JPS6411595B2 - - Google Patents

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JPS6411595B2
JPS6411595B2 JP58129686A JP12968683A JPS6411595B2 JP S6411595 B2 JPS6411595 B2 JP S6411595B2 JP 58129686 A JP58129686 A JP 58129686A JP 12968683 A JP12968683 A JP 12968683A JP S6411595 B2 JPS6411595 B2 JP S6411595B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
oxide
cutting tool
cutting
aluminum
manufacturing
Prior art date
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Application number
JP58129686A
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English (en)
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JPS6021887A (ja
Inventor
Kenji Okuda
Mitsuhiko Furukawa
Masaharu Shiroyama
Kyohito Misumi
Mitsuyoshi Nagano
Takeshi Sato
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Tungsten Co Ltd
Original Assignee
Nippon Tungsten Co Ltd
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Publication date
Application filed by Nippon Tungsten Co Ltd filed Critical Nippon Tungsten Co Ltd
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Priority to JP63196254A priority patent/JPH01212290A/ja
Publication of JPS6411595B2 publication Critical patent/JPS6411595B2/ja
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  • Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)

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硅素基切削工具材料の製
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で、現在
酸化アルミニウム基切削工具が主流となつてい
る。しかし乍ら酸化アルミニウムは、耐熱衝撃性
および高温で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300m/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Si3N4で示す)が注目
されSi3N4基切削工具が開発されたが、Si3N4
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。Si3N4の上記欠点を酸化
アルミニウム(Al2O3)を被覆することによつて
改善した例が特開昭55−85481号公報や特開昭56
−155079号公報にあり、耐摩耗性は改善されてい
る。しかしこれらの発明による切削工具は、高密
度のSi3N4に対してAl2O3等の被覆層を装着する
手段を採る為に、Al2O3被覆層とSi3N4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Si3N4
基体の靭性が低下するという欠点があり実用上難
があつた。 本発明は上記欠点を改良し、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
セラミツク切削工具の製造方法を提供することを
目的とするものである。 本発明者等は、Si3N4基切削工具に耐摩耗性を
付与すべく研究を行なつた結果、ややボーラスな
Si3N4基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
の酸窒化物と酸化物との複合物から成る単層また
は2層以上の複層から成る表面被覆層を形成し、
さらにそれを熱間等方厚加圧焼結するとSi3N4
もつ特性が損なわれることなく体摩耗性が向上す
ることがわかつた。さらに、Si3N4基焼結基体と
上記表面被覆層であるアルミニウム,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、
相対密度が80〜95%であるSi3N4を基質する焼結
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種以上の酸窒化物
と酸化物との複合物から成る単層又は2層以上の
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/cm2以上で熱間等方圧加圧焼結すること
によつてSi3N4のもつ特性を損うことなく耐摩耗
性を付与し、さらに必要に応じてSi3N4基焼結基
体を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種以上の酸窒化
物と酸化物との複合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、炭室化物、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
℃以上、圧力200Kg/cm2以上で熱間等方圧加圧焼
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材料の製造方法に係る
ものである。 本発明の被覆Si3N4基切削工具における焼結基
体は主成分たるSi3N4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、窒化アルミニウム、酸化硅素、酸化ウル
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、あるいはホツトプレス
によつて製造することができ、これに上記表面
層、中間層を被覆後さらに熱間等方圧加圧焼結す
るので、Si3N4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%以下
のSi3N4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イ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こと
なく連続的に順次変化して被覆層を形成するので
被覆層の耐剥離性、耐熱衝撃性により優れた効果
があらわ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154μmを越えると、
靭性が低下するので、層厚は全体層厚で0.5〜15μ
mが適することが判明した。 ついで本発明の表面被覆窒化硅素基切削工具材
料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Si3N4(1μm:平均粒径、以下
同じ)粉末にAl2O3(0.5μm)、Y2O3(1.5μm)、
MgO(0.5μm)およびTiN(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200
Kg/cm2の圧力で1時間のホツ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つた焼
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片(4×8×25mm)および切
削試験用チツプCIS規格SNGN432型の切削チツ
プを作製した。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プ
と抗折力試験片の表面にC.V.D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表に示される材質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1050℃
に加熱した。次いで反応器中の圧力を140mmHgに
保ちながら混合ガスとしてAlCl35.4容量%、
H268.1容量%、CO3.8容量%、CO27.4容量%、
N215.3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Si3N4基焼結体の表面2μm
のAl(ON)xとAl2O3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ツプ
は、さらに温度1460℃、圧力1800Kg/cm2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
硅素基切削工具を得た。次いでこの様にして得ら
れた本発明表面被覆Si3N4基切削工具について、
被削材:SNCM−8(硬さHB220)切削速度:300
m/min、切込み:1.5mm、送り:0.2mm/rev.の
条件での鋼切削試験、および被削材:FC−25(硬
さHB180)、切削速度:300m/min、送り:0.2
mm/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:0.3mm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 Si3N4(1μm:平均粒径、以下同じ)粉末に
Al2O3(0.5μm)、Y2O3(1.5μm)、MgO(0.5μm)
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
た。この混合粉末にパラフインを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(4×8×25mm)用プ
レス体および切削試験用チップCIS規格
SNGN432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
体および切削チツプ用プレス体を600℃にて脱ワ
ツクスし、1700℃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ツプと抗折力試験片の
表面にC.V.D.装置を用いて第1表の2で示され
る材質及び平均層厚の被覆層を形成した。具体的
には、試験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140mmHgにして反応管中にH286.6容量%、
CH410.0容量%、TiCl43.4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8.0μmのTiC層を被覆し、次い
でH285.7容量%、CH47.6容量%、CO3.3容量%、
TiCl43.4容量%の組成の混合ガスを反応管内にオ
ー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TiCO層を被覆し、更にAlCl35.4容
量%、H2B68.1容量%、CO3.8容量%、CO27.4容
量%、N215.3容量%の組成の混合ガスを反応管
内にオー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Al(ON)xおよびAl2O3を被
覆した試料を作製し、更に温度1460℃、圧力1800
Kg/cm21.5時間熱間等方圧加圧焼結して、本発明
の表面被覆窒化硅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。
この結果は第1表のとおりである。
【表】 又第1表には、比較の為で、本発明表面被覆切
削チツプ1〜2に関し、硬質層を形成しないもの
および、熱間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併せて示した。 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ツプは切削寿命の著
しく短かいものになつている。又、表面被覆後、
熱間等方圧加圧焼結を行なわない切削テツプも被
覆層の剥離や、チツピングがみられ、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でなく、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ツプは、優れた耐
摩耗性、耐熱衝撃性、および高温強度をもつこと
から、鋼および鋳鉄の高速切削においてきわめて
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つたが、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、本発明の方法で得た表面被
覆Si2N4基切削工具は、鋼や鋳鉄の高速切削用と
して使用した場合、その基体によつてすぐれた高
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。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 窒化硅素を基質とし、その相対理論密度が80
    〜95%であ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
    酸窒化物と酸化物の複合物とから成る単層又は複
    層を形成し、次いで熱間等方圧加圧焼結を施すこ
    とを特徴とする切削工具材料の製造方法。 2 焼結基体の窒化硅素の20重量%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1項記
    載の切削工具材料の製造方法。 3 熱間等方圧加圧焼結条件を、温度1100℃以
    上、圧力200Kg/cm2以上となしたことを特徴とす
    る特許請求の範囲第1項若しくは第2項に記載の
    切削工具材料の製造方法。 4 窒化硅素を基質とし、その相対理論密度が80
    〜95%である焼結基体の表面にチタニウムの酸化
    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種以上の酸窒
    化物と酸化物から成る単層又は複層を形成し、次
    いで熱間等方圧加圧焼結を施すことを特徴とする
    切削工具材料の製造方法。 5 焼結基体の窒化硅素の20重量%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4項記
    載の切削工具材料の製造方法。 6 熱間方圧加圧焼結条件を、温度1100℃以上、
    圧力200Kg/cm2以上となしたことを特徴とする特
    許請求の範囲第4項若しくは第5項に記載の切削
    工具材料の製造方法。
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