JPH10194838A - Ceramic sintered material - Google Patents

Ceramic sintered material

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JPH10194838A
JPH10194838A JP8358788A JP35878896A JPH10194838A JP H10194838 A JPH10194838 A JP H10194838A JP 8358788 A JP8358788 A JP 8358788A JP 35878896 A JP35878896 A JP 35878896A JP H10194838 A JPH10194838 A JP H10194838A
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JP
Japan
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ceramic sintered
sintered material
weight
tin
strength
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JP8358788A
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Japanese (ja)
Inventor
Takeshi Mitsuoka
健 光岡
Kazuhiro Urashima
和浩 浦島
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Niterra Co Ltd
Original Assignee
NGK Spark Plug Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a ceramic sintered material consisting essentially of silicon nitride and titanium nitride and having satisfactory strength and wear resistance as the constituent material of metallurgical iron working jigs, especially hot working jigs and to obtain metallurgical iron working jigs using the sintered material. SOLUTION: Metallurgical iron working jigs for hot working such as rolling rolls for wire rod 1, 2, guide rolls 3, 4 for wire rod or squeezing rolls for producing an electric resistance welded tube are made of a ceramic sintered material contg. 40-70wt.% TiN and 20-60wt.% Si3 N4 and having >=1,000MPa bending strength, >=4.5MPam<1/2> fracture toughness and >=98% relative density. The average grain diameter of the TiN grains in the sintered material is <=2μm.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、セラミック焼結材
料に関し、より具体的には鉄冶金加工治具、例えば線材
用圧延ロールあるいはガイドロール、電縫管製造用スク
イーズロールなどの各種熱間加工用治具の構成素材とし
て好適に使用されるセラミック焼結材料に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a ceramic sintered material, and more specifically, to various hot workings such as a jig for processing iron metallurgy, for example, a rolling roll or guide roll for wire rod, a squeeze roll for manufacturing an electric resistance welded pipe, and the like. The present invention relates to a ceramic sintered material suitably used as a constituent material of a tool.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、前述のような鉄冶金熱間加工治具
は、主に合金鋼や超硬合金で構成されたものが使用され
ているが、これら材質で構成された治具は、例えば90
0℃〜l000℃の高温において、鉄系材の加工に供し
た場合に磨耗が激しく、短時間のうちに寿命が尽きてし
まう問題がある。そこで、上記材質に代えて、磨耗特性
に優れたセラミックス材料で構成された治具の使用が検
討されており、例えばアルミナ(Al23)、ジルコニ
ア(ZrO2)、窒化珪素(Si34)、サイアロンあ
るいは炭化珪素(SiC)等で構成された治具が提案さ
れている(特公昭59一197307号公報、特公平4
−48524号公報)。
2. Description of the Related Art Conventionally, the above-mentioned iron metallurgy hot working jig is mainly made of alloy steel or cemented carbide. For example, 90
At a high temperature of 0 ° C. to 1000 ° C., there is a problem that when used for processing an iron-based material, wear is severe, and the life is exhausted in a short time. Therefore, use of a jig made of a ceramic material having excellent abrasion characteristics instead of the above materials has been studied. For example, alumina (Al 2 O 3 ), zirconia (ZrO 2 ), silicon nitride (Si 3 N) 4 ), a jig made of sialon, silicon carbide (SiC), or the like has been proposed (Japanese Patent Publication No. 59-197307, Japanese Patent Publication No.
-48524).

【0003】しかしながら、上記公報技術で開示されて
いる治具の材質のうちアルミナは、強度、靭性及び耐熱
衝撃が不足しがちであり、高温での加工等、厳しい条件
での使用が困難である欠点がある。また、ジルコニアは
常温強度には優れているが、300℃以上に加熱される
と急激に強度が低下する上、熱伝導率が悪く耐熱衝撃性
にも劣るため、熱間加工用の治具に使用することは難し
い。また、炭化珪素も、熱間加工用の治具の構成材料と
しては強度及び靭性が十分ではない欠点がある。
However, among the materials of the jigs disclosed in the above publication, alumina tends to have insufficient strength, toughness and thermal shock, and is difficult to use under severe conditions such as processing at high temperatures. There are drawbacks. Further, zirconia has excellent strength at room temperature, but when heated to 300 ° C. or more, the strength is sharply reduced, and the thermal conductivity is poor and the thermal shock resistance is poor. Difficult to use. Further, silicon carbide also has a drawback that strength and toughness are not sufficient as a constituent material of a jig for hot working.

【0004】そこで、強度及び耐熱衝撃性のいずれにも
優れた窒化珪素系材料を使用する試みがなされており、
例えば窒化珪素を主成分(60重量%以上)とする圧延
ロール(特公昭59一21413号公報)、窒化珪素に
第二相としてMgO、Al23等の酸化物系セラミック
成分あるいはAlN、TiN等の窒化物系セラミック成
分を合計で2〜50重量%含有する鉄合金用熱間圧延加
工工具(特公昭59−21580号公報)、窒化珪素を
60重量%以上含有する熱間塑性加工工具(特開昭61
一23515号公報)等、各種提案されている。
Therefore, attempts have been made to use silicon nitride-based materials which are excellent in both strength and thermal shock resistance.
For example, rolling rolls containing silicon nitride as a main component (60 wt% or more) (Japanese Patent Publication No. 59-21413), silicon oxide as a second phase, an oxide-based ceramic component such as MgO, Al 2 O 3 or AlN, TiN Hot rolling tools for iron alloys containing a total of 2 to 50% by weight of a nitride-based ceramic component (Japanese Patent Publication No. 59-21580), hot plastic working tools containing 60% by weight or more of silicon nitride ( JP 61
Various publications have been proposed.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】上記各公報に開示され
た熱間加工治具に用いられる材料は、いずれも窒化珪素
の含有量が50重量%以上に設定されており、強度及び
耐熱衝撃性には優れているが、鉄系材料の加工に実際に
適用した場合の耐摩耗性が必ずしも良好ではない欠点が
ある。すなわち、窒化珪素が主体となるセラミックス材
料で熱間塑性加工治具を構成した場合、被加工材中の鉄
成分と治具側の窒化珪素成分とが化学反応を起こしやす
いために、高温及び高応力条件下で被加工材と接触する
と、該化学反応により窒化珪素成分が消費され、治具が
急速に摩耗してしまう結果を招くのである。
The materials used in the hot working jigs disclosed in each of the above publications have a silicon nitride content of 50% by weight or more, and have strength and thermal shock resistance. However, there is a disadvantage that the wear resistance when actually applied to the processing of iron-based materials is not always good. That is, when a hot plastic working jig is made of a ceramic material mainly composed of silicon nitride, a chemical reaction is likely to occur between the iron component in the workpiece and the silicon nitride component on the jig side. When it comes into contact with the workpiece under stress conditions, the silicon nitride component is consumed by the chemical reaction, which results in rapid wear of the jig.

【0006】この場合、窒化珪素と鉄成分との反応を抑
制するために、材料中に窒化チタンを配合することが有
効であることが知られている。例えば、特開昭58−9
5662号公報には、鉄系素材の切削工具用に好適な複
合セラミック焼結体として、窒化珪素と40〜75重量
%の窒化チタンとを含有するものが提案されている。し
かしながら、上記公報に開示されたセラミック焼結体
は、切削工具としての使用が前提となっていることか
ら、使用温度や摺動時の応力等が切削工具よりもはるか
に厳しい熱間加工治具への適用は全く考慮されておら
ず、そのために必要な材料強度や鉄成分に対する化学的
安定性の程度、さらにはそれら強度及び化学的安定性を
達成するための材料組成や組織的な特性等に関しては、
何の開示も示唆もなされていない。また、該公報に示さ
れたセラミック焼結体はホットプレス法により作製され
ているが、ホットプレス法は工具のような単純形状には
適用できても、熱間圧延治具のような複雑形状品を得る
ことは困難である問題がある。
In this case, it is known that it is effective to mix titanium nitride in the material in order to suppress the reaction between silicon nitride and the iron component. For example, JP-A-58-9
No. 5662 proposes a composite ceramic sintered body suitable for a cutting tool made of an iron-based material, which contains silicon nitride and 40 to 75% by weight of titanium nitride. However, since the ceramic sintered body disclosed in the above publication is premised on use as a cutting tool, the working temperature and stress at the time of sliding, etc., are much more severe than a cutting tool. Application to steel is not considered at all, and the material strength and the degree of chemical stability to iron components necessary for that purpose, as well as the material composition and organizational characteristics to achieve such strength and chemical stability, etc. about,
No disclosure or suggestion was made. Further, the ceramic sintered body disclosed in the publication is manufactured by a hot press method. However, the hot press method can be applied to a simple shape such as a tool, but a complicated shape such as a hot rolling jig. There is a problem that obtaining goods is difficult.

【0007】また、従来の窒化珪素−窒化チタン系材料
においてTiN等の分散粒子を50重量%以上含む焼結
材科の強度は、ホットプレスを用いてもせいぜい900
MPa程度を得るのが限度であった。しかしながら、ガ
イドロールや圧延ロール等の熱間加工治具は、ビレット
等の被圧延材の先頭がロールに入る際に衝撃的な応力が
加わるため、信頼性を確保するためにさらに高い強度及
び靭性を有している必要があり、具体的には、窒化チタ
ンを含有しない現状の窒化珪素系材料の強度である10
00MPa以上のレベルが少なくとも要求される。しか
し、焼結助剤としてMgO、Al23、AlNを用いた
上記公報の材料の強度は、前述の通り900MPa程度
であり、窒化珪素系材料の強度1000MPaには及ば
ず十分な強度を有しているとは言い難い。
Further, the strength of a sintered material family containing 50% by weight or more of dispersed particles of TiN or the like in a conventional silicon nitride-titanium nitride-based material has a strength of at most 900 even using a hot press.
The limit was to obtain about MPa. However, hot working jigs such as guide rolls and rolling rolls are subjected to impact stress when the head of the material to be rolled such as a billet enters the roll, so that higher strength and toughness are required to ensure reliability. And specifically, the strength of the current silicon nitride-based material that does not contain titanium nitride is 10%.
A level of at least 00 MPa is required at least. However, the strength of the material disclosed in the above publication using MgO, Al 2 O 3 , and AlN as a sintering aid is about 900 MPa as described above, and does not reach the strength of a silicon nitride-based material of 1000 MPa, and has sufficient strength. It is hard to say that it is.

【0008】本発明の課題は、窒化珪素と窒化チタンと
を主体に構成され、鉄冶金加工治具、特に熱間加工治具
の構成素材として十分な強度と、鉄系金属に対する化学
的安定性とを有したセラミック焼結材料を提供すること
にある。
An object of the present invention is to provide a steel metallurgy processing jig, particularly a hot working jig, which is mainly composed of silicon nitride and titanium nitride, and has sufficient strength and chemical stability to ferrous metals. And to provide a ceramic sintered material having:

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段及び作用・効果】上述の課
題を解決するために、本発明のセラミック焼結材料は、
40〜70重量%のTiNと20〜60重量%のSi3
4とを含有し、その曲げ強度が1000MPa以上で
あることを特徴とする。本発明者らは鋭意検討の結果、
材料の組成が上記範囲で調整され、かつその曲げ強度が
1000MPa以上とされた本発明のセラミック焼結材
料が、例えば900〜1000℃の高温で高応力が付加
されることが前提となる鉄系材料の熱間加工の条件下に
おいても、十分な耐磨耗性が確保されてしかも割損等の
加工中の不具合が生じにくく、ひいては高性能かつ長寿
命の鉄冶金加工治具に好適であることを見い出したので
ある。なお、曲げ強度が1000MPa未満になると、
鉄冶金加工治具、特に熱間加工治具の構成素材として必
要な耐久性が確保できなくなる。ここで、曲げ強度は、
より望ましくは1100MPa以上、さらに望ましくは
1200MPa以上であるのがよい。なお、本明細書で
いう曲げ強度は、JISR1601(セラミックスの曲
げ強度試験方法)に記載された方法に基づいて、室温に
て測定された3点曲げ強度を意味するものとする。
In order to solve the above-mentioned problems, the ceramic sintered material of the present invention is
40-70 wt% of TiN and 20 to 60% by weight of Si 3
N 4 and a bending strength of 1000 MPa or more. The present inventors have conducted intensive studies and as a result,
The ceramic sintered material of the present invention, in which the composition of the material is adjusted within the above range and the bending strength is 1000 MPa or more, is iron-based on the assumption that high stress is applied at a high temperature of, for example, 900 to 1000 ° C. Even under conditions of hot working of the material, sufficient abrasion resistance is ensured, and furthermore, problems during working such as breakage hardly occur, and thus it is suitable for high performance and long life jigs for iron metal working. I found something. When the bending strength is less than 1000 MPa,
The durability required as a constituent material of an iron metal working jig, particularly a hot working jig, cannot be secured. Here, the bending strength is
More desirably, it is 1100 MPa or more, and further desirably, 1200 MPa or more. In addition, the bending strength referred to in this specification means a three-point bending strength measured at room temperature based on a method described in JISR1601 (Bending strength test method for ceramics).

【0010】また、上記セラミック焼結材料は、信頼性
確保の観点から、その破壊靱性値が4.5MPam1/2
以上であることが望ましい。破壊靱性値が4.5MPa
1/2未満になると、該材料を熱間加工治具に適用した
際に、その使用条件にもよるが、割損等の不具合が生じ
やすくなる場合がある。破壊靱性値は、より望ましく
は、5.0MPam1/2以上とするのがよい。なお本明
細書でいう破壊靱性値は、JIS−R1607(199
0年)に記載された破壊靱性試験方法のうち、圧子圧入
法(IF法:Indentation-Fracture 法)により測定さ
れたものを意味するものとする。
The above-mentioned ceramic sintered material has a fracture toughness of 4.5 MPam 1/2 from the viewpoint of ensuring reliability.
It is desirable that this is the case. Fracture toughness of 4.5 MPa
If it is less than m 1/2 , when the material is applied to a hot working jig, depending on the conditions of use, problems such as breakage may easily occur. The fracture toughness value is more desirably 5.0 MPam 1/2 or more. The fracture toughness value referred to in the present specification is JIS-R1607 (199
Of the fracture toughness test method described in “0 year”) measured by the indentation method (IF method: Indentation-Fracture method).

【0011】次に、TiNとSi34の合計含有量が6
0重量%未満になると、1000MPa以上の曲げ強度
が確保できなくなり、また破壊靭性値も低下して治具の
寿命の低下を招く。なお、該合計含有量は、より望まし
くは90重量%以上とするのがよい。また、TiNとS
34の合計含有量が90重量%以上であっても、Si
34の含有量が20重量%未満となるか、あるいはTi
Nの含有量が70重量%を超えた場合には、同様に曲げ
強度が確保できなくなる。一方、Si34の含有量が6
0重量%を超えるか、あるいはTiNの含有量が40重
量%を下回ると、窒化珪素と鉄との反応を抑制する効果
が不十分となり、例えば熱間加工治具として使用する際
の耐磨耗性が不足することにつながる。なお、TiNの
含有量は、より望ましくは60重量%以下とするのがよ
く、Si34の含有量は、より望ましくは24〜55重
量%、さらに望ましくは32〜50重量%とするのがよ
い。
Next, when the total content of TiN and Si 3 N 4 is 6
If the content is less than 0% by weight, the bending strength of 1000 MPa or more cannot be ensured, and the fracture toughness value is also reduced, resulting in a reduction in the life of the jig. Note that the total content is more desirably 90% by weight or more. Also, TiN and S
Even if the total content of i 3 N 4 is 90% by weight or more, Si
3 or the content of N 4 is less than 20 wt%, or Ti
When the N content exceeds 70% by weight, the bending strength cannot be ensured similarly. On the other hand, when the content of Si 3 N 4 is 6
If the content exceeds 0% by weight or the content of TiN is less than 40% by weight, the effect of suppressing the reaction between silicon nitride and iron becomes insufficient, and for example, wear resistance when used as a hot working jig It leads to lack of sex. The content of TiN is more desirably 60% by weight or less, and the content of Si 3 N 4 is more desirably 24 to 55% by weight, and still more desirably 32 to 50% by weight. Is good.

【0012】すなわち、TiNの含有量を40〜70重
量%に調整し、添加すべき焼結助剤の種類及び量を考慮
することにより、1000MPa以上の強度を確保する
ことができ、焼結条件を最適化することにより1300
MPa程度の強度が達成できる場合もある。なお、Ti
N量が増加し、Si34量が減少すると破壊靭性は低下
する傾向にあるが、信頼性の観点から破壊靭性は、従来
の窒化珪素材料の破壊靭性値レベルである5MPam
1/2以上が確保されていることが望ましいといえる。こ
のような観点から、TiNの含有量を70重量%以下
(あるいはSi34を24重量%以上)、より望ましく
は60重量%以下(あるいはSi34を32重量%以
上)とするのがよい。また、TiN量が40重量%未満
となるか、もしくはSi34量が60重量%を超える
と、鉄との反応性が大きくなって耐摩耗性の悪化につな
がる。したがって、材料の機械的強度と化学的安定性と
を両立するためには、TiNの含有量を40〜70重量
%の範囲で調整するのがよいのである。
That is, by adjusting the content of TiN to 40 to 70% by weight and considering the type and amount of the sintering aid to be added, a strength of 1000 MPa or more can be ensured, and the sintering conditions can be secured. 1300 by optimizing
In some cases, a strength of about MPa can be achieved. Note that Ti
When the amount of N increases and the amount of Si 3 N 4 decreases, the fracture toughness tends to decrease. However, from the viewpoint of reliability, the fracture toughness is 5 MPam, which is the level of the fracture toughness of the conventional silicon nitride material.
It can be said that it is desirable that at least 1/2 is secured. From such a viewpoint, the content of TiN is set to 70% by weight or less (or 24% by weight or more of Si 3 N 4 ), more preferably 60% by weight or less (or 32% by weight or more of Si 3 N 4 ). Is good. If the amount of TiN is less than 40% by weight or the amount of Si 3 N 4 exceeds 60% by weight, the reactivity with iron increases, leading to deterioration of wear resistance. Therefore, in order to achieve both the mechanical strength and the chemical stability of the material, it is better to adjust the content of TiN in the range of 40 to 70% by weight.

【0013】上記組成を有するセラミック焼結材料にお
いては、その相対密度を98%以上とすることが望まし
い。相対密度が98%未満になると、1000MPa以
上の曲げ強度を確保できなくなる場合がある。また、セ
ラミック焼結材料の表面を研磨した場合に、その研磨表
面に観察される残存気孔の面積率は1%以下であること
が望ましい。残存気孔の面積率が1%を超えると材料の
曲げ強度の低下につながるほか、材料表面に形成された
開気孔が被加工材に転写されやすくなり、加工面の仕上
がりが劣化してしまう問題も生ずる。なお、残存気孔の
面積率は、より望ましくは0.5%未満とするのがよ
い。
The relative density of the ceramic sintered material having the above composition is desirably 98% or more. If the relative density is less than 98%, it may not be possible to secure a bending strength of 1000 MPa or more. When the surface of the ceramic sintered material is polished, the area ratio of the residual pores observed on the polished surface is desirably 1% or less. If the area ratio of the residual pores exceeds 1%, the bending strength of the material is reduced, and the open pores formed on the surface of the material are easily transferred to the material to be processed, and the finish of the processed surface is deteriorated. Occurs. The area ratio of the residual pores is more desirably less than 0.5%.

【0014】次に、焼結材料が上記曲げ強度ないし破壊
靱性値を有したものとなるためには、焼結体の結晶粒径
を制御することも重要である。本発明のセラミック焼結
材料においては、焼結体中のTiN粒子の平均粒径を2
μm以下に設定することが望ましい。また、その粒径の
標準偏差は0.75μm以下となっていることが望まし
い。TiN粒子の平均粒径が2μmを超えるか、あるい
は標準偏差が0.75μmを超えると、破壊の起点にな
りやすい粗大なTiN粒の量が増大するので、材料の曲
げ強度を1000MPa以上に維持できなくなる場合が
生じ、破壊靱性値も低下して治具の寿命の低下につなが
ることがある。TiN粒子の平均粒径は、より望ましく
は1.7μm以下で設定するのがよく、標準偏差は0.
7μm以下となっていることが望ましい。
Next, in order for the sintered material to have the above-mentioned bending strength or fracture toughness value, it is also important to control the crystal grain size of the sintered body. In the ceramic sintered material of the present invention, the average particle size of the TiN particles in the sintered body is set to 2
It is desirable to set it to μm or less. Further, the standard deviation of the particle diameter is desirably 0.75 μm or less. If the average particle size of the TiN particles exceeds 2 μm or the standard deviation exceeds 0.75 μm, the amount of coarse TiN particles that easily become the starting point of fracture increases, so that the bending strength of the material can be maintained at 1000 MPa or more. In some cases, it may disappear, and the fracture toughness value may also decrease, leading to a reduction in the life of the jig. The average particle size of the TiN particles is more desirably set to 1.7 μm or less, and the standard deviation is preferably set to 0.1 μm.
It is desirable that the thickness be 7 μm or less.

【0015】また、上記セラミック材料は、鉄冶金用熱
間加工治具としての使用を前提とする場合、該材料で作
製した長さ20mm、幅8mm、高さ4mm の直方体形状の
試験片を、炭素含有量0.45重量%、温度1600℃
の溶融炭素鋼中に5時間浸漬した場合の、該試験片の残
存率が80体積%以上であることが望ましい。試験片の
残存率が80体積%未満であると、鉄に対する材料の化
学的安定性が不足し、ひいては鉄冶金用熱間加工治具と
して使用した場合の耐磨耗性が不十分となって、治具の
寿命低下につながる。なお、該残存率は望ましく90体
積%以上、さらに望ましくは95体積%以上であるのが
よい。なお、試験片の残存率が80体積%以上とするに
はTiNの含有量を40重量%以上とし、また、90体
積%以上とするには同じく50重量%以上とし、さらに
95体積%以上とするには60重量%以上とするのがよ
い。また、上記試験を行った場合に、試料の残存率が8
0体積%以上であることに加え、試料中に鉄成分と化学
反応を起こしていない未反応部分が5体積%以上、望ま
しくは10体積%以上残存していると、該材料の化学的
安定性はさらに良好となり、それによって作製した熱間
加工治具の寿命をさらに向上させることができる。この
場合、未反応層の量を5体積%以上とするには、TiN
の含有量を50重量%以上とし、また、10体積%以上
とするには同じく60重量%以上とするのがよい。
When the ceramic material is assumed to be used as a hot working jig for iron metallurgy, a rectangular parallelepiped test piece having a length of 20 mm, a width of 8 mm and a height of 4 mm made of the material is used. Carbon content 0.45% by weight, temperature 1600 ° C
It is desirable that the residual ratio of the test piece when immersed in molten carbon steel for 5 hours is 80% by volume or more. If the residual ratio of the test piece is less than 80% by volume, the chemical stability of the material against iron is insufficient, and the wear resistance when used as a hot working jig for iron metallurgy is insufficient. , Leading to a reduction in the life of the jig. The residual ratio is desirably 90% by volume or more, and more desirably 95% by volume or more. In addition, the content of TiN is set to 40% by weight or more to make the residual ratio of the test piece 80% by volume or more, and 50% by weight or more to 90% by volume or more, and 95% by volume or more. For this purpose, the content is preferably 60% by weight or more. In addition, when the above test was performed, the residual ratio of the sample was 8%.
In addition to 0% by volume or more, if the unreacted portion that has not undergone a chemical reaction with the iron component remains in the sample at 5% by volume or more, desirably 10% by volume or more, the chemical stability of the material is increased. Is further improved, and the life of the hot working jig produced thereby can be further improved. In this case, in order to set the amount of the unreacted layer to 5% by volume or more, TiN
Is preferably 50% by weight or more, and in order to be 10% by volume or more, the content is preferably 60% by weight or more.

【0016】なお、上記内容からも明らかな通り、鉄と
の反応におけるセラミック焼結材料の化学的安定性(以
下、本明細書で単に「化学的安定性」という場合には、
鉄との反応における安定性を意味するものとする)を高
めるためには、TiNの含有量を増大させることが望ま
しいのであるが、TiNの含有量が増大するとSi34
の含有量が相対的に減少するため、曲げ強度や破壊靱性
値は低下する。従って、材料の使用用途に応じてTiN
及びSi34の含有量を適宜選定し、化学的安定性と強
度ないし破壊靱性値とのバランスが、該用途に適したも
のとなるように調整することが望ましいといえる。
As is clear from the above description, the chemical stability of the ceramic sintered material in the reaction with iron (hereinafter referred to simply as “chemical stability” in the present specification,
In order to enhance the stability in the reaction with iron), it is desirable to increase the content of TiN. However, when the content of TiN increases, Si 3 N 4 is increased.
, The bending strength and the fracture toughness value decrease. Therefore, depending on the intended use of the material, TiN
It can be said that it is desirable to appropriately select the content of Si 3 N 4 and Si 3 N 4 and adjust the balance between chemical stability and strength or fracture toughness so as to be suitable for the intended use.

【0017】次に、材料の相対密度を98%以上に高め
るためには、所定の焼結助剤を添加することが有効であ
る。焼結助剤成分としては、Y23やCeO2等の希土
類元素酸化物のほか、MgO、ZrO2、Al23及び
CaO等を使用でき、それらの1種又は2種以上を合計
で3.5重量%以上含有させることが望ましい。より具
体的には、MgO、ZrO2、CeO2、Al23及びY
23の2種以上を合計で3.5〜10重量%含有させる
のがよい。含有量が3.5重量%未満になると98%以
上の相対密度が得られなくなる場合がある。一方、含有
量が10重量%を超えると、相対密度は十分な値となっ
ても、焼結中に発生する液相の量が多くなり過ぎ、例え
ばTiN粒の平均粒径を2μm以下に維持することが困
難となって、必要な強度が確保できなくなる場合があ
る。なお、焼結助剤としてのMgO、ZrO2、Ce
2、Al23の3種類以上を、各々0.5重量%以上
ずつかつ合計で3.5〜10重量%含有されるようにす
れば、結晶粒成長を抑さえつつ材料の緻密化を図る上で
さらに望ましい。
Next, in order to increase the relative density of the material to 98% or more, it is effective to add a predetermined sintering aid. As a sintering aid component, in addition to rare earth element oxides such as Y 2 O 3 and CeO 2 , MgO, ZrO 2 , Al 2 O 3 and CaO can be used, and one or more of them can be used in total. Is desirably 3.5% by weight or more. More specifically, MgO, ZrO 2 , CeO 2 , Al 2 O 3 and Y
It is preferred that two or more types of 2 O 3 be contained in a total of 3.5 to 10% by weight. If the content is less than 3.5% by weight, a relative density of 98% or more may not be obtained. On the other hand, if the content exceeds 10% by weight, the amount of the liquid phase generated during sintering becomes too large even if the relative density becomes a sufficient value, and for example, the average particle size of the TiN particles is maintained at 2 μm or less. In some cases, it may be difficult to obtain the required strength. In addition, MgO, ZrO 2 , Ce as sintering aids
If three or more types of O 2 and Al 2 O 3 are contained in an amount of 0.5% by weight or more each and a total of 3.5 to 10% by weight, densification of the material is suppressed while suppressing crystal grain growth. It is more desirable in aiming at.

【0018】本発明のセラミック焼結材料は、1000
MPa以上の強度あるいは4.5MPam1/2以上の破
壊靱性値を達成する観点からは、熱間静水圧プレス(H
IP)法により製造することが望ましい。その理由は以
下の通りである。 比較的低温で材料を緻密化でき、処理中の結晶粒成長
も抑さえられるので、ひいては相対密度を98%以上と
しつつTiN粒の平均粒径を2μm以下とした焼結材料
を容易に得ることができる。 焼結体のミクロポアが高温高圧の処理により潰れ、破
壊の起点となり得る部分が減少する。 ホットプレス法では製造困難な複雑形状品が容易に得
られる。
[0018] The ceramic sintered material of the present invention is 1000
From the viewpoint of achieving a strength of not less than MPa or a fracture toughness of not less than 4.5 MPam 1/2 , a hot isostatic press (H
It is desirable to manufacture by IP) method. The reason is as follows. Since the material can be densified at a relatively low temperature and crystal grain growth during processing can be suppressed, it is possible to easily obtain a sintered material in which the average density of TiN grains is 2 μm or less while the relative density is 98% or more. Can be. The micropores of the sintered body are crushed by the high-temperature and high-pressure treatment, and the portion that can be a starting point of destruction is reduced. The hot press method can easily obtain a complicated-shaped product which is difficult to manufacture.

【0019】なお、HIP処理の条件としては、処理温
度を1600℃以下とし、圧力を100気圧以上とする
ことが望ましい。処理温度が1600℃を超えると、処
理中に結晶粒成長が過度に進行するので必要な強度が確
保できなくなる。一方、圧力が100気圧未満の場合も
材料の緻密化が不十分となり、強度が不足する結果につ
ながる。一方、圧力は、装置の耐久性を考慮すれば、一
般に使用されているHIP装置では2000気圧程度が
上限と思われるが、装置耐久性等の問題が生じなければ
それ以上の圧力を設定してもよい。なお、処理温度はよ
り望ましくは1500〜1600℃の範囲で設定するの
がよい。また、圧力は、より望ましくは1000気圧以
上に設定するのがよい。なお、原料粉末を予備成形した
後に、温度1550〜1650℃で予備焼成し、その後
HIP処理を施すことにより、所望の形状の焼結体を能
率よく製造することができる。なお、予備焼成温度が1
550℃未満になると、予備成形体にオープンポアが残
留し、後の静水圧加圧処理によりこれを収縮させる効果
が不十分となる場合がある。一方、予備焼成温度が16
50℃を超えると結晶粒成長が生じ、材料の強度低下に
つながる。
The conditions for the HIP treatment are preferably such that the treatment temperature is 1600 ° C. or less and the pressure is 100 atm or more. If the processing temperature exceeds 1600 ° C., the crystal grains grow excessively during the processing, so that the required strength cannot be secured. On the other hand, when the pressure is less than 100 atm, the material is insufficiently densified, resulting in insufficient strength. On the other hand, in consideration of the durability of the device, the upper limit of the pressure is considered to be about 2000 atm for a generally used HIP device, but if a problem such as device durability does not occur, a higher pressure is set. Is also good. The processing temperature is more desirably set in the range of 1500 to 1600 ° C. The pressure is more desirably set to 1000 atm or more. In addition, after preliminarily forming the raw material powder, by preliminarily firing at a temperature of 1550 to 1650 ° C. and then performing HIP treatment, a sintered body having a desired shape can be efficiently manufactured. The pre-firing temperature is 1
If the temperature is lower than 550 ° C., open pores remain in the preformed body, and the effect of shrinking the open pores by the subsequent hydrostatic pressure treatment may be insufficient. On the other hand, when the preliminary firing temperature is 16
If the temperature exceeds 50 ° C., crystal grain growth occurs, leading to a decrease in the strength of the material.

【0020】上記本発明のセラミック焼結材料を用い
て、各種鉄冶金用熱間加工治具を構成することができ
る。該治具は、具体的には、線材圧延用ロールないしガ
イドロール、電縫管製造用のスクイーズロール等を例示
することができる。また、本発明のセラミック焼結材料
は、耐久性に優れた冷間加工用治具の構成材料として使
用することももちろん可能である。
Using the ceramic sintered material of the present invention, various hot working jigs for iron metallurgy can be constructed. Specific examples of the jig include a roll or guide roll for rolling a wire rod and a squeeze roll for manufacturing an electric resistance welded tube. Further, the ceramic sintered material of the present invention can of course be used as a constituent material of a jig for cold working having excellent durability.

【0021】[0021]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面に示す実施例を参照して説明する。図1は、本発明の
鉄冶金用加工治具の一実施例としての、線材圧延用ロー
ル及びガイドロールを模式的に示したものである。すな
わち、被圧延材Wは鉄系材料で構成されて所定の炉で9
00〜1000℃に予め加熱されるとともに、ロール回
転軸線A1がほぼ平行となるように対向配置された2本
の圧延ロール1,2の間に導入される。圧延ロール1,
2のロール面にはそれぞれ周方向に溝部G1が形成され
ており、それら溝部G1は両ロール1,2を組み合わせ
た時に所定の断面形状のロール孔型Cを形成するように
なっている。そして、被圧延材Wは、そのロール孔型C
に導入されることで、該孔型Cにより規定される断面形
状及び寸法の線材Wに圧延されることとなる。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the embodiments shown in the drawings. FIG. 1 schematically shows a roll for rolling a wire rod and a guide roll as one embodiment of a processing jig for iron metallurgy according to the present invention. That is, the material W to be rolled is made of an iron-based material and
It is preheated to 00 to 1000 ° C. and is introduced between two rolling rolls 1 and 2 facing each other such that the roll rotation axis A1 is substantially parallel. Rolling roll 1,
A groove G1 is formed in the circumferential direction of each of the roll surfaces 2, and the groove G1 forms a roll hole C having a predetermined cross-sectional shape when the two rolls 1 and 2 are combined. Then, the material W to be rolled has its roll hole shape C
Is rolled into a wire W having a cross-sectional shape and dimensions defined by the die C.

【0022】一方、ガイドロール3,4は、圧延ロール
1,2の上流側において被圧延材Wを挟んで対向配置さ
れるとともに、それぞれそのロール回転軸線A2の方向
においてその中間部がくびれた糸巻き状の形態をなし、
そのロール面(外周面)G2の断面形状はV字状とされ
ている。これらガイドロール3,4は、上記ロール被圧
延材Wの搬送方向において互いに逆向きに回転しつつ、
該被圧延材Wを圧延ロール1,2に対し、前述のロール
孔型Cに位置決めしながら案内する役割を果たす。な
お、圧延ロール1,2に導入されるときの被圧延材Wの
送り速度は、被圧延材Wの材質、温度、線径及び圧下率
によっても異なるが、30〜100m/秒程度である。
On the other hand, the guide rolls 3 and 4 are arranged on the upstream side of the rolling rolls 1 and 2 with the material W to be sandwiched therebetween, and each of the guide rolls has a narrowed intermediate portion in the direction of the roll rotation axis A2. Shaped like a
The cross-sectional shape of the roll surface (outer peripheral surface) G2 is V-shaped. These guide rolls 3 and 4 rotate in opposite directions to each other in the transport direction of the rolled material W,
It serves to guide the rolled material W with respect to the rolling rolls 1 and 2 while positioning the rolled material W in the above-described roll die C. The feed speed of the material to be rolled W when introduced into the rolling rolls 1 and 2 varies depending on the material, temperature, wire diameter and reduction ratio of the material to be rolled W, but is about 30 to 100 m / sec.

【0023】上記圧延ロール1,2及びガイドロール
3,4は、少なくともその被圧延材Wとの当接面を含む
部分が、本発明のセラミック焼結材料により構成されて
いる。該セラミック焼結材料は、40〜70重量%のT
iNと20〜60重量%のSi34とを合計で90重量
%以上含有するともに、その相対密度が98%以上、焼
結体中のTiN粒子が2μm以下であり、曲げ強度は1
000MPa以上(望ましくは1200MPa以上)、
破壊靱性値は4.5MPam1/2以上(望ましくは5.
0MPam1/2)とされている。
The rolling rolls 1 and 2 and the guide rolls 3 and 4 have at least a portion including a contact surface with the rolled material W made of the ceramic sintered material of the present invention. The ceramic sintered material has a T-content of 40-70% by weight.
iN and 20 to 60% by weight of Si 3 N 4 are contained in a total of 90% by weight or more, the relative density is 98% or more, the TiN particles in the sintered body are 2 μm or less, and the bending strength is 1%.
000MPa or more (preferably 1200MPa or more),
The fracture toughness value is 4.5 MPam 1/2 or more (preferably 5.
0 MPam 1/2 ).

【0024】圧延ロール1,2及びガイドロール3,4
の該セラミックス材料による構成部分は下記のような方
法により製造される。すなわち、原料粉末としてのTi
N及びSi34粉末に対し、焼結助剤としてのMgO、
ZrO2、CeO2、Al23及びY23の2種以上を合
計で5〜10重量%配合・混合し、射出成形、スリップ
キャスティング、プレス成形等の公知の粉体成形方法に
より所期の形状に成形する。そして、その成形体を、温
度1550〜1650℃で予備焼成し、さらに温度15
00〜1600℃及び圧力100〜2000気圧で熱間
静水圧プレス処理する。
Rolls 1, 2 and guide rolls 3, 4
The component made of the ceramic material is manufactured by the following method. That is, Ti as a raw material powder
MgO as a sintering aid for N and Si 3 N 4 powders
Two or more of ZrO 2 , CeO 2 , Al 2 O 3 and Y 2 O 3 are mixed and mixed in a total amount of 5 to 10% by weight, and the mixture is prepared by a known powder molding method such as injection molding, slip casting, press molding and the like. Into the desired shape. Then, the molded body is pre-fired at a temperature of 1550 to 1650 ° C.
Hot isostatic pressing at 00-1600 ° C. and pressure 100-2000 atm.

【0025】次に、図2は、電縫管製造用のスクイーズ
ロールの例を示している。電縫管Tは、例えば長尺の板
素材を幅方向にU字形状に曲げ、さらにO字形状に曲げ
てその両端縁同士をシーム溶接部Sにより接合して製造
される。そして、接合後により形成された管T’は、図
示しない炉により加熱されて長手方向に搬送されなが
ら、軸線A3が互いにほぼ平行となるように配置された
スクイーズロール5,6の間に導入され、断面半径方向
に絞られて所定の形状に成形される。
Next, FIG. 2 shows an example of a squeeze roll for manufacturing an electric resistance welded tube. The electric resistance welded tube T is manufactured by, for example, bending a long plate material into a U-shape in the width direction, further bending it into an O-shape, and joining both end edges thereof by a seam welded portion S. The tube T 'formed after joining is heated by a furnace (not shown) and transported in the longitudinal direction, and is introduced between the squeeze rolls 5, 6 arranged so that the axes A3 are substantially parallel to each other. Is formed in a predetermined shape by being squeezed in the radial direction of the cross section.

【0026】スクイーズロール5,6は、軸線A3方向
において中間部がくびれた糸巻き状の形態をなし、管
T’との当接面となるロール面G3は、その断面形状
が、成形後の管Tの断面外形に対応した円弧状曲面に形
成されており、少なくとも該ロール面を含む部分が、前
述の本発明のセラミック焼結材料により構成されてい
る。
The squeeze rolls 5 and 6 have a thread-wound form in which the middle part is narrowed in the direction of the axis A3, and the roll surface G3 which is in contact with the tube T 'has a cross-sectional shape of the formed tube. It is formed in an arc-shaped curved surface corresponding to the cross-sectional outer shape of T, and at least a portion including the roll surface is made of the above-described ceramic sintered material of the present invention.

【0027】上記圧延ロール1,2、ガイドロール3,
4あるいはスクイーズロール5,6は、高温に加熱され
た被圧延材Wないし管T’に対し高応力状態で当接・摺
動することとなるが、その当接面部を構成する上記セラ
ミックス焼結材料は該摺動時の応力に十分に耐える強度
を有し、また被圧延材Wの鉄成分との反応性も小さいた
め耐磨耗性に優れ、長期に渡ってその寿命を維持するこ
とができる。
The above-mentioned rolling rolls 1, 2 and guide rolls 3,
The squeeze roll 4 or the squeeze rolls 5 and 6 come into contact with and slide in a high stress state with respect to the material to be rolled W or the pipe T ′ heated to a high temperature. The material has sufficient strength to withstand the stress during sliding, and has low reactivity with the iron component of the material W to be rolled, so that it has excellent wear resistance and can maintain its life for a long time. it can.

【0028】[0028]

【実施例】Si34粉末(比表面積12m2/g、平均
粒径0.6μm)、TiN粉末(比表面積2.6m2
g、平均粒径1.3μm)、及び表1に示す組成を有す
る焼結助剤を所定量配合してボールミルにより湿式混合
を行った後、乾燥・造粒して原料粉末を得た。これを、
金型プレス成形した後、冷間静水圧プレスを行い、次い
で10気圧の窒素雰囲気で温度1550℃〜l950℃
で4時間予備焼成し、さらに1000気圧の窒素雰囲気
で温度1550℃〜l600℃で2時間HIP処理する
ことにより焼結体を得た。そして、その焼結体をダイヤ
モンド砥石を用いて研削することにより、長さ40mm、
幅4mm、高さ3mm の直方体形状の試験片とした。試験
片の組成及び作製条件を表2〜4に示す。また、比較例
として、TiNを配合せず、Si34と焼結助剤のみで
構成された試験片も同様に作製した。その組成を表5に
示す。
EXAMPLES Si 3 N 4 powder (specific surface area 12m 2 / g, average particle size 0.6 .mu.m), TiN powder (specific surface area 2.6 m 2 /
g, an average particle diameter of 1.3 μm) and a predetermined amount of a sintering aid having the composition shown in Table 1, and wet-mixed by a ball mill, followed by drying and granulation to obtain a raw material powder. this,
After the die press molding, cold isostatic pressing is performed, and then at a temperature of 1550 ° C. to 1950 ° C. in a nitrogen atmosphere of 10 atm.
For 4 hours, and further subjected to HIP treatment at a temperature of 1550 ° C. to 1,600 ° C. for 2 hours in a nitrogen atmosphere at 1000 atm to obtain a sintered body. Then, by grinding the sintered body using a diamond grindstone, a length of 40 mm,
A rectangular parallelepiped specimen having a width of 4 mm and a height of 3 mm was used. Tables 2 to 4 show the compositions and preparation conditions of the test pieces. Further, as a comparative example, a test piece composed of only Si 3 N 4 and a sintering aid without mixing TiN was similarly prepared. The composition is shown in Table 5.

【0029】[0029]

【表1】 [Table 1]

【0030】[0030]

【表2】 [Table 2]

【0031】[0031]

【表3】 [Table 3]

【0032】[0032]

【表4】 [Table 4]

【0033】[0033]

【表5】 [Table 5]

【0034】上記各試験片について、JISR1601
(セラミックスの曲げ強度試験方法)に記載された方法
に基づいて、室温にて3点曲げ強度を測定した。また、
JIS−R1607(1990年)の圧子圧入法(IF
法:Indentation-Fracture法)により破壊靱性値を測定
した。また、各試験片の相対密度をアルキメデス法によ
り測定した。なお、相対密度は試料密度を理論密度で除
することにより求めたが、理論密度は、Si34(3.
20g/cm3)、TiN(5.43g/cm3)、Al
23(3.99g/cm3)、ZrO2(5.6g/cm
3)、MgO(3.65g/cm3)、CeO2(7.3
g/cm3)、Y23(4.84g/cm3)の各成分の
単体の密度(以上、括弧内に記した値)と、それらの配
合比率とから算出した。以上の結果を表2〜5に合わせ
て示す。
For each of the above test pieces, JISR1601
Based on the method described in (Ceramic bending strength test method), the three-point bending strength was measured at room temperature. Also,
JIS-R1607 (1990) Indenter press-fitting method (IF
Method: Indentation-Fracture method). Further, the relative density of each test piece was measured by the Archimedes method. Note that the relative density was obtained by dividing the sample density by the theoretical density, and the theoretical density was obtained by dividing Si 3 N 4 (3.
20g / cm 3), TiN ( 5.43g / cm 3), Al
2 O 3 (3.99 g / cm 3 ), ZrO 2 (5.6 g / cm 3 )
3 ), MgO (3.65 g / cm 3 ), CeO 2 (7.3
g / cm 3), Y 2 O 3 (4.84g / cm 3 single density of each component) (or, a value) that describes in parentheses was calculated from the their blending ratio. The above results are shown in Tables 2 to 5.

【0035】すなわち、HIP法により作製した試験片
で本発明の請求項に記載した組成を有するものは、焼結
助剤の種類と配合量とを適宜選定し、さらにその焼結条
件を適切に設定することで、1000MPa以上の曲げ
強度と、4.5MPam1/2以上の破壊靱性値とが達成
されていることがわかる。特に、焼結助剤総量を5体積
%に設定したもので、Si34の含有量が24〜55重
量%である試料は、焼結条件を最適化することにより1
100MPa以上、同じく32〜50重量%である試料
は1300MPa以上の極めて高い強度を示しているこ
とがわかる。一方、破壊靱性値を5MPam1/2以上と
するためには、TiNの配合量を50体積%(約62重
量%)以下に設定することが有効であることもわかる。
That is, for a test piece prepared by the HIP method and having the composition described in the claims of the present invention, the type and amount of the sintering aid are appropriately selected, and the sintering conditions are appropriately adjusted. It can be seen that the setting achieves a bending strength of 1000 MPa or more and a fracture toughness value of 4.5 MPam 1/2 or more. In particular, the sample in which the total amount of the sintering aid was set to 5% by volume and the content of Si 3 N 4 was 24 to 55% by weight was optimized by optimizing the sintering conditions.
It can be seen that a sample of 100 MPa or more, also in the range of 32 to 50% by weight, shows an extremely high strength of 1300 MPa or more. On the other hand, it can also be seen that setting the blending amount of TiN to 50 vol% (about 62 wt%) or less is effective in setting the fracture toughness value to 5 MPam 1/2 or more.

【0036】上記相対密度及び平均粒径を達成するため
の予備焼成及びHIPの条件は組成によって異なる。ま
た、焼結助剤組成及びその配合量が異なると、試験片の
曲げ強度及び靱性値の到達レベルが変化することがわか
る。具体的には、助剤総量を5重量%以上とした場合、
表1の組成Aの助剤(Al23とY23を等体積配合し
たもの)に比べて、同Bの助剤(MgO、ZrO2、C
eO2及びAl23を等体積配合したもの)の方が、焼
結体を緻密化させ強度及び靱性を向上させる効果が高い
ことがわかる(表2、表3)。一方、Bの助剤を用いて
も、その配合量が5重量%を下回ると、焼結体の緻密化
が進みにくくなり、強度も低下していることがわかる
(表4)。
The conditions of pre-firing and HIP for achieving the above relative density and average particle size vary depending on the composition. Further, it can be seen that when the sintering aid composition and the amount thereof are different, the ultimate level of the bending strength and the toughness value of the test piece changes. Specifically, when the total amount of the auxiliaries is 5% by weight or more,
Compared with the auxiliaries of composition A in Table 1 (comprising equal volumes of Al 2 O 3 and Y 2 O 3 ), the auxiliaries of the same B (MgO, ZrO 2 , C
It can be seen that the case where eO 2 and Al 2 O 3 are mixed in the same volume) has a higher effect of densifying the sintered body and improving the strength and toughness (Tables 2 and 3). On the other hand, even when the auxiliary agent of B is used, if the amount is less than 5% by weight, it is difficult to advance the densification of the sintered body, and it is found that the strength is also reduced (Table 4).

【0037】次に、試料番号4−2〜4−5、及び試料
番号2−2、3−1、4−2、5−2(後者は、該当す
る組成で最も強度の高かったものに相当)の各試料につ
いては、試験片の表面を鏡面研磨し、その組織写真を走
査型電子顕微鏡により倍率2000倍及び5000倍で
それぞれ撮影した。図3〜図10にその組織写真を示す
(図番は上記試料番号の記載順に対応し、いずれも
(a)は2000倍の写真、(b)は5000倍の写真
を示す)。すなわち、図7〜図10に示す試料番号2−
2、3−1、4−2、5−2の各試料については、Ti
Nの含有量が増大するほど、写真中で白っぽく写ってい
る粒子の面積比率が増大している。また、試料番号4−
2の写真(図9)に対し、画像処理を施して求められた
上記白っぽい部分の面積比率は48%であり、該試料の
TiNの体積含有率である50体積%とほぼ一致する。
なお、走査型電子顕微鏡による観測下においてエネルギ
ー分散型X線分析装置(EDS)による分析を行い、上
記白っぽく写っている部分がTiN粒子であることを確
認した。
Next, Sample Nos. 4-2 to 4-5 and Sample Nos. 2-2, 3-1 and 4-2 and 5-2 (the latter corresponds to the one having the highest strength in the corresponding composition) For each sample of (1), the surface of the test piece was mirror-polished, and the structure photograph was taken at a magnification of 2000 and 5000 times with a scanning electron microscope. FIGS. 3 to 10 show the photographs of the structures (the figure numbers correspond to the order of the sample numbers described above, in which (a) shows a 2000 × photograph and (b) shows a 5000 × photograph). That is, Sample No. 2 shown in FIGS.
For each of the samples 2, 3-1, 4-2, and 5-2, Ti
As the N content increases, the area ratio of whitish particles in the photograph increases. Sample No. 4-
In the photograph of FIG. 2 (FIG. 9), the area ratio of the whitish portion obtained by performing the image processing is 48%, which substantially coincides with the volume content of 50% by volume of TiN of the sample.
In addition, analysis by an energy dispersive X-ray analyzer (EDS) was performed under observation with a scanning electron microscope, and it was confirmed that the whitish portions were TiN particles.

【0038】次に、図3〜図6に示す試料番号4−2〜
4−5の各試料においては、予備焼成温度が高くなるに
従い、TiN粒子の粒径が増大していることがわかる。
そこで、これら写真を用いて以下のような方法により、
それら試料のTiN粒子の平均粒径を求めた。まず、上
記5000倍の写真上において20μm×15μmの視
野を設定し、図11(a)に示すように、該視野内に観
察されるTiN粒gのすべてについてその最大径dを測
定した。なお、TiNは立方晶系の結晶構造を有し、焼
結体中では等軸晶形態の組織を示すと推察されることか
ら、写真上でいびつな形状を示している粒子は、複数の
小粒子が凝集したものであると考え、図11(b)に示
すように、目視によりその凝集粒子を例えば粒子g1〜
g3等に分離して、各々その最大径d1〜d3を測定し
た。こうして求めた各粒子の粒径データから、その平均
値(すなわち平均粒径)と標準偏差とを算出した。
Next, sample numbers 4-2 to 4-2 shown in FIGS.
In each of the samples 4-5, it can be seen that the particle size of the TiN particles increases as the pre-firing temperature increases.
Therefore, using these photos, the following method
The average particle size of the TiN particles of these samples was determined. First, a visual field of 20 μm × 15 μm was set on the 5000 × photograph, and as shown in FIG. 11A, the maximum diameter d of all the TiN grains g observed in the visual field was measured. Since TiN has a cubic crystal structure and is presumed to show an equiaxed crystal structure in the sintered body, the particles having a distorted shape in the photograph include a plurality of small particles. It is considered that the particles are aggregated, and as shown in FIG.
g3 and the like, and their maximum diameters d1 to d3 were measured. From the particle size data of the particles thus obtained, the average value (that is, the average particle size) and the standard deviation were calculated.

【0039】また、同様に走査電子顕微鏡写真を用い、
写真上で観察される個々の気孔の面積を円形近似により
求め、その面積の和を観察視野の面積で除することによ
り、各試料の残存気孔の面積分率を求めた。
Similarly, using a scanning electron micrograph,
The area fraction of each pore observed on the photograph was determined by circular approximation, and the sum of the areas was divided by the area of the observation visual field to determine the area fraction of the residual pores of each sample.

【0040】以上、番号4−1〜4−5の各試料につい
て求められたTiNの平均粒径及び標準偏差と残存気孔
率とを、該試料の相対密度、強度及び破壊靱性値の各値
と対応付けて表6に示す。すなわち、1000MPa以
上の曲げ強度と、4.5MPam1/2以上の破壊靱性値
とを得るためには、相対密度が98%以上であり、Ti
Nの平均粒径が2μm以下であり、また残存気孔の面積
率が1%未満であることが必要であることがわかる。ま
た、特に高強度を達成するためには、TiN粒子径の標
準偏差を0.70μm以下とすることも有効であること
がわかる。
The average particle diameter and standard deviation of TiN and the residual porosity obtained for each of the samples Nos. 4-1 to 4-5 are compared with the relative density, strength and fracture toughness of the sample. Table 6 shows the correspondence. That is, in order to obtain a bending strength of 1000 MPa or more and a fracture toughness value of 4.5 MPam 1/2 or more, the relative density is 98% or more, and
It can be seen that it is necessary that the average particle size of N is 2 μm or less and the area ratio of the residual pores is less than 1%. In addition, it can be seen that it is also effective to set the standard deviation of the TiN particle diameter to 0.70 μm or less in order to achieve particularly high strength.

【0041】[0041]

【表6】 [Table 6]

【0042】次に、表2、3、5の試料番号2−3、3
−3、4−3、5−3及び比較例2の各試料に対しダイ
ヤモンド砥石研磨を施して、長さ20mm、幅8mm、
高さ4mmの試験片を作製し、これを炭素鋼(材質JI
S S45C)とともにアルミナ坩堝に入れてアルゴン
雰囲気中で1600℃に加熱し、炭素鋼を完全溶融させ
て5時間保持した。次いで、試料を溶融炭素鋼とともに
冷却し、凝固した鋼と共にダイヤモンドカッターで切断
した。そして、この切断面を観察することにより試料と
溶融炭素鋼との反応性を評価した。まず、試料の残存率
は、試験前後の試料の断面積を比較することにより求め
た。また、試験後の試料切断面の面積に占める未反応部
分の面積分率を末反応層の体積分率とした。その結果を
表7に示す。TiNを含有しない比較例2の試験片は、
溶融炭素鋼と反応して完全に溶解・消失した。しかしな
がら、試験片中のTiN含有量が増えるに伴い反応が抑
さえられ、未反応部分の体積が増大していることがわか
る。なお、図12(a)は、試料番号5−3の試料の断
面拡大写真(倍率7倍)を示している。写真中、矩形の
試料断面において、その縁部に沿って形成されている灰
色の帯状部が反応部分であり、右下隅の部分にはやや大
きな反応部分が生じていることが観察される。一方、上
記反応部よりも内側に、それよりもやや明るく写ってい
る部分が未反応部分であり、試料断面に占めるその割合
は約50%である。一方、図12(b)は比較例2の試
料の断面写真であるが、試料はほぼ完全に溶融消失して
いる。
Next, sample numbers 2-3 and 3 in Tables 2, 3 and 5
-3, 4-3, 5-3 and each sample of Comparative Example 2 were polished with a diamond grindstone to a length of 20 mm, a width of 8 mm,
A test piece having a height of 4 mm was prepared, and this was made of carbon steel (material JI
SS45C) and placed in an alumina crucible and heated to 1600 ° C in an argon atmosphere to completely melt the carbon steel and hold it for 5 hours. The sample was then cooled with molten carbon steel and cut with a solidified steel with a diamond cutter. Then, the reactivity between the sample and the molten carbon steel was evaluated by observing the cut surface. First, the residual ratio of the sample was determined by comparing the cross-sectional areas of the sample before and after the test. The area fraction of the unreacted portion in the area of the cut surface of the sample after the test was defined as the volume fraction of the unreacted layer. Table 7 shows the results. The test piece of Comparative Example 2 not containing TiN
Reacted with molten carbon steel and completely dissolved and disappeared. However, it can be seen that the reaction was suppressed as the TiN content in the test piece increased, and the volume of the unreacted portion increased. FIG. 12A shows an enlarged cross-sectional photograph (magnification: 7) of the sample of sample number 5-3. In the photograph, in the rectangular sample cross-section, it is observed that the gray band formed along the edge is a reaction part, and a slightly large reaction part is generated at the lower right corner. On the other hand, the portion that is slightly brighter than the inside of the reaction portion is the unreacted portion, and its proportion in the sample cross section is about 50%. On the other hand, FIG. 12B is a cross-sectional photograph of the sample of Comparative Example 2, in which the sample has almost completely melted and disappeared.

【0043】[0043]

【表7】 [Table 7]

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】線材製造用の圧延ロールとガイドロールとの一
例を模式的に示す斜視図。
FIG. 1 is a perspective view schematically showing an example of a rolling roll and a guide roll for manufacturing a wire rod.

【図2】電縫管製造用のスクイーズロールの一例を模式
的に示す斜視図。
FIG. 2 is a perspective view schematically showing an example of a squeeze roll for manufacturing an electric resistance welded tube.

【図3】実施例における試料番号4−2のセラミック焼
結材料の走査電子顕微鏡写真。
FIG. 3 is a scanning electron micrograph of a ceramic sintered material of Sample No. 4-2 in Examples.

【図4】同じく試料番号4−3のセラミック焼結材料の
走査電子顕微鏡写真。
FIG. 4 is a scanning electron micrograph of the ceramic sintered material of Sample No. 4-3.

【図5】同じく試料番号4−4のセラミック焼結材料の
走査電子顕微鏡写真。
FIG. 5 is a scanning electron micrograph of the ceramic sintered material of Sample No. 4-4.

【図6】同じく試料番号4−5のセラミック焼結材料の
走査電子顕微鏡写真。
FIG. 6 is a scanning electron micrograph of the ceramic sintered material of Sample No. 4-5.

【図7】同じく試料番号2−2のセラミック焼結材料の
走査電子顕微鏡写真。
FIG. 7 is a scanning electron micrograph of the ceramic sintered material of Sample No. 2-2.

【図8】同じく試料番号3−1のセラミック焼結材料の
走査電子顕微鏡写真。
FIG. 8 is a scanning electron micrograph of the ceramic sintered material of Sample No. 3-1.

【図9】同じく試料番号4−2の、別のセラミック焼結
材料の走査電子顕微鏡写真。
FIG. 9 is a scanning electron micrograph of another ceramic sintered material of Sample No. 4-2.

【図10】同じく試料番号5−2のセラミック焼結材料
の走査電子顕微鏡写真。
FIG. 10 is a scanning electron micrograph of the ceramic sintered material of Sample No. 5-2.

【図11】試料中のTiN粒子の最大径を求める方法を
模式的に示す図。
FIG. 11 is a diagram schematically showing a method for obtaining the maximum diameter of TiN particles in a sample.

【図12】溶融炭素鋼と試料との反応性を調べる実験に
用いた試料の、試験後の状態の例を示す断面写真。
FIG. 12 is a cross-sectional photograph showing an example of a state after a test of a sample used in an experiment for examining reactivity between molten carbon steel and the sample.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,2 圧延ロール 3,4 ガイドロール 5,6 スクイーズロール 1,2 Rolling roll 3,4 Guide roll 5,6 Squeeze roll

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 40〜70重量%のTiNと20〜60
重量%のSi34とを含有し、その曲げ強度が1000
MPa以上であることを特徴とするセラミック焼結材
料。
1. The method according to claim 1, wherein the TiN content is 40 to 70% by weight and
% By weight of Si 3 N 4 and a bending strength of 1000
A ceramic sintered material characterized by being at least MPa.
【請求項2】 40〜70重量%のTiNと20〜60
重量%のSi34とを含有するとともにその相対密度が
98%以上とされ、かつ焼結体中のTiN粒子が2μm
以下であることを特徴とするセラミック焼結材料。
2. A composition comprising 40 to 70% by weight of TiN and 20 to 60% by weight.
% Of Si 3 N 4 , the relative density thereof is 98% or more, and the TiN particles in the sintered body are 2 μm
A ceramic sintered material characterized by the following.
【請求項3】 前記セラミック焼結材料の表面を研磨し
た場合に、その研磨表面に観察される残存気孔の面積率
が1%以下である請求項2記載のセラミック焼結材料。
3. The ceramic sintered material according to claim 2, wherein, when the surface of the ceramic sintered material is polished, an area ratio of residual pores observed on the polished surface is 1% or less.
【請求項4】 曲げ強度が1000MPa以上である請
求項2又は3のいずれかに記載のセラミック焼結材料。
4. The ceramic sintered material according to claim 2, which has a bending strength of 1000 MPa or more.
【請求項5】 破壊靱性値が4.5MPam1/2以上で
ある請求項1ないし4のいずれかに記載のセラミック焼
結材料。
5. The ceramic sintered material according to claim 1, which has a fracture toughness value of 4.5 MPam 1/2 or more.
【請求項6】 前記セラミック焼結体により作製した、
長さ20mm、幅8mm、高さ4mm の直方体形状の試験片
を、炭素含有量0.45重量%、温度1600℃の溶融
炭素鋼中に5時間浸漬したときの、該試験片の残存率が
80体積%以上である請求項1ないし5のいずれかに記
載のセラミック焼結材料。
6. A method of manufacturing the ceramic sintered body,
When a rectangular parallelepiped test piece having a length of 20 mm, a width of 8 mm and a height of 4 mm was immersed in molten carbon steel at a carbon content of 0.45% by weight and a temperature of 1600 ° C. for 5 hours, the residual ratio of the test piece was The ceramic sintered material according to any one of claims 1 to 5, which is 80% by volume or more.
【請求項7】 焼結助剤として、MgO、ZrO2、C
eO2、Al23及びY23の2種以上を合計で3.5
〜10重量%含有する請求項1ないし6のいずれかに記
載のセラミック焼結材料。
7. As a sintering aid, MgO, ZrO 2 , C
Two or more of eO 2 , Al 2 O 3 and Y 2 O 3 are 3.5 in total.
The ceramic sintered material according to any one of claims 1 to 6, which contains 10 to 10% by weight.
【請求項8】 焼結助剤として、MgO、ZrO2、C
eO2、Al23の3種類以上を、各々0.5重量%以
上ずつかつ合計で3.5〜10重量%含有する請求項1
ないし7のいずれかに記載のセラミック焼結材料。
8. As a sintering aid, MgO, ZrO 2 , C
eO 2, Al 2 3 or more O 3, containing 3.5 to 10 wt%, respectively by 0.5 wt% or more and a total claim 1
8. The ceramic sintered material according to any one of items 7 to 7.
【請求項9】 原料粉末を成形後、温度1550〜16
50℃で予備焼成し、さらに温度1500〜1600℃
及び圧力100〜2000気圧で熱間静水圧プレス処理
することにより製造された請求項1ないし8のいずれか
に記載のセラミック焼結材料。
9. After molding the raw material powder, the temperature is 1550-16.
Preliminary firing at 50 ° C, and a temperature of 1500 to 1600 ° C
9. The ceramic sintered material according to claim 1, which is produced by hot isostatic pressing at a pressure of 100 to 2000 atm.
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