JP2016060685A - 立方晶型サイアロン、焼結体、焼結体を備える工具、立方晶型サイアロンの製造方法および焼結体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
MxSi(6−x−y)AlyOyN(8−y)・・・(1)
(式(1)中、Mはカルシウム、ストロンチウム、バリウム、スカンジウム、イットリウム、ランタノイド、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、周期表の第4族元素、第5族元素および第6族元素からなる群より選ばれる少なくとも1種を含む第1金属であり、0.01≦x≦2、0.01≦y≦4.2および1.79≦(6−x−y)≦5.98の関係を満たす)
で表わされる、立方晶型サイアロンである。
本発明の一態様に係る立方晶型サイアロンの製造方法は、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、スカンジウム、イットリウム、ランタノイド、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、周期表の第4族元素、第5族元素および第6族元素からなる群より選ばれる少なくとも1種を含む第1金属、珪素およびアルミニウムを含む第1粒子群を準備する工程と、第1粒子群を熱処理して、第1金属、珪素、アルミニウム、酸素および窒素を含む第2粒子群を作製する工程と、第2粒子群を衝撃圧縮法または静圧合成法により処理して、立方晶型サイアロンを作製する工程とを備え、立方晶型サイアロンは、下記式(1)
MxSi(6−x−y)AlyOyN(8−y)・・・(1)
(式(1)中、Mはカルシウム、ストロンチウム、バリウム、スカンジウム、イットリウム、ランタノイド、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、周期表の第4族元素、第5族元素および第6族元素からなる群より選ばれる少なくとも1種を含む第1金属であり、0.01≦y≦4.2および1.79≦(6−x−y)≦5.98の関係を満たす)で表わされる、立方晶型サイアロンの製造方法である。
MxSi(6−x−y)AlyOyN(8−y)・・・(1)
(式(1)中、Mはカルシウム、ストロンチウム、バリウム、スカンジウム、イットリウム、ランタノイド、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、周期表の第4族元素、第5族元素および第6族元素からなる群より選ばれる少なくとも1種を含む第1金属であり、0.01≦y≦4.2および1.79≦(6−x−y)≦5.98の関係を満たす)で表わされる、焼結体の製造方法である。
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
MxSi(6−x−y)AlyOyN(8−y)・・・(1)
(式(1)中、Mはカルシウム、ストロンチウム、バリウム、スカンジウム、イットリウム、ランタノイド、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、周期表の第4族元素、第5族元素および第6族元素からなる群より選ばれる少なくとも1種を含む第1金属であり、0.01≦x≦2、0.01≦y≦4.2および1.79≦(6−x−y)≦5.98の関係を満たす)
で表わされる、立方晶型サイアロンである。
MxSi(6−x−y)AlyOyN(8−y)・・・(1)
(式(1)中、Mはカルシウム、ストロンチウム、バリウム、スカンジウム、イットリウム、ランタノイド、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、周期表の第4族元素、第5族元素および第6族元素からなる群より選ばれる少なくとも1種を含む第1金属であり、0.01≦y≦4.2および1.79≦(6−x−y)≦5.98の関係を満たす)で表わされる、立方晶型サイアロンの製造方法である。
MxSi(6−x−y)AlyOyN(8−y)・・・(1)
(式(1)中、Mはカルシウム、ストロンチウム、バリウム、スカンジウム、イットリウム、ランタノイド、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、周期表の第4族元素、第5族元素および第6族元素からなる群より選ばれる少なくとも1種を含む第1金属であり、0.01≦y≦4.2および1.79≦(6−x−y)≦5.98の関係を満たす)で表わされる、焼結体の製造方法である。
[本発明の実施形態の詳細]
本発明の実施形態について、以下に詳細に説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、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意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
第1の実施形態に係る立方晶型サイアロンは、下記式(1)
MxSi(6−x−y)AlyOyN(8−y)・・・(1)
(式(1)中、Mはカルシウム、ストロンチウム、バリウム、スカンジウム、イットリウム、ランタノイド、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、周期表の第4族元素、第5族元素および第6族元素からなる群より選ばれる少なくとも1種を含む第1金属であり、0.01≦x≦2、0.01≦y≦4.2および1.79≦(6−x−y)≦5.98の関係を満たす)
で表わされる。
MxSi(6−x−y)AlyOyN(8−y)・・・(1)
0.01≦x≦2、0.01≦y≦4.2および1.79≦(6−x−y)≦5.98の関係を満たす。
第2の実施形態に係る焼結体は、第1の実施形態の立方晶型サイアロンを20体積%以上100体積%以下含む。前記焼結体は、機械的な擦過に対して優れた耐摩耗性および耐欠損性を有することができる。
焼結体中の第2金属および第1化合物の合計の含有量は0体積%を超え、かつ50体積%以下が好ましく、10体積%以上50体積%以下がさらに好ましく、20体積%以上50体積%以下がさらに好ましい。焼結体中の第2金属および第1化合物の合計の含有量が0体積%を超え、かつ50体積%以下であると、焼結体の耐摩耗性および耐欠損性が向上する。
第3の実施形態に係る切削工具は、第2の実施形態に係る焼結体を用いた工具である。上述のように、上記式(1)で示される立方晶型サイアロンを含む焼結体は、耐摩耗性および耐欠損性に優れるため、これを用いた工具もまた、これらの特性に優れることとなる。
第4の実施形態に係る立方晶型サイアロンの製造方法について、図1を用いて説明する。
MxSi(6−x−y)AlyOyN(8−y)・・・(1)
(式(1)中、Mはカルシウム、ストロンチウム、バリウム、スカンジウム、イットリウム、ランタノイド、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、周期表の第4族元素、第5族元素および第6族元素からなる群より選ばれる少なくとも1種を含む第1金属であり、0.01≦y≦4.2および1.79≦(6−x−y)≦5.98の関係を満たす)で表わされる。
図1を参照し、第1粒子群準備工程(S1)において、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、スカンジウム、イットリウム、ランタノイド、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、周期表の第4族元素、第5族元素および第6族元素からなる群より選ばれる少なくとも1種を含む第1金属、珪素、およびアルミニウムを含む第1粒子群を準備する。
次に、図1を参照し、第2粒子群作製工程(S2)において、前記第1粒子群を熱処理して、前記第1金属、珪素、アルミニウム、酸素および窒素を含む第2粒子群を作製する。熱処理により、第1粒子群に不足分の窒素および酸素の一方または両方が付与され、目的とする立方晶型サイアロンと同一の組成比の第2粒子群を得ることができる。なお、「不足分の窒素および酸素」とは、第1粒子群中の窒素および酸素の含有比率と、目的とする立方晶型サイアロン中の窒素および酸素の含有比率との差に相当する。
次に、図1を参照し、立方晶型サイアロン作製工程(S3)において、前記第2粒子群を衝撃圧縮法または静圧合成法により処理して、立方晶型サイアロンを作製する。
第5の実施形態に係る焼結体の製造方法について、図2を用いて説明する。
MxSi(6−x−y)AlyOyN(8−y)・・・(1)
(式(1)中、Mはカルシウム、ストロンチウム、バリウム、スカンジウム、イットリウム、ランタノイド、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、周期表の第4族元素、第5族元素および第6族元素からなる群より選ばれる少なくとも1種を含む第1金属であり、0.01≦y≦4.2および1.79≦(6−x−y)≦5.98の関係を満たす)で表わされる。
図2を参照し、第3粒子群準備工程(S24)において、立方晶型サイアロン作製工程(S23)で作製した立方晶型サイアロンを20体積%以上100体積%以下含む第3粒子群を準備する。
次に、図2を参照し、焼結体作製工程(S25)において、第3粒子群を焼結して焼結体を作製する。
<立方晶型サイアロンの作製>
(第1粒子群準備工程)
表1の原料および混合比にしたがって、原料粒子が混合された第1粒子群を準備した。たとえば、試料1−1では、Si3N4粒子と、Al2O3粒子と、MgO粒子とを、混合比(質量比)で、67:18:15となるように計量した後、ボールミルで混合して、第1粒子群を準備した。なお、試料1−1〜試料1−50,1−52,1−53において準備された各第1粒子群の平均粒径は、全て10μm以下であった。得られた第1粒子群を圧力10MPaで加圧成形して成形体を得た。
次に、第1粒子群の成形体を熱処理して、第2粒子群を作製した。各試料で用いた熱処理法を表1に示す。表1中、「外部加熱」は外部加熱法を意味し、「燃焼合成」は燃焼合成法を意味する。
次に、得られた第2粒子群を衝撃圧縮法または静圧合成法により処理して、立方晶型サイアロンを作製した。各試料で用いた合成法を表1に示す。表1中、「衝撃圧縮」は衝撃圧縮法を意味し、「静圧合成」は静圧合成法を意味する。
。
得られた立方晶型サイアロンについて、X線回折測定を行い、生成相を同定した。結果を表1の「生成物」の欄に示す。
得られた立方晶型サイアロンを、表1に示す圧力、温度および焼結時間で焼結処理を行い焼結体を得た。焼結前の立方晶型サイアロンと、得られた焼結体のそれぞれを、走査電子顕微鏡に付属のEPMA(Electron Probe X-ray Micro Analyzer:試料に電子線を照射した際に発生する特性X線を検出し、構成元素を分析する装置)により分析した結果、両者は同様の構成元素比率となっていた。すなわち、立方晶型サイアロンは、焼結の前後で構成元素比率がほとんど変化しないことが確認された。
得られた焼結体をレーザーを用いて加工し、ISO型番CNGA120408形状のチップ形状、刃先処理が−25°の角度で、幅0.15mmのチャンファー形状の切削工具を作製した。以下の切削条件で切削試験を行い、連続切削時の平均逃げ面摩耗量が200μmに達するまでの切削長さ(km)および断続切削時の欠損までの切削長さ(km)を測定した。
被削材:インコネル718(登録商標)の丸棒の外径加工
被削材硬度:HRC40
切削速度:V=150m/min
切込み量:d=0.25m/min
送り速度:f=0.1mm/rev
クーラント:エマルジョン20倍希釈
評価内容:平均逃げ面摩耗量が200μmに達するまでの切削長さ(km)
(断続切削条件および評価内容)
被削材:外周4箇所に溝を有するインコネル718(登録商標)の棒の外径加工
被削材硬度:HRC40
切削速度:V=150m/min
切込み量:d=0.25m/min
送り速度:f=0.1mm/rev
クーラント:なし
評価内容:欠損までの切削長さ(km)
結果を表1に示す。連続切削時の平均逃げ面摩耗量が200μmに達するまでの切削長さ(km)が長いほど、耐摩耗性が優れている。断続切削時の欠損までの切削長さ(km)が長いほど、耐欠損性が優れている。
試料1−51では、従来の立方晶型サイアロン(Si(6−x)AlxOxN(8−x)(0<x≦4.2))を用いて焼結体を作製した。得られた焼結体を用いて試料1−1と同一形状の切削工具を作製し、試料1−1と同一の評価を行った。結果を表1に示す。
試料1−1〜試料1−50の焼結体は、上記式(1)で表わされる立方晶型サイアロンを用いて作製された焼結体である。従来の立方晶型サイアロンを用いて作製された試料1−51の焼結体よりも、耐摩耗性および耐欠損性が優れていた。
<焼結体の作製>
試料1−1、試料1−15、試料1−29または試料1−38の立方晶型サイアロンと、第2金属または第1化合物とを表2に示す割合で混合して第3粒子群を作製した。該第3粒子群を表2に示す圧力、温度および焼結時間でHP法による焼結処理を行い焼結体を得た。得られた焼結体をX線回折した結果、第3粒子群中の立方晶型サイアロンの質量割合と、焼結体中の立方晶型サイアロンの質量割合は、ほとんど変化しないことが確認された。また、第3粒子群と得られた焼結体のそれぞれを、走査電子顕微鏡に付属のEPMA(Electron Probe X-ray Micro Analyzer:試料に電子線を照射した際に発生する特性X線を検出し、構成元素を分析する装置)により分析した結果、両者は同様の構成元素比率となっていた。すなわち、第3粒子群とその焼結体とでは、構成元素比率がほとんど変化しないことが確認された。
得られた焼結体用いて試料1−1と同一形状の切削工具を作製し、試料1−1と同一の評価を行った。結果を表2に示す。
試料2−36では、従来の立方晶型サイアロン(Si(6−x)AlxOxN(8−x)(0<x≦4.2))を用いて焼結体を作製した。
得られた焼結体用いて試料1−1と同一形状の切削工具を作製し、試料1−1と同一の評価を行った。結果を表2に示す。
試料2−1〜試料2−35の焼結体は、上記式(1)で表わされる立方晶型サイアロンを用いて作製された焼結体であり、焼結体中の立方晶型サイアロンの含有量は20体積%以上80体積%以下である。
Claims (8)
- 下記式(1)
MxSi(6−x−y)AlyOyN(8−y)・・・(1)
(式(1)中、Mはカルシウム、ストロンチウム、バリウム、スカンジウム、イットリウム、ランタノイド、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、周期表の第4族元素、第5族元素および第6族元素からなる群より選ばれる少なくとも1種を含む第1金属であり、0.01≦x≦2、0.01≦y≦4.2および1.79≦(6−x−y)≦5.98の関係を満たす)
で表わされる、立方晶型サイアロン。 - 前記立方晶型サイアロンは、前記第1金属単体を0.01質量%以上5質量%以下含む、請求項1に記載の立方晶型サイアロン。
- 請求項1または請求項2に記載の立方晶型サイアロンを20体積%以上100体積%以下含む、焼結体。
- 請求項1または請求項2に記載の立方晶型サイアロンと、第2金属および第1化合物のいずれか一方または両方とを含む焼結体であって、
前記第2金属は、マンガン、鉄、コバルト、ニッケルおよび銅からなる群より選ばれる少なくとも1種を含み、
前記第1化合物は、アルミニウム、硼素、珪素、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、カルシウム、イットリウム、周期表の第4族元素、第5族元素および第6族元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の第1元素と、炭素、窒素、酸素および硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の第2元素とからなる少なくとも1種の化合物を含む、請求項3に記載の焼結体。 - 請求項3または請求項4に記載の焼結体を備える切削工具。
- カルシウム、ストロンチウム、バリウム、スカンジウム、イットリウム、ランタノイド、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、周期表の第4族元素、第5族元素および第6族元素からなる群より選ばれる少なくとも1種を含む第1金属、珪素、およびアルミニウムを含む第1粒子群を準備する工程と、
前記第1粒子群を熱処理して、前記第1金属、珪素、アルミニウム、酸素および窒素を含む第2粒子群を作製する工程と、
前記第2粒子群を衝撃圧縮法または静圧合成法により処理して、立方晶型サイアロンを作製する工程とを備え、
前記立方晶型サイアロンは、下記式(1)
MxSi(6−x−y)AlyOyN(8−y)・・・(1)
(式(1)中、Mはカルシウム、ストロンチウム、バリウム、スカンジウム、イットリウム、ランタノイド、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、周期表の第4族元素、第5族元素および第6族元素からなる群より選ばれる少なくとも1種を含む第1金属であり、0.01≦y≦4.2および1.79≦(6−x−y)≦5.98の関係を満たす)
で表わされる、立方晶型サイアロンの製造方法。 - カルシウム、ストロンチウム、バリウム、スカンジウム、イットリウム、ランタノイド、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、周期表の第4族元素、第5族元素および第6族元素からなる群より選ばれる少なくとも1種を含む第1金属、珪素およびアルミニウムを含む第1粒子群を準備する工程と、
前記第1粒子群を熱処理して、前記第1金属、珪素、アルミニウム、酸素および窒素を含む第2粒子群を作製する工程と、
前記第2粒子群を衝撃圧縮法または静圧合成法により処理して、立方晶型サイアロンを作製する工程と、
前記立方晶型サイアロンを20体積%以上100体積%以下含む第3粒子群を準備する工程と、
前記第3粒子群を焼結して焼結体を得る工程とを備え、
前記立方晶型サイアロンは、下記式(1)
MxSi(6−x−y)AlyOyN(8−y)・・・(1)
(式(1)中、Mはカルシウム、ストロンチウム、バリウム、スカンジウム、イットリウム、ランタノイド、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、周期表の第4族元素、第5族元素および第6族元素からなる群より選ばれる少なくとも1種を含む第1金属であり、0.01≦y≦4.2および1.79≦(6−x−y)≦5.98の関係を満たす)
で表わされる、焼結体の製造方法。 - 前記第3粒子群は、前記立方晶型サイアロンと、第2金属および第1化合物のいずれか一方または両方とを含み、
前記第2金属は、マンガン、鉄、コバルト、ニッケルおよび銅からなる群より選ばれる少なくとも1種を含み、
前記第1化合物は、アルミニウム、硼素、珪素、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、カルシウム、イットリウム、周期表の第4族元素、第5族元素および第6族元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の第1元素と、炭素、窒素、酸素および硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の第2元素とからなる少なくとも1種の化合物を含む、請求項7に記載の焼結体の製造方法。
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