JPS6395161A - セラミツク複合体及びその製造方法 - 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】 （産業上の利用分野〕 本発明は、切削工具材料として有用なセラミック複合体
及びその製造方法に関する。

〔従来の技術〕

近年、鋼及び鋳鉄の高速切削を目的として、超硬合金に
セラミックを被覆したコーティング工具及びアルミナ基
質焼結体からなるアルミナ基質工具等が開発されている
。

しかし、コーティング工具は耐熱亀裂性の点で難がある
ために実用切削速度が高々３００　ｍ７分に限定されて
しまう欠点があった。一方、アルミナ基質工具は耐摩耗
性に優れているものの、例えば鋳鉄の７ライス切削のよ
うに急激な熱サイクルご伴なう切削加工では熱的及び機
械的衝撃により切刃にチッピングを起こし易く、謄及び
鋳鉄を高速で安定して切削することは困難であった。

そこで、耐熱衝撃性に優れ、高温における硬度及び機械
的強度にも優れた窒化ケイ素（ｓ１３Ｎ４）が注目され
、これを主成分として含有する窒化ケイ素焼結体を鋼及
び鋳鉄の切削工具として使用する試みもなされている。

しかし、窒化ケイ素は鉄との反応性が高いために切削時
の摩耗が激しく、高速切削には適さず汎用性も極めて低
いものであった０ か−る窒化ケイ素の欠点を補ない耐摩耗性を向上させる
ために、窒化ケイ素基質工具の表面に、ＣＶＤやＰＶＤ
等の技術によりＡｌ２Ｏ３、ＴｉＮ５Ｔｉｅ等の被膜を
形成した切削工具が開発された力５、被膜の靭性及び被
膜と母材の熱膨張差や密着力不足等の点から膜厚を厚く
することができず、鋳鉄の切削の場合はともかく鋼の切
削では耐摩耗性が著しく不足し、切削時間が極めて短か
く限定されていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕 本発明は、上記の事情に鑑み、窒化ケイ素焼結体の耐摩
耗性を向上させることにより、切削工具としたとき鋳鉄
及び鋼を高速で安定して切削できる切削至具材料を提供
することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、上記目的を達成するために、窒化ケイ素を主
成分とし、この粉末に対して４〜２５体積％の酸化ジル
コニウム粉末と、１〜１５重量％のアルミニウム、イツ
トリウム及びランタニド系希土類元素から選ばれた少な
くとも１種の酸化物粉末とを混合して焼結した焼結体で
あって、焼結体表面に焼結過程で生成した膜厚１０〜２
００μｍの窒化ジルコニウム及び／又は酸窒化ジルコニ
ウムの表面層を有することを特徴とするセラミック複合
体を提供するものである。

本発明のセラミック複合体の製造は、窒化ケイ素を主成
分とし、この粉末に対して４〜２５体積％の酸化ジルコ
ニウム粉末と、１〜１５重量％の　　゛アルミニウム、
イツトリウム及びランタニド系希土類元素から選ばれた
少なくとも１種の酸化物粉末とを混合し、混合粉末を窒
素ガス雰囲気中において１８００〜２０００２：’で焼
結して表面に膜厚１０〜２００μｍの窒化ジルコニウム
及び／又は酸窒化ジルコニウムの表面層を析出させる方
法により行なう。

〔作用〕

本発明のセラミック複合体においては、焼結原料粉末中
に酸化ジルコニウム（ＺｒＯ）を添加して窒素雰囲気中
で焼結することによって、Ｓｉ３Ｎ、焼結体の表面に窒
化ジルコニウム及び／又は酸窒化ジルコニウムが析出し
て表面層ひ形成している。

このジルコニウムの窒化物及び／又は酸窒化物はＺｒ０
Ｎ　　　（０≦Ｘ≦０．５）の分子式で表わすことＸ＋
−Ｘ ができる。この析出層は焼結時に窒素を母材中にも固溶
し且つ窒素の固溶量を析出層の膜厚方向に連続的に変化
させた状態で形成されるため、既存のコーテイング膜層
のように母材との熱膨張差による切削中の母材よりの剥
離等の問題なく、充分厚く又強靭にＳｉ　Ｎ　焼結体に
密着しており、また鉄との反応性がＳｉ　Ｎ　　よりも
はるかに低いので、切削工具としての耐摩耗性ご向上さ
せることかできる。

特に、窒化ジルコニウムの表面層は耐摩耗性の向上効果
が大きく好ましい。

又、このＺｒＯＮ　　表面層の膜厚が１０μｍ未満！　
　　Ｉ−Ｘ では耐摩耗性が充分ではなく、２００μｍを超えると靭
性が低下するので好ましくないが、従来のコーティング
被膜に比較して靭性及び密着性の低下なしに遥かに厚く
形成することができる。

酸化ジルコニウムの添加量を窒化ケイ素に対して４〜２
５体積％に限定する理由は、４体積％未満では必要な膜
厚の上記表面層が形成できず、２５体積％ご超えると焼
結体の密度が充分に上らないからである。

焼結助剤であるアルミニウム、イツトリウム及びランタ
ニド系希土類元素から選ばれた少なくとも１種の酸化物
は、１種又は２種以上を組合せて窒化ケイ素に対して１
〜１５重量％の範囲で使用するが、１重量％未満では焼
結体の密度を充分高めることができず、１５重量％を超
えると焼結体の高温強度が低下する。

また、焼結温度が１８００　Ｃ未満では上記表面層の形
成が不充分であり、２０００Ｃを超えると窒素加圧雰囲
気中であっても主成分であるＳｉ　Ｎ　　が分解昇華し
始めるので適当ではない。

〔実施例〕

実施例１ 原料粉末として、ｓｉＮｍ末に対して１２体積％のＺｒ
Ｏ粉末、３重量％のＡ４０　粉末、３重量％のＹＯ粉末
を添加してボールミルで混合し、乾燥したのち成形用バ
インダーを混合し、ＪｘＳＳＮＭＭ　４３３級のチップ
にプレスした。このプレス体を４気圧のＮ　雰囲気下に
おいて１８５０　ｔ：’で２時間焼結した。

得られたＳｉ　Ｎ　焼結体の表面には膜厚１４０μｍの
窒化ジルコニウム及び酸窒化ジルコニウムの混在する表
面層が析出していた。尚、この表面層を分析したところ
窒素固溶量は膜厚方向に連続的に変化しており、７〜１
３重量％の範囲にあった。

このセラミック複合体を０．１　ｍ／ｍＸ−２５°のネ
ガランド処理を行なって上記スローアウェイチップを作
成し、このスローアウェイチップな用いて下記切削条件
により切削テス）Ｅ行なった。比較の為に、市販のＡｊ
２０３−　Ｔｉｅ工具（従来例１）及び市販のコーティ
ング工具（従来例２）についても同様に切削テストを行
ない、結果を抗折力と共に第１表に示した。

被削材　：５４５Ｃ 切削条件　：切削速度６００　ｍ／ｍｉｎ切込み　２．
０簡 送　　　　リ　　　　０．１８１１！Ｗ／ｒｅｖ。

乾式鋼連読切削 寿命判定　：　Ｖ　＝０．３闘 本発明　　　９０１０分 従来例１　　　５０　　　０．２分チッピング従来例２
　　　１８０　　　　１分面荒れ寿命実施例２ 原料粉末として、Ｓｉ３Ｎ４粉末に下記第２表に示ず割
合でＺｒＯ粉末、ＡＩＯ粉末及びＹＯ粉末を添加混合し
、実施例１と同様に焼結してセラミック複合体を製造し
た。

１’　　　　　３　　　　３　　　　３？　　　　３０
　　　　　ａ　　　　　３４　　　　１２　　　　０．
５　　　０．５５’　　　　１２　　　　１０　　　１
０（註）試料２は実施例１と同一であり、試料１．３及
び５は比較例である。

各セラミック複合体を実施例１と同様にスローアウェイ
チップとして切削テストを実施した。

結果を表面層の膜厚（μｍ）、理論密度（イ）並びに抗
折力＜ｋｇ／ｎｍ）と共に第３表に示した。

１※　　　　１０　　　　９６　　　９０　　　５３’
　　　　１８０　　　　９０　　　５０　　　７？　　
　　１８’０　　　　９８　　　８０　　　３〔発明の
効果〕 本発明によれば、焼結過程で窒化ケイ素焼結体の表面に
鉄との反応性の極めて低い窒化ジルコニウム及び／又は
酸窒化ジルコニウムを厚くしかも強固に密着した状態で
析出させることができる。

これにより、従来は鋼切削には不適とされていた窒化ケ
イ素基質材料でありながら、その耐摩耗性を向上させる
ことができ、切削工具として鋳鉄及び鋼コ高速切削や熱
サイクルの激しいフライス切削等でも安定した切削が可
能であるセラミック複合体を提供することができる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）窒化ケイ素を主成分とし、この粉末に対して４〜
   ２５体積％の酸化ジルコニウム粉末と、１〜１５重量％
   のアルミニウム、イットリウム及びランタニド系希土類
   元素から選ばれた少なくとも１種の酸化物粉末とを混合
   して焼結した焼結体であつて、焼結体表面に焼結過程で
   生成した膜厚１０〜２００μｍの窒化ジルコニウム及び
   ／又は酸窒化ジルコニウムの表面層を有することを特徴
   とするセラミック複合体。
2. （２）窒化ケイ素を主成分とし、この粉末に対して４〜
   ２５体積％の酸化ジルコニウム粉末と、１〜１５重量％
   のアルミニウム、イットリウム及びランタニド系希土類
   元素から選ばれた少なくとも１種の酸化物粉末とを混合
   し、混合粉末を窒素ガス雰囲気中において１８００〜２
   ０００℃で焼結して表面に膜厚１０〜２００μｍの窒化
   ジルコニウム及び／又は酸窒化ジルコニウムの表面層を
   析出させることを特徴とするセラミック複合体の製造方
   法。