(57)【要約】      （修正有）【課題】近年、切削工程における高能率化、省人化の要求の高まりとともに、高速切削にシフトしている。そこで、従来よりも長寿命の窒化珪素焼結体切削工具および被覆窒化珪素焼結体切削工具の提供を目的とする。【解決手段】Ｙ2Ｏ3：１．２〜１．８重量％と、Ａｌ2Ｏ3：０．３〜０．８重量％と、Ｓｉ3Ｎ4：残りとからなり、鋳鉄との摩擦係数は０．６以下であり、熱伝導率は４０Ｗ／ｍＫ以上である窒化珪素焼結体切削工具およびその表面に被膜を被覆した被覆窒化珪素焼結体切削工具は、鋳鉄の高速切削において、従来の窒化珪素焼結体切削工具よりも長寿命を実現する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼結助剤：１．５〜２．６重量％と、Ｓｉ3Ｎ4：残りとからなり、鋳鉄との摩擦係数は０．６以下である窒化珪素焼結体切削工具。
【請求項２】
焼結助剤は、Ｙ2Ｏ3：１．２〜１．８重量％と、Ａｌ2Ｏ3：０．３〜０．８重量％とからなる請求項１に記載の窒化珪素焼結体切削工具。
【請求項３】
窒化珪素焼結体切削工具の熱伝導率は４０Ｗ／ｍＫ以上である請求項１または２に記載の窒化珪素焼結体切削工具。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載された窒化珪素焼結体切削工具の表面に、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｓｉの金属、炭化物、窒化物、酸化物およびこれらの相互固溶体、ダイヤモンド、ダイヤモンド状カーボン、立方晶窒化硼素、硬質窒化硼素の中から選ばれた少なくとも１種からなる膜厚０．５〜２０μｍの被膜が被覆された被覆窒化珪素焼結体切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は窒化珪素焼結体切削工具に関するものであり、その中でも特に高速切削に適した窒化珪素焼結体切削工具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化珪素焼結体の従来技術として、組成が、Ｙ2Ｏ3：１．５〜３．０重量％、Ａｌ2Ｏ3：０．１〜１．０重量％、ただし、Ｙ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3重量比２．５以上、Ｓｉ3Ｎ4：残部、であり、かつ密度が３．０ｇ／ｃｍ3以上である窒化珪素質焼結体がある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】特開昭６３−１８５８６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
窒化珪素焼結体は、高温強度が高いなど優れた特性を持つため鋳鉄用の切削工具などに用いられている。近年、切削工程における高能率化、省人化の要求の高まりとともに、高速切削にシフトしているが、従来の窒化珪素焼結体切削工具はこうした要求に十分応えられないという問題が生じてきた。本発明は従来よりも長寿命の窒化珪素焼結体切削工具および被覆窒化珪素焼結体切削工具の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者は、従来よりも長寿命の窒化珪素焼結体切削工具を得ることを目的に研究を行ってきた。その結果、窒化珪素焼結体切削工具の鋳鉄に対する摩擦係数を小さくすると耐摩耗性が向上するという知見を得て本発明を完成させた。
【０００６】
具体的には、まず窒化珪素焼結体と鋳鉄（ＦＣ２５０）との摩擦係数に及ぼす窒化珪素焼結体の焼結助剤添加量の影響について調べた。その結果、焼結助剤添加量の増加に伴い鋳鉄との摩擦係数が大きくなることが分かった。摩擦試験において窒化珪素焼結体の粒界相は鋳鉄と反応して摩擦摺動面に反応生成物を形成し、摩擦係数が大きくなると考えられる。このことは窒化珪素焼結体および鋳鉄の摩擦摺動面に反応生成物が認められることから確認できる。窒化珪素焼結体の粒界相量は焼結助剤添加量に比例するため、焼結助剤添加量が多い窒化珪素焼結体ほど摩擦係数は大きくなるものと考えられる。
【０００７】
窒化珪素焼結体切削工具を用いて鋳鉄（ＦＣ２５０）を切削したところ、鋳鉄（ＦＣ２５０）との摩擦係数が小さい窒化珪素焼結体切削工具ほど摩耗量は少なくなるという結果が得られた。摩擦係数が大きい窒化珪素焼結体切削工具ほど、摩耗量が増加するのは摩擦係数の増加とともに窒化珪素焼結体切削工具の刃先温度が高くなって窒化珪素焼結体の硬さは減少し、その結果、窒化珪素焼結体切削工具の機械的摩耗、拡散摩耗および化学摩耗を増大させると考えられる。従って摩耗量を少なくするためには窒化珪素焼結体切削工具と鋳鉄との摩擦係数を小さくすることが重要となる。上述のように焼結助剤添加量が少ないほど摩擦係数は小さくなるので、窒化珪素焼結体切削工具の焼結助剤添加量は焼結可能な必要最低限とすることが好ましい。
【０００８】
しかし、焼結助剤添加量を必要以上に減少させると焼結性が低下して窒化珪素焼結体が緻密化しない。本発明者は実験を行い、Ｓｉ3Ｎ4の分解を防ぐためＮ2雰囲気にて圧力８８３ｋＰａ以上に加圧して焼結するガス圧焼結を行うと焼結助剤添加量が１．５〜２．６重量％であっても焼結でき量産上問題がないことを確認した。そこで本発明窒化珪素焼結体切削工具の焼結助剤添加量を１．５〜２．６重量％とした。焼結助剤添加量が１．５重量％未満であると緻密化不足から摩耗量が増加するとともに欠損しやすくなり、焼結助剤添加量が２．６重量％を超えると摩擦係数が大きくなり摩耗量が増加する。
【０００９】
本発明窒化珪素焼結体切削工具の焼結助剤としては、Ｓｃ、Ｙ、ランタニド（原子番号５７〜７１）、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｈｆの酸化物、Ａｌの窒化物、Ａｌの酸窒化物の中から選ばれた少なくとも１種が窒化珪素焼結体の緻密化に寄与し特性を向上させるため好ましく、具体的には、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌＯＮ、ＡｌＮ、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ｙ2０3、Ｙｂ2Ｏ3、Ｄｙ2Ｏ3、Ｌａ2Ｏ3、ＨｆＯ2などを挙げることができる。
【００１０】
本発明窒化珪素焼結体切削工具の焼結助剤の中でもＡｌ2Ｏ3とＹ2Ｏ3がさらに好ましい。これは、Ａｌ2Ｏ3を添加するとＳｉ3Ｎ4の一部はＳｉＡｌＯＮになり優れた耐摩耗性が得られるとともに焼結性を向上させ、Ｙ2Ｏ3を添加すると、Ｙ2Ｏ3自身の融点が高く高温において安定でＳｉ3Ｎ4をα相からβ相へ相転移を促進し焼結体を高靱性化するためである。焼結助剤としてＡｌ2Ｏ3とＹ2Ｏ3を用いると、焼結後にはＡｌ，Ｓｉ，Ｙ，Ｎ，Ｏを含む粒界相が生成する。
【００１１】
本発明窒化珪素焼結体切削工具において、Ａｌ2Ｏ3の添加量が０．３重量％未満であると窒化珪素焼結体の緻密化は十分でなく、逆に０．８重量％を超えると焼結性は向上するものの熱伝導率が大幅に低下し摩擦係数が大きくなる。Ａｌ2Ｏ3の添加量を０．３〜０．８重量％とすると好ましい。Ｙ2Ｏ3の添加量が１．２重量％未満では窒化珪素焼結体の緻密化は十分でなく、１．８重量％を超えるとＹ2Ｏ3は非晶質のガラス相となり摩擦係数の増大を招く。したがって、本発明窒化珪素焼結体切削工具の焼結助剤は、Ｙ2Ｏ3：１．２〜１．８重量％と、Ａｌ2Ｏ3：０．３〜０．８重量％とからなると、さらに好ましい。
【００１２】
上述のように摩擦係数の大きい窒化珪素焼結体切削工具ほど切削加工において摩耗量が大きくなるのは、刃先温度が高くなり焼結体の硬さが減少し、機械的摩耗、拡散摩耗、化学摩耗を増大させるためと考えられる。そこで切削工具の熱伝導率を大きくして、切削により発生した熱を刃先から切削工具全体、工具ホルダーに拡散させて、刃先温度の上昇を防ぐと好ましいと考えられる。すなわち本発明窒化珪素焼結体切削工具の熱伝導率を４０Ｗ／ｍＫ以上とすると耐摩耗性は向上するため好ましく、その中でも、５０Ｗ／ｍＫ以上がさらに好ましく、その中でも６０Ｗ／ｍＫ以上がさらに好ましい。
【００１３】
本発明窒化珪素焼結体切削工具は、窒化珪素焼結体中の焼結助剤の添加量、種類の最適化により、鋳鉄との摩擦係数を小さくし、熱伝導率を向上させることで、切削加工における摩耗量を低減させるものである。摩擦係数の大きい窒化珪素焼結体切削工具ほど摩耗量が大きくなるのは、摩擦係数が大きいほど刃先温度が高くなり硬さが減少し、機械的摩耗、拡散摩耗、化学摩耗を増大させるからである。熱伝導率が小さい場合には切削により発生した熱を刃先から切削工具全体、工具ホルダーに拡散できないため刃先温度が上昇し、上述のように摩耗量が増加する。したがって、摩耗量を少なくするためには、窒化珪素焼結体切削工具と鋳鉄との摩擦係数を小さく、窒化珪素焼結体切削工具の熱伝導率を高めることが重要となる。
【００１４】
本発明窒化珪素焼結体切削工具は、鋳鉄用として用いられると寿命延長の効果が高いため好ましく、その中でも切削時に刃先温度が高温になる切削速度５００ｍ／ｍｉｎ以上の高速切削用として用いられると、さらに好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
上述のような構成を有する本発明窒化珪素焼結体切削工具は、鋳鉄との摩擦係数が小さいため刃先温度が上昇しにくく耐摩耗性に優れ寿命が長い。さらに窒化珪素焼結体の焼結助剤をＹ2Ｏ3：１．２〜１．８重量％と、Ａｌ2Ｏ3：０．３〜０．８重量％とすると、ＳｉＡｌＯＮ形成および高靱性化を促進するため寿命延長に寄与し、さらに熱伝導度を高くすると切削加工により発生した熱を刃先から切削工具全体、工具ホルダーにすみやかに拡散するため、刃先温度が上昇しにくく耐摩耗性が向上し寿命が延長するという効果を発揮する。
【実施例１】
【００１６】
平均粒径０．７μｍのＳｉ3Ｎ4、平均粒径０．２μｍのＡｌ2Ｏ3、平均粒径０．５μｍのＹ2Ｏ3の各種市販の粉末を用いて表１に示す割合に配合し、ウレタンポッド中でヘキサンを溶媒にＳｉ3Ｎ4ボールにより７２時間粉砕する。こうして得られた混合物に成型助剤として１０重量％のパラフィンワックスを添加し、金型を用いて１４７ＭＰａの成型圧力で成型した。この成形体を脱ワックスした後、Ｎ2中、圧力８８３ｋＰａに加圧して、表１に示す焼結条件（焼結温度×焼結時間）で焼結を行った。さらに１７００℃、圧力１２０ＭＰａのＮ2中でＨＩＰ処理して、発明品１〜５及び比較品１〜３の窒化珪素焼結体を得た。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
発明品１〜５および比較品１〜３を東測精密工業製リングオンブロック型摩擦試験機（型式ＡＦＴ−１１）により表２に示す条件で摩擦試験を行った。なおリングオンブロック型摩擦試験の概略を図１に示す。リングオンブロック型摩擦試験は相手材（ＦＣ２５０）の円筒側面に試料を押し付け、接線方向の摩擦力Ｆを測定し（式１）に従い摩擦係数μを算出する。なお相手材のリングおよび試料は、＃２３０の研削砥石で表面仕上げを行い摩擦試験に使用した。
（式１）摩擦係数μ＝摩擦力Ｆ（Ｎ）／試験荷重Ｐ（Ｎ）
【００１９】
【表２】
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【００２０】
さらに発明品１〜５および比較品１〜３の熱伝導率を真空理工製熱伝導率測定装置（ＴＣ−３００）を用いて、ＪＩＳ−Ｒ１６１１に従って測定した。また各試料をＳＮＧＮ１２０４１２（チャンファーホーニング：０．２０ｍｍ×−２５°付き）の工具形状に加工し、下記の条件で６０分間の切削試験を行い摩耗量（境界摩耗量）を測定した。これらの結果を表３に示した。
【００２１】
切削試験
試験形態：表面フライス切削加工（刃数1枚）
被削材：ＦＣ２５０黒皮（外径φ２００×内径φ８０×３０ｍｍのリング状）
切削条件：切削速度Ｖｃ＝６００ｍ／ｍｉｎ、
切り込みａｐ＝３．０ｍｍ、
刃当り送り量ｆｚ＝０．１ｍｍ／ｔｏｏｔｈ、
乾式
【００２２】
【表３】
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【００２３】
発明品１〜５の摩擦係数は全て０．６よりも小さい。発明品１〜５の６０分切削後の境界摩耗量は、比較品１〜３に比べて少なく耐摩耗性に優れていることが分かる。比較品１は緻密化していないため摩耗量が多い。比較品３は、４０分後、欠損により試験中止となった。
【実施例２】
【００２４】
実施例２で得た発明品１〜３および比較品２の窒化珪素焼結体切削工具を基材として用いて、それぞれの表面に従来のＣＶＤ法でもって、表４に示す膜構成になるように被膜を基材表面側から第１層、次に第２層、次に第３層の順に被覆して、発明品６〜８および比較品４の被覆窒化珪素焼結体切削工具を得た。さらに発明品６〜８および比較品４を用いて実施例１と同一条件の切削試験を行い、６０分切削後の逃げ面最大摩耗量を測定し、表４に併記した。
【００２５】
【表４】
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【００２６】
発明品６〜８の６０分切削後の逃げ面最大摩耗量は、比較品４に比べて少なく耐摩耗性に優れていることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】リングオンブロック型摩擦試験の概略を示す。
【符号の説明】
【００２８】
１  ブロック
２  リング
【図１】
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