(57)【要約】      （修正有）【課題】優れた硬度を有する焼結体、およびその製造方法、ならびに耐摩耗性に優れた切削工具を提供する。【解決手段】立方晶の結晶構造を有する立方晶型サイアロンを含む焼結体に関し、立方晶型サイアロンに加えて、シリコン、マグネシウム、アルミニウム、および第３族元素よりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素の酸化物、前記元素の窒化物、および前記元素の酸窒化物のいずれか１種以上を含む。シリコン、マグネシウム、アルミニウム、および第３族元素よりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素の酸化物、前記元素の窒化物、および前記元素の酸窒化物は、焼結体中で結合相として存在し、これらを含む焼結体は、優れた硬度および靭性を有している。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
立方晶の結晶構造を有する立方晶型サイアロンを含む焼結体。
【請求項２】
前記立方晶型サイアロンに加えて、シリコン、マグネシウム、アルミニウム、および第３族元素よりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素の酸化物、前記元素の窒化物、および前記元素の酸窒化物のいずれか１種以上を含む、請求項１に記載の焼結体。
【請求項３】
前記立方晶型サイアロンは粒子として存在し、前記粒子の平均粒径が０．０１μｍ以上５μｍ以下である、請求項１または２に記載の焼結体。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の焼結体よりなる切削工具。
【請求項５】
β型の結晶構造を有するβ型サイアロン粒子を準備する工程と、
前記β型サイアロン粒子を衝撃圧縮法で処理することにより、立方晶の結晶構造を有する立方晶型サイアロン粒子を得る工程と、
前記立方晶型サイアロン粒子を焼結する工程とを備えた、焼結体の製造方法。
【請求項６】
前記立方晶型サイアロン粒子を得る工程の後であって、前記立方晶型サイアロン粒子を焼結する工程の前に、シリコン、マグネシウム、アルミニウム、および第３族元素よりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素の酸化物、前記元素の窒化物、および前記元素の酸窒化物のいずれか１種以上を含む焼結助剤を前記立方晶型サイアロン粒子に添加する工程をさらに備える、請求項５に記載の焼結体の製造方法。
【請求項７】
前記焼結助剤を添加する工程において、前記立方晶型サイアロン粒子１００質量部に対して、前記焼結助剤を０．５質量部以上５質量部以下の割合で添加する、請求項６に記載の焼結体の製造方法。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれか１項に記載の製造方法により製造された焼結体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焼結体、焼結体を用いた切削工具および焼結体の製造方法に関し、より特定的には、立方晶型サイアロンを含む焼結体、焼結体を用いた切削工具および焼結体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
サイアロン（以下、ＳｉＡｌＯＮともいう）は、窒化ケイ素にアルミニウムと酸素が固溶した構造を有しており、六方晶系に属するα型とβ型の２種類の結晶形がある（以下、それぞれα型サイアロン、β型サイアロンともいう）。サイアロンを用いた焼結体は、被加工材との反応性が低いという特性を有するため、切削工具用材料としての研究が進められている。
【０００３】
たとえば、特許文献１（特開昭５３−１４７１４号公報）には、β’−サイアロン主成分素材に、窒化珪素粉および窒化アルミニウム粉のうちいずれか１種以上を混合して、得られた混合素材粉を成形および焼成することを特徴とする緻密質β’−サイアロン焼結体の製造方法が開示されている。
【０００４】
上記のサイアロンセラミックスは、被加工材との反応性は低いが、立方晶型窒化硼素と比べると硬度が低く、切削工具材料として用いた場合に耐摩耗性が不十分である。
【０００５】
したがって、硬度および被加工材との反応性の観点から、切削工具の材料として用いた場合に、優れた耐摩耗性を有すると同時に、優れた耐欠損性を備える切削工具を得ることのできる焼結体が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭５３−１４７１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、高い硬度を有する焼結体、およびその製造方法、ならびに耐摩耗性に優れた切削工具を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の焼結体は、立方晶の結晶構造を有する立方晶型サイアロンを含む。
本発明の焼結体によれば、立方晶型サイアロンを含むことで、低反応性というサイアロンの特徴を維持したまま、硬度と靭性を向上させることができる。
【０００９】
本発明の焼結体において好ましくは、立方晶型サイアロンに加えて、シリコン、マグネシウム、アルミニウム、および第３族元素よりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素の酸化物、前記元素の窒化物、および前記元素の酸窒化物のいずれか１種以上を含む。
【００１０】
シリコン、マグネシウム、アルミニウム、および第３族元素よりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素の酸化物、前記元素の窒化物、および前記元素の酸窒化物は、焼結体中で結合相として存在し、これらを含む焼結体は、優れた硬度および靭性を有している。
【００１１】
本発明の焼結体において好ましくは、立方晶型サイアロンは粒子として存在し、粒子の平均粒径が０．０１μｍ以上５μｍ以下である。
【００１２】
立方晶型サイアロン粒子の平均粒径が上記の範囲であると、焼結体の硬度および靭性を向上させることができる。
【００１３】
本発明の切削工具は、上記の焼結体よりなっている。
上記の焼結体は優れた硬度および靭性を有しているため、切削工具に用いた場合、耐摩耗性に優れた切削工具を得ることができる。
【００１４】
本発明の焼結体の製造方法は、以下の工程を備える。β型の結晶構造を有するβ型サイアロン粒子を準備する。β型サイアロン粒子を衝撃圧縮法で処理することにより、立方晶の結晶構造を有する立方晶型サイアロン粒子を得る。立方晶型サイアロン粒子を焼結する。
【００１５】
立方晶型サイアロン粒子を焼結することにより、優れた硬度および靭性を有する焼結体を得ることができる。
【００１６】
本発明の焼結体の製造方法において好ましくは、立方晶型サイアロン粒子を得る工程の後であって、立方晶型サイアロン粒子を焼結する工程の前に、シリコン、マグネシウム、アルミニウム、および第３族元素よりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素の酸化物、前記元素の窒化物、および前記元素の酸窒化物のいずれか１種以上を含む焼結助剤を立方晶型サイアロン粒子に添加する工程をさらに備えている。
【００１７】
本発明の焼結体の製造方法において好ましくは、焼結助剤を添加する工程において、立方晶型サイアロン粒子１００質量部に対して、焼結助剤を０．５質量部以上５質量部以下の割合で添加する。
【００１８】
上記の焼結助剤を上記の量で添加することで、焼結体の硬度および靭性を向上させることができる。
【００１９】
本発明の焼結体は、上記の焼結体の製造方法により得られる。得られた焼結体は優れた硬度および靭性を有することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の焼結体、焼結体を用いた切削工具および焼結体の製造方法によれば、優れた硬度および靭性を有する焼結体、および耐摩耗性に優れた切削工具を得ることができる。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明者らは、高い硬度と高い靭性の両方の特性を兼ね備えた切削工具材料を得るべく研究開発を行った結果、立方晶の結晶構造を有するサイアロン（以下、立方晶型サイアロンまたはｃ-ＳｉＡｌＯＮともいう）を用いて焼結体を作製することで、低反応性というサイアロンの特徴を維持したまま、焼結体の硬度および靭性を向上させることができることを見出した。
【００２２】
＜焼結体＞
本発明の一実施の形態において、焼結体は立方晶の結晶構造を有する立方晶型サイアロンを含む。
【００２３】
立方晶型サイアロンは、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）にアルミニウム原子（Ａｌ）と酸素原子（Ｏ）が固溶した構造を有するサイアロンのうち、立方晶の結晶構造を有するものである。立方晶型サイアロンを含む焼結体は、低反応性というサイアロンの特徴を維持したまま、硬度と靭性を向上させることができる。
【００２４】
立方晶型サイアロンは、焼結体中で粒子として存在し、前記粒子の平均粒径は、焼結性の観点から０．０１μｍ以上５μｍ以下が好ましく、さらに０．０１μｍ以上０．１μｍ以下が好ましい。
【００２５】
焼結体は立方晶型サイアロンに加えて、シリコン、マグネシウム、アルミニウム、および第３族元素よりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素の酸化物、前記元素の窒化物、および前記元素の酸窒化物のいずれか１種以上を含むことが好ましい。
【００２６】
シリコン、マグネシウム、アルミニウム、および第３族元素よりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素の酸化物、前記元素の窒化物、および前記元素の酸窒化物は、焼結体中で結合相として存在し、これらを含む焼結体は、優れた硬度および靭性を有している。
【００２７】
＜焼結体の製造方法＞
［実施の形態１］
本発明の一実施の形態における焼結体の製造方法は、以下の工程を備える。初めに、β型の結晶構造を有するβ型サイアロン粒子を準備する。次に、前記β型サイアロン粒子を衝撃圧縮法で処理することにより、立方晶の結晶構造を有する立方晶型サイアロン粒子を得る。次に、前記立方晶型サイアロン粒子を焼結する。
【００２８】
（β型サイアロン粒子を準備する工程）
初めに、β型サイアロン粒子を準備する。β型サイアロン粒子は平均粒径が０．１〜１０μｍのものを用いることが好ましい。
【００２９】
（立方晶型サイアロン粒子を得る工程）
次に、β型サイアロン粒子を衝撃圧縮法で処理することにより、立方晶の結晶構造を有する立方晶型サイアロン粒子を得る。
【００３０】
立方晶型サイアロンの生成には、極めて高い圧力が必要である。たとえば、β型サイアロン粒子に、衝撃圧縮法を用いて５０ＧＰａの衝撃圧力を加えることで立方晶型サイアロン粒子を生成できたと報告されている（T. Sekine, H. He, T. Kobayashi, M. Tansho, K. kimoto; Chemical Physics Letters 344 (2001)395-399）。
【００３１】
衝撃圧縮法は、２０００℃以上４０００℃以下かつ４０ＧＰａ以上５０ＧＰａ以下の雰囲気にて行われることが好ましい。この条件で処理することで、β型サイアロン粒子の３０〜５０％を、立方晶型サイアロン粒子に変換することができる。
【００３２】
なお、衝撃圧縮法で処理することにより得られた立方晶型サイアロン粒子は、精製することが好ましい。β型サイアロン粒子を衝撃圧縮法で処理することにより、β型サイアロン粒子の３０〜５０％を、立方晶型サイアロン粒子に変換することができる。したがって、衝撃圧縮処理後の粉末には、立方晶型サイアロン粒子とともに、β型サイアロン粒子、およびわずかな非晶質物質が含まれている。したがって、処理後の粉末から立方晶型サイアロン粒子を精製することで、立方晶型サイアロン粒子の含有量が高い粉末を得ることができる。
【００３３】
立方晶型サイアロン粒子の精製は、たとえば以下の方法で行うことができる。初めに、衝撃圧縮法で処理後の粉末を、フッ酸で洗浄する。非晶質物質はフッ酸に溶解するため、前記粉末をフッ酸で洗浄すると、非晶質物質を除去することができる。次に、洗浄後の立方晶型サイアロン粒子とβ型サイアロン粒子とを含む粉末を、立方晶型サイアロン粒子とβ型サイアロン粒子の比重差を利用して分離する。立方晶型サイアロン粒子の密度は４．０ｇ／ｃｍ3であり、β型サイアロン粒子の密度は３．１４ｇ／ｃｍ3と異なるため、遠心分離することで、立方晶型サイアロン粒子を精製することができる。このようにして得られた立方晶型サイアロン粒子の平均粒径は０．０１μｍ〜５μｍ程度である。
【００３４】
（立方晶型サイアロン粒子を焼結する工程）
次に、得られた立方晶型サイアロン粒子を焼結して焼結体を得る。
【００３５】
焼結は、立方晶型サイアロン粒子を加圧成形した後に行うことができる。また、加圧成形と焼結とを同時に行うこともできる。たとえば、ホットプレスのように加圧成形しながら焼結すると、焼結が促進される。
【００３６】
加圧成形の圧力は１ＭＰａ〜５ＧＰａが好ましく、１０ＭＰａ〜３０ＭＰａがより好ましい。また、焼結温度は１４００℃〜２０００℃が好ましく、１４００〜１６００℃がより好ましい。
【００３７】
このようにして作製された立方晶型サイアロンを含む焼結体のヌープ硬度は２２００〜２５００である。これは、β型サイアロンからなる焼結体のヌープ硬度１５００と比較して、１．５倍程度の硬度である。
【００３８】
［実施の形態２］
本発明の一実施の形態における焼結体の製造方法は、以下の工程を含む。初めに、β型の結晶構造を有するβ型サイアロン粒子を準備する。次に、前記β型サイアロン粒子を衝撃圧縮法で処理することにより、立方晶の結晶構造を有する立方晶型サイアロン粒子を得る。次に、シリコン、マグネシウム、アルミニウム、および第３族元素よりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素の酸化物、前記元素の窒化物、および前記元素の酸窒化物のいずれか１種以上を含む焼結助剤を前記立方晶型サイアロン粒子に添加する。次に、前記立方晶型サイアロン粒子を焼結する。
【００３９】
初めに、実施の形態１と同様に、β型の結晶構造を有するβ型サイアロン粒子を準備する。次に、実施の形態１と同様に、前記β型サイアロン粒子を衝撃圧縮法で処理することにより、立方晶の結晶構造を有する立方晶型サイアロン粒子を得る。
【００４０】
次に、立方晶型サイアロン粒子に焼結助剤を添加する。焼結助剤は、シリコン、マグネシウム、アルミニウム、および第３族元素よりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素の酸化物、前記元素の窒化物、および前記元素の酸窒化物のいずれか１種以上を含むことが好ましい。具体的には、焼結助剤は、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、およびＹ2Ｏ3のいずれか１種以上を含むことが好ましい。
【００４１】
焼結助剤は、焼結の際に、立方晶型サイアロンの結晶粒成長を抑え、立方晶型サイアロン粒子間の空孔の消滅を容易にし、焼結体の高密度化を促進することができる。したがって、焼結助剤を用いて作製された焼結体は、優れた硬度および靭性を有することができる。
【００４２】
焼結助剤の平均粒径は、０．０５μｍ〜１μｍが好ましく、０．０５μｍ〜０．１μｍがより好ましい。焼結助剤の添加量は、立方晶型サイアロン粒子１００質量部に対して、０．５質量部以上５質量部以下の割合であることが好ましく、１質量部以上３質量部以下がより好ましい。
【００４３】
焼結助剤は分散性が悪いため、焼結体中に残存して異物となったり、焼結体中に空隙を形成したりする。また、焼結助剤の分散が均一でないと、焼結の進行にむらが生じるため、反りや変形が発生しやすい。そこで、予め立方晶型サイアロン粒子と焼結助剤を、エタノールなどの有機溶媒中で超音波分散するか又はボールミル中で混合し、得られたスラリーをドライヤーなどで乾燥しておくことが好ましい。この方法により、立方晶型サイアロンと焼結助剤との混合物中で、焼結剤が凝集することを防ぐことができる。
【００４４】
次に、焼結助剤の添加された立方晶型サイアロン粒子を、実施例１と同様に焼結して焼結体を得る。
【実施例】
【００４５】
＜実施例１〜１１＞
β型サイアロン粒子３０ｇをステンレス製容器に充填し、爆薬の爆発による衝撃圧縮法により、約４０ＧＰａの圧力および２０００℃〜３０００℃の温度で処理した。処理後の容器を硝酸に溶解し、粉末を回収した。回収した粉末をＸ線回折で分析すると、立方晶型サイアロン、β型サイアロンおよび非晶質物質が含まれていた。
【００４６】
回収した粉末をフッ酸溶液で洗浄して非晶質物質を除去したのち、粉砕機で粉砕して、粉末の粒径を約０．０５〜０．２μｍに揃えた。次に、粒径を揃えた粉末を比重差を利用して立方晶型サイアロン粒子とβ型サイアロン粒子を分離した。この結果、立方晶型サイアロン粒子１２．８ｇを得た。
【００４７】
次に、得られた立方晶型サイアロン粒子１０ｇと、表１に示す種類および重量（ｇ）の焼結助剤とをセラミックス製ボールミル容器に入れた後、セラミックスボールとエタノール１００ｍｌを容器内に添加し、ボールミル混合を２時間行った。ボールミル混合後、スラリー状になった混合物を１００℃に保持した乾燥機に入れてエタノールを蒸発させ、立方晶型サイアロン粒子と焼結助剤の混合粉末を得た。
【００４８】
次に前記混合粉末４ｇを、型押しプレス機で１５ＭＰａの圧力を加えて直方体に成形した後、焼成炉に入れて、窒素雰囲気下で１８００℃で１時間焼結した。
【００４９】
得られた焼結体をＩＳＯ型番ＳＮＧＮ１２０４０８形状の切削工具形状に加工し、以下の条件で、時効処理後のインコネル７１８（登録商標）の切削試験を行い、切削距離が６００ｍの時の工具刃先のＶｂ摩耗幅を調べた。
【００５０】
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ
切り込み深さ：０．２ｍｍ
送り速度：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ
湿式条件
＜比較例１〜３＞
比較例１〜３は、β型サイアロン粒子をそのまま用いて焼結体を作製した例である。初めに、実施例１と同様の方法で、β型サイアロン粒子１０ｇと、表１に示す種類および重量（ｇ）の焼結助剤との混合粉末を作製した。次に、得られた混合粉末を実施例１と同様の方法で焼結した。得られた焼結体について、実施例１と同様の切削試験を行った。
【００５１】
結果を表１に示す。
【００５２】
【表１】
2011121821.tif 000002
【００５３】
＜評価結果＞
実施例１〜１１は、立方晶型サイアロン粒子を原料とした焼結体である。実施例１〜１１のＶｂ摩耗幅は、β型サイアロン粒子を原料とした比較例１〜３に比べて、優位な差で低減した。
【００５４】
＜実施例１２〜２２＞
実施例１と同様の方法で、β型サイアロン粒子から立方晶型サイアロン粒子を作製し、実施例１と同様の方法で、β型サイアロン粒子１０ｇと、表２に示す種類および重量（ｇ）の焼結助剤との混合粉末を作製した。
【００５５】
次に、得られた混合粉末４ｇを、ホットプレス機で２０ＭＰａの圧力を加えて、１８００℃で１時間焼結した。
【００５６】
得られた焼結体をＩＳＯ型番ＳＮＧＮ１２０４０８形状の切削工具形状に加工し、以下の条件で、時効処理後のインコネル７１８（登録商標）の切削試験を行い、切削距離が６００ｍの時の工具刃先のＶｂ摩耗幅を調べた。
【００５７】
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ
切り込み深さ：０．２ｍｍ
送り速度：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ
湿式条件
＜比較例４〜６＞
比較例４〜６は、β型サイアロン粒子をそのまま用いて焼結体を作製した例である。初めに、実施例１２と同様の方法で、β型サイアロン粒子１０ｇと、表２に示す種類および重量（ｇ）の焼結助剤との混合粉末を作製した。次に、得られた混合粉末を実施例１２と同様の方法で焼結した。得られた焼結体について、実施例１２と同様の切削試験を行った。
【００５８】
結果を表２に示す。
【００５９】
【表２】
2011121821.tif 000003
【００６０】
＜評価結果＞
実施例１２〜２２は、立方晶型サイアロン粒子を原料とした焼結体である。実施例１２〜２２のＶｂ摩耗幅は、β型サイアロン粒子を原料とした比較例４〜６に比べて、優位な差で低減した。
【００６１】
＜実施例２３〜３３＞
実施例１と同様の方法で、β型サイアロン粉末から立方晶型サイアロンの粉末を作製し、実施例１と同様の方法で、β型サイアロン粉末１０ｇと、表３に示す種類および重量（ｇ）の焼結助剤との混合粉末を作製した。
【００６２】
次に、内径３０ｍｍのタンタル（Ｔａ）製カプセル中に、直径２９．５ｍｍ、厚さ２ｍｍの超硬合金（ＷＣ−６％Ｃｏ）製の円板を配し、円板上に前記混合粉末４ｇを充填した。その上に、直径２９．５ｍｍ、厚さ３ｍｍの超硬合金製円板でふたをし、１０ＭＰａ程度の圧力で加圧した。このカプセルを５．５ＧＰａの圧力および１８００℃の温度で１時間処理して、超工合金製円板に挟まれた焼結体を得た。
【００６３】
得られた焼結体の片側の超硬合金を平面研削盤で研削することで所定の厚みに仕上げた後、ＳＮＧＮ１２０４０８形状超工合金製の台金にロー付けして工具を作製した。得られた工具を用いて、以下の条件で、時効処理後のインコネル７１８（登録商標）の切削試験を行い、切削距離が６００ｍの時の工具刃先のＶｂ摩耗幅を調べた。
【００６４】
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ
切り込み深さ：０．２ｍｍ
送り速度：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ
湿式条件
＜比較例７〜９＞
比較例７〜９は、β型サイアロン粒子をそのまま用いて焼結体を作製した例である。初めに、実施例２３と同様の方法で、β型サイアロン粒子１０ｇと、表３に示す種類および重量（ｇ）の焼結助剤との混合粉末を作製した。次に、得られた混合粉末を実施例２３と同様の方法で焼結した。得られた焼結体について、実施例２３と同様の切削試験を行った。
【００６５】
結果を表３に示す。
【００６６】
【表３】
2011121821.tif 000004
【００６７】
＜評価結果＞
実施例２３〜３３は、立方晶型サイアロン粒子を原料とした焼結体である。実施例２３〜３３のＶｂ摩耗幅は、β型サイアロン粒子を原料とした比較例７〜９に比べて、優位な差で低減した。
【００６８】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。