JPH01212290A - 切削工具材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、鯛および鋳鉄の高速切削に使用するのに適し
た表面被覆窒化珪素基切削工具材料に関するものである
。

高速切削用工具としては、高速切削時に於ける優れた耐
酸化性を示すこと、かつ鉄との化学的反応性が低く摩擦
係数が小さいなどの理由で、現在酸化アルミニウム基切
削工具が主流となっている。

しかし乍ら酸化アルミニウムは、耐熱衝撃性および高温
での機械的特性が十分でないため、酸化アルミニウム基
切削工具では３００ｍ／ｗｉｎ　　以上の切削速度で安
定して鋼を切削することはきわめて困難である。そこで
熱膨張係数が小さ（、耐熱衝撃性にすぐれ、かつ高温に
おける機械的強度にもすぐれた窒化珪素（以下５ｉＢＮ
斗で示す）が注目され５ｉａＮ＊基切削工具が開発され
たが、Ｓｉ３Ｎ４は鉄との反応性が高いために摩耗が激
しく、汎用性が低いのが現状である。　５ｉｌＮ４の上
記欠点を酸化アルミニウム（ＡｉユＯａ）を被覆するこ
とによって改善した例が特開昭５５−８５４８１号公報
や特開昭５６−１５５０７９号公報にあり、耐摩耗性は
改善されている。しかしこれらの発明による切削工具は
、Ｓｉ３Ｎ４基体と被覆層との境界で成分が急激に変化
する為に、Ａム０う被覆層と５ｆ１Ｎｑ基体との接合が
十分でなく、高速で切込を大きくすると被覆層が基体か
ら剥離するという欠点、また５ｉｌＮ４基体の靭性が低
下するという欠点があり実用上能があった。

本発明は上記欠点を改良し、高速切削でも耐摩耗性およ
び耐熱衝撃性に優れ寿命の長い表面被覆セラミック切削
工具を提供することを目的とするものである。

本発明者等は、ＳｉうＮｔ−幕切削工具に耐摩耗性を付
与すべく研究を行った結果、ややポーラスなＳｉ＊Ｎｕ
基焼結基体の表面にアルミニウム、ジルコニウム、ハフ
ニウムの中の１種あるいは２種以上の酸窒化物と酸化物
との複合物から成る単層または２層以上の複層から成る
表面被覆層を形成し、さらにそれを熱間等方圧加圧焼結
するとＳ　ｉｌ　Ｎｑのもつ特性が損なわれることなく
耐摩耗性が向上することがわかった。さらに、５５３Ｎ
９基焼結基体と上記表面被覆層であるアルミニウム、ジ
ルコニウム、ハフニウムの酸窒化物と酸化物との複合物
との間にチタニウムの炭化物、窒化物、炭窒化物。

炭酸窒化物から選ばれる１種あるいは２種以上の組成か
ら成る中間層を存在させることにより一段と耐剥離性や
耐摩耗性が向上するという知見を得た。

本発明は上記知見に基づいてなされたもので、その製法
は相対理論密度が８０〜９５％のＳ　１ｊＮｙを基質と
する焼結基体の表面に、アルミニウム、ジルコニウム、
ハフニウムの中の１種あるいは２種以上の酸窒化物と酸
化物との複合物から成る単層又は２層以上の複層からな
る表面層を通常の化学蒸着法や物理蒸着法で形成し、更
にそれを、温度１１００℃以上、圧力２００　ｋｇ／　
ｃｄ以上で熱間等方圧加圧焼結することによって５ｉｊ
Ｎｐのもつ特性を損なうことなく耐摩耗性を付与し、さ
らに必要に応じてＳｔ！ＮｔＩ基焼結基体と被覆層であ
るアルミニウム。

ジルコニウム、ハフニウムの中の１種あるいは２種以上
の酸窒化物と酸化物との複合物から成る単。

層又は２層以上の複層からなる表面層との中間にチタニ
ウムの炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸窒化物から選ば
れる１種あるいは２種以上の組成から成る単層又は２層
以上の中間層を存在させ、それを温度１１００℃以上、
圧力２００　ｋｇ／　Ｃ−７以上で熱間等方圧加圧焼結
することにより一段と耐剥離性。

耐摩耗性を向上させた表面被覆切削工具に係るものであ
る。

本発明の被覆５ｉａＮ％Ａ基切削工具における焼結基体
は主成分たるＳｉ３Ｎ％Ｌのほかに２０重量％を越えな
い範囲（Ｏを含まず）で結合相形成成分として酸化アル
ミニウム、酸化イツトリウム、酸化マグネシウム、窒化
アルミニウム、酸化珪素、酸化カルシウム、希土類金属
の化合物及び遷移金属の化合物などのうち１種又は２種
以上を含有するものであり、コールドプレス、あるいは
ホットプレスによって製造することができ、これに上記
表面層、中間層を被覆後さらに熱間等方圧加圧焼結する
ので、５ｉａＮｔ４基焼結基体は、相対理論密度８０％
以上、好ましくは９０％以上あればよい。

そしてこの様に相対理論密度８０％以上９５％以下のＳ
　３３　Ｎ４１基焼結基体とする事により、基体表面の
開孔や間隙からコーティングガスがある程度深さまで侵
入し基体内部から蒸着し、すなわち基体と被覆層が接合
面で成分的に大きな差異をもつことなく連続的に順次変
化して被覆層を形成するので被覆層の耐剥離性、耐熱衝
撃性により優れた効果があられれ一層好ましいものであ
る。

また被覆層の層厚は実験の結果、全体層厚が０．５μｍ
未満の層厚では所望の耐摩耗性改善の効果が得られず、
一方全体層厚が１５μ−を越えると、靭性が低下するの
で、層厚は全体層圧で０．５〜１５μ−が適することが
判明した。

ついで本発明の表面被覆窒化珪素基切削工具材料を実施
例により具体的に説明する。

実」１例」２ 原料粉末として５ｉｉＮｖ（１μ■　：平均粒径、以下
同じ）粉末にＡム０ｘ（０，５μ−）、ＹコＯジ（１，
５μ■）　、　Ｍｇ０（０，５ｔｔｍ　）およびＴｉＮ
　（１，０μｔｍ　）を第１表の１．２に示される基体
配合組成に配設し、ボールミルにて混合粉砕した。第１
表の１の配合組成の混合粉末を黒鉛型につめ温度１７５
０℃、圧力２０Ｏｋｇ／　ｃｊの圧力で１時間のホット
プレスを行い実質的に配合組成と同一の最終成分組成を
もった焼結体を製造した。この様にして得られた焼結体
より抗折力測定用試験片（４Ｘ８Ｘ２５ｍ）および切削
試験用チップＣＩＳ規格５ＮＧＮ　４３２型の切削チッ
プを作製した。この抗折力試験片にて抗折カ、硬度、比
重を測定した。つぎにこれらの切削チップと抗折力試験
片の表面にＣ，Ｖ、Ｏ，装置を用いてそれぞれ反応ガス
組成および処理時間を適宜変えて第１表に示される材質
及び平均層厚の被覆層を形成した。具体的には第１表の
１の場合、試料を外熱型化学蒸着装置の金属製反応管内
に装入し１０５０″Ｃに加熱した０次いで反応器中の圧
力を１４０ｍＨＧに保ちながら混合ガスとしてＡｌＣｌ
、５．４　　容量％、■２６８．１容量％、　Ｃｏ　３
．８容量％、　ＣＯａ　７．４容量％、Ｎ。

１５．３容量％を含有する混合ガスを反応器中に導入し
３時間処理して５ｉＩＮダ基焼結体の表面２μｍの＾１
（ＯＮ）ｘとへ又、０シの複合層が形成された。このよ
うにして得られた抗折力試験片と切削チップは、さらに
温度１４６０℃、圧力１８００ｋｇ／　ｃｄテ１．５時
ｒ、を熱間等方圧加圧焼結して本発明の表面被覆窒化珪
素基切削工具を得た０次いでこの様にして得られた本発
明表面被覆ＳｉａＮｗ基切削工具について、被削材：Ｓ
ＮＣＭ−８（硬さＨａ２２０）切削速度：３００ｇ＋／
＋＋＋ｉｎ　、切込み８１．５閣、送り＝０．２■／ｒ
ｅｖ、の条件での鋼切削試験、および被削材：　ＦＣ−
２５（硬さＨａ１８０）、切削速度：３００ｍ／ｌ＋ｉ
ｎ　、送り：Ｏ，’２■／ｒｅｖ、　、切込み：１．５
閣の条件での鋳鉄切削試験を行いそれぞれフランク摩耗
幅：０．３ｍ基準での寿命時間を測定した。この測定結
果を第１表に示す。

１胤Ｕ ＳｉｌＮｖ　　（１ｕｔａ　：平均粒径、以下同じ）粉
末にＡｉａｏ＊（０，５ｕ　ｍ　）　　、　　ＹａＯｉ
（１，５＃　ＩＩ　）　　、　　Ｍｇ０（０，５１ｍ）
およびＴｉＮ　（１，０μｍ）を第１表の２に示される
基体配合組成に配合し、ボールミルにて混合粉砕した。

この混合粉末にパラフィンを８重量％添加しライカイ器
にて混合した粉末を金型にてプレス成型し、抗折力測定
用試験片（４ｘ　８　ｘ２５ｍ）用プレス体および切削
試験用チップＣＩＳ規格５ＮＧＮ４３２型の切削チップ
用プレス体を作製した０次に、これらの抗折力測定用試
験片用プレス体および切削チップ用プレス体を６００℃
にて脱ワツクスし、１７００℃にて予備焼結してコール
ドプレスによる試料を作製した。そして更にこれらのコ
ールドプレス製の切削チップと抗折力試験片の表面にＣ
０Ｖ、　Ｏ，装置を用いて第１表の２で示される材質及
び平均層厚の被覆層を形成した。具体的には試料を外熱
型化学蒸着装置の金属製反応管内に装入し１０５０℃に
加熱した０次いで反応管内の圧力を１４０−ＩＩＧニし
テ反応管中ニＨｚ８６．６容量％、　ＣＢ、　１０．０
容量％、　ＴｉＣＩｗ　３．４容量％の組成の混合ガス
をオーブンシステム的に導入しながら、２時間３０分反
応させて約８．０μ−のＴｉＣ層を被覆し、次いで）＋
２８５．７容量％、　Ｃ８％７．６容量％、　Ｃｏ　３
．３容量％、　ＴｉＣｂＡ３．４容量％の組成の混合ガ
スを反応管内にオープンシステ”的う導入しながら１０
分間反応させて・約１．０　ｐｓ　（７）ＴｉＣ０層を
被覆し、更ニＡｌＣｌ３５．４容量％、　Ｈ！　６８．
１容量％、　Ｃｏ　３．８容量％、　Ｃ０，７，４容量
％、Ｎコ１５．３容量％の組成の混合ガスを反応管内に
オーブンシステム的に導入しながら３時間反応させて約
２．０．！／ｍｌのＡＩ（ＯＮ）ｘおよびＡｉ、０３を
被覆した試料を作製し、更に温度１４６０℃、圧力１８
００ｋｇ／　ｄで１．５時間熱間等方圧加圧焼結して本
発明の表面被覆窒化珪素基切削工具を得た。実施例１と
同じ条件で、切削試験および物性を調査した。その結果
は第１表のとおりである。

第１表 又第１表には、比較の為で、本発明表面被覆切削チップ
１〜２に関し、硬質層を形成しないものおよび、熱間等
方圧加圧焼結しないものも同一条件で切削試験を行いそ
の結果を併せて示した。

表に示される結果から明らかなように、硬質層の形成が
ない無被覆の切削チップは切削寿命の著しく短いものに
なっている。又、表面被覆後、熱間等方圧加圧焼結を行
わない切削チップも被覆層の剥離や、チッピングがみら
れ、所望の効果が得られていない、この理由は表面被覆
のみでは基体と被覆層間の接着が十分でなく、抗折強度
も無被覆のものに比べ大幅に低下していることから靭性
が低下していることによると思われる。

これらに比べ本発明の切削チップは、優れた耐摩耗性、
耐熱衝撃性、および高温強度をもつことから、鋼および
鋳鉄の高速切削においてきわめて長い切削寿命を示して
いる。

更に本発明で選択した中間層、表面層について各種の組
み合わせについて試験を行ったが、そのいずれについて
も上記第１表に示すのと同様の好結果を得た。

以上述べたように、本発明の表面被覆Ｓｉ３Ｎｗ基切削
工具は、綱や鋳鉄の高速切削用として使用した場合、そ
の基体によってすぐれた高温強度と耐熱衝撃性が保たれ
、かつその被覆硬質層により優れた耐摩耗性が確保され
、しかも被覆層は基体と強固に結合されているので、き
わめて優れた切削性能を安定して発揮するのである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、熱間方圧加圧焼結後に、結晶構造上異方性の無い窒
   化珪素を基質とする焼結基体の表面に、アルミニウム、
   ジルコニウム、ハフニウムの少なくとも１種以上の酸窒
   化物と酸化物との複合物とから成る単層又は複層の表面
   層が接合されており、しかも同表面層と上記焼結基体と
   はその境界層に於いて互いに成分的に混合しあい、かつ
   該境界層から離れるにつれ順次それ自体の成分に近づく
   ことを特徴とする切削工具材料。 ２、焼結基体の窒化珪素の２０重量％以下（０を含まず
   ）を、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、酸化マグ
   ネシウム、窒化アルミニウム、酸化珪素、酸化カルシウ
   ム、希土類金属の化合物及び遷移金属の化合物の中の少
   なくとも１種以上で置換したことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の切削工具材料。 ３、熱間等方圧加圧焼結後に、結晶構造上異方性の無い
   窒化珪素を基質とする焼結基体の表面に、チタニウムの
   炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸窒化物の少なくとも１
   種以上から成る単層又は複層の中間層が接合されており
   、しかも同中間層と上記焼結基体とはその境界層に於い
   て互いに成分的に混合しあい、かつ該境界層から離れる
   につれ順次それ自体の成分に近づき、かつ上記中間層の
   表面に更にアルミニウム、ジルコニウム、ハフニウムの
   少なくとも１種以上の酸窒化物と酸化物との複合物とか
   ら成る単層又は複層の表面層が強固に接合されているこ
   とを特徴とする切削工具材料。 ４、焼結基体の窒化珪素の２０重量％以下（０を含まず
   ）を、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、酸化マグ
   ネシウム、窒化アルミニウム、酸化珪素、酸化カルシウ
   ム、希土類金属の化合物及び遷移金属の化合物の中の少
   なくとも１種以上で置換したことを特徴とする特許請求
   の範囲第３項記載の切削工具材料。