JPS6257596B2

JPS6257596B2 -

Info

Publication number: JPS6257596B2
Application number: JP58083783A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Nishigaki; Tatsuro Yasujima; Teruyoshi Tanase; Akio Nishama
Original assignee: Mitsubishi Metal Corp
Current assignee: Mitsubishi Metal Corp
Priority date: 1983-05-13
Filing date: 1983-05-13
Publication date: 1987-12-01
Also published as: JPS59232970A

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
アロン基セラミツ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Si₃N₄で示す）基セラミツ
クスが注目されているが、このセラミツクスは、
Si₃N₄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、したがつてその製造に際して
はホツ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、Si₃N₄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−
Si₃N₄格子のSiの一部をAlで、Ｎの一部をＯで置
換した化合物、すなわち組成式： Si_6-zAl_zO_zN_8-z（ただしＯ＜ｚ≦4.3），で表わ
されるβ−サイアロンを主成分とするサイアロン
基セラミツクスを、切削工具や耐摩耗工具として
用いる試みもなされているが、このサイアロン基
セラミツクスは、靭性は高いものの、硬さがロツ
クウエル硬さ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
イアロン基セラミツクスに着目し、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、もつてすぐれた耐摩耗性を確保すべく研
究を行なつた結果、 (a) 上記のβ−サイアロンと共に、α−Si₃N₄格
子のSiの一部をAlで、Ｎの一部をＯで置換し、
さらに同格子間にLi，Na，Ca，Mg，Ｙ，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：Ｍ_x（Si，Al）₁₂（Ｏ，Ｎ）₁₆（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、この結果のセラミツクスは、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〜
95／５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：Si_6-zAl_zO_zN_8-zで表わされ、Ｏ＜ｚ≦4.3
の条件を満足する必要があり、これは、ｚ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ｚが大きく
なると、セラミツ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、望ましくはＯ＜ｚ≦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：Ｍ_x（Si，Al）₁₂（Ｏ，Ｎ）₁₆で表わさ
れ、Ｏ＜ｘ≦２の条件で存在するが、これは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，Al，Ｏ，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。 (b) 上記(a)のα−サイアロンとβ−サイアロンと
が共存するセラミツクスに、分散相形成成分と
して、周期律表の4a，5a，および6a族金属のほ
う化物のうちの１種または２種以上（以下、こ
れらを総称して金属ほう化物という）を含有さ
せると、焼結時におけるサイアロンの粒成長が
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、セラミツクスの硬さはさら
に向上し、耐摩耗性も一層改善されるようにな
ること。なお、この場合金属ほう化物の含有量は１〜
40容量％とするのがよく、これは、その含有量
が１容量％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％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。 (c) 上記(b)のセラミツクスに、結合相形成成分と
しての上記Ｍに含まれる元素，Si，およびAlの
複合酸・窒化物を含有させると、これらの結合
相形成成分は低融点を有し、したがつて焼結時
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、セラミツク
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％とするのがよく、これは、
その含有量が１容量％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％を越えて
含有させるとセラミツ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
のであつて、 (1) 組成式：Si_6-zAl_zO_zN_8-z（ただしＯ＜ｚ≦
4.3）で表わされるβ−サイアロンと、組成式：
Ｍ_x（Si，Al）₁₂（Ｏ，Ｎ）₁₆（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の金属ほう化物：１〜40
容量％、結合相形成成分としての複合酸・窒化物：１〜
20容量％、を含有し、かつα−サイアロン／β−サイアロン
の容量比が25／75〜95／５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ツクスに特徴を
有するものである。また、この発明のセラミツクスは、原料粉末と
して、 Si₃N₄粉末＋Al₂O₃粉末＋AlN粉末、 Si₃N₄粉末＋SiO₂粉末＋AlN粉末、 Si₂ON₂粉末＋AlN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Si₃N₄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、分散相を形成する金属ほう化物粉末、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Al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、1550〜1800℃の範囲
内の温度でホツトプレスするか、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
ことによつて製造することができる。なお、上記の焼結は、通常の状態で行なつても
よいが、この場合焼結後のセラミツクスの表面変
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Si₃N₄が分解するのを抑制するため
にN₂を含有した雰囲気で行なう必要があり、こ
の場合N₂とH₂，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
1550〜1800℃でよいが、好ましくは1650〜1750℃
の範囲内の温度がよい。さらに、焼結後のセラミツ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、この発明のセラミツクスを実施例によ
り具体的に説明する。実施例１原料粉末として、平均粒径：0.8μｍのSi₃N₄

【表】

【表】（α相含有率：90容量％）粉末およびCaO粉末，
同0.6μｍのα−Al₂O₃粉末およびMgO粉末，同
1.5μｍのAlN粉末，いずれも同1.0μｍのLi₂O粉
末，Na₂O粉末，Y₂O₃粉末，およびYN粉末，い
ずれも同1.5μｍを有する各種の希土類酸化物粉
末，いずれも同1.5μｍのTiB₂粉末，ZrB₂粉末，
HfB₂粉末，VB₂粉末，TaB₂粉末，NbB₂粉末，
CrB₂粉末，MoB₂粉末，およびWB₂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72時間
混合した後、乾燥し、ついでこの混合粉末を
1ton／cm²の圧力で圧粉体に成形し、引続いて常圧
の窒素雰囲気中、温度：1700℃に２時間保持の条
件で焼結することによつて本発明セラミツクス１
〜23および比較セラミツクス１〜４をそれぞれ製
造した。なお、比較セラミツクス１〜４は、いずれも構
成成分のうちのいずれかの成分含有量（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ツクス１〜26お
よび比較セラミツクス１〜４について、顕微境観
察およびＸ線回折などにより組成を調べると共
に、硬さ（ロツクウエル硬さＡスケール）を測定
し、さらに、これよりSNG432に則した切削チツ
プを切り出し、被削材：FC30の丸棒、切削速度：400ｍ／min、切込み：1.5mm、送り：0.25mm／rev、切削時間：5min、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、本発明セラミツク
ス１〜26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、比較セラミツクス１〜４
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、欠損
したり、耐摩耗性の劣つたものになることが明ら
かである。上述のように、この発明のセラミツクスは、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つてすぐれ
た性能を安定的に発揮するのである。

Claims

【特許請求の範囲】１組成式：Si_6-zAlzOzN_8-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，Al）₁₂（Ｏ，Ｎ）₁₆（ただしＯ＜ｘ≦
２，Ｍ：Li，Na，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周期律表の4a，5a，お
よび6a族金属のほう化物のうちの１種または２種
以上：１〜40容量％、結合相形成成分としての上記Ｍに含まれる元
素，Si，およびAlの複合酸・窒化物：１〜20容量
％，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25／75〜95／５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
ン基セラミツクス。