JPS59232972A - 耐摩耗性のすぐれたサイアロン基セラミツクス - 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】 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
ッ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５ｉｓＮｉで示す）基セラミックスが注目
されているが、このセラミックスは、５ｉｓＮ４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
たがってその製造に際してはホッ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、５ｉｓＮｉ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−８ｉ　３　Ｎ
４格子のＳｔの一部をＡｔで、Ｎの一部を０で置換した
化合物、すなわち組成式： ％式％） で表わされるβ−サイアロンを主成分とするサイアロン
基セラミックスを、切削工具や＃ｆ厚耗工具として用い
る試みもなされているが、このサイアロン基セラミック
スは、靭性は高いものの、硬さが四ツフラニル硬さ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
ックスに着目し、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、もってすぐれた耐摩耗
性を確保すべく研究を行なった結果、 （ａ）　　上記のβ−サイアロンと共に、α−８ｉ　３
　Ｎ４格子のＳｔの一部をＡｔで、Ｎの一部ＢｏでＣ換
し、さらに同格子間にＬｉ　、　Ｎａ　、　Ｃａ　＋　
ＭｇＷ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　
＋　Ａｔ）ｔｚ（ＯｔＮ）ｘ６（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
のセラミックスは、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　〜９５１５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％式％ の条件を満足する必要があり、これは、２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２が大きくなると、セラミックス中
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、望ましくけ０＜２≦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（Ｓｔ　＋Ａｔｈ２（（ＬＮ）ｘｓで表わされ、０
〈Ｘ≦２の条件で存在するが、これけ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、Ａｔ、０、
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。

Φ）上記（＆）のα−サイアロンとβ−サイアロンとが
共存するセラミックスに、分散相形成成分として、炭化
けい素（以下、ＳＩＣで示す）を含有させると、ｓｉｃ
は、サイアロン相と結合相の粒界に微細に分散して、サ
イアロン相の粒成長を抑制すると共に、ｓｉｃ自体も硬
く、かつ高温強度にもすぐれているので、セラミックス
の耐摩耗性が一段と向上するようになること。

また、ＳｉＣの上記作用を十分に発揮させるためには、
ＳｉＣの粒径をできるだけ微細、すなわち平均粒径：２
μｍ以下；望ましくけ同１μｍ以下にするのがよく、こ
れは、ＳｉＣがあまり粗粒圧なると、結合相とのぬれ性
が悪し、この結果焼結密度が低下し、強度低下の原因と
なるという理由によるものであること。

さらに、この場合ＳｉＣの含有量は０．５〜１０容量係
とするのがよく、これは、その含有量が０．５容量チ未
満では上記作用に所望の効果が得られず、ること。

（Ｃ）　　上記Ｃｂ）のα−サイアロンとβ−サイアロ
ン、およびＳｉＣが共存するセラミックスに、分散相形
成成分として、酸化ジルコニウム（以下、ＺｒＯ□で示
す）および酸化ハフニウム（以下、Ｈｆ　Ｏ＊で示す）
のうちの１種または２種を含有させること、焼結時にお
けるサイアロンの粒成長が一層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、セラミックス
の硬さはさらに向上し、耐摩耗性も一段と改善されるよ
うになること。

なお、この場合Ｚｒ（ｈおよびＨｆ０１の含有量は１〜
４０容ｆｉ％とするのがよく、これは、その含有量が１
容量チ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容量係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
であること。

（ｄ）　　上記（ｂ）および（ｅ）のセラミックスに、
結合相形成成分としての上記Ｍに含まれる元素、上記分
散相を構成する金属元素、Ｓｌ、およびＡｔの酸化物お
よび窒化物のうちの１種またけ２種以上（以下、これら
を総称して金属の酸・窒化物という）を含有させるこさ
、これらの結合相形成成分は低融点を有し、したがって
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、セラミッ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容量係とするのがよく、これは、その含有量が１容
量チ未満では所望の高密度化をはかることができず、一
方２０容量チを越えて含有させるとセラミックスの強度
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っ
て、 （１）組成式：　Ｓ　ｉ　６−　ｚＡｔｚｏｚＮＢ　−
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、Ａｔｈ２（０，Ｎ）ｘ
ｓ　（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ＳＩＣ：　Ｏ−５〜１０容１ｔ％
、結合相形成成分としての金属の酸・窒化物：１〜２０
容量チ、 を含有し、さらに必要に応じて、 分散相形成成分としてのＺｒＯ２およびＨｆ（ｈのうち
の１種または２種＝１〜４０容量係、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〜
９５１５の範囲内にある耐摩耗性のすぐれたサイアロン
基セラミックスに特徴を有するものであるう また、この発明の、セラミックスは、原料粉末として、 ■　Ｓｉ３Ｎ４粉末＋Ａ１２０Ｂ粉末十ＡｔＮ粉末、■
　５ｉｓＮ４粉末十５１０２粉末＋ＡｔＮ粉末、■　Ｓ
ｉ！ＯＮ雪粉末＋ＡｔＮ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５ｉｓＮ４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Ｈｆ　Ｏｚ粉末
、 結合相形成成分としての金属の際会窒化物粉末、さらに
、必要に応じて分散相形成成分としてのＺｒＯ冨および
Ｈｆ　Ｏｚ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Ａｔ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、１５５０〜１８ｏＯ℃
の範囲内の温度でホットプレスするが、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
よって製造することができる。

なお、上記の焼結は、通常の状態で行なってもよいが、
この場合焼結後のセラミッ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Ｓ　ｉ　ｓ
　Ｎｓが分解するのを抑制するためにＮ！を含有した雰
囲気で行なう必要があり、この場合Ｎ２とＮ２、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１５５
０〜１８００℃でよいが、好ましくけ１６５０〜１７５
０°Ｃの範囲内の温度がよい。

さらに、焼結後のセラミッ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、この発明のセラミッ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：０．６μｍの５ｉ３Ｎ４（
α相含有率：９４容量％）粉末、同０．８μｍのＣａＯ
粉末、同０．４　ｔｔｍのα−Ａ／＝１０３粉末、同０
．８μｍのＭｇＯ粉末、同０．９　ｔｔｍのＡｔＮ粉末
、同１．５μｒｘのＣｅ０ｚ粉末、いずれも同１．１μ
扉のＬｉ２Ｏ粉末、同０．８　ｉｔｍのＮａ２Ｏ粉末、
同１．２　μｓのＹ２Ｏ３粉末、いずれも同１．５μｒ
ｒＬを有する各種の希土類酸化物粉末、同０．４ｐｍの
ＳｉＣ粉末、同０．４　ｉｔｍのＺｒ（ｈ粉末、同０．
５μｍのＨｆ　Ｏ２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１　ｔｏｎ／ｄの圧力で圧粉体に成形し、こ
の圧粉体を５ｉｓＮ４爬るつ１丁中に入れ、１気圧の窒
素雰囲気中、温度＝１７２５℃に２時間保持の条件で焼
結することによって本発明セラミックス１〜１５および
比較セラミックス１〜３をそれぞれ製造した。

なお、比較セラミックス１〜３は、いずれも構酸成分の
うちのいずれかの成金含有量（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ックス１〜１５および比
較セラミックス１〜３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、硬さくロックウェ
ル硬さＡ；Ｘ、ケール）を測定し、さらえ、これより５
ＮＧ４３２に則した切削チップを切り出し、 被削材：Ｆｅ１２の丸棒、 切削連間：　３５０　ｍ／ｍｉｎ　。

切込み：２ｍ。

送り：　０．２５簡／ｒｅｖ・、 切削時間：５ｒｌｉｎ。

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、本発明セラミックス１〜１
５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、比較セラミックス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ったものにな
ることが明らかである。

上述のように、この発明のセラミックスは、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
著しく長期に亘ってすぐれた性能を安定的に発揮するの
である。

出願人　　三菱金属株式会社 代理人　　富　１）和　夫　外１名

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １１＋　　組成式：　５ｘ６−２ＡｔｚＯ□Ｎ５−ｚ　
   （ただし０〈２≦４．３）で表わされるβ−サイアロン
   と、組成式：　Ｍｘ（Ｓｔ　、Ａｔ）ｘｚ（（ＬＮ）ｔ
   ６（ただしＯ＜Ｘ≦２゜Ｍ：　Ｌｉ、Ｎａ　＊　Ｃａ　
   、　Ｍｇ　、　Ｙ、希土類元素）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炭化けい素＝
   ０．５〜１０容量チ、 結合相形成成分としての上記Ｍに含まれる元素、上記分
   散相を構成する金属元素、Ｓｔ、およびＡｔの酸化物お
   よび窒化物のうちの１種またけ２種以上：１〜２０容量
   チ、　　。 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２５／７５〜９５１５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ックス
   。 （２）組成式：　５ｉ６−ｚＡｔｚｏ□Ｎ５−ｚ　　（
   ただしＯ〈２≦４．３）で表わされるβ−サイアロンと
   、組成式：　Ｍｘ（Ｓｔ、Ａｔｈ２（０，Ｎ）ｔ６（た
   だしＯ＜Ｘ≦２゜Ｍ　：　Ｌｉ　、　Ｎａ　ｙｌ　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炭化けい素
   二０．５〜１０容量チ、 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柿：１〜４０容量チ、 結合相形成成分としての上記Ｍに含まれる元素、上記分
   散相を構成する金属元素、Ｓｔ、およびＡｔの酸化物お
   よび窒化物のうちの１種または２種以上：１〜２０容景
   チ、 を含有し、かつ上記α−サイアロン／βシサイアロンの
   容量比が２５／７５〜９５１５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ックス
   。