JPH0222179A

JPH0222179A - 高靭性高硬度セラミック工具材料及びその製造法

Info

Publication number: JPH0222179A
Application number: JP63171816A
Authority: JP
Inventors: Toshiya Kinoshita; 俊哉木下; Masanori Ueki; 正憲植木; Hiroshi Kubo; 紘久保
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1988-07-12
Filing date: 1988-07-12
Publication date: 1990-01-25

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】産業上の利用分野この発明は、１０〜６５ｖｏｌ％の炭化珪素ウィスカー
を含み、ウィスカーが均一に分散した窒化珪素とその焼
結助剤よりなる高靭性高硬度セラミック工具材料および
その製造法に関するものである。

従来の技術窒化珪素焼結体は、セラミック材料の中では、靭性が高
く、また耐熱衝撃性に優れているため。

高速切削用工具として有望な材料である。しかし、窒化
珪素焼結体は、セラミック工具として、広く使用されて
いる材質である酸化アルミニウム焼結体に比べ、硬度が
低く耐摩耗性に劣るという問題がある。また、工具とし
ての寿命は、実際上は、欠は及び割れに左右され、摩耗
が非常に少ない状態でも交換しなければならないことが
多く、靭性のより一層の向上が望まれる。

窒化珪素に炭化珪素ウィスカーを分散して、窒化珪素を
強化する報告は、特開昭８２−２８５１７３、又、「大
阪工業試験所季報、３３　（１９８２）　Ｎｏ、　２　
。

ｐｐ１７９　〜１３４　　Ｊ　　、　　ｒＡｍ、　　Ｃ
ｅｒａｍ、　　Ｓａｃ、　　Ｂｕｌｌ、、　　Ｖｏｌ。

Ｅ１５．　　Ｎｏ、　　２　　、　　ｐｐ　　３５１〜
３５８（１９８Ｂ）　　Ｊ　　、　　ｒＡｍ、　　Ｃｅ
ｒａ＋ｍ。

Ｓａｃ、　Ｂｕｌｌ、、　Ｖｏｌ、　８５．　Ｎｏ、　
２、ｐｐ　３４７〜３５２゜（１９Ｂ？）　Ｊなどがあ
る。

しかし、これらの従来技術では、炭化珪素ウィスカーを
成形体中に均一分散させることができず、また常圧焼結
による緻密化の例はなく、常圧焼結は不可能であった。

そこで、緻密な焼結体の作製は、専らホットプレス法で
行なわれてきた。しかし、ホットプレス法は、形状的制
約を受ける上に、生産性が悪くコストが高いなどの欠点
がある。また、炭化珪素ウィスカーのからまりによる組
成の不均一部分があるため、欠けや割れが生じ、工具寿
命が短くなるという問題があった。

発明が解決しようとする課題窒化珪素工具は、上述したように、幅広い実用化を実現
するためには、更に、高硬度、高靭性を実現しなければ
ならない。

そこで、本発明では、分散相として、炭化珪素ウィスカ
ーを含んだ窒化珪素工具を作製し、高硬度高靭性の窒化
珪素工具を得ることを目的とした。

さらに詳しくは、炭化珪素ウィスカーを成形体中に均一
分散することを実現し、常圧焼結法により、炭化珪素ウ
ィスカー分散強化窒化珪素の緻密な焼結体を得ることを
目的とした。

課題を解決するための手段本発明者らは、靭性及び硬度の一層優れた、即ち工具寿
命の長い、耐摩耗性に優れたセラミック工具の開発を目
指し研究を行なった結果、炭化珪素ウィスカーを分散強
化した窒化珪素工具の実現により、目的とするセラミッ
ク工具の実現を可能としたものである。

加えて、周期表ＩＶＡ、ＶＡ及びＶＩＡ族の元素の炭化
物又は窒化物から選択された化合物を添加することによ
り、−層の長寿命化・高靭性化・高硬度化が可能となる
。

更に、後述の製造方法を採ることにより、ウィスカーの
均一分散が可能となるため常圧焼結が可能となるため、
ホットプレス法ではでさない複雑形状品が焼結でき、大
量生産に向き、コスト低減が可能となり、また、組成の
不均一部分がなくなったため、組成の不均一による欠け
や割れを防げるために、工具寿命の改善が回部となった
。

即ち、本発明は、１０〜６５ｖｏｌ％の炭化珪素ウィス
カーを含み、ウィスカーが均一に分散した窒化珪素を主
なる組成とした高靭性高硬度セラミック工具及びその製
造方法を提供するものである。

作用炭化珪素ウィスカーは窒化珪素の靭性および硬度を高め
る効果がある。炭化珪素ウィスカーの添加量が！Ｏｖｏ
ｌ％未満では、ウィスカー強化が充分に働かず、８５マ
Ｏ１％超になると、本発明においても、ウィスカーの均
一分散が難しくなり、緻密な焼結体が得られなくなるた
め、１０〜６５マＯ１％とした。

窒化珪素の助剤が２ｖｏｌ％未満では、十分な緻密化が
達成されず、１５マＯ１％超になると、高温強度の劣化
が起こる為、２〜１５７０１％とした。

まず靭性向上の主なメカニズムとして、ウィスカーによ
るクラック偏向による効果およびウィスカーの引き抜き
によるエネルギー散逸による効果がある。他にもクラッ
クのウィスカーによるビン止め効果、そしてウィスカー
によるクラックポウイングの効果などがある０以上のよ
うなメカニズムが働いた結果、破壊に必要なエネルギー
の上昇（Ｋ　ｔｃ値の上昇）がおき、又破壊モードの多
軸化などのために！値の下降がおき強靭化がなされる。

次に、硬度向上であるが、ビッカース硬度で窒化珪素は
１４００〜１７００ｋｇ／　ｖｓ２であるのに対し、炭
化珪素は２２００〜２８００ｋｇ／　ａｍ２であり、炭
化珪素を窒化珪素中に分散することによって窒化珪素の
硬度は上昇する。

本発明は、さらに、元素の周期表■Ａ、ＶＡ及びＶＴＡ
族の元素の炭化物又は窒化物から選択された化合物を構
成成分とすることにより、強靭化および高硬度化がなさ
れ、本発明の目的を達成することができる。

周期表ＩＶＡ、ＶＡ及びＶＴＡ族の元素の炭化物又は窒
化物から選択された化合物としては、　ＺｒＣ１Ｈｆ　
Ｃ、Ｖ　Ｃ、ＮｂＣ、ＴａＣ、Ｃｒ５Ｃｚ及びＷＣが有
効であり、特に、Ｔｉ　Ｎ　、　Ｔｉ　Ｃ及びＴｉ（Ｃ
Ｎ）が有効である。これらの化合物は焼結する際、化学
的に安定であることおよび硬度が窒化珪素より大きいこ
とにより選択した。

これらの化合物の効果としては靭性および硬度の向上が
ある。これらの化合物は２ｖｏｌ％未満では高硬度化、
高靭化の効果がなく、２５マＯ１％超加えても効果が飽
和してしまう、これらの向上のメカニズムは上述の炭化
珪素による場合とほぼ同様であり、靭性の向上はウィス
カーによるクラック偏向による効果、クラックのウィス
カーによるビン止め効果、そしてウィスカーによるクラ
ックボウイングの効果などによる。硬度の向上はこれら
の化合物が２０００〜３２００ｋｇ／−層２という高い
硬度を持つ為である。このような粒子による強化を粒子
分散強化という。

本発明の一つの特徴は、炭化珪素ウィスカーが成形体中
に均一に分散していることである。この均一分散の実現
より、従来の技術では避けられなかったウィスカー強化
セラミックスの難焼結性の原因であるウィスカーの不均
一分散によるからまりがなく、焼結性が格段に向上し、
常圧焼結により緻密な焼結体が得られるようになった。

常圧焼結により緻密な（相対密度〉３５％）ウィスカー
強化セラミックスを得るためには、従来の技術では避け
られなかったウィスカーの不均一分散によるからまり（
３０〜２ｏｏＩＬｍ）を避けなければならない、つまり
、ウィスカー強化セラミックスに於いては、ウィスカー
の不均一分散による大きなからまりが、からまりの中に
マトリックス粉末が入り込めないため大きな粒子と同様
の振舞をするため、ウィスカーの不均一分散による大き
なからまりが、ウィスカー強化セラミックスの難焼結性
の原因となっていたのである。そこで、本発明の方法で
ウィスカーを均一分散しウィスカーのからまりを防いで
やると、ウィスカー強化セラミックスの焼結性が向上し
、常圧焼結により緻密な（相対密度〉９５％）焼結体が
得られる。

次に炭化珪素ウィスカーの成形体中での均一分散を可能
とした製造方法を説明する０本発明者らは、ウィスカー
の均一分散の実現方法を鋭意検討した結果、分散媒を水
としたスラリー中における粉末のゼータ電位による静電
的反発力を利用することが有効であることを確認した。

また、ゼータ電位とスラリーのｐＨ値との間には密接な
相関があることが知られている。つまり、窒化珪素マト
リックス中に炭化珪素ウィスカーを均一に分散させる時
には、まず窒化珪素マトリックス粉末及び炭化珪素ウィ
スカーの混合スラリーにおいて、窒化珪素粉末及び炭化
珪素ウィスカーが、同符合で絶対値の大きなゼータ電位
を持つようにし、窒化珪素粉末相互間、炭化珪素ウィス
カー相互間及び窒化珪素粉末−炭化珪素ウィスカー相互
間に静電的反発力を作用させ、スラリー中で窒化珪素粉
末と炭化珪素ウィスカーとを均一に分散させる。特に、
炭化珪素ウィスカーが大きなゼータ電位を持つようにし
、炭化珪素ウィスカー相互間に静電的反発力を作用させ
ることが重要である。

次に、均一な分散を実現したスラリーに、超音波振動を
加えなから噴霧乾燥し、窒化珪素粉末相互間、炭化珪素
ウィスカー相互間及び窒化珪素粉末−炭化珪素ウィスカ
ー相互間の凝集を防いで第１図のような造粒粉体が得ら
れる。この造粒粉体を原料として乾式プレス法、泥漿鋳
込み法および射出成形法を初めとする種々の成形法を用
いることによって、窒化珪素粉末及び炭化珪素ウィスカ
ーが均一に分散した成形体が得られる。

この成形体を焼結することによって、窒化珪素粉末及び
炭化珪素ウィスカーが均一に分散した焼結体が得られる
。

なお、周期表ＩＶＡ、ＶＡ及びＶＩＡ族の元素の炭化物
又は窒化物から選択された化合物を添加した場合、添加
物のゼータ電位が炭化珪素ウィスカーのそれと同符合で
大きな絶対値であるようなｐＨ値を選択することにより
、上述のような添加物、窒化珪素粉末及び炭化珪素ウィ
スカーが均一に分散した焼結体が得られる。

具体的には、炭化珪素ウィスカー及び窒化珪素粉末のｐ
Ｈ値−ゼータ電位の関係は、第２図のようになり、ｐＨ
＞８で炭化珪素ウィスカー及び窒化珪素粉末のゼータ電
位は、ともにマイナスの符合を持ち、絶対値も３０ｍＶ
以上であり、スラリーのｐＨを８以上にすることによっ
て、炭化珪素ウィスカー相互間、窒化珪素粉末相互間及
び窒化珪素粉末−炭化珪素ウィスカー相互間に十分な反
発力が働き、炭化珪素ウィスカー及び窒化珪素粉末が均
一に分散したスラリーが得られる。このスラリーを上述
のように乾燥造粒した後、成形、焼成すると、炭化珪素
ウィスカーが均一に分散した焼成体が得られる。　ｐＨ
の調整は塩酸、硝酸、硫酸などの酸およびアンモニア、
ジエチルアミン、水酸化ナトリウムなどの塩基が用いら
れる。

また、より一層の良好な分散を実現するために、発明者
らは、炭化珪素ウィスカー及び窒化珪素粉末に酸化物の
被膜（例えば二酸化珪素）または超微粒子（１００〜５
００λ程度；酸化アルミニウム、酸化チタニウム、窒化
ポロン、炭素など）を付着させることを行なった。また
、ゼータ電位はウィスカー及び粉末の表面状態に依存し
ていると考えられ、酸化物の種類や付着量を変えること
により（特願昭８２−２８０９３８参照）、広範囲にｐ
Ｈ値−ゼータ電位の関係をコントロールできることを確
認した。酸化物を付着させる方法としては、酸化被膜の
生成や、アルコキシド法に代表される液相のゾルによる
セラミック前駆体を利用した方法（Ｈ，Ｋｕｂｏ　、　
Ｈ，Ｅｎｄｏ　、　Ｋ、　Ｓｕｇｉｔａ　、　Ｐｒｏｃ
ｅｅｄｉｎｇｓｏｆ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃ
ｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ａｎｄ　ＥｘｈｉｂｉｔｉｏｎＰ
ｏｗｄｅｒ　Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ　８Ｂ）及びＣＶＤ
等の気相蒸着を利用した方法が有効である。

以上のように、炭化珪素ウィスカー及び窒化珪素粉末の
最適なゼータ電位の関係をえることが、ＰＨ値を変える
ことにより容易にできるようになり、炭化珪素ウィスカ
ー及び窒化珪素粉末が均一に分散したスラリーが得られ
る０次に、均一な分散の実現したスラリーに、超音波振
動を加えなから噴霧乾燥を行ない、第１図のような造粒
粉体が得られる。この造粒粉体を原料として種々の成形
法を用いることによって、窒化珪素粉末及び炭化珪素ウ
ィスカーが均一に分散した成形体が得られ、この成形体
を常圧焼結することによって、窒化珪素中に炭化珪素ウ
ィスカーが均一に分散した、十分に緻密な焼結体（相対
密度〉９５％）が得ちれる。

以上の本発明の方法を用いるこ・とによって、従来の技
術では不可能であった成形体中の炭化珪素ウィスカーの
均一分散が可能になることにより、常圧焼結が可能にな
った。これは炭化珪素ウィスカーの均一分散が実現した
ため、成形体中のウィスカーのからまり（からまりの大
きさ：３０〜２００＃Ｌｍ）がなくなったためである、
なぜなら、従来の技術では避けられなかったウィスカー
の不均一分散によるからまりは、からまりの中にマトリ
ックス粉末が入り込めないため大きな粒子と同様の振舞
をするので、ウィスカー強化セラミックスの難焼結性の
原因となっているのである。そこで。

本発明の方法でウィスカーを均一分散しウィスカーのか
らまりを防いでやると、ウィスカー強化セミックスの焼
結性が向上し、常圧焼結でも緻密な（相対密度〉８５％
）焼結体が得られる。

従来技術では、緻密な焼結体の作製は、専らホットプレ
ス法で行なわれてきたことに比べ、ホットプレス法の持
つ、形状的制約を受ける上に、生産性が悪くコストが高
いなどの欠点が解決された。つまり、常圧焼結による緻
密化が可能となったことにより、複雑形状を持つ工具を
安価に作成することができるようになった。

なお、付着させた酸化物が窒化珪素の焼結助剤であるこ
とも多い、この場合、本発明により焼結助剤の均一分散
もなされている。

以下、本発明の実施例を示す。

実施例１窒化珪素、炭化珪素ウィスカー（１０〜６５マｏ　１％
）に焼結助剤、第３成分を２〜２５ｖｏｌ％加えたもの
について種々の常圧焼結条件で焼結を行ない、試料を作
製し、相対密度（アルキメデス法）、破壊靭性値Ｋｔｃ
（ＳＥＰＢ法）およびビッカース硬度（荷重：１ｋｇＦ
）の測定を行ない切削性能の評価を行なった。切削実験
には、精密旋盤を、逃げ面摩耗幅（Ｖｓ）の測定には、
工具顕微鏡をそれぞれ用いた。工具形状は５ＮＧＮ４３
３であり、次に、切削条件であるが、送り量（ｆ＝０．
２■ｍａｒｅマ）、切り込み量（ｔ＝１．５層層）、工
具付き出し長さ（４０層層）、心押し台突き出し量（３
５厘曽）、そして切削速度（Ｖｃ　＝４０（１ｍ／５ｉ
ｎ）　テ行なツタ、被削材は、ＦＣ２０相当の鋳鉄であ
り、形状は、φｔ１０　ｘｅｏ。

■璽の丸棒である１０次に逃げ面摩耗幅（Ｖｅ）の測定
は、チップがホルダーにより５°の傾きで被削材を削り
取っているため、工具顕微鏡に対してチップを５°傾け
、工具逃げ面が平行になるように取り付けて行なった。

切削実験は乾式外周旋削とし、また工具寿命判定基準と
して逃げ面摩耗幅ＶＦＲ＝　　０．２ｍｍを設定して行
なった。

なお、原料粉末としては平均粒径０．２　ＩＬｍの窒化
珪素粉末、平均直径０．５ｐｍ、平均長さ１１０７ｚの
炭化珪素ウィスカーを用いた。なお、前処理として、炭
化珪素ウィスカーを粉砕し、アスペクト比を６〜ｌＯに
調整した後、大気中で熱処理し、二酸化珪素被膜を析出
させた。これらの原料粉末を表１の組成に秤量し、炭化
珪素ウィスカー以外の原料粉末をボールミルを用いて、
２４時時間式混合（アセトンを使用）し乾燥した。これ
をマトリックス粉末と呼ぶ０次に、炭化珪素ウィスカー
とマトリックス粉末とを含むスラリーを作製し、スラリ
ーのｐＨ値を１１に調整した後、超音波分散４１（出カ
フ００Ｗ）にかけながら、噴霧乾燥４１（入口温度２０
０℃、出口温度１００℃）にかけ乾燥造粒を行なった。

得られたウィスカーを含む造粒粉末を金型で一時成形後
、常圧焼結し、各種試験片を加工後、切削性能等の評価
を行なった。その組成、常圧焼結条件、および評価結果
を表１に示した。

実施例２炭化珪素ウィスカーの前処理は行なわず、平均直径０．
５＃Ｌｍ、平均長さ１０４ｍの炭化珪素ウィスカーをそ
のまま用いた。それ以外は実施例１と同様に作製した造
粒粉末を窒素雰囲気中でホットプレス焼結し、実施例１
と同様の評価を行なった。

その組成、ホットプレス焼結条件、および評価結果を表
２に示した。

実施例３炭化珪素ウィスカーとして、平均直径０．５ｇ、ｍ、平
均長さ１０ＩＬｍの炭化珪素ウィスカーを粉砕し、アス
ペクト比を６〜ｌＯに調整したものを用いた。

熱処理をしていない炭化珪素ウィスカーを用いた場合、
及び大気中で熱処理し、二酸化珪素被膜を析出させた炭
化珪素ウィスカーを用いた場合について、実施例１と同
様の試験片を得て、同様の評価を行なった。その組成、
常圧焼結条件、および評価結果を表３に示した。

表３より、熱処理のない場合も相対密度が９５％以上、
工具寿命が１５分以上となり、良好な評価結果であり本
発明の範囲内であるが、二酸化珪素被膜を析出させた炭
化珪素ウィスカーを用いた場合は、更に緻密化が進み、
相対密度が９７％以上、工具寿命が２０分以上となり、
より優れた工具材料である。

（以下余白）発明の効果本発明によるセラミック工具材料は上記の実施例からも
明らかなように、破壊靭性Ｋｒｃ値＞７ＭＰａｍ”、ホ
ットプレス法の場合はビッカース硬度〉１８００ｋｇ／
■■２、常圧焼結法の場合はビッカース硬度＞１７００
ｋｇ／＠■２であり、工具寿命もホットプレス法の場合
は２０分以上、常圧焼結法の場合は１５分以上という優
れた高靭性高硬度セラミック工具材料である。また、ウ
ィスカー強化セラミックスは緻密化が困難なため、専ら
形状的制約を受け、コストも高いホットプレス法により
作製されてきた。しかし、本発明の製造法によれば、形
状的制約を受けず、コストも安い常圧焼結法により緻密
な高靭性高硬度セラミック工具材料が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は粒子構造の顕微鏡写真である。第２図はＰＨと
ゼータ電位の関係図である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）１０〜８５ｖｏｌ％の炭化珪素ウィスカーを含み
ウィスカーが均一に分散した窒化珪素と、その焼結助剤
よりなる常圧焼結した高靭性高硬度セラミック工具材料
。
（２）１０〜６５ｖｏｌ％の炭化珪素ウィスカーと窒化
珪素およびその焼結助剤（窒化珪素に対して２〜１５ｖ
ｏｌ％）を混合してスラリーとし、該スラリー中で炭化
珪素ウィスカーが大きなゼータ電位を持つか、または炭
化珪素ウィスカーと窒化珪素のゼータ電位が同符合で絶
対値の大きいゼータ電位となるようにｐＨ調整をし、炭
化珪素ウィスカー同志または窒化珪素と炭化珪素ウィス
カーの間に大きな静電的反発力を持つ、炭化珪素ウィス
カーが均一に分散したスラリーを得、さらにスラリーに
超音波振動を加えながら、噴霧乾燥し、成形後焼結する
高靭性高硬度セラミック工具材料の製造方法。
（３）ゼータ電位の適正化を、スラリーのｐＨ調整と共
に、ウィスカーへの酸化物のコーティング、または酸化
物微粒子の付着によって行なう特許請求の範囲第２項記
載の高靭性高硬度セラミック工具材料の製造方法。
（４）１０〜８５ｖｏｌ％の炭化珪素ウィスカー及び２
〜２５ｖｏｌ％の周期表IVＡ、ＶＡ及びVIＡ族の元素の
炭化物又は窒化物から選択された化合物の一種以上を含
み、残部、ウィスカーが均一に分散した窒化珪素と、そ
の焼結助剤よりなる常圧焼結した高靭性高硬度セラミッ
ク工具材料。
（５）１０〜８５ｖｏｌ％の炭化珪素ウィスカーと２〜
２５ｖｏｌ％の元素の周期表IVＡ，ＶＡ及びVIＡ族の元
素の炭化物又は窒化物から選択された化合物の一種以上
及び残部、窒化珪素とその焼結助剤（窒化珪素に対して
２〜１５ｖｏｌ％）を混合してスラリーとし、該スラリ
ー中で炭化珪素ウィスカーまたは炭化珪素ウィスカーと
窒化珪素及び炭化物又は窒化物の化合物のゼータ電位が
同符合で絶対値の大きいゼータ電位となるようにし、炭
化珪素ウィスカー同志または窒化珪素と炭化珪素ウィス
カーの間に大きな静電的反発力を持つ、炭化珪素ウィス
カーが均一に分散したスラリーを得、さらにスラリーに
超音波振動を加えながら、噴霧乾燥し、成形後焼結して
、炭化珪素ウィスカーが工具中に均一に分散し、高靭性
高硬度セラミック工具材料を得ることを特徴とする製造
方法。
（６）焼結法が常圧焼結法である特許請求の範囲第２項
または第５項記載の高靭性高硬度セラミック工具材料の
製造方法。
（７）焼結法がホットプレス法、雰囲気加圧焼結法また
は熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）法である特許請求の範囲
第２項または第５項記載の高靭性高硬度セラミック工具
材料の製造方法。