JPS59199581A - 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、鋳鉄の高速フライス切削やＮｉ基の耐熱合
金用の切削工具、あるいは１１１１１７＃耗工具などと
して用いた場合に著しくすぐれたｌｌｉ’ｌ’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、−
１近年、切削工具用および耐摩耗工具用材料として、窒
化けい素（以下Ｓｊ、３Ｎ４で示す）基セラミックスが
注目されているが、このセラミックスは、Ｓｉ３Ｎ４が
共有結合性の強い化合物であることから、焼結性か悪く
、したかつてその製造に際してはホットプレス法を用い
る場合が多く、この場合複雑４・形状のものを製造する
ことはｇｉ；　ｔ、　＜　、かつ生産・Ｌ’、ｌＥの低
いものとなる。

さらに、Ｓｉ３Ｎ４よりも焼結性が高く、かつ４熱衝撃
性および耐酸化性などにもすぐれた、β−８ｊ３Ｎ　、
格子の８１の一部をＡＰ、で、Ｎの一部な○で置換した
化合物、すなわち組成式 Ｓｊ、６　ｚＡｆ！ｚｏｚＮａ−２（ただし○〈２≦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か、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−１ニジ向くないため、所望の耐摩耗
性を示さ安いのが現状である。

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、高硬度な伺与し、もってすぐれた而」摩
耗性を確保すべくイυ（究を行なった結果、 （ａ）上記のβ−サイアロンと共に、α−３ｊ、３Ｎ４
格子の８１の一部をＡＰ、で、Ｎの一部な○で置換し、
さらに同格子間にＬｉ、Ｎａ　、　Ｃａ、　Ｍｇ’：’
ＢおよＯ・希土類元素のうちの１種甘たは２種以上（以
下、これらの元素を総合してＭで示す）が侵入し固溶し
た構造をもつ化合物、すなわち組成式。

ＭＸ（Ｓｉ、　Ａ（り１２（０，Ｎ）ｘ６（ただしＯ（
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、硬さが向上し、すぐれた耐摩耗性を
もつようになること１） 々お、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１．５７９５〜２５／７５とす
るのがよく、これは、α−サイアロンの割合が５未満で
は所望の硬さ向上効果が得られす、一方２５を越えた割
合になると靭性が低下するようになシ、例えば鋳鉄の高
速フライス切削では欠損する場合を生じるという理由に
もとつくものであること。

寸だ、β−サイアロンは、上記のように組成式％式％ 条件をｈニア１足する必要があり、これは、２の値が４
３を越え／ζ組成は存在しないという理由によるもので
あるが、この範囲内でも２が大きくなると、セラミック
ス中に粗大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、望脣しくはＯ（ｚ≦２０が好捷し
いこと。

さらに、α−サイアロンは、上記のように、組成式：　
Ｍｘ（Ｓｉ、　ＡＱ）ｘｚ　（０＋　Ｎ）１６で表わさ
れ、０〈Ｘ≦２の条件で存在するのが望１しく、これは
Ｘが２を越えた組成になると、１Ｊを格子間隙に侵入し
た状態で完全に固溶させることができないという月１山
にもとづくものであること。なお、α−サイアロンにお
けるＳｉ、　ＡＩ！、　　Ｏ，およびＮの比率（ｄ、１
・４の杜類とＸの値により変化し、正負の価数が等しく
なるように定まるものと推定されること。

（ｂ）　　上ｆｉ己（ａ）の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Ｍに含１れる元素、Ｓｉ、およびＡＡの酸化
物および窒化物のうちの１種甘だば２種以上（以下、こ
れらを総称して全屈の酸・窒化物という）を含有させる
と、これらの結合相形成成分は、低融点を有し、したが
っ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ま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は、１〜
２０容量係とするのがよく、これは、その含有量が１容
量係未満では所望の高密度化をはかることができず、一
方２０容量％を越えて含有させるとセラミックスの強度
が低下するようになるという理由によるものであること
。

す、上（ａ）および（ｂ）に示される知見を’ｔ４Ｊだ
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：　５ｉ６−ｚＡ的０□Ｎ８−２（ただし
０　（Ｚ≦４３）で表わされるβ−サイアロンと、組成
式：　Ｍ）（（Ｓｉ、　Ａｌりｘ２（０，Ｎ）１６　（
ただしくつ〈Ｘ≦２）で衣わされるα−サイアロンとか
らなり、α−サイアロン／β−ザイアロンの容量比が５
／９５〜２．５７　’ｉ’　５の範囲にある面４摩粍性
のすぐれたサイアロン基、（、セラミックス。

（２）組成式’、　Ｓ１６−ｚＡｇｚＯｚＮｓ−ｚ（た
だし○〈２≦７ｉ３）で表わされるβ−サイアロンと、
組成式ＭＸ（ＳＬｔ　ＡＱ）　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、このほかに、 結合相形成成分としての金属の酸・窒化物：１〜２０容
量％。

を含有し、」二言己α−ザイアロン／β−ザイアロンの
容ｈｆ比が５／９５〜２５　／　７５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。

以上（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だ、この発明のセラミックスは、原料粉末として、 ■　５Ｌ３１何、粉末＋ＡＡ２０３粉末＋ＡｔＮ粉末。

■　Ｓｉ３Ｎ４粉末＋５ｉ０２粉末十ＡＣＮ粉末。

■　Ｓｉ２ＯＮ２粉末＋ＡｏＮ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（だたしＳｉ３Ｎ４　（弓：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
ら計算されるものよりＡＱおよびＮが多くなるように配
合し、混合し、ついで、この混合粉末を、］５５０〜１
８００℃の範囲内の温度でホットプレスするか、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１−７なお、上記
の焼結（ｒ−１、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Ｓｉ３Ｎ４粉末中に埋め込んで焼結す
るのが好ましい１、−１７’ｊ焼結は、焼結中にＳｉ３
Ｎ４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り、この場合Ｎ２とＨ２＋　　また
はＮ２とＡｒなどの混合力スでもよ　　′いか、ｊ＼・
またけの雰囲気とした方が好ましい。さらに、雰囲気圧
力は、０９気圧程度でもよいが、１気圧が好１しく、さ
らに１気圧以上ならば一層好丑しいか、この場合には將
別な焼結炉が必要となる。−１：／こ、焼結温度（ｄ、
上記のように１５５０〜１８００℃でよいか、好ましく
は１６５０　＝１７５０°Ｃの範囲内の温度がよい１゜ 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。

つぎに、この発明のセラミックスを実施例により具体的
に説明する。

実施例　ｌ 原オＳ１粉末として、平均粒径：０８μｍの５ｉ３Ｎ４
（α相含有率：９０容量％）粉末およびＣａＯ粉末。

同０．６　ｐ　７１１のα−ＡＱ２０３粉末およびＭｇ
Ｏ粉末、同１５μｍのＡεＮ粉末、いずれも同１．０μ
ｍを有するＬ１２０粉末、　Ｎａ２Ｏ粉末、および￥２
０３粉末、同１．１／ｆ　＋ＩＬの１Σｒ　２０３粉末
を用意し、これらのＨ”Ａ粉末を、それぞれ第１表に示
される配合組成に配合し、湿４６７− 式・Ｊ・−ルミルにて７２１乃間混合し／こ後、乾燥し
、ついてこの混合粉末をホットプレス用黒鉛型に充填し
、大気中、圧力。２００　ｋｇ／ｃｒｒｔ　、焼結温度
Ｌ　’／　ＩＪ　Ｏ’Ｃ、保持時間　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
コル土０および土ヒキ吹−ヒラミックス１．２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※印を有したも
の）かこの発明の範１２Ｉ」から外れた、組成をもつも
のである。

この結果得られた本発明セラミックス１−１０および比
１咬セラミックス１，２について、顕微鏡観察およびχ
線回折など（／ｃより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
５ＮＯ４，３２に則した切削チップな切シ出し、 被削利　インコネル７１８の丸棒。

切削速度　２００ｎｌ　／ｍｊｎ、　。

切込み　］、、　］５ｎｕｎ、　。

送１）　：　０．２　ｒｕｎ　／　ｒｅｖ、　。

切削時間：５ｍ＋ｕ。

の条件でＮ］基ｍｌ熱合金の切削試、験を杓ない、切刃
の逃げ面摩耗幅を測定し／と２、これらの結果を第１表
に示した。′−１：た、第１表に＋ｄ、比較の目的で、
市販のＡＡ２０３基セラミックスの同一条件による試験
結果も示した。

第１表に示される結果から、本発明セラミックス１〜１
０は、いずれも高いイ便さと、すぐれた而」摩耗性を示
すのに対して、α−サイアロ／の存在しない比較セラミ
ックスｌは１制摩耗性の劣るものであり、寸だ結合相形
成成分の含有量かこの発明の範囲から高い方に外れた比
較セラミックス２および市販の、ＡＱ、、　Ｏ，基セラ
ミックス」、ン２は、いずれも耐摩耗性が劣るために満
足なりＪ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：、Ｓ　］、　３　
Ｎ’　４粉末。

ＡＭＮ粉末、α−ＡＩ！２０３粉末、およびＹ２（−）
３牧末のほかに、平均粒径　０３μ＋ＩＬの５１０２粉
末、同１、′５／ｌ　ｎ（のＹＮ粉末、および同ｌ○μ
７ｎのＳｍ２Ｏ３粉末な用′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％添加し、湿式ボールミルにて７２時間混合し、乾
燥した後、Ｉ　Ｌｏ　ｎ／ｃｒｉｔの圧力にて圧粉体に
プレス成形し、ついでとの圧粉体を、真空中、温度：８
００℃に２時間加熱した後、Ｓｉ３Ｎ４粉末中に埋め込
んだ状態で、１気圧のＮ２雰囲気中、温度：］７２０℃
に２時間保持の条件で焼結することによって、本発明セ
ラミックス１１〜２０および比較セラミックス３，４を
それぞれ製造した。

との結呆イ（Ｊられだ本発明セラミックス１１〜２０お
よび比較セラミックス３，４について、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、これより
３　Ｎ　Ｃ＋　／１．３２の切削チップをりｊり出し、 工具形状　直径１６０　ａｍφのｌ）　Ｎカッター。

被削材　ｌＪ　Ｃ２５の幅１５０＋ｕ＋Ｘ長さ４００ｍ
７１の寸法をもった鋳鉄角材。

切削速度：　４００　ｍ　／ｖｔｘ　。

切込み　２　ｍノｎ。

一刀当りの送り　０８Ｗｉに／刃。

切削回数゛Ｓパス（’４．００鳶ｒｒ／パス）。

切削状態′上記カンタ−に切削チップ１枚を取シつけ、
カッター中心と被削材の幅 の中上・とを一致させて切削。

の条件てυｊ鉄フライス切削試験を行ない、切刃の逃は
面摩耗幅を測定し／ζ。これらの結果を第２表に示した
。。

第２表に示される結果から、本発明セラミックス１土〜
２０は、いずれも高い硬さとすぐれた血Ｊ摩耗性を示す
のに利して、組成がこの発明の範囲から外れだ比１咬セ
ラミックス３，４（は、いずれも硬さおよびｉｉｉ′Ｉ
ａＪ耗件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は、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耗工具などとして用いた場合には
著しく長期に旦ってすぐれた性能を安定的に発揮するの
である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　組成式　Ｓ１６−　ｚＡｇｚｏ　ｚ　Ｎ　８
   −　ｚ　（ただし○〈Ｚ≦４３）で表わされるβ−サイ
   アロンと、組成式　ＭＸ（Ｓｉ、　Ａｔり　ｘ２（０＋
   　Ｎ　）　１６　（ただし○〈Ｘ≦２゜ｌｖｌ　：　Ｌ
   ｉ、　Ｎａ　、　Ｃａ　、　Ｍｇ’Ｚ希土類元素のうち
   の１種壕だは２４車以上を示す）で衣わされる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４．Ｈ−比が５　／　９．５〜２５　／　７５の範囲
   にあることを特徴とする面１ｊ♀耗性のすぐれたサイア
   ロン基セラミックス。
2. （２）組成式：　Ｓｉ６−ｚＡＭｚ０７．Ｎａ−Ｚ　（
   ただし０〈７、≦４３）で表わされるβ−サイアロンと
   、組成式　１、Ａｘ（Ｓｘ、ＡＩり、２（０，Ｎ）１６
   　（ただしＯ（ｘ≦２゜Ｍ　：　Ｌｌ、　Ｎａ、　Ｃａ
   、　Ｍハシ希土類元素のうちの１種捷たけ２種以上を示
   す）で表わされるα−サイアロンとを主成分とし、この
   ほかに、 結合相形成成分として、上記Ｍに含丑れる元素。 Ｓｉ、およびＡｌ！の酸化物および窒化物のうちの１神
   または２種以上：ｌ〜２０容量％。 を含有し、上記α−サイアロン／β−サイアロンの容量
   比が５／９５〜２５　／　’ｉ’　５の範囲にあること
   を特徴とする耐摩粍性のすぐれたサイアロン基セラミッ
   クス。