JPS5973472A - 切削工具用サイアロン系セラミック材料 - 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、すぐれた耐摩耗性、耐熱衝撃性。

および高温強度を有し、特にこれらの特性が要求される
鋼および鋳鉄の高速切削に切削工具として使用した場合
にすぐれた切削性能を発揮するセラミ、ツク材料に関す
るものである。

近年、鋼および鋳鉄の高速切削を可能とすべく種々の研
究開発が試みられ、なかでも工作機械の高剛性化と切削
工具材料の改善の両面から・１．これら被剛材の高速切
削への移行は着々と達成されつつあり、現時点では３０
０〜６００　ｍ／ｒｒｉｎの高い切削速度での安定した
切削が１つの目標とされている。

なお、上記の３００〜６００１′ｒＬ／諭の高い切削速
度は、高速切削時に発生する熱に対してすぐれた耐酸化
性を示すと共に、　Ｆｅとの化学的反応性が廷く、かつ
摩擦係数の小さな酸化アルミニウム（以下ＡＩ！　２０
３で示す）を主成分として含有するＡＩ！２０３系セラ
ミックセラミック材料として使用するという前提で、高
速切削を可能とすべく工作機械に改良を加えることによ
って達成できるとして定められたものである。

しかしながら、上記のＡｌ２Ｏ３系セラミック材料は、
十分な耐熱衝撃性および高温における機械的強度を備え
ていないために、これを切削工具として、特に鋼の切削
に３００〜６ｏｏｍ／ｍｍの高い切削速度で使用した場
合、工作機械の改良も未だ不十分であることと相まって
、安定した切削性能を発揮し得ないのが現状である。

また、一方、熱膨張係数が小さく、したがって耐熱衝撃
性にすぐれ、かつ高温における機械的強度にもすぐれた
窒化けい素（以下Ｓｉ３Ｎ、で示す）からなるセラミッ
ク材料や、Ｓｉ３Ｎ４にＡＲ，２０３を固溶させた組成
を有するサイアロンからなるセラミック材料、さらにこ
れらセラミック材料に、それぞれ酸化イツトリウム（以
下￥２０３で示す）、酸化マグネシウム（以下ＭｇＯで
示す）、酸化けい素（以下Ｓ］０．で示す）、窒化アル
ミニウム（以下ＡＩＮで示す）、酸化チタン（以下Ｔｌ
Ｏ２で示す）。

酸化ジルコニウム（以下ＺｒＯ２で示す）、および酸化
・・フニウム（以下ＨｆＯ，で示す）のうちの１種また
は２種以上を１〜３０重量係程度含有させたものからな
るＳｉ３Ｎ４系セラミック材料やサイアロン系セラミッ
ク材料を、鋼および鋳鉄の高速切削に切削工具として使
″用する試みもなされているが、これら８　ｉ　３　Ｎ
４系およびサイアロン系セラミック材料はＦｅとの反応
性が高いために、特に鋼の高速切削に際して摩耗が激し
く、切削工具としては汎用性のきわめて低いものである
。

そこで、本発明者等は、上述のような観点から、すぐれ
た耐熱衝撃性および高温強度を有するが、特に鋼の高速
切削に切削工具として使用した場合、摩耗が激しく、実
用に供し得ない上記従来Ｓｉ３Ｎ４系セラミック材料お
よびサイアロン系セラミック材料に着目し、これにすぐ
れた耐摩耗性を付与すべく研究を行なった結果、上記の
Ｓ　ｉ　３　Ｎ４系およびサイアロン系セラミック材料
に、ＴｉとＷの複合炭窒化物固溶体（以下、（Ｔｉ、　
Ｗ）　ＣＮで示す）を含有させると、Ｓｉ３Ｎ４　およ
びサイアロンによってもたらされるすぐれた耐熱衝撃性
と高温強度を保持した状態で、すぐれた耐摩耗性および
靭性な具備するようになシ、シたがってこの結果のセラ
ミック材料を切削工具として用いた場合には、鋳鉄は勿
論のこと、鋼の高速切削においてもすぐれた切削性能を
長期に亘って発揮するという知見を得たのである。

したがって、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、重量係で、 （Ｔｉ、　Ｗ）ＣＮ　：　１０〜７’　０％、を含有し
、さらに必要に応じて、 Ｙ２Ｏ３，ＭｇＯ，５ｉ０２　、　ＡＬＮ　、　ＴｉＯ
２，ＺｒＯ２，およびＨｆ０２（ＡＡＮ成分を含むが、
他成分が金属の酸化物からなるので、以下、これらを総
称して金属酸化物という）のうちの１種または２種以上
：ｌ〜３０係。

を含有し。

残りがＳ　ｉ　３　Ｎ４およびサイアロンのいずれか、
または両方と不可避不純物、 からなる組成を有する耐摩耗性、耐熱衝撃性、高温強度
、および靭性にすぐれ、特にこれらの特性が要求される
鋼および鋳鉄の高速切削に切削工具として用いた場合に
長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮するセラミック材
料に特徴を有するものである。

つぎに、この発明のセラミック材料において５成分組成
範囲を上記の通りに限定した理由を説明する。

（ａ）　　（Ｔｉ、　ｗ）　ＣＮ この成分は、セラミック材料中で、子連′続相あるいは
連続相を形成した状態で存在し、セラミック材料にすぐ
れた耐摩耗性と靭性を付与する作用をもつが、その含有
量が１０％未満では所望の耐摩耗性および靭性な確保す
ることができず、一方７０チを越えて含有させるとセラ
ミック材料の耐熱衝撃性が劣化するようになることから
、その含有量を１０〜７０％と定めた。

なお、この（Ｔｉ、　Ｗ）　ＣＮ成分は、Ｗに比してＴ
ｉの割合が多い炭窒化物相と、Ｗを主成分とする金真相
との２相域組織をもつものであシ、組成式：（ＴＩＸ　
＋　Ｗｌ　−ｘ　）　ＣｙＮｚで表わした場合、ツレツ
レ０．２≦Ｘ≦Ｏ，’７，０．０５≦ｙ≦０．７０，０
．１５≦２≦Ｏ，’７０，０．３≦ｘ　−１−ｙ≦０．
８５を満足するものが望ましい。すなわち、Ｘの値が０
２未満ではＴ１を主成分とする炭窒化物相の量が少なく
なりすぎて所望のすぐれた耐摩耗性を確保することがで
きず、一方０．７を越えたＸ値になると、逆に前記Ｗを
主成分とする金属相の量が少なくクシすぎて、靭性が低
下するようになることから、Ｘ値を０３〜０７とする。

また、ｙの値が０．０５未満では炭窒化物相の形成が少
なく、窒化物相が表われて耐摩耗性を劣化させるように
なシ、一方ｙ値が０．７を越えると炭化物相が形成され
るようになって靭性劣化の原因となることから、ｙ値を
０．０５〜０．７０とした。２の値については、窒素に
は炭窒化物相の粒径を細かくすると共に、被削材との反
応を抑制して耐摩耗性を向上させる作用があるので、そ
の値が０．１５未満では炭窒化物相の粒度が粗くなり、
かつ炭化物相も形成されるようになって靭性が低下し、
一方２値がＯ，’ｉ’Ｏを越えることは、Ｘ値の上限が
０．７０であることから、６ｊ）得す、かかる点から０
．１５〜０．７０とする。さらにｘ　−１−ｙの値が０
３未満では炭窒化物相の量が少なすぎて所望の耐摩耗性
を確保することができず、一方ｘ　十ｙ値が０８５を越
えると、逆に金属相が少なくなりすぎて所望の靭性な確
保することができないことがら　ｘ　−１−ｙ値を０．
３０−０．８５とするのである。

（ｂｌ　　金属酸化物 これらの成分には、焼結性を改善し、普通焼結法によっ
ても緻密なセラミック材料の製造を可能とし、もって靭
性および強度を一段と向上させる作用があるので、これ
らの特性が要求される場合に必要に応じて含有されるが
、その含有量が１％未満では前記作用に所望の効果が得
られず、一方３０％を越えて含有させると、耐摩耗性が
劣化するように々ることから、その含有量を１〜３０％
と定めた。

（Ｃ１不可避不純物 不可避不純物として、Ｆｅ、　Ｃａ、　Ｎａ、　Ｃｏ、
　Ｎｉ、　Ｍｎ。

およびＯｒなどのうちの１種または２種以上を含有する
が、これらの不可避不純物は総量で５％を越えない限シ
、セラミック材料の特性に何ら悪影響を及ぼすものでは
ない。

また、この発明のセラミック材料は、原料粉末として、
例えばＳｉ３Ｎ４粉末、　　Ｕ２Ｏ，粉末、およびＡＡ
Ｎ粉末な固溶化調製して形成した組成式；５ｉ３Ａ９３
０３Ｎ、で表わされるサイアロン粉末、焼結時にサイア
ロンを形成する目的で、サイアロンの構成粉末であるＳ
ｉ３Ｎ４粉末、　　Ｍ２Ｏ３粉末、およびＡＡＮ粉末、
さらに種々の組成（組成式：　（Ｔｉ）（＋　Ｗｌ−Ｘ
）ＣｙＮ２のＸ＋Ｙ＋および２の値が異ったもの）を有
する（　Ｔｉ、　Ｗ）　ＣＮ粉末、各種の金属酸化物粉
末。

さらにＳｉ３Ｎ４系セラミック材料製造用および構成成
分用としてＳｉ３Ｎ４粉末をそれぞれ用意し、これら原
料粉末を所定の配合組成に配合し、ボールミルや振動ミ
ルなどを用いて十分に混合した後、静水圧プレスや機械
的プレスを用いて圧粉体に成形し、ついで、との圧粉体
を、真空中または雰囲気ガス中で普通焼結するか、ある
いはホットプレスし、さらに必要に応じて焼結後、よシ
確実に緻密化する目的で熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）処
理を施すことによって製造することができる。

つぎに、この発明のセラミック材料を実施例によシ具体
的に説明する。

実施例 まず、いずれも市販の平均粒径；１．５μｍを有するＴ
ｉＣ粉末、同１．５μｍのＴｆＮ粉末、および同ｌＯμ
ｍのＮ粉末を用意し、これら粉末を所定の配合組成に配
合し、乾式で混合した後、圧力５、０　ｍｍＨｇの窒素
雰囲気中、温度：１５００’Ｃに加熱保持して固溶化し
、冷却後粗砕し、引続いてボールミルにて粉砕すること
によって、それぞれ第１表に示される組成、並びにいず
れも平均粒径：１．０μｍをもった５種類の（Ｔｉ、　
Ｗ）　ＣＮ粉末を調製した。

また、同様に、いずれも市販の平均粒径：１．３ｐｍを
有するＳｉ３Ｎ、粉末、同０．７　ｐ　ｍのａｇ２ｏ、
粉末、および同１．５μｍの１ｄｌＮ粉末を用意し、こ
れら粉末を所定の配合組成に配合し、乾式で混合した後
、圧カニ　’７６０　ｍｔｔｔＨｇの窒素雰囲気中、温
度：１５５０℃に加熱保持して固溶化し、冷却後粗砕し
、引続いて粉砕することによって、組成式；Ｓ　１３　
Ａｎ　３０３　Ｎ　ｓを有する平均粒径：１．０μｍの
サイアロン粉末を調製した。

ついで、上記の各種の（Ｔｉ、　Ｗ）　ＣＮ粉末および
サイアロン粉末を、別途用意した平均粒径：１．３μｍ
を有するＳｉ３Ｎ４粉末、並びにいずれも平均粒径：ｏ
、ｓμｍを有するＹ、０．粉末、　ＭｇＯ粉末、　５ｉ
０２粉末１ＭＮ粉末、Ｔ１０□粉末、　ＺｒＯ□粉末、
およびＨｆＯ２粉末とともに原料粉末として用い、これ
ら原料粉末を、それぞれ第１表に示される配合組成に配
合し、／Ｖ２Ｏ５ｆｆボールミルにて４８時時間式混合
し、乾燥した後、黒鉛モールドを用い、温度：１５５０
℃に２０分間保持の条件でホットプレスすることによっ
て、実質的に配合組成と同一の成分組成をもった本発明
セラミック材料１−１１および（Ｔｉ、Ｗ）　ＣＮを含
有しない比較セラミック材料１，２をそれぞれ製造した
。

また、上記のホットプレス法に代って、混合粉末を、機
械的プレスを用いて、１　ｔ、ｏｎ／ｉの圧力で圧粉体
に成形し、この圧粉体を窒素雰囲気中。

温度：１６００〜１７５０℃に２時間保持の条件で焼結
することからなる普通焼結法を適用する以外は、同一の
製造条件で本発明セラミック材料１２〜２２および同じ
＜　（Ｔｉ、　Ｗ）　ＣＮを含有しなり比較セラミック
ー、材料３．４をそれぞれ製造した。

つぎに、この結果得られた本発明セラミック材料１〜２
２および比較セラミック材料１〜４について、ビッカー
ス硬さおよび抗折力を測定すると共に、これよシｃｒｓ
規格８ＮＧＮ４３２型の切削チップを成形し、被削材：
ＳＮＣＭ−８（硬さ：ＨＢ２２０）、切削速度：：ＪＱ
Ｏｍ／ｍｔｎ、切込み：２Ｒｍ＋送り：　０．４５ｕｒ
ｎ／　ｒｅｖ、の条件での鋼高速連続切削試験、および
被削材：ＦＣ−２５（硬さ：ＨＢコ８０）、切削速度：
４００ｍ１ｍｍ、切込み：２１＋１２１Ｌ＋送り：　０
．４５　ＩＩＩ／　ｒｅｖ、の条件での鋳鉄高速連続切
削試験を行ない、それぞれ切刃の逃げ面摩耗幅：０．４
ｍｍ基準での寿命時間を測定した。これらの測定結果を
第１表に合せて示した。

第１表に示される結果から、本発明セラミック材料１〜
２２は、いずれもすぐれた耐摩耗性、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
おいて長い切削寿命を示すことが明らかである。これに
対して、（Ｔｉ、Ｗ）ＣＮ成分を含有しない、すなわち
従来Ｓｉ３Ｎ４セラミツク材料および従来サイアロンセ
ラミック材料に相当する比較セラミック材料１−４は、
いずれも耐熱衝撃性および高温強度を有するものの耐摩
耗性に劣るものであるため、その切削寿命はきわめて短
かいものとなっている。

」二連のように、この発明のセラミック材料は。

すぐれた耐摩耗性、耐熱衝撃性、および高温強度を兼ね
備えているので、特にこれらの特性が要求される鋼の高
速切削は勿論のこと、鋳鉄の高速切削に切削工具として
用いた場合に、著しく長期に亘ってすぐれた切削性能を
発揮するのである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　ＴｉとＷの複合炭窒化物固溶体：１０〜７０
   重量係を含有し、残シが窒化けい素およびサイアロンの
   込ずれか、または両方と不可避不純物からなる組成を有
   することを特徴とする切削工具用セラミック材料。
2. （２）　　ＴｉとＷの複合炭窒化物固溶体：ｌＯ〜７０
   重量係を含有し、さらに酸化イツトリウム、酸化マグネ
   シウム、酸化りい素、窒化アルミニウム。 酸化チタン、酸化ジルコニウム、および酸化・・フニウ
   ムのうちの１種または２種以上：１〜３０重量係重量布
   し、残りが窒化けい素およびサイアロンのいずれか、ま
   たは両方と不可避不純物からなる組成を有することを特
   徴とする切削工具用セラミック材料。