JP2003212659A - 窒化珪素質焼結体および窒化珪素質工具 - Google Patents
窒化珪素質焼結体および窒化珪素質工具Info
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Abstract
質工具に関するものであり、高強度で熱衝撃に強い窒化
珪素質焼結体およびダクタイル鋳鉄の高速フライス加工
用工具に用いても、工具刃先の欠損率が低く、良好な工
具寿命が得られる、窒化珪素質焼結体および窒化珪素質
工具に関する。 【解決手段】 窒化珪素質焼結体および窒化珪素質工具
の組織における窒化珪素粒子の平均長軸径、平均短軸径
および平均長軸径／平均短軸径より算出されるアスペク
ト比を制御した。更に、熱伝導率または／および破壊靭
性値Ｋｃを向上させることにより、工具刃先の欠損率が
低い工具を得ることができた。
Description
および窒化珪素質工具に関するものであり、高強度で熱
衝撃に強い窒化珪素質焼結体およびダクタイル鋳鉄の高
速フライス加工用工具に用いても、工具刃先の欠損率が
低く、良好な工具寿命が得られる、窒化珪素質焼結体お
よび窒化珪素質工具に関する。
薬品性、耐熱性に優れており、るつぼやノズルに応用さ
れている。また、生体内で安定なために人工膝関節など
の生体材料としても使われている。単体または添加剤を
加えて焼成した焼結体は絶縁体であるために、積層基板
の基体やＳｉトランジスターにおける絶縁材料に使われ
ている。また、熱膨張係数が小さく、熱衝撃性が高いた
めにヒーターの基体、エレベーターの停止装置、ガスタ
ービンの羽根などに応用されている。さらに、耐磨耗性
が大きいことから切削工具や軸受けに利用されている。
材の切削加工用工具として、切削速度が５００ｍ／ｍｉ
ｎ程度の比較的低速条件下において主として旋削加工で
用いられてきた。
材を主としている自動車部材の軽量化が望まれている。
このことを背景として、ＦＣ材と比較して薄肉化、軽量
化を図れるダクタイル鋳鉄（ＦＣＤ）部材の需要が高ま
っている。また、部材を低コストかつ高能率にて加工す
るために、高速域での切削加工が必要とされている。
ことが知られており、ＦＣ材の切削加工用の工具に用い
られている。このことは、特開平１１−２６８９５７号
（特許文献１参照）にＦＣ材を旋削加工する際に、窒化
珪素基材の強度および靭性が高いことにより切削加工時
の刃先欠損が生じず、長寿命となる例が開示されてい
る。
よりも更に高強度なＦＣＤ材を切削加工するためには、
窒化珪素質焼結体を用いても強度、破壊靭性が不足して
しまい、刃先欠損が生じてしまう。したがって、上記の
特開平１１−２６８９５７号公報に記載の窒化珪素工具
をＦＣＤ切削加工に用いると刃先欠損が認められ十分な
寿命が得られないという問題があった。
ては、高速加工する際に刃先に生じる加工熱の集中によ
り発生する熱クラックがある。この熱クラック発生の原
因となる加工熱の集中を抑制するためには、窒化珪素基
材内での熱伝導率を向上させる必要がある。また、熱ク
ラックが発生したとしてもクラックの進展を抑制するこ
とができれば、結果的に工具刃先の欠損まで至らない。
すなわち、クラック進展初期の破壊靱性値を向上させれ
ば、熱クラックが発生したとしても工具欠損まで至らず
長寿命となる。
いアルミニウムおよび酸素量を低減して熱伝導率を向上
させる高熱伝導材料の例（特開２００１―１０８６４号
公報）、あるいは粒界相のＳｉＯ２／Ｒｅ２Ｏ３（Ｒ
ｅ：希土類元素）比の制御および粒界相の結晶化により
熱伝導率を向上させる高熱伝導材料の例（特開２００１
−１９５５６号公報）が開示されている。
では、高速フライス加工時に繰り返し熱衝撃を受ける過
程において、基材の熱膨張・収縮による熱クラックの進
展エネルギーの一部を緩和するだけに過ぎず、クラック
進展初期の破壊靭性値を併せて向上させなければ、十分
な熱クラック進展抑制効果は得られないという問題があ
った。
生に関与する窒化珪素質焼結体の強度、従来の普通鋳鉄
の低速旋削加工と比較して、基材の熱クラック発生およ
び成長と密接に関係する熱伝導率、およびクラック進展
抵抗に関与する破壊靱性に優れた窒化珪素質焼結体およ
び窒化珪素質工具を提供することをその主たる目的とし
ている。
るための請求項１の発明は、窒化珪素を主成分、残りが
ＳｉＯ２および添加助剤の結晶相およびガラス相より構
成される窒化珪素質焼結体において、組織中の窒化珪素
粒子の平均長軸径が０．４５〜０．７５μｍ、平均短軸
径が０．２０〜０．４０μｍ、平均長軸径／平均短軸径
より算出されるアスペクト比が１．７以上である窒化珪
素質焼結体を要旨としている。
一般に組織中の粒子が微細・均一である方が、組織中に
発生する強度低下の原因となりうる欠陥寸法や残留応力
も小とすることができ、強度を向上させる結果となる。
しかし、組織を微細にしすぎると、基材に発生したクラ
ックの進展を湾曲させる、いわゆるディフレクション効
果が十分に得られない。そのため、破壊靭性値が低下し
熱クラック発生後の中期寿命が短くなった結果、（←工
具については後述）欠損が生じやすくなり、短寿命とな
る。従って、全体の平均粒径は小さくしながらも、窒化
珪素粒子の長軸径、短軸径を適当な値に制御すること
が、強度および破壊靭性値を維持するために重要であ
る。
μｍ、平均短軸径＝０．２０〜０．４０μｍに限定する
のは、上記窒化珪素質焼結体の強度・破壊靭性値の両方
を確保するためである。平均長軸径が０．４５μｍ、平
均短軸径が０．２０μｍ以上であると破壊靭性値が向上
し、十分なクラック進展抵抗が得られ、また平均長軸径
が０．７５μｍ、平均短軸径が０．４０μｍ以下に抑え
ることで均一性を保つことで、欠陥寸法や残留応力を抑
制することができ、結果として強度についても確保する
ことができる。
軸径の測定方法は以下の通りである。まず走査型電子顕
微鏡（ＳＥＭ）により焼結体中心部の断面写真を撮影す
る。次にこの写真を画像解析して、一つの粒子の中で最
も幅が大きい部分をその粒子の長軸径（図１中Ｘ）と
し、５００〜１０００ヶの粒子の長軸径の平均を平均長
軸径とする。また、長軸に対して垂直方向で最も幅が大
きい部分をその粒子の短軸径（図１中Ｙ）とし、短軸径
の平均を平均短軸径とする。
焼結体の２５℃における熱伝導率が、５０Ｗ／ｍ・Ｋ以
上であることを特徴とする請求項１に記載の窒化珪素質
焼結体を要旨としている。
が、熱クラックの発生・成長を抑制するため、長寿命化
に関して効果的であると予想されたが、実際には５０Ｗ
／ｍ・Ｋ以上であれば、窒化珪素質焼結体に生じた熱が
熱伝導により十分に拡散されるため、欠損を抑制するこ
とができる。よって、本発明においては熱伝導率を５０
Ｗ／ｍ・Ｋ以上とするのが好ましい。
焼結体のＩＦ法により圧入荷重９．８Ｎの条件で測定し
た破壊靭性値Ｋｃが、５．０ＭＰａ・ｍ０．５以上であ
ることを特徴とする上記請求項１又は請求項２のいずれ
かに記載の窒化珪素質焼結体を要旨としている。
展抵抗性に関しては、ＪＩＳ Ｒ１６０７（１９９４）
のＩＦ法による圧入荷重９．８Ｎの短クラック長におけ
る破壊靭性値Ｋｃを測定し比較検討を行った。その結
果、ＦＣＤ材の高速フライス加工において、長寿命が得
られる窒化珪素基材の破壊靭性値Ｋｃは短寿命の窒化珪
素基材の破壊靭性値Ｋｃと比較し高値である。具体的に
は破壊靭性値Ｋｃが５．０ＭＰａ・ｍ０．５以上である
と顕著に熱クラックの進展が抑制することができる。
のいずれかに記載の窒化珪素質焼結体からなる窒化珪素
質工具を要旨としている。すなわち、請求項１に記載の
窒化珪素質焼結体からなる工具によれば、窒化珪素粒子
の平均長軸径が０．４５〜０．７５μｍ、平均短軸径が
０．２０〜０．４０μｍ、平均長軸径／平均短軸径より
算出されるアスペクト比が１．７以上となっているため
に、強度・破壊靭性値の両方に優れ、刃先の欠損および
クラックの進展の両方が生じにくい工具を得ることがで
きる。また、２５℃における熱伝導率を５０Ｗ／ｍ・Ｋ
以上とすることにより、チップ刃先に集中した加工熱が
十分に拡散されるため刃先の欠損を抑制することができ
るので、更に長寿命である工具を得ることができる。
ｍ０．５以上とすることにより、顕著に熱クラックの進
展を抑制することができ、工具寿命に対して最も影響を
及ぼす、熱クラック発生後の中期寿命を延長することが
できる。なお、熱クラック発生初期における、クラック
進展抵抗性に関しては、ＪＩＳ Ｒ １６０７（１９９
４）のＩＦ法による圧入荷重９．８Ｎの短クラック長に
おける破壊靭性値Ｋｃを測定し比較検討を行った。その
結果、破壊靭性値Ｋｃが５．０ＭＰａ・ｍ０． ５以上で
あると顕著に熱クラックの進展が抑制されることとな
り、工具寿命に対して最も影響を及ぼす、熱クラック発
生後の中期寿命が延長されることとなる。
よび窒化珪素質工具の好ましい態様について、以下に説
明する。平均粒径１．０μｍ以下のα−Ｓｉ３Ｎ４粉末
および焼結助剤として平均粒径１．０μｍ以下のＭｇＯ
粉末、Ｙｂ２Ｏ３粉末をＭｇＯ＝１ｗｔ％、Ｙｂ２Ｏ３
＝２ｗｔ％、残Ｓｉ３Ｎ４の配合割合で秤量した。次
に、この秤量した原料を、Ｓｉ３Ｎ４製内壁ポット、Ｓ
ｉ３Ｎ４製ボールを用いて、エタノール溶媒にて９６時
間混合してスラリーとした。このスラリーを３２５メッ
シュのふるいに通し、エタノールを溶解したマイクロワ
ックス系の有機バインダを５．０重量％添加しスプレー
ドライした。
ＳＮＧＮ１２０４１２の形状にプレス成形した後に、加
熱装置内において１気圧の窒素雰囲気中で６００℃にて
６０分、脱脂を行った。次に脱脂を行った成形体の一次
焼結を行った。１気圧の窒素雰囲気下、窒化珪素製サヤ
内にセットし、表１中に記載されているの中間保持条件
にて保持を行った。その後、１８００〜１９００℃まで
昇温させ、その状態で６０〜１２０分保持を行った。最
後に、熱間静水圧成形（ＨＩＰ）により２次焼結を行っ
た。２次焼結は１０００気圧の窒素雰囲気下において１
６００〜１８００℃で１８０分加熱した。
格でＳＰＧＮ１２０４１２形状に研摩加工して、実施例
Ｎｏ．A〜Ｅの切削工具を得た。また、比較例として同
様の方法にてＮｏ．Ｆ〜Ｊを作成した。なお本実施例で
得られた窒化珪素質工具は図２に示されるものである。
得られた実施例および比較例の工具の上面を鏡面研磨加
工し、刃先となる部分の破壊靭性値をＪＩＳ Ｒ １６
０７（１９９４）に従い、圧入荷重９．８Ｎにて測定し
た。その結果を、表１に示す。また、窒化珪素粒子径は
走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用い、５０００倍の観察
倍率で断面の観察・写真撮影した後、その写真を画像解
析することで、窒化珪素粒子の平均長軸径および平均短
軸径を得た。その結果を、表１に示す。さらに、上記Ｓ
ＰＧＮ１２０４１２形状チップを内接円φ１０ｍｍ、厚
み１０ｍｍになるように研磨加工し、ＪＩＳ Ｒ １６
１１（１９９４）に従ってレーザーフラッシュ法により
２５℃における熱伝導率を算出した。その結果を表１に
示す。
図３、図４に示されるように、面取り幅Ａを０．１ｍ
ｍ、面取り角Ｂを２５°とする面取り刃先加工を行な
い、これをホルダー付き工具４にセットし、下記にしめ
す加工条件にて切削加工を行なって工具刃先が欠損する
までの衝撃回数を調査した。その結果を表１に示す。こ
こで切削工具を装着したホルダ付き工具について説明す
る。図５に示す様に、本実施例のホルダ付き工具（フラ
イスカッター）４は略円柱状のカッターボディ本体（ホ
ルダ）５を有し、その先端側（加工面側）の外周に沿っ
て、６箇所に凹状の切削部６が設けられたものである。
つまり、ホルダ５の先端側の外周に沿って、６箇所に凹
状の取付部７が設けられ、この取付部７内に、前記切削
工具（チップ）２、切削工具２を取り付けるための合金
鋼製のカートリッジ８、および同じ合金鋼製のクサビ９
等の部材が配置されて、切削部６が構成されている。な
お、図５では、フライスカッターの構造を明瞭にするた
めに、６箇所の切削部６のうち、２箇所の切削部６には
切削工具２が配置されておらず、１箇所の切削部６には
切削工具２およびくさび９が配置されていない状態を示
している。
クラック進展初期における破壊靭性値Ｋｃ（圧入荷重
９．８Ｎ）が５．０ＭＰａ・ｍ０．５以上、２５℃での
熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上となり、その結果として
切削による工具刃先の欠損率の低下をもたらすことがで
きた。以上において、本発明に好適な実施形態を記載し
たが、これに限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱
しない範囲において適宜変更を加えることができること
はいうまでもない。
質焼結体においては、窒化珪素粒子の長軸径および短軸
径が最適化されていることにより、従来の窒化珪素質焼
結体と比べて熱伝導率および破壊靭性値Ｋｃが向上した
ため、熱衝撃性に優れた窒化珪素焼結体となる。本発明
の窒化珪素質工具においては熱伝導率および破壊靭性値
Ｋｃの向上によって、高速フライス加工における工具の
クラック進展を抑制し、熱クラックの発生による工具刃
先の欠損率を低下させる。結果として高速フライス加工
において長寿命化を図ることができ、高速加工による加
工能率の向上および低コスト化を達成できる。
である。
る。
に取り付けた状態における、上面図である。
Claims (4)
- 【請求項１】 窒化珪素質焼結体において、組織中の窒
化珪素粒子の平均長軸径が０．４５〜０．７５μｍ、平
均短軸径が０．２０〜０．４０μｍ、平均長軸径／平均
短軸径より算出されるアスペクト比が１．７以上である
窒化珪素質焼結体。 - 【請求項２】 上記窒化珪素質焼結体の２５℃における
熱伝導率が、５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とす
る請求項１に記載の窒化珪素質焼結体。 - 【請求項３】 上記窒化珪素質焼結体のＩＦ法により圧
入荷重９．８Ｎの条件で測定した破壊靭性値Ｋｃが、
５．０ＭＰａ・ｍ０．５以上であることを特徴とする請
求項１又は請求項２のいずれかに記載の窒化珪素質焼結
体。 - 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかに記載の窒化珪
素質焼結体からなる窒化珪素質工具。
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