JPH04331006A

JPH04331006A - 表面被覆窒化珪素焼結体製工具

Info

Publication number: JPH04331006A
Application number: JP3034695A
Authority: JP
Inventors: Hideki Moriguchi; 秀樹森口; Toshiaki Nakamata; 中俣　俊明; Akinori Kobayashi; 小林　晄徳; Toshio Nomura; 俊雄野村
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd; Sumitomo Electric Igetaroy Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd; Sumitomo Electric Igetaroy Co Ltd
Priority date: 1991-02-28
Filing date: 1991-02-28
Publication date: 1992-11-18

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、少なくとも工具として
の稼働部が、耐摩耗性および靭性に優れた、表面被覆窒
化珪素焼結体製工具に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、切削工具や研磨工具の分野では、
高速，高能率加工の観点からセラミック工具を高速度鋼
や超硬工具，コーティング工具に代えて用いようとする
試みがなされ、まず最初にＡｌ２　Ｏ３　系工具が１９
５０年代に登場した。しかしながら、当初はその靭性が
小さいために実用化はされず、その後、ＴｉＣの添加、
ＺｒＯ２　の添加（特公昭５９−６２７９号公報）、Ｓ
ｉＣウイスカーの添加（特開昭６１−２７４８０３号公
報）などによる靭性向上を目的とした改良がなされ、鋳
鉄の仕上切削を中心に実用化されるようになった。とこ
ろが、その靭性は未だ十分ではなく、信頼性が低いため
に、粗切削用途および断続切削に用いることは不可能で
あった。これに対し、窒化珪素焼結体はＡｌ２　Ｏ３　
系焼結体に比較し靭性が高く、熱膨張係数も小さいこと
から熱衝撃抵抗が高く、鋳鉄の粗／仕上切削，湿式切削
などに幅広く使用でき、また信頼性も高い。さらに、こ
れらの優れた特性を持つ窒化珪素焼結体の表面に、Ｔｉ
化合物，Ａｉ２　Ｏ３　などをコーティングし、窒化珪
素の耐摩耗性を改善した工具などが提案され（特公昭６
１−１９３６７号公報、特公昭６２−１３４３０号公報
）、実用化が進んでいる。

【０００３】窒化珪素焼結体に関しては、強度向上を目
的として、焼結助剤についての研究開発が盛んに行われ
てきた。これは、窒化珪素が共有結合性の強い化合物で
あり、イオン結晶や金属結晶に比較して粒界エネルギー
と表面エネルギーの比が大きく、自己拡散が非常に遅く
、高温では分解と蒸発を生じて焼結しにくい物質である
ためである。すなわち、ＭｇＯ，Ｙ２　Ｏ３　，Ａｌ２
　Ｏ３　，ＺｒＯ２　，ＡｌＮ，ＣａＯ，ＣｅＯ２　，
ＳｉＯ２　などの焼結助剤により、低融点のガラス相を
形成させ、液相焼結により緻密な焼結体を得る技術が開
発されてきた。このような助剤の開発の歴史の中で、Ｙ
２　Ｏ３　などの焼結助剤は、単に焼結体を緻密化させ
るだけではなく、窒化珪素結晶粒子を柱状に発達させ、
繊維強化の理論によって窒化珪素焼結体を高強度化させ
たという点で非常に重要な技術開発であった（特公昭４
８−７４８６号公報参照）。この焼結メカニズムは、α
−Ｓｉ３　Ｎ４　が高温で生成した溶融ガラス相中に溶
解し、溶解再析出現象によりβ−Ｓｉ３　Ｎ４　（また
はβ´−サイアロン）となって析出し、Ｙ２　Ｏ３　存
在下で六方晶のＣ軸方向に成長して、柱状の窒化珪素粒
子が生成するというものである。この技術開発により窒
化珪素の高強度化が可能となり、鋳鉄の粗切削，断続切
削，粗フライス切削の可能なセラミック工具として実用
化が進んでいる。

【０００４】また、このような焼結助剤の開発および窒
素ガス圧焼結の採用により、従来ホットプレス法によっ
てしか製造できなかった窒化珪素の常圧焼結が可能とな
り、複雑形状のものをニアネットシェイプ、すなわち最
終製品の形状にほぼ近い形で容易に製造できるようにな
った。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記技
術開発によりニアネットシェイプ化が進んだと言っても
、表面被覆窒化珪素系工具においては、超硬、サーメッ
ト工具のように焼結肌をそのまま利用してコーティング
し、工具とする製品開発は遅れており、研削加工により
、希望の形状に仕上げられているのが現状である。その
ため、研削加工時に発生した加工傷が原因となるクラッ
クにより焼結体強度が低下し、また窒化珪素が非常に難
加工性であることにより製造コストの増大を招いている
。研削加工後の母材の研削肌を、図１（ｄ），（ｂ）の
走査型電子顕微鏡（以下「ＳＥＭ」と記す）写真に示す
。

【０００６】成形時に希望の形状とし、研削加工を施す
ことなく、あるいは研削加工以外のコストの安い方法で
後処理し、製品として仕上げようとする試みもあるが、
このようにしてできた製品では、焼結体表面に生じた異
常相の存在による強度劣化および耐摩耗性の低下が生じ
るといった問題点を有している。また、焼結体表面の異
常相には、Ｓｉ３　Ｎ４　の昇華分解，粒界ガラス相の
飛散などが考えられる。このような問題点に対し、窒化
珪素焼結体表面を酸化し、二酸化珪素を主体とする膜を
形成して焼結体表面の異常相を覆い、窒化珪素焼結体そ
のものが持つ特性を引出そうとする試みも提案されてい
る（特開平２−１６４７７３号公報）。しかしながら、
このような処理を行なった焼結体により工具を製造し、
実用に供しようとしても、焼結体表面に生成した低融点
のシリケートガラス相により、被削材との溶着が発生し
やすく、耐摩耗性の低下といった現象を招く結果となっ
てしまう。また、窒化珪素のプレス体を窒化珪素基粉末
を下敷きにして挿入した特定材料の容器は、黒煙坩堝内
に窒化珪素基粉末に埋没して焼結することにより、焼結
のままの状態で実用に供し得る焼結材料を得る方法が提
案されている（特公昭６２−３０１５２号公報）。しか
しながら、この方法で製造した焼結体表面にも、通常の
常圧焼結法と同じく、図２（ａ），（ｂ）に見られるよ
うな自由成長した柱状の窒化珪素結晶粒が生成する。こ
の柱状の窒化珪素結晶粒はβ−Ｓｉ３　Ｎ４　（または
β´−サイアロン）であって、前述したように、この結
晶粒が焼結体内部で絡まり合った結果、繊維強化の機構
によって窒化珪素焼結体は高強度化されており、セラミ
ック工具でありながら鋳鉄の粗フライス，断絶旋削等の
切削加工が可能となっている。この現象は高強度化され
た窒化珪素焼結体に特有のものであり、サーメット工具
や超硬工具の焼結肌には見られない現象である。

【０００７】この焼結体表面に自由成長したβ−Ｓｉ３
　Ｎ４　（またはβ´−サイアロン）は、自由成長して
いるがゆえに、不安定で、柱状結晶粒端部で焼結助剤成
分を中心としたガラス相により、固定化されているにす
ぎない。そのため、その表面にコーティングされた膜に
は、工具として使用されたときに外部応力が加わり、脱
落現象を生じやすく、また面粗さも、柱状粒子同志の間
に空隙が存在するため、粗くなっており、コーティング
した膜の核発生場所が不均一となり、図５（ｄ），（ｂ
）に見られるように、局部的な粒成長を起こして団子状
のコーティング膜が生成する。

【０００８】その結果、このような表面相を持つ焼結体
を工具として用いた場合、切削抵抗の増大を招き、コー
ティング膜が脱落しやすくコーティングの効果が発揮で
きない。このような問題点は、柱状に発達したβ−Ｓｉ
３　Ｎ４　（またはβ′／サイアロン）によって高強度
化された表面被覆窒化珪素焼結体製工具に特有のもので
あり、超硬合金上にコーティングした際には見られない
現象である。また、窒化珪素焼結体においても、従来は
研削加工された焼結体にコーティングを行なっていたた
め、問題となっていなかっただけであり、本発明者らが
研削加工以外の方法で耐摩耗性，靭性に優れ、かつ低価
格で製造可能な表面被覆窒化珪素焼結体製工具を得るた
めに鋭意検討した結果、上記問題点が初めて明らかにな
ったものである。

【０００９】本発明は上記観点に鑑みて成されたもので
、窒化珪素焼結体表面を改良することによって、耐摩耗
性，靭性に優れ、しかも低価格で製造可能な表面被覆窒
化珪素焼結体製工具を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段およびその作用】上記課題
を解決するため本発明は、β−Ｓｉ３　Ｎ４　（または
β´−サイアロン）により高強度化された窒化珪素焼結
体において、焼結体表面に自由成長した柱状のβ−Ｓｉ
３　Ｎ４　（またはβ´−サイアロン）を除去するとと
もに、その表面にＴｉの炭化物，窒化物炭窒化物および
炭酸窒化物から選ばれた少なくとも１種以上からなる単
層または複層の、０．１μｍ以上１０μｍ以下の厚さを
有する層、および／またはＡｌ２　Ｏ３　からなる０．
４μｍ以上１０μｍ以下の厚さを有する層で被覆して形
成された表面被覆窒化珪素焼結体を工具として供するこ
とにより、窒化珪素焼結体本来が持つ特性を発揮できる
ことを見出だしたものである。

【００１１】窒化珪素焼結体製工具に被覆するコーティ
ング膜厚を限定した理由は、次のとおりである。Ｔｉの
炭化物，窒化物，炭窒化物および炭酸窒化物のうちの１
種以上からなる単層または複層の被覆層は窒化珪素焼結
体の耐アブレイシブ摩耗性を改善するとともに、コーテ
ィング膜にＡｌ２　Ｏ３　を含む場合には窒化珪素とＡ
ｌ２　Ｏ３　の密着強度を高め、Ａｌ２　Ｏ３　結晶粒
の異常成長を抑えるのに効果がある。しかしながら０．
１μｍ以下ではその効果が小さく、１０μｍより厚いと
靭性が低下するため好ましくない。また、Ａｌ２　Ｏ３
　膜については、窒化珪素焼結体の耐摩耗性を改善する
効果が期待できるが、０．４μｍ以下の厚さではその効
果が小さく、１０μｍの厚さをこえるとＡｌ２　Ｏ３　
結晶粒が粗大化し、耐摩耗性の低下を招き、好ましくな
い。

【００１２】最外表面には、使用済みコーナの識別およ
び外観を美しくするため、窒化チタンをコーティングす
ることが有効であるが、その膜厚は、０．１μｍより薄
いとその効果が小さく、５μｍよりより厚くしたとして
も、特に効果の増大が見られず、工業的に見て意味がな
い。また、窒化チタンのコーティングには、切削抵抗を
軽減する効果も期待できる。

【００１３】本発明において用いられる窒化珪素焼結体
は、周知の方法で製造されるもので、たとえば窒化珪素
粉末に焼結助剤を加えた混合物を、１ｔｏｎ／ｃｍ２　
の圧力で金型プレスし、１７００〜１９００℃の温度で
窒素雰囲気中にて常圧焼結もしくは常圧焼結後熱間静水
圧プレスを行なうことによって製造される。本発明にお
いて用いられる窒化珪素粉末としては、α率すなわちα
−Ｓｉ３　Ｎ４　のｗｔ％が９０％以上のものが望まし
い。これは、柱状のβ−Ｓｉ３　Ｎ４　（またはβ´−
サイアロン）が絡まり合った強度の優れた窒化珪素焼結
体を得るためには、α率が９０％以上の窒化珪素原料粉
末を用いることが好適なためである。また、窒化珪素の
原料粉末としては、イミド分解法によるものを用いるこ
とが望ましい。これは、イミド分解法による窒化珪素原
料粉末は、微量かつ高純度で焼結助剤による液相中に溶
解しやすく、溶解再析出現象による微粒でアスペクト比
の大きなβ−Ｓｉ３　Ｎ４　（またはβ´−サイアロン
）の絡まり合った窒化珪素焼結体を製造しやすいためで
ある。

【００１４】次に、焼結助剤としては、ＭｇＯ，Ｙ２　
Ｏ３　，Ａｌ２　Ｏ３　，ＺｒＯ２　，ＡｌＮ，ＣａＯ
，ＣｅＯ２　，ＳｉＯ２　より少なくとも１種以上、１
ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下含有させることが望ましい。これはこれらの焼結助剤を用いることにより、焼結性が
向上し、蒸発焼結でも緻密な焼結体を得ることができる
ようになるためである。１ｗｔ％以下の添加では蒸発焼
結が難しく、２０ｗｔ％より多く添加すると耐摩耗性が
低下するため好ましくない。特に、Ｙ２　Ｏ３　，Ｃｅ
Ｏ２　の添加は窒化珪素結晶粒の柱状晶化が顕著になり
、高強度化の観点から望ましい。また、Ｔｉの炭化物，
窒化物，硼化物および炭窒化物の少なくとも１種以上を
１〜３０ｗｔ％を添加すると、焼結体の硬度が向上し、
耐摩耗性が改善される。ただし、１ｗｔ％以下ではその
効果は小さく、３０ｗｔ％より多くなると焼結性が低下
するので好ましくない。

【００１５】このようにして得られた窒化珪素焼結体表
面に自由成長したβ−Ｓｉ３　Ｎ４　（またはβ´−サ
イアロン）を除去する手段としては、研削加工以外の処
理コストの安価な方法であれば、いかなる方法であって
もよいが、たとえばブラスト処理，バレル処理，超音波
振動法による処理が考えられる。ブラスト処理の方法と
しては、たとえば４ｋｇ／ｃｍ２　の圧力で＃１２０の
Ａｌ２　Ｏ３　を投射して行なう。バレル処理の方法と
しては、たとえば＃１２０のＳｉＣに水を加え、２００
０ｒｐｍで回転させて処理する。超音波振動法による処
理方法としては、たとえば６００Ｗの超音波振動子を用
い、ダイヤモンド砥粒を含んだ水中で３時間程度処理を
行なう。ブラスト処理，バレル処理に用いられる投射剤
やメディアとしては、ＳｉＣ，Ａｉ２　Ｏ３　などのセ
ラミックのほか、ＳｉＯ２　などのガラス系のものを用
いても良好に処理することができる。

【００１６】ブラスト処理により自由成長した柱状窒化
珪素粒子を除去した窒化珪素焼結体の表面を示すＳＥＭ
写真を図３（ａ），（ｂ）に、バレル処理により自由成
長した柱状窒化珪素粒子を除去した窒化珪素焼結体の表
面のＳＥＭ写真を図４（ａ），（ｂ）に示す。また、そ
れらの処理された焼結体上にＴｉＣＮを０．５μｍ、Ａ
ｌ２　Ｏ３　を１．５μｍ、最外表面にＴｉＮを０．２
μｍコーティングした表面被覆窒化珪素焼結体の表面の
ＳＥＭ写真を、それぞれ図７（ａ），（ｂ）および図８
（ａ），（ｂ）に示す。このように、自由成長した柱状
窒化珪素粒子を除去した焼結体をコーティング母材とし
て用いた表面被覆窒化珪素焼結体では、コーティング膜
の結晶粒のサイズが、研削加工品（図２参照）に同一の
コーティングを行なったもの（図５参照）と同程度とな
っており、処理を施さない焼結肌に直接コーティングし
た図６（ａ），（ｂ）に示すものと比較して顕著な差が
出ており、団子状のコーティング膜が急減していること
がわかる。これは、バレル処理あるいはブラスト処理に
より表面が滑らかになった結果、コーティング膜の不均
一核形成が起こりにくくなったためと思われる。また、
表面に自由成長した柱状窒化珪素粒子が除去されている
かどうかは、Ｘ線回折によりβ−Ｓｉ３　Ｎ４　（また
はβ′−サイアロン）の回折ピークの半価幅、すなわち
回折ピークの高さが半分になったときの回折角の幅の測
定により、あるいはコーティング部の断面にラッピング
とエッチングを施した後、光学顕微鏡により観察するこ
とによって判定することができる。

【００１７】本発明の表面被覆窒化珪素焼結体は、表面
の１０点平均面粗さＲｚを３μｍ以下（検出距離は２．
５ｍｍとする）とすることが望ましい。それは、Ｒｚが
３μｍよりも大きいと、焼結体表面に自由成長した柱状
のβ−Ｓｉ３Ｎ４　（またはβ´−サイアロン）の除去
が不十分であることになり、これでは工具として用いた
場合の耐摩耗性の改善の効果が小さいためである。

【００１８】

【実施例】以下に、本発明の一実施例を述べる。

【００１９】平均粒径０．４μｍ，α結晶化率９６％，
酸素量１．５ｗｔ％の窒化珪素原料および平均粒径０．
８μｍのＹ２　Ｏ３　粉末５ｗｔ％，０．４μｍのＡｌ
２　Ｏ３　粉末３ｗｔ％を、エタノール中、１００時間
、ナイロン製ボールミルで湿式混合した後、乾燥して得
られた混合粉末を、工具形状ＳＮＭＮ１２０４０８の金
型を用い、１ｔｏｎ／ｃｍ２　でプレス成形した。この
成形体を加圧焼結炉において窒素ガス５気圧中１８００
℃で２時間焼結し、すくい面のみを研削加工し、工具形
状ＳＮＭＮ１２０４０８の窒化珪素焼結体Ｘを得た。

【００２０】また、焼結体Ｘの表面に、順にＴｉＣＮを
厚さ０．５μｍ、その上にＡｌ２　Ｏ３　を厚さ１．５
μｍ、さらにその上にＴｉＮを厚さ０．２μｍで、ＣＶ
Ｄ法によってコーティングし、被覆窒化珪素焼結体Ｙを
得た。

【００２１】さらに、焼結体Ｘに下記表１に示す処理と
、上記被覆窒化珪素焼結体Ｙの場合と動揺のコーティン
グ処理を行なった思料工具ＡないしＧを準備した。

【００２２】

【表１】

【００２３】このようにして得た窒化珪素焼結体製工具
により、下記の切削試験を行なった。

【００２４】被削材：ＦＣ２５切削速度：６００ｍ／ｍｉｎ送り：０．４ｍｍ／ｒｅｖ切込み：１．５ｍｍ切削湯：ＤＲＹ切削時間：１０ｍｉｎ上記各切削試験の結果を、表２に示す。表２の結果から
、本発明品である試料工具Ａ〜Ｄは、本発明を外れるＥ
〜Ｇに比べて優れた耐摩耗性を示すことが分る。ただし
、試料工具Ａにおいては、自由成長したβ−Ｓｉ３　Ｎ
４　（またはβ´−サイアロン）の除去が十分ではない
ため、試料工具Ｂ〜Ｄに比べると焼結体表面が粗くなり
、切削試験結果も比較的フランク摩耗が大きくなってい
る。また、焼結体表面に酸化処理を加えてコーティング
処理を施した試料工具Ｅの場合、表面粗さはＲｚが１．
５μｍと最も小さな値となったが、切削試験結果におい
ては、フランク摩耗は極めて大きくなっている。これは
、酸化処理では焼結体表面が平坦にはなるが、表面に生
成した酸化膜（シリケートガラス）の融点が低いために
、耐摩耗性が劣化したためであると考えられる。

【００２５】

【表２】

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、焼
結体表面に自由成長したβ−Ｓｉ３　Ｎ４　（またはβ
´−サイアロン）を除去して、その表面に所定のコーテ
ィングを施すことにより、耐摩耗性，靭性に優れた表面
被覆窒化珪素焼結体製工具を安価な製造コストで製造す
ることができ、工業上与える効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、窒化珪素焼結体の表面を研削した後
の研削後の結晶構造を示す、４８００倍のＳＥＭ写真、
（ｂ）は、同じく窒化珪素焼結体表面の研削肌の結晶構
造を示す、１２００倍のＳＥＭ写真である。

【図２】（ａ）は、窒化珪素焼結体の表面の焼結肌の結
晶構造を示す、４８００倍のＳＥＭ写真、（ｂ）は、同
じく窒化珪素焼結体表面の焼結肌の結晶構造を示す、１
２００倍のＳＥＭ写真である。

【図３】（ａ）は、窒化珪素焼結体の表面にブラスト処
理を施した場合の、表面の結晶構造を示す、４８００倍
のＳＥＭ写真、（ｂ）は、（ａ）と同じ表面の結晶構造
を示す、１２００倍のＳＥＭ写真である。

【図４】（ａ）は、窒化珪素焼結体の表面にバレル処理
を施した場合の、表面の結晶構造を示す、４８００倍の
ＳＥＭ写真、（ｂ）は、（ａ）と同じ表面の結晶構造を
示す、１２００倍のＳＥＭ写真である。

【図５】（ａ）は、窒化珪素焼結体の研削肌母材にコー
ティング処理を施した後の、表面の結晶構造を示す、４
８００倍のＳＥＭ写真、（ｂ）は、（ａ）と同じ表面の
結晶構造を示す、１２００倍のＳＥＭ写真である。

【図６】（ａ）は、窒化珪素焼結体の焼結肌母材にコー
ティング処理を施した後の、表面の結晶構造を示す、４
８００倍のＳＥＭ写真、（ｂ）は、（ａ）と同じ表面の
結晶構造を示す、１２００倍のＳＥＭ写真である。

【図７】（ａ）は、窒化珪素焼結体のブラスト処理母材
にコーティング処理を施した後の、表面の結晶構造を示
す、４８００倍のＳＥＭ写真、（ｂ）は、（ａ）と同じ
表面の結晶構造を示す、１２００倍のＳＥＭ写真である
。

【図８】（ａ）は、窒化珪素焼結体のバレル処理母材に
コーティング処理を施した後の、表面の結晶構造を示す
、４８００倍のＳＥＭ写真、（ｂ）は、（ａ）と同じ表
面の結晶構造を示す、１２００倍のＳＥＭ写真である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　少なくとも工具としての稼働部が、窒
化珪素と焼結助剤とを含有し常圧焼結された窒化珪素焼
結体を、工具としての稼働部となる位置の窒化珪素焼結
体の焼結肌の少なくとも一部から、表面に自由成長した
β−Ｓｉ３　Ｎ４　（β′−サイアロンを含む）が除去
されているとともに、その表面に、Ｔｉの炭化物，窒化
物，炭窒化物および炭酸窒化物から選ばれた少なくとも
１種以上からなる単層または複層の、０．１μｍ以上１
０μｍ以下の厚さを有する層、および／またはＡｌ２　
Ｏ３　からなる０．４μｍ以上１０ｍμｍ以下の厚さを
有する層で被覆して形成された表面被覆窒化珪素焼結体
製工具。
【請求項２】　　表面に自由成長したβ−Ｓｉ３　Ｎ４
　（β´−サイアロンを含む）の焼結肌からの除去が、
ブラスト処理、バレル処理あるいは超音波振動法による
処理によってなされたことを特徴とする、請求項１記載
の表面被覆窒化珪素焼結体製工具。
【請求項３】　　前記表面被覆窒化珪素焼結体の１０点
平均面粗さＲｚが３μｍ以下であることを特徴とする、
請求項１記載の表面被覆窒化珪素焼結体製工具。
【請求項４】　　前記窒化珪素焼結体が、焼結助剤とし
て、Ｔｉの炭化物，窒化物，炭窒化物および硼化物より
選ばれた少なくとも１種以上を１〜３０ＷＴ％および／
またはＭｇＯ，Ｙ２　Ｏ３　，Ａｌ２　Ｏ３，ＺｒＯ２
　，ＡｌＮ，ＣａＯ，ＣｅＯ２　およびＳｉＯ２　より
選ばれた少なくとも１種以上を１〜２０ｗｔ％含む、請
求項１記載の表面被覆窒化珪素焼結体製工具。
【請求項５】　　最外表面に０．１μｍ以上５μｍ以下
の厚さの窒化チタンを被覆して形成されている、請求項
１記載の表面被覆窒化珪素焼結体製工具。