JPS59169980A - 窒化ケイ素含有単一体およびその製造方法 - Google Patents

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】 最近、窒化ケイ素を主成分としたセラミックスか機械の
セラミック部品や容器のコーティングとして著しく使用
されるようになった。このセラミック材料は篩部（１４
００’Ｃ）での優れた耐酢化性、高温強度および高温硬
反など優れた特性を有することが知られている。

この材料の強度は密度に関係する、そして大気圧下で焼
結した高密度化窒化ケイ素の特性（オ愉めて愁いことが
知られている。従って、優れた頻度の製品を得るには高
圧を採用することか車賛であると考えらｔている。これ
は　、１ｌｌｊ用的に〈化ケイ素のホットプレスとして
行なわれる。しかし、ホットプレスの採用にもかかわら
ず、午、化ケイ系の高温面は強さは所望の値より低い。

従って、法度改善の別の手段としてｌ企卯物の使用か研
究された、この添）ＪＤ物は高密度化を促がする低温液
相にする。

５ｉ３Ｎ４１ｄは一ノ※緻密になったけれども、熱串、
裂抵抗および尚温クリープ抵抗は低くなった。殆んどの
場合、Ｓｉ３Ｎ４マトリックスのね界にがラス相が形成
された。室温強度は増大したか、セラミック技術者の気
の付かない他の物理的性角が犠牲となった。

これらの添加材料は、酸化クロム、１〕り化亜鉛、酸化
ニッケル、鹸化チタン、鹸化セリウム、酸化マグネシウ
ム、酸化イツトリウム号をマトリソクス材の２０（京葉
）％以上の範囲で比較的多址宮有する。これら特定の徐
加物と併用の窒化ケイ素は普通得られない商い強度値（
高温で５　Ｑ　ＫＳＩ（１ＫＳＩ　＝　１０００　ｐｓ
ｉ　）以上）となる構造を生成する傾向がある。１つの
実例、がザ゛（ＧａＺＺａ　）による米国特許第、ｌＳ
、８３０，６５２号明細鶴−には５０　ＫＳＩ　（約３
５０にｇ／ｃ′ＩｒＬ３）以上ノ’ｊ’ｊｔ　ｒ　（７
）　モノが開示されているが、この場合はタービン部品
に有効な物理的性質、即ち硬度、耐酸化性（不活性度）
および横破壊強度に関するものがある。がずはＳｉ３Ｎ
４系に対する金属酸化物の添加物を研究した、それは機
械部品としての用途にのみ関係した菫の範囲で添加され
た粒界相はがラス質であることががす゛により同類品（
「シャーナル、オプ、ソ、アメリカン、セラミック、ソ
サイエティ」第５６巻、１２号、１９７６年６６２ベー
ゾｅ照）において確認された。

しかし、現在市販されている切削工具はがずの研究で目
的とした物理的性質と同−或いはそれ以上の値を示す。

例えば、市販のＡＡ？２０３またはＴｉＣ’工具は高温
で優れた６１！！夏、および高耐酸化性そして４ｍテ１
００．０００　ｐｓｉ　（約７０４１１　＃　／　ｍ３
．）までの横破壊強度を有する。工具設計者は、良くも
悪くも工具の固定および被切削材の抵抗（荷に重切り込
みの場合）によって工具材に加わるカに耐える必要があ
るために強度は般も重要な特徴であると考えていた。こ
れらのカは、鋳鉄のような鉄材料を冒速・度および烏送
りで切削する時に異常に大きくなる。強度を上げずに工
具寿命をさらに改善することはできないと信じられてい
る。

５ｉ３Ｎ４０強度値は市販の材料と同等か或いはそれ以
下である力）ら、工具の寿命改善ζこ少しの希望をもっ
た工具材料の候補としては否認された。

８１３Ｎ４を切削工具材料として直接使用する試みはこ
れまでに１例だけある。これはオーゴ・カズタカによる
日本特許昭和４９−１１６８ｏ６号に開示されている。

この研究では、窒化ケイ素を焼結して、スピネル型金属
酸化物はその窒化ケイ素マトリックスの固溶体に使用さ
れている。そのスピネルは２価および３価の金属酸化物
（酸化マグネシウムおよびＹ２Ｏ３を含む）の混合体に
よって形成される。しかし、スピネル型金属酸化物の材
料中のモル％は１０〜４０％が教示されていて、その１
直か１０％以下の時には艮好な焼結密度を得るのは困難
であった。そして最高密度は６．１８ｇ／　ｃｍ”であ
った。彼は２工任法を採用し、最初に金属酸化物粉末を
１６００〜１６００℃で６〜１０時間加熱してスピネル
を生成し、そのスピネルを粉砕して窒化ケイ素と混合し
てそれを切削工具に焼結した。４７［：系はＳｉ３Ｎ４
．５ｉ０２、ＭｇＯおよびＹ２Ｏ３を含むものだけが使
用されている。これは多くの第二相を生成する。核用は
物理的性質、特に強度、熱伝導度を下げて熱膨張率を上
げる。

これらの物理的性質の低下は、ＤＪ鉄の「Ｊｉ絖的切削
のような苛酷な切削条件下では重板工具に西遊する性能
を得ることを極めて困難にする。その切削加工は極めて
短持続（２分）の）小絞機械加工で、しかも被削金属の
除去速度〔切削速度が１０００ｓｆｍ（表面速度で約ろ
ＯＯｍ７分に相当）、送りが０．０１２　ｉｎ　（約り
、０３ｃｍ）／回転、切込みが０．０６０　（約０．１
５ｃｍ）そして被削金４４ノ除去速度が８．６４１ｎ３
（１４２ｃｍ３）／分〕が極めて低いも″のであった。

もちろん、この柚の試ｊ験は工具に太さな力を付加する
切削用途、゛スピネル型冷加物のｉ、ｔｉ：除、υｆ鉄
のようなａ表面に対するル゛切削数時間以上の連続切削
、或いは止送りおよび市切込みて高速度（４０’００〜
５００［］ｓｆｍ（約１２００〜１５００ｍ／分）の表
面速度）で間けつおよＯ・断ｄｌ−切削も研究しなかっ
た。前記オーゴの時計にｊ６ける切削時間２分間の例示
庁・柱部０．００６〜０．００　Ｅｌｌ　ｉｌ−！（約
０．１１１５−０．０２ｃＩＩｌ）は本発明ノ＄）　＋
７）　ニ比へて極めて犬である。従って、この研究は、
Ｓｉ３Ｎ４が工具に大きな曲げ力がかかる鉄狗料用工具
材料として使用するのに十分な時性を有することを示さ
ない。

さらに、長年に渡り証加物を含む８ｉ３Ｎ４を製造する
技術は十分な知識を有していたが、この長年の間にこの
材料を鋳鉄用の切削工具材料に使用する努力は全く行な
われなかった。このことは、もしある８１３Ｎ４１．Ｑ
合物を鋳鉄の機械加工に使用すると劇的に工具の寿命が
増すならは、この新規用途を促進するには未知の才＼で
ある強度以外の不明の特徴があるに違いないという本発
明の考え方を裏付けている。

本発明は鋳鉄のような金属を機械加工に有用な新規な切
削工具に成形できる新規な窒化ケイ素からなる単一体お
よびその新規製造方法に関する。

本発明の新規な方法は５１０２を調節した量（限定量の
粉砕媒体を含むか才たは含まず）て含むＳ　ｉ　３Ｎ４
の第一粉床と、不質的にＹ２Ｏ３からなる第二の粉末と
の調合混合物をホットプレスの状態におき、この混合物
をポットプレスし、生じた単一体を冷却することからな
る。

更に詳しく述べれば、本新規方法はａ）本質的にＳｉ３
Ｎ４、Ｙ２Ｏ３および５１０２からなる調合混合物をホ
ットプレス環境下に入れ、そこでＹ２Ｏ３は上記混合物
の約４〜１２重量％であり、Ｙ２Ｏ３／ｓｔｏ。

重量比は少なくとも約１．６であり、また史にその混合
物は第一粉末と第二粉末とからなり、第一粉末が実質的
にアルファ相のＳｉ３Ｎ４と５ｉ０２とから不質的にな
り、遊離ケイ素を除く約１．０重量％未滴の陽イオン不
純物を含み、第二粉末が本質的にＹ２Ｏ３からなること
を特徴としており、ｂ）調合混合物を、密度か少なくと
も約３．２５９　／　ｌＺ７，２３の窒化ケイ素含有単
一体に圧稲成形し反応させるのに光分な温度、圧力、時
間でホットプレスにかけ、Ｃ）得られた単一体を冷却す
るこ吉からなる。

本発明方法の−、態様においては、調合混合物は約０．
５〜１．５重量％の、５１０２として化合している酸素
を含んでいる。

本発明方法の一悪様においては、窒化ケイ素含有第一粉
末は５１０２として化合されている酸素が約０．７　重
量％に限足された酸素含量を有している。

不発明の好ましい態様の−において、藺合混合物中のＹ
ｚＯ３の濃度は約７〜９車童％である。

本発明の目、的ＣＪ１ベータＳｉ３Ｎ４およびベータプ
ライムＳｉ３Ｎ４かも生成した選はれた結晶相を治しか
つ本質的にＹＳｉ０２Ｎ　ｓ　Ｙ：ＬＯ８ｉ１７Ｎ４０
２３　＃よびＹ２Ｓｉ２０７からなる粒間の第二の結晶
相を有し、しかもＹＳｉ０２Ｎ相が第二、の結晶相の少
なくとも２５％の容積部分を示め、不質的に全てがイツ
トリア−Ｗ化ケイ素（イツトリア−ケイ素−オキシナイ
トライドとは別）として存在する浴融Ｓｉ３Ｎ４セラミ
ックを製造する方法を捺供することになる。

不発明の好ましい態様において、次の制限か見られる。

（ｋ）ｓ１０２はＳｉ３Ｎ４粉禾の表面酸化物上してそ
の酸素成分かＳｉ３Ｎ４粉末の０．５〜１．５　＋ｋ　
１．Ｔ％であるような量で存在する。（ｂｌＹ２０３粉
木は生成する混合物の約７〜９重量％そ占めるような−
ｉて冷加する。

好才しくは、Ｓｉ３Ｎ４粉末は１班重％より少ない、更
に好ましくは０．・５班−敬％より少ない−ｖ１１で、
鍵なケイ素を除く陽イオン不純物を含む。

調合粉末混合物の成分はそれ自体の中にあるいはそれ自
体が第二の結晶相を生成するだめの核生成剤として作用
するが、粉砕媒体と陽イオン不純物も、ある場合、例え
はＡＪｈＯ３の属合、核生成により一層顕者な効果を准
する。粉砕媒体はＡＡ’　２０３、ＷＣあるいはＴｉＣ
から選ぶのが好ましい。Ａｌｚ　Ｏ３は核生成剤として
顕著な効果を示すから最も好ましい。

好ましくはＹ２Ｏ３／　５ｉ０２重融比は少なくさも２
．５である。

調合混合物中の粒子大きさは混合Ｍ’１］あるいは後に
減じでもよい。効果的には平均粒径は約１〜２．５ミク
ロン、史に奸才しくは約１〜１．７ミクロンの範囲にあ
る。

ホットプレス処理に用いる最高の圧力は少なくとも約３
０００　ｐｓｉ　、好才しくけ少なくとも５０００　ｐ
ｓｉである。

ホットプレス処理に用いる最高温度は少なくとも１６５
０℃、好ましくは少なくとも１７５０°Ｃである。

もし少なくとも２０００　ｐｓｉ　（好ましくは約４５
００　ｐｓｉ　）の圧力が、ホットプレス温度に達する
前（あるいは少なくとも調合１琵合物がｉ　ｏｏ。

〜１４００°Ｃの範囲にある間）に埋続的にかけられ、
しかも混合物がＡノ２０３のような核生成剤を含むなら
ば望ましい。圧力を少なくとも３５００ｐｓｉに増大（
未だなってなければこのレベルに）し、１６８ｏ〜１７
５ｏ’Ｏでポットプレス中連続的に（望ましくは少なく
と旭５分しかし６〜８時間以下）保持する。そのような
セラミック生成物は１２００℃で少なくとも の熱爾繋パラメータを示し、少なくさも８７のロックウ
ェル４５−Ｎの硬度、少なくとも３．２５　、！９／α
３の密度、１２．００　℃で少なくとも７０．ｏｏ口ｐ
ｓｉの横破壊強度を有する。そのようなセラミック生成
物は切削工具として使用でき、しかも鋳鉄材を少なくと
も１０分間、５０〜７５００　ｓｍｆの速１尾、約０．
１インチあるいはそれ以上の切込み深さで連続的にも断
続的にも、熱亀裂や摩耗による破損を伴わすに機械切削
する。

年増コストを下げて生産性を高めるべく回転速度と送り
速度をより上げる傾向のために、切削工具の摩耗寿命を
長くする要求に高くなって行く。

これらの回転速度および送り速ｊｙでの工具刃先におけ
る温度上昇は極めて旨い。工具材料はそのような作業温
度で不活性てなけれはｐらす、かつ工具材料の動的性質
は現在の工具材料の動的性質より優れていなけれはなら
ない。

本発明によって、８ｉ３Ｎ４に・眼重に１ｉＪｓ　ｎ’
ｆ　Ｉ、た知−のある種の金属酸化物を混合し、次にそ
の混合体を一定の温度、圧力および時間の条件下でホッ
トプレスすると鋳鉄に関して高速回転および苛酷な送り
かできる単純な三元系（８１３Ｎ４・５１０２　・Ｙ２
Ｏ３）の切削工具用組成物が得られ、それは、瘍耐謬れ
性を示し、かつ熱疲労よりむしろ徐々の；喰札様弐によ
って摩耗することがわかった。

この切削工具組成ｖＤ（または混合体）は鋼鉄について
の特定の切削条件の女性を栖だす。工具のチック０（刃
先）温度は典型的には約６［］０〜ｓｏｏ’ｃそして１
０００’Ｃ程の高さにもなる。この温度因子は、それが
工具の部分に熱衝撃場所（５ｉｔｅｓ　）を生成するの
には十分高いか苛酷な酸化侵食の発生には十分高くない
から、富要である。

鋳鉄の切削加工時には、切りくずは長く続かないで容易
に砕片となって、熱い切りくずは普通工具刃先から離脱
する。

鋳鉄の切削抵抗のために、棒素材を切削しながらそれを
移動するには工具に大きな固定力を加えなければならな
い。その上、鋳鉄についての多くの切削工程に必要な被
剛材の除去速度は他の偉材の場合よりもかなり犬である
。このことは、横破壊強さに関して強い工具材料を必要
とする。この要件を全ての工具設計者は新奇工具材料の
成功の評価に関して最止喪事項と考えている。

埋常認識されているＳｉ３Ｎ４の６つの効力か＆ｊ鉄の
機械加工に通ずるものとなることが当業者に示唆されて
いない。高温における工具の横破壊強度は５０，０００
　ｐｓｉ　（約６５ＵＯｋ、ｇ／ｃ７ＩＬ２）をめった
に−えなかった（一方、市販の工具は普通１００．００
０〜２００．ＯＯＯｐｓｉ　（約７０００〜１４［）Ｄ
ｏにｇ／ｃｒＩＬ２）の強度値を翁する）：その＾耐酸
化性は決定的に必要でなかった：そして高温におけるそ
の艮好な硬度は市販の炭化ケイ累の硬度には及ばない。

本発明は、先す゛熱衝撃抵抗パラメータまたは係数、即
ち破壊係数（Ｓ）に関係した熱膨張率（α）および熱伝
纏率（Ｋ）の演する役目を認識した。これはＫＳ　／α
Ｅなる式で表わすことかてきる、ここてＥはヤング率で
あるが種々の切削条件および材料下ではメ一定であるの
で削除することができる。

上（こ保つことによって、鋳鉄に関して工具の摩耗寿命
が著しく増加することがわかった。この現象が伺故生じ
るかを理論つけることは困難であるか、それは７００℃
において元年した熱か迅速に伝尋消散されて工具におけ
る大きな温にこう配を防いで熱割れを防ぐセラミックに
よって得られる材料組織の安定化に起因すると考えられ
る、これは工具刃先を間けつ切削または断続切う１］に
よって少し冷却した時に一層よく認識される。

針、鉄のような金属のための切削工具として翁用な窒化
ケイ素含有単一体を製造する本発明の好ましい方法は次
のとおりである。

（１１調合混合物をホットプレス環境下におく。その混
合物は本η、的にアルファ相′４化ケイ素粉末（好まし
くは少なくとも８５％のアルファ相）からなり、約０．
７％以下の０２　（Ｓｉ３Ｎ４粉末の重量・あたり）、
好ましくは０．５〜１．５％の酸素（窒化珪素粒子の表
面に５ｉ０２として結合）および混合物の約４〜１２−
」￥量％のＹ２Ｏ３（好ましくは７〜９％）からなる焼
結剤を伴っている。

０．７５〜２．５％のアルミナは粉砕媒体不Ｘ・（！物
として存在し、ボールミルの摩耗により加えられる。Ｙ
２Ｏ３の量は少なくとも１６６のＹ２Ｏ３／　Ｓ　ｉ０
２比を与えるように、好ましくは少なくとも２．５〜２
．７の比を与えるように調節される。従って、５１０２
は制限され、その酸素含蓄は調合混合物当り約０．５〜
１．５ル賛％の範囲となるようにする。

窒化ケイ素粉末上のＳ　ｉ０２の量は原子活性分析によ
り間接的に測定できる。窒化珪素粉末中の主たる陽イオ
ン不純物は次のように調節するのか好ましい。即ち鉄し
１．５％未満、カルシウム０．０１未満そしてアルミニ
ウムＯ−４％未／１ＳｉＯ全陽イオン不純物をＳｉ３Ｎ
４粉末当り１％未満、好ましくは０．５％未満に抑える
と効果的である。

但し遊離ケイ素（Ｓｉ、０２および５ｉ０２　）を除く
。

Ｙ２Ｏ３／　５ｉ０２比の範囲を達成するにはＳｉ３Ｎ
４粉末の０２を制御しなければならない。Ｓｉ３Ｎ４の
０２含量（それ故５１０２含量）はＳ　ｉ　３Ｎ４のＷ
４製中にある工程を行って制御するのが好ましい。

Ｓｉ３Ｎ４粉末はホットシールドの囲わりに水冷金属製
キャニスタを置いてキャニスタを保護する渦成を有する
Ｔ中で全域ケイ素を窒化することにより得る６ホツト域
内の余分な妨害物質は除く。ホット域と連通ずる兵仝ポ
ンプ装亘はホット域中の雰囲気の０２およびＨ２０含承
を５１）１）ｍより低く減することかでき、追加の０２
あるいはＨ２Ｏは水冷キャニスタから取り出すことはで
きない。金属粉末は正確に制御した純度の本質的に室累
がス雰囲気のそのようなホット域で窒化した後、典型的
には粉末−１−ｉｔの約０．７％以下の０２含量を有し
、奸才しくは１．０未満の。２および２．０％未満の表
面５ｉ０２含量を有する。窒化後の取り扱いの結果とし
て粉末はある酸化物を拾うことがあり、従って最大的３
．０％の５ｉ０２を有する。

窒化珪素粉末の平均粒径は２．０〜２．５ミクロンとな
るよう制御するのが好ましい。粒径はＸ線セゾメンテー
ション法により測定するのがよ　（い。イツトリア粉末
については、化学純度９９．９％を持つようにするのが
好ましく、粒径は−６２５メツシユ未満に制御するのが
好才しいＯ 混合物をボールミルで粉砕して混合物の最終平均粒径が
１．０〜２．５、好ましくは１．０〜１．７ミクロンの
内）囲となるようにするのが好ましい。

このために、粉２末の成分はＡ１２ｏ３粉砕媒体と一緒
に粉砕装置に入れる。アルミナは記載しようとする核生
成反応用の触媒として働く。典型的例としてメタノール
のような湿潤性潤滑剤を窒化ケイ素粉末と１：１の比で
加えてもよい。粉末混合物は充分に、予め定められた時
間で破砕し、粉砕する。その時間はミルの速度、出発粉
末の粒径、得ようとする平均粒径に依存する。

次いで混合物は乾燥し、好ましくは１００メツシユ篩を
用いて篩分するのが好ましい。粉砕した混合物は０．５
０〜２．５％のアルミナ粉砕媒体を含むべきである。

２）次いで混合物を少なくさも２’０００　ｐｓｉの圧
力下、加熱の結果俵生成を起させて第二の相を生じさせ
るのに充分な時間、１０００〜１４００°Ｃに刀口熱す
る。粉末混合物を加熱していく間、最初室温で機械的圧
力を与え、加熱中維持して、粉末混合物が１０００〜１
４００”Ｃの温度域を通るとき、Ａ１２ｏ３を用いるな
ら粉末混合物は２０００〜５０００　ｐｓｉ　（効果的
ニｌ＃約４５００　ｐｓｉ　）下とな、るようにする。

好ましくは、これを実施するにあたり、混合物は圧力を
適用するためにグラファイト製ダイ装置中に入れる。ダ
イ装置は空気を吹き込んで清浄され、窒化ホウ素スラリ
ーを被色され、粉末混合物を入れる前に乾燥して約０．
００２インチの被覆厚さにされる。粉末混合物は被検後
のグラファイトダイに入れた後、約５００　ｐｓｉの圧
力下に予備圧縮成形し、それから熱を加え、２０００ｐ
ｓｉ以上のホットプレス圧力に旨めるのが奸才しい。圧
力ダイヤル指針が５００　ｐｓｉに安定しているとき、
機械的荷車をはゾ１０００　ｐｓｉ　７分の割で４５０
０　ｐｓｉまで増大するのが好ましい。この後者の圧力
条件に達するとき、訪纏加熱により熱を与え、グラファ
イトダイ装置中のダイ室を、好ましくは１００°Ｃ／分
以上の割で加熱する。１０００〜１４００°Ｃの温度域
で時間は１分位の短時間から望みの長さでよいが、５〜
１５分が有効である。

圧力と温度は相関する変数であり、共に与えられた条件
で調節し、Ｓｉ３Ｎ４．５１０２およびＹ２Ｏ３の間で
形成される化合物、即ち第二の相中で核生成反応を行わ
せる。粉末の嵩密度が高いほど、通用される圧力は与え
られた範囲内で低くすることができる。Ａ１２０　ｓが
存在するとこの反応の一部として核の生成を促進あるい
は触媒反応させ、時間に影桿を及ぼす。核生成反応は第
二の相のその場での結晶にとって必要である。

記載のように、０．７５〜２．５％のＡ１２０３を添加
すると核生成反応を促進する。他の粉砕媒体（これも核
生成剤として有効に働く）はＷＣｌＴｉＣおよびＳｉ３
Ｎ４があり、混合物あたり０．５〜２．５％の量で存在
すべきである。ＡＡｈ０３は粉砕媒体を、１０％以下の
８１０２を除いてアルミナからなるように加える。従っ
て、ボールミル操作中、アルミナの粉砕媒体との小部分
で各粒子の衝突間に移動かある。これらの粒子の移動か
予め定めた時間に亘って蓄積し、粉末混合物は所望のア
ルミナ含量を均一に含むことになる。

このアルミナの特定の移動が２．５％を超えないように
するために粉砕時間は実験、経験により決定される。そ
のような経験によれば、０．７５〜２．５重蓋％の範囲
で相当する粉砕媒体の岸耗があることが分った。

（３）核生成反応が起った後、混合物の加熱を続は約１
６５０〜１７５０℃の温度（奸才しくは少なくとも最大
温度１７０−０’ｃ）とし、その際プレスされた混合物
における密度が理論密度の９９％、好ましくは９９．５
％以上となるよう充分な圧力および時間で加熱が行われ
る。この工程はポットプレス焼結を行う。奸才しくは適
用圧力は少なくさも最高密度を得るのに必要な時間（５
分程の短時間でも、６〜８時間の長時間でもよい）で３
５００〜５０００　ｐｓｉ　（好ましい最大圧力は少な
くとも５０００　ｐｓｉ　）である。

加熱時間は経済的に決められるべきで、効果的には約１
５〜４５分とすべきである。

上記方法により得た生成物をいかなる速度でも冷却でき
、急冷してもよく、その結果主結晶相の窒化ケイ素とマ
トリックスの粒界に精品化した第二の相を有する窒化ケ
イ素含有体を形成する０ 予め決められた粉末成分とホットプレスの技術でもって
得られた生成物は少なくとも６．２５ｇ／ＣＴＬ３、好
ましくは６．２９〜６゜５ｇ／鑵３の密度、少なくとも
８７、好ましくは９８〜９１．０のロックウェル４５−
Ｎｅ度、そして少なくとも１１０　Ｘ、　１０９（ＢＴ
Ｕ−７ｂｓ　）　／　Ｈｒ（ｉｎ”）の熱衝撃パラメー
タを有する。更に、この物質は１２００°Ｃで少なくさ
も７０，０００．ｐｓｉ　Ｏ，）ｔｊｐ破壊強度、少な
くとも３．２　ＢＴＵ　／　Ｈｒ−ｉｎ−”Ｆの熱伝導
率および１２００’Ｃで１．８７　Ｘ　１０−６ｉｎ／
ｉｎ’′Ｆ″より大きくない熱膨張係数そして５６×１
０’ｐｓｉより大きくない弾性率を示す。

第二相の成分は最′＃：製品において３つの結晶形の１
つまたはそれ以上からなる。第二相のそのような形態は
５　Ｙ２Ｏ３・４Ｓｉ０２・５ｉ３１’Ｊ４　（（、！
’１−１’ＩＹ１０Ｓｉ７０２Ｎ４　Ｔ：ある）　；　
２　Ｙ２Ｏ３・５ｉ０２　・５ｉ３Ｎ４（これはＹＩ　
Ｓ　ｉ　１０２Ｎ１である）およびＹ２Ｏ３・２５ｉ０
２（これはＹ２Ｓｉ２０７である）からなる群を含む。

非常に簡単に酸化するＮ−メリライト相（Ｓｉ３Ｎ４・
Ｙ２Ｏ３）は存在しない。また熱衝撃パラメータ、耐摩
耗性を損５５ｉ２Ｎ２０は存在−しない。これらの相が
不存在であるためにはＹ２Ｏ３／５１０２比を少なくと
も１．６％、好ましくは少なくさも２．５〜２．７％に
制御される。

本発明の生成物中に与えられる第二の相のうちの２つ（
１オキシ窒化イソｌ−１１ウムケイ素と醇化イツトリウ
ムケイ素である。酸化イツトリウムケイ素（Ｙ２Ｓｉ２
０７）はＹ２Ｏ３／　５ｉ０２比か少なくとも２．５で
あれは１勿゛直中に存在する唯一の酸化物であり、Ｙ２
Ｏ３７８１０２比か１．６を超えると実質的に単にＹ２
Ｓｉ２０７である。２つのオキシ窒化物の各々について
の分子式はＹ１０Ｓｉ７０２Ｎ４とＹＩＳｉ１０２Ｎ１
とである。これらのオキシ窒化物は殆んどの場合、得ら
れた生成物中に存在する第二相のはヌ゛８０％容槓部分
を占める。鹸化イツトリウムケイ素は殆んどの場合、第
二相の残部２０％（好ましくは６０％容積割合）を占め
る。−ＹＳｉ０２Ｎ相は第二相の少なくとも２５Ｑ％を
示め、これもまたＹ２Ｏ３／　ＳｉＣ２比を少なくとも
１．６％に調節することにより得られる。

最終生成物中の窒化ケイ素はベータ型であり、典ＪＪ、
す的にはアルファからベータへの変換は最高冨度になる
前に起る。酸化アルミニウムを意図する粉砕媒体添加剤
として２．５％まてσ、）　ｇｉａ　ｔ＋月内で使用す
る場合、最終生成物（１アルミニウム原子を含むベータ
電化ケイ素を崩する。１）４（１）てこの物質を所望の
切削工具に成形すること力Ｓてきる。

実施例１ 切削工具材料（試料１）は、７．４７重量係のＹ２Ｏ３
を含有する窒化ケイ素をホットプレスして得た（α相の
Ｓｉ３Ｎ、粉末８５％にＹ２Ｏ３粉末８％を添加）。Ｓ
ｉ３Ｎ４は約４．６％の５１０２を含入、Ｙ　２０　、
／Ｓ　ｉ　Ｏ２比は約１．６％となった。陽イオン不純
物は１％以下に保たれ、ｗｅ粉砕媒体不純物は約１％で
あった。その粉末混合体は６５００　ｐｓｉ（約４５５
　ｋｇ／ｃＩｒＬ３）の圧力下、１７４０℃の温度で６
．５時間ホットプレスした。ホットプレスした材片をＳ
ＮＧ　４３４なる工具寸法および形状に研削して刃先を
ｖＩ４ｗし０．００６　ｉｎ　Ｘ　３０°Ｋ　（７）　
５７　トｇＢにした。この材料から作った各切削工具で
単純な円筒形鋳鉄を連続的、間けつ的、或いは継続的に
切削した。第１図に示すように、連続切削は所定の切削
速度、送りおよび切込みで円筒表面１０を生成する。シ
リンダ１１が艮いために、工具の刃先はパスの間比較的
一定の高温ムなる。間けつ切削は縦方向のパスに沿って
工具を間けつ的に引っ込める。断続切削は第２図に示す
如く通り道１２に沿って工具をシリンダ１１の周囲にパ
スさす、通路１２は前の切削による縦溝に遭遇する。断
続切削は工具に反復衝撃を与える。

切削方式によって工具の熟的条件が異なりそれか工具寿
命の差となる。別の組成からなる工具材も第１表にその
物理的性買と共に示す如く類似の方法で作製した。試料
６および７゛は従来組成のものである。

これら全ての試料の切削加工は、一定の切込みで切削速
度および送り送度な変えて実験室的に行なった。工具の
幾学的形はコーナの形状の入を変えた。摩耗値（インチ
）は一定の期間で測足し、その切削結果を第１１表に示
す。工具はその工具寿命まで使用せずに、工具寿命の勘
考な増加を認知した時点で切削を中止した。ｒｌＪ販の
工具が１分後に破損するのに比べると、高切削速度（３
０００〜４０００θｆｍ　）下で５分の切削時間は寿命
の異常な増加と思われる°。

実施例１のテスト結果は８〜１２％Ｙ２Ｏ３を用いてＹ
２０　Ｊｓ　ｉＯＺ比を１．６とすると鋳鉄を機械加工
したとき工具の寿命が有意に増大したことを示している
。極限の温度条件下でＳｉ３Ｎ、の熱衝撃パラメータが
増大場−ると工具の寿命が延びたものであると考えられ
る。Ｓｉ３Ｎ、・５ｉｎ２・Ｙ２Ｏ３の出発９勿質がら
、透択的な第二の結晶相を得ると上記のような熱衝撃パ
ラメータの増大を司能となる。熱を効果的に伝導除去し
て高温強度の低下を防ぐ能力と共に６０［］〜８００℃
の温度で安定な構造（組織）をもつ能力がこの寿命改善
をもたらす。これらの物理的性鐘はＳｉ３Ｎ４複合物の
組織相によって決定的な影響を受ける。

この実施例は、記載の方法により得られた物質（・ま少
なくとも２５　ｉｎ”／分、物質除去速度で鋳鉄を１時
間連続切削した後測定したところ０．０１０インチより
大きくない摩耗を特徴とする１ネ耗寿命を有し、あるい
は少なくとも０．０６インチの切り込み深さでしかも工
Ｉ’Ｒ当り少なくともＬｌ、０１２インチの送り速度で
少なくとも２０００フイ一ト／分の切削条件下で機械的
な破損を有することを示している。

実施例２ 実施例１と実質的に同一の方法で調製の切削工具胴料は
フォード・モーター社の機械工場の実際の生産機械で切
削用に作った。機械加工せんとする鋳物はある場合には
製造か困難な回動車部品鋳物（固定子支持体）そしであ
る場合にはエンジンブロックである、その固定子支持体
は第３図に示す。固定子支持体の連続切削は表面ＢとＤ
に、ｍｌけつ切削は表面Ａに、そして断続切削は表面Ｃ
とＦに行なった。

これらの試料は第■表に示っ伸々の切削条件で実験した
。工具材の破損は、破損迄に製作された部品の数によっ
て測定した。ここで言うＩｌ＆ＪＪｌは加工品の許容範
囲の逸脱、または砂原（またはチッピング）を意味する
。

第■表、第八表および第７表の資料から、Ｙ２Ｏ３、Ｍ
ｇＯまたはＺ　ｒ　Ｏ２を含む比較的高いＹ　２０　、
／Ｓ　ｉ○２比のＳｉ３Ｎ、の特定の処理か、鋳鉄を高
除去速度または高速度で切側加工する時に工具寿命を長
くするところの熱衝撃パラメータを提供する。第ｍ表は
互いに隣接するグループの比較物についてより低い切削
速度からより高い切削速度までを示す。第用表から、本
発明の試料は工具寿命を著しく長くすることがわかる。

本発明の材料は市販の工具よりも３〜８倍の仕事をする
ことがわかる。エンジン・ブロック前端部の精密機械加
工において、切込入がＯ，Ｃ１６５ｉｎ　（約０．１６
５ｃｒｎ）の場合に７フイス削りのブロックの数が２１
００であるが、市販のセラミック工具使用の場合には送
り速度か半分でもその数は６００である。本発明の材料
は、（ａ）最近の切削条件での生産を高め、（１））高
切削速度および重送りでの生産容量を高め、（Ｃ１工具
材料のコストを下げ、（ａ＋工具交換による休止時間の
減少、およびＫｌ＋生産容量の増加に伴う機械の予防的
修理時間を提供する。

市販の工具材料より４倍以上の工具寿命を得るためには
、Ｓｉ３Ｎ、−８ｉｎ２−Ｙ２Ｏ３なる３元系はＹ２Ｏ
３の含量を７〜９チに調節しなけれはならない（第１Ｖ
表参照）。Ｙ２Ｏ３／ＳｉＯ３の比は１．６０以上にし
なければならない。

Ｙ　２０　ｓ／　Ｓ　１０２比の影響を第５図および第
７表に示−１−、第７表の下２つの試料について示した
データはＭ要である。試料１７の方法の好ましい態様に
よって得た物質−ｃあるか、４％のＹ２Ｏ３を用い、Ｓ
ｉ３Ｎ４粉末の敵索含有搬は０．８％である。試料１８
ｋｉ米Ｌ１％ｉ第３，８３　Ｃｌ、６５２号明細＝ｇ　
（Ｇａｚｚａ　）によって得た物質である。この米国特
許明＃Ｉ書（・まＳｉ３Ｎ、のマトリックス中に最大約
４％のＹ２Ｏ３を使用し、８１３　Ｎ　４粉末粒子上の
不純物としてＳｉｎ、。

を制御せず、但しこの道では本来的であるか８１３Ｎ　
４は従来の望化炉により得たことを開示している。

２つの試料の間の主たる変数はＹ２Ｏ３／５１０２比で
ある。各試料物質の工具寸法をＴｉＳ２のものとし、鼠
鋳鉄の切削を記載の条件下で行った。夫々を用いて同じ
部品を同じ数（６６０個迄）切削した。

各工具の摩耗を測定した。本発明により得られた物質に
ついて平均摩耗値は２５％未満でちり、最大摩耗値は２
０％未満であった。フレーク深さは７０〜５０％未満で
あった。（フレーク深さとはこ＼ではレーキ面のフレー
キングによるフランク巾における減少を意味する〕。こ
れはそのような短期使用については有意の摩耗減少であ
る。２つの試料の相を分析したところ試料１８は第２の
相Ｓ　ｉ　２　Ｎ　２０を含むことが分った。この相は
試料１７には存在せず、少なくとも約１．６のＹ２Ｏ３
／　５ｉＯｚ比の物質には現れないのが典型的である。

このように、熱衝撃パラメータは連続的あるいは断続的
切削条件のいずれかで最良にすることができる。

第４図および第■表は熱衝撃パラメータの果す役割を示
している。

４、追加の関係 本発明は原発明である昭和５４年特許願第４０４２５号
の発明の要旨は ｒ（ａ）　　−ａ離ケイ素を除く陽イオン不純物の含量
が１％以下の実質的にα相の窒化ケイ素からなる第１粉
末を調製し、 （ｂ）Ｙ２Ｏ３からなる第２粉末を調製し、（Ｑ）　　
前記第１粉末に前記第２粉末の４〜１２％を混合し、か
つ最終製品におけるＹ２Ｏ３／５１０２の比が１．２〜
ろ、０になるように前記第２粉末の添加量を調節し、 （ｄ）　　得られた混合体を５０００〜６５００　ｐｓ
ｉ（約３５０〜４５５　Ｋ９／ｃＩｎ２）の圧力下、１
７００〜１７５０℃の温度で６〜８時間熱間圧縮し、得
られた熱間圧縮体を１００℃／秒の速度で冷却し、しか
る後に （θ）得られた熱間圧縮体を切削工具に成形することか
ら成ることを特徴とし、理論値の９５％以上の密度、１
２００℃において少なくとも１１０　ｘ　１０９（ＢＴ
ｔｒ−２ｂ／ｈｒ（１ｎ３））の熱衝撃パラメーター、
スケール４５−Ｎの値が少なくとも８６のロックウェル
硬度を有する、特に鋳鉄の連続切削または断続切削に有
用な切削工具の製造方法。」 にある。一方、本発明の要旨は、 ［（１）窒化ケイ素含有単一体を製造する方法において
、 （ａ）本質的にＳｉ３Ｎ、、Ｙ２Ｏ３およびＳ　ｉ　Ｏ
２からなる調合混合物をホットプレス環境下に入れ、そ
こでＹ２Ｏ３は上記混合物の約４〜１２重量％であり、
Ｙ２Ｏ３／　５１０２重景比は少なくとも約１．６であ
り、また更にその混合物は第一粉末と第二粉末とからな
り、第一粉末が実質的にアルファ相の５１３Ｎ４とＳ１
０．とから本質的になり、遊離ケイ素を除く約１．０重
量％未満の陽イオン不純物を！ 含み、第二粉末が本質的にＹ２Ｏ３からなることを特徴
としており、 （ｂ）　　調合混合物を、密度が少なくとも約６．２５
１ｉ’　／ｃｍ３の窒化ブイ素含有単一体に圧縮成形し
、反応させるの′に充分な温度、圧力、時間でホつトゾ
レスにかけ、 （、）　　得られた単一体を冷却する ことを特徴とする、窒化ケイ素含有単一体を製造する方
法。」 にある。従って、本発明は原発明に対し、特許法第３１
条第１号に規定する要件を満すものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は研究室的な連続切削加工セットに使用した棒状
被削素材の斜視図：第２図は第１図に類似す゛る棒状被
削素材の端面図であって断続切削様式を示す：第３図は
被削素材として使用した固定子支持体鋳物の中心断面図
：第４図は摩耗寿命と熱衝撃パラメータの関係を示すグ
ラフ：そして第５図は摩耗寿命とＹ２Ｏ３／ＳｉＯ２の
比との関係を示すグラフである。 図面の浄書（内容に変更なし） 〃 二テ配巨≠＝・工・ ’Ｌ１：：：：：：：：；；；；；；］・４−手続補正
書補正式） 昭和５８年δ月）ケ臼 特許庁長官殿 １、事件の表示 昭和５８　　年中’Ｊｊ’Ｆ願第　　４５：’！７０　
　　弓３、補正をする者 事１′；、との関１′、Ｇ　行、、’ｌ　ｊｌ几１ｆ１
人住　　所 氏　　名 （名　　（シｉ、）　　　　ソ」−ド　モーター　カン
！（ニー４、代理人 、１−Ｓも・ ５、補正命令の日イ」 １１１（丁１１５８年６月２８日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）窒化ケイ素含有単一体を製造する方法において、 （ａ）　　本質的にＳｉ３Ｎ４、Ｙ２Ｏ３および５１０
   ２からなる調合混合物をホットプレス環境上に入れ、そ
   こてＹ２Ｏ３は上記混合物の約４〜１２車ｉ五％であり
   、Ｙ２Ｏ３／５１０２重量比は少なくとも約１．６であ
   り、また更にその混合物は第一粉末（！：忍二粉末とか
   らなり、第一粉末が実質的にアルファ相のＳｉ３Ｎ４と
   ５ｉ０２とから本質的になり、遊離ケイ素を除く約１．
   ０重１五％未渦の陽イオン不純物を含み、第二粉床か不
   憫的にＹ２Ｏ３からなることを特徴としており、（ｂ）
   　　調合混合物を、密度が少なくとも約６．２５９／Ｃ
   ｍ３０窒化ケイ素含有単一体に圧縮成形し、反応させる
   のに充分な温度、圧力、時間でホットプレスにかけ、 （Ｃ）　　得られた単一体を冷却する ことを特徴とする、窒化ケイ系含有単一体を製造する方
   法。 （２）　　Ｓｉ３Ｎ４粉末上に、Ｓｉ３Ｎ４粉末の約１
   ．５重重％の量で表面酸化物々して８１０２か存仕する
   、前記第（１）項に記載の方法。 （３）調合粉末混合物が０．５〜２．５−ｎｊ量％のＡ
   ｌ２Ｏ２を含む、前記第（１）項に記載の方法。 （４）Ａ合混合吻中のｙ、、ｏ、、の含量か約７〜９垂
   量％である、前記第（１）項に記載の方法。 （５）　Ｙ２Ｏ３／　５ｉ０２服景比が少なくさも約２
   ，５である、前記第（１）項に記載の方法。 （６）第一粉末か約０．５〜１．５重新％の０２を含む
   、前記第（１）項に記載の方法。 （カ　ホットプレスに使用する最大温度は少なくとも約
   １７００℃である、前記第（１）項ｔこ記載の方法。 （８）　　ホットプレスに使用する最大圧力は少なくと
   も５０００　ｐｓｉである、前記第（１）項に記載の方
   法。 （９）窒化ケイ素含有単一体を製造する方法において、 （ａｌ　　本質的にＳｉ３Ｎ４、′！２０３および５ｉ
   ０２からなる調合混合物をホットプレス環境下に入れ、
   そこでＹ２Ｏ３は上記混合物の約４〜１２重量％であり
   、Ｙ２Ｏ３／　５ｉ０２重量比は少ばくとも約１．６で
   あり、また史にその混合物は第−粉末と第二粉末とから
   なり、第一粉末は実質的にアルファ相のＳｉ３Ｎ４と５
   ｉ０２とから本Ｕ的になり、遊離ケイ素を除く約１．Ｌ
   ｌ車軟％以下の陽子オン不純ｖＩヲ含み、かつ５１０２
   として百合する酸素を約０．７乗置％まで含み、第二粉
   末は本ａ、的にＹ２Ｏ３からなることを特徴としており
   、 （ｂｌ　　調合イ昆合物を、＆ｊＩＫが少なくとも約６
   ．２５ｇ／　ｃｍ３（７）窒化ケイ素含有単一体に圧ハ
   「・成形し反応させるのに充分な温度、圧力、時間でホ
   ットプレスにかけ、 （Ｃ）　　得られた早一体を？や却することを特徴とす
   る、・、褒化ケイ累含有牟一体を製造する方法。 （１０）　　第一粉末が１重数％以下の遊離ケイ素を含
   む、前記第（９）項に記載の方法。 （ＩＩ）　　５１３Ｎ４が少なくとも８５　ｆＥ　：ｉ
   ｍ：％のアルファ相Ｓｉ３Ｎ４である、前記第（９）項
   に記載の方法。 ０２ｉ　　第一粉末が遊離ケイ素を除く陽イオン不純物
   を０．５屯−％未満含む、前記第（９）項に記載の方法
   。 ０３）調合粉末混合物の平均粒径か約１〜２．５ミクロ
   ンの範囲にある、前記第（９）項に記載の方法。 ｕ・Ｄ　　調合粉末混合物の平均柱径か約１〜１．７ミ
   クロンの範囲にある、ｎＪ記第（９）狼に記載の方法。 （１５１調合、′５１木混合物が、Ａ１２０ｚ、ＷＣ、
   ＴｉＣ：６よひＳｉ３Ｎ４からなる群から選んだ粉、砕
   媒体を０．５〜２．５菫↓ｌｔ％含む、前記第（９）項
   に記載の方法。 （１６）　　ホットプレスに使用する最向〃１度が少な
   くとも約１６５０°Ｃである、前記第（９）項に記載の
   方法。 （ＩＩ）　　ホットプレスに使用する最高圧力か少なく
   とも〜６５００　ｐｓｉである、前記第（９）項に記載
   の方法。 ｕ８）　　Ｙ２Ｏ３約４〜１２寞ｉ％、おヨＵ　Ｓｉ３
   Ｎ４　、ｌ−少量の８１０２とからなる残部から得られ
   、Ｙ、０３／ＳｉＯ２悸１ｆｆｌ−比か少なくとも約１
   ．６であり、しかも本質的にＹＳｉ０２Ｎ　、　ｙｌＱ
   ｓｉ７１＼４０２３およびＹ２　Ｓ　ｉ　２０７からな
   る粒間第二結晶相を有し、この第二相の少なくとも２５
   容′ｌｔ１％がＹＳｉ０２Ｎ相からなる、セラミックか
   らなる窒化ケイ素含有単一体。 ０翅　セラミックの１２００℃における熱論ＩＩすう３
   パラ剛　切削工具に形成された、前記第（１８）項に記
   載の窒化ケイ素含有羊一体。 シυ　Ｙ２ＳｉＯ５が本質的に第二相中で唯一の７古化
   物である、前記第賭項に記載の窒化ケイ素含治単一体。 Ｃ２’ｌｌ　　Ｓｉ３Ｎ４がベータＳｉ３Ｎ４およびベ
   ータプライムＳｉ３Ｎ４から選ばれる、前記第賭項に６
   己Ｊ或の窒化′ケイ素含有単一体。