JPS61101482A

JPS61101482A - 窒化珪素切削工具

Info

Publication number: JPS61101482A
Application number: JP59222818A
Authority: JP
Inventors: 雅也三宅; 晃山川
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1984-10-23
Filing date: 1984-10-23
Publication date: 1986-05-20
Also published as: EP0183965B1; US4745022A; DE3581709D1; CA1268675A; EP0183965A3; EP0183965A2

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】産業上の利用分野本発明は窒化珪素切削工具に関する。更に詳しくいえば
、主として鋳鉄材の切削加工に使用する５Ｌ３Ｎ、製工
具の耐摩耗性の改良に係る。

従来の技術従来、ＷＣを主成分とする超硬工具が、耐摩耗性、耐熱
性、耐食性等の各種物性において優れていることから、
制用、鋳鉄用の切削工具をはじめ、耐摩耗・耐衝撃工具
等として広範に利用されていたが、最近になってこのよ
うな超硬工具材料としてのタングステン資源が不足して
きており、その対応策としてタングステンに代る新材料
の開発が活発に行われ、各種サーメット工具、セラミッ
ク工具、焼結ダイヤモンド工具などが提案され、実用化
されている。

このような状況の下で、特に鋳鉄材の高速切削用工具と
しては、酸化アルミニウム（Ａ１２０３）を主成分とす
るセラミックスが常用され、いわゆる白セラミックス、
黒セラミックスとして広く利用されている。

しかしながら、Ａ１□０３を主成分とするセラミックス
は機械的強度、特に靭性の点で不十分であり、また耐熱
衝撃性にも劣る（熱伝導度が低く、その結果熱応力に基
づく亀裂の発生などの問題がある）ため、長時間に亘り
、高い信頼性を維持する切削工具を得ることが困難であ
り、その結果、Ａｌ２０ｉを主成分とするセラミックス
は限られた用途においてのみ使用されていたにすぎなか
った。

一方、非酸化物系セラミックス材料、例えば窒化物、炭
化物、珪化物等が新材料として生み出され、切削工具の
分野においても注目されてきている。中でも、窒化珪素
（ｑ、？ψ）を主成分とするセラミックス材料は、靭性
、耐熱衝撃性に秀れており、使用中の欠損が少ないので
、耐用寿命の長い工具を提供し得ることが判明し、実用
化が進められている。例えば、Ｓｌ、Ｂ等の炭化物、窒
化物、炭窒化物の単体、固溶体もしくは複合体またはこ
れらとＡ１□０３との複合セラミックス工具等が知られ
ている。

発明が解決しようとする問題点上で述べたように、切削工具において５Ｌ３Ｎ４系セラ
ミツクスが注目され、利用されるようになってきたが、
Ａ１．○、を主成分とするセラミックスと比較して、Ｓ
ｉ３Ｎ、系セラミックスは、特に高速切削条件下での耐
摩耗性の点で劣っていることが指摘されており、この点
を改善するために種々の提案がなされてきた。例えば、
Ａ１□０３等の耐摩耗性の高いセラミックス薄膜でコー
ティングする（特開昭５４−１３０８号公報発明）方法
、あるいは周期律表１’Ｖａ　、Ｖａ　、　ＶＩａ族金
属の炭化物、窒化物、酸化物等を添加する（特開昭５７
−１７４６６号公報参照）方法等を例示することができ
る。

しかしながら、これら公知の方法はいずれもある程度の
効果を達成し得るものの、いまだ十分とはいえず、依然
として改良の余地が残されている。

また、従来５１３Ｎ−系セラミックス工具は、Ａｌ２Ｏ
３゜！Ｊｇｏ、Ｙ２Ｏ３等を焼結助剤としてホットプレ
ス焼結するか、あるいは焼結助剤としてのＡｌ２Ｏ３、
ＡＩＮ、Ｙ２Ｏ３等を、Ｓｉ　−Ａｌ　−０−Ｎを主体
とするいわゆるサイアロン（Ｓｉａｌｏｎ　）組成とな
るように配合し、次いで窒素中で焼結するか、ホットプ
レス焼結することによって製作されていた。即ち、いず
れの場合にもＡｌ２Ｏ３を焼結助剤として添加する必要
があり、また十分なコストパーフォーマンスを達成する
には更に改善する必要があった。

そこで、本発明の目的は耐摩耗性の点でも満足できる、
鋳鉄材切削加工用５１３Ｎ４系セラミツクスの切削工具
を提供することにある。

問題点を解決するための手段本発明者等は、Ｓｉ３Ｎ、系セラミックス製切削工具の
実用性能上の最大の問題が耐摩耗性に劣ることにあり、
またそのためにコストパーフォ−７７スの点でも問題で
ある。ことに着目し、Ｓｉ、Ｎ、系セラミックス製切削
工具の耐摩耗性を改善すべく種々検討した。その結果、
Ｓｉ３Ｎ、の焼結体の焼結助剤としてＹ２Ｏ３およびＺ
ｒＯ２を使用し、また該Ｓｉ、Ｎ、焼結体をＴｉ系化合
物の第１層とＡ１２Ｃ）＋の第２層でコーティングする
ことが上記目的達成のために極めて有効であることを見
出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明のＳｉ、Ｎ、切削工具は、高密度窒化珪素
焼結体と、その上に設けられた２層のコーティングとで
構成されており、その特徴は該窒化珪素焼結体が０．１
〜１０重量％のＹ２Ｏ３と０．１〜１０重量％のＺｒＯ
２とを含有し、前記第１コーテイングがＴｉ化合物の薄
膜であり、かつ第２コーテイングがＡｌ２Ｏ３の薄膜で
あり、これらコーティング全体の膜厚が１〜２０μｍの
範囲内にあることにある。

本発明の窒化珪素切削工具において第１コーティング層
のＴｉ化合物は、ＴＩの炭化物、窒化物、酸化物および
これらの複合体からなる群から逗ばれる１種であること
が好ましい。

また、２層からなるコーティングの全膜厚は３〜１０μ
ｍの範囲内とすることが好ましく、更に各コーティング
の膜厚は相互にほぼ等しい厚さであることが好ましい。

本発明の窒化珪素切削工具は以下のようにして作製する
ことができる。まず、Ｓｉ３Ｎ＜と焼結助剤Ｙ２Ｏ３と
ＺｒＯ２とを所定の割合で配合し、ボールミルなどで十
分混合する。次いで、かくして得られる粉末混合物を、
焼結するが、焼結法としては各種の方法が知られ、目的
生成物の物性に応じて適宜選択される。本発明の切削工
具では、高い機械的強度を有することが要求されるので
、ホットプレス法が最も適している。また、焼結助剤の
添加量が低い場合には高温静水圧プレス法（ＨＩＰ法）
を利用することも可能である。しかしながら、その他の
焼結法例えば反応焼結法、常圧焼結法等を何隻排除する
ものではない。

Ｓｉ３Ｎ、と焼結助剤の混合の際、焼結助剤自体をボー
ルミルとして使用し、ボールミル処理することによって
所定の組成の混合物を得ることもできる。

また、焼結はＳｉ３Ｎ＜の昇華、熱分解温度である１８
００℃以下、好ましくは１６５０〜１８００℃の範囲で
行う。

更に、得られた焼結体表面にはＴｉ化合物層およびＡｌ
２Ｏ３コーティング層を設ける。コーティング方法とし
てはスパッタ法、化学的気相蒸着法（ＣＶＤ）　、プラ
ズマＣＶＤ法等を利用することができる。

作用本発明の窒化珪素切削工具は、（ｉ　）　Ｓｉ：＋Ｎ４
の焼結の際に、焼結助剤としてＹ２Ｏ３およびＺ　ｒ　
Ｏ２を所定量で用い、また（ｉｉ）第１コーティング層
としてＴｉ化合物を、（ｉｉｉ　）第２コーティング層
としてＡ１□０３を使用し、（ｉｖ）コーティング層全
体の厚さを特定の範囲内に調整したことにより、５Ｌ３
Ｎ４系セラミツクス材料を鋳鉄材の切削工具に適用する
際に要求される緒特性、特に５１３Ｎ４系セラミツクス
において改良が望まれている耐摩耗性が大巾に改善され
、耐用寿命の著しく長い鋳鉄材加工用窒化珪素切削工具
を得ることが可能となる。

このような効果は、上記本発明の切削工具に要求される
条件（ｉ）〜（ｉｖ）が同時に満足された場合にのみ達
成することができる。従って、これら条件はいずれも本
発明にとって必須の要件であり、各数値範囲は臨界的で
ある。

まず、焼結助剤Ｙ２Ｏ３およびＺｒＯ７の添加率はいず
れも０．１〜１０重量％の範囲内としなければならない
。即ち、少なくとも一方が０．１重量％に満だない場合
には５１３Ｎ−の焼結が十分に進行せず、緻密化を保証
できず、また少なくとも一方を１０重量％を越えて１吏
用した場合には焼結体強度が低下してしまい、切削工具
として用いるには不適当であり、いずれも好ましくない
。

更に、コーティング第１層形成材料としては前記のよう
なＴｉ化合物または複合体を使用し、第２層形成材料と
してはＡｌ２Ｏ３を使用する。また、この２層で構成さ
れるコーティング層全体の厚さは１〜２０μｍの範囲、
好ましくは３〜１０μｍの範囲としなければならない。

即ち、該コーティング層の膜厚が１μｍに満たない場合
には、耐摩耗性の向上はわずかにすぎないので、コーテ
ィング費用に見合う効果を達成できず、一方２０μｍを
越える場合には、コーティングが剥離し易く、従ってコ
ーティングの効果が得られず、しかも母材（Ｓｉ３Ｎ。

焼結体）の強度を損うため、かえって耐用寿命は短くな
る。

結局、本発明の窒化珪素切削工具では、高密度窒化珪素
母材およびその表面被覆コーティング層両者を最適化す
ることにより、鋳鉄部品の切削加工に最適な耐摩耗性、
ひいては耐用寿命を達成している。

実施例以下、実施例により本発明の窒化珪素切削工具を更に具
体的に記載する。以下の実施例は単に本発明を例示し、
その効果を立証するためのものであり、本発明の範囲は
これらによって何隻制限されない。

製造例以下の表に示したような組成で５ｉｉＮ４、Ｙ２Ｏ。

およびＺｒＯ２粉末を配合し、ボールミルにて４８時間
混合した後乾煙した。得られた各種組成の粉末混合物を
ホットプレスにより、１４ｍｍ　Ｘ　１４ｍｍ　Ｘ　６
　ｍｍの焼結体とした。ホットプレスは１８５０℃で２
時間行った。かくして得た焼結体をダイヤモンド砥石で
研削して、ＣＩＳ　　５ＮＧ４３２のスローアウェイチ
ップを作製した。引き続き、化学的気相蒸着法を利用し
て、同様に以下の表に記載したような種々のコーティン
グを該スローアウェイチップに施した。

実施例上記製造例に従って作製した、２層のコーティングを有
するスローアウェイチップを、切削試験に供した。得ら
れた結果を以下の表に示す。切削条件は以下のとおりで
あった。

切削試験条件ａｍ　　　：池見ＮＣ旋盤　２５ＫＷ切削速度：　５００ｍ　／分切込み　：　２．０ｍｍ送り　　：　０．３６ｍｍ　／回転ホルダー：ＦＮｌＩＲ−４４Ａ＊は参考試料に対する結果を示す。

上記表の結果から、本発明に従う窒化珪素切削工具は、
従来問題とされていた耐摩耗性の点におい−Ｃも十分信
頼できる値を有していることがわかる。ちなみに、本発
明の条件を満足する試料では、切削テスト寿命は最低２
０時間であるのに対し、参考試料では最高でも１５時間
であり、場合によっては５時間（試料１）と、本発明の
試料の２もしくはそれ以下の切削寿命を有するにすぎな
い。

また、上記試験結果は、Ｓｉ、Ｎ、系セラミックス切削
工具の耐摩耗性を改善するためには、ＳｉＮ。

に添加すべき焼結助剤、Ｙ２Ｏ３およびＺｒＯ□の量を
０．１〜１０ｗｔ％の範囲内とし、しかもコーティング
の全膜厚も１〜２０μｍの範囲内としなければならず、
これら２つの条件のいずれか一方でも満足されない場合
には、十分な耐摩耗性即ち切削寿命を確保することがで
きないことも理解できる。

また、焼結助剤の量についてもＹ２Ｏ３およびＺｒＯ２
両者がいずれも上記範囲内になければならず、このこと
は試料Ｎα２．３．８および９についての結果から明ら
かである。更に、従来と同様に焼結助剤としてＡｌ２Ｏ
＊系のものを使用した場合（試料２３．２４．２６）、
コーティングに関する条件が満足されていても、十分な
耐摩耗性を確保し碍ないことがわかる。

発明の効果以上詳しく述べたように、本発明の窒化珪素切削工具で
は、高密度窒化珪素母材並びに該母材のコーティング層
の両者における材質、膜厚、添加率等の各種条件を最適
化したことにより、窒化珪素セラミックス自体が本来有
している靭性、耐熱衝撃性等の機械特性を河等損なうこ
となしに、窒化珪素セラミックスの欠点として指摘され
ていた耐摩耗性が大巾に向上した。

その結果、本発明は特に鋳鉄製の各種素材、物品等の切
削加工に極めて有用な切削工具を提供することができた
。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）高密度窒化珪素焼結体と、その上に設けられた２
層のコーティングとで構成された窒化珪素切削工具であ
って、該窒化珪素焼結体が０．１〜１０重量％のＹ＿２Ｏ＿３
と０．１〜１０重量％のＺｒＯ＿２とを含有し、第１の
コーティングがＴｉの化合物の薄膜であり、第２のコー
ティングがＡｌ＿２Ｏ＿３の薄膜であり、これらコーテ
ィングの全膜厚が１〜２０μｍの範囲内にあることを特
徴とする上記窒化珪素切削工具。
（２）前記コーティングの厚さが３〜１０μｍの範囲内
にあることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の窒
化珪素切削工具。
（３）前記２つのコーティングがほぼ同じ厚さを有する
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項に
記載の窒化珪素切削工具。
（４）前記Ｔｉ化合物が、Ｔｉの炭化物、窒化物、酸化
物およびこれらの複合体からなる群から選ばれる１種で
あることを特徴とする特許請求の範囲第１〜３項のいず
れか１項に記載の窒化珪素切削工具。