このβ型サイアロン粉末をSEM観察した結果、粉末粒子が針状に成長していることが確認できた。 The reaction product synthesized as described above was taken out from the apparatus, and after agglomeration was pulverized in an alumina mortar, NaCl was removed in pure water. X-ray diffractometer (Panalytic X'Pert Powder, Cu-Kα line, 2θ-θ method, voltage × current: 45 kV × 40 A, measurement range: 2θ = 10 to 80 °, scan step: 0.03 °, scan As a result of identifying the crystal phase of the reaction product after NaCl removal, all diffraction peaks were consistent with β-type Si 5 AlON 7 (JCPDS card: 01-077-0755). From this, it was judged that a β-type sialon with Z = 1 could be synthesized. As a result of SEM observation of this β-sialon powder, it was confirmed that the powder particles were growing in a needle shape.

高温窒化合成したβ型サイアロン粉末は凝集しているため、2次粒子が150μm以下になるまでアルミナ製乳鉢で粗粉砕したのち、ボールミル、アトライター、湿式ジェットミルを用いて凝集を解砕した。   Since β-sialon powder synthesized by high-temperature nitriding is agglomerated, it was coarsely pulverized in an alumina mortar until the secondary particles became 150 μm or less, and then agglomerated using a ball mill, an attritor, or a wet jet mill.

試料No.1−1〜1−5、1−12および1−14は、ボールミルを用いて凝集を解砕した。容量2リットルのポリスチレン製ポットに、高温窒化合成したβ型サイアロン粉末200g、エタノール600ミリリットル、およびφ5mmの窒化ケイ素ボール2kgを封入して、それぞれ表1に示す通り1〜15時間の湿式ボールミルを行い、分散スラリーを得た。   Sample No. 1-1 to 1-5, 1-12 and 1-14 were crushed using a ball mill. 200 g of β-sialon powder synthesized by high-temperature nitriding, 600 ml of ethanol, and 2 kg of φ5 mm silicon nitride balls are sealed in a 2 liter polystyrene pot, and wet ball milling is performed for 1 to 15 hours as shown in Table 1, respectively. A dispersion slurry was obtained.

試料No.1−6〜1−8は、アトライターを用いて凝集を解砕した。500ミリリットルのエタノールに高温窒化合成したβ型サイアロン粉末200gを分散させたスラリーを用い、それぞれ表1に示す通りアトライター(アジテーターの周速 50m/分、超硬合金製ボールφ3mm、超硬合金製アジテーター)を使って0.5〜5時間解砕し、スラリーを調整した。   Sample No. In 1-6 to 1-8, aggregation was crushed using an attritor. Using slurry in which 200 g of β-sialon powder synthesized by high-temperature nitridation in 500 ml of ethanol is dispersed, as shown in Table 1, attritors (agitator peripheral speed 50 m / min, cemented carbide ball φ3 mm, cemented carbide) The slurry was prepared by crushing for 0.5 to 5 hours using an agitator.

試料No.1−9〜1−11および1−13は、湿式ジェットミルを用いて凝集を解砕した。2リットルのエタノールに高温窒化合成したβ型サイアロン粉末200gを分散させたスラリーを用いて、それぞれ表1に示す通り湿式ジェットミル(噴射時のスラリー流速マッハ1)を1〜5パス通過させ、スラリーを調整した。   Sample No. 1-9 to 1-11 and 1-13 were crushed using a wet jet mill. Using a slurry in which 200 g of β-sialon powder synthesized by high-temperature nitridation in 2 liters of ethanol is dispersed, a wet jet mill (slurry flow rate Mach 1 during injection) is passed through 1 to 5 passes as shown in Table 1, respectively. Adjusted.

上述の各スラリーを自然乾燥した後、乾燥粉末を目開き45μmの篩に通して、立方晶型サイアロンを衝撃合成するための原料とした。試料No.1−1〜1−7、1−9〜1−14の条件で解砕した粉末をSEM観察した結果、柱状晶のβ型サイアロン粉末粒子が確認されたが、試料No.1−8では柱状晶の粉末粒子は確認できず、等軸晶の粉末粒子のみが観察された。また、上述の解砕前のβ型サイアロン粉末の結晶相を同定する際に用いたのと同じX線回折装置を使って、解砕後の粉末の結晶構造の解析を行ったところ、全ての試料において、β型サイアロン粉末の(101)面でのX線回折線の半値幅が0.35°〜2.0°の範囲であった。   Each of the above-mentioned slurries was naturally dried, and then the dried powder was passed through a sieve having an opening of 45 μm to obtain a raw material for impact synthesis of cubic sialon. Sample No. As a result of SEM observation of the powders crushed under the conditions of 1-1 to 1-7 and 1-9 to 1-14, β-sialon powder particles of columnar crystals were confirmed. In 1-8, columnar powder particles were not confirmed, and only equiaxed powder particles were observed. In addition, when the crystal structure of the powder after pulverization was analyzed using the same X-ray diffractometer used to identify the crystal phase of the β-sialon powder before pulverization, In the sample, the half-value width of the X-ray diffraction line on the (101) plane of the β-type sialon powder was in the range of 0.35 ° to 2.0 °.

解砕、篩分後のβ型サイアロン粉末にヒートシンクとして銅粉を混合し、この混合粉末を鋼管に封入した後、温度1900℃、衝撃圧力40GPaとなるように設定した量の爆薬を用いて衝撃圧縮することにより、立方晶型サイアロンを合成した。衝撃圧縮後鋼管内の混合粉末を取り出し、酸洗浄により銅粉を除去して合成粉末を得た。上述の解砕前のβ型サイアロン粉末の結晶相を同定する際に用いたのと同じX線回折装置を使って、前記合成粉末を分析したところ、立方晶型SiAlON(JCPDSカード:01−074−3494)とβ型SiAlONが同定された。 After crushing and sieving, β-sialon powder is mixed with copper powder as a heat sink. By compressing, cubic sialon was synthesized. After impact compression, the mixed powder in the steel pipe was taken out, and copper powder was removed by acid cleaning to obtain a synthetic powder. When the synthetic powder was analyzed using the same X-ray diffractometer as used to identify the crystalline phase of the β-sialon powder before pulverization described above, cubic Si 5 AlON 7 (JCPDS card: 01-074-3494) and β-type Si 5 AlON 7 were identified.

前記合成粉末をTEM観察した結果、試料No.1−1〜1−7、1−9〜1−13においては、柱状晶粒子と粒径5μm以下の等軸晶粒子が混在していた。一方、試料No.1−8においては、すべての粉末粒子が等軸晶であった。TEMのディフラクションを用いて各粒子の結晶構造を同定したところ、試料No.1−1〜1−7、1−9〜1−13において観察される等軸晶粒子は立方晶、柱状晶粒子はβ型結晶であり、試料No.1−8で観察される等軸晶粒子は、立方晶およびβ型結晶であることが確認された。   As a result of TEM observation of the synthetic powder, Sample No. In 1-1 to 1-7 and 1-9 to 1-13, columnar crystal particles and equiaxed crystal particles having a particle size of 5 μm or less were mixed. On the other hand, Sample No. In 1-8, all the powder particles were equiaxed crystals. When the crystal structure of each particle was identified using the TEM fraction, sample no. The equiaxed crystal particles observed in 1-1 to 1-7 and 1-9 to 1-13 are cubic crystals, and the columnar crystal particles are β-type crystals. It was confirmed that the equiaxed crystal particles observed in 1-8 are cubic crystals and β-type crystals.

試料No.1−1〜1−13のそれぞれについて、前記合成粉末22.5gとTiN粉末(新日本金属製、品名:TiN−01、平均粒径:1μm)7.5gを秤量した後、60ミリリットルのエタノールおよびφ5mmの窒化ケイ素ボール200gと共に、容量150ミリリットルのポリスチレン製ポットに投入し、3時間のボールミル混合を行い、スラリーを調整した。ポットから取り出したスラリーを自然乾燥させた後、目開き45μmの篩を通して焼結用粉末を作製した。   Sample No. For each of 1-1 to 1-13, after weighing 22.5 g of the synthetic powder and 7.5 g of TiN powder (manufactured by Shin Nippon Metal Co., Ltd., product name: TiN-01, average particle size: 1 μm), 60 ml of ethanol Along with 200 g of silicon nitride balls having a diameter of 5 mm and a polystyrene pot having a capacity of 150 ml, the mixture was ball milled for 3 hours to prepare a slurry. After the slurry taken out from the pot was naturally dried, a powder for sintering was produced through a sieve having an opening of 45 μm.

比較のため、試料No.1−3と同じ条件で高温窒化合成し、解砕、篩分したβ型サイアロン粉末22.5gを衝撃圧縮せずにそのまま用いて、これに前記TiN粉末7.5gを加え、試料No.1−3と同様にボールミル混合、自然乾燥と篩分を行い、試料No.1−14の焼結用粉末を作製した。   For comparison, Sample No. The β-sialon powder 22.5 g which was synthesized by high-temperature nitriding under the same conditions as in 1-3, crushed and sieved was used as it was without impact compression, and 7.5 g of the TiN powder was added thereto. As in 1-3, ball mill mixing, natural drying and sieving were conducted. 1-14 powder for sintering was produced.

上述のようにして作製した試料No.1−1〜1−14の焼結用粉末を、直径φ20mmの高融点金属カプセルに真空封入した後、ベルト型超高圧プレス装置を用いて圧力6GPaに加圧しながら、温度1500℃に通電加熱して焼結体を作製した。   Sample No. manufactured as described above was used. The powder for sintering 1-1 to 1-14 was vacuum sealed in a refractory metal capsule having a diameter of 20 mm, and then heated to 1500 ° C. while being pressurized to 6 GPa using a belt type ultra-high pressure press. Thus, a sintered body was produced.

前記焼結体の表面を400番のダイヤ砥石を用いて平研研削した後、上述の解砕前のβ型サイアロン粉末の結晶相を同定する際に用いたのと同じ装置を用いて前記研削面のX線回折を行った。得られた回折パターンから、立方晶型サイアロンの(311)面のピーク強度IC(311)とβ型サイアロンの(200)面のピーク強度Iβ(200)を求め、これらの強度比Rc(IC(311)/(IC(311)+Iβ(200)))を算出した。その結果を表1に示す。高温窒化合成したβ型サイアロン粉末を衝撃圧縮せずにそのまま用いて焼結した試料No.1−14では、Rcは0であった。 After the surface of the sintered body is ground polished using a No. 400 diamond grindstone, the above-mentioned grinding is performed using the same apparatus used for identifying the crystal phase of the β-sialon powder before pulverization described above. Surface X-ray diffraction was performed. From the obtained diffraction pattern, the peak intensity I C (311) of the (311) plane of cubic sialon and the peak intensity I β (200) of the (200) plane of β-type sialon are obtained, and the intensity ratio Rc ( IC (311) / (IC (311) + I [ beta] (200) )) was calculated. The results are shown in Table 1. Sample No. 5 was sintered using β-sialon powder synthesized by high-temperature nitriding without impact compression. In 1-14, Rc was 0.

前記焼結体に含まれる立方晶型サイアロンとβ型サイアロンの結晶粒径を求めるため、それぞれの焼結体のEBSD解析を行った。まず焼結体から切り出した組織観察用試料の端面を、CP加工機(日本電子製、SM−09020CP)を用いてアルゴンイオンエッチングし、試料端面を平滑にした。前記試料端面をFE−SEM(日本電子製、JSM−7000F)を用いて1万倍の倍率で観察し、EBSD装置(TSL製、OIM−TM5.2)を用いて観察面の結晶相のマッピングを行った。解析用のパラメータとして、立方晶型サイアロンでは空間群:Fd3m(立方晶)、格子定数a=0.78nmを、そしてβ型サイアロンでは空間群:P63(六方晶)、格子定数a=0.76nm、c=0.29nmをそれぞれ入力した。得られたマッピング図から結晶方位の違いを利用して立方晶型サイアロンとβ型サイアロンの粒界を識別し、任意に抽出した50個の立方晶型サイアロン粒子のそれぞれについて、画像解析ソフト(Winroof、三谷商事)を用いてヘイウッド径を求め、50個のヘイウッド径の平均値を立方晶型サイアロン粒子の平均粒径とした。また、任意に抽出した50個のβ型サイアロン粒子のそれぞれについて、画像解析ソフトを用いて短軸径と長軸径を求め、50個の短軸径の平均値を平均短軸径、50個の長軸径の平均値を平均長軸径とした。平均長軸径を平均短軸径で除することによって平均アスペクト比を算出した。その結果を表1に示す。   In order to obtain crystal grain sizes of cubic sialon and β-sialon contained in the sintered body, EBSD analysis of each sintered body was performed. First, the end surface of the sample for tissue observation cut out from the sintered body was subjected to argon ion etching using a CP processing machine (manufactured by JEOL Ltd., SM-09020CP) to smooth the sample end surface. The sample end face was observed at a magnification of 10,000 using an FE-SEM (manufactured by JEOL, JSM-7000F), and the crystal phase of the observation surface was mapped using an EBSD apparatus (manufactured by TSL, OIM-TM5.2). Went. As parameters for analysis, for cubic sialon, space group: Fd3m (cubic), lattice constant a = 0.78 nm, and for β-type sialon, space group: P63 (hexagonal), lattice constant a = 0.76 nm. , C = 0.29 nm was input. Using the difference in crystal orientation from the obtained mapping diagram, the grain boundaries of cubic sialon and β sialon are identified, and each of the 50 cubic sialon particles arbitrarily extracted is image analysis software (Winroof , Mitani Corporation) was used to determine the Haywood diameter, and the average value of the 50 Haywood diameters was taken as the average particle diameter of the cubic sialon particles. Further, for each of the arbitrarily extracted 50 β-type sialon particles, the minor axis diameter and the major axis diameter are obtained using image analysis software, and the average value of the 50 minor axis diameters is calculated as the average minor axis diameter, 50 particles. The average value of the major axis diameter was taken as the average major axis diameter. The average aspect ratio was calculated by dividing the average major axis diameter by the average minor axis diameter. The results are shown in Table 1.

前記焼結体の機械的特性評価として、ビッカース硬度と破壊靱性を測定した。ベークライト樹脂に埋め込んだ焼結体を、ムサシノ電子社製のラッピング装置を用いて、9μmと3μmのダイヤモンド砥粒でそれぞれ30分間研磨した後、研磨面にビッカース硬度計(AKASHI製、HV−112)を用いて、10kgfの荷重でダイヤモンド圧子を押し込み、生じた圧痕からビッカース硬度Hv10を求めた。さらに、圧痕から伝播している亀裂長さを測定し、JIS R 1607(ファインセラミックスの室温破壊じん(靱)性試験方法)に準拠したIF法により破壊靭性値を求めた。その結果を表1に示す。 Vickers hardness and fracture toughness were measured as mechanical property evaluation of the sintered body. The sintered body embedded in the bakelite resin was polished with 9 μm and 3 μm diamond abrasive grains for 30 minutes using a lapping machine manufactured by Musashino Electronics Co., Ltd., and then a Vickers hardness tester (manufactured by AKASHI, HV-112) Was used to indent a diamond indenter with a load of 10 kgf, and Vickers hardness Hv10 was determined from the resulting indentation. Furthermore, the crack length propagating from the indentation was measured, and the fracture toughness value was determined by the IF method in accordance with JIS R 1607 (room temperature fracture toughness (toughness test method for fine ceramics)). The results are shown in Table 1.

次に、焼結体をCNGA120412型のロウ付けチップ形状(刃先処理:角度−20°、幅0.1mmのチャンファー形状)に加工し、インコネル718(大同スペシャルメタル社製、登録商標)の旋削加工における工具寿命を評価した。下記の条件で外径円筒旋削試験を行い、工具刃先の逃げ面摩耗量が0.2mmに達する切削距離を摩耗寿命(km)、欠損量が0.2mmに達する切削距離を欠損寿命(km)とし、摩耗寿命と欠損寿命のいずれか小さい方の値を工具寿命(km)とした。その結果を表1に示す。   Next, the sintered body was processed into a CNGA12041 type brazing tip shape (blade edge treatment: chamfer shape with an angle of -20 ° and a width of 0.1 mm), and turning of Inconel 718 (Daido Special Metal Co., Ltd., registered trademark). Tool life in machining was evaluated. The outer diameter cylindrical turning test is performed under the following conditions. The cutting distance at which the flank wear amount of the tool edge reaches 0.2 mm is the wear life (km), and the cutting distance at which the defect amount reaches 0.2 mm is the defect life (km). The tool life (km) was defined as the smaller one of the wear life and the defect life. The results are shown in Table 1.

<切削条件>
・被削材:インコネル718(溶態化・時効硬化処理材、ロックウェル硬度HRC=45相当品)
・工具形状:CNGA120412(ISO型番)
・切削速度:200m/分
・切り込み:0.5mm
・送り速度:0.15mm/rev
・湿式条件(水溶性油剤)
比較のために、試料No.1−15として、市販のβ型サイアロンセラミックス工具(SANDVIK社製、CC6060)を評価した。評価は試料No.1−1〜1−14と同様にして、X線回折のピーク強度比Rc、β型サイアロン粒子の平均短軸径と平均アスペクト比、ビッカース硬度と破壊靱性、摩耗寿命と欠損寿命と工具寿命を測定した。その結果を表1に示す。
<Cutting conditions>
· Workpiece: Inconel 718 (溶態reduction and aging treatment material, Rockwell hardness H RC = 45 equivalent)
・ Tool shape: CNGA120212 (ISO model number)
・ Cutting speed: 200 m / min ・ Incision: 0.5 mm
・ Feeding speed: 0.15mm / rev
・ Wet conditions (water-soluble oil)
For comparison, Sample No. As 1-15, a commercially available β-type sialon ceramic tool (manufactured by SANDVIK, CC6060) was evaluated. Evaluation was made with sample no. In the same manner as 1-1 to 1-14, the peak intensity ratio Rc of X-ray diffraction, the average minor axis diameter and average aspect ratio of β-type sialon particles, Vickers hardness and fracture toughness, wear life, fracture life and tool life It was measured. The results are shown in Table 1.

Figure 2014141359
Figure 2014141359

試料No.1−1においては、β型サイアロン粉末を高温窒化合成した後に凝集を解砕するボールミルの時間が短時間であったために、焼結体中に平均短軸径が10μmを超える粗大な柱状晶β型サイアロン粒子が存在することになり、焼結体中に存在する柱状晶β型サイアロン粒子の個数が減少すると共に、粗大粒に応力集中が起こって亀裂が進展した。その結果、破壊靱性値は4.8MPa・m1/2に止まり、切削距離0.2kmで欠損が起こって工具寿命に到った。 Sample No. In 1-1, since the time of the ball mill for crushing agglomeration after high-temperature nitridation synthesis of β-sialon powder was short, coarse columnar crystals β having an average minor axis diameter exceeding 10 μm in the sintered body Type sialon particles existed, and the number of columnar β-type sialon particles present in the sintered body decreased, and stress concentration occurred in coarse particles and cracks developed. As a result, the fracture toughness value stopped at 4.8 MPa · m 1/2, and the chipping occurred at the cutting distance of 0.2 km, reaching the tool life.

試料No.1−5においては、β型サイアロン粉末を高温窒化合成した後、凝集を解砕する際に長時間のボールミルを行ったために、焼結体中の柱状晶β型サイアロン粒子の平均短軸径が0.2μmより小さくなった。その結果、破壊靱性値は4.6MPa・m1/2に止まり、切削距離0.2kmで欠損が起こって工具寿命に到った。 Sample No. In 1-5, after β-sialon powder was subjected to high-temperature nitriding synthesis and then agglomeration was crushed, a long-time ball mill was performed, so that the average minor axis diameter of columnar β-sialon particles in the sintered body was It became smaller than 0.2 μm. As a result, the fracture toughness value was only 4.6 MPa · m 1/2, and chipping occurred at a cutting distance of 0.2 km to reach the tool life.

試料No.1−6においては、β型サイアロン粉末を高温窒化合成した後に凝集を解砕するアトライターの時間が短時間であったために、焼結体中の立方晶型サイアロン粒子の平均粒径が5μmを超えて粗大化した。その結果、ビッカース硬度は20.2GPaに止まり、切削距離0.2kmで摩耗によって工具寿命に到った。   Sample No. In 1-6, the average particle size of cubic sialon particles in the sintered body was 5 μm because the time of the attritor for crushing agglomeration after high-temperature nitriding synthesis of β-sialon powder was short. It became too coarse. As a result, the Vickers hardness stopped at 20.2 GPa, and the tool life was reached due to wear at a cutting distance of 0.2 km.

試料No.1−8においては、高温窒化合成後の凝集を解砕する際に過粉砕されたβ型サイアロン粉末を原料に用いて、立方晶型サイアロンを衝撃合成したため、焼結体中のβ型サイアロン粒子の平均アスペクト比は2より小さくなった。その結果、破壊靱性値は4.8MPa・m1/2に止まり、切削距離0.2kmで欠損が起こって工具寿命に到った。 Sample No. In 1-8, β-sialon particles in the sintered body were impact-synthesized using β-sialon powder that was over-pulverized at the time of crushing the aggregate after high-temperature nitriding synthesis as a raw material. The average aspect ratio of was less than 2. As a result, the fracture toughness value stopped at 4.8 MPa · m 1/2, and the chipping occurred at the cutting distance of 0.2 km, reaching the tool life.

試料No.1−9においては、β型サイアロン粉末を高温窒化合成した後に凝集を解砕する湿式ジェットミルのパス回数が少なかったために、焼結体のX線回折のピーク強度比Rcが0.2より小さくなった。焼結体に含まれる立方晶型サイアロンの比率が小さい結果、ビッカース硬度は21.7GPaに止まり、切削距離0.3kmで摩耗によって工具寿命に到った。   Sample No. In 1-9, since the number of passes of a wet jet mill for crushing agglomeration after high-temperature nitriding synthesis of β-sialon powder was small, the peak intensity ratio Rc of the X-ray diffraction of the sintered body was smaller than 0.2. became. As a result of the small proportion of cubic sialon contained in the sintered body, the Vickers hardness was only 21.7 GPa, and the tool life was reached due to wear at a cutting distance of 0.3 km.

試料No.1−11においては、β型サイアロン粉末を高温窒化合成した後に凝集を解砕する湿式ジェットミルのパス回数が多かったために、焼結体のX線回折のピーク強度比Rcが0.9より大きくなった。焼結体に含まれる柱状晶のβ型サイアロンの比率が小さい結果、破壊靱性値は4.6MPa・m1/2に止まり、切削距離0.2kmで欠損が起こって工具寿命に到った。 Sample No. In No. 1-11, since the number of passes of a wet jet mill for crushing agglomeration after high-temperature nitridation synthesis of β-sialon powder was high, the peak intensity ratio Rc of the X-ray diffraction of the sintered body was larger than 0.9. became. As a result of the small proportion of β-sialon of the columnar crystals contained in the sintered body, the fracture toughness value was only 4.6 MPa · m 1/2, and chipping occurred at a cutting distance of 0.2 km, reaching the tool life.

これに対して、高温窒化合成した柱状晶のβ型サイアロン粉末をより好ましい解砕条件で処理した後、衝撃圧縮によって立方晶型サイアロンを合成した試料No.1−2〜1−4、1−7、1−10、1−12、1−13では、ビッカース硬度と破壊靭性をうまくバランスさせることができ、結果として、摩耗もしくは欠損により工具寿命に到る切削距離を0.4km以上に延ばすことができた。   On the other hand, after processing the columnar β-sialon powder synthesized by high-temperature nitriding under more preferable crushing conditions, sample no. In 1-2 to 1-4, 1-7, 1-10, 1-12, and 1-13, Vickers hardness and fracture toughness can be well balanced, resulting in tool life due to wear or fracture. The cutting distance could be extended to 0.4 km or more.

一方、焼結体に柱状晶のβ型サイアロン粒子のみを含み、硬度の高い立方晶型サイアロン粒子を含まない試料No.1−14と1−15は、ビッカース硬度がそれぞれ17.2GPa、16.7GPaと小さく、共に切削距離0.1kmで摩耗によって工具寿命に到った。   On the other hand, in the sintered body, sample No. 1 containing only columnar β-type sialon particles and no hard cubic sialon particles. 1-14 and 1-15 had small Vickers hardness of 17.2 GPa and 16.7 GPa, respectively, and both reached the tool life due to wear at a cutting distance of 0.1 km.

(実施例2)
実施例1の試料No.1−3と同じ条件で作製した等軸晶の立方晶型サイアロンと柱状晶のβ型サイアロンを含む合成粉末を用い、これに種々の第3化合物の粉末を添加して焼結体を作製した。第3化合物の粉末としては、それぞれ平均粒径が1μmのTiN、AlN、cBN、SiC、TiAl、FeAl、NiAlの粉末を使用した。
(Example 2)
Sample No. 1 of Example 1 Using a synthetic powder containing equiaxed cubic sialon and columnar β-sialon produced under the same conditions as in 1-3, various third compound powders were added thereto to produce sintered bodies. . As the powder of the third compound, TiN, AlN, cBN, SiC, TiAl, FeAl, and NiAl powder each having an average particle diameter of 1 μm were used.

前記合成粉末と前記第3化合物粉末を含む焼結用粉末の合計重量20gの中に、前記第3化合物粉末が表2に示す割合で含まれるように、前記合成粉末と前記第3化合物粉末を秤量した後、60ミリリットルのエタノールおよびφ5mmの窒化ケイ素ボール200gと共に、容量150ミリリットルのポリスチレン製ポットに投入し、3時間のボールミル混合を行い、スラリーを調整した。ポットから取り出したスラリーを自然乾燥させた後、目開き45μmの篩を通して試料No.2−1〜2−11の焼結用粉末を作製した。   The synthetic powder and the third compound powder are added so that the third compound powder is contained in a ratio shown in Table 2 in a total weight of 20 g of the sintering powder including the synthetic powder and the third compound powder. After weighing, it was put into a polystyrene pot having a capacity of 150 ml together with 60 ml of ethanol and 200 g of φ5 mm silicon nitride balls, and ball mill mixing was performed for 3 hours to prepare a slurry. The slurry taken out from the pot was naturally dried, and then passed through a sieve having an opening of 45 μm. Powders for sintering 2-1 to 2-11 were prepared.

試料No.2−1〜2−11の焼結用粉末を、それぞれ実施例1の試料No.1−3と同じ条件で焼結した。焼結の前後でX線回折を行った結果、立方晶型サイアロン、β型サイアロンおよび第3化合物のピーク強度比に大きな変化はなく、粉末の状態で添加した第3化合物の体積比率が、焼結体においてもほぼそのまま維持されていることが確認された。   Sample No. The powders for sintering of 2-1 to 2-11 were sample No. 1 of Example 1, respectively. Sintering was performed under the same conditions as in 1-3. As a result of X-ray diffraction before and after sintering, there was no significant change in the peak intensity ratio of cubic sialon, β-sialon and third compound, and the volume ratio of the third compound added in the powder state was It was confirmed that it was maintained as it was even in the ligation.

得られた試料No.2−1〜2−11の焼結体を、それぞれ実施例1の試料No.1−3と同様の方法で評価し、X線回折のピーク強度比Rc、立方晶型サイアロン粒子の平均粒径、β型サイアロン粒子の平均短軸径と平均アスペクト比、ビッカース硬度、破壊靭性、摩耗寿命、欠損寿命、工具寿命を求めた。その結果を表2に示す。   The obtained sample No. Each of the sintered bodies of 2-1 to 2-11 was sample No. 1 of Example 1. Evaluated by the same method as 1-3, peak intensity ratio Rc of X-ray diffraction, average particle diameter of cubic sialon particles, average minor axis diameter and average aspect ratio of β-type sialon particles, Vickers hardness, fracture toughness, The wear life, chip life and tool life were determined. The results are shown in Table 2.

Figure 2014141359
Figure 2014141359

試料No.2−1においては、第3化合物の含有量が10体積%未満であり、立方晶型サイアロン粒子とβ型サイアロン粒子の結合が弱くなることから、破壊靱性値は4.8MPa・m1/2に止まり、切削距離0.2kmで欠損が起こって工具寿命に到った。 Sample No. In 2-1, since the content of the third compound is less than 10% by volume, and the bond between the cubic sialon particles and the β sialon particles becomes weak, the fracture toughness value is 4.8 MPa · m 1/2. However, the chipping occurred at a cutting distance of 0.2 km and the tool life was reached.

試料No.2−5においては、第3化合物の含有量が50体積%を超えており、立方晶型サイアロン粒子の含有量が低下したことに伴い、ビッカース硬度は21.7GPaに止まり、加えて金属との反応性が低いというサイアロン基焼結体本来の特長が損なわれるため、切削距離0.2kmで摩耗が起こって工具寿命に到った。   Sample No. In 2-5, the content of the third compound exceeds 50% by volume, and the Vickers hardness stops at 21.7 GPa with the decrease in the content of cubic sialon particles. Since the original characteristic of the sialon-based sintered body, which is low in reactivity, is lost, wear occurs at a cutting distance of 0.2 km, leading to the tool life.

これに対して、第3化合物の含有量が10〜50体積%の範囲にある試料No.2−2〜2−4、2−6〜2−11においては、いずれも工具寿命が0.6km以上と良好な結果が得られた。   On the other hand, Sample No. in which the content of the third compound is in the range of 10 to 50% by volume. In 2-2 to 2-4 and 2-6 to 2-11, the tool life was 0.6 km or more, and good results were obtained.

今回開示された実施形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の技術的範囲は上記の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の範囲でのすべての変更が含まれる。   The embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The technical scope of the present invention is shown not by the above description but by the scope of claims, and includes all modifications within the scope equivalent to the scope of claims.

本発明のサイアロン基焼結体は、硬度の高い等軸晶の立方晶型サイアロン粒子と、亀裂の進展を抑制する柱状晶のβ型サイアロン粒子を複合することにより、金属との反応性が低いというサイアロン本来の特長に加えて、硬度と破壊靭性をも兼ね備えた工具材料を提供するものである。実施例においてはインコネルの切削における本発明の効果を開示したが、本発明のサイアロン基焼結体は、インコネルなどの耐熱合金以外に、Tiなどの難削材料の切削加工においても、優れた耐摩耗性と耐欠損性を発揮し、特に高速切削加工への適用が可能である。   The sialon-based sintered body of the present invention is low in reactivity with metals by combining hard equiaxed cubic sialon particles and columnar β-sialon particles that suppress the growth of cracks. In addition to the original features of Sialon, we provide tool materials that have both hardness and fracture toughness. In the examples, the effect of the present invention in cutting Inconel was disclosed, but the sialon-based sintered body of the present invention has excellent resistance to cutting difficult-to-cut materials such as Ti in addition to heat-resistant alloys such as Inconel. Exhibits wear and fracture resistance, and is particularly applicable to high-speed cutting.

Claims (9)

等軸晶の立方晶型サイアロン粒子と、柱状晶のβ型サイアロン粒子を含むサイアロン基焼結体。   A sialon-based sintered body comprising equiaxed cubic sialon particles and columnar β-sialon particles. 前記柱状晶のβ型サイアロン粒子の平均アスペクト比が2以上、かつ平均短軸径が0.2μm以上10μm以下である請求項1に記載のサイアロン基焼結体。   2. The sialon-based sintered body according to claim 1, wherein the columnar crystal β-type sialon particles have an average aspect ratio of 2 or more and an average minor axis diameter of 0.2 μm or more and 10 μm or less. 前記等軸晶の立方晶型サイアロン粒子の平均粒径が0.05μm以上5μm以下である請求項1または請求項2に記載のサイアロン基焼結体。   3. The sialon-based sintered body according to claim 1, wherein the equiaxed cubic sialon particles have an average particle size of 0.05 μm to 5 μm. X線回折における立方晶型サイアロンの(311)面のピーク強度IC(311)と、β型サイアロンの(200)面のピーク強度Iβ(200)の比IC(311)/(IC(311)+Iβ(200))が、0.2以上0.9以下である請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のサイアロン基焼結体。 Ratio I C (311) / (I C ) of peak intensity I C (311) of (311) plane of cubic sialon and peak intensity I β (200) of (200) plane of β-type sialon in X-ray diffraction (311) + Iβ (200) ) is 0.2 or more and 0.9 or less, The sialon-based sintered body according to any one of claims 1 to 3. さらに第3化合物として、下記の(a)および/または(b)を含む請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載のサイアロン基焼結体。
(a)アルミニウム、ホウ素、ケイ素、チタニウム、鉄、ニッケルからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、炭素、窒素、酸素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素との化合物。
(b)アルミニウム、ホウ素、ケイ素、チタニウム、鉄、ニッケルからなる群より選ばれる少なくとも2種の元素の化合物。
The sialon-based sintered body according to any one of claims 1 to 4, further comprising the following (a) and / or (b) as the third compound.
(A) A compound of at least one element selected from the group consisting of aluminum, boron, silicon, titanium, iron and nickel and at least one element selected from the group consisting of carbon, nitrogen and oxygen.
(B) A compound of at least two elements selected from the group consisting of aluminum, boron, silicon, titanium, iron, and nickel.
前記第3化合物の含有量が10体積%以上50体積%以下である請求項5に記載のサイアロン基焼結体。   The sialon-based sintered body according to claim 5, wherein the content of the third compound is 10% by volume or more and 50% by volume or less. ビッカース硬度が22GPa以上、かつ破壊靭性値が5MPa・m1/2以上である請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載のサイアロン基焼結体。 The sialon-based sintered body according to any one of claims 1 to 6, having a Vickers hardness of 22 GPa or more and a fracture toughness value of 5 MPa · m 1/2 or more. 請求項1に記載のサイアロン基焼結体を用いた切削工具。   A cutting tool using the sialon-based sintered body according to claim 1. 平均アスペクト比が2以上、かつ平均短軸径が0.2μm以上10μm以下である柱状晶のβ型サイアロン粒子を含む粉末を、1800℃以上2000℃以下の温度、かつ40GPa以上60GPa以下の圧力で処理することにより、等軸晶の立方晶型サイアロン粒子と柱状晶のβ型サイアロン粒子を含む混合粉末を作製する工程と、
前記混合粉末を1200℃以上1800℃以下の温度で焼結する工程、
を備えるサイアロン基焼結体の製造方法。
A powder containing columnar crystal β-sialon particles having an average aspect ratio of 2 or more and an average minor axis diameter of 0.2 μm to 10 μm at a temperature of 1800 ° C. to 2000 ° C. and a pressure of 40 GPa to 60 GPa. Processing to produce a mixed powder comprising equiaxed cubic sialon particles and columnar β sialon particles;
Sintering the mixed powder at a temperature of 1200 ° C. or higher and 1800 ° C. or lower;
A method for producing a sialon-based sintered body.
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