JP2849055B2 - サイアロン基焼結体および被覆焼結体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、サイアロンを主成分と
するマトリックスと粒界相とからなるサイアロン基焼結
体、およびこの焼結体の上に被膜を被覆してなる被覆サ
イアロン基焼結体に関し、具体的には、旋削工具，フラ
イス工具，ドリル，エンドミルに代表される切削工具、
スリッタ−，プッシュ，ガイド，ノズル，ボ−ルに代表
される耐摩耗工具、エンジン，ロ−タに代表される各種
の機械部材，治具などの構造材料として最適なサイアロ
ン基焼結体およびこの焼結体の上に被膜を被覆してなる
被覆サイアロン基焼結体に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、窒化ケイ素またはサイアロンを
主成分とするセラミックス焼結体は、曲げ強度，破壊靭
性，耐熱衝撃性に優れることから切削工具，耐摩耗工
具，各種の機械部品として実用化が進められている。

【０００３】この種の焼結体は、粒界相を含まない焼結
体と粒界相を含む焼結体とに大別できるが、前者の焼結
体の破壊モ−ドは粒内破壊となるために靭性が著しく劣
り、実際に実用化されているのは後者の焼結体である。
後者の焼結体における各種の焼結体の特性は、窒化ケイ
素またはサイアロンのマトリックスと粒界相との両方に
影響を受けるが、耐熱性，耐熱衝撃性などの高温特性は
マトリックスよりも融点の低い粒界相により強く影響を
受けることになる。このことから、この種の焼結体にお
ける粒界相の検討が多数行われており、その中でも高温
特性に注目した代表的なものとして、特開昭６２−１５
３１６９号公報および特開平６−２９８５６７号公報が
ある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】先行技術としての特開
昭６２−１５３１６９号公報には、希土類元素の酸化物
と、Ｈｆ，ＴａまたはＮｂの酸化物，炭化物，ケイ化物
の群から選ばれた少なくとも１種と、窒化アルミニウム
と、残部が窒化ケイ素よりなるセラミックス混合物を焼
成してなる窒化ケイ素焼結体が開示されている。

【０００５】また、特開平６−２９８５６７号公報に
は、β−サイアロンを主成分とするマトリックスと、Ｈ
ｆおよび／またはＺｒの元素を含む複合酸化物を主成分
とする粒界相とからなるサイアロン基焼結体が開示され
ている。

【０００６】これら両公報に開示の焼結体は、従来のＳ
ｉ₃Ｎ₄−Ａｌ₂Ｏ₃−ＡｌＮ−希土類元素の酸化物系焼結
体におけるＡｌ₂Ｏ₃をＨｆＯ₂および／またはＺｒＯ₂で
置換、もしくはそれらを複合酸化物として存在させるこ
とにより高温における機械的強度，耐熱衝撃性，耐欠損
性，耐摩耗性を高めようとしたものであるが、切れ刃の
極一部が高温になるような切削工具として使用する場合
には、境界摩耗量の急激な増加とそれに伴う刃先欠損や
チッピングが生じて短寿命になるという問題がある。

【０００７】本発明は、上述のような問題点を解決した
もので、具体的には、耐摩耗性に優れるα−サイアロン
おそび／またはβ−サイアロンでなるサイアロンを主成
分とするマトリックスに、高融点の複合酸化物を粒界相
として適量存在させることにより耐摩耗性，靭性，耐熱
衝撃性，耐欠損性を高め、特に切削工具としての耐境界
摩耗性を顕著に高めて長寿命化を達成したサイアロン基
焼結体の提供を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、長寿命の
切削工具材料を開発するために、α−サイアロンおそび
／またはβ−サイアロンでなるサイアロンと、α−Ｓｉ
₃Ｎ₄および／またはβ−Ｓｉ₃Ｎ₄でなる窒化ケイ素との
効果の相違、並びにこれらを結合させるための粒界相に
ついて、長期間に亘り検討していたところ、サイアロン
は、窒化ケイ素に対比して切削時に被削材の主成分であ
る鉄族金属との反応が生じ難く、耐摩耗性に優れるこ
と、粒界相としては、希土類元素と４ａ族元素（特にＨ
ｆ）と２ａ，６ａ，７ａ，８ａ族元素（特にＭｇ）との
複合酸化物、または希土類元素と４ａ族元素（特にＨ
ｆ）との複合酸化物に２ａ，６ａ，７ａ，８ａ族元素
（特にＭｇ）の化合物を混在させると、高温での強度，
耐熱衝撃性が顕著に改善されること、熱伝導率，破壊靭
性値が高くなること、これらのサイアロンと粒界相との
シナジ−効果でもって切削工具としての 耐境界摩耗性
が顕著に優れること、かつ長寿命化が達成できるという
知見を得て、本発明を完成するに至ったものである。

【０００９】すなわち、本発明のサイアロン基焼結体
は、サイアロンを主成分とするマトリックスを９０〜９
９重量％と、残部が粒界相からなる焼結体であって、該
粒界相は、周期律表の２ａ，６ａ，７ａ，８ａ族元素の
中の少なくとも１種を含む化合物であるＭ″含有化合物
を必須成分として含有し、かつ次式（Ａ）で表わせる複
合酸化物を主成分とすることを特徴とする焼結体であ
る。 Ｒ₂（Ｍ′Ｍ″_z）_2-XＯ_7-2X ・・・・・（Ａ） （但し、Ｒは、Ｓｃ，Ｙを含めた希土類元素の中の少な
くとも１種を表わし、Ｍ′は、Ｈｆ元素またはＨｆ元素
とその他４ａ族元素の中の少なくとも１種とを表わし、
Ｍ″は、Ｍｇ元素，Ｃｒ元素の中の少なくとも１種を表
わし，Ｏは、酸素元素を表わし、ＸおよびＺは、−６＜
Ｘ＜１および０≦Ｚ＜１を満足する。）

【００１０】本発明の焼結体におけるマトリックスは、
サイアロンのみでなる場合、またはマトリックス中の５
０ｗｔ％以上がサイアロンでなり、好ましくは９０ｗｔ
％以上がサイアロンでなり、残りは窒化ケイ素，ケイ素
アルミニウム酸窒化物（具体的には、例えばＳｉ₁₂Ａｌ
₁₈Ｏ₃₉Ｎ₈），炭化ケイ素の中の１種以上でなるもので
ある。 このマトリックスとして存在するサイアロン
は、組成式：Ｓｉ_6-y−Ａｌ_yＯ_yＮ_8-y（但し、０＜ｙ≦
４．２）で表わせるβ−サイアロンのみからなる場合、
またはこのβ−サイアロンを主成分とし、残りが組成
式：Ｇ_w（ＳｉＡｌ）₁₂（ＯＮ）₁₆（但し、Ｇ＝Ｌｉ，
Ｍｇ，Ｃａ，希土類元素の中の１種以上でなり、０＜ｗ
≦２）で表わせるα−サイアロンでなるものである。

【００１１】このマトリックス以外の構成成分としての
粒界相は、Ｒ₂（Ｍ′Ｍ″_z）_2-XＯ_7-2Xで表わされる複
合酸化物（但し、Ｒは、Ｓｃ，Ｙを含めた希土類元素の
中の少なくとも１種を表わし、Ｍ′は、Ｈｆ元素または
Ｈｆ元素とその他４ａ族元素の中の少なくとも１種とを
表わし、Ｍ″は、Ｍｇ元素，Ｃｒ元素の中の少なくとも
１種を表わし，Ｏは、酸素元素を表わし、ＸおよびＺ
は、−６＜Ｘ＜１および０≦Ｚ＜１を満足する。）のみ
でなる第１粒界相の構成でなる場合、または粒界相中の
５０ｗｔ％以上が上述の複合酸化物でなり、残りがＭ″
含有化合物，希土類元素の酸化物，周期律表の４ａ族元
素の酸化物，Ｙ₂Ｓｉ₃Ｎ₄Ｏ₃（メリライト），ガラス質
相の中の１種以上からなる第２粒界相の構成でなる場合
がある。この粒界相について、さらに説明すると、Ｒ₂
（Ｍ′Ｍ″_z）_2-XＯ_7-2Xで表わされる複合酸化物の式で
０＜Ｚ＜１でなるときには、第１粒界相の構成の場合と
第２粒界相の構成の場合があり、Ｚ＝０でなるときに
は、第２粒界相の構成の場合がある。

【００１２】この粒界相における複合酸化物は、具体的
には、例えばＹ₂Ｈｆ_2-xＯ_7-2x，Ｓｃ₂Ｈｆ_2-xＯ_7-2x，
Ｓｃ₂（ＨｆＭｇ_z）_2-xＯ_7-2x，Ｙ₂（ＨｆＭｇ_z）_2-xＯ
_7-2x，Ｄｙ₂（ＨｆＭｇ_z）_2-xＯ_7-2x，Ｄｙ₂（ＨｆＭｇ
_z）_2-xＯ_7-2x，（ＹＤｙ）₂（ＨｆＭｇ_z）_2-xＯ_7-2x，
Ｙ₂（ＨｆＣｒ_z）_2-xＯ_7-2x，を挙げることができる。
この複合酸化物は、Ｈｆ元素を必須成分として含有して
いる複合酸化物が好ましく、特にＭ′＝Ｈｆでなること
が好ましいことである。

【００１３】また、Ｍ″含有化合物は、具体的には、Ｃ
ａＯ，ＭｇＯ，Ｃｒ₂Ｏ₃，Ｍｎ₂Ｏ₃，ＮｉＯ，ＣｏＯ，
ＹＭｇＯ₄，ＡｌＭｇＯ₄，ＨｆＭｇＯ₃が代表例であ
り、希土類元素の酸化物は、Ｓｃ₂Ｏ₃，Ｙ₂Ｏ₃，Ｃｅ
Ｏ，Ｄｙ₂Ｏ₃が代表例であり、周期律表の４ａ族元素の
酸化物は、ＴｉＯ₂，ＺｒＯ₂，ＨｆＯ₂，（ＴｉＺｒ）
Ｏ₂，（ＴｉＨｆ）Ｏ₂，（ＺｒＨｆ）Ｏ₂を代表例とし
て挙げることができる。

【００１４】焼結体中における粒界相とマトリックスと
の含有量は、相対関係にあり、マトリックスの量が９０
重量％未満になると、相対的に粒界相の量が１０重量％
を越えて多くなり、その結果耐摩耗性の低下が顕著にな
り、逆にマトリックスの量が９９重量％を越えて多くな
ると、相対的に粒界相の量が１重量％未満となり、その
結果焼結性の低下および強度，靭性の低下が顕著とな
る。

【００１５】このサイアロン基焼結体の全面または一部
表面に周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族の金属，Ａｌ，Ｓ
ｉおよびこれらの相互合金，または周期律表の４ａ，５
ａ，６ａ族の金属，Ａｌ，Ｓｉの炭化物，窒化物，酸化
物およびこれらの相互固溶体，もしくはダイヤモンド，
ダイヤモンド状カ−ボン，立方晶窒化硼素，硬質窒化硼
素の中から選ばれた少なくとも１種の単層あるいは２種
以上の複層でなる０．５〜２０μｍ膜厚の被膜を形成し
て被覆サイアロン基焼結体とすると、さらに耐摩耗性が
向上することから好ましいことである。また、被覆サイ
アロン基焼結体の被膜厚さは、用途，焼結体の形状，被
膜材質および単層，複層，被膜の粒径，被膜の結晶など
に関する被膜の構成により適用範囲が異なるが、特に切
削工具のように苛酷な用途には１〜８μｍ膜厚さでなる
ことが好ましい。

【００１６】本発明の焼結体は、従来から行われている
粉末冶金法により作製することができる。具体的には、
例えば各種の出発物質を秤量し、有機溶媒と粉砕媒体と
共に混合容器に挿入し、湿式混合，乾燥，粉末成形，予
備加熱，焼結の各 工程を経て作製することである。この
ときの焼結工程は、窒素ガス，不活性ガスの雰囲気中で
１５００〜２０００℃にて焼結すること、焼結時の圧力
は、減圧または加圧（ホットプレス）にすること、さら
には焼結後に、熱間静水圧加圧処理（ＨＩＰ処理）を施
すことも強度，靭性を高めるためから好ましいことであ
る。

【００１７】また、こうして得た焼結体の表面に被膜を
形成するには、従来から行われている化学蒸着法（ＣＶ
Ｄ法），物理蒸着法（ＰＶＤ法）またはプラズマＣＶＤ
法により行うことができる。

【００１８】

【作用】本発明のサイアロン基焼結体は、マトリックス
が主として耐摩耗性を高める作用をし、粒界相が主とし
て強度，靭性を高める作用をし、粒界相中の複合酸化
物、特にＨｆ元素を含む複合酸化物が機械的強度，耐熱
衝撃性と高温における耐摩耗性との両者をバランスよく
優れるように作用をし、粒界相中のＭ″を含む複合酸化
物および／またはＭ″含有化合物が特に破壊靭性値およ
び熱伝導率を高める作用をし、これらのマトリックスと
粒界相とのシナジ−効果により、さらに高温における耐
摩耗性，耐熱衝撃性，耐欠損性を高めると共に、切削工
具の切れ刃のように極一部分が高温になるような耐摩耗
性、特に耐境界摩耗性を高める作用をしているものであ
る。

【００１９】

【実施例１】平均粒径が０．７μｍのＳｉ₃Ｎ₄，０．２
μｍのＹ₂Ｏ₃，０．４μｍのＨｆＯ₂，０．２μｍのＡ
ｌ₂Ｏ₃，０．３μｍのＭｇＯ，０．３μｍのＤｙ₂Ｏ₃，
０．４μｍのＣｒ₂Ｏ₃の各種市販の粉末を用いて表１に
示す割合に配合し、ヘキサン溶媒とＳｉ₃Ｎ₄基焼結体の
粉砕媒体と共にボールミルによる湿式混合を行った。こ
うして得た混合粉末に成形助剤としてのパラフインワッ
クスを外掛けで５ｗｔ％添加した後、金型を用いて１ｔ
ｏｎ／ｃｍ²の圧力で粉末成形体とした。この粉末成形
体を予備加熱して脱ワックスした後、窒素雰囲気中、温
度１８００℃、２時間保持の条件で焼結し、さらに１０
００気圧の窒素雰囲気中、温度１７００℃、１時間保持
の条件でＨＩＰ処理を行い、本発明品１〜１２および比
較品１〜５を得た。

【００２０】こうして得た本発明品１〜１２および比較
品１〜５の相対密度を測定した結果、比較品２が９３
％、比較品４および５が９９％、その他は全て１００％
であった。また、本発明品１〜１２および比較品１〜５
の破壊靭性値（ビッカース圧子によるクラックから求め
た）、室温と１２００℃の高温における抗折力を求め
て、その結果を表２に示した。

【００２１】次いで、被削材：ＦＣ３５０，切削速度：
８００ｍ／ｍｉｎ，切込み：１．５ｍｍ，送り：０．７
ｍｍ／ｒｅｖ，切削時間：２ｍｉｎ，切削油：水溶性，
工具形状：ＳＮＧＮ１２０４０８，の条件で湿式による
連続旋削試験を行い、その時の横境界摩耗量（Ｖ_N）を
求めて表２に併記した。同じく、被削材：ＦＣＤ６０
０，切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ，切込み：１．５ｍ
ｍ，初期送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ，工具形状：ＳＮＧ
Ｎ１２０４０８，の条件で乾式によるフライス切削試験
を行い、１Ｐａｓｓで欠損しない場合は送りを０．０３
ｍｍ／ｒｅｖづつ増加し、工具が欠損に至る最大送りを
求めて、その結果を表２に併記した。

【００２２】さらに、Ｘ線回折、走査型電子顕微鏡（Ｓ
ＥＭ）により本発明品１〜１２および比較品１〜５の成
分組成を確認した結果、本発明品１〜１２は、表１に示
したＳｉ₃Ｎ₄とＡｌ₂Ｏ₃との合計量でなるマトリックス
でなり、その殆どがβ−サイアロンからなり、粒界相の
９０％以上がＲ₂（Ｍ′Ｍ″_z）_2-XＯ_7-2Xでなる複合酸
化物であった。一方、比較品１〜５の内、比較品１はマ
トリックス含有量が約８７ｗｔ％でなり、比較品２はマ
トリックス含有量が約９９．３ｗｔ％でなり、比較品３
および５は粒界相中にＲ₂（Ｍ′Ｍ″_z）_2-XＯ_7-2Xでな
る複合酸化物が存在しなく、比較品４はマトリックス中
にサイアロンが存在しないものであった。

【００２３】

【表1】

【００２４】

【表２】

【００２５】

【実施例２】実施例１で得た本発明品１〜３および比較
品１の焼結体を用いて、それぞれの焼結体の表面に、従
来から行われているＣＶＤ法により被膜を形成して本発
明の被覆サイアロン基焼結体である本発明品１３〜１５
と比較の被覆焼結体である比較品６を得た。このときの
被膜は、焼結体の表面に隣接して形成された層を第１層
とし、順次第２層および第３層と被覆したものである。

【００２６】こうして得た本発明品１３〜１５と比較品
６の被膜の厚さおよび組成をＸ線回折，ＳＥＭにより確
認して、その結果を表３に示した。また、本発明品１３
〜１５と比較品６を用いて、実施例１の湿式による連続
旋削試験およびフライス切削試験と同条件により切削試
験を行い、その結果を表３に併記した。

【００２７】

【表３】

【００２８】

【発明の効果】本発明のサイアロン基焼結体は、従来の
サイアロン基焼結体および窒化ケイ素基焼結体に比べ
て、耐摩耗性，靭性，耐熱衝撃性，耐欠損性を高め、特
に切削工具としての耐境界摩耗性を顕著に高めて長寿命
になるという優れた効果がある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C04B 35/599

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 サイアロンを主成分とするマトリックス
   を９０〜９９重量％と、残部が粒界相からなる焼結体に
   おいて、該粒界相は、周期律表の２ａ，６ａ，７ａ，８
   ａ族元素の中の少なくとも１種を含む化合物であるＭ″
   含有化合物を必須成分として含有し、かつ次式（Ａ）で
   表わせる複合酸化物を主成分とすることを特徴とするサ
   イアロン基焼結体。 Ｒ₂（Ｍ′Ｍ″_z）_2-XＯ_7-2X ・・・・・（Ａ） （但し、Ｒは、Ｓｃ，Ｙを含めた希土類元素の中の少な
   くとも１種を表わし、Ｍ′は、Ｈｆ元素またはＨｆ元素
   とその他４ａ族元素の中の少なくとも１種とを表わし、
   Ｍ″は、Ｍｇ元素，Ｃｒ元素の中の少なくとも１種を表
   わし，Ｏは、酸素元素を表わし、ＸおよびＺは、−６＜
   Ｘ＜１および０≦Ｚ＜１を満足する。）
2. 【請求項２】 上記複合酸化物は、上記（Ａ）式中の
   Ｍ′がＨｆ元素からなることを特徴とする請求項１に記
   載のサイアロン基焼結体。
3. 【請求項３】 上記Ｍ″含有化合物は、酸化カルシウ
   ム，酸化マグネシウム，酸化マンガン，酸化ニッケル，
   酸化コバルト，イットリウム．マグネシウムの酸化物，
   アルミニウム．マグネシウムの酸化物，ハフニウム．マ
   グネシウムの酸化物の中の少なくとも１種からなること
   を特徴とする請求項１または２に記載のサイアロン基焼
   結体。
4. 【請求項４】 請求項１，２または３に記載のサイアロ
   ン基焼結体の全面または一部表面に周期律表の４ａ，５
   ａ，６ａ族の金属，Ａｌ，Ｓｉおよびこれらの相互合
   金，または周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族の金属，Ａ
   ｌ，Ｓｉの炭化物，窒化物，酸化物およびこれらの相互
   固溶体，もしくはダイヤモンド，ダイヤモンド状カーボ
   ン，立方晶窒化硼素，硬質窒化硼素の中から選ばれた少
   なくとも１種の単層あるいは２種以上の複層でなる０．
   ５〜２０μｍ膜厚の被膜が形成されていることを特徴と
   する被覆サイアロン基焼結体。