JP2005298239A - 被覆Ｓｉ３Ｎ４基焼結体工具 - Google Patents

Abstract

【課題】
近年、製造コスト削減のため、エンジンブロックやブレーキディスクなどの鋳鉄の切削加工において高速・高送りが可能な切削工具が求められてきた。しかし、従来の被覆Ｓｉ₃Ｎ₄基セラミックスでは、こうした鋳鉄の高速・高送り加工の要求に応えられなくなってきた。
【解決手段】
Ｓｉ₃Ｎ₄を主成分とし焼結助剤を２．０〜５．０重量％含有するＳｉ₃Ｎ₄基焼結体の基材の表面に、第１硬質膜を被覆した被覆Ｓｉ₃Ｎ₄基焼結体であって、Ｓｉ₃Ｎ₄基焼結体の基材の断面組織における焼結助剤からなる凝集部分の平均厚さは１．０μｍ以下であり、第１硬質膜はα型Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とする酸化アルミニウム膜である被覆Ｓｉ₃Ｎ₄基焼結体は、被膜の耐剥離性に優れるため、鋳鉄の高速・高送り加工において長寿命を実現する。

Description

本発明は被覆Ｓｉ₃Ｎ₄基焼結体に関するもので、その中でも特に切削工具に適した被覆Ｓｉ₃Ｎ₄基焼結体に関する。

鋳鉄用切削工具材種として、被膜をＳｉ₃Ｎ₄基セラミックの表面に被覆した被覆Ｓｉ₃Ｎ₄基セラミックが知られている。酸化アルミニウムはＳｉ₃Ｎ₄と化学親和性が高く、耐摩耗性があるため、酸化アルミニウム膜をＳｉ₃Ｎ₄基セラミックに直接被覆した被覆Ｓｉ₃Ｎ₄基セラミックがある。その従来技術として、Ｓｉ₃Ｎ₄を主成分とするホットプレス焼結体の表面にＡｌ₂Ｏ₃およびＡｌＯＮのうち少なくとも１種の被覆薄膜をそなえることを特徴とするセラミツク・スローアウエイチツプがある（例えば、特許文献１参照。）。

特開昭５５−８５４８１号公報

近年、製造コスト削減のため、エンジンブロックやブレーキディスクなどの鋳鉄の切削加工において高速・高送りが可能な切削工具が求められてきた。しかし、従来の被覆Ｓｉ₃Ｎ₄基セラミックスでは、近年ますます求められる鋳鉄の高速・高送り加工の要求に応えられなくなってきた。

そこで、本発明は、おもに鋳鉄の高速・高送り加工において長い工具寿命を実現する被覆Ｓｉ₃Ｎ₄基焼結体の提供を目的とする。

基材にκ型Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とする被膜が被覆されると、切削により刃先が高温になった場合、κ型Ａｌ₂Ｏ₃からα型Ａｌ₂Ｏ₃に相変態すると同時に体積収縮するため被膜が剥離して短寿命になる。従来の被覆Ｓｉ₃Ｎ₄基焼結体では、酸化アルミニウム膜の結晶型およびそれに及ぼすＳｉ₃Ｎ₄基焼結体の基材の影響については考慮されていなかった。そこで、本発明者は、酸化アルミニウム膜の結晶型に及ぼすＳｉ₃Ｎ₄基焼結体の基材の影響について研究を重ねたところ、Ｓｉ₃Ｎ₄基焼結体の基材に含まれる焼結助剤からなる凝集部分の平均厚さを制御することで酸化アルミニウム膜の結晶型を制御できることを見出し、本発明を完成するに至ったものである。

すなわち、本発明の被覆Ｓｉ₃Ｎ₄基焼結体は、Ｓｉ₃Ｎ₄を主成分とし焼結助剤を２．０〜５．０重量％含有するＳｉ₃Ｎ₄基焼結体の基材の表面に、酸化アルミニウムからなる第１硬質膜を被覆した被覆Ｓｉ₃Ｎ₄基焼結体であって、Ｓｉ₃Ｎ₄基焼結体の基材の断面組織における焼結助剤の凝集部分の平均厚さは１．０μｍ以下であり、第１硬質膜はα型Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とする酸化アルミニウム膜であることを特徴とする。

本発明のＳｉ₃Ｎ₄基焼結体は、２．０〜５．０重量％の焼結助剤と、残りがＳｉ₃Ｎ₄と不可避不純物とからなるＳｉ₃Ｎ₄基焼結体である。本発明のＳｉ₃Ｎ₄基焼結体の焼結助剤は、希土類、周期律表４ａ族元素、アルミニウム、マグネシウム、カルシウムの酸化物の中から選ばれた少なくとも１種からなる。ここで希土類とは、スカンジウム、イットリウムおよび原子番号５７から７１までの元素を示す。その中でも希土類酸化物および酸化アルミニウムは、少量の添加で焼結体を緻密化させ、優れた焼結体の特性が得られるため、焼結助剤として特に好ましい。好ましい理由を詳しく述べると、酸化アルミニウムは、少量の添加で焼結性を向上させることが可能であり、その一部がＳｉ₃Ｎ₄に固溶してＳｉＡｌＯＮを形成し焼結助剤の凝集部分の平均厚さを小さくさせる。希土類酸化物は、融点が高いため高温において安定であり焼結体の高温特性を向上させるとともに、α型Ｓｉ₃Ｎ₄からβ型Ｓｉ₃Ｎ₄への相変態を促進させ焼結体の靱性を向上させる。

本発明のＳｉ₃Ｎ₄基焼結体に添加される焼結助剤量が２．０重量％未満のとき、Ｓｉ₃Ｎ₄基焼結体は緻密化せず耐欠損性が低下し、逆に５．０重量％を超えると、焼結助剤からなる凝集部分の厚さが厚くなりα型Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とする酸化アルミニウム膜を得ることが難しくなるとともにＳｉ₃Ｎ₄基焼結体の耐熱性が低下する。そのため、焼結助剤量を２．０〜５．０重量％とした。

本発明を完成する過程で、基材のＳｉ₃Ｎ₄基焼結体に含まれる焼結助剤の凝集部分が、その上に被覆される酸化アルミニウム膜の結晶型に大きな影響を及ぼすことが明らかになった。すなわち、酸化アルミニウム膜をＳｉ₃Ｎ₄基焼結体の基材の表面に被覆すると、焼結助剤の凝集部分の上にはκ型Ａｌ₂Ｏ₃が核発生しやすく、Ｓｉ₃Ｎ₄粒子の表面にはα型Ａｌ₂Ｏ₃が核発生しやすいことが分かった。そこで本発明では、焼結助剤からなる凝集部分の平均厚さを１．０μｍ以下にしてα型Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とする酸化アルミニウム膜を形成させるようにした。なお、本発明のＳｉ₃Ｎ₄基焼結体に含まれる焼結助剤量において、焼結助剤からなる凝集部分の平均厚さを０．０１μｍ未満とすることは困難なので、現実的には焼結助剤からなる凝集部分の平均厚さは０．０１〜１．０μｍの範囲となる。

本発明の被覆Ｓｉ₃Ｎ₄基焼結体の基材の断面組織の一例を図１に示す。従来の被覆Ｓｉ₃Ｎ₄基焼結体の基材の断面組織の一例を図２に示す。これらは、基材のＳｉ₃Ｎ₄基焼結体の断面研磨面をＳＥＭ観察して得られたもので、それぞれの断面組織において、灰黒色の細長い部分がＳｉ₃Ｎ₄粒子を示し、白色の部分が焼結助剤からなる凝集部分を示している。図３の模式図に示すように、断面組織写真上に任意に直線を引き、焼結助剤からなる凝集部分を直線が横切るときの厚さ（Ｌ１〜Ｌｎ）を測定し、式１により凝集部分の平均厚さＬａを算出した（以下、インターセプト法という。）。
［式１］Ｌａ＝（Ｌ１＋Ｌ２＋…＋Ｌｎ）／ｎ
但し、Ｌｎは焼結助剤からなる凝集部分を直線が横切るときの厚さ、ｎは測定数を示す。

本発明において、α型Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とする酸化アルミニウムとは、α型Ａｌ₂Ｏ₃とκ型Ａｌ₂Ｏ₃とからなり、下記の式２で定義されるα化率が８０〜１００％である酸化アルミニウムのことを示す。
［式２］α化率＝｛Ｉα／（Ｉα＋Ｉκ）｝×１００（％）
但し、Ｉαは、α型Ａｌ₂Ｏ₃の最高Ｘ線回折強度を表し、Ｉκはκ型Ａｌ₂Ｏ₃の最高Ｘ線回折強度を表す。具体的には、Ｃｕ管球のＫα線を用いた２θ角：１０〜１５０度におけるＸ線回折測定によって得られたＸ線回折図形から、α型Ａｌ₂Ｏ₃の最高Ｘ線回折強度Ｉαとκ型Ａｌ₂Ｏ₃の最高Ｘ線回折強度Ｉκとを測定して、式２で定義されるα化率を算出する。なお、本発明の被覆Ｓｉ₃Ｎ₄基焼結体の基材に含まれる酸化アルミニウムは微量であるため、そのピークはＸ線回折図形にほとんど現れない。Ｘ線回折図形に現れる酸化アルミニウムのピークは酸化アルミニウム膜のピークと見なしてよい。

本発明において、被覆Ｓｉ₃Ｎ₄基焼結体の基材に接する第１硬質膜は、α型Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とする酸化アルミニウムからなる。第１硬質膜は、α化率が８０％以上である酸化アルミニウム膜であるため、基材のＳｉ₃Ｎ₄基焼結体と化学親和性に優れ、高温でも相変態を起こさないα型Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とするため剥離しにくい。

本発明の被覆Ｓｉ₃Ｎ₄基焼結体の第１硬質膜の平均膜厚は２μｍ以上で十分な耐摩耗性が得られるが、１０μｍを超えるとＳｉ₃Ｎ₄基焼結体と酸化アルミニウムとの熱膨張率の差に起因する第１硬質膜の残留引張応力により被覆Ｓｉ₃Ｎ₄基焼結体の強度が低下する傾向を示す。したがって第１硬質膜の平均膜厚は２〜１０μｍが好ましい。その中でも４〜６μｍがさらに好ましい。

本発明の被覆Ｓｉ₃Ｎ₄基焼結体の第２硬質膜は、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｓｉの金属、炭化物、窒化物、酸化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも１種の単層または多層からなる。具体的には、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＣＮＯなどを挙げることができる。耐摩耗性、耐酸化性、耐溶着性、潤滑性などを改善するため、第２硬質膜を第１硬質膜の表面に被覆することは好ましい。第２硬質膜の平均厚さは、０．３μｍ未満ではその効果が少なく、１０μｍを超えると耐欠損性が低下するため、０．３〜１０μｍが好ましい。その中でも０．５〜３．０μｍがさらに好ましい。

本発明の被覆Ｓｉ₃Ｎ₄基焼結体の基材は、従来の粉末焼結法によって得ることができる。特に被覆Ｓｉ₃Ｎ₄基焼結体の焼結助剤からなる凝集部分の平均厚さを所定の範囲にするためには、微粒の原料粉末を用い焼結助剤量を２．０〜５．０重量％とするとよい。微粒の原料粉末として、平均粒径０．１〜０．５μｍの原料粉末を用いると好ましい。酸化アルミニウムを含む焼結助剤は、焼結助剤の凝集部分の平均厚さを小さくすることができるため好ましい。基材の焼結条件としては、窒素雰囲気、圧力３００〜４００ｋＰａ、焼結温度１７００〜１８５０℃、焼結時間１〜４時間が好ましい。さらに、緻密化を促進するために、窒素雰囲気、圧力１００〜２００ＭＰａ、処理温度１６５０〜１７００℃、処理時間３０〜６０分間のＨＩＰ処理を行ってもよい。

本発明の被覆Ｓｉ₃Ｎ₄基焼結体の第１硬質膜および第２硬質膜は、化学蒸着法または物理蒸着法などの従来からある被覆方法によって被覆することができる。その中でも化学蒸着法は、被覆温度を高くすることができ、α型Ａｌ₂Ｏ₃を得られやすく被膜の耐剥離性に優れるため、好ましい。

本発明の被覆Ｓｉ₃Ｎ₄基焼結体の用途の一つとして、切削チップ、ドリル、エンドミル、リーマなどの切削工具を挙げることができる。その中でも鋳鉄用切削工具として用いられることは非常に好ましい。

本発明の被覆Ｓｉ₃Ｎ₄基焼結体は、酸化アルミニウムからなる第１硬質膜の耐剥離性に優れる。本発明の被覆Ｓｉ₃Ｎ₄基焼結体を切削工具として用いると耐摩耗性に優れるため、長寿命を実現できる。

平均粒径０．５μｍのＳｉ₃Ｎ₄、平均粒径０．２μｍのＹ₂Ｏ₃、平均粒径０．４μｍのＨｆＯ₂、平均粒径０．２μｍのＡｌ₂Ｏ₃、平均粒径０．３μｍのＭｇＯ、平均粒径０．３μｍのＤｙ₂Ｏ₃の各種市販粉末を表１に示す割合で配合し、ウレタンポッド中でヘキサンを溶媒にＳｉ₃Ｎ₄ボールにより７２時間混合粉砕する。こうして得られた混合粉体に成型助剤として１０重量％のパラフィンワックスを添加し、金型を用いて１４７ＭＰａの成型圧力で成型した。この成形体を脱ワックス後、Ｎ₂雰囲気、圧力３５０ｋＰａ、焼結温度１７００〜１８５０℃で１〜４時間の焼結を行った。さらに、Ｎ₂雰囲気、圧力１５０ＭＰａ、処理温度１７００℃で４０分間のＨＩＰ処理を行いＳｉ₃Ｎ₄基焼結体の基材Ａ〜Ｆを得た。

得られた基材の断面を鏡面研磨し断面研磨組織をＳＥＭ観察した。ＳＥＭ倍率５０００倍で撮影した断面組織写真上に直線を引き、この直線が横切る焼結助剤からなる凝集部分の厚さを測定し、インターセプト法により凝集部分の平均厚さＬａを算出した。その値を表２に記載した。

基材の断面研磨面について、蛍光Ｘ線分析装置（島津製作所製XRF-1700）を用いて定量分析を行い、検出されたＳｉ元素をＳｉ₃Ｎ₄に換算し、残りの部分を焼結助剤量として求め、その値を表２に記載した。

基材を外熱型ＣＶＤ装置内に挿入し、熱ＣＶＤ法により、表２に示す被覆条件で、表３に示す被膜を基材側から第１層、第２層、第３層の順に被覆し、本発明品１〜４、比較品１〜５の被覆Ｓｉ₃Ｎ₄基焼結体を得た。

被膜を被覆した各試料について、Ｃｕ管球（Ｋα線）、加速電圧４０ｋＶ、管電流２０ｍＡ、走査速度毎分２度という条件で２θ角：１０〜１５０度の範囲をＸ線回折測定した。得られたＸ線回折図形からα型Ａｌ₂Ｏ₃の最高Ｘ線回折強度Ｉαとκ型Ａｌ₂Ｏ₃の最高Ｘ線回折強度Ｉκとを測定し、式２から酸化アルミニウム膜のα化率を求めた。これらの値は、表３に記載した。

さらに、各試料を幅0.20ｍｍ×角度−25°のチャンファーホーニング付きＳＮＧＮ１２０４１２の切削工具形状に加工し、以下の条件で湿式旋削試験を行い、工具摩耗量を測定した。なお各試料の工具寿命は、各試料の逃げ面平均摩耗量が０．３ｍｍに達するまでの時間とした。発明品１〜４、比較品１〜５の工具寿命を表３に記載した。

湿式旋削試験条件
切削様式：端面連続旋削
被 削 材：FC250(外径φ180mm×穴径φ60mm×厚さ20mmのドーナツ状)
切削条件：V=500m/min，d=2.0mm，f=0.5mm/rev，wet
工具の寿命判定：逃げ面平均摩耗量(V_B)が0.3mmに達するまでの時間

発明品１〜４の焼結助剤からなる凝集部分の平均厚さは０．４〜０．８μｍであり、酸化アルミニウム膜のα化率は９０％以上であった。また発明品１〜４の工具寿命は２０分以上となり、比較品１および比較品３〜５に比べて平均で４０％以上長く耐摩耗性に優れていた。比較品１の焼結助剤量、凝集部分の平均厚さおよびα化率は９８％であるが、被覆された酸化アルミニウム膜が薄いため耐摩耗性に劣り、工具寿命が発明品の約半分となった。酸化アルミニウム膜が厚い比較品２は切削試験開始５分後に工具が欠損し、試験中止となった。比較品３は、Ｓｉ₃Ｎ₄基焼結体の基材の表面に酸化アルミニウム膜でなく、ＴｉＮ膜を被覆したために耐剥離性に劣り、Ｓｉ₃Ｎ₄基焼結体の基材の表面に酸化アルミニウム膜を被膜した場合より工具寿命が短くなった。比較品４および５は、凝集部分の平均厚さが厚いためα化率が低い。比較品４、５は切削初期に被膜が剥離し発明品より工具寿命が短い。

本発明の被覆Ｓｉ₃Ｎ₄基焼結体の基材の断面組織の一例を示す。 従来の被覆Ｓｉ₃Ｎ₄基焼結体の基材の断面組織の一例を示す。 被覆Ｓｉ₃Ｎ₄基焼結体の基材の断面組織の模式図を示す。

符号の説明

１…焼結助剤からなる凝集部分
２…Ｓｉ₃Ｎ₄

Claims (4)

1. Ｓｉ₃Ｎ₄を主成分とし焼結助剤を２．０〜５．０重量％含有するＳｉ₃Ｎ₄基焼結体の基材の表面に、第１硬質膜を被覆した被覆Ｓｉ₃Ｎ₄基焼結体であって、Ｓｉ₃Ｎ₄基焼結体の基材の断面組織における焼結助剤からなる凝集部分の平均厚さは１．０μｍ以下であり、第１硬質膜はα型Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とする酸化アルミニウム膜である被覆Ｓｉ₃Ｎ₄基焼結体。
2. 第１硬質膜は、平均膜厚２〜１０μｍである請求項１に記載の被覆Ｓｉ₃Ｎ₄基焼結体。
3. 焼結助剤は、希土類酸化物および酸化アルミニウムを含有する請求項１または２に記載の被覆Ｓｉ₃Ｎ₄基焼結体。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載された被覆Ｓｉ₃Ｎ₄基焼結体の表面に、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｓｉの金属、炭化物、窒化物、酸化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも１種からなる平均膜厚０．３〜１０μｍの第２硬質膜が被覆されている被覆Ｓｉ₃Ｎ₄基焼結体。