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JPH06344204A - Cutting tool made of composite ceramics and its manufacture - Google Patents

Cutting tool made of composite ceramics and its manufacture

Info

Publication number
JPH06344204A
JPH06344204A JP5135820A JP13582093A JPH06344204A JP H06344204 A JPH06344204 A JP H06344204A JP 5135820 A JP5135820 A JP 5135820A JP 13582093 A JP13582093 A JP 13582093A JP H06344204 A JPH06344204 A JP H06344204A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
silicon carbide
silicon nitride
particles
silicon
cutting tool
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP5135820A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hiromasa Isaki
寛正 伊崎
Emiko Yokose
恵美子 横瀬
Nobuyoshi Yamazaki
修良 山崎
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Gas Chemical Co Inc
Original Assignee
Mitsubishi Gas Chemical Co Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Gas Chemical Co Inc filed Critical Mitsubishi Gas Chemical Co Inc
Priority to JP5135820A priority Critical patent/JPH06344204A/en
Publication of JPH06344204A publication Critical patent/JPH06344204A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)

Abstract

PURPOSE:To suppress the scattering of the strength and improve the fracture toughness of the surface by executing the heat treatment of a composite sintered compact made of silicon nitride and silicon carbide, and grinding the surface. CONSTITUTION:The composite sintered compact of silicon nitride and silicon carbide in a cutting tool made of the composite sintered compact of silicon nitride and silicon carbide consists of the matrix phase made of silicon nitride and silicon carbide having fine structure where the particles of silicon carbide of <=1mum in average grain size are present in the grain boundary of the particles of silicon nitride and the particles of silicon carbide of several nm to several hundred nm in size are dispersed in the particles of silicon nitride, and the dispersed phase of the particles of silicon carbide of 5-50mum in average grain size, and/or the whisker of silicon carbide whose minor axis is 0.05-3.0mum in length and whose aspect ratio is 5-300. In addition, the oxide layer containing silica on the surface of the sintered compact and/or the layer with different hue from that of the inside part are provided. The heat treatment of this surface and the subsequent grinding suppresses the scattering of the strength of the sintered compact, the fracture toughness of the surface is improved, and similar effect to that of the coating can be obtained.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、窒化ケイ素−炭化ケイ
素複合切削工具およびその製造法に関し、旋削、フライ
ス用のスローアウェイチップやドリル、エンドミル等の
切削工具として使用できる窒化ケイ素−炭化ケイ素から
なる複合セラミックス切削工具に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a silicon nitride-silicon carbide composite cutting tool and a method for producing the same, and is made of silicon nitride-silicon carbide which can be used as a cutting tool for throwaway inserts for turning and milling, drills and end mills. Composite ceramic cutting tool.

【0002】[0002]

【従来の技術】窒化ケイ素系のセラミックス切削工具は
アルミナ系の切削工具に比較して、高い強度と破壊靭性
あるいは耐熱性や耐熱衝撃性を生かし、特に鋳鉄の高速
切削用工具や耐熱合金の切削工具として利用され始めて
きた。しかしながら近年の切削の高速化や耐熱合金の切
削には、従来の窒化ケイ素では摩耗や欠損によって十分
な寿命を得ることができず、様々な改良が加えられてい
る。
2. Description of the Related Art Silicon nitride ceramic cutting tools take advantage of higher strength and fracture toughness or heat resistance and thermal shock resistance as compared with alumina cutting tools, especially for high speed cutting of cast iron and cutting of heat resistant alloys. It has begun to be used as a tool. However, in order to speed up cutting in recent years and to cut heat-resistant alloys, conventional silicon nitride cannot obtain a sufficient life due to wear and damage, and various improvements have been added.

【0003】その一つの方法として、窒化ケイ素の表面
にアルミナやチタン系の単層または多層のコーティング
層を設け、それによって破壊靭性と耐摩耗性を改善する
ことが知られている。しかしこの方法ではコーティング
層の剥離により十分な耐欠損性や耐摩耗性を示さなかっ
たり、コーティングの工程が切削工具のコスト高を招く
などの欠点がある。
As one of the methods, it is known that a single layer or a multi-layer coating layer of alumina or titanium is provided on the surface of silicon nitride to improve fracture toughness and wear resistance. However, this method has drawbacks in that it does not exhibit sufficient fracture resistance and abrasion resistance due to peeling of the coating layer, and the coating process causes an increase in cost of the cutting tool.

【0004】また別の方法として、窒化ケイ素に炭化ケ
イ素ウィスカーを添加することにより、例えば窯業協会
誌、91,491(1983)や特開昭 59-54680 号に示されている
ように、従来の窒化ケイ素よりも優れた破壊靭性あるい
は耐欠損性をもたせることが行われている。
As another method, by adding silicon carbide whiskers to silicon nitride, a conventional silicon nitride whiskers is disclosed, for example, as shown in Ceramic Industry Association, 91,491 (1983) and Japanese Patent Laid-Open No. 59-54680. More excellent fracture toughness or fracture resistance is performed.

【0005】さらに特開平 1-137486号には、窒化ケイ
素粒子の粒界に平均粒径1μm以下の炭化ケイ素粒子が
存在し、かつ数nmから数百nmの炭化ケイ素粒子が窒
化ケイ素粒子内に分散した微構造を示す窒化ケイ素−炭
化ケイ素からなるマトリックス相と、a)平均粒径が5
−50μmの炭化ケイ素粒子、および/または b)短
軸が0.05−3.0μm、アスペクト比が5−300
の炭化ケイ素ウィスカーの分散相とからなる窒化ケイ素
−炭化ケイ素複合焼結体は、室温あるいは高温強度およ
び破壊靭性値ともに窒化ケイ素に優り、切削工具などの
耐摩耗材料として有用であることが示されている。
Further, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-137486, silicon carbide particles having an average particle diameter of 1 μm or less are present at the grain boundaries of silicon nitride particles, and silicon carbide particles having a diameter of several nm to several hundreds nm are contained in the silicon nitride particles. A matrix phase composed of silicon nitride-silicon carbide showing a dispersed microstructure, and a) having an average particle size of 5
-50 μm silicon carbide particles, and / or b) minor axis 0.05-3.0 μm, aspect ratio 5-300
The silicon nitride-silicon carbide composite sintered body consisting of the dispersed phase of the silicon carbide whiskers is superior to silicon nitride in both room temperature or high temperature strength and fracture toughness value, and has been shown to be useful as a wear resistant material such as a cutting tool. ing.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする問題点】しかしながら上記発
明による窒化ケイ素−炭化ケイ素複合焼結体は強度や破
壊靭性に優れているという特徴をもつものの、本材料を
切削工具として使用するには、強度のばらつきや破壊靭
性、あるいは耐摩耗性、耐欠損性のさらなる改善が求め
られていた。
However, although the silicon nitride-silicon carbide composite sintered body according to the above-mentioned invention is characterized by being excellent in strength and fracture toughness, in order to use this material as a cutting tool, It has been demanded to further improve the variation in fracture toughness, fracture toughness, wear resistance and fracture resistance.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記窒化ケイ
素−炭化ケイ素複合焼結体に熱処理を施し表面を研削す
ることにより、強度のばらつきを抑えしかも表面の破壊
靭性を向上させうることを見出し、切削工具として優れ
た特性を付与するに至った。
According to the present invention, it is possible to suppress the dispersion of strength and improve the fracture toughness of the surface by subjecting the above silicon nitride-silicon carbide composite sintered body to a heat treatment to grind the surface. As a result, they have found that they have excellent properties as a cutting tool.

【0008】すなわち本発明は、窒化ケイ素粒子の粒界
に平均粒径1μm以下の炭化ケイ素粒子が存在し、かつ
数nmから数百nmの炭化ケイ素粒子が窒化ケイ素粒子
内に分散した微構造を示す窒化ケイ素−炭化ケイ素から
なるマトリックス相と、a)平均粒径が5−50μmの
炭化ケイ素粒子、および/または b)短軸が0.05
−3.0μm、アスペクト比が5−300の炭化ケイ素
ウィスカーの分散相とからなる窒化ケイ素−炭化ケイ素
複合焼結体であって、焼結体表面にシリカを含む酸化層
および/または内部と色相が異なる層を有していること
を特徴とする窒化ケイ素−炭化ケイ素複合セラミックス
切削工具に関する。
That is, the present invention has a microstructure in which silicon carbide particles having an average particle size of 1 μm or less are present at the grain boundaries of silicon nitride particles, and silicon carbide particles having a particle size of several nm to several hundred nm are dispersed in the silicon nitride particles. A silicon nitride-silicon carbide matrix phase shown, and a) silicon carbide particles having an average particle size of 5 to 50 μm, and / or b) a minor axis of 0.05.
A silicon nitride-silicon carbide composite sintered body comprising a dispersed phase of silicon carbide whiskers having an aspect ratio of -300 μm and a color ratio of an oxide layer containing silica on the surface of the sintered body and / or the inside thereof. Have different layers. The present invention relates to a silicon nitride-silicon carbide composite ceramic cutting tool.

【0009】さらに本発明は、窒化ケイ素粒子の粒界に
平均粒径1μm以下の炭化ケイ素粒子が存在し、かつ数
nmから数百nmの炭化ケイ素粒子が窒化ケイ素粒子内
に分散した微構造を示す窒化ケイ素−炭化ケイ素からな
るマトリックス相と、a)平均粒径が5−50μmの炭
化ケイ素粒子、および/または b)短軸が0.05−
3.0μm、アスペクト比が5−300の炭化ケイ素ウ
ィスカーの分散相とからなる窒化ケイ素−炭化ケイ素複
合焼結体を、酸化雰囲気中、1300〜1600℃で熱処理し、
しかる後表面を 5-2000 μm除去することを特徴とする
窒化ケイ素−炭化ケイ素からなる複合セラミックス切削
工具の製造法に関する。
Further, the present invention has a microstructure in which silicon carbide particles having an average particle size of 1 μm or less are present at the grain boundaries of silicon nitride particles, and silicon carbide particles having a particle size of several nm to several hundred nm are dispersed in the silicon nitride particles. A silicon nitride-silicon carbide matrix phase shown, a) silicon carbide particles having an average particle size of 5 to 50 μm, and / or b) a minor axis of 0.05-
A silicon nitride-silicon carbide composite sintered body composed of a dispersed phase of silicon carbide whiskers having a thickness of 3.0 μm and an aspect ratio of 5-300 is heat-treated at 1300 to 1600 ° C. in an oxidizing atmosphere,
Then, the present invention relates to a method for manufacturing a composite ceramic cutting tool made of silicon nitride-silicon carbide, which is characterized by removing the surface by 5-2000 μm.

【0010】本発明によれば簡単な表面の熱処理と引き
続く研削によって焼結体の強度のばらつきが抑えられ、
しかも表面の破壊靭性が向上しコーティングと同様な効
果が得られるため、十分な耐欠損性と耐摩耗性を有する
複合セラミックス切削工具を得ることができる。その結
果、本発明による切削工具は鋳鉄などの長寿命の高速切
削用工具のみならず、耐熱合金の切削工具やドリル、エ
ンドミル等の切削工具としても利用できる。
According to the present invention, variations in the strength of the sintered body can be suppressed by simple surface heat treatment and subsequent grinding,
Moreover, since the fracture toughness of the surface is improved and the same effect as the coating is obtained, it is possible to obtain a composite ceramics cutting tool having sufficient fracture resistance and wear resistance. As a result, the cutting tool according to the present invention can be used not only as a tool for long-lived high-speed cutting such as cast iron, but also as a cutting tool for heat-resistant alloys, a drill, an end mill, or the like.

【0011】本発明に用いられる窒化ケイ素−炭化ケイ
素複合焼結体は特開平1-137486号に示されるように、マ
トリックス相の原料として、平均粒径が0.5μm以下
の微細な炭化ケイ素を生成する非晶質窒化ケイ素−炭化
ケイ素複合粉末または窒化ケイ素−炭化ケイ素混合粉末
を使用し、当該粉末に分散相として平均粒径が5−50
μmの炭化ケイ素粒子、および/または短軸が0.05
−3.0μm、アスペクト比が5−300の炭化ケイ素
ウィスカーを混合し、成形・焼結によって製造される。
The silicon nitride-silicon carbide composite sintered body used in the present invention comprises fine silicon carbide having an average particle size of 0.5 μm or less as a raw material of a matrix phase, as disclosed in JP-A 1-137486. The resulting amorphous silicon nitride-silicon carbide composite powder or silicon nitride-silicon carbide mixed powder is used, and the powder has an average particle size of 5-50 as a dispersed phase.
μm silicon carbide particles and / or minor axis of 0.05
It is manufactured by mixing silicon carbide whiskers with an aspect ratio of 5-300 and a molding and sintering.

【0012】上記焼結体のマトリックス相を構成する原
料粉末の炭化ケイ素は、炭化ケイ素粉末を原料として使
用する場合は、すくなくとも平均粒径が 0.5μm以下の
粉末、あるいは焼結時に 0.5μm以下の炭化ケイ素を生
成するような非晶質の粉末がもちいられる。
The raw material powder constituting the matrix phase of the above-mentioned sintered body has a silicon carbide powder having an average particle size of at least 0.5 μm or at the time of sintering of 0.5 μm or less when the silicon carbide powder is used as a raw material. Amorphous powders that produce silicon carbide are used.

【0013】より好適なマトリックス相の原料として
は、特開昭6 0 - 2 3 5 7 0 7 号公報等に示される方法
により得られる非晶質のケイ素、炭素、窒素、酸素から
なる粉末が挙げられる。マトリックス相中の炭化ケイ素
量は3−25重量%、好ましくは5−20重量%である
と効果的である。
As a more preferable material for the matrix phase, a powder composed of amorphous silicon, carbon, nitrogen and oxygen obtained by the method disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 60-235077. Can be mentioned. Effectively, the amount of silicon carbide in the matrix phase is 3-25% by weight, preferably 5-20% by weight.

【0014】一方、分散相となる原料は従来から市販さ
れている a)平均粒径が5−50μmの炭化ケイ素粒
子、および/または b)短軸が0.05−3.0μ
m、アスペクト比が5−300の炭化ケイ素ウィスカ
ー、が使用できる。本発明において、分散相の量はマト
リックス相中の炭化ケイ素量にもよるが、一般的には5
−40重量%、好ましくは、10−30重量%が効果的
である。
On the other hand, the raw material for the disperse phase has been conventionally marketed a) silicon carbide particles having an average particle size of 5 to 50 μm, and / or b) a short axis of 0.05 to 3.0 μm.
m, silicon carbide whiskers having an aspect ratio of 5-300 can be used. In the present invention, the amount of the dispersed phase depends on the amount of silicon carbide in the matrix phase, but is generally 5
-40% by weight, preferably 10-30% by weight is effective.

【0015】これらの粉末は焼結中に液相を生成する焼
結助剤および必要に応じて成形バインダーなどとよく混
合される。焼結助剤は、従来から窒化ケイ素、炭化ケイ
素に用いられているいずれのものも使用することがで
き、たとえば、B, C, MgO, Al2O3, Y2O3, AlN, ZrO2, S
iO2,CrO2, Sc2O3, HfO2, その他のランタン系酸化物等
が例示される。これらは単体のみならず炭酸塩、硝酸
塩、あるいはアルコキシドや非晶質の状態でも添加する
ことができる。これら焼結助剤の少なくとも一種を上記
原料粉末と混合するが、その使用量は通常0.1 〜20重量
% の範囲である。
These powders are well mixed with a sintering aid which forms a liquid phase during sintering and, if necessary, a molding binder and the like. As the sintering aid, any of those conventionally used for silicon nitride and silicon carbide can be used.For example, B, C, MgO, Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , AlN, ZrO 2 , S
Examples thereof include iO 2 , CrO 2 , Sc 2 O 3 , HfO 2 , and other lanthanum-based oxides. These can be added not only as a simple substance but also as a carbonate, a nitrate, an alkoxide, or an amorphous state. At least one of these sintering aids is mixed with the above-mentioned raw material powder, and the amount used is usually 0.1 to 20 weight.
It is in the range of%.

【0016】この焼結助剤のなかでも Y2O3 は焼結体の
強度特性を高めるのに有効であり、本発明においては
0.5-15 重量%、好ましくは 2-10 重量%を添加するの
が好ましい。この Y2O3 は本発明の熱処理の過程におい
て、拡散により焼結体表面に移動し複合焼結体表面の酸
化生成物と固溶体を形成したり、また焼結体の内部にお
いては粒界に耐熱性の高い結晶相を形成したりする。
Among these sintering aids, Y 2 O 3 is effective in enhancing the strength characteristics of the sintered body, and in the present invention,
It is preferred to add 0.5-15% by weight, preferably 2-10% by weight. During the heat treatment process of the present invention, this Y 2 O 3 moves to the surface of the sintered body by diffusion, forms a solid solution with the oxidation product on the surface of the composite sintered body, and also forms grain boundaries inside the sintered body. It forms a crystal phase with high heat resistance.

【0017】混合の方法は従来から用いられている乾式
あるいは湿式混合法のいずれの方法でも構わない。この
混合粉末は、ホットプレス焼結の場合は直接ダイスに充
填して焼結工程へ、それ以外の場合は金型成形や射出成
形などの方法によって成形され、次の焼結工程へ入る。
この焼結方法は、通常の常圧焼結、ガス圧焼結、あるい
はホットプレスやHIP等の従来から実施されている方
法がそのまま適用できる。
The mixing method may be any conventionally used dry method or wet mixing method. In the case of hot press sintering, this mixed powder is directly filled in a die to be sintered, and in other cases, it is molded by a method such as die molding or injection molding, and the next sintering step is performed.
As the sintering method, a normal atmospheric pressure sintering, a gas pressure sintering, or a conventionally practiced method such as hot pressing or HIP can be applied as it is.

【0018】以上のようにして得られる窒化ケイ素−炭
化ケイ素複合焼結体を本発明の方法に従って熱処理し、
しかるのち研削によって表面の除去を行う。すなわち上
述した窒化ケイ素−炭化ケイ素複合焼結体を、酸化雰囲
気中、1300〜1600℃で熱処理し、しかる後表面を 5-200
0 μm除去する。
The silicon nitride-silicon carbide composite sintered body obtained as described above is heat treated according to the method of the present invention,
After that, the surface is removed by grinding. That is, the above-mentioned silicon nitride-silicon carbide composite sintered body was heat-treated at 1300 to 1600 ° C. in an oxidizing atmosphere, and then the surface was treated with 5-200
Remove 0 μm.

【0019】本発明における熱処理は、たとえば酸素中
や空気中のような酸化性ガス雰囲気下、あるいはガス気
流下で実施される。その熱処理の条件は、処理する焼結
体の大きさや用いた焼結助剤あるいは処理雰囲気により
適宜選択する必要があるが、一般に処理温度は 1300 〜
1600℃、好ましくは 1400 〜1550℃、処理時間は 1〜48
時間が選ばれる。この熱処理は常圧、加圧のいずれで実
施してもよい。
The heat treatment in the present invention is carried out in an oxidizing gas atmosphere such as oxygen or air, or in a gas stream. The heat treatment conditions should be appropriately selected depending on the size of the sintered body to be treated, the sintering aid used, or the treatment atmosphere, but generally the treatment temperature is 1300 to
1600 ° C, preferably 1400 to 1550 ° C, treatment time 1 to 48
Time is chosen. This heat treatment may be carried out either under normal pressure or under pressure.

【0020】本発明に従って熱処理を行うと、焼結体に
は次のような変化が起こる。すなわち、焼結体の内部に
おいては粒界層に存在している焼結助剤成分の一部が耐
熱性の高い結晶相に変化する。また焼結体の表面におい
ては内部と色相の異なる層が生成する。この色相は内部
が緑灰色であるの対して、表面は暗緑灰色ないしは黒色
である。これは酸化によって表面にシリカが生成した
り、あるいは拡散にともなう焼結助剤成分がシリカや窒
化ケイ素成分と反応して、結晶質やガラス質の複雑な酸
化層が生成するためと推察される。
When heat treatment is performed according to the present invention, the following changes occur in the sintered body. That is, inside the sintered body, a part of the sintering aid component existing in the grain boundary layer changes to a crystal phase having high heat resistance. In addition, a layer having a hue different from that of the inside is formed on the surface of the sintered body. This hue is greenish gray inside, whereas the surface is dark greenish gray or black. It is speculated that this is because silica is generated on the surface by oxidation, or the sintering aid component accompanying diffusion reacts with silica and silicon nitride components to form a complex oxide layer of crystalline or vitreous material. .

【0021】たとえば、 Y2O3 を焼結助剤として得られ
た窒化ケイ素−炭化ケイ素複合焼結体を本発明にしたが
って熱処理すると、焼結体の表面は黒色を呈し、イット
リウムのイオンが拡散した結果として結晶質のイットリ
ウムジシリケート(Y2O3 2SiO 2)が生成したり、窒化ケイ
素や炭化ケイ素の酸化による結晶質のクリストバライト
(SiO2)やシリカを含むガラス相が生成する。
For example, Y2O3As a sintering aid
According to the present invention, a silicon nitride-silicon carbide composite sintered body
When heat treated, the surface of the sintered body turns black and
The crystalline yttria as a result of the diffusion of the ions of
Ummdisilicate (Y2O32 SiO 2) Is generated or silicon nitride
Crystalline cristobalite by oxidation of silicon and silicon carbide
(SiO2) Or silica-containing glass phase is formed.

【0022】この酸化層の厚みは熱処理の条件にもよる
が通常 5μm以上となり、たとえば、1500℃で空気中 2
時間の熱処理を行うと酸化層の厚みはおよそ 10 μmに
達する。このとき焼結体表面の一部では、不均一な酸化
により酸化が急速に進行して、表面があれて強度のばら
つきを引き起こす。
The thickness of this oxide layer is usually 5 μm or more, though it depends on the heat treatment conditions.
After heat treatment for a long time, the thickness of the oxide layer reaches about 10 μm. At this time, in a part of the surface of the sintered body, the oxidation progresses rapidly due to the non-uniform oxidation, and the surface is exposed to cause variations in strength.

【0023】このため、本発明においては熱処理した焼
結体の表面を研削により除去する。この研削によって表
面の粗れた部分が除かれ、強度のばらつきを小さくする
ことができる。この研削とともに焼結体表面の色は黒色
から次第に暗い緑灰色にと変化し、最終的に焼結体内部
の色である緑灰色となるが、本発明においては、酸化生
成層や内部と色相が異なる層を完全に除去するのは好ま
しくない。なぜならば、酸化表面に近いほど表面の破壊
靭性は高いからである。すなわち、焼結体表面の破壊靭
性は研削量が多くなるに従って低下し、最終的に内部の
破壊靭性値と同一となる。
Therefore, in the present invention, the surface of the heat-treated sintered body is removed by grinding. By this grinding, the roughened portion of the surface is removed, and the variation in strength can be reduced. With this grinding, the color of the surface of the sintered body gradually changes from black to dark greenish gray, and finally becomes greenish gray which is the color inside the sintered body. It is not preferred to completely remove the layers that differ. This is because the fracture toughness of the surface is higher as it is closer to the oxidized surface. That is, the fracture toughness of the surface of the sintered body decreases as the grinding amount increases, and finally becomes the same as the internal fracture toughness value.

【0024】したがって、表面層の研削量は要求される
表面の粗らさや切削工具の大きさにもよるが、強度のば
らつきが抑えられる最小限にと止めておくのが好まし
い。すなわち本発明における研削量は通常 5-2000 μm
の範囲であり、好ましくは 10-200 μmである。
Therefore, although the amount of grinding of the surface layer depends on the required roughness of the surface and the size of the cutting tool, it is preferable to keep the amount of grinding to the minimum level in which variations in strength are suppressed. That is, the grinding amount in the present invention is usually 5-2000 μm.
Range, preferably 10-200 μm.

【0025】以上のような本発明の方法によって得られ
る焼結体は、表面にシリカを含む酸化層および/または
内部と色相が異なる層を有している複合焼結体である。
この焼結体は強度のばらつきが小さく、しかも内部より
表面の破壊靭性が高いため、切削工具としてはより優れ
た耐欠損性と耐摩耗性を示すようになる。
The sintered body obtained by the method of the present invention as described above is a composite sintered body having an oxide layer containing silica on the surface and / or a layer having a hue different from that of the inside.
Since this sintered body has a small variation in strength and the fracture toughness of the surface is higher than that of the inside, it exhibits more excellent fracture resistance and wear resistance as a cutting tool.

【0026】焼結体の表面を除去する具体的な方法とし
ては、部材が平面である場合には、平面研削盤により、
また複雑な形状の場合にはNC旋盤やバレル研磨などの
方法がとられる。
As a concrete method for removing the surface of the sintered body, when the member is a flat surface, a surface grinder is used.
When the shape is complicated, NC lathe or barrel polishing is used.

【0027】以下に示す実施例は本発明の一例を示すも
のであって本発明の要旨を超えない限り、これに限定さ
れるものでない。尚、本発明において、室温強度の試験
片は3×4×>36mmのサイズで行い、強度試験は4点
曲げ強度、外部スパン30mm、内部スパン10mm、クロ
スヘッドスピード0.5 mm/minで行った。また焼結体表面
の破壊靭性は、焼結体の表面を 3μm 、1 μm のダイヤ
モンドペーストで研磨したのち、圧子圧入法(荷重20
kg、保持時間20秒)で測定した。
The following examples show one example of the present invention, and are not limited to these as long as they do not exceed the gist of the present invention. In the present invention, the room temperature strength test piece was performed with a size of 3 × 4 ×> 36 mm, and the strength test was performed with a 4-point bending strength, an outer span of 30 mm, an inner span of 10 mm and a crosshead speed of 0.5 mm / min. For the fracture toughness of the surface of the sintered body, after polishing the surface of the sintered body with 3 μm or 1 μm diamond paste, press the indenter (load 20).
kg, holding time 20 seconds).

【0028】実施例1ー5、比較例1、2 マトリックス相としては、炭素を 3.0, 5.1 重量%(炭
化ケイ素 10vol%, 17vol %に相当)含有するケイ素、
炭素、窒素および酸素からなる平均粒径1μm以下の非
晶質粉末(実施例1-4 、比較例1,2 )、あるいは炭素含
有量 0.5重量%の非晶質粉末に平均粒径 0.3μm のβ-S
iC粉末を表1に示す割合で添加したもの(実施例5 )を
原料粉末とした。一方分散相としては表1に示す炭化ケ
イ素粉末あるいは炭化ケイ素ウィスカー(直径:0.1-1.
0 μm 、アスペクト比:50-300)を用いた。上記マトリ
ックス相と分散相の原料ならびに液相を生成する焼結助
剤として、Y2O3 8wt% をエタノール中で湿式混合し乾燥
した後、窒素ガス中 350 kg/cm2 の圧力で1750℃、4 時
間のホットプレス焼結を行った。得られた焼結体を空気
中、1500℃、2 時間で熱処理し、表面を所定量研削した
試験片を得た。また同様のホットプレス焼結を行い、熱
処理せずに研削したものならびに熱処理後に研削しない
試験片を得た。(比較例1,2 )
Examples 1-5, Comparative Examples 1 and 2 As the matrix phase, silicon containing 3.0, 5.1% by weight of carbon (corresponding to 10 vol% and 17 vol% of silicon carbide),
Amorphous powder consisting of carbon, nitrogen and oxygen and having an average particle size of 1 μm or less (Examples 1-4 and Comparative Examples 1 and 2) or an amorphous powder having a carbon content of 0.5% by weight and having an average particle size of 0.3 μm. β-S
What added iC powder in the ratio shown in Table 1 (Example 5) was made into the raw material powder. On the other hand, as the dispersed phase, silicon carbide powder or silicon carbide whiskers shown in Table 1 (diameter: 0.1-1.
0 μm, aspect ratio: 50-300) was used. As a sintering agent to produce the raw material and the liquid phase of the matrix phase and the dispersed phase, Y 2 O 3 after the 8 wt% was wet mixed and dried in ethanol, 1750 ° C. at a pressure of nitrogen gas 350 kg / cm 2 The hot press sintering was performed for 4 hours. The obtained sintered body was heat-treated in air at 1500 ° C. for 2 hours to obtain a test piece whose surface was ground by a predetermined amount. Further, the same hot press sintering was performed to obtain a test piece that was ground without heat treatment and a test piece that was not ground after heat treatment. (Comparative examples 1 and 2)

【0029】熱処理しない焼結体は表面が緑灰色であ
り、X線回折では窒化ケイ素や炭化ケイ素のほかに、酸
化イットリウムとシリカあるいは窒化ケイ素との反応生
成物である Si3Y2O3N4、Si3NY5O12 、Y3SiO5、Y2Si2O7
などが少量認められた。
The surface of the non-heat-treated sintered body is greenish gray, and in X-ray diffraction, in addition to silicon nitride and silicon carbide, Si 3 Y 2 O 3 N which is a reaction product of yttrium oxide and silica or silicon nitride. 4 , Si 3 NY 5 O 12 , Y 3 SiO 5 , Y 2 Si 2 O 7
A small amount was observed.

【0030】一方、熱処理を行った焼結体の表面は黒っ
ぽい暗緑灰色をしており、X線回折では窒化ケイ素や炭
化ケイ素のほかにイットリウムジシリケート(Y2O3 2SiO
2)とクリストバライト(SiO2)の結晶相が強く認められ
た。また、この焼結体の内部は熱処理しない焼結体と同
様の色相をしており、生成相には熱処理しない焼結体に
認められた生成相の他に Si2N2Y4O7が認められた。
On the other hand, the surface of the sintered body which has been subjected to the heat treatment has a dark dark greenish gray color, and X-ray diffraction shows that yttrium disilicate (Y 2 O 3 2SiO) is used in addition to silicon nitride and silicon carbide.
2 ) and cristobalite (SiO 2 ) crystal phases were strongly observed. In addition, the inside of this sintered body has the same hue as that of the non-heat-treated sintered body, and Si 2 N 2 Y 4 O 7 is contained in the produced phase in addition to the produced phase observed in the unheated sintered body. Admitted.

【0031】得られた種々の焼結体について試験片15
本の測定による室温平均曲げ強度と、強度のばらつきの
指標となるワイブル係数(m)、ならびに焼結体表面の
破壊靭性を求めた。結果を表1に示す。
Test pieces 15 were obtained from the various sintered bodies obtained.
The room-temperature average bending strength by the measurement of the book, the Weibull coefficient (m) as an index of the variation in strength, and the fracture toughness of the surface of the sintered body were obtained. The results are shown in Table 1.

【0032】[0032]

【表1】 実1 実2 実3 実4 実5 比1 比2 ───────────────────────────────マトリックス相 SiC量 (vol%) 10 10 17 17 17 10 17 分散相 (粉末) 平均粒径 10 18 10 添加量 (vol%) 20 15 20 分散相(ウイスカー) 添加量 (vol%) 20 15 15 15 ─────────────────────────────── 熱処理の有無 有り 有り 有り 有り 有り 無し 有り 切削量 (μm) 20 20 20 20 20 20 0 焼結体物性 室温強度 115 121 127 120 112 103 85 (kg/mm2) ワイフ゛ル 係数 14.2 16.7 15.0 17.0 15.5 8.7 9.2 破壊靭性値 (MPa・ m1/2) 8.7 8.4 8.2 9.0 8.5 7.3 7.7 ─────────────────────────────── 表中、「実」は実施例を「比」は比較例を示す。[Table 1] Actual 1 Actual 2 Actual 3 Actual 4 Actual 5 Ratio 1 Ratio 2 ─────────────────────────────── Matrix Phase SiC amount (vol%) 10 10 17 17 17 10 17 Dispersed phase (powder) Average particle size 10 18 10 Addition amount (vol%) 20 15 20 Dispersed phase (whisker) addition amount (vol%) 20 15 15 15 ─ ────────────────────────────── With or without heat treatment With Yes With With With Without With Cutting amount (μm) 20 20 20 20 20 20 0 Sintered body properties Room temperature strength 115 121 127 120 112 103 85 (kg / mm 2 ) Weibull coefficient 14.2 16.7 15.0 17.0 15.5 8.7 9.2 Fracture toughness (MPa ・ m 1/2 ) 8.7 8.4 8.2 9.0 8.5 7.3 7.7 ── ───────────────────────────── In the table, “actual” indicates the example and “ratio” indicates the comparative example.

【0033】実施例6, 7、 比較例3、4 実施例1、4ならびに比較例2で得られた焼結体をSN
GN 120408 形状のスローアウェイチップとした。また
市販の同一形状の窒化ケイ素切削チップ(比較例4)も
含めて以下に示す条件で乾式での鋳鉄の旋削試験を行
い、逃げ面摩耗幅(VB)と寿命の比較を行った。結果
を表2に示す。 被削材 : FC30 切削速度: 400 m/min 切込み : 1.5 mm 送り : 0.3 mm/min 切削時間: < 40 min
Examples 6 and 7, Comparative Examples 3 and 4 The sintered bodies obtained in Examples 1 and 4 and Comparative Example 2 were treated with SN.
GN 120408 shaped throw-away tip. Further, a turning test of a dry cast iron including a commercially available silicon nitride cutting tip of the same shape (Comparative Example 4) was performed under the following conditions to compare the flank wear width (VB) and the life. The results are shown in Table 2. Work Material: FC30 Cutting Speed: 400 m / min Depth of Cut: 1.5 mm Feed: 0.3 mm / min Cutting Time: <40 min

【0034】[0034]

【表2】 実6 実7 比3 比4 ─────────────────────────────── チップ材料 実1 実4 比2 窒化ケイ素 VB(mm) 0.42 0.35 − − 寿命(min) >40 >40 30 12 備考 欠損せず 欠損せず 欠損 欠損 ───────────────────────────────[Table 2] Actual 6 Actual 7 Ratio 3 Ratio 4 ─────────────────────────────── Chip material Actual 1 Actual 4 ratio 2 Silicon nitride VB (mm) 0.42 0.35 − − Lifetime (min)> 40> 40 30 12 Remark Not missing Not missing Not missing ───────────────────── ───────────

【0035】実施例8,9、比較例5,6 実施例6,7ならびに比較例3,4と同一のスローアウ
ェイチップを用いて以下に示す条件で湿式でのインコネ
ルの旋削試験を行い、境界摩耗幅(VN)の比較を行っ
た。結果を表3に示す。 被削材 : インコネル 718 切削速度: 180 m/min 切込み : 1.0 mm 送り : 0.1 mm/min 切削時間: 3 min (以下余白)
Examples 8 and 9, Comparative Examples 5 and 6 Using the same throw-away inserts as those of Examples 6 and 7 and Comparative Examples 3 and 4, a wet Inconel turning test was conducted under the following conditions, and the boundary The wear width (VN) was compared. The results are shown in Table 3. Work Material: Inconel 718 Cutting Speed: 180 m / min Cutting Depth: 1.0 mm Feed: 0.1 mm / min Cutting Time: 3 min (Below Margin)

【0036】[0036]

【表3】 実8 実9 比5 比6 ───────────────────────────── チップ材料 実1 実4 比2 窒化ケイ素 VN(mm) 0.55 0.42 0.80 - 備考 欠損せず 欠損せず 欠損せず 欠損 ─────────────────────────────[Table 3] Actual 8 Actual 9 Ratio 5 Ratio 6 ───────────────────────────── Chip material Actual 1 Actual 4 Ratio 2 Nitriding Silicon VN (mm) 0.55 0.42 0.80-Remark No loss No loss No loss ───────────────────────────────

【0037】[0037]

【発明の効果】本発明によって得られる窒化ケイ素−炭
化ケイ素複合切削工具は、優れた強度を維持しながらば
らつきが小さくしかも破壊靭性に優れる。このため従来
の窒化ケイ素工具に比べて長寿命の切削工具として、鋳
鉄のみならず耐熱合金等の広範な材料に使用することが
可能である。
EFFECTS OF THE INVENTION The silicon nitride-silicon carbide composite cutting tool obtained by the present invention has a small variation while maintaining excellent strength and is excellent in fracture toughness. Therefore, it can be used not only for cast iron but also for a wide range of materials such as heat-resistant alloys as a cutting tool having a longer life than conventional silicon nitride tools.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 C04B 35/58 X ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 5 Identification code Internal reference number FI Technical indication C04B 35/58 X

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 窒化ケイ素粒子の粒界に平均粒径1μm
以下の炭化ケイ素粒子が存在し、かつ数nmから数百n
mの炭化ケイ素粒子が窒化ケイ素粒子内に分散した微構
造を示す窒化ケイ素−炭化ケイ素からなるマトリックス
相と、a)平均粒径が5−50μmの炭化ケイ素粒子、
および/または b)短軸が0.05−3.0μm、ア
スペクト比が5−300の炭化ケイ素ウィスカーの分散
相とからなる窒化ケイ素−炭化ケイ素複合焼結体であっ
て、焼結体表面にシリカを含む酸化層および/または内
部と色相が異なる層を有していることを特徴とする窒化
ケイ素−炭化ケイ素複合セラミックス切削工具。
1. An average particle size of 1 μm at a grain boundary of silicon nitride particles.
The following silicon carbide particles are present and several nm to several hundreds n
a matrix phase composed of silicon nitride-silicon carbide having a fine structure in which m silicon carbide particles are dispersed in silicon nitride particles, and a) silicon carbide particles having an average particle size of 5 to 50 μm,
And / or b) a silicon nitride-silicon carbide composite sintered body comprising a dispersed phase of silicon carbide whiskers having a minor axis of 0.05 to 3.0 μm and an aspect ratio of 5-300, and A silicon nitride-silicon carbide composite ceramics cutting tool having an oxide layer containing silica and / or a layer having a hue different from that of the inside.
【請求項2】 焼結助剤として、酸化イットリウムが2
重量%以上添加されていることを特徴とする請求項1に
記載の窒化ケイ素−炭化ケイ素複合セラミックス切削工
具。
2. Yttrium oxide is 2 as a sintering aid.
The silicon nitride-silicon carbide composite ceramic cutting tool according to claim 1, wherein the cutting tool is added in an amount of not less than wt%.
【請求項3】 窒化ケイ素粒子の粒界に平均粒径1μm
以下の炭化ケイ素粒子が存在し、かつ数nmから数百n
mの炭化ケイ素粒子が窒化ケイ素粒子内に分散した微構
造を示す窒化ケイ素−炭化ケイ素からなるマトリックス
相と、a)平均粒径が5−50μmの炭化ケイ素粒子、
および/または b)短軸が0.05−3.0μm、ア
スペクト比が5−300の炭化ケイ素ウィスカーの分散
相とからなる窒化ケイ素−炭化ケイ素複合焼結体を、酸
化雰囲気中、1300〜1600℃で熱処理し、しかる後表面を
5-2000 μm除去することを特徴とする窒化ケイ素−炭
化ケイ素複合セラミックス切削工具の製造法。
3. An average particle size of 1 μm at a grain boundary of silicon nitride particles.
The following silicon carbide particles are present and several nm to several hundreds n
a matrix phase composed of silicon nitride-silicon carbide having a fine structure in which m silicon carbide particles are dispersed in silicon nitride particles, and a) silicon carbide particles having an average particle size of 5 to 50 μm,
And / or b) a silicon nitride-silicon carbide composite sintered body consisting of a dispersed phase of silicon carbide whiskers having a minor axis of 0.05-3.0 μm and an aspect ratio of 5-300 in an oxidizing atmosphere at 1300 to 1600. Heat treatment at ℃, and then the surface
A method for manufacturing a silicon nitride-silicon carbide composite ceramics cutting tool, characterized by removing 5-2000 μm.
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