JPS59199580A - 耐摩耗性のすぐれたサイアロン基セラミツクス - 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】 この発明は、切削工具や面］摩耗工具なととして用いた
場合に著しくすぐれた耐摩耗性を示すサイアロン基セラ
ミックスに関するものである。。

近年、切削工具用および酬摩耗工具用Ａ＝Ｊ　ｉｌｌと
して、窒化けい素（以下Ｓ　］３Ｎ　／、で示す）基セ
ラミックスが注目されているが、このセラミックス（げ
、Ｓｉ３Ｎ４が共有結合性の強い化合物であることから
、焼結性が悪く、したかつてそのＭ　４に際してはホツ
トプレス法を用いる場合が多く、この場合複雑な形状の
ものを製造することは難しく、かつ生産・円の低いもの
となる。。

さらに、Ｓ　〕３　Ｎ　４よりも焼結性か高く、かつ耐
熱イｌＩ’Ｊ　ｎ％　ｔ４Ｌ　オヨび！ｆｉｉ１’　ｆ
’り３化性などにもすぐれた、β−Ｓ、　］、　３１’
Ｊ　４格子の８１の一部なＡＱで、ｈ丁の一部を○で置
換したｒｔ合物、すなわち組成式 Ｓｌ、３−ＺＡＡＱ７ＮＢ−７（ただし○くｚ≦４．３
）。

で表わされるβ−サイアロンを主成分とするサイアロン
基セラミックスを、切削工具や耐摩耗工具として用いる
試みもなされているが、このサイアロン基セラミックス
は、靭性は高いものの、硬さがロックウェル硬さＡスケ
ールで９２程度とあ甘り高くないだめ、所望の蒔１席粍
性を示さないのが現状である、。

そこで、本発明者等は、上述のような観点から、上記の
β−サイアロンを主成分とする従来サイアロン基セラミ
ックスに着目し、これに、これのもつ良好な焼結性を損
なうことなく、高硬度を伺与し、もってずぐれノー耐摩
耗性を確保すへく研究な行なった結果、 （ａ、、）　　上記のβ−サイアロンと共に、α−Ｓ　
１３＋Ｖｌ　４格子の８１の一部なＡＱで、Ｎの一部な
０で置換し、さらに同格子間にＬｉ、　Ｎ貼Ｃａ、、　
ｈ帖ツおＪ二Ｕ　？ｂ′土類元素のうちの１種または２
種１以上（以下、これらの元素を総合してＭで示す）か
侵入し固溶した構造をもつ化合物、すなわち組成式 １匂（Ｓｉ、　Ａｇ）、２（０，Ｎ）１６　（ただし○
くＸ≦２）。

で表わされるα−サイアロンを共存させると、この結果
のセラミックスは、硬さか向上し、すぐれた血１摩耗性
をもつようになること１、なお、この場合α−サイアロ
ンとβ−サイアロンの比率（α／β）は、容量比で、２
５　／　７５超〜９５１５とするのかよく、これにｊｌ
、α−サイアロンの割合が２５以下で（ｄ硬さ向」＝効
末か少なり、一方９５を越えた割合になると焼結性か低
下するようになるという理由にもとづくものであること
。

また、β−サイアロンは、上記のように組成式％式％） 条件を満足する必要かあり、これ１は、Ｚの値か４１３
な越えたわ１成は存在しないという理由によるものであ
るか、この範囲内でも２か大きくなると、セラミックス
中に和犬な巣が発生しやすくなると共に、強度も低下す
るようになるので、望才しくば０〈２≦２：ＩＯか好寸
しいこと。

さらに、α−サイアロンは、上記のように、組成式　１
ｖＩ□Ｘ（Ｓｉ、　Ａｕ）ｘ２（Ｏ５Ｎ’　）ユ６で表
わされ、０くＸ≦２の条件で存在するが、これはＸが２
を越えた組成になると、Ｍを格子間隙に侵入した状態で
完全に固溶きせることかできないという理由にもとつく
ものであること。なお、α−サイアロンにおけるＳｌ、
　ＡＱ、　　０＋　およびＮの比率は、１ψの種類とＸ
の（ｉｌｉにより変化し、正負の価数が等しくなるよう
に定寸るものと推定されること。

（１））　　ｊ二ａ己（ａ）　ノα−サイアロンとβ−
サイアロンとか共存するセラミックスに、結合相形成成
分として、上記ＩＶ」に含ｌれる元素、Ｓｉ、および４
℃の酸／ｌ′、物お」：０・窒化物のうちの１釉丑たば
２種以上（以下、と才′シらを総称して金属の酸・蟹化
物という）・ヤニ３−　イー」さぜると、これらの結合
相形成成分は、低融点を有し、したかつて焼結時に液相
を形成して焼結を促進し、かつ焼結後（はサイアロンの
粒界部にガラス質捷たは結晶質として存在するようにな
ることから、セラミックス（は十分に緻密化し、より高
い強度をもつようになること。

なお、この場合、上記結合相形成成分の含有量ば、１〜
２０容量％とするのかよく、これは、その含有量か］、
容量係未渦では７ＪＩｒ望の高密度化を（ｄ、かること
かできす、一方２０容」１１％を越えて含有させるとセ
ラミックスの強度か低下するようになるという理由によ
るものであること、。

以上（ａ）および（ｂ）に示される知見を得たのである
。

したがって、この発明は、上記知見にもとついてなされ
たものであって、 （１）　　組成式、’　８１６−２ＡｅｚｏｚＮｓ　ｚ
　（ただしＯ（ｚ≦４３）で表わされるβ−サイアロン
と、組成式％式％） で表わされるα−サイアロンとからなり、α−サイアロ
ン／β−サイアロンの容量比が・昼）／″１５ｉ４〜９
５　／　５　（Ｄ　Ｉｆｊ　囲（Ｃｈ　ルＩＩＨ’　１
１　ｋ　ＰＪｈ　（ＤずぐＩ’Ｌ　／Ｌツーイアロンノ
ｊ２セシミソクス。

（２）組成式　ｕ１６−ｚＡＡｚＯｚＮｓ−ｚ　（ただ
し０　（ｚ≦４，３）で表わされるβ−ザイアロノと、
組成式Ｍｙ　（：ｖユ、Ａｅ）１２　（ｏ＋　Ｎ）１６
　　（ただしＯ（ｘ≦２）で表わされるα−サイアロン
とを主成分とし、このほか（ｒ（、 結合相形成成分としての金属の酸・窒化物、１〜２０容
量係。

を含有し１．上記α−ザイアロン／β−サイアロンの容
量比が２５／’７５超〜９５１５の範囲にある耐摩耗性
のすぐれたサイアロン基セラミックス。

す、上（１）および（２）のサイアロン基セラミックス
に特徴を有するものである。

１／ζ、この発明のセラミックスは、原料粉末として、 ■　Ｓｉ３Ｎ４粉末→−ＡＱ２０３粉末＋ＡＱ　Ｎ粉末
。

■　Ｓｉ３Ｎ４粉末＋Ｓ　ｉ　０２粉末＋ＡＩ！Ｎ粉末
。

◎　８１２ＯＮ２粉末＋　ＡＡ　Ｎ　粉末。

以上■〜■のいずれかに組合せたαおよびβ−サイアロ
ン形成化合物粉末（ただしＳｉ３Ｎ４はα相含有率の高
いものが好捷しい）、 α−サイアロンに固溶し、また結合相も形成し得るＭの
酸化物および窒化物粉末を用意し、これら原料粉末を、
所定組成に配合し、この場合β−サイアロンの組成式か
ら１發−されるものよｐｈεおよびＮが多くなるよう（
で配合し、混合し、ついで、この混合粉末を、１５５０
〜］８００℃の範囲内の温度でホントプレスするか、あ
るいは前記混合粉末より成形した圧粉体を前記温度で焼
結することによって製造することができる。

なお、上記の焼結は、通常の状態で行なってもよいが、
この場合焼結後のセラミックスの表面変質層の厚みが厚
くなるので、圧粉体をＳｉ罰Ｊ、粉末中に埋め込んで焼
結するのか好丑しい１．丑だ焼結は、焼結中にＳｉ３Ｎ
４が分解するのを抑制するためにＮ２を含有した雰囲気
で行なう必要があシ、この場合Ｎ２とＨ２＋　またはＮ
２とＡｒなどの混合ガスでもよいが、Ｎ２だけの雰囲気
とした方が好祉しい、１さらに、雰囲気圧力は、０９気
圧程度でもよいか、１気圧が好ましく、さらに１気圧以
上ならば一ノ曽好−ましいか、この」易合には特別な焼
結炉が必要となる３、寸／ζ、焼ｊＧｊ！Ｉ　ｊ？ｌｌ
Ｉ　Ｊ”−Ｌ　（は、ｌ　ｒｆ己のように１５５０〜］
ｂＯＯ’Ｃてよいか、好丑しくは：Ｌ　６５０−１７５
０Ｃ（／ｌ１斤眞１７ＩＪ内のンん（度かよい。

さらに、焼結後のセラミックスに必要に応じて熱間静水
圧焼結を施すと、より一段と緻密化が進行するようにな
る１つ つきに、この兄り」のセラミックスを実施例によシ具体
的に説明する１、 実施例 原料粉末として、平均粒径：０８μｍの５１３Ｎ４（α
相含有率、９０容量％）粉末およびＣａＯ粉末。

１向］　０．６７ｉ　ｒｒ＋のα−Ａ＋！２０３粉末お
よびＭｇ○粉末、同１５μｍのＡＥ　Ｎ粉末、いずれも
同１．０μｍを有するＬｉ２Ｏ粉末、Ｎａ２Ｏ粉末、お
よびＹ２Ｏ３粉末、同１１μｍ、　（Ｄ　Ｅｒ；：Ｏｖ
粉末を用意し、これらの原料粉末を、それぞれ第１表に
示される配合組成に配合し、湿式ボールミル（／Ｃで７
２時間混合した後、乾燥し、ついでこの混合粉末をホッ
トプレス用黒鉛型に充填し、大気中、圧カニ　２００　
ｋｇ／ｃｉ　、焼結温度。

４６ １　”／　００℃、保持時１ｆＪ　：　１時間の条件に
てホットプレス焼結することによって本発明セラミック
スｊ〜」○および比較セラミックス］、２をそれぞれ製
造した。

なお、比較セラミックスｌ、２は、いずれも構成成分の
うちのいずれかの成分含有量（第１表に※印をイ」シた
もの）がこの発明の範囲から外れた組成をもつものであ
る。

この結果得られ／ヒ本発明セラミックス１〜１０およＯ
・比較セラミックス］、２について、顕微鏡観察および
Ｘ線回折なとによシ組成を調べると共に、硬さくロック
ウェル硬さＡスケール）を測定し、さらに、これよりＳ
Ｎ　０４３２に則した切削チップを切り出し、 被削拐　１ｉ’　Ｃ３０の丸棒。

切削速度：　４００　ｎｔ　／ｎｊＩ１．　。

切込み’、　２．５　ｍｉｎ　。

送り、０５　ｎｕｎ　／　ｒｅｖ、　。

切削時間　５ηｊｍ、　。

の条件で’１ｊ’ｌｉ＜高速切削試験を行ない、切刃の
逃げ面摩耗幅を測定した。これらの結果を第１表に示し
た。寸だ、第１表には、比較の目的で、市販のＡε２０
３基セラミックスの同一条件による試験結果も示しだ。

第１表に示される結果から、本発明セラミックス１〜１
’Ｏは、いずれも高い硬さと、すぐれた血］摩耗性を示
すのに対して、α−ザイアロンの存在しない比較セラミ
ックスｌはＩ耐摩耗性の劣るものであり、また結合相形
成成分の含有量がこの発明の範囲から高い方に外れだ比
較セラミックス２および市販のＡＡ２０３基セラミック
ス１，２は、いずれも靭性が劣るだめに満足な切削を行
なうことができないものであった。

実施例　２ 原料粉末として、実施例］、て用いた５ｊ３Ｎ４粉末。

ＡＥＮ粉末、α−Ａ尼２０３粉末、および￥２０．５粉
末のほかに、平均粒径：０．３μｍの５１０２粉末、同
１５μｍのＹＮ粉末、および同ｌ○μｍの５Ｉ１１２０
３粉末を用意し、これらの原料粉末を、それぞれ第２表
に示される配合組成に配合し、さらに粘結剤としてパラ
フィンを、配合粉末に対する割合で４重量係添力１．Ｉ
　Ｌ、ｒｌ＋＋！−弐ボールミルにて７２時間混合し、
乾燥した後、１　ｔｏｎ／ｉ　　の圧力にて圧粉体にプ
レス成形し、ついでこの圧粉体を、真空中、温度二ＳＯ
Ｏ℃に２県間加熱した後、Ｓｉ３Ｎ４粉末中に埋め込ん
だ状７曹で、１気圧のぺ２雰囲気中、温度。

１７２０℃に２時間保持の条件で焼結することばよって
、本発明セラミックス］工〜２０および比較セラミック
ス３，４をそれぞれ製造した。

この結果得られた本発明セラミックス１１〜２０および
比較セラミックス３，４（Ｃついて、実施例］における
と同様に組成および硬さを測定すると共に、これよＩ）
　Ｓ　ＩＱＧ４３２の切削チップを切り出し、 仮削材：５ＫＤ６１丸棒（ロックウェル硬さＡスケール
６０）。

切削速度、１００ｍ／皿川。

切込み　０５頭。

送り　ｏ２０ｔｕｆｔ／　ｒｅｖ、　。

切削時間、工５　＋ｕｊｒ、、　。

の条件で焼入鋲の切削試、りさを行ない、切刃の逃げ面
摩耗幅を測定した。これらのカ）青果を第２表に示した
。

第２表に示される結果から、不発１タコセラミックス１
．１〜２０（ｄ、いずれも高いイ便さとずぐれ／こ面］
摩耗性を示すのに対して、組成かこの発ψノの範囲から
外れた比較セラミックス３　、　　、ｉは、いずれも硬
さおよび耐摩耗性の点で劣るものであった。。

上述のように、この発明のセラミックス（ｄ、高硬度を
有し、かつ実用に際してはすぐれた耐摩耗性を示すので
、これを切削工具や耐摩粍工具などとして用いた場合に
は著しく長ＪＩＪＪにＪ↓ってすぐ汎た性能を安定的に
発揮するのである５、出願人　　三菱金属株式会社

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　組成式：　８１６−ＺＡ９ＺＯＺＮ８−Ｚ（
   ただし○〈２≦４３）で表わされるβ−サイアロンと、
   組成式：　ＭＸ（Ｓｊ、、　Ａｊり１ｚ（０＋　Ｎ）１
   ６（ただしＯ（ｘ≦２゜Ｍ　：　Ｌｉ、　Ｎａ、　Ｃａ
   、　Ｍｇ憂希土類元素のうちの１種または２種以上を示
   す）で表わされるα−ザイアロンとからなり、α−サイ
   アロン／β−サイアロンの容ｔ１５比が２５／７５超〜
   ９５１５の範囲にあることを特徴とする而」摩耗性のす
   ぐれたサイアロン基セラミックス。
2. （２）　　組成式　５１６７、Ａ＋！　２０２Ｎ８−２
   （たたし０　（ｚ≦４３）で表わされるβ−サイアロン
   と、組成式：　Ｍｘ　（：、；１．　Ａｌｌ　）１２　
   （０＋　Ｎ　）１６　（ただし０　（ｘ≦２゜！％ｌＩ
   　：　Ｌｉ　、　Ｎａ、　、　Ｃａ　、　Ｍｇ菩希土類
   元素のうちの１種または２種以上を示す）で表わされる
   α−ザイアロンとを主成分とし、このほか（（、 結合相形成成分として、上記）、４に含１れる元素。 Ｓｉ、およびＡＱの酸化物および窒化物のうちの」紳ま
   たは２種以上：１〜２０容量係。 を含有し、上記α−ザイアロン／β−ザイアロンの容量
   比が２５　／　７５超〜（：）　５　／　５の範囲にあ
   ることを特徴とする耐摩耗性のすぐれたサイアロン基セ
   ラミックス。