JPS6016388B2 - 高靭性セラミック工具の製法 - Google Patents

高靭性セラミック工具の製法

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JPS6016388B2
JPS6016388B2 JP53136048A JP13604878A JPS6016388B2 JP S6016388 B2 JPS6016388 B2 JP S6016388B2 JP 53136048 A JP53136048 A JP 53136048A JP 13604878 A JP13604878 A JP 13604878A JP S6016388 B2 JPS6016388 B2 JP S6016388B2
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    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
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    • C04B35/58Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides
    • C04B35/584Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on silicon nitride
    • C04B35/593Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on silicon nitride obtained by pressure sintering
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24GRINDING; POLISHING
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    • B24D3/00Physical features of abrasive bodies, or sheets, e.g. abrasive surfaces of special nature; Abrasive bodies or sheets characterised by their constituents
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    • Y10T407/00Cutters, for shaping
    • Y10T407/27Cutters, for shaping comprising tool of specific chemical composition

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は窒化珪素を主体とする高鰯性セラミック工具の
製法に関するものである。
従来鋳物の黒皮を100m/min以上の/・ィスピー
ドで切削するセラミック工具としては、山203および
山203−TIC等をホットプレス若しくは熱間静水圧
法(HIP法)などにより燐結したものが主として使用
されてきた。
ところがこれらの工具は、使用中欠け、割れ等を起し易
く、自動機で切削加工をする場合には、稼動率低下の最
大原因となっていた。また工具としての寿命は、欠けお
よび割れに左右され、摩耗幅が非常に少ない状態でも交
換しなければならないことが多かった。そこで本発明者
はかかる欠点を解消するため、鋭意検討の結果、AI2
03系材料よりも衝撃強さ、熱衝撃強さおよび鰯性の高
い窒化珪素に着目した。窒化珪素を主体とするセラミッ
クは、共有結合性の強い雛暁結材料で、従来よりガスタ
ービン等のエンジニアリングセラミックス用に非常に多
くの研究がなされてきたが、切削工具への応用は少ない
。本発明者は暁結助剤としてMg0および安定化された
Zr02を用いて、工具材料とした使用した場合の特性
調査を行ない、遂にAI203系セラミック工具の致命
的欠陥である使用中の欠け、割れを解決することに成功
し本発明を完成した。すなわち本発明の要旨は、図面に
示すように正三角形に交わる三軸にそれぞれSi3N4
、Mg0および安定化されたZの2の重量%を表示した
三角座標において、点A(Si3N4班重量%、Mg0
1重量%、Zr021重量%)、点B(Si3N479
重量%、Mg02の重量%、Zの21重量%)、′点C
(Si3N479重量%、Mg01重量%、Zr022
の重量%)を結ぶ線で囲まれる範囲においてSi3N4
、Mg○および安定化されたZr02の各粉末を混合し
非酸化性雰囲気で1600〜185ぴ○、100k9/
地以上の圧力でホットプレスすることを特徴とする高鰍
性セラミック工具の製法にある。以下に本発明を詳細に
説明するに、本発明では原料としてSi3N4、Mg○
およびZの2の三成分を必要とし、Zの2はY203、
Ca0などで安定化されていることを要する。
安定化されていないZr02を使用すると、競絹後部分
安定化した形か又は単斜晶系の形で焼結体中に残留し、
切削加工する際工具先端の温度が1000qo以上に上
昇した時、高温型の正方晶系に変態を行い、異常な容積
変化を伴うため熱歪により欠け、割れに対する抵抗性が
減少してしまう。上記の三成分は図面に示すような三角
座標において点A、B、Cを結ぶ点線で囲まれる範囲内
、好ましくは点D、E、Fを結ぶ実線で囲まれる範囲内
であることが要求される。この範囲内であると欠けに対
する抵抗性が大きく、範囲外になると大幅に低下する。
また概してMg0が少なくなると耐摩耗性が低下する額
向がある。80%以上98%以下のSi3N4にY20
3、又はCa○で安定化したZr02を添加剤として1
%以上20%以下加えた理由はZの2添加量が1%より
少ない範囲では籾性の向上効果がみられず20%より多
くなると工具としての硬度の低下と共に切削時の摩耗が
多く使用できない点にある。
又Si3N4の限定理由はSi3N4が聡%以上では晩
結性が悪く目的とする特性が得られず80%以下では切
削時の耐摩耗性が低下するためである。又Mg0を1%
以上20%以下加える理由は1%より少ない範囲では焼
結促進剤としての効果が少なく20%より多くなると切
削時の摩耗が多くなり工具としての特性が得られないた
めである。この範囲内で三成分の粉末を混合したならば
、非酸化性雰囲気で、1600〜1850oo、100
k9/仇以上の圧力でホットプレスする。非酸化性雰囲
気により焼成するのは、窒化珪素が極めて酸化し易いか
らである。また1600qoよりも低い温度であると競
結が不充分となる場合があり、1850ooよりも高い
温度であるとSi3N4の蒸発が著しくなる。実施例
1 Q−Si3N49の重量%と8一Si3N41の重量%
よりなる粉末とCa020モル%により安定化したZの
2と、Mg○とを表1に示す比で混合し、ボールミルに
より粉砕して平均粒径1仏とした。
これを乾燥してホットプレス素地とし、表に示す温度で
黒鉛型にて30分間、200k9/めでホットプレス成
形し、研磨して12.8×12.8×4.76凧のSN
P−432、12.8×12.8×7.94のSNP−
455 4×8×25の各テストピースを製作し、諸物
性を測定した。なお、試料M.1、恥.2、船.8を除
き暁綾体は彫密に焼きしまっていた。また図面に原料粉
末の組成をプロット(図面の数字は表の試料No.に相
当)した。表 1失 本発明の範囲外 ×1 これのみoa○の代りKY203で安定した。
X2 4×8×25肌のテストピースを使用しJIS
B−4104Kより測定した。X3 ス中ハーフィッシ
ャ−硬度計により45K9の荷車で測定した。×4 S
NP−432、チャンフア−U.1のテストピースを使
用し、被削材として1000の仇×5002仇のを選び
、切削条件を切削速度400mノ肌、切込み1.0のの
、送り速度0.2のの/rev、切削長さ、400の勿
としてフランク摩耗中V13を測定した。X5 SNP
−455、チャンフア−0.2のテストピ−スを使用し
、被削材として1ー○−20(黒皮)を選び、切削条件
を切削速度500mイ肌、切込み2.2〜3.0の仇′
、送り速度0.3 のり/revとして外径200冊、
厚さ35ののの円板の外側前を軸方向に切削したり表1
によって示せれる通り本発明によって得たセラミック工
具は、鋤性特に鋳物のラフカットに対する工具のチッピ
ング、欠けに対する抵抗性に優れ、自動機における工具
の信頼性を大中に向上させることができる。
その理由は断定できないが第1に表1に示す如き断続切
削に於ては刃先の温度は100000以上に上昇するこ
とが繰り返され、この時AI203−TIC系工具は熱
膨張係数が約7xl06/℃と大きいのに対し本発明の
Si3N4を主体とする工具は約3.5xl06/℃と
小さく熱衝撃に強いためと考えられる。又第2にSi3
N,を主体とする工具は微構造的に観察した時、繊維構
造を示し、破壊に対する靭‘性が高いためと考えられる
。実施例 2実施例1の試料No.6と同一組成にて安
定化ジルコニャを用いる代りに、安定化されていない単
斜晶系のジルコニャを用い、比較試料No.駅−を製作
した。
特に欠け、割れを起す迄の製品の切削枚数を調査する試
料は10ケ製作し、No.6と比較した結果表2の通り
になった。表 2 表2より明らかな如く、抗折力、硬度、耐摩耗性では両
者共差がないけれども、欠け、割れを起す迄の製品の切
削枚数は恥.6が10ケの試料中、10ケ皆200ケ以
上切削できたのに対し、舷.服は3ケのみ200ケ以上
切削でき、その他は41ケ〜189ケの間にばらついて
いた。
これの理由は断定できないが、舷.服がX線回折により
、少量の単斜晶系の低温型Zr02を検出されるのに対
し、本発明のM.6はすべて安定イけの2のみ検出され
るため、欠け、割れに対する強さが安定しているためと
思われる。最近の切削機械はいずれも自動化が進んでお
り、工具の突発的な欠け、割れは大変やつかし、な問題
を起すため、本発明による安定した工具は欠け、割れに
対する強さのばらつきの大きいM.駅に比し大きな長所
を有している。尚別に室温から1200℃迄の熱膨脹を
調査したところ地.服は90ぴ0と100ぴ0の間で熱
膨脹係数の変化点が認められたがM.6は変化点が認め
られず直線的膨脹曲線を示した。また本発明によって得
られたセラミック工具は、上記のような優れた諸物性の
ため、鋳物以外の金属、例えばアルミニウム、スチール
などの切削工具、さらには切削のような振動や熱のかか
る機械用耐熱部品に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
図面は凝結されるべき混合粉末を構成する各要素の配合
割合を示す三角座標図である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 図面に示すように正三角形に交わる三軸にそれぞれ
    Si_3N_4、MgOおよび安定化されたZrO_2
    の重量%を表示した三角座標において、点A(Si_3
    N_498重量%、MgO1重量%、ZrO_21重量
    %)、点B(Si_3N_479重量%、MgO20重
    量%、ZrO_21重量%)、点C(Si_3N_47
    9重量%、MgO1重量%、ZrO_220重量%)を
    結ぶ線で囲まれる範囲においてSi_3N_4、MgO
    および安定化ジルコニアの各粉末を混合し非酸化性雰囲
    気で1600〜1850℃、100kg/cm^2以上
    の圧力でホツトプレスすることを特徴とする高靭性セラ
    ミツク工具の製法。 2 三角座標において、点D(Si_3N_496重量
    %、MgO2重量%、ZrO_22重量%)、点E(S
    i_3N_480重量%、MgO18重量%、ZrO_
    22重量%)、点F(Si_3N_480重量%、Mg
    O2重量%、ZrO_218重量%)を結ぶ線で囲まれ
    る範囲においてSi_3N_4、MgOおよび安定化さ
    れたZrO_2を混合した粉末をホツトプレスする特許
    請求の範囲第1項に記載の高靭性セラミツク工具の製法
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EP0306001A2 (en) 1987-09-02 1989-03-08 NGK Spark Plug Co. Ltd. Silicon nitride sintered product

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