(57)【要約】【課題】アルミニウム合金、アルミニウム合金と鋳鉄とからなる材料の切削加工時における、耐摩耗性、耐欠損性の高い窒化珪素焼結体工具の提供。【解決手段】窒化珪素焼結体の結晶組成１００は、微少な粒子であるα型窒化珪素１０１および針状の粒子であるβ型窒化珪素１０３からなる結晶相１１０と、α型窒化珪素およびβ型窒化珪素の粒子の間に存在する、焼結助剤成分を含む粒界相１２０とから構成されている。窒化珪素焼結体は、α率が３５％以下であり、かつ、二次元断面上での長軸径が２μｍ以上のβ型窒化珪素の粒子面積の占める比率が１０％以下である。こうすることにより、窒化珪素焼結体の組成中に粒子形状が針状のβ型の窒化珪素粒子が存在するので、β型の窒化珪素が亀裂進展に対する抵抗となるとともに、β型の窒化珪素同士が互いに絡み合うことにより靭性が向上し、窒化珪素焼結体の耐磨耗性及び耐欠損性を向上できる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化珪素に焼結助剤を添加して焼結することにより生成される窒化珪素焼結体であって、
α型の窒化珪素およびβ型の窒化珪素からなる主結晶相と、
前記焼結助剤を成分に含む粒界相と、から構成され、
前記窒化珪素系焼結体のα型の窒化珪素の占める比率が３５％以下であり、かつ、前記窒化珪素系焼結体の二次元断面上での、長軸径が２μｍ以上のβ型の窒化珪素の粒子面積の占める比率が１０％以下であることを特徴とする、窒化珪素焼結体。
【請求項２】
請求項１記載の窒化珪素焼結体であって、
前記β型の窒化珪素の長軸径は、７μｍ以下である、窒化珪素焼結体。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の窒化珪素焼結体であって、
前記窒化珪素焼結体の二次元断面上における、前記粒界相の占める比率は、３面積％〜９面積％である、窒化珪素焼結体。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３いずれか記載の窒化珪素焼結体であって、
前記焼結助剤は、マグネシウム（Ｍｇ）および希土類元素を含む、窒化珪素焼結体。
【請求項５】
請求項４記載の窒化珪素焼結体であって、
前記焼結助剤は、前記マグネシウム（Ｍｇ）を酸化マグネシウム（ＭｇＯ）換算で２〜５重量％含み、かつ、希土類元素としてイッテルビウム（Ｙｂ）を酸化イッテルビウム（Ｙｂ２Ｏ３）換算で３〜１１重量％含む、窒化珪素焼結体。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５いずれか記載の窒化珪素焼結体からなる切削インサートを備える窒化珪素切削工具。
【請求項７】
請求項６記載の窒化珪素切削工具であって、
アルミニウム合金材料およびアルミニウム合金と鋳鉄とからなる材料の切削に用いることを特徴とする、窒化珪素切削工具。
【請求項８】
請求項１ないし請求項５いずれか記載の窒化珪素焼結体の製造方法であって、
平均粒径０．５μｍかつα型の窒化珪素の占める割合が９５％以上の窒化珪素粉末と、焼結助剤とを、合計１００重量％となるように配合して混合し、
前記混合の結果生成された粉末を成形して成形体を生成し、
前記成形体を約１５００℃〜約１５５０℃で１次焼成し、
前記１次焼成された成形体を、約１４５０℃〜約１５５０℃で２次焼成する、窒化珪素焼結体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化珪素焼結体および窒化珪素焼結体により形成される切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車用部品等の材料として鋳鉄が利用されている。鋳鉄の加工には、窒化珪素焼結体工具が広く使用されている。窒化珪素焼結体工具は、鋳鉄の切削時において、高い耐欠損性、耐摩耗性、耐熱衝撃性等を有している（例えば、引用文献１）。
【０００３】
近年、自動車用部品等の金属製部品は、部品の軽量化を目的として、鋳鉄からアルミニウム合金へ材料の転換がされつつある。従来使用されている窒化珪素焼結体工具を用いてアルミニウム合金を切削加工すると、窒化珪素焼結体工具に欠損が生じるため、アルミニウム合金の切削加工には、例えば、ダイヤモンド焼結体工具や、表面に硬質炭素等の被膜が施された超硬工具が利用されている（例えば、引用文献２，引用文献３）。ダイヤモンド焼結体工具は、高耐摩耗性および長寿命という利点を有しており、また、アルミニウム合金とダイヤモンド焼結体との反応性が低いため、良好な切削性能を提供できる。被覆超硬工具は耐摩耗性が優れ、製造コストが低い利点がある。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１３９８７６号公報
【特許文献２】特開２００３−１４５３１６号公報
【特許文献３】特開平１１−２９１１０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ダイヤモンド焼結体工具は、鋳鉄との反応性が高いため、アルミニウム合金と鋳鉄とからなる材料の切削時における耐摩耗性の低下という問題や、高価であるため費用がかさむという問題がある。また、高能率な高速切削加工を行なう場合、超硬工具は、刃先形状を鋭利に形成すると摩耗量の増大に起因する短寿命化という問題が生じたり、表層に硬質炭素等の被膜を形成すると、アルミニウム合金や、アルミニウム合金と鋳鉄とからなる材料の切削時における被膜の剥離という問題が生じたりする。
【０００６】
上述の課題は、自動車部品に限られるものではなく、種々の機械、装置に用いられるアルミニウム合金、アルミニウム合金と鋳鉄とからなる材料の切削加工時においても生じる課題である。
【０００７】
本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、アルミニウム合金、アルミニウム合金と鋳鉄とからなる材料の切削加工時において、耐摩耗性、耐欠損性の高い窒化珪素焼結体工具の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００９】
［適用例１］
窒化珪素に焼結助剤を添加して焼結することにより生成される窒化珪素系焼結体であって、α型の窒化珪素およびβ型の窒化珪素からなる主結晶相と、前記焼結助剤を成分に含む粒界相と、から構成され、前記窒化珪素系焼結体における、前記α型の窒化珪素の占める比率が３５％以下であり、かつ、前記窒化珪素焼結体の二次元断面状での長軸径が２μｍ以上のβ型の窒化珪素の占める比率が１０％以下であることを特徴とする、窒化珪素焼結体。
【００１０】
適用例１の窒化珪素焼結体によれば、窒化珪素焼結体の組成は、窒化珪素系焼結体におけるα型の窒化珪素の占める比率が３５％以下であり、かつ、前記窒化珪素系焼結体の二次元断面上での、長軸径が２μｍ以上のβ型の窒化珪素の粒子面積の占める比率が１０％以下となる。従って、窒化珪素焼結体の組成中に、粒子形状が針状のβ型の窒化珪素粒子が存在するので、β型の窒化珪素が亀裂進展に対する抵抗となるクラックディフレクションの効果を得ることができるとともに、β型の窒化珪素同士が互いに絡み合うことにより靭性が向上する。よって、窒化珪素焼結体の耐磨耗性及び耐欠損性を向上できる。また、長軸径２μｍ以上のβ型窒化珪素の割合が１０%以下であるため、アルミニウム合金およびアルミニウム合金と鋳鉄とからなる材料の加工に有用な鋭利な刃先を得ることができる。また、α型の窒化珪素が３５％以下であるということは、すなわち、微細なα型の窒化珪素が適度に存在していることを意味しているので、β型の窒化珪素粒子を粗大化させることなくクラックディフレクションの効果を得ることができ、靭性を向上できる。
【００１１】
［適用例２］
適用例１の窒化珪素焼結体において、前記β型の窒化珪素の長軸径は、７μｍ以下である。適用例２の窒化珪素焼結体によればアルミニウム合金およびアルミニウム合金と鋳鉄とからなる材料の加工に有用な鋭利な刃先を得ることができる。
【００１２】
［適用例３］
適用例１または適用例２の窒化珪素焼結体において、前記窒化珪素焼結体の二次元断面上における、前記粒界相の占める比率は、３面積％〜９面積％である。適用例３の窒化珪素焼結体によれば、従来の窒化珪素の焼成温度（約１７００℃〜１９００℃）よりも低温で焼結できるため、窒化珪素焼結体の粒子形状を、微細、かつ、針状組織化した、緻密な窒化珪素焼結体とすることができる。
【００１３】
［適用例４］
適用例１ないし適用例３いずれかの窒化珪素焼結体において、前記焼結助剤は、マグネシウム（Ｍｇ）および希土類元素を含む。適用例４の窒化珪素焼結体によれば、マグネシウムが焼結助剤として用いられる。マグネシウムは粒界相を形成する他の焼結助剤及び窒化珪素原料が不純物として含む酸化珪素との液相生成温度を低温化することができることから、窒化珪素粒子の粗大化を抑制し、かつ、緻密化させることができる。また、希土類元素は他の焼結助剤と反応して粒界相を形成し、焼結体を緻密にするとともに、窒化珪素の針状粒子の生成により窒化珪素焼結体の機械的特性を向上することができる。また、イッテルビウム元素を含む焼結助剤は、各種希土類元素を含む焼結助剤の中でも窒化珪素の焼結性を向上させる効果が大きく、特に、マグネシウム元素を含む焼結助剤と組み合わせた場合、焼結性がより向上する。従って、窒化珪素粒子の微細、かつ、針状組織化ができる。
【００１４】
［適用例５］
適用例４の窒化珪素焼結体において、前記焼結助剤は、前記マグネシウム（Ｍｇ）を酸化マグネシウム（ＭｇＯ）換算で２〜５重量％含み、かつ、希土類元素としてイッテルビウム（Ｙｂ）を酸化イッテルビウム（Ｙｂ２Ｏ３）換算で３〜１１重量％含む。適用例５の窒化珪素焼結体によれば、焼結助剤には、マグネシウム（Ｍｇ）を酸化マグネシウム（ＭｇＯ）換算で２〜５重量％含み、かつ、イッテルビウム（Ｙｂ）を酸化イッテルビウム（Ｙｂ２Ｏ３）換算で３〜１１重量％含まれる。従って、焼結助剤の偏析およびβ型の窒化珪素の粗大化を抑制でき、微細、かつ、針状組織化した、緻密な窒化珪素焼結体とすることができる。
【００１５】
［適用例６］
窒化珪素質工具であって、α型の窒化珪素およびβ型の窒化珪素からなる主結晶相と、前記焼結助剤を成分に含む粒界相と、から構成される窒化珪素焼結体からなり、前記窒化珪素焼結体は、前記窒化珪素系焼結体におけるα型の窒化珪素の占める比率が３５％以下、かつ、前記窒化珪素系焼結体の二次元断面上での長軸径が２μｍ以上のβ型の窒化珪素の粒子面積の占める比率が１０％以下であることを特徴とする、窒化珪素質工具。
【００１６】
適用例６の窒化珪素質工具によれば、窒化珪素系焼結体におけるα型の窒化珪素の占める比率が３５％以下、かつ、前記窒化珪素系焼結体の二次元断面上での長軸径が２μｍ以上のβ型の窒化珪素の粒子面積の占める比率が１０％以下であることを特徴とする窒化珪素焼結体を材料として形成される。従って、高耐摩耗性、高耐欠損性を有する窒化珪素質工具を提供できる。
【００１７】
［適用例７］
切削インサートであって、α型の窒化珪素およびβ型の窒化珪素からなる主結晶相と、前記焼結助剤を成分に含む粒界相と、から構成される窒化珪素焼結体からなり、前記窒化珪素焼結体は、前記窒化珪素系焼結体のα型の窒化珪素の占める比率が３５％以下、かつ、前記窒化珪素系焼結体の二次元断面上での長軸径が２μｍ以上のβ型の窒化珪素の粒子面積の占める比率が１０％以下であることを特徴とする、切削インサート。
【００１８】
適用例７の切削インサートによれば、窒化珪素系焼結体のα型の窒化珪素の占める比率が３５％以下、かつ、前記窒化珪素系焼結体の二次元断面上での長軸径が２μｍ以上のβ型の窒化珪素の粒子面積の占める比率が１０％以下であることを特徴とする窒化珪素焼結体を材料として形成される。従って、高耐摩耗性、高耐欠損性を有する切削インサートを提供できる。
【００１９】
［適用例８］
適用例７の切削インサートにおいて、表面に非晶質炭素膜が被覆されていることを特徴とする。適用例８の切削インサートによれば、耐摩耗性、耐欠損性を更に向上できる。
【００２０】
［適用例９］
窒化珪素切削工具であって、切削インサートを装着するための装着手段と、前記装着手段に装着された適用例７または適用例８の切削インサートと、を備える窒化珪素切削工具。
【００２１】
適用例９の窒化珪素切削工具によれば、窒化珪素系焼結体のα型の窒化珪素の占める比率が３５％以下、かつ、前記窒化珪素系焼結体の二次元断面上での長軸径が２μｍ以上のβ型の窒化珪素の粒子面積の占める比率が１０％以下であることを特徴とする窒化珪素焼結体を材料として形成される。従って、高耐摩耗性、高耐欠損性を有する窒化珪素切削工具を提供できる。
【００２２】
［適用例１０］
適用例６または適用例９の窒化珪素切削工具において、アルミニウム合金材料およびアルミニウム合金と鋳鉄とからなる材料の切削に用いることを特徴とする。適用例１０の窒化珪素切削工具によれば、アルミニウム合金材料およびアルミニウム合金と鋳鉄とからなる材料の切削において、従来の窒化珪素切削工具や超硬工具に比して、優れた切削性能を有する切削工具を提供できる。
【００２３】
［適用例１１］
窒化珪素焼結体の製造方法であって、平均粒径０．５μｍかつα型の窒化珪素の占める割合が９５％以上の窒化珪素粉末と、焼結助剤とを、合計１００重量％となるように配合して混合し、前記混合の結果生成された粉末を成形して成形体を生成し、前記成形体を約１５００℃〜約１５５０℃で１次焼成し、前記１次焼成された成形体を、約１４５０℃〜約１５５０℃で２次焼成する、窒化珪素焼結体の製造方法。
【００２４】
適用例１１の窒化珪素焼結体の製造方法によれば、成形体を約１５００℃〜約１５５０℃で１次焼成し、１次焼成された成形体を、約１４５０℃〜約１５５０℃、より好ましくは、約１４７５℃〜約１５２５℃で２次焼成することにより窒化珪素焼結体が製造される。従って、従来の窒化珪素の焼成温度よりも低温で焼結できるため、窒化珪素焼結体の粒子形状を、微細、かつ、針状組織化できる。よって、高強度の窒化珪素焼結体を製造できる。
【００２５】
［適用例１２］
窒化珪素切削工具の製造方法であって、平均粒径０．５μｍかつα型の窒化珪素の占める割合が９５％以上の窒化珪素粉末と、焼結助剤とを、合計１００重量％となるように配合して混合し、前記混合の結果生成された粉末を成形して成形体を生成し、前記成形体を約１５００℃で１次焼結し、前記１次焼成された成形体を、約１４５０℃〜約１５５０℃、より好ましくは、約１４７５℃〜約１５２５℃で２次焼結し、前記２次焼結により得られた窒化珪素焼結体を切削工具に加工する、窒化珪素切削工具の製造方法。
【００２６】
適用例１２の窒化珪素切削工具の製造方法によれば、従来の窒化珪素の焼成温度よりも低温で焼結することにより生成された窒化珪素焼結体を加工することにより切削工具が製造される。従って、微細針状の粒子組成微細、かつ、針状化した組織を有する高強度の窒化珪素焼結体により切削工具を製造できる。よって、高耐摩耗性、高耐欠損性を有する窒化珪素切削工具を提供できる。
【００２７】
本発明において、上述した種々の態様は、適宜、組み合わせたり、一部を省略したりして適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
Ａ．第１実施例：
第１実施例の窒化珪素焼結体、切削インサート、窒化珪素切削工具について、適宜図面を参照しつつ、以下に説明する。
【００２９】
Ａ１．製造方法：
図１は、第１実施例における窒化珪素切削工具の製造方法を説明するフローチャートである。図２は、第１実施例における切削インサートを例示する説明図である。図３は、第１実施例における窒化珪素切削工具を表す正面図である。図４は、第１実施例における窒化珪素切削工具を表す平面図である。図２に示す切削インサートは、図１に示す製造方法により製造されたインサートである。図３および図４は、切削インサートが装着された状態の窒化珪素切削工具を表している。
【００３０】
平均粒径０．５μｍかつα率が９５％の窒化珪素粉末と、焼結助剤とを、合計１００重量％となるように配合し、配合された粉末をエタノールと共にボールミル中で約４０時間混合し混合物（スラリー）を生成し、次に、スラリーを湯煎乾燥により造粒し粉末にする（ステップＳ１０）。第１実施例では、α率とは、配合される全粉末に含まれるα型の窒化珪素粉末の割合を表している。以降、本明細書では、α型の窒化珪素をα型窒化珪素と呼ぶ。第１実施例では、焼結助剤として、マグネシウム（Ｍｇ）および希土類元素を利用しており、特に、希土類として、イッテルビウム（Ｙｂ）を用いる。第１実施例の焼結助剤には、マグネシウム（Ｍｇ）が酸化マグネシウム（ＭｇＯ）換算で２〜５重量％含まれており、イッテルビウム（Ｙｂ）が酸化イッテルビウム（Ｙｂ２Ｏ３）換算で３〜１１重量％含まれている。尚、アルミ合金の加工に用いられる窒化珪素焼結体は、焼結体組織中の窒化珪素粒子を微細、かつ、針状組織化するために、鋳鉄加工を目的とした窒化珪素焼結体に対して焼結助剤を多く添加することが好ましく、マグネシウム（Ｍｇ）とイッテルビウム（Ｙｂ）とが、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と酸化イッテルビウム（Ｙｂ２Ｏ３）換算による合計で、約７重量％〜約１５重量％含まれていることが好ましく、約７重量％〜約１３重量％含まれていることがより好ましい。
【００３１】
次に、造粒した粉末を、１５００ｋｇｆ／ｃｍ2、で冷間等方圧加圧（cold isostatic pressing：ＣＩＰ）成形により成形する（ステップＳ１２）。
【００３２】
続いて、ＣＩＰ成形により成形された成形体を１次焼成する（ステップＳ１４）。具体的には、成形体を、１気圧の窒素（Ｎ2）雰囲気下において、約１５００℃〜１５５０℃で２時間保存する。
【００３３】
続いて、１次焼成された成形体を２次焼成する（ステップＳ１６）。具体的には、１次焼成された成形体を、１０００気圧の窒素（Ｎ２）雰囲気下において、約１４５０℃〜約１５５０℃、より好ましくは、約１４７５℃〜約１５２５℃で約４時間保持する。この結果、第１実施例の窒化珪素焼結体が得られる。
【００３４】
次に、得られた窒化珪素焼結体を、所定の工具形状に研磨加工することにより、切削インサートが得られる（ステップＳ１８）。第１実施例では、図２に示すように、所定の工具形状は、ＩＳＯ規格で、ＳＮＧＮ４３２サイズ（縦１２．７ｍｍ、横１２．７ｍｍ、高さ４．７６ｍｍ、ホーニング無し）である。第１実施例では、切削インサート２の刃先は面取り刃先加工を施していないが、面取り刃先加工（例えば、面取り幅が０．３ｍｍ、面取り角が２５°）を行って、面取部を形成してもよい。切削インサート２を、図３及び図４に示す様に、ホルダ付き切削工具（フライスカッター）４にセットすることにより、窒化珪素切削工具が得られる（ステップＳ２０）。なお、切削インサート２の表面には、非晶質炭素を被膜しても良い。非晶質炭素被膜により、アルミニウム合金を切削加工する際の溶着を抑制することができる。
【００３５】
切削インサート２を装着した窒化珪素切削工具（フライスカッター）４について説明する。図３及び図４に示す様に、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：図３の手前側）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、切削インサート２、切削インサート２を取り付けるための合金鋼製のカートリッジ８、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。フライスカッター４の１箇所の取付部７に１枚の切削インサート２が装着されている。尚、図３及び図４では、窒化珪素切削工具の構造を明瞭にするために、一部切削インサート２等の部材が省略されている。
【００３６】
図５は、第１実施例における窒化珪素焼結体の結晶の組成を表す模式図である。図（ａ）５は、２次焼成後の結晶組成を表している。図５（ｂ）は、β型の窒化珪素の径について表している。結晶組成１００は、微細な粒子であるα型窒化珪素１０１と、針状の粒子であるβ型の窒化珪素（以降、本明細書では、β型窒化珪素と呼ぶ）１０３からなる結晶相１１０と、α型窒化珪素およびβ型窒化珪素の粒子の間に存在する、焼結助剤成分を含む粒界相１２０とから構成されている。第１実施例において、β型窒化珪素粒子の長軸径および短軸径は、窒化珪素焼結体を鏡面研磨し、エッチング後、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により組織を撮影し（図５（ａ））、撮影画像を画像解析して、測定される。撮影画像は、窒化珪素系焼結体の二次元断面に当たる。図５（ｂ）に示すように、β型窒化珪素の１つの粒子の中で最も幅が大きい部分がその粒子の長軸径（Ｘ）であり、長軸に対して略垂直方向で最も幅が小さい部分が、その粒子の短軸径（Ｙ）である。第１実施例では、窒化珪素焼結体の二次元断面上における、粒界相１２０の占める比率は、３面積％〜９面積％である。上記製造方法によれば、従来の窒化珪素の焼成温度（約１７００℃〜１９００℃）よりも低温で焼結できる。窒化珪素の焼成温度が高くなると、焼結体中の比較的大きな粒子は、周囲の微細な粒子を吸収して更に粗大化するので、窒化珪素の焼成温度を低温化することで、粒子の粗大化を抑制、言い換えれば、粒子の微細化（窒化珪素の場合は柱状に粒成長していくので針状化）することができる。従って窒化珪素焼結体の粒子形状を、微細、かつ、針状組織化した、緻密な窒化珪素焼結体とすることができる。
【００３７】
第１実施例の窒化珪素焼結体は、窒化珪素系焼結体におけるα率が３５％以下であり、かつ、窒化珪素系焼結体の二次元断面上での長軸径が２μｍ以上のβ型窒化珪素の粒子面積の占める比率が１０％以下である。α率は、２５％以下であることがより好ましく、長軸径が２μｍ以上のβ型窒化珪素の粒子面積の占める比率は、５％以上であることがより好ましい。また、β型窒化珪素の長軸径は、７μｍ以下であることが好ましい。窒化珪素系焼結体におけるα率は、冷却後の窒化珪素焼結体におけるα相（α型窒化珪素の相）の存在率を意味している。ここで、窒化珪素系焼結体のα率が３５％以下であるとは、次のことを意味する。すなわち、通常、原料となるα型窒化珪素粉末に焼結助剤を添加して焼成した場合、昇温途中および温度保持の最中に高温層のβ相（β型窒化珪素の相）に相転移するが、冷却後の焼結体において、α相が３５％以下の割合で存在していることを意味している。
【００３８】
窒化珪素系焼結体のα率は、以下に示す式１により表される。なお、式１において、α型窒化珪素の指数（ｈｋｌ）のＸ線回折強度をα（ｈｋｌ）と表し、β型窒化珪素の指数（ｈｋｌ）のＸ線回折強度をβ（ｈｋｌ）と表す。
【００３９】
【数１】
2010001203.tif 000003
【００４０】
窒化珪素系焼結体のα率を３５％以下としたのは次の理由による。すなわち、窒化珪素系焼結体のα率が３５％より高い場合、焼結体組織自体は微細化するが、針状のβ型窒化珪素の割合が少ないために、クラックディフレクションの効果が低減され、靭性が低下し、耐摩耗性および耐欠損性の低下を招くためである。
【００４１】
また、窒化珪素系焼結体の二次元断面上に置いて、長軸径が２μｍ以上のβ型窒化珪素の粒子面積の占める比率を１０％以下としたのは、次の理由による。すなわち、針状のβ型窒化珪素が存在すると、窒化珪素焼結体の亀裂進展に対する抵抗となることにより強度が向上するとともに、針状のβ型窒化珪素が互いに絡み合って、更に強度が向上する。よって、高い耐摩耗性および耐欠損性を得ることができる。また、β型窒化珪素の長軸径を２μｍ以下とすることにより、アルミニウム合金およびアルミニウム合金と鋳鉄とからなる材料の切削に有効な鋭利な刃先を得ることができる。
【００４２】
また、窒化珪素系焼結体の二次元断面上において、長軸径が２μｍ以上のβ型窒化珪素の粒子面積の占める比率を５％以上とすることにより、長軸径が２μｍ以上のβ型窒化珪素の粒子面積の占める比率が５％未満の場合に比して、窒化珪素系焼結体の耐摩耗性および耐欠損性を向上できる。
【００４３】
また、β型窒化珪素の長軸径が７μｍより大きい粒子が存在するということは、全体的に長軸径の比較的大きなβ型窒化珪素が多く存在しているとともに、α率が低いと考えられ、窒化珪素系焼結体の耐摩耗性および耐欠損性が低下すると考えられる。よって、β型窒化珪素の長軸径が７μｍ以下となるように窒化珪素焼結体を製造することにより、アルミニウム合金およびアルミニウム合金と鋳鉄とからなる材料の加工に有用な鋭利な刃先を得ることができる。
【００４４】
以上説明した第１実施例の窒化珪素焼結体によれば、窒化珪素焼結体の組成は、窒化珪素系焼結体のα型の窒化珪素の占める比率が３５％以下であり、かつ、長軸径が２μｍ以上のβ型の窒化珪素の粒子面積の占める比率が１０％以下となる。従って、窒化珪素焼結体の組成中に、粒子形状が針状のβ型の窒化珪素粒子が存在するので、β型の窒化珪素が亀裂進展に対する抵抗となるとともに、β型の窒化珪素同士が互いに絡み合うことにより靭性が向上する。よって、窒化珪素焼結体の耐磨耗性及び耐欠損性を向上できる。また、長軸径２μｍ以上のβ型窒化珪素の粒子面積の割合が１０%以下であるため、アルミニウム合金およびアルミニウム合金と鋳鉄とからなる材料の加工に有用な鋭利な刃先を得ることができる。また、α型の窒化珪素が３５％以下であるということは、すなわち、微細なα型の窒化珪素が適度に存在していることを意味しているので、β型の窒化珪素粒子を粗大化させることなくクラックディフレクションの効果を得ることができ、靭性を向上できる。
【００４５】
また、第１実施例の窒化珪素焼結体は、窒化珪素系焼結体の二次元断面上において、長軸径が２μｍ以上のβ型の窒化珪素の粒子面積の占める比率は、５％以上である。適用例１の窒化珪素焼結体によれば、窒化珪素焼結体の組成中に、長軸径が２μｍ以上のβ型の窒化珪素が５％〜１０％含まれる。よって、粒子形状が針状のβ型の窒化珪素粒子を窒化珪素焼結体の組成中に適度に存在させることができ、靭性を向上できる。
【００４６】
また、第１実施例の窒化珪素焼結体によれば、焼結助剤には、マグネシウム（Ｍｇ）が酸化マグネシウム（ＭｇＯ）換算で０．５〜５重量％含まれ、かつ、イッテルビウム（Ｙｂ）が酸化イッテルビウム（Ｙｂ２Ｏ３）換算で３〜１１重量％含まれる。従って、１４５０℃〜１５５０℃程度の温度（従来の窒化珪素の焼成温度よりも低温）で焼成できるため、α型の窒化珪素のβ型の窒化珪素への相転移が抑制されるとともに、β型の窒化珪素の径の拡大が抑制される。よって、微細、かつ、針状組織化した、緻密な窒化珪素焼結体とすることができる。
【００４７】
Ａ２．切削性能の評価：
上述の製造方法により製造された窒化珪素焼結体の性能について、比較例と比較しつつ以下に説明する。図６は、第１実施例の窒化珪素焼結体と従来の窒化珪素焼結体との組織をそれぞれ表す画像である。図７は、第１実施例におけるフライス加工を説明する模式図である。表１は、上述の製造方法により得られた窒化珪素焼結体（実施例試料１〜８）と、比較例の窒化珪素焼結体（比較例試料９〜１４）の、配合組成（ｗｔ％）、１次焼成温度（℃）、２次焼成温度（℃）、窒化珪素焼結体の２次元断面において長軸径が２μｍ以上のβ型の窒化珪素の占める割合（％）、β型の窒化珪素の最大長軸径（μｍ）、窒化珪素焼結体のα率（％）、および、粒界相量（面積％）を表している。また、表１には、後述する方法により評価された耐欠損性について「欠損」の欄に併せて示した。以降、本明細書では、実施例の製造方法により得られた窒化珪素焼結体の試料１〜８を実施例試料１〜８と呼び、比較例としての窒化珪素焼結体の試料９〜１４を比較例試料９〜１４と呼ぶ。
【００４８】
【表１】
2010001203.tif 000004
【００４９】
表１において、窒化珪素粒子の長軸径および短軸径は、窒化珪素焼結体を鏡面研磨し、エッチング後、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により組織を撮影し、５０００倍に拡大した撮影画像を画像解析して測定した。また、窒化珪素焼結体における粒界相量は、窒化珪素焼結体の中央部を切断して得られる断面の鏡面研磨面をＳＥＭ観察し、得られた組織写真を二階調化し、その後、画像解析ソフトウェアで解析することで測定した。本実施例では、画像処理ソフトは、三谷商事株式会社製のＷｉｎＲＯＯＦを使用した。また、窒化珪素焼結体のα率は、既述の式１に示す計算式を用いて算出した。
【００５０】
表２は、実施例試料１〜３と、比較例としての従来の窒化珪素焼結体（比較例試料９、１３、１４）の特性の測定結果を表している。
【００５１】
【表２】
2010001203.tif 000005
【００５２】
表２において、特性としては、強度（ＭＰａ）、靭性（ＭＰａ／ｍ0.5）、硬度（Ｈｖ）、熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）を測定した。各特性の測定方法および値について説明する。強度はＪＩＳＲ１６０１に基づく３点曲げ強度測定により測定した。破壊靭性はＪＩＳＲ１６０７に基づくＩＦ法により測定した。硬度はＪＩＳＲ１６１０に基づくビッカース硬さ試験法により測定した。熱伝導率はＪＩＳＲ１６１１に基づくレーザーフラッシュ法により測定した。
【００５３】
図６（ａ）は、実施例試料３の窒化珪素焼結体の組織を表しており、図６（ｂ）は、比較例試料９の窒化珪素焼結体の組織を表している。図６において、黒色の領域は結晶相を表しており、白色の領域は粒界相を表している。図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、実施例試料３の窒化珪素焼結体は、比較例試料９の窒化珪素焼結体に比して、粒子形状が、微細針状となっている。このような粒子形状にすることにより、微細針状のβ型窒化珪素同士が絡み合って、強度、硬度が向上する。また、靭性もほぼ維持される。
【００５４】
実施例試料１〜８と比較例試料９〜１４の切削インサートを、図４に示す正面削り用６枚歯フライスカッター用ホルダに１枚セットし、以下に示す切削試験条件で切削加工を行い、耐摩耗性および耐欠損性を評価した。なお、切削インサート２は、ホーニング（面取り）加工が施されていないものを利用した。評価試験における切削加工は、具体的には、図７に示すように、フライスカッター４が回転軸４ａに取り付けられており、切削対象のアルミニウム合金２００がテーブルに固定されている。回転軸４ａを矢印Ｒ１に示すように回転させつつ、フライスカッター４を回転軸４ａに対して垂直方向（図７の矢印Ｒ２方向）に移動させることにより、アルミニウム合金２００の表面２００ａを切削加工する。以降、本明細書では、フライスカッター４が、被削材（第１実施例ではアルミニウム合金）２００上を矢印Ｒ２方向に走査した回数を「パス」と表す。例えば、フライスカッター４が被削材２００上を２回走査すると、パス数は２と表される。表１において、「欠損」の欄には、耐欠損性が示されており、この切削試験により欠損が発生するまでのパス数が１０以上の試料については「Ａ」を付し、パス数が２〜９の試料については「Ｂ」を付し、パス数が１または０の試料については「Ｃ」を付した。
【００５５】
＜切削試験条件＞
・被削材：アルミニウム合金（ＡＣ４Ａ−Ｔ６）
・切削速度：１０００ｍ／ｍｉｎ．
・送り速度：０．１ｍｍ／刃
・切り込み深さ：１ｍｍ
・切削油：湿式（水溶性クーラントを使用）
【００５６】
表１に示すように、実施例試料１〜８では優れた耐欠損性が得られたのに対し、比較例試料９〜１４は１〜９パスで欠損が発生した。
【００５７】
図８は、第１実施例における窒化珪素切削工具についてのアルミニウム合金の連続切削試験による工具刃先の逃げ面の摩耗量（ｍｍ）についての評価結果を示すグラフである。図８に、実施例の一例としての実施例試料３の切削インサートおよび比較例としての超硬工具（Ｋ種超硬）を用いて、アルミニウム合金の連続切削試験による工具刃先の逃げ面の摩耗量（ｍｍ）についての評価結果を示した。また、表３に、実施例試料１〜８，比較例試料１０およびの切削インサートおよび超硬工具（Ｋ種超硬）の切削インサートを用いて、アルミニウム合金の連続切削試験による工具刃先の逃げ面の摩耗量（ｍｍ）および欠損の発生についての評価結果を示した。
【００５８】
【表３】
2010001203.tif 000006
【００５９】
図８および表３のいずれも、以下の切削試験条件の下で行われた評価試験の結果を表している。図８のグラフ３００において、縦軸は、切削インサートの逃げ面の摩耗量（ｍｍ）を表しており、横軸は、切削加工のパス数を表している。グラフ３００では、一例として、実施例試料３の切削インサートの摩耗量と、超硬工具（Ｋ種超硬）の切削インサートの摩耗量を表している。なお、比較例試料の窒化珪素焼結体により形成された切削インサートでは、９パス以内に欠損してしまい、摩耗量の測定が困難であるため、比較例として、超硬工具（Ｋ種超硬）を用いた。表３における各試料および超硬工具の摩耗量は、一例である。表３において、「欠損」の欄には、耐欠損性が示されており、この切削試験により欠損が発生しない試料については「Ａ」を付し、欠損が発生した試料については欠損の発生したパス数を記載した。また、欠損が発生しない試料については、更に継続試験を行い、４０パス時点においても欠損が発生しない試料については「Ｓ」を付した。
【００６０】
＜切削試験条件＞
・被削材：アルミニウム合金（ＡＣ４Ａ−Ｔ６）
・切削速度：１０００ｍ／ｍｉｎ．
・送り速度：０．１ｍｍ／刃
・切り込み深さ：１ｍｍ
・切削油：湿式（水溶性クーラントを使用）
・パス数：３０パス
【００６１】
グラフ３００に示すように、切削加工のパス数の増加に伴い、実施例試料３の切削インサートも比較例としての超硬工具（Ｋ種超硬）の切削インサートも摩耗するが、実施例試料３の切削インサートの摩耗量は、超硬工具（Ｋ種超硬）の切削インサートに比して少ない。例えば、３０パス終了した時点では、実施例試料３の切削インサートの摩耗量は、超硬工具の切削インサートの約１／３である。
【００６２】
表３に示すように、実施例試料では優れた耐欠損性が得られた。また、超硬工具（Ｋ種超硬）に対しても優れた耐磨耗性が得られた。なお、比較例試料１０については７パス目で欠損が発生したため、欠損発生時点における摩耗量を示した。
【００６３】
以上説明したように、第１実施例の窒化珪素切削工具によれば、アルミニウム合金の切削において、従来の窒化珪素切削工具、超硬工具に比して、優れた切削性能を有する切削工具を提供できる。
【００６４】
Ｂ．第２実施例：
第２実施例では、性能評価試験において、アルミニウム合金と鋳鉄とからなる材料を被削材とする。なお、第２実施例において、窒化珪素焼結体を生成するための試料、窒化珪素焼結体、切削インサート、窒化珪素切削工具の製造方法は、第１実施例と同様である。
【００６５】
Ｂ１．切削性能の評価：
図９は、第２実施例における被削材を例示する説明図である。図１０は、第２実施例におけるフライス加工を説明する模式図である。図１１は、第２実施例における耐摩耗性の試験結果を表すグラフである。図９および図１０に示すように、第２実施例の被削材５００は、２本の矩形柱状のアルミニウム合金５１０と、２本のアルミニウム合金５１０の間に、アルミニウム合金５１０よりも小さい矩形柱状の鋳鉄５２０を２つ配置してなるアルミニウム合金・鋳鉄複合部材である。以降、被削材５００をアルミニウム合金・鋳鉄複合部材５００と呼ぶ。実施例試料１〜８、比較例試料１０（第１実施例において説明した表１参照）および超硬（Ｋ種超硬）の切削インサートの刃先を、図４に示す正面削り用６枚歯フライスカッター用ホルダにセットし、以下に示す切削試験条件で、図９に示すアルミニウム合金・鋳鉄複合部材５００の切削加工を行い、耐摩耗性および耐欠損性を評価した。第１実施例と同様に、フライスカッター４の回転軸４ａを矢印Ｒ１に示すように回転させつつ、フライスカッター４を回転軸４ａに対して垂直方向（図１０の矢印Ｒ２方向）に移動させることにより、アルミニウム合金・鋳鉄複合部材５００の表面を切削加工する。
【００６６】
図１１に、実施例試料３の切削インサートおよび比較例としての超硬工具（Ｋ種超硬）、アルミナ＋ＳｉＣウィスカー系工具および比較例試料１０を用いて、アルミニウム合金・鋳鉄複合部材５００の連続切削試験による工具刃先の磨耗量（ＶＢ）についての評価結果を示した。また、表４に、実施例試料１〜８の切削インサートおよび比較例試料１０および超硬工具（Ｋ種超硬）を用いて、アルミニウム合金・鋳鉄複合部材５００の連続切削試験による工具刃先の逃げ面の摩耗量（ｍｍ）および欠損の発生についての評価結果を示した。
【００６７】
【表４】
2010001203.tif 000007
【００６８】
図１１および表４のいずれも、以下の切削試験条件の下で行われた評価試験の結果を表している。図１１のグラフ６００において、縦軸は、切削インサートの逃げ面の摩耗量（ｍｍ）を表しており、横軸は、切削加工のパス数を表している。表３における各試料の窒化珪素焼結体および超硬工具の摩耗量は、一例である。表４において、「欠損」の欄には、耐欠損性が示されており、この切削試験により欠損が発生しない試料については「Ａ」を付し、欠損が発生した試料については欠損の発生したパス数を記載した。
【００６９】
（切削試験条件）
・被削材：アルミニウム合金（ＡＣ４Ａ−Ｔ６）＋鋳鉄（ＦＣ２００）
・被削材比率：アルミニウム合金（５６パーセント）、鋳鉄（１３パーセント）、空転（３１パーセント）
・切削速度：１０００ｍ／ｍｉｎ．
・送り速度：０．１ｍｍ／刃
・切り込み深さ：０．５ｍｍ
・切削油：湿式（水溶性クーラントを使用）
・パス数：１０パス
【００７０】
グラフ６００に示すように、切削加工のパス数の増加に伴い、実施例試料３の切削インサートも比較例としての超硬工具（Ｋ種超硬）、アルミナ＋ＳｉＣウィスカー系工具および比較例試料１０も摩耗するが、実施例試料３の切削インサートの摩耗量は、超硬工具（Ｋ種超硬）、アルミナ＋ＳｉＣウィスカー系工具および比較例試料１０に比して少ない。例えば、超硬工具（Ｋ種超硬）は１パス目終了時点での摩耗面の荒れが大きく、アルミナ＋ＳｉＣウィスカー系工具は３パス目終了時点での摩耗面の荒れが大きく、それぞれ１パス目、３パス目で試験を終了せざるを得ないほど摩耗する、すなわち、実施例試料３との耐摩耗性の比較が困難なほど摩耗する。比較例試料１０は、６パス目で欠損が発生しており、また、１０パス目が終了した時点での摩耗量は実施例試料３の切削インサートに比して大きい。
【００７１】
また、表４に示すように、実施例試料１〜６では優れた耐欠損性が得られた。また、超硬工具（Ｋ種超硬）に対しても優れた耐磨耗性が得られた。なお、比較例試料１０については６パス目で欠損が発生した。また、超硬工具（Ｋ種超硬）は、被削材摩耗面の荒れが大きかったので１パスで試験を終了した。
【００７２】
以上説明した第２実施例の窒化珪素焼結体は、第１実施例と同様の効果を有する。また、また、第２実施例の窒化珪素切削工具によれば、アルミニウム合金と鋳鉄とからなるアルミニウム合金・鋳鉄複合部材の切削において、従来の窒化珪素切削工具、超硬工具に比して、優れた切削性能を有する切削工具を提供できる。
【００７３】
以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成をとることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】第１実施例における窒化珪素切削工具の製造方法を説明するフローチャート。
【図２】第１実施例における切削インサートを例示する説明図。
【図３】第１実施例における窒化珪素切削工具を表す正面図。
【図４】第１実施例における窒化珪素切削工具を表す平面図。
【図５】第１実施例における窒化珪素焼結体の結晶の組成を表す模式図。
【図６】第１実施例の窒化珪素焼結体と従来の窒化珪素焼結体との組織をそれぞれ表す画像。
【図７】第１実施例におけるフライス加工を説明する模式図。
【図８】第１実施例における耐摩耗性の試験結果を表すグラフ。
【図９】第２実施例における被削材を例示する説明図。
【図１０】第２実施例におけるフライス加工を説明する模式図。
【図１１】第２実施例における耐摩耗性の試験結果を表すグラフ。
【符号の説明】
【００７５】
２…切削インサート
４…フライスカッター
４ａ…回転軸
５…ホルダ
６…切削部
７…取付部
８…カートリッジ
９…クサビ
１００…結晶組成
１０１…α型窒化珪素
１０３…β型窒化珪素
１１０…結晶相
１２０…粒界相
２００…アルミニウム合金
２００ａ…表面
３００…グラフ
５００…アルミニウム合金・鋳鉄複合部材
５１０…アルミニウム合金
５２０…鋳鉄
６００…グラフ
【図１】
2010001203.tif 000008
【図２】
2010001203.tif 000009
【図３】
2010001203.tif 000010
【図４】
2010001203.tif 000011
【図５】
2010001203.tif 000012
【図６】
2010001203.tif 000013
【図７】
2010001203.tif 000014
【図８】
2010001203.tif 000015
【図９】
2010001203.tif 000016
【図１０】
2010001203.tif 000017
【図１１】
2010001203.tif 000018