JPS6346030B2 - - Google Patents
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- Publication number
- JPS6346030B2 JPS6346030B2 JP57175824A JP17582482A JPS6346030B2 JP S6346030 B2 JPS6346030 B2 JP S6346030B2 JP 57175824 A JP57175824 A JP 57175824A JP 17582482 A JP17582482 A JP 17582482A JP S6346030 B2 JPS6346030 B2 JP S6346030B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- weight
- zro
- mgo
- 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.)
- Expired
Links
Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
Description
本発明は窒化珪素を主体とする高靭性セラミツ
ク工具に関する。 従来鋳物の黒皮を100ｍ／min以上のハイスピ
ードで切削するセラミツク工具としては、Al2O3
及びAl2O3−TiC等をホツトプレス若しくは熱間
静水圧法（HIP法）などにより焼結したものが主
として使用されてきた。ところがこれらの工具
は、使用中欠け、割れ等を起し易く、自動機で切
削加工する場合には、稼動率の低下の最大原因に
なつていた。 また、工具としての寿命は欠け及び割れに左右
され、摩耗幅が非常に少ない状態でも交換しなけ
ればならないことが多かつた。 これらの欠点を解消するため、さきにAl2O3系
材料よりも衝撃強さ、熱衝撃強さ及び靭性の高い
窒化珪素に着目し、研究の結果、MgO及び安定
化したZrO2を焼結助剤としてホツトプレスする
ことにより使用中欠けや割れのない高靭性窒化珪
素工具を開発したが、ホツトプレスであるため形
状的制約を受けるのに加え、窒化珪素材料は切
断、研磨等の機械加工がしにくいためコスト的に
Al2O3系工具に対抗できなかつた。 そこで、本発明者等はかかる欠点を解消するた
め、鋭意検討の結果、MgO及び安定化したZrO2
を添加したSi3N4にさらにNb2O5とTa2O5のうち
の１種以上を添加することにより容易に非酸化性
雰囲気中で普通焼結でき、且つ使用中欠け、割れ
のない高靭性の窒化珪素工具が得られることを見
い出した。 すなわち本発明の要旨は、図面に示すように正
三角形に交わる三軸にそれぞれSi3N4、MgO、及
び安定化されたZrO2の重量％を表示した三角座
標において、点Ａ（Si3N498重量％、MgO1重量
％、ZrO21重量％）、点Ｂ（Si3N479重量％、
MgO20重量％、ZrO21重量％）、点Ｃ（Si3N479重
量％、MgO1重量％、ZrO220重量％）を結ぶ線
で囲まれている範囲においてSi3N4、MgO、及び
安定化されたZrO2の各粉末を配合した第１粉末
80〜99重量％とNb2O5及びTa2O5の少なくとも１
種からなる第２粉末20〜１重量％の混合粉末を成
形、焼結してなることを特徴とする高靭性セラミ
ツク工具にある。 以下本発明を詳細に説明するに、本発明では原
料としてSi3N4、MgO、及びZrO2の三成分と
Nb2O5及びTa2O5のうちの一成分以上を必要と
し、ZrO2はY2O3、CaOなどで安定化されている
ことを要する。安定化されていないZrO2を使用
すると、焼結後部分安定化した形かまたは単斜晶
系の形で焼結体中に残留し、切削加工する際工具
先端の温度が1000℃以上に上昇した時、高温型の
正方晶系に変態を行い、異常な容積変化を伴うた
め熱歪により欠け、割れに対する低抗性が減少し
てしまう。 上記のSi3N4、MgO、ZrO2の三成分の配合量
は図面に示すような三角座標において点Ａ、Ｂ、
Ｃを結ぶ点線で囲まれる範囲内であることが要求
される。この範囲内であると欠けに対する抵抗性
が大きく、範囲外になると大幅に低下する。また
概してMgOが少なくなると耐摩耗性が低下する
傾向がある。79重量％以上98重量％以下のSi3N4
にY2O3、又はCaOで安定化したZrO2を添加剤と
して１重量％以上20重量％以下加えた理由は、
ZrO2添加量が１重量％より少ない範囲では靭性
の向上効果がみられず、20重量％より多くなると
工具としての硬度の低下と共に切削時の摩耗が多
く使用できない点にある。又、Si3N4の限定理由
は、Si3N4が98重量％を越えると焼結性が悪く目
的とする特性が得られず、79重量％未満では切削
時の耐摩耗性が低下するためである。又、MgO
を１重量％以上20重量％以下加える理由は１重量
％より少ない範囲では焼結促進剤としての効果が
少なく、20重量％より多くなると切削時の摩耗が
多くなり工具としての特性が得られないためであ
る。 また、本発明をより効果あるものとするために
は、上記三成分の配合量を図面に示すような三角
座標において点Ｄ（Si3N496重量％、MgO2重量
％、ZrO22重量％）、点Ｅ（Si3N480重量％、
MgO18重量％、ZrO22重量％）、点Ｆ（Si3N480重
量％、MgO2重量％、ZrO218重量％）を結ぶ実
線で囲まれる範囲内に選択するとよい。 以上の三成分でホツトプレスによる緻密化は可
能であるが、これを普通焼結するためには、上記
三成分80〜99重量％さらにNb2O5及びTa2O5の少
なくとも１種を20〜１重量％添加しなければなら
ない。Nb2O5及びTa2O5の添加量の限定理由は、
添加量１重量％未満では普通焼結ができず、20重
量％を越えると硬度の低下と共に切削時の摩耗が
多くなり工具として使用できない。 本発明に係る工具を製造するためには、以上の
混合粉末に有機バインダーを添加し、金型プレス
により所定の形状に成形し、仮焼して有機バイン
ダーを除去した後、1550〜1750℃、非酸化性雰囲
気で焼成する。非酸化性雰囲気で焼成するのは窒
化珪素が酸化し易いからで、1550℃未満の温度で
は焼結が不十分となる場合があり、1750℃を越え
るとSi3N4の蒸発が著しくなる。 以下に実施例によつて本発明をより詳細に説明
する。 実施例 １ α−Si3N490重量％とβ−Si3N410重量％より
なる粉末、CaO20モル％により安定化したZrO2、
MgO、Nb2O5及びTa2O5を表１−１に示す比で
混合し、ボールミルにより粉砕して平均粒径1μ
とした。これに５外重量％のパラフインを加え造
粒し金型プレスによりプレス圧1.5ton／cm2で所定
形状に成型した。これを真空中800℃で仮焼した
後、N2気流中で表１−２に示す温度で１時間焼
結した。得られた焼結体を研磨して、SNGN432
−TN（チヤンフア−0.1）、SNGN455−1N（チヤ
ンフア−0.2）及び４×８×25mmの各テストピー
スを作成し、諸物性を測定した。 なお、表１中の注は下記のとうりである。 ※１ Y2O3で安定化したZrO2を使用した。 ※２ SNGN432−TN（チヤンフアー0.1）の
テストピースを用い、被削剤として
100φ×500lのFC25を選び、切削条件を
切削速度400ｍ／min、切込み2.0mm、送
り0.3mm／revとし1000mm切削後のフラン
ク摩耗幅VBを測定した。 ※３ SNGN455−TN（チヤンフアー0.2）の
テストピースを用い、被切削剤として
200φ×35lのFC20（黒皮）を選び、切削
条件を切削速度400ｍ／min、切込み2.5
mm、送り0.3mm／revとし、円板の外側面
を軸方向に切削した。
ク工具に関する。 従来鋳物の黒皮を100ｍ／min以上のハイスピ
ードで切削するセラミツク工具としては、Al2O3
及びAl2O3−TiC等をホツトプレス若しくは熱間
静水圧法（HIP法）などにより焼結したものが主
として使用されてきた。ところがこれらの工具
は、使用中欠け、割れ等を起し易く、自動機で切
削加工する場合には、稼動率の低下の最大原因に
なつていた。 また、工具としての寿命は欠け及び割れに左右
され、摩耗幅が非常に少ない状態でも交換しなけ
ればならないことが多かつた。 これらの欠点を解消するため、さきにAl2O3系
材料よりも衝撃強さ、熱衝撃強さ及び靭性の高い
窒化珪素に着目し、研究の結果、MgO及び安定
化したZrO2を焼結助剤としてホツトプレスする
ことにより使用中欠けや割れのない高靭性窒化珪
素工具を開発したが、ホツトプレスであるため形
状的制約を受けるのに加え、窒化珪素材料は切
断、研磨等の機械加工がしにくいためコスト的に
Al2O3系工具に対抗できなかつた。 そこで、本発明者等はかかる欠点を解消するた
め、鋭意検討の結果、MgO及び安定化したZrO2
を添加したSi3N4にさらにNb2O5とTa2O5のうち
の１種以上を添加することにより容易に非酸化性
雰囲気中で普通焼結でき、且つ使用中欠け、割れ
のない高靭性の窒化珪素工具が得られることを見
い出した。 すなわち本発明の要旨は、図面に示すように正
三角形に交わる三軸にそれぞれSi3N4、MgO、及
び安定化されたZrO2の重量％を表示した三角座
標において、点Ａ（Si3N498重量％、MgO1重量
％、ZrO21重量％）、点Ｂ（Si3N479重量％、
MgO20重量％、ZrO21重量％）、点Ｃ（Si3N479重
量％、MgO1重量％、ZrO220重量％）を結ぶ線
で囲まれている範囲においてSi3N4、MgO、及び
安定化されたZrO2の各粉末を配合した第１粉末
80〜99重量％とNb2O5及びTa2O5の少なくとも１
種からなる第２粉末20〜１重量％の混合粉末を成
形、焼結してなることを特徴とする高靭性セラミ
ツク工具にある。 以下本発明を詳細に説明するに、本発明では原
料としてSi3N4、MgO、及びZrO2の三成分と
Nb2O5及びTa2O5のうちの一成分以上を必要と
し、ZrO2はY2O3、CaOなどで安定化されている
ことを要する。安定化されていないZrO2を使用
すると、焼結後部分安定化した形かまたは単斜晶
系の形で焼結体中に残留し、切削加工する際工具
先端の温度が1000℃以上に上昇した時、高温型の
正方晶系に変態を行い、異常な容積変化を伴うた
め熱歪により欠け、割れに対する低抗性が減少し
てしまう。 上記のSi3N4、MgO、ZrO2の三成分の配合量
は図面に示すような三角座標において点Ａ、Ｂ、
Ｃを結ぶ点線で囲まれる範囲内であることが要求
される。この範囲内であると欠けに対する抵抗性
が大きく、範囲外になると大幅に低下する。また
概してMgOが少なくなると耐摩耗性が低下する
傾向がある。79重量％以上98重量％以下のSi3N4
にY2O3、又はCaOで安定化したZrO2を添加剤と
して１重量％以上20重量％以下加えた理由は、
ZrO2添加量が１重量％より少ない範囲では靭性
の向上効果がみられず、20重量％より多くなると
工具としての硬度の低下と共に切削時の摩耗が多
く使用できない点にある。又、Si3N4の限定理由
は、Si3N4が98重量％を越えると焼結性が悪く目
的とする特性が得られず、79重量％未満では切削
時の耐摩耗性が低下するためである。又、MgO
を１重量％以上20重量％以下加える理由は１重量
％より少ない範囲では焼結促進剤としての効果が
少なく、20重量％より多くなると切削時の摩耗が
多くなり工具としての特性が得られないためであ
る。 また、本発明をより効果あるものとするために
は、上記三成分の配合量を図面に示すような三角
座標において点Ｄ（Si3N496重量％、MgO2重量
％、ZrO22重量％）、点Ｅ（Si3N480重量％、
MgO18重量％、ZrO22重量％）、点Ｆ（Si3N480重
量％、MgO2重量％、ZrO218重量％）を結ぶ実
線で囲まれる範囲内に選択するとよい。 以上の三成分でホツトプレスによる緻密化は可
能であるが、これを普通焼結するためには、上記
三成分80〜99重量％さらにNb2O5及びTa2O5の少
なくとも１種を20〜１重量％添加しなければなら
ない。Nb2O5及びTa2O5の添加量の限定理由は、
添加量１重量％未満では普通焼結ができず、20重
量％を越えると硬度の低下と共に切削時の摩耗が
多くなり工具として使用できない。 本発明に係る工具を製造するためには、以上の
混合粉末に有機バインダーを添加し、金型プレス
により所定の形状に成形し、仮焼して有機バイン
ダーを除去した後、1550〜1750℃、非酸化性雰囲
気で焼成する。非酸化性雰囲気で焼成するのは窒
化珪素が酸化し易いからで、1550℃未満の温度で
は焼結が不十分となる場合があり、1750℃を越え
るとSi3N4の蒸発が著しくなる。 以下に実施例によつて本発明をより詳細に説明
する。 実施例 １ α−Si3N490重量％とβ−Si3N410重量％より
なる粉末、CaO20モル％により安定化したZrO2、
MgO、Nb2O5及びTa2O5を表１−１に示す比で
混合し、ボールミルにより粉砕して平均粒径1μ
とした。これに５外重量％のパラフインを加え造
粒し金型プレスによりプレス圧1.5ton／cm2で所定
形状に成型した。これを真空中800℃で仮焼した
後、N2気流中で表１−２に示す温度で１時間焼
結した。得られた焼結体を研磨して、SNGN432
−TN（チヤンフア−0.1）、SNGN455−1N（チヤ
ンフア−0.2）及び４×８×25mmの各テストピー
スを作成し、諸物性を測定した。 なお、表１中の注は下記のとうりである。 ※１ Y2O3で安定化したZrO2を使用した。 ※２ SNGN432−TN（チヤンフアー0.1）の
テストピースを用い、被削剤として
100φ×500lのFC25を選び、切削条件を
切削速度400ｍ／min、切込み2.0mm、送
り0.3mm／revとし1000mm切削後のフラン
ク摩耗幅VBを測定した。 ※３ SNGN455−TN（チヤンフアー0.2）の
テストピースを用い、被切削剤として
200φ×35lのFC20（黒皮）を選び、切削
条件を切削速度400ｍ／min、切込み2.5
mm、送り0.3mm／revとし、円板の外側面
を軸方向に切削した。
【表】
【表】
【表】
表１−１〜２によつて示される通り本発明のセ
ラミツク工具は、靭性特に鋳物のラフカツトに対
する工具のチツピング、欠けに対する抵抗性に優
れ、自動機における工具の信頼性を大幅に向上さ
せることができる。その理由は断定できないが、
第１に表１−２に示す如き断続切削に於いては刃
先の温度は1000℃以上に上昇することが繰り返さ
れ、この時Al2O3−TiC系工具は熱膨脹係数が約
７×10-6／℃と大きいのに対し本発明のSi3N4を
主体とする工具は約3.5×10-6／℃と小さく熱衝
撃に強いためと考えられる。また、第２にSi3N4
を主体とする工具は微構造的に観察した時、繊維
構造を示し、破壊に対する靭性が高いためと考え
られる。 又、Si3N4−MgO−ZrO2にNb2O5やTa2O5を添
加することにより普通焼結が可能となり、ホツト
プレスした場合に較べ切断不要となり、研磨加工
時間も大幅に短縮されるとともに穴付チツプ等の
複雑形状の切削工具も容易に得られる様になつ
た。 実施例 ２ 実施例１の試料No.２と同一組成にて安定化ジル
コニヤを用いる代りに、安定化されていない単斜
晶系のジルコニヤを用い、比較試料No.2Rを製作
した。特に欠け、割れを起こすまでの製品の切削
枚数を調査する試料は10ケ製作し、No.２と比較し
た結果表２の通りになつた。
ラミツク工具は、靭性特に鋳物のラフカツトに対
する工具のチツピング、欠けに対する抵抗性に優
れ、自動機における工具の信頼性を大幅に向上さ
せることができる。その理由は断定できないが、
第１に表１−２に示す如き断続切削に於いては刃
先の温度は1000℃以上に上昇することが繰り返さ
れ、この時Al2O3−TiC系工具は熱膨脹係数が約
７×10-6／℃と大きいのに対し本発明のSi3N4を
主体とする工具は約3.5×10-6／℃と小さく熱衝
撃に強いためと考えられる。また、第２にSi3N4
を主体とする工具は微構造的に観察した時、繊維
構造を示し、破壊に対する靭性が高いためと考え
られる。 又、Si3N4−MgO−ZrO2にNb2O5やTa2O5を添
加することにより普通焼結が可能となり、ホツト
プレスした場合に較べ切断不要となり、研磨加工
時間も大幅に短縮されるとともに穴付チツプ等の
複雑形状の切削工具も容易に得られる様になつ
た。 実施例 ２ 実施例１の試料No.２と同一組成にて安定化ジル
コニヤを用いる代りに、安定化されていない単斜
晶系のジルコニヤを用い、比較試料No.2Rを製作
した。特に欠け、割れを起こすまでの製品の切削
枚数を調査する試料は10ケ製作し、No.２と比較し
た結果表２の通りになつた。
【表】
表２より明らかな如く、抗折力、硬度、耐摩耗
性では両者共差がないけれども、欠け、割れを起
こすまでの製品の切削枚数はNo.２が10ケの試料中
10ケ皆150ケ以上切削できたのに対し、No.2Rは３
ケのみ150以上切削でき、その他は30ケ〜143ケの
間にばらついていた。これの理由は断定できない
が、No.2RがＸ線回析により、少量の単斜晶系の
低温型ZrO2を検出されるのに対し、本発明のNo.
２はすべて安定化ZrO2のみ検出されるため、欠
け、割れに対する強さが安定しているためと思わ
れる。 最近の切削機械はいずれも自動化が進んでお
り、工具の突発的な欠け、割れは大変やつかいな
問題を起こすため、本発明による安定した工具は
欠け、割れに対する強さのばらつきの大きいNo.
2Rに比較し、大きな長所を有している。なお、
更に室温から1200℃までの熱膨脹を調査したとこ
ろ、No.2Rは900℃と1000℃の間で熱膨脹係数の変
化点が認められたがNo.２は変化点が認められず直
線的膨脹曲線を示した。 又、本発明のセラミツク工具は、上記のような
優れた諸物性のため、鋳物以外の金属、例えばア
ルミニウム、スチールなどの切削工具、更には切
削のような振動や熱のかかる機械用耐熱部品に使
用することができる。
性では両者共差がないけれども、欠け、割れを起
こすまでの製品の切削枚数はNo.２が10ケの試料中
10ケ皆150ケ以上切削できたのに対し、No.2Rは３
ケのみ150以上切削でき、その他は30ケ〜143ケの
間にばらついていた。これの理由は断定できない
が、No.2RがＸ線回析により、少量の単斜晶系の
低温型ZrO2を検出されるのに対し、本発明のNo.
２はすべて安定化ZrO2のみ検出されるため、欠
け、割れに対する強さが安定しているためと思わ
れる。 最近の切削機械はいずれも自動化が進んでお
り、工具の突発的な欠け、割れは大変やつかいな
問題を起こすため、本発明による安定した工具は
欠け、割れに対する強さのばらつきの大きいNo.
2Rに比較し、大きな長所を有している。なお、
更に室温から1200℃までの熱膨脹を調査したとこ
ろ、No.2Rは900℃と1000℃の間で熱膨脹係数の変
化点が認められたがNo.２は変化点が認められず直
線的膨脹曲線を示した。 又、本発明のセラミツク工具は、上記のような
優れた諸物性のため、鋳物以外の金属、例えばア
ルミニウム、スチールなどの切削工具、更には切
削のような振動や熱のかかる機械用耐熱部品に使
用することができる。
図面は焼結されるべき混合粉末を構成する各要
素の配合割合を示す三角座標図である。
素の配合割合を示す三角座標図である。
Claims (1)
- １ 図面に示すように正三角形に交わる三軸にそ
れぞれSi3N4、MgO、及び安定化されたZrO2の
重量％を表示した三角座標において、点Ａ
（Si3N498重量％、MgO1重量％、ZrO21重量％）、
点Ｂ（Si3N479重量％、MgO20重量％、ZrO21重
量％）、点Ｃ（Si3N479重量％、MgO1重量％、
ZrO220重量％）を結ぶ線で囲まれる範囲におい
てSi3N4、MgO、及び安定化されたZrO2の各粉
末を配合した第１粉末80〜99重量％とNb2O5及び
Ta2O5の少なくとも１種からなる第２粉末20〜１
重量％の混合粉末を成形、焼結してなることを特
徴とする高靭性セラミツク工具。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57175824A JPS5969475A (ja) | 1982-10-06 | 1982-10-06 | 高靭性セラミツク工具 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57175824A JPS5969475A (ja) | 1982-10-06 | 1982-10-06 | 高靭性セラミツク工具 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5969475A JPS5969475A (ja) | 1984-04-19 |
| JPS6346030B2 true JPS6346030B2 (ja) | 1988-09-13 |
Family
ID=16002859
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP57175824A Granted JPS5969475A (ja) | 1982-10-06 | 1982-10-06 | 高靭性セラミツク工具 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5969475A (ja) |
-
1982
- 1982-10-06 JP JP57175824A patent/JPS5969475A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS5969475A (ja) | 1984-04-19 |
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