JPS638074B2 - - Google Patents

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JPS638074B2
JPS638074B2 JP58073534A JP7353483A JPS638074B2 JP S638074 B2 JPS638074 B2 JP S638074B2 JP 58073534 A JP58073534 A JP 58073534A JP 7353483 A JP7353483 A JP 7353483A JP S638074 B2 JPS638074 B2 JP S638074B2
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JP
Japan
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sialon
powder
ceramics
sintering
composition
Prior art date
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JP58073534A
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Japanese (ja)
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JPS59199580A (en
Inventor
Teruyoshi Tanase
Kenichi Nishigaki
Tatsuro Yasujima
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Mitsubishi Metal Corp
Original Assignee
Mitsubishi Metal Corp
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

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
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超
〜95/5とするのがよく、これは、α−サイア
ロンの割合が25以下では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、結合相形成成分と
して、上記Mに含まれる元素、Si、およびAl
の酸化物および窒化物のうちの1種または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、10容量%超〜20容量%とするのがよく、
これは、その含有量が10容量%以下では所望の
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)および(b)に示される知見を得たのであ
る。 したがつて、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、 結合相形成成分として、下記Mに含まれる元
素、Si、およびAlの酸化物および窒化物のうち
の1種または2種以上:10容量%超〜20容量%、
を含有し、残りがα−サイアロンとβ−サイアロ
ンおよび不可避不純物からなり、かつ前記β−サ
イアロンは、組成式: Si6-zAlzOzN8-z(ただしO<z≦4.3) で表わされる組成を有し、また前記α−サイアロ
ンは、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)で表わされる組成を有し、さらに上記α−サ
イアロン/β−サイアロンの容量比が25/75超〜
95/5の範囲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:90容量%)粉末およびCaO粉末、同
0.6μmのα−Al2O3粉末およびMgO粉末、同1.5μ
mのAlN粉末、いずれも同1.0μmを有するLi2O粉
末、Na2O粉末、およびY2O3粉末、同1.1μmの
Er2O3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
この混合粉末をホツトプレス用黒鉛型に充填し、
大気中、圧力:200Kg/cm2、焼結温度:
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, that is, the composition formula: Si 6-z Al z O z N 8-z (O<z≦4.3), Attempts have also been made to use sialon-based ceramics whose main component is β-sialon, expressed by At present, it does not exhibit the desired wear resistance because it is not very high at about 92. 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: M x (Si, Al) 12 (O, N) 16 (where O<x≦
2) When α-sialon expressed as coexists,
The resulting ceramics have improved hardness and excellent wear resistance. In this case, the ratio of α-sialon to β-sialon (α/β) is preferably set to more than 25/75 to 95/5 in terms of capacity ratio. This is based on the reason that the effect of improving hardness is small, and on the other hand, when the ratio exceeds 95, sinterability decreases. In addition, β-Sialon is represented by the composition formula: Si 6-z Al z O z N 8-z as described above, and O<z≦4.3
This is because there is no composition with a z value exceeding 4.3, but even within this range, if z becomes large, coarse cavities will form in the ceramic. It is preferable that O<z≦2.0 because this tends to occur and the strength also decreases. Furthermore, α-SiAlON, as mentioned above,
Compositional formula: M x (Si, Al) 12 (O, N) 16 ,
It exists under the condition O<x≦2, which means that x is 2
This is based on the reason that if the composition exceeds the above, M cannot be completely dissolved in solid solution while penetrating the lattice gaps. In addition, α−
It is assumed that the ratio of Si, Al, O, and N in Sialon 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) The ceramics in which α-sialon and β-sialon coexist in (a) above contain the elements contained in M above, Si, and Al as bonding phase forming components.
When one or more of the oxides and nitrides (hereinafter collectively referred to as metal oxides/nitrides) are contained, 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 substance at the grain boundaries of Sialon, making the ceramic sufficiently dense. To have higher strength. In this case, the content of the binder phase forming component is preferably more than 10% by volume to 20% by volume,
This is because if the content is less than 10% by volume, the desired high density cannot be achieved;
This is because the strength of the ceramics will decrease if the content exceeds the above. The findings shown in (a) and (b) above were obtained. Therefore, the present invention has been made based on the above knowledge, and includes one or two of the elements contained in the following M, Si, and oxides and nitrides of Al, as a binder phase forming component. More than seeds: more than 10% to 20% by volume,
and the rest consists of α-sialon, β-sialon and inevitable impurities, and the β-sialon has the composition formula: Si 6-z Al z O z N 8-z (O<z≦4.3). The α-sialon has the composition represented by the formula: Mx (Si, Al) 12 (O, N) 16 (where O<x≦2, M: Li, Na, Ca, Mg,
Y, one or more rare earth elements), and the α-sialon/β-sialon capacity ratio is more than 25/75.
It is characterized by sialon-based ceramics with excellent wear resistance in the range of 95/5. Furthermore, the ceramics of the present invention includes, as 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−
Prepare a sialon-forming compound powder (preferably Si 3 N 4 with a high α phase content), an M oxide and nitride powder that can be dissolved in α-sialon and also form a binder phase, and Raw material powders are blended to a predetermined composition, in this case so that Al and N are greater than those calculated from the composition formula of β-Sialon, mixed, and then this mixed powder is heated at 1550 to 1800°C. It can be produced by hot pressing at a temperature within this range or by sintering a green compact molded from the mixed powder at the above temperature. 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 used. 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 pressure sintering as necessary, densification will proceed further. Next, the ceramics of the present invention will be specifically explained using examples. Example As raw material powder, Si 3 N 4
Phase content: 90% by volume) powder and CaO powder, same
0.6 μm α-Al 2 O 3 powder and MgO powder, 1.5 μm
m AlN powder, Li 2 O powder, Na 2 O powder, and Y 2 O 3 powder, all with a diameter of 1.1 μm.
Er 2 O 3 powder was prepared, these raw material powders were blended into the composition shown in Table 1, mixed in a wet ball mill for 72 hours, dried, and then this mixed powder was molded into a graphite mold for hot pressing. Fill it with
In air, pressure: 200Kg/cm 2 , sintering temperature:

【表】【table】

【表】 (*印:本発明範囲外)
1700℃、保持時間:1時間の条件にてホツトプ
レス焼結することによつて本発明セラミツクス1
〜10および比較セラミツクス1,2をそれぞれ製
造した。 なお、比較セラミツクス1,2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1〜10お
よび比較セラミツクス1,2について、顕微鏡観
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:0.5mm/rev.、 切削時間:5min、 の条件で鋳鉄高速切削試験を行ない、さらに、 被削材:SKD61丸棒(ロツクウエル硬さAス
ケール:60)、 切削速度:100m/min、 切込み:0.5mm、 送り:0.20mm/rev.、 切削時間:15min、 の条件で焼入鋼の切削試験を行ない、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。また、第1表には、比較の目的で、市販の
Al2O3基セラミツクスの同一条件による試験結果
も示した。 第1表に示される結果から、本発明セラミツク
ス1〜10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、α−サイアロンの存在し
ない比較セラミツクス1は耐摩耗性の劣るもので
あり、また結合相形成成分の含有量がこの発明の
範囲から高い方に外れた比較セラミツクス2およ
び市販のAl2O3基セラミツクス1,2は、いずれ
も靭性が劣るために満足な切削を行なうことがで
きないものであつた。 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] (*marked: outside the scope of the present invention)
Ceramics 1 of the present invention was prepared by hot press sintering at 1700°C for 1 hour.
-10 and Comparative Ceramics 1 and 2 were produced, respectively. Note that Comparative Ceramics 1 and 2 both 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. Regarding the resulting Ceramics 1 to 10 of the present invention and Comparative Ceramics 1 and 2, the composition was investigated by microscopic observation and X-ray diffraction, and the hardness (Rockwell hardness A scale) was measured. A cutting chip was cut according to the following conditions, and a cast iron high-speed cutting test was conducted under the following conditions: Work material: FC30 round bar, Cutting speed: 400 m/min, Depth of cut: 2.5 mm, Feed: 0.5 mm/rev., Cutting time: 5 min. Work material: SKD61 round bar (Rockwell hardness A scale: 60), Cutting speed: 100 m/min, Depth of cut: 0.5 mm, Feed: 0.20 mm/rev., Cutting time: 15 min. A cutting test was conducted on the loaded steel, and the flank wear width of the cutting edge was measured. These results are shown in Table 1. Table 1 also includes commercially available
Test results for Al 2 O 3- based ceramics under the same conditions are also shown. From the results shown in Table 1, ceramics 1 to 10 of the present invention all exhibit high hardness and excellent wear resistance, whereas comparative ceramic 1, which does not contain α-sialon, has poor wear resistance. Comparative Ceramics 2, in which the content of binder phase-forming components is higher than the range of the present invention, and commercially available Al 2 O 3 -based Ceramics 1 and 2, both have poor toughness and cannot be cut satisfactorily. It was impossible to do so. 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)

【特許請求の範囲】 1 結合相形成成分として、下記Mに含まれる元
素、Si、およびAlの酸化物および窒化物のうち
の1種または2種以上:10容量%超〜20容量%、
を含有し、残りがα−サイアロンとβ−サイアロ
ンおよび不可避不純物からなり、かつ前記β−サ
イアロンは、組成式: Si6-zAlzOzN8-z(ただし0<z≦4.3) で表わされる組成を有し、また前記α−サイアロ
ンは、組成式: Mx(Si,Al)12(O,N)16 (ただし0<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)で表わされる組成を有し、さらに上記α−サ
イアロン/β−サイアロンの容量比が25/75超〜
95/5の範囲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. As a binder phase forming component, one or more of the elements included in the following M, Si, and oxides and nitrides of Al: more than 10% by volume to 20% by volume,
and the remainder consists of α-sialon, β-sialon and inevitable impurities, and the β-sialon has the composition formula: Si 6-z Al z O z N 8-z (0<z≦4.3). The α-sialon has the composition represented by the formula: Mx (Si, Al) 12 (O, N) 16 (where 0<x≦2, M: Li, Na, Ca, Mg,
Y, one or more rare earth elements), and the α-sialon/β-sialon capacity ratio is more than 25/75.
Sialon-based ceramics with excellent wear resistance characterized by a 95/5 range.
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