JPS6257597B2 - - Google Patents
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- JPS6257597B2 JPS6257597B2 JP58083784A JP8378483A JPS6257597B2 JP S6257597 B2 JPS6257597 B2 JP S6257597B2 JP 58083784 A JP58083784 A JP 58083784A JP 8378483 A JP8378483 A JP 8378483A JP S6257597 B2 JPS6257597 B2 JP S6257597B2
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Description
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
アロン基セラミツ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)基セラミツ
クスが注目されているが、このセラミツクスは、
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、したがつてその製造に際して
はホツ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−
Si3N4格子のSiの一部をAlで、Nの一部をOで置
換した化合物、すなわち組成式:
Si6−zAlzOzN8−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
ロン基セラミツクスを、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
ン基セラミツクスは、靭性は高いものの、硬さが
ロツクウエル硬さ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
イアロン基セラミツクスに着目し、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、もつてすぐれた耐摩耗性を確保すべく研
究を行なつた結果、
(a) 上記のβ−サイアロンと共に、α−Si3N4格
子のSiの一部をAlで、Nの一部をO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)12(O,N)16(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、この結果のセラミツクスは、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〜
95/5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:Si6−zAlzOzN8−zで表わされ、O<z≦
4.3の条件を満足する必要があり、これは、z
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zが大
きくなると、セラミツ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O<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,Al)12(O,N)16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Si,Al,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
が共存するセラミツクスに、分散相形成成分と
して、酸化ジルコニウム(以下、ZrO2で示
す)および酸化ハフニウム(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、セラミツ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ZrO2およびHfO2の含有量は
1〜40容量%とするのがよく、これは、その含
有量が1容量%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%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)のセラミツクスに、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Alの
複合酸・窒化物を含有させると、これらの結合
相形成成分は低融点を有し、したがつて焼結時
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、セラミツク
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%とするのがよく、これは、
その含有量が1容量%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ツ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
のであつて、
(1) 組成式:Si6−zAlzOzN8−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,Al)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、
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:1〜40容量%、
結合相形成成分としての複合酸・窒化物:1
〜20容量%、を含有し、かつα−サイアロン/
β−サイアロンの容量比が25/75〜95/5の範
囲内にある耐摩耗性のすぐれたサイアロン基セ
ラミツクスに特徴を有するものである。
また、この発明のセラミツクスは、原料粉末
として、
Si3N4粉末+Al2O3粉末+AlN粉末、
Si3N4粉末+SiO2粉末+AlN粉末、
Si2ON2粉末+AlN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)、
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、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
Al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
内の温度でホツトプレスするか、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
ことによつて製造することができる。
なお、上記の焼結は、通常の状態で行なつても
よいが、この場合焼結後のセラミツクスの表面変
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。また焼結
は、焼結中にSi3N4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
1550〜1800℃でよいが、好ましくは1650〜1750℃
の範囲内の温度がよい。
さらに、焼結後のセラミツ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、この発明のセラミツクスを実施例によ
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Si3N4
(α相含有率:95容量%)粉末およびCaO粉末、
同0.5μmのα−Al2O3粉末およびMgO粉末、同
0.9μmのAlN粉末、同1.5μmのCeO2粉末、いず
れも同1.1μmのLi2O粉末およびNa2O粉末、同
0.6μmのY2O3粉末、同0.4μm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1ton/cm2の圧力で圧粉
体に成形し、この圧粉体をSi3N4製るつぼ中に入
れ、1気圧の窒素雰囲気中、温度:1700℃に1時
間保持の条件で焼結することによつて本発明セラ
ミツクス1〜15および比較セラミツクス1〜3を
それぞれ製造した。
なお、比較セラミツクス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ツクス1〜15お
よび比較セラミツクス1〜3について、顕微鏡
The present invention relates to sialon-based ceramics that exhibit outstanding wear resistance when used as cutting tools, wear-resistant tools, and the like. In recent years, silicon nitride (hereinafter referred to as Si 3 N 4 )-based ceramics have attracted attention as materials for cutting tools and wear-resistant tools.
Since Si 3 N 4 is a compound with strong covalent bonding properties, it has poor sintering properties, so hot pressing is often used to manufacture it, and in this case it is difficult to manufacture products with complex shapes. , and productivity is low. Furthermore , β-
A compound in which part of the Si in the Si 3 N 4 lattice is replaced with Al and part of the N is replaced with O, i.e. β- expressed by the composition formula: Si 6 -zAlzOzN 8 -z (O<z≦4.3). Attempts have been made to use sialon-based ceramics, which have sialon as a main component, as cutting tools and wear-resistant tools, but although these sialon-based ceramics have high toughness, their hardness is only about 92 on the Rockwell hardness A scale. Currently, it does not exhibit the desired wear resistance because it is not high. Therefore, from the above-mentioned viewpoint, the present inventors focused on the conventional sialon-based ceramics containing β-sialon as a main component, and added high-quality materials to this ceramic without impairing its good sinterability. As a result of research to add hardness and ensure excellent wear resistance, (a) In addition to the above β-SiAlON, a part of the Si in the α-Si 3 N 4 lattice was replaced with Al and N Replace part of with O,
Furthermore, one or more of Li, Na, Ca, Mg, Y, and rare earth elements (hereinafter collectively referred to as M) enters into the same lattice, resulting in a solid solution structure. Compound, that is, compositional formula: Mx (Si, Al) 12 (O, N) 16 (where O<x
≦2) When α-sialon expressed by 2) is present, the resulting ceramic has improved hardness and excellent wear resistance. In this case, the ratio of α-sialon and β-sialon (α/β) is 25/75 to 25/75 in terms of capacity ratio.
It is best to set the ratio to 95/5 because if the ratio of α-sialon is less than 25, the desired effect of improving hardness will be small, while if the ratio exceeds 95, the sinterability will decrease. It must be based on something. In addition, β-Sialon is represented by the composition formula: Si 6 -zAlzOzN 8 -z as described above, and O<z≦
It is necessary to satisfy the condition of 4.3, which means that z
This is because there is no composition with a value of over 4.3, but even within this range, as z increases, coarse cavities are more likely to occur in the ceramic and the strength also decreases. It is preferable that O<z≦2.0. Furthermore, α-SiAlON, as mentioned above,
Compositional formula: Mx (Si, Al) 12 (O, N) 16 It exists under the condition of O<x≦2, but this
This is based on the reason that if the composition exceeds 2, M cannot be completely dissolved in solid solution while penetrating into the lattice gaps. In addition,
Si, Al, O, and N in α-sialon
It is assumed that the ratio changes depending on the type of M and the value of x, and is determined so that the positive and negative valences are equal. (b) Zirconium oxide (hereinafter referred to as ZrO 2 ) and hafnium oxide (hereinafter referred to as HfO 2 ) are added to the ceramics described in (a) above in which α-sialon and β-sialon coexist as dispersed phase forming components. When one or two of these are included,
Grain growth of SiAlON during sintering is suppressed and sinterability is improved, so that the hardness of the ceramics is further improved and the wear resistance is further improved. In this case, the content of ZrO 2 and HfO 2 is preferably 1 to 40% by volume, because if the content is less than 1% by volume, the desired effect of improving hardness and wear resistance cannot be obtained. This is because if the content exceeds 40% by volume, the sinterability will decrease and the excellent thermal shock resistance of Sialon will be impaired. (c) When the ceramics of (b) above contain a composite acid/nitride of the elements contained in M above, Si, and Al as binder phase forming components, these binder phase forming components have a low melting point. Therefore, during sintering, a liquid phase is formed to promote sintering, and after sintering, it exists as a glassy or crystalline material at the grain boundaries of Sialon, making the ceramic sufficiently dense. to become stronger and have higher strength. In this case, the content of the binder phase forming component is preferably 1 to 20% by volume, which is
This is because if the content is less than 1% by volume, the desired high density cannot be achieved, whereas if the content exceeds 20% by volume, the strength of the ceramic will decrease. The findings shown in (a) to (c) above were obtained. This invention was made based on the above knowledge, and includes (1) Compositional formula: Si 6 -zAlzOzN 8 -z (where O<z
≦4.3) and the compositional formula: Mx (Si, Al) 12 (O, N) 16 (however, O<
The main component is α- SiAlON represented by Composite acid/nitride as: 1
~20% by volume, and α-Sialon/
It is characterized by excellent wear resistance of sialon-based ceramics having a β-sialon capacity ratio in the range of 25/75 to 95/5. Furthermore, the ceramics of the present invention includes, as a raw material powder, Si 3 N 4 powder + Al 2 O 3 powder + AlN powder, Si 3 N 4 powder + SiO 2 powder + AlN powder, Si 2 ON 2 powder + AlN powder, or any of the above. Combined α and β−
Sialon-forming compound powder (preferably Si 3 N 4 with a high α phase content), M oxide and nitride powder that can be dissolved in α-sialon and also form a binder phase, dispersed phase forming component Prepare ZrO 2 and HfO 2 powders, as
These raw material powders are blended into a predetermined composition, and in this case, from the composition calculated from the composition formula of β-Sialon.
The powder mixture is blended and mixed so that Al and N are increased, and then the mixed powder is hot pressed at a temperature within the range of 1550 to 1800°C, or a green compact formed from the mixed powder is sintered at the temperature. It can be manufactured by tying. Note that the above sintering may be performed under normal conditions, but in this case, the thickness of the surface-altered layer of the ceramic after sintering becomes thicker, so it is preferable to embed the green compact in the Si 3 N 4 powder. Sintering is preferred. In addition, sintering must be performed in an atmosphere containing N 2 to suppress the decomposition of Si 3 N 4 during sintering, and in this case, a mixture of N 2 and H 2 or N 2 and Ar is required. Although gas may be used, it is preferable to use an atmosphere containing only N 2 . Further, the atmospheric pressure may be about 0.9 atm, but preferably 1 atm, and more preferably 1 atm or more, but in this case a special sintering furnace is required. Also, the sintering temperature is as above
1550-1800℃, preferably 1650-1750℃
A temperature within the range of . Furthermore, if the ceramics after sintering are subjected to hot isostatic sintering as necessary, the densification will proceed even further. Next, the ceramics of the present invention will be specifically explained using examples. Example As a raw material powder, Si 3 N 4 with an average particle size of 0.8 μm
(α phase content: 95% by volume) powder and CaO powder,
0.5 μm α-Al 2 O 3 powder and MgO powder,
0.9 μm AlN powder, 1.5 μm CeO 2 powder, 1.1 μm Li 2 O powder and Na 2 O powder,
0.6 μm Y 2 O 3 powder, 0.4 μm ZrO 2 powder,
HfO 2 powder with a diameter of 0.5 μm and various rare earth oxide powders each with a diameter of 1.5 μm were prepared, and these raw material powders were blended into the composition shown in Table 1, and mixed for 24 hours in a wet ball mill. This mixed powder was then dried, and then molded into a green compact at a pressure of 1 ton/cm 2 , and this green compact was placed in a Si 3 N 4 crucible in a nitrogen atmosphere of 1 atm at a temperature of 1700°C. Ceramics 1 to 15 of the present invention and Comparative Ceramics 1 to 3 were produced by sintering under conditions of holding for 1 hour. Note that Comparative Ceramics 1 to 3 all have compositions in which the content of one of the constituent components (those marked with * in Table 1) is outside the scope of the present invention. The resulting Ceramics 1 to 15 of the present invention and Comparative Ceramics 1 to 3 were examined using a microscope.
【表】【table】
【表】【table】
【表】
観察およびX線回折などにより組成を調べると
共に、硬さ(ロツクウエル硬さAスケール)を測
定し、さらに、これよりSNG432に則した切削チ
ツプを切り出し、
被削材:FC30の丸棒、
切削速度:400m/min、
切込み:2.5mm、
送り:0.25mm/rev.、
切削時間:5min、
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、本発明セラミツク
ス1〜15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、比較セラミツクス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つたものになることが明らか
である。
上述のように、この発明のセラミツクスは、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つてすぐれ
た性能を安定的に発揮するのである。[Table] In addition to examining the composition by observation and X-ray diffraction, we also measured the hardness (Rockwell hardness A scale), and from this, we cut a cutting chip in accordance with SNG432. Work material: FC30 round bar, A cast iron high-speed cutting test was conducted under the following conditions: cutting speed: 400 m/min, depth of cut: 2.5 mm, feed: 0.25 mm/rev., cutting time: 5 min, and the flank wear width of the cutting edge was measured. These results are shown in Table 1. From the results shown in Table 1, ceramics 1 to 15 of the present invention all exhibit high hardness and excellent wear resistance, whereas comparative ceramics 1 to 3 exhibit high hardness and excellent wear resistance.
As can be seen in the figure, it is clear that if the content of any of the constituent components is outside the range of the present invention, the hardness and wear resistance will be poor. As mentioned above, the ceramic of the present invention has high hardness and exhibits excellent wear resistance in practical use, so when used as a cutting tool or a wear-resistant tool, it will last for an extremely long time. It consistently demonstrates excellent performance.
Claims (1)
≦4.3)で表わされるβ−サイアロンと、組成
式:Mx(Si,Al)12(O,N)16(ただしO<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%、 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Alの複合酸・窒化物:1〜20容量
%、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25/75〜95/5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
ン基セラミツクス。[Claims] 1. Compositional formula: Si 6 -zAlzOzN 8 -z (where O<z
≦4.3) and the compositional formula: Mx (Si, Al) 12 (O, N) 16 (where O<x
≦2, M: represents one or more of Li, Na, Ca, Mg, Y, and rare earth elements), and in addition, as a dispersed phase forming component. One or two of zirconium oxide and hafnium oxide: 1-
40% by volume, a composite acid/nitride of the elements contained in the above M, Si, and Al as a binder phase forming component: 1 to 20% by volume, and the above α-sialon/β-sialon volume ratio Sialon-based ceramics with excellent wear resistance, characterized in that the ratio is within the range of 25/75 to 95/5.
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JP58083784A JPS59232971A (en) | 1983-05-13 | 1983-05-13 | Abrasion resistant sialon base ceramics |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPS59232971A JPS59232971A (en) | 1984-12-27 |
JPS6257597B2 true JPS6257597B2 (en) | 1987-12-01 |
Family
ID=13812255
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP58083784A Granted JPS59232971A (en) | 1983-05-13 | 1983-05-13 | Abrasion resistant sialon base ceramics |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS59232971A (en) |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS6246966A (en) * | 1985-08-23 | 1987-02-28 | 株式会社豊田中央研究所 | Manufacture of silicon nitride sintered body |
AU597664B2 (en) * | 1986-05-28 | 1990-06-07 | Cookson Group Plc | An improved ceramic material |
GB8712683D0 (en) * | 1987-05-29 | 1987-07-01 | Cookson Group Plc | Ceramic material |
JPH05279129A (en) * | 1992-03-31 | 1993-10-26 | Isuzu Motors Ltd | Low-thermally conductive ceramic and its production |
WO2008068283A2 (en) * | 2006-12-06 | 2008-06-12 | Ceramtec Ag | Material based on sialons |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4127416A (en) * | 1976-07-24 | 1978-11-28 | Lucas Industries Limited | Method of producing a ceramic product |
JPS55113674A (en) * | 1979-02-22 | 1980-09-02 | Tokyo Shibaura Electric Co | Manufacture of ceramic sintered body |
-
1983
- 1983-05-13 JP JP58083784A patent/JPS59232971A/en active Granted
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4127416A (en) * | 1976-07-24 | 1978-11-28 | Lucas Industries Limited | Method of producing a ceramic product |
US4127416B1 (en) * | 1976-07-24 | 1984-10-30 | ||
JPS55113674A (en) * | 1979-02-22 | 1980-09-02 | Tokyo Shibaura Electric Co | Manufacture of ceramic sintered body |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS59232971A (en) | 1984-12-27 |
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