JPH09157029A

JPH09157029A - 鋳鉄切削用窒化珪素質工具材料

Info

Publication number: JPH09157029A
Application number: JP7312543A
Authority: JP
Inventors: Tatsuyuki Nakaoka; 達行中岡
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1995-11-30
Filing date: 1995-11-30
Publication date: 1997-06-17

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の窒化珪素質工具材料では、鋳鉄を高速切
削した場合、十分な耐摩耗性を有しておらず、被覆窒化
珪素工具においても被覆層が剥離してしまうという問題
があった。【解決手段】窒化珪素を８５〜９６モル％、周期律表第
３ａ族元素を酸化物換算で１〜５モル％、不純物的酸素
を酸化珪素に換算して３〜１０モル％の割合で含み、且
つアルミニウム化合物の含有量が酸化物換算で１重量％
以下の焼結体であって、該焼結体中の窒化珪素結晶の格
子定数がａ軸で７．６０６オングストローム以下、ｃ軸
で２．９１０オングストローム以下の焼結体を鋳鉄切削
用工具材料として用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、鋳鉄に対し優れた耐反
応性を有し、更に高靭性、高強度、を有する材料であ
り、高速、高送り等の過酷な切削条件で用いられる鋳鉄
切削用工具として用いた場合、優れた耐摩耗性、耐欠損
性を有する窒化珪素質工具材料に関するものである。

【０００２】

【従来技術】従来、切削工具として用いられる窒化珪素
質材料としては、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、Ｙ₂Ｏ₃な
どの周期律表第３ａ族元素酸化物と、酸化アルミニウム
と酸化珪素を添加含有する系（特開昭５２−３１９１０
号）、あるいは酸化マグネシウムと、酸化珪素と、酸化
アルミニウムとを含有する系が知られている。また、最
近では、これらの焼結助剤を用いた窒化珪素質材料の耐
摩耗性を向上させるため窒化チタン、炭化チタン、酸化
アルミニウムの薄膜を被覆したものも特公昭６２−１３
４３０号、特開平２−１１６４０１号等にて提案されて
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】近年、各種切削加工分
野において生産性向上のため高速加工、高送り加工に対
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。しかし、従来の窒化珪素質工具材料では、鋳鉄を高
速、高送り条件、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、十分な耐摩耗性を有してお
らず寿命が短いものであった。また、窒化珪素質材料の
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が難しく、しかも工具
の製造上、被覆工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。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記課題を
解決するために種々検討した結果、鋳鉄切削を切削速度
４００ｍ／ｍｉｎ以上で行った場合、窒化珪素質工具の
摩耗は、鋳鉄−窒化珪素間で起こる拡散摩耗が工具摩耗
の主要因であることを突き止めた。また助剤として添加
したアルミニウム化合物が多いほどすなわちアルミニウ
ムが窒化珪素中に固溶して、格子定数が大きくなるほど
鋳鉄−窒化珪素工具間の拡散反応が大きくなり耐摩耗性
も劣化するということも突き止めた。

【０００５】本発明は、かかる知見に基づき完成された
ものであり、鋳鉄切削用の窒化珪素質工具材料として、
窒化珪素を８５〜９６モル％、周期律表第３ａ族元素を
酸化物換算で１〜５モル％、不純物的酸素を酸化珪素に
換算して３〜１０モル％の割合で含み、且つアルミニウ
ム化合物の含有量が酸化物換算で１重量％以下の焼結体
であって、該焼結体中の窒化珪素結晶の格子定数がａ軸
で７．６０６オングストローム以下、ｃ軸で２．９１０
オングストローム以下の材料を用いることを特徴とする
ものである。

【０００６】

【作用】鋳鉄を切削加工する際、その切削速度が４００
ｍ／ｍｉｎ以上の高速切削である場合、窒化珪素質工具
の摩耗は、鋳鉄−窒化珪素間で起こる拡散摩耗、つま
り、Ｆｅの工具材料への拡散により、窒化珪素が分解し
たり、工具表面の機械的特性が劣化するために生じる。

【０００７】本発明によれば、窒化珪素質工具材料中の
窒化珪素結晶中へのアルミニウムの固溶を抑制し、Ｓｉ
ＡｌＯＮ化しないように制御し、格子定数がａ軸で７．
６０６オングストローム以下、ｃ軸で２．９１０オング
ストローム以下とすることにより、鋳鉄−窒化珪素工具
間の拡散反応を抑制することができる。特に、材料中の
アルミニウム化合物の含有量を酸化物換算で１重量％以
下とすることによりアルミニウムの窒化珪素結晶への固
溶を抑制することができる。

【０００８】これにより、４００ｍ／ｍｉｎ以上、特に
８００ｍ／ｍｉｎ以上の鋳鉄の高速切削加工において、
鋳鉄−窒化珪素工具間の拡散摩耗が抑制され、耐摩耗性
に優れ、長寿命の工具材料を提供できる。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明における窒化珪素質工具材
料は、窒化珪素を８５〜９６モル％、周期律表第３ａ族
元素を酸化物換算で１〜５モル％、不純物的酸素をＳｉ
Ｏ₂換算で３〜１０モル％の割合で含有する。また、ア
ルミニウム化合物の含有量が酸化物（Ａｌ₂Ｏ₃）換算
で１重量％以下である。ここで、不純物的酸素とは、焼
結体中の全酸素量から周期律表第３ａ族元素酸化物とし
て混入する酸素を差し引いた残りの酸素であり、そのほ
とんどは窒化珪素原料粉末中の不純物酸素や添加した酸
化珪素中の酸素である。

【００１０】ここで、焼結体組成を上記のように限定し
たのは、窒化珪素が８５モル％より少なくあるいは周期
律表第３ａ族元素の酸化物換算量が５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、
窒化珪素が９６モル％より多くまた周期律表第３ａ族元
素の酸化物換算量が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。一方、不純物
的酸素の酸化珪素（ＳｉＯ₂）換算量が１０モル％より
多いと靭性が低下して工具としての耐欠損性が低下する
ためである。また、不純物酸素量が３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ためであ
る。また、アルミニウム化合物の量が１重量％より多い
と、鋳鉄に対する耐反応性が劣化し高速即切削時の耐摩
耗性が劣化するからである。

【００１１】望ましい焼結体組成としては、窒化珪素が
８８〜９５モル％、周期律表第３ａ族元素が酸化物換算
で２〜５モル％、不純物的酸素が酸化珪素に換算して２
〜８モル％の割合で含有するのがよい。また、アルミニ
ウム化合物は酸化物換算量で０．５重量％以下、特に
０．３重量％以下であることが望ましい。

【００１２】なお、周期律表第３ａ族元素としては、
Ｙ、Ｓｃ、Ｙｂ，Ｅｒ、Ｄｙ、Ｈｏ，Ｌｕ等が挙げら
れ、これらの中でもＥｒ、Ｙｂ，Ｌｕがよい。

【００１３】また、本発明の工具材料は、組織上、窒化
珪素結晶相と、周期律表第３ａ族元素、珪素、窒素、酸
素を含む粒界相により構成される。本発明によれば、窒
化珪素結晶相の格子定数がａ軸で７．６０６オングスト
ローム以下、特に７．６０２オングストローム以下、ｃ
軸で２．９１０オングストローム以下、特に２．９０８
オングストローム以下であることが重要である。これ
は、ａ軸が７．６０６オングストローム、ｃ軸が２．９
１０オングストロームよりそれぞれ大きいと窒化珪素の
イオン結合性が増し窒化珪素の結合力が低下し、切削中
に被削材と容易に反応しいわゆる拡散摩耗が大きくなり
耐摩耗性が劣化するからである。

【００１４】なお、窒化珪素結晶相は、β型の針状結晶
として存在し、その短径が０．１〜３μｍで平均アスペ
クト比（長径／短径）は２〜１０の粒子である。

【００１５】また、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、ワラストナイト、ダイシリ
ケート、モノシリケートがよい。

【００１６】なお、本発明の窒化珪素質工具材料には、
Ｗ，Ｍｏ、Ｔｉ、Ｔａ，Ｎｂ、Ｖなどの周期律表第４
ａ、５ａ、６ａ族元素金属や、それらの炭化物、窒化
物、珪化物、またはＳｉＣなどは、分散粒子やウィスカ
−として本発明の焼結体に存在しても特性を劣化させる
ような影響が少ないことから、これらを周知技術の基づ
き、適量添加して複合材料として特性の改善を行うこと
も可能である。

【００１７】次に、本発明の窒化珪素質工具材料を製造
する方法について説明する。まず、原料粉末として窒化
珪素粉末を主成分として用いる。窒化珪素粉末はそれ自
体α−Ｓｉ₃Ｎ₄、β−Ｓｉ₃Ｎ₄のいずれでも用いる
ことができ、それらの粒径は０．４〜１．２μｍが好ま
しい。

【００１８】次に、添加成分として、周期律表第３ａ族
元素酸化物、酸化珪素粉末を用い、これらを適量秤量
し、ボールミル等により混合粉砕する。これらは、焼結
前の成形体において、周期律表第３ａ族元素酸化物が１
〜５モル％、酸化珪素が３〜１０モル％の割合となるよ
うに混合し、アルミニウム化合物は実質的には添加せ
ず、不純物として成形体中に混入しても酸化物換算で１
重量％以下となるように制御する。なお、酸化珪素は、
窒化珪素粉末中の不純物酸素を酸化珪素換算した量を含
まれる。従って、混合粉砕中のボールミル等からのアル
ミニウム成分の混入や酸化による酸素分も考慮して出発
組成を決定する。

【００１９】成形体は、混合粉末を公知の成形方法、例
えば、プレス成形、鋳込み成形、押出し成形、射出成
形、冷間静水圧成形などにより工具形状に成形すること
により得られる。

【００２０】次に、得られた成形体を公知の焼成方法、
例えば、ホットプレス方法、常圧焼成、窒素ガス圧力焼
成法により焼成し、さらには、これらの焼成後に２００
０気圧もの高圧下で焼成する熱間静水圧焼成法（ＨＩ
Ｐ）を施したり、成形体をガラス浴中に浸漬したり、ガ
ラスシールを表面に形成して上記ＨＩＰ処理を行い緻密
化を図る。

【００２１】この時の焼成温度は、高温すぎると主相で
ある窒化珪素結晶中へのアルミニウムの固溶が促進され
たり、粒成長し強度が低下し、また製造装置上も高価と
なるため、１６５０〜２０００、特に１７００〜１９５
０℃の窒素ガス含有非酸化性雰囲気で焼成することがよ
い。

【００２２】

【実施例】原料粉末として窒化珪素粉末（ＢＥＴ比表面
積１５ｍ²／ｇ、α化率９５％、不純物酸素量０．９重
量％）と、表１に示した各種周期律表第３ａ族元素酸化
物粉末、酸化珪素粉末を用いて、最終組成が表１になる
ようにバインダーと共に調合混合し１ｔｏｎ／ｃｍ²の
圧力でプレス成形し、成形体を得た。この成形体を脱脂
後、１９００℃で３時間、窒素ガス圧力３０気圧以下で
３時間焼成して焼結体を得た。

【００２３】得られた焼結体に対して、Ｘ線マイクロア
ナライザー（ＥＰＭＡ）により組成分析を行い、Ａｌ量
を測定した。また、Ｘ線回折により窒化珪素結晶の格子
定数と、ビッカース硬度（荷重２０ｋｇ）、ＩＦ法によ
る破壊靭性を求め、その結果を表１に示した。

【００２４】また、切削試験としてＳＮＧＮ１２０４１
２の工具形状に加工し下記の条件被削材ＦＣ３５０切削速度１０００ｍ／ｍｉｎ送り０．５ｍｍ／ｔｏｏｔｈ切り込み１．０ｍｍにて、乾式切削を行い、刃先の摩耗幅が０．１５ｍｍま
たは欠損するまでの時間を測定し結果を表１に示した。

【００２５】

【表１】

【００２６】表１の結果によれば、窒化珪素結晶の格子
定数がａ軸で７．６０６オングストロームを越え、また
はｃ軸で２．９１０オングストロームを越える試料Ｎo.
７，８では摩耗が急激に進行し、１０分以内で欠損して
しまった。また、焼結体組成が本発明の範囲から逸脱す
る試料Ｎo.１、１６〜１９では、摩耗が急速に進行し、
１０分以内で摩耗幅が０．１５ｍｍに達してしまった。

【００２７】これに対して、本発明の試料は、いずれも
硬度１５．０ＧＰａ以上、靱性７．０ＭＰａ・ｍ^1/2以
上の高い機械的特性を有し、しかも、高速切削試験にお
いても摩耗幅が０．１５ｍｍとなるまで１０分以上要
し、耐摩耗性に優れることがわかった。特に、焼結体組
成において、窒化珪素８８〜９５モル％、周期律表第３
ａ族元素が酸化物換算で２〜５モル％、不純物的酸素が
酸化珪素に換算して２〜８モル％の組成物については、
硬度１５．２ＧＰａ以上、靱性７．６ＭＰａ・ｍ^1/2以
上、切削試験において、１５分以上の耐摩耗性を示し
た。

【００２８】また、比較例として、Ｓｉ₃Ｎ₄９０モル
％、Ｙ₂Ｏ₃５モル％、Ａｌ₂Ｏ₃５モル％からなる窒
化珪素質焼結体の表面にＣＶＤ法によりＴｉＣ膜を４μ
ｍの厚みで被覆した切削工具を作製し、上記と同様な条
件で切削試験を行なった。その結果、切削開始後、５分
後に被覆層の剥離が観察された。

【００２９】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の窒化珪素
質工具材料は、鋳鉄の高速切削において、高い耐摩耗性
を有し、これにより工具の寿命を向上させることができ
る。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】窒化珪素を８５〜９６モル％、周期律表第
３ａ族元素を酸化物換算で１〜５モル％、不純物的酸素
を酸化珪素に換算して３〜１０モル％の割合で含み、且
つアルミニウム化合物の含有量が酸化物換算で１重量％
以下の焼結体であって、該焼結体中の窒化珪素結晶の格
子定数がａ軸で７．６０６オングストローム以下、ｃ軸
で２．９１０オングストローム以下であることを特徴と
する鋳鉄切削用窒化珪素質工具材料。