JPH08337477A - サイアロン基焼結体および被覆焼結体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 切削工具として長寿命化を達成したサイアロ
ン基焼結体を提供する。 【構成】 サイアロンを主成分とするマトリックスを９
０〜９９重量％と、残部が粒界相からなる焼結体におい
て、該粒界相は、周期律表の２ａ，６ａ，７ａ，８ａ族
元素の中の少なくとも１種を含む化合物であるＭ″含有
化合物を必須成分として含有し、かつ次式（Ａ）で表わ
される複合酸化物を主成分とするサイアロン基焼結体。 Ｒ₂（Ｍ′Ｍ″_z）_2-xＯ_7-2x ・・・・・（Ａ） （但し、Ｒは、Ｓｃ，Ｙを含めた希土類元素の中の少な
くとも１種を表わし、Ｍ′は、周期律表の４ａ族元素の
中の少なくとも１種を表わし、Ｍ″は、周期律表の２
ａ，６ａ，７ａ，８ａ族元素の中の少なくとも１種を表
わし、Ｏは、酸素を表わし、ＸおよびＺは、−６＜Ｘ＜
１および０≦Ｚ＜１を満足する。）

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、サイアロンを主成分と
するマトリックスと粒界相とからなるサイアロン基焼結
体、およびこの焼結体の上に被膜を被覆してなる被覆サ
イアロン基焼結体に関し、具体的には、旋削工具，フラ
イス工具，ドリル，エンドミルに代表される切削工具、
スリッタ−，プッシュ，ガイド，ノズル，ボ−ルに代表
される耐摩耗工具、エンジン，ロ−タに代表される各種
の機械部材，治具などの構造材料として最適なサイアロ
ン基焼結体およびこの焼結体の上に被膜を被覆してなる
被覆サイアロン基焼結体に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、窒化ケイ素またはサイアロンを
主成分とするセラミックス焼結体は、曲げ強度，破壊靭
性，耐熱衝撃性に優れることから切削工具，耐摩耗工
具，各種の機械部品として実用化が進められている。

【０００３】この種の焼結体は、粒界相を含まない焼結
体と粒界相を含む焼結体とに大別できるが、前者の焼結
体の破壊モ−ドは粒内破壊となるために靭性が著しく劣
り、実際に実用化されているのは後者の焼結体である。
後者の焼結体における各種の焼結体の特性は、窒化ケイ
素またはサイアロンのマトリックスと粒界相との両方に
影響を受けるが、耐熱性，耐熱衝撃性などの高温特性は
マトリックスよりも融点の低い粒界相により強く影響を
受けることになる。このことから、この種の焼結体にお
ける粒界相の検討が多数行われており、その中でも高温
特性に注目した代表的なものとして、特開昭６２−１５
３１６９号公報および特開平６−２９８５６７号公報が
ある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】先行技術としての特開
昭６２−１５３１６９号公報には、希土類元素の酸化物
と、Ｈｆ，ＴａまたはＮｂの酸化物，炭化物，ケイ化物
の群から選ばれた少なくとも１種と、窒化アツミニウム
と、残部が窒化ケイ素よりなるセラミックス混合物を焼
成してなる窒化ケイ素焼結体が開示されている。

【０００５】また、特開平６−２９８５６７号公報に
は、β−サイアロンを主成分とするマトリックスと、Ｈ
ｆおよび／またはＺｒの元素を含む複合酸化物を主成分
とする粒界相とからなるサイアロン基焼結体が開示され
ている。

【０００６】これら両公報に開示の焼結体は、従来のＳ
ｉ₃Ｎ₄−Ａｌ₂Ｏ₃−ＡｌＮ−希土類元素の酸化物系焼結
体におけるＡｌ₂Ｏ₃をＨｆＯ₂および／またはＺｒＯ₂で
置換、もしくはそれらを複合酸化物として存在させるこ
とにより高温における機械的強度，耐熱衝撃性，耐欠損
性，耐摩耗性を高めようとしたものであるが、切れ刃の
極一部が高温になるような切削工具として使用する場合
には、境界摩耗量の急激な増加とそれに伴う刃先欠損や
チッピングが生じて短寿命になるという問題がある。

【０００７】本発明は、上述のような問題点を解決した
もので、具体的には、耐摩耗性に優れるα−サイアロン
おそび／またはβ−サイアロンでなるサイアロンを主成
分とするマトリックスに、高融点の複合酸化物を粒界相
として適量存在させることにより耐摩耗性，靭性，耐熱
衝撃性，耐欠損性を高め、特に切削工具としての耐境界
摩耗性を顕著に高めて長寿命化を達成したサイアロン基
焼結体の提供を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、長寿命の
切削工具材料を開発するために、α−サイアロンおそび
／またはβ−サイアロンでなるサイアロンと、α−Ｓｉ
₃Ｎ₄および／またはβ−Ｓｉ₃Ｎ₄でなる窒化ケイ素との
効果の相違、並びにこれらを結合させるための粒界相に
ついて、長期間に亘り検討していたところ、サイアロン
は、窒化ケイ素に対比して切削時に被削材の主成分であ
る鉄族金属との反応が生じ難く、耐摩耗性に優れるこ
と、粒界相としては、希土類元素と４ａ族元素（特にＨ
ｆ）と２ａ，６ａ，７ａ，８ａ族元素（特にＭｇ）との
複合酸化物、または希土類元素と４ａ族元素（特にＨ
ｆ）との複合酸化物に２ａ，６ａ，７ａ，８ａ族元素
（特にＭｇ）の化合物を混在させると、高温での強度，
耐熱衝撃性が顕著に改善されること、熱伝導率，破壊靭
性値が高くなること、これらのサイアロンと粒界相との
シナジ−効果でもって切削工具としての 耐境界摩耗性
が顕著に優れること、かつ長寿命化が達成できるという
知見を得て、本発明を完成するに至ったものである。

【０００９】すなわち、本発明のサイアロン基焼結体
は、サイアロンを主成分とするマトリックスを９０〜９
９重量％と、残部が粒界相からなる焼結体であって、該
粒界相は、周期律表の２ａ，６ａ，７ａ，８ａ族元素の
中の少なくとも１種を含む化合物であるＭ″含有化合物
を必須成分として含有し、かつＲ₂（Ｍ′Ｍ″_z）_2-xＯ
_7-2xで表わされる複合酸化物（但し、Ｒは、Ｓｃ，Ｙを
含めた希土類元素の中の少なくとも１種を表わし、Ｍ′
は、周期律表の４ａ族元素の中の少なくとも１種を表わ
し、Ｍ″は、周期律表の２ａ，６ａ，７ａ，８ａ族元素
の中の少なくとも１種を表わし、Ｏは、酸素を表わし、
ＸおよびＺは、−６＜Ｘ＜１および０≦Ｚ＜１を満足す
る。）を主成分とすることを特徴とする焼結体である。

【００１０】本発明の焼結体におけるマトリックスは、
サイアロンのみでなる場合、またはマトリックス中の５
０ｗｔ％以上がサイアロンでなり、好ましくは９０ｗｔ
％以上がサイアロンでなり、残りは窒化ケイ素，ケイ素
アルミニウム酸窒化物（具体的には、例えばＳｉ₁₂Ａｌ
₁₈Ｏ₃₉Ｎ₈），炭化ケイ素の中の１種以上でなるもので
ある。 このマトリックスとして存在するサイアロン
は、組成式：Ｓｉ_6-y−Ａｌ_yＯ_yＮ_8-y（但し、０＜ｙ≦
４．２）で表わせるβ−サイアロンのみからなる場合、
またはこのβ−サイアロンを主成分とし、残りが組成
式：Ｇ_w（ＳｉＡｌ）₁₂（ＯＮ）₁₆（但し、Ｇ＝Ｌｉ，
Ｍｇ，Ｃａ，希土類元素の中の１種以上でなり、０＜ｗ
≦２）で表わせるα−サイアロンでなるものである。

【００１１】このマトリックス以外の構成成分としての
粒界相は、Ｒ₂（Ｍ′Ｍ″_z）_2-xＯ_7-2xで表わされる複
合酸化物（但し、Ｒは、Ｓｃ，Ｙを含めた希土類元素の
中の少なくとも１種を表わし、Ｍ′は、周期律表の４ａ
族元素の中の少なくとも１種を表わし、Ｍ″は、周期律
表の２ａ，６ａ，７ａ，８ａ族元素の中の少なくとも１
種を表わし、Ｏは、酸素を表わし、ＸおよびＺは、−６
＜Ｘ＜１および０≦Ｚ＜１を満足する。）のみでなる第
１粒界相の構成でなる場合、または粒界相中の５０ｗｔ
％以上が上述の複合酸化物でなり、残りがＭ″含有化合
物，希土類元素の酸化物，周期律表の４ａ族元素の酸化
物，Ｙ₂Ｓｉ₃Ｎ₄Ｏ₃（メリライト），ガラス質相 の中
の１種以上からなる第２粒界相の構成でなる場合があ
る。この粒界相について、さらに説明すると、Ｒ
₂（Ｍ′Ｍ″_z）_2-xＯ_7-2xで表わされる複合酸化物の式
で０＜Ｚ＜１でなるときには、第１粒界相の構成の場合
と第２粒界相の構成の場合があり、Ｚ＝０でなるときに
は、第２粒界相の構成の場合がある。

【００１２】この粒界相における複合酸化物は、具体的
には、例えばＹ₂Ｈｆ_2-xＯ_7-2x，Ｓｃ₂Ｈｆ_2-xＯ_7-2x，
Ｓｃ₂（ＨｆＭｇ_z）_2-xＯ_7-2x，Ｙ₂（ＨｆＭｇ_z）_2-xＯ
_7-2x，Ｄｙ₂（ＨｆＭｇ_z）_2-xＯ_7-2x，Ｄｙ₂（ＨｆＭｇ
_z）_2-xＯ_7-2x，（ＹＤｙ）₂（ＨｆＭｇ_z）_2-xＯ_7-2x，
Ｙ₂（ＨｆＣｒ_z）_2-xＯ_7-2x，を挙げることができる。
この複合酸化物は、Ｈｆ元素を必須成分として含有して
いる複合酸化物が好ましく、特にＭ′＝Ｈｆでなること
が好ましいことである。

【００１３】また、Ｍ″含有化合物は、具体的には、Ｃ
ａＯ，ＭｇＯ，Ｃｒ₂Ｏ₃，Ｍｎ₂Ｏ₃，ＮｉＯ，ＣｏＯ，
ＹＭｇＯ₄，ＡｌＭｇＯ₄，ＨｆＭｇＯ₃が代表例であ
り、希土類元素の酸化物は、Ｓｃ₂Ｏ₃，Ｙ₂Ｏ₃，Ｃｅ
Ｏ，Ｄｙ₂Ｏ₃が代表例であり、周期律表の４ａ族元素の
酸化物は、ＴｉＯ₂，ＺｒＯ₂，ＨｆＯ₂，（ＴｉＺｒ）
Ｏ₂，（ＴｉＨｆ）Ｏ₂，（ＺｒＨｆ）Ｏ₂を代表例とし
て挙げることができる。

【００１４】焼結体中における粒界相とマトリックスと
の含有量は、相対関係にあり、マトリックスの量が９０
重量％未満になると、相対的に粒界相の量が１０重量％
を越えて多くなり、その結果耐摩耗性の低下が顕著にな
り、逆にマトリックスの量が９９重量％を越えて多くな
ると、相対的に粒界相の量が１重量％未満となり、その
結果焼結性の低下および強度，靭性の低下が顕著とな
る。

【００１５】このサイアロン基焼結体の全面または一部
表面に周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族の金属，Ａｌ，Ｓ
ｉおよびこれらの相互合金，または周期律表の４ａ，５
ａ，６ａ族の金属，Ａｌ，Ｓｉの炭化物，窒化物，酸化
物およびこれらの相互固溶体，もしくはダイヤモンド，
ダイヤモンド状カ−ボン，立方晶窒化硼素，硬質窒化硼
素の中から選ばれた少なくとも１種の単層あるいは２種
以上の複層でなる０．５〜２０μｍ膜厚の被膜を形成し
て被覆サイアロン基焼結体とすると、さらに耐摩耗性が
向上することから好ましいことである。また、被覆サイ
アロン基焼結体の被膜厚さは、用途，焼結体の形状，被
膜材質および単層，複層，被膜の粒径，被膜の結晶など
に関する被膜の構成により適用範囲が異なるが、特に切
削工具のように苛酷な用途には１〜８μｍ膜厚さでなる
ことが好ましい。

【００１６】本発明の焼結体は、従来から行われている
粉末冶金法により作製することができる。具体的には、
例えば各種の出発物質を秤量し、有機溶媒と粉砕媒体と
共に混合容器に挿入し、湿式混合，乾燥，粉末成形，予
備加熱，焼結の各 工程を経て作製することである。この
ときの焼結工程は、窒素ガス，不活性ガスの雰囲気中で
１５００〜２０００℃にて焼結すること、焼結時の圧力
は、減圧または加圧（ホットプレス）にすること、さら
には焼結後に、熱間静水圧加圧処理（ＨＩＰ処理）を施
すことも強度，靭性を高めるためから好ましいことであ
る。

【００１７】また、こうして得た焼結体の表面に被膜を
形成するには、従来から行われている化学蒸着法（ＣＶ
Ｄ法），物理蒸着法（ＰＶＤ法）またはプラズマＣＶＤ
法により行うことができる。

【００１８】

【作用】本発明のサイアロン基焼結体は、マトリックス
が主として耐摩耗性を高める作用をし、粒界相が主とし
て強度，靭性を高める作用をし、粒界相中の複合酸化
物、特にＨｆ元素を含む複合酸化物が機械的強度，耐熱
衝撃性と高温における耐摩耗性との両者をバランスよく
優れるように作用をし、粒界相中のＭ″を含む複合酸化
物および／またはＭ″含有化合物が特に破壊靭性値およ
び熱伝導率を高める作用をし、これらのマトリックスと
粒界相とのシナジ−効果により、さらに高温における耐
摩耗性，耐熱衝撃性，耐欠損性を高めると共に、切削工
具の切れ刃のように極一部分が高温になるような耐摩耗
性、特に耐境界摩耗性を高める作用をしているものであ
る。

【００１９】

【実施例１】平均粒径が０．７μｍのＳｉ₃Ｎ₄，０．２
μｍのＹ₂Ｏ₃，０．４μｍのＨｆＯ₂，０．２μｍのＡ
ｌ₂Ｏ₃，０．３μｍのＭｇＯ，０．３μｍのＤｙ₂Ｏ₃，
０．４μｍのＣｒ₂Ｏ₃の各種市販の粉末を用いて表１に
示す割合に配合し、ヘキサン溶媒とＳｉ₃Ｎ₄基焼結体の
粉砕媒体と共にボ−ルミルによる湿式混合を行った。こ
うして得た混合粉末に成形助剤としてのパラフインワッ
クスを外掛けで５ｗｔ％添加した後、金型を用いて１ｔ
ｏｎ／ｃｍ²の圧力で粉末成形体とした。この粉末成形
体を予備加熱して脱ワックスした後、窒素雰囲気中，温
度１８００℃，２時間保持の条件で焼結し、さらに１０
００気圧の窒素雰囲気中，温度１７００℃，１時間保持
の条件でＨＩＰ処理を行い、本発明品１〜１２および比
較品１〜５を得た。

【００２０】こうして得た本発明品１〜１２および比較
品１〜５の相対密度を測定した結果、比較品２が９３
％，比較品４，５が９９％、その他は全て１００％であ
った。また、本発明品１〜１２および比較品１〜５の破
壊靭性値（ビッカ−ス圧子によるクラックから求め
た）、室温と１２００℃の高温における抗折力を求め
て、その結果を表２に示した。

【００２１】次いで、被削材：ＦＣ３５０，切削速度：
８００ｍ／ｍｉｎ，切込み：１．５ｍｍ，送り：０．７
ｍｍ／ｒｅｖ，切削時間：２ｍｉｎ，切削油：水溶性，
工具形状：ＳＮＧＮ１２０４０８，の条件で湿式による
連続旋削試験を行い、その時の横境界摩耗量（Ｖ_N）を
求めて表２に併記した。同じく、被削材：ＦＣＤ６０
０，切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ，切込み：１．５ｍ
ｍ，初期送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ，工具形状：ＳＮＧ
Ｎ１２０４０８，の条件で乾式によるフライス切削試験
を行い、１Ｐａｓｓで欠損しない場合は送りを０．０３
ｍｍ／ｒｅｖづつ増加し、工具が欠損に至る最大送りを
求めて、その結果を表２に併記した。

【００２２】さらに、Ｘ線回折，走査型電子顕微鏡（Ｓ
ＥＭ）により本発明品１〜１２および比較品１〜５の成
分組成を確認した結果、本発明品１〜１２は、表１に示
したＳｉ₃Ｎ₄とＡｌ₂Ｏ₃との合計量でなるマトリックス
でなり、その殆どがβ−サイアロンからなり、粒界相の
９０％以上がＲ₂（Ｍ′Ｍ″_z）_2-xＯ_7-2xでなる複合酸
化物であった。一方、比較品１〜５の内、比較品１はマ
トリックス含有量が約８７ｗｔ％でなり、比較品２は、
マトリックス含有量が約９９．３ｗｔ％でなり、比較品
３および５は、粒界相中にＲ₂（Ｍ′Ｍ″_z）_2-xＯ_7-2x
でなる複合酸化物が存在しなく、比較品４は、マトリッ
クス中にサイアロンが存在しないものであった。

【００２３】

【表１】

【００２４】

【表２】

【００２５】

【実施例２】実施例１で得た本発明品１〜３および比較
品１の焼結体を用いて、それぞれの焼結体の表面に、従
来から行われているＣＶＤ法により被膜を形成して本発
明の被覆サイアロン基焼結体である本発明品１３〜１５
と比較の被覆焼結体である比較品６を得た。このときの
被膜は、焼結体の表面に隣接して形成された層を第１層
とし、順次第２層および第３層と被覆したものである。

【００２６】こうして得た本発明品１３〜１５と比較品
６の被膜の厚さおよび組成をＸ線回折，ＳＥＭにより確
認して、その結果を表３に示した。また、本発明品１３
〜１５と比較品６を用いて、実施例１の湿式による連続
旋削試験およびフライス切削試験と同条件により切削試
験を行い、その結果を表３に併記した。

【００２７】

【表３】

【００２８】

【発明の効果】本発明のサイアロン基焼結体は、従来の
サイアロン基焼結体および窒化ケイ素基焼結体に比べ
て、耐摩耗性，靭性，耐熱衝撃性，耐欠損性を高め、特
に切削工具としての耐境界摩耗性を顕著に高めて長寿命
になるという優れた効果がある。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 サイアロンを主成分とするマトリックス
   を９０〜９９重量％と、残部が粒界相からなる焼結体に
   おいて、該粒界相は、周期律表の２ａ，６ａ，７ａ，８
   ａ族元素の中の少なくとも１種を含む化合物であるＭ″
   含有化合物を必須成分として含有し、かつ次式（Ａ）で
   表わされる複合酸化物を主成分とすることを特徴とする
   サイアロン基焼結体。 Ｒ₂（Ｍ′Ｍ″_z）_2-xＯ_7-2x ・・・・・（Ａ） （但し、Ｒは、Ｓｃ，Ｙを含めた希土類元素の中の少な
   くとも１種を表わし、Ｍ′は、周期律表の４ａ族元素の
   中の少なくとも１種を表わし、Ｍ″は、周期律表の２
   ａ，６ａ，７ａ，８ａ族元素の中の少なくとも１種を表
   わし、Ｏは、酸素を表わし、ＸおよびＺは、−６＜Ｘ＜
   １および０≦Ｚ＜１を満足する。）
2. 【請求項２】 上記複合酸化物は、Ｈｆ元素を必須成分
   として含有していることを特徴とする請求項１記載のサ
   イアロン基焼結体。
3. 【請求項３】 上記複合酸化物は、上記（Ａ）式がＲ₂
   （Ｈｆ，Ｍ″_z）_2-xＯ_7-2xで表わせるＨｆ元素を含む化
   合物でなることを特徴とする請求項１記載のサイアロン
   基焼結体。
4. 【請求項４】 請求項１，２または３に記載のサイアロ
   ン基焼結体の全面または一部表面に周期律表の４ａ，５
   ａ，６ａ族の金属，Ａｌ，Ｓｉおよびこれらの相互合
   金，または周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族の金属，Ａ
   ｌ，Ｓｉの炭化物，窒化物，酸化物およびこれらの相互
   固溶体，もしくはダイヤモンド，ダイヤモンド状カ−ボ
   ン，立方晶窒化硼素，硬質窒化硼素の中から選ばれた少
   なくとも１種の単層あるいは２種以上の複層でなる０．
   ５〜２０μｍ膜厚の被膜が形成されていることを特徴と
   する被覆サイアロン基焼結体。