JP3591799B2

JP3591799B2 - 高靱性窒化珪素質焼結体及びその製造方法

Info

Publication number: JP3591799B2
Application number: JP35007096A
Authority: JP
Inventors: 達行中岡
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1996-12-27
Filing date: 1996-12-27
Publication date: 2004-11-24
Anticipated expiration: 2016-12-27
Also published as: JPH10194841A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐熱衝撃性、耐欠損性、耐摩耗性に優れた切削工具に適した窒化珪素質焼結体に関し、特に鋳鉄の切削に適した高靱性の焼結体とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
近年、切削工具として用いられる窒化珪素質焼結体としては、窒化珪素に対して各種の焼結助剤を添加したものであり、特に焼結助剤としては、Ｙ_２Ｏ_３などの周期律表第３ａ族元素酸化物と酸化アルミニウムを含有する系や、酸化マグネシウム、酸化珪素、酸化アルミニウムを含有する系が主に用いられている。
【０００３】
また最近ではこれらの焼結助剤を用いた窒化珪素質焼結体の表面に耐摩耗性を向上させるため窒化チタン、酸化アルミニウムの薄膜を被覆したものも特公昭６２−１３４３０号、特開平２−１１６４０１号等にて提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
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する要求が高まっており切削工具の使用条件も年々、高速化、高送り化が進んでいる。このため、切削工具にはよりいっそうの耐摩耗性、耐欠損性が要求されている。
【０００５】
しかし、従来の窒化珪素質焼結体からなる工具材料では、鋳鉄を高速、高送り切削する、具体的には速度４００ｍ／ｍｉｎ以上、送り０．５ｍｍ／ｒｅｖ（ｍｍ／ｔｏｏｔｈ）以上の条件で切削した場合には、十分な耐摩耗性、耐欠損性を有しておらず刃先のチッピング、欠損、異常摩耗等を生じ寿命は短いものであった。
【０００６】
また、窒化珪素質焼結体の表面に高硬度の被覆層を形成した被覆窒化珪素工具においても上記の高速、高送り条件では被覆層が剥離してしまい耐摩耗性を向上させることは難しく、しかも工具の製造上、被覆行程を必要とするためにコストも高くなる等の問題があった。
【０００７】
従って、本発明は、高硬度および高靱性を有する、特に鋳鉄を高速切削するのに高い耐摩耗性と耐欠損性を発揮することのできる窒化珪素質焼結体とその製造方法を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者はかかる課題に対して種々検討した結果、焼結体中にＴｉの窒化物からなる微細な粒子を分散させることにより焼結体の靱性が高められるとの知見を得、さらに検討を重ねた結果、Ｔｉ金属粉末を添加し、一旦チタンの融点以上の温度で焼成最高温度よりも低い温度領域で保持した後、さらに高温で焼成することにより緻密な焼結体が得られ、このチタンが窒化物を形成し、この窒化物が凝集して棒状の凝集部が形成され、この凝集部が散在した組織を形成することにより、焼結体の靱性を飛躍的に高めることができることを見いだし、本発明に至った。
【０００９】
即ち、本発明の高靱性窒化珪素質焼結体は、窒化珪素９０〜９９モル％と、周期律表第３ａ族元素（ＲＥ）をＲＥ_２Ｏ_３換算で１〜１０モル％とからなる主成分１００モル％に対して、Ｔｉの窒化物からなる硬質粒子を１〜１５モル％の割合で含有するとともに相対密度が９５％以上の焼結体であって、前記硬質粒子が棒状の凝集部を形成して島状に散在することを特徴とするものであり、また前記棒状凝集部の平均長さが０．１〜１００μｍ、平均アスペクト比４〜６０であることを特徴とするものである。
【００１０】
また、かかる焼結体の製造方法として、窒化珪素粉末に、周期律表第３ａ族酸化物と、Ｔｉ粉末を添加し混合した混合物を成形した後、１６６０〜１８００℃の焼成温度で一次焼成した後、該一次焼成温度よりも高い１８００〜２０００℃の非酸化性雰囲気で焼成して、窒化珪素９０〜９９モル％と、周期律表第３ａ族元素（ＲＥ）をＲＥ_２Ｏ_３換算で１〜１０モル％とからなる主成分１００モル％に対して、Ｔｉの窒化物からなる硬質粒子を１〜１５モル％の割合で含有し、前記硬質粒子が棒状の凝集部を形成して島状に散在する焼結体を得ることを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明における高靱性窒化珪素質焼結体は、窒化珪素を９０〜９９モル％と、周期律表第３ａ族元素を酸化物換算で１〜１０モル％、特に２〜８モル％の割合で含有する。そして、この窒化珪素および周期律表第３ａ族元素化合物１００モル％に対して、Ｔｉの窒化物からなる硬質粒子を１〜１５モル％、特に、２．５〜１０モル％の割合で含有するものである。
【００１２】
ここで、焼結体組成を上記のように限定したのは、窒化珪素量が９０モル％より少なく、周期律表第３ａ族元素量が１０モル％より多いと、焼結体の硬度が低下し工具としての耐摩耗性が劣化し、逆に窒化珪素量が９９モル％よりも多く、周期律表第３ａ族元素量が１モル％より少ないと緻密体が得られず焼結体の強度が低下するからである。さらにＴｉの窒化物量が１５モル％より多いと緻密な焼結体が得られず、１モル％より少ないと靭性の向上効果が得られないためである。
【００１３】
また、本発明の焼結体は、図１に示すように、複数個の硬質粒子が凝集して点線で囲む領域に棒状の凝集部Ａを形成し、この凝集部Ａが焼結体中に島状に散在した組織構造を有する。従って、この凝集部Ａは、窒化珪素、周期律表第３ａ族元素を含むマトリックスＢによって囲まれた組織となる。
【００１４】
本発明によれば、前記硬質粒子を分散含有することにより、クラックの進展を抑制することができると同時に、棒状凝集部によって、いわゆるプルアウト効果が発揮される結果、焼結体の靱性を高めることができる。なお、この棒状凝集組織は、平均長さが０．１〜１００μｍ、特に、５〜４０μｍ、平均アスペクト比が４〜６０、特に６〜３０の大きさで散在していることが望ましい。
【００１５】
また、本発明の焼結体におけるマトリックスＢは、窒化珪素結晶と、それら結晶間に存在する粒界相によって構成され、粒界相には、少なくとも周期律表第３ａ族元素が含まれる。この粒界相は、粒界相は、非晶質である場合もあるが、望ましくは、結晶化しているのがよく、結晶相としては、アパタイト、ＹＡＭ、ヴォラストナイト、ダイシリケート、モノシリケートのうちの少なくとも１種を主体とするものであることが望ましい。
【００１６】
本発明において、用いられる周期律表第３ａ族元素としては、Ｙ、Ｓｃ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｌｕなどが挙げられ、これらの中でも、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｌｕがよい。
【００１７】
次に、本発明の製造方法としては、窒化珪素粉末にに対して、添加成分として、周期律表第３ａ族元素（ＲＥ）酸化物粉末と、Ｔｉ金属粉末を添加し、ボールミルなどで混合する。これらの添加成分は、最終焼結体組成が前述した範囲になるように調合される。
【００１８】
用いる窒化珪素粉末としては、還元窒化法、直接窒化法等により製造されたα型、β型のいずれでもよく、ＢＥＴ比表面積が５ｍ^２／ｇ以上、不純物酸素量０．７〜２重量％の粉末が適当である。
【００１９】
そして、上記のようにして混合された混合物を、所望の成形手段、例えば、金型プレス、冷間静水圧プレス、押出し成形、鋳込成形、射出成形等により任意の形状に成形後、焼成する。
【００２０】
焼成に当たっては、まず、窒素等の非酸化性雰囲気中でチタンの融点（１６６０℃）以上、且つ１８００℃以下の温度範囲で一次焼成する。この一次焼成により、添加成分であるＴｉ金属は、窒化物を形成すると同時に、それらの微細な粒子が凝集して棒状の凝集部を形成し、この凝集部が、焼結体中に散在した組織を形成するという特異的な挙動を示すものである。この一次焼成を行わないと、上記のような凝集部が形成されず、また、緻密な焼結体を得ることができない。この一次焼成は、３〜１０時間行うのが望ましい。
【００２１】
次に、一次焼成温度よりも高い１８００〜２０００℃の温度で２〜８時間程度焼成することに緻密化を図ることができる。この時の温度が１８００℃よりも低いと十分な緻密化ができず、２０００℃を越えると結晶の異常粒成長が生じたり、窒化珪素が分解し表面が荒れる等の問題が生じる。
【００２２】
なお、焼成方法としては、窒化珪素が分解しないようにして、常圧焼成、窒素ガス２気圧以上の窒素ガス加圧焼成、ホットプレス焼成法の他、これらの焼成後に１０００気圧下で熱間静水圧焼成することによりさらに緻密化させることができる。
【００２３】
また、本発明の窒化珪素質焼結体は、その表面に、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ，Ｎｂなどの周期律表第４ａ、５ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物、窒酸化物、Ａｌの酸化物、あるいはこれらの複合体、ダイヤモンド等の硬質炭素膜等を１層または複数層組み合わせて、ＣＶＤ法やＰＶＤ法などの気相合成法等によって薄膜として形成して、表面硬度を高めて耐摩耗性を高めることもできる。
【００２４】
【実施例】
原料粉末として窒化珪素粉末（ＢＥＴ比表面積１０ｍ^２／ｇ、不純物酸素量１．０重量％）と表１に示した各種周期律表第３ａ族元素酸化物、ＳｉＯ_２、Ｔｉ金属粉末を用いて表１の比率で調合し、これに成形用バインダーを加えて窒化珪素ボールを用いて混合し、２ｔｏｎ／ｃｍ^２の圧力でプレス成形し、さらに３ｔｏｎ／ｃｍ^２で冷間静水圧成形し成形体を得た。この成形体を脱脂後、窒素ガス圧力３０気圧下、表１の一次焼成温度で６時間保持した後、表１の二次焼成温度で３時間保持し放冷して焼結体を得た。
【００２５】
比較例として、一次焼成を行わないもの、ＴｉＮ粉末を添加したものを用いて上記と同様にして調合し、成形、焼成した。（試料Ｎｏ．１５、１７）
得られた焼結体に対して、アルキメデス法によって相対密度を求め、さらに、ＩＣＰ発光分光分析によって、Ｓｉ、周期律表第３ａ族元素（ＲＥ）およびＴｉの量を求め、ＳｉはＳｉ_３Ｎ_４として、ＲＥはＲＥ_２Ｏ_３として、さらにＴｉはＸ線回折測定から窒化物であることを同定し、窒化物として換算して組成比を求めた。
【００２６】
また、焼結体特性として、ＪＩＳＲ１６１０によるビッカース硬度、ＪＩＳＲ１６０７によるＩＦ法による破壊靭性を求め、その結果を表１に示した。また、焼結体の組織を観察し、棒状の凝集部の有無、ならびに棒状の凝集部の平均長さ、平均アスペクト比（いずれも凝集部２０個の平均値）を求めた。
【００２７】
また、切削試験として、上記と同様にしてＴＮＧＮ１６０４１２の工具形状に成形し、焼成して作製した切削工具を下記の切削条件
被削材ＦＣ２５０
切削速度６００ｍ／ｍｉｎ
送り０．５ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み２．０ｍｍ
にて湿式切削を行い、刃先の摩耗幅が０．１ｍｍ以上になるかまたは刃先の欠損が生じるまでの時間を測定し、試験中断理由とともに表１に示した。
【００２８】
【表１】

【００２９】
表１の結果によれば、焼結体組成が本発明の範囲から逸脱する試料Ｎｏ．１、７、８、１２、１５、１６、１７では、硬度が１５．０ＧＰａより低いか、または破壊靭性が７．０ＭＰａ・ｍ^１／２より低いものであった。また切削テストにおいても１０分以内で摩耗幅０．１ｍｍ以上となるか、または欠損が生じて工具寿命となった。
【００３０】
これに対し本発明の試料は、何れも硬度１５．０ＧＰａ以上、破壊靭性７．０ＭＰａ・ｍ^１／２以上の高機械的特性を示し、鋳鉄の高速切削試験においても、１５分以上の工具寿命を示した。このように、本発明の窒化珪素質焼結体は、鋳鉄の切削において、高い耐摩耗性、耐欠損性を有し工具の寿命を延長することができる。
【００３１】
また、Ｔｉ金属粉末を用いた系で、一次焼成を行わない試料Ｎｏ．１５では、十分に緻密化することができず、また、Ｔｉの窒化物による凝集部が形成されなかった。また、出発原料としてＴｉＮ粉末を添加した試料Ｎｏ．１７においては、硬質窒化物粒子が棒状の凝集部を形成せず、特性の向上が見られなかった。
【００３２】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の窒化珪素質焼結体は、焼結体中に複数個の微細な硬質粒子が凝集して棒状の凝集部が焼結体中に島状に散在することによって、高い硬度とともに高靱性を有することから、特に鋳鉄の切削において、優れた耐摩耗性と高い耐欠損性を有する。これにより、長寿命の鋳鉄切削用工具を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の窒化珪素質焼結体の組織を説明するための概略図である。
【符号の説明】
Ａ棒状凝集部
Ｂマトリックス

Claims

窒化珪素９０〜９９モル％と、周期律表第３ａ族元素（ＲＥ）をＲＥ_２Ｏ_３換算で１〜１０モル％とからなる主成分１００モル％に対して、Ｔｉの窒化物からなる硬質粒子を１〜１５モル％の割合で含有する相対密度９５％以上の焼結体であって、前記硬質粒子が棒状の凝集部を形成して島状に散在することを特徴とする高靱性窒化珪素質焼結体。
前記棒状凝集部の平均長さが０．１〜１００μｍ、平均アスペクト比が４〜６０であることを特徴とする請求項１記載の高靱性窒化珪素質焼結体。
窒化珪素粉末に、周期律表第３ａ族酸化物と、Ｔｉ粉末を添加し混合した混合物を成形した後、１６６０〜１８００℃の焼成温度で一次焼成した後、該一次焼成温度よりも高い１８００〜２０００℃の非酸化性雰囲気で焼成して、窒化珪素９０〜９９モル％と、周期律表第３ａ族元素（ＲＥ）をＲＥ_２Ｏ_３換算で１〜１０モル％とからなる主成分１００モル％に対して、Ｔｉの窒化物からなる硬質粒子を１〜１５モル％の割合で含有し、前記硬質粒子が棒状の凝集部を形成して島状に散在する焼結体を得ることを特徴とする高靱性窒化珪素質焼結体の製造方法。