JPS6021887A - 切削工具材料の製造方法 - Google Patents

切削工具材料の製造方法

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JPS6021887A
JPS6021887A JP58129686A JP12968683A JPS6021887A JP S6021887 A JPS6021887 A JP S6021887A JP 58129686 A JP58129686 A JP 58129686A JP 12968683 A JP12968683 A JP 12968683A JP S6021887 A JPS6021887 A JP S6021887A
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aluminum
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満彦 古川
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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】 本発明は、鋼および鋳鉄の高速切削に使用するのに適し
た表面被覆窒化珪素基切削工具材料及びその製造方法に
関するものである。
高速切削用工具としては、高速切削時に於ける優れた耐
酸化性を示すこと、かつ鉄との化学的反応性が低く摩擦
係数が小さいなどの理由て、現在酸化アルミニウム基切
削工員が主流となっている。
しかし乍ら酸化アルミニウムは、耐熱衝撃性および高温
ての機械的特性が充分でないため、酸化アルミニウム基
切削工具では300n+/ min以上の切削速度で安
定して鋼を切削することはきわめて困難である。そこで
熱膨張係数が小さく、耐熱衝撃性にすぐれ、かつ高温に
おける機械的強度にもすぐれた窒化硅素(以下SIJ〜
で示す)が注目されS i、 Ne基切切削工具開発さ
れたが、S ia N(tは鉄との反応性が高いために
摩耗が激しく、汎用性が低いのが現状である。S IJ
 Nfの上記欠点を酸化アルミニウム(^lよも)を被
覆することによって改善した例が特願昭53−1558
04号にあり、耐摩耗性は改善されている。しかしこの
発明による切削工具は、^1,0゜被覆層と51j〜基
体との接合が充分でなく、高速で切込を大きくすると被
覆層が基体から剥離するという欠点、またSra〜基体
の靭性が低下するという欠点があり実用上難があった。
本発明(よ上記欠点を改良し、高速切削でも耐摩耗性お
よび耐熱衝撃性に優れ寿命の長い表面被覆セラミック切
削工具を捉供することを目的とするものである。
本発明者等は、SIJ〜基切削工具に耐摩耗性を付与す
べく研究を行なった結果、前記Si7譜基焼M & 体
の表面にアルミニウム、ジルコニウム、ハフニウムの中
の1種あるいは2種以上の酸化物から成る単層または2
層以上の複層から成る表面波rIi層を形成し、さらに
それを熱同等方圧加圧焼結するとSi、7N、のもっ特
性が損なわれることなく体摩耗性が向上することがわか
った。さらに、S rJN(/基焼結基体と上記表面被
覆層である酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化
ハフニウム層との間にチタニウムの炭化物、窒化物、炭
窒化物、炭酸窒化物から選ばれる1種あるいは2種以上
の組成から成る中間層を存在させることにより一段と耐
剥離性や耐摩耗性が向上するという知見を得た。
本発明は上記知見に基ずいてなされたもので、SIJ〜
を基質とする焼結基体の表面に、アルミニウム、ジルコ
ニウム、ハフニウムの中の1種あるいは2種以上の酸化
物から成る単層又は2Fy以上の複層からなる表面層を
通常の化学蒸着法や物理蒸着法で形成し、更にそれを、
温度1100℃以上。
圧力200kg / c+/以−!二で熱同等方圧加圧
焼結することによってStJ%のもつ特性を損う乙とな
く体摩耗性を付与し、さらに必要に応じてS l、t 
Na−基焼結基体と被覆層であるアルミニウム、ジルコ
ニウム。
ハフニウムの中の1種あるいは2種以上の酸化物から成
る単層又は2層以上の複層から成る表面層との中間に、
チタニウムの炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸窒化物か
ら選ばれる1種あるいは2種以上の組成からなる単層又
は2層以上の中間層を存在させ、それを温度1100℃
以」二、圧力200kg / c+J以上て熱間等方圧
加圧焼結することにより一段と耐剥離性、耐摩耗性を向
上させた表面被覆切削工具に係るものである。
本発明の被覆S+、NV基切削工其における焼結基 。
体は主成分たるS 1 a N、のほかに20重量%を
越えない範囲(0を含まず)で結合相形成成分として酸
化アルミニウム、酸化イツトリウム、酸化マグネシウム
、窒化アルミニラA 、酸化硅!、酸化カルシウム、希
土類金属の化合物および遷移金属の化合物などのうち1
種又は2種以上を含有するものであり、コールドプレス
、あるいはホットプレスによって製造ずろことができ、
これに上記表面層。
中間層を被覆後さらに熱同等方圧加圧焼結するので、5
iJN、基焼結基体は、相対理論密度80%以上、好ま
しくは90%以上あればよい。
そしてこの様に相対理論密度80%以上95%未満のS
iゆN9基焼結基体とする事により、基体表面の開孔や
間隙からコーティングガスがある程度深さまで侵入し基
体内部から蒸着し、すなわち基体と被覆層が接合面で成
分的に大きな差異をもつ乙となく連続的に順次変化して
被覆層を形成ずろので被覆層の耐剥離性、耐熱衝撃性に
より優れた効果があられれ一層好ましいものである。
また被覆層の層厚は実験の結果、全体層厚が0.5μm
未満の層厚では所望の耐摩耗性改善の効果が得られず、
一方全体層厚が15μmを越えると、靭性が低下するの
で、層厚は全体層厚で0.5〜15μmが適することが
判明した。
ついて本発明の表面被覆窒化硅素基切削工只及びその製
造方法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5tJNy (1μIII:平均粒径、
以下同じ)粉末に^1.0.4(0,5μm)、 Y、
0J(1,5μml、 A90(0,5μm)およびT
iN(1,0μm)を第1表の1,2に示される基体配
合組成に配設し、ボールミルにて混合粉砕した。第1表
の1の配合組成の混合粉末を黒鉛型につめ温度1750
℃、圧力200kg / c++Iの圧力で1時間のホ
ットプレスを行ない実質的に配合組成と同一の最終成分
組成をもった焼結体を製造した。この様にして得られた
焼結体より抗折力測定用試験7i’ (4X 8 X 
25mm lおよび切削試験用チップCIS規格5NG
N 432型の切削チ・ツブを作製した。
この抗折力試験片にて抗折力、硬度、比重を測定した。
つぎにこれらの切削チ、ツブと抗折力試験片の表面にC
,V、 O,装置を用いてそれぞれ反応ガス組成および
処理時間を適宜変えて第1表に示される相貫及び平均層
厚の被覆層を形成した。具体的には第1表の1の場合、
試料を外熱型化学蒸着装置の金属製反応管内に装入し1
050℃に加熱した。次いて反応器中の圧力を140+
mnHgに保ちながら混合ガスとして^ICIJ5.4
容景%、[1よ68.1容量%。
CO3,8容量%、 coよ7.4容量1%、 NjL
15.3容量%を含有する混合ガスを反応器中に導入し
3時間処理してStJ%基焼結体の表面2μmのAI 
+0N)xとA1.Ojの複合層が形成された。このよ
うにして得られた抗折力試験片と切削チップは、さらに
温度1460℃、圧力1800kg / ciで1.5
時間熱間等方圧加圧焼結して本発明の表面被覆窒化珪素
基切削工具を得tこ。次いでこの様にして得られた本発
明表面被覆Si、N、基切削エバについて、被削材: 
SNCM−8(硬さH,220)切削速度: 300m
/ min 、切込み:1.5mm、送り: 0.2 
run / reν、の条件での錆切削試験、および被
削材j FC−25(硬さH,180)、切、削速度:
 300i/min、送り: 0.2mm / rev
、 、切込み: 1.5mmの条件での鋳鉄切削試験を
行ないそれぞれフランク摩耗幅:0.3+++m基準で
の寿命時間を測定した。この測定結果を第1表に示す。
実施例2 SiJNp (1μm+平均粒径、以下同じ)粉末にA
1.OJ+0.5μn+)、Y、OJ (1,5μn+
、MgO(0,5p m)およびTiN(1,0μm)
を第1表の2に示される基体配合組成に配合し、ボール
ミルにて混合粉砕しtこ。この混合粉末にパラフィンを
8重量%添加しライカイ器にて混合した粉末を金型にて
プレス成型し、抗折力測定用試験片 (4X 8X2!
imm)用プレス体および切削試験用チ1プCIS規格
5NGN 432型の切削チップ用プレス体を作製した
。次に、これらの抗折力測定用試験片用プレス体および
切削にツブ用プレス体を600℃にて脱ワツクスし、1
000℃にて予備焼結してコールドプレスによる試料を
作製した。
そして更に、これらのコールドプレス製の切削チップと
抗折力試験片の表面にC,V、 O,装置を用いて第1
表の2で示されるヰ4質及び平均jFl厚の被覆層を形
成した。具体的には、試料を外熱型化学蒸着装置の金属
性反応管内に装入し1050℃に加熱した。
次いで反応管内の圧力を140+n+nf(gにして反
応管中ニ)1,86.6容量%、 cH,io、o容量
%、 TiClB5.4容量%の組成の混合ガスをオー
プンシステム的に導入しながら、2時間30分反応させ
て約8.07zm ノTiC層を被覆し、次いてH,8
5,7容量%、 CHイア、6容量%。
CO3,:J容量%、 TiC1g3.4容量%の組成
の混合ガスを反応管内に4−プンシステム的に導入しな
がら10分間反応させて約1.0μmのTiC0層を被
覆し、更ニAICIJ5.4容景%、 H,,68,1
容量%、 CO3,8容量%、CO□7,4容景%、 
N、15.3容量%の組成の混合ガスを反応管内に詞−
プンシステム的に導入しながら3時間反応させて約2.
0μmのAI (ON) x及び^1,0゜を被覆した
試料を作製し、更に温度1460℃、圧力1800kg
 / cJで1.5時間熱間等方圧加圧焼結して、本発
明の表面被覆窒化珪素基切削工具を得た。実施例1と同
じ条件で、切削試験および物性を調査した。その結果は
第1表のとおりである。
第1表 又第1表には、比較の為で、本発明表面被覆切削チップ
ト2に関し、硬質層を形成しないものおよび、熱同等方
圧加圧焼結しないものも同一条件で切削試験を行ないそ
の結果を合せて示した。
表に示される結果から明らかなように、硬質層の形成が
ない無被覆の切削チップは切削寿命の著しく短かいもの
になっている。又、表面被覆後、熱同等方圧加圧焼結を
行なオ)ない切削チップも被覆層の剥離や、デツピング
がみられ、所望の効果が得られていない。この理由は表
面被覆のみでは基体と被覆層間の接着が充分てなく、抗
折強度も無被覆のものに比べ大幅に低下していることか
ら靭性が低下していることによると思われる。
これらに比べ本発明の切削チップは、優れた耐摩耗性、
耐熱衝撃性、および高温強度をもつ乙とから、鋼および
tjJ鉄の高速切削においてきオ)めで長い切削寿命を
示している。
更に本発明で選択した中間層、表面層について各種の組
合せについて試験を行なったが、そのいずれについても
上記第1表に示すのと同様の好結果を得た。
以上述べたように、本発明の表面被覆Sld〜基切削エ
バは、鋼や鋳鉄の高速切削用として使用しり場合、その
基体によってずぐれた高温強度と耐熱衝撃性が保たれ、
かつその被覆硬質層により優れた耐摩耗性が確保され、
しかも被覆層は基体と強固に結合されているので、きわ
めて優れた切削性能を安定して発揮するのである。
特許出願人 日本タングステン株式会社代理人有吉教晴 手続補正書 昭和58年11月、18日 特許庁長官 若 杉 和 夫 殴 3:、+’;l。
1、事件の表示 昭和58年 特許願 第12961116号2、発明の
名称 切削工具材料及びその製造方法 4、補正をする者 事件との関係 特 許 出願人 住所 氏名 1」本タングステン株式会社 4、代理人 5、補正命令の日付 昭和 年 月 日6、補正の対象
 願書2審査請求書及び明細書7、補正の内容 (1)、明細書第2頁第18行目、第3頁第14行目及
び第4頁第17行目の「還移金属」を「遷移金属」に補
正する。
(2)、明細書第4頁第7行目、第6頁第17行目、第
7頁第11行目及び第18行目の「酸化物」を「酸窒化
物と酸化物との複合物」に補正する。
(3)、明細書第5頁第7行目および第12頁第20行
目の「及び」を「および」に補正する。
(4)、明細書第7頁第2行目〜第3行目の「酸化アル
ミニウム、層」を「アルミニウム、ジルコニウム、ハフ
ニウムの酸窒化物と酸化物との複合物」に補正する。
(5)、願書及び出願審査請求書の発明の名称を別紙の
通り[切削工具材料およびその製造方法」に補正する。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、熱間等方圧加圧焼結後に、結晶構造上異方性の無い
    窒化硅素を基質とする焼結基体の表面に、アルミニウム
    、ジルコニウム、ハフニウムの少なくとも1種以上の酸
    窒化物と酸化物との複合物とから成る単層又は被層の表
    面層が接合されており、しかも同表面層と上記焼結基体
    とはその境界層に於いて互に成分的に混合しあい、かつ
    該境界層から離れるにつれ順次それ自体の成分に近づ(
    乙とを特徴とする切削工員材料。 2、焼結基体の窒化硅素の20重貝形以下(0を含まず
    )を、酸化アルミニウム、酸化イツトリウム、酸化マグ
    ネシウム、窒化アルミニウム、酸化硅素、酸化カルシウ
    ム、希土類金属の化合物及び遷移金属の化合物の中の少
    なくとも1M以上で置換しtコことを特徴とする特許請
    求の範囲第1項記載の切削工具用材料。 3、熱間等方圧加圧焼結後に、結晶構造上異方性の無い
    窒化硅素を基質とする焼結基体の表面に、チタニウムの
    炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸窒化物の少なくとも1
    種以上から成る単層又はw、W!Iの中間層が接合され
    ており、しかも同中間層と上記焼結基体とはその境界層
    に於いて互に成分的に混合しあい、かつ該境界層から離
    れるにつれ順次それ自体の成分に近づき、かつ上記中間
    層の表面に更にアルミニウム、ジルコニウム、ハフニウ
    ムの少なくとも1種以上の酸窒化物と酸化物との禎合物
    とから成る単層又は複層の表面層が強固に接合されてい
    ることを特徴とする切削エバ材料。 4、焼結基体の窒化硅素の20重貝形以下(0を含まず
    )を、酸化アルミニウム、酸化イ、ソトリウム、酸化マ
    グネシウム、窒化アルミニウム、酸化硅素、酸化カノト
    シウム、希土類金属の化合物及び還移金属の化合物の中
    の少なくと61種以上で置換したことを特徴とする特許
    請求の範囲第3項記載の切削工具材料。 5、窒化硅素を基質とする焼結基体の表面にアルミニウ
    ムデジルコニウム声ハフニウムの少すくとも11!i以
    上の酸窒化物と酸化物の複合物とから成る単層又は複層
    を形成し、次いで熱同等方圧加圧焼結を施すことを特徴
    とする切削工具材を特徴とする特許請求の範囲第5項記
    載の切削工具材料の製造方法。 7、焼結基体の窒化硅素の20重貝形以下(0を含まず
    )を、酸化アルミニウム、酸化イツトリウム、酸化マグ
    ネシウム、窒化アルミニウム、酸化硅素、酸化カルシウ
    ム、希土類金属の化合物及び還移金属の化合物の中の少
    なくとも1種以上で置換したことを特徴とする特許請求
    の範囲第5項若しくは第6項記載の切削工具材料の製造
    方法。 8、熱間等方圧加圧焼結条件を、温度1100℃以上圧
    力200kg / cIIr以上となしたことを特徴と
    する特許請求の範囲第5項〜第7項のいずれかに記つム
    の炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸窒化物の少なくとも
    1°種以上から成る単層又は複層の中間層を形成し、更
    に該中間層の表面にアルミニウム、ジルコニウム、ハフ
    ニウムの少なくとも1種以上の酸化物から成る単層又は
    複層を形成し、次いて熱同等方圧加圧焼結を施ずことを
    特徴とする切削工具材料の製造方法。 10、焼結基体の相対理論密度を80〜95%となすこ
    とを特徴とする特許請求のね四箇9項記載の切削工具材
    料の製造方法。 11、焼結基体の窒化硅素の20重貝形以下(0を含ま
    ず)を、酸化アルミニウム、酸化イットリウノ・、酸化
    マグネシウム、窒化アルミニウム、酸化硅素、酸化カル
    シウム、希土類金属の化合物及び還移金属の化合物の中
    の少なくとも1種以上で置換したことを特徴とする特許
    請求の範囲第9項若しくは第10項記載の切削工具材料
    の製造方法。 12、熱間等方圧加圧焼結条件を、温度1100℃以上
    、圧力200kg / l!/以上となしたことを特徴
    とする特許請求の範囲第9項〜第11項のいずれかに記
    載の切削工具材料の製造方法。
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