JPS59232985A - 表面被覆サイアロン基セラミツクス工具部材 - 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々ととして用いた場
合に著しくすぐれた耐摩耗性を示す、表面全硬質層で被
覆されたサイアロン基セラミックス工具部材に関するも
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、この場合複雑な形状のものを製造することは難
しく、かつ生産３− 性の低いものとなる。

さらに、Ｓｉ３Ｎ４よりも焼結性が高く、かつ耐熱衝撃
性および耐酸化性などにもすぐれた、β−３ｉ３Ｎ４格
子のＳｉの一部をＭで、Ｎの一部を０で置換した化合物
、すなわち組成式：８１６−２Ａ＃ｚｏｚＮａ−２（た
だし０　＜　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程度とあまり高く
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、高硬度を付与してすぐれた耐摩耗性を確
保し、さらにその表面には硬質被覆層を形成して一段と
耐摩耗性を向上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−Ｆ３　ｉ
３　Ｎ４４− 格子のＳｉの一部ｆＭで、Ｎの一部を０で置換し、さら
に同格子間にＬｉ、　Ｎａ、　Ｃ！ａ、　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（ｓｌ、　
Ａ−ｇ）＋ｚ（０，Ｎ）＋６（ただし０〈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、２５／７５〜９５１５とする
のが良く、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得られず、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：　５ｉ
６−ｚＡＩ）ｚ（ＪｚＮＢ−Ｚで表わされ、Ｏ〈ｚ≦４
．３の条件全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５
− 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、望ましくは０　＜　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：　
Ｍｘ（ｓｉ、　Ｍ）ｔ２（０，Ｎ）＋６で表わされ、Ｏ
（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ｓｌ、　ｐ、ｇ、
　　ｏ、およびＮの比率は、Ｍの種類とＸの値によシ変
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、結合相形成成分として
、上記Ｍに含まれる元素、Ｓｉ、およびＭの酸化物およ
び窒化物（以下、これらを総称して金属の窒・酸化物と
いう）のうちの１種または２種以上を含有させると、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６− 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％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
。

（Ｃ）　　上記（ｂ）のα−サイアロン、β−サイアロ
ンおよび金属の窒・酸化物で構成されたサイアロン基セ
ラミックス工具部材の表面に、Ｔｉ、　Ｚｒ、およびＨ
ｆの炭化物、窒化物、炭窒化物、および炭窒酸化物のう
ちの１種の単層または２種以上の複層からなる硬質被覆
層（以下、これらを総称して４ａ族金属の炭・窒・酸化
物からなる硬質被覆層という）を形成すると、耐摩耗性
が一段と向上するようになること。

この場合、上記４ａ族金属の炭・窒・酸化物か７− らなる硬質被覆層の平均層厚は０．５〜１０μｍとする
のがよく、これは、その平均層厚が０．５μｍ未満では
所望の耐摩耗性向上効果が得られず、一方１０μｍｋ越
えた平均層厚にすると、被覆層自体にチッピングが生じ
易くなシ、使用寿命の短命化の原因となるという理由に
よること。

（ｄ）上記（ｃ）の４ａ族金属の炭・窒・酸化物からな
る硬質被覆層の上に、さらにＭの酸化物および窒酸化物
のうちの１種の単層または２種の複層からなる硬質被覆
層（以下、これらを総称してＭの窒・酸化物からなる硬
質被覆層という）を形成すると、特に鋳鉄の高速切削に
おいてすぐれた耐摩耗性を示すようになること。

この場合、Ｍの窒・酸化物からなる硬質被覆層は、その
平均層厚を０．５〜５μｍとするのがよく、その理由は
、０．５μｍ未満の平均層厚では所望の作用効果が得ら
れず、一方５μｍｆ越えた平均層厚にしてもよシ一層の
改善効果は現われず、経済的でないばかりでなく、チッ
ピングが生じ易くなることによるものであること。

８− 以上（ａ）〜（ｄ）に示される知見を得たのである。

したがって、この発明は、上記知見にもとづいてなされ
たものであって、 （１）組成式：　Ｓｉ６−２ＭｚｏｚＮｓ−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（Ｅｌｉ、　Ｍ）ｔｚ（０，Ｎ）ｔ６（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窒・酸化物：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の範囲内にある組成を有する
サイアロン基セラミックス工具部材の表面に、 ４ａ族金属の炭・窒・酸化物からなる硬質被覆層ヲ０．
５〜１０μｍの平均層厚で形成してなる表面被覆サイア
ロン基セラミックス工具部材。

（２）組成式：　ｓｉ６−２ＭｚｏｚＮｓ−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）＋２（０，Ｎ）ｔｓ　（ただし
Ｏ＜ｘ≦２）で表わ９− 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窒・酸化物＝１〜２０容
量係、 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の範囲内にある組成を有する
サイアロン基セラミックス工具部材の表面に、 中間層として、４ａ族金属の炭・窒・酸化物からなる硬
質被覆層ヲ０．５〜１０μｍの平均層厚で形成し、 さらに上層として、Ｍの窒・酸化物からなる硬質被覆層
’ｋ　０．５〜５μｍの平均層厚で形成してなる表面被
覆サイアロン基セラミックス工具部材。

以上（１）および（２）の表面被覆サイアロン基セラミ
ックス工具部材に特徴を有するものである。

また、この発明の表面被覆サイアロン基セラミックス工
具部材において、サイアロン基セラミックス工具部材は
、 原料粉末として、 １０− ■　Ｓｉ３Ｎ４粉末＋Ｍ２Ｏ３粉末＋ＡＡＮ粉末、■　
Ｓｉ３Ｎ４粉末＋５１０２粉末十ＭＮ粉末、■　Ｓｉ２
ＯＮ２粉末＋／ＶＮ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
いものが好ましい）、 結合相形成成分としての金属の窒・酸化物粉末を用意し
、 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Ｍ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、通常の状態で行々つてもよいが、
この場合焼結後のセラミックス工具部材の表面変質層の
厚みが厚くなるので、圧粉体を、Ｅｌｉ３Ｎ４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Ｓ　］、３　Ｎ４が分解するの
を抑制するために１Ｊｚｆ：含有した雰囲気で行々う必
要があり、この場合Ｎ２とＮ２．　　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１５５０〜１８０
０℃でよいが、好ましくは１６５０〜１７５０℃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。

また、硬質被覆層の形成は、通常の化学蒸着法や物理蒸
着法などを用いて行なうことができるが、接合強度の点
からは化学蒸着法を用いた方がよい。

つぎに、この発明の表面被覆サイアロン基セラミックス
工具部材を実施例により具体的に説明する。

実施例　１ 原料粉末として、平均粒径：０．８μｍｆ有するＳｉ３
Ｎ４　（α相含有率：９０容量係）粉末、同０．６ｐｍ
のＭ２Ｏ３粉末、同１．５　ｐｍのＭＮ粉末、同０．８
　ｐｍのＯａＯ粉末、同０．６μｍのＭｇＯ粉末、いず
れも同１゜Ｏｐｍｆ有するＬｉ２Ｏ粉末、　　Ｎａ２Ｏ
粉末、Ｙ２Ｏ３粉末。

Ｌａ２Ｏ３粉末、およびＹＮ粉末、さらに同１．１μｍ
のＥ１７２０３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７２時間混合した後、乾燥し、ついでこの混合粉
末をホットプレス装置の黒鉛製型に充填し、大気中、圧
カニ２００Ｋｐ／７、焼結温度：１７００℃、保持時間
：１時間の条件にてホットプレスして、サイアロン基セ
ラミックス母材全製造し、この母材についてロックウェ
ル硬さくＡスケール）を測定すると共に、顕微鏡観察お
よびＸ線回折によシα／βサイアロンの容量比を測定し
た後、これよυ工具部材としてＪ工Ｓ規格５ＮＧ４３２
に則した切削チップを切り出し、研摩とホーニング加工
を施し、引続いて、これらの切削チップを直径：１８０
ｍｍφのインコネル製反応管の中に入れ、第２表に示さ
れる硬質被覆層に応じた１３− 組成を有する反応混合ガスを、前記反応管内に流入させ
ながら、４ａ族金属の炭・窒・酸化物からなる硬質被覆
層形成にあたっては、大気中、１０００℃の反応温度に
、またＭ２Ｏ３の硬質被覆層形成にあたっては、ｌ　Ｑ
　ｔｏｒｒの減圧雰囲気中、１０００℃の反応温度に、
さらにＭＮＯの硬質被覆層形成にあたっては、Ｑ、　５
　ｔｏｒｒの減圧雰囲気中、８００℃の反応温度に、そ
れぞれ加熱し、かつ層厚に応じた３０〜５時間反応全行
ない、それぞれ第１表に示される組成および平均層厚の
硬質被覆層を形成することによって、本発明表面被覆サ
イアロン基セラミックス工具部材としての本発明表面被
覆切削チップ１〜２０をそれぞれ製造した。

ついで、この結果得られた本発明表面被覆切削チップ１
〜２０について、 被削材：鋳鉄（Ｆｅ１２）の丸棒、 切削速度：　４００　ｍ　／　ｍｉｎ、切込み：２．５
調、 送’）　：　０．３　ｗｍ　／　ｒｅ、ｖ、、切削時間
：５ｍ１ｎ。

の条件で鋳鉄の高速切削試験を行ない、試験後の切刃の
逃げ面摩耗幅を測定した。これらの測定結果を第１表に
合せて示した。なお、第１表には、比較の目的で、市販
のＭ２Ｏ３基セラミツクスから製造された切削チップ（
以下従来切削チップという）１．２の同一条件での切削
試験結果を示した。

第１表に示される結果から、本発明表面被覆切削チップ
１〜２０は、いずれもすぐれた耐摩耗性を示し、切削工
具として長い使用寿命を示すのに対して、従来切削チッ
プ１，２は、いずれも靭性不足が原因で、チッピングを
起し、実用に供し得ないものであった。

実施例　２ 実施例１で用いたと同じ原料粉末を用い、Ｓｉ３Ｎ４　
：　８９．６チ、 Ｍｚｏ３：　０．３　％、 Ａ６Ｎ　：　５．１％、 ＭｇＯ：　５％、 からなる配合組成（以上容量％）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１８− 。割合で３重量係添加して湿式ボールミルにて７２時間
混合した後、乾燥し、ついでこの混合粉末を１、２　ｔ
ｏｎ　／　ｃｔｆｔの圧力にて圧粉体にプレス成形し、
との圧粉体を、真空中、温度＝８００℃に１時間保持の
条件で加熱した後、Ｓ　：ｔ、、、Ｎ４粉末中に埋め込
み、この状態で、１気圧の窒素雰囲気中、温度：１７２
０℃に２時間保持の条件で焼結してサイアロン基セラミ
ックス母材を製造し、引続いて実施例１におけると同一
の条件で切削チップを切り出すと共に、その表面に、平
均層厚＝５μｍのＴｉ０Ｎ硬質被覆層を形成することに
よって本発明表面被覆切削チップ２１を製造した。

この本発明表面被覆切削チップ２１と、比較の目的で用
意した、Ｍ２Ｏ３−３０容量チＴｉＣの組成を有する市
販の従来切削チップ３全用いて、被削材：鋳鉄（Ｆｅ２
５）裏白動車ブレーキディスク、 切込み：３咽、 送り：　０．５　ｖａｎ　／　ｒｅｖ、、切削速度：　
６００　ｍ　／ｍｉｎ。

１９− 切削油：なし、 実切削時間：１５ｓｅｃ／個、 の条件で切削加工を行なったところ、本発明表面被覆切
削チップ２１は使用寿命に到るまでに１２０個を切削加
工することができたのに対して、従来切削チップ３は５
０個で使用寿命に到るものであった。

実施例　３ 実施例２で製造したサイアロン基セラミックス母材から
切り出した切削チップの表面に、それぞれ平均層厚：８
μｍｆ有するＺｒＮからなる硬質被覆層、並びに同６μ
ｍｆ有するＩ（ｆＮからなる硬質被覆層を形成してなる
本発明表面被覆切削チップ２２゜２３をそれぞれ製造し
た。

なお、ＺｒＮ硬質被覆層は、反応管内の圧カニ２００　
ｔｏｒｒ、温度：　１０５０℃、反応混合ガス組成−Ｎ
２　：　９２％、　ＺｒＣｌ２−２％、　Ｎ２　：　６
％の条件で形成し、また、ＨｆＮ硬質被覆層は、反応管
内圧カニ２２０ｔｏｒｒ１温度：　１０８０℃、反応混
合ガス組成−Ｈｚ：９２チ、　　Ｈｆ０ｔ４：２％ｒ　
Ｎ２　’　６チの条件で形２０− 成した。

この結果得られたＺｒＮ硬質被覆層形成の本発明表面被
覆切削チップ２２、およびＨｆＮ硬質被覆層形成の本発
明表面被覆切削チップ２３について、被削材：＠鉄（Ｆ
ｅ１２）の丸棒、 切削速度：　４００　ｍ　７ｍ１ｎ１ 切込み：２．５閾、 送り　：０．３調／　ｒｅｖ、、 切削時間：５ｍ１ｎ、 の条件で鋳鉄の高速切削試験を行ない、試験後、切刃の
逃げ面摩耗幅を測定したととる、前者は０．３２＋ｍｎ
、後者は０．２２ｍｍ１示し、すぐれた耐摩耗性を有す
ることが確認された。

上述のように、この発明の表面被覆サイアロン基セラミ
ックス工具部材はすぐれた耐摩耗性を有するので、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発揮するのである。

出願人　三菱金属株式会社 代理人　富　１）和　夫　外１名

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）組成式：　５１５−２Ｍ、ｌ、ｏ、Ｎａ−ｚ（た
   だし０＜Ｚ≦４．３）で表わされるβ−サイアロンと、
   組成式：Ｍｘ（Ｓｉ、　Ｍ）ｔ２（０，Ｎ）ｘａ　（た
   だしＯ＜ｘ≦２＋　Ｍ　：Ｌｉ。 Ｎａ　、　Ｃ！ａ、　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、 結合相形成成分としての上記Ｍに含まれる元素、Ｓｉ、
   およびＭ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容量チ、 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の範囲内にある組成を有
   するサイアロン基セラミックス工具１一 部材の表面に、 Ｔｉ、　Ｚｒ、およびＨｆの炭化物、窒化物、炭窒化物
   。 炭酸化物、および炭窒酸化物のうちの１種の単層または
   ２種以上の複層からなり、かつ平均層厚：０゜５〜１０
   μｍｆ有する硬質被覆層を形成してなる表面被覆サイア
   ロン基セラミックス工具部材。
2. （２）組成式：　５ｉ６−２Ａｉ？ｚｏｚＮｓ−２（た
   だし０〈ｚ≦４．３）で表わされるβ−サイアロンと、
   組成式：Ｍｘ（ｓｉ、　Ａｇ）ｔ２（０，Ｎ）ｔａ　（
   ただしＯ＜ｘ≦２．Ｍ：Ｌｉ。 Ｎａ、Ｏａ、　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、 結合相形成成分としての上記Ｍに含まれる元素、Ｓｉ、
   およびＭ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容量チ、 全含有し、かつ上記α−サイアロン／β−サイアロンの
   容量比が２５／７５〜９５１５の範囲内にある組成を有
   するサイアロン基セラミックス工具部材の表面に、 Ｔｉ　、　Ｚｒ、およびＨｆの炭化物、窒化物、炭窒化
   物。 ２− 炭酸化物、および炭窒酸化物のうちの１種の単層または
   ２種以上の複層からなり、かつ平均層厚：０．５〜１０
   μｍを有する中間層と、Ｍの酸化物および窒酸化物のう
   ちの１種の単層または２種の複層からなり、かつ平均層
   厚：０．５〜５μｍｆ有する上層とで構成された硬質被
   覆層を形成してなる表面被覆サイアロン基セラミックス
   工具部材。