JPS59232971A - 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、切削工具や耐摩耗工具などとして用いた場
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、切削工具用および耐摩耗工具用材料として、窒化
けい素（以下Ｓｉ３Ｎ４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、焼結性が悪く、し
たがっ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、この場合複維な形状のものを製造することは
難しく、かつ生産性の低いものとなる。

さらに、Ｓｉ３Ｎ４よシも焼結性が高く、かつ耐熱衝撃
性および耐酸化性などにもすぐれた、β−Ｓｉ３Ｎ４格
子の８１の一部なＭで、Ｎの一部なＯで置換した化合−
物、すなわち組成式： ５ｉ６−ｚＡＪＶ、ｚ○ＺＮ８−Ｚ　　（ただしＯ（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、硬すがロックウェル硬さＡスケ
ールで９２程度とあまシ高くないため、所望の耐摩耗性
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、高硬度を付与し、もってすぐれた耐摩耗
性を確保すべく研究を行なった結果、 （ａ）上記のβ−サイアロンと共に、α−８ｉ３Ｎ４格
子のＳｌの一部をＡＡで、Ｎの一部を○で置換し、さら
に同格子間にＬｉ　、　Ｎａ　、　Ｃａ　、　Ｍｇ’；
Ｙ”、および希土類元素のうちの１種または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、　Ａｌり１ｇ（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。

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、２５／’ｉ’５〜９５１５と
するのがよく、これは、α−サイアロンの割合が２５未
満では所望の硬さ向上効果が少なく、一方９５を越えた
割合になると焼結性が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％ の条件を満足する必要があり、これは、２の値が４．３
を越えた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“な巣が発生しゃすくなると共に、強度も低下す
るようになるので、望１しくは○くｚ≦２．０が好まし
いこと。

さらに、α−サイアロンは、上記のように、組成式：Ｍ
Ｘ（Ｓｌ、　ＡＡ）１２（０＋　Ｎｂ２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
させることができないという理由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、　ＡＱ、　
Ｏ，およびＮの比率は、Ｍの種′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）　　上記（ａ）のα−サイアロンとβ−サイアロ
ンとが共存するセラミックスに、分散相形成成分として
、酸化ツルコニウム（以下、ＺｒＯ２で示す）および酸
化ノ・フニウム（以下、ＨｆＯ２で示す）のうちの１種
または２種を含有させると、・焼結時におけるサイアロ
ンの粒成長が抑制されるようになると共に、焼結性も向
上するようになるので、セラミックスの硬さはさらに向
上し、耐摩耗性も一層改善されるようになること。

なお、この場合Ｚ、ｒ０２およびＨｆ０４の含有量は１
〜４０容量チとするのがよく、これは、その含有量　５
− が１容量チ未満では所望の硬さおよび耐摩耗性向上効果
が得られず、４０容量チを越えて含有させると、焼結性
が低下するようになると共に、サイアロンのもつすぐれ
た耐熱衝撃性が損なわれるようになるという理由による
ものである。

（Ｃ）上記（ｂ）のセラミックスに、結合相形成成分と
しての上記Ｍに含まれる元素、上記分散相を構成する金
属元素、　Ｓｉ、およびＡＰ、の酸化物および窒化物の
うちの１種またけ２種以上（以下、これらを総称して金
属の酸・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容量チとするのがよく、これは、その含有量が１容
量チ未満では所望の高密度化をはかることができず、一
方２０容量チを越えて含有　６− 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。

以上（ａ）〜（ｃ）に示される知見を得たのである。

この発明は、上記知見にもとづいてなされたものであっ
て、 （１）組成式：　５ｉ６−ｚＡＱｚＯｚＮ８−ｚ　　（
ただしＯ〈２≦４．３）で表わされるβ−サイアロンと
、組成式：　Ｍｘ（Ｓｉ、　ＡＡ）１２（Ｏｒ　Ｎ）１
６　（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、 分散相形成成分としてのＺｒＯ２およびＨｆＯ２のうち
の１種または２種：ｌ〜４ｏ容量チ容 量台相形成成分としての金属の酸・窒化物＝１〜２０容
量チ、 を含有し、かつα−サイアロン／β−サイアロンの容量
比が２５／’７５〜９５１５の範囲内にある耐摩耗性の
すぐれたサイアロン基セラミックスに特徴を有するもの
である。

また、この発明のセラミックスは、原料粉末として、 ■　Ｓｉ３Ｎ４粉末＋ＡＡｓ＋Ｏｓ粉末十ＡＱＮ粉末、
■　Ｓｉ３Ｎ４粉末＋ＳｉＯ２粉末＋Ａｐ、Ｎ粉末、０
３ｉｚ○Ｎ祷末＋Ａｔ！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Ｓ　ｉ　３Ｎ　４はα相含有
率の高いものが好ましい）、 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、 分散相形成成分としてのＺｒＯ２およびＨｆＯ２粉末、
さらに、結合相形成成分としての金属の酸・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ｐ　ＡＡ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、１５５０−１８００℃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シ成形した圧粉
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Ｓ　ｉ　３Ｎ４粉末中に埋め込ん
で焼結するのが好ましい。また焼結は、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などの混合ガスでもよいが、Ｎ２だけの雰囲
気とした方が好ましい。さらに、雰囲気圧力は、０．９
気圧程度でもよいが、１気圧が好ましく、さらに１気圧
以上ならば一層好ましいが、この場合には特別な焼結炉
が必要となる。また、焼結温度は、上記のように１５５
０〜１８００℃でよいが、好ましくは１６５０〜１７５
０℃の範囲内の温度がよい。

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。

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 原料粉末として、平均粒径：０．８μｍのＳ　ｉ　３Ｎ
４（α相含有率：９５容量チ）粉末およびＣａＯ粉末　
９− 同０５μｍのα−ＡＱ　２０３粉末およびＭｇＯ粉末、
同０．９μｍのＡＱＮ粉末、同１．５μｍのＣｅＯ２粉
末、いずれも同１，１μｍのＬ１２０粉末およびＮａ２
Ｏ粉末、同０．６ｐｍのＹ２Ｏ３粉末、同０．４　ｉｔ
　ｍのＺｒＯ２粉末、同０．５μｍのＨｆＯ２粉末、い
ずれも同１．５μｍを有する各種の希土類酸化物粉末を
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、湿式ボールミルにて２４時間混合し
た後、乾燥し、ついでこの混合粉末を１　ｉ０ｎ／７の
圧力で圧粉体に成形し、この圧粉体をＳ　ｉ　３Ｎ４製
るっぽ中に入れ、１気圧の窒素雰囲気中、温度：１７０
０℃に１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１〜１５および比較セラミックス１〜３を
それぞれ製造した。

なお、比較セラミックス１〜３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※印を付したも
の）がこの発明の範囲から外れた組成をもつものである
。

この結果得られた本発明セラミックス１〜１５および比
較セラミックス１〜３について、顕微鏡１０− 観察およびＸ線回折など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ｆｉｓＮＧ４３２に則した切削チップを切り出し
、 被削材：Ｆｅ１２の丸棒、 切削速度：４００ｍ／飄、 切込み：２．５ｍｍ。

送９　：　０．２５　ｍｙｎ／　ｒｅｖ、、切削時間＝
５狐、 の条件で鋳鉄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。

第１表に示される結果から、本発明セラミックス１〜１
５は、いずれも高い硬さと、すぐれた耐摩耗性を示すの
に対して、比較セラミックス１〜３に見られるように、
構成成分のうちのいずれかの成分含有量がこの発明の範
囲から外れると、硬さおよび耐摩耗性の劣ったものにな
ることが明らかである。

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
著しく長期に亘ってすぐれた性能を安定的に発揮するの
である。

出願人　　三菱金属株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 Ｍｌ　威武’　Ｓ　ｉ　ａ　−ｚ　ＡＱ　ｚ　Ｏｚ　Ｎ
   　ｓ　−ｚ　（ただしＯ（ｚ≦４．３）で表わされるβ
   −サイアロンと、組成式：Ｍｘ（Ｓｉ、　Ｍ、　）　１
   ２　（○ｒ　Ｎ）１６　（ただし○くＸ≦２゜Ｍ　：　
   Ｌｉ、　Ｎａ、　Ｃａ　、　Ｍｇ、　Ｙ　、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−
   サイアロンとを主成分とし、このほかに、 分散相形成成分としての酸化ジルコニウムおよび酸化ハ
   フニウムのうちの１種または２種：１〜４０容量チ、 結合相形成成分としての上記Ｍに含まれる元素。 上記分散相を構成する金属元素、Ｓｉ、およびＡＰ、の
   酸化物および窒化物のうちの１種または２種以上＝１〜
   ２０容量係、 を含有し、かつ上記α−サイアロン／β−サイアロンの
   容量比が２５／７５〜９５１５の範囲内にあることを特
   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
   。