(57)【要約】  公知のＳｉ３Ｎ４切削材料およびＳｉＡｌＯＮ切削材料は、通常の長い連続的な切削の際に刃先で最初は極めて迅速にねずみ鋳鉄（ＧＧ）の状態で丸みを付けられ、このことは、初期磨耗と呼称される。従って、本発明によれば、この材料が成分Ａ７０〜９７体積％および成分Ｂ３〜３０体積％の組成で成分Ａ、α／β−ＳｉＡｌＯＮと成分Ｂ、硬質材料とからなる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＡｌＯＮをベースとする材料において、この材料の粗製材料混合物が成分Ａ７０〜９７体積％、特に８０〜９５体積％、特に有利に８４〜９１体積％および成分Ｂ３〜３０体積％、特に５〜２０体積％、特に有利に９〜１６体積％の組成で成分Ａ、α／β−ＳｉＡｌＯＮと成分Ｂ、硬質材料とからなることを特徴とする、ＳｉＡｌＯＮをベースとする材料。
【請求項２】
成分Ａがα／β−ＳｉＡｌＯＮならびに無定形または部分結晶の粒子境界相からなる、請求項１記載の材料。
【請求項３】
焼結体の内部で全ＳｉＡｌＯＮ相に関連してα−ＳｉＡｌＯＮの含量が１０〜９０体積％、特に１２〜６０体積％、特に有利に１５〜５０体積％であり、β−ＳｉＡｌＯＮの含量が９０〜１０体積％、特に８８〜４０体積％、特に有利に８５〜５０体積％である、請求項１または２記載の材料。
【請求項４】
粒子境界相の含量が１０体積％未満、特に５体積％未満であり、粒子境界相が無定形である、請求項１から３までのいずれか１項に記載の材料。
【請求項５】
粒子境界相の含量が１０体積％未満、特に５体積％未満であり、粒子境界相が部分結晶である、請求項１から３までのいずれか１項に記載の材料。
【請求項６】
粒子境界相が結晶相、有利にアルミニウム含有メリライトまたは二珪酸塩を含有する、請求項５記載の材料。
【請求項７】
材料の焼結体が外側から内側に向かって低下しているα−ＳｉＡｌＯＮ勾配を有し、耐火性表面のα−ＳｉＡｌＯＮ含量が１００％までであることができる、請求項１から６までのいずれか１項に記載の材料。
【請求項８】
α−ＳｉＡｌＯＮ粒子およびβ−ＳｉＡｌＯＮ粒子の最大寸法が９０μｍ未満、特に６５μｍ未満、特に有利に５０μｍ未満である、請求項１から７までのいずれか１項に記載の材料。
【請求項９】
硬質材料、成分Ｂ、として、ＳｉＣ、Ｔｉ（Ｃ、Ｎ）、ＴｉＣ、ＴｉＮ、周期律表（ＰＳＥ）の第ＩＶｂ族、第Ｖｂ族およびＶＩｂ族の元素の炭化物および／または窒化物ならびに炭化スカンジウムおよび／またはオキシ炭化スカンジウムまたは焼結後に不変の状態を有する、記載された硬質材料からの混合物を使用する、請求項１から８までのいずれか１項に記載の材料。
【請求項１０】
硬質材料が粒子間および／または粒子内、即ちＳｉＡｌＯＮ粒子間ならびにＳｉＡｌＯＮ粒子中に堆積されている、請求項１から９までのいずれか１項に記載の材料。
【請求項１１】
硬質材料の平均粒径が３０μｍ未満、特に１５μｍ未満、特に有利に５μｍ未満である、請求項１から１０までのいずれか１項に記載の材料。
【請求項１２】
硬質材料粒子が、球状、針状または小板状である、請求項１１記載の材料。
【請求項１３】
材料の硬度が１５５０ＨＶ  １０を上廻る、請求項１から１２までのいずれか１項に記載の材料。
【請求項１４】
材料が磨耗を減少させる層、例えばＡｌ２Ｏ３、ＴｉＮまたはＴｉＣで被覆されている、請求項１から１３までのいずれか１項に記載の材料。
【請求項１５】
請求項１から１４までのいずれか１項に記載のＳｉＡｌＯＮをベースとする材料の製造法において、殊にＳｉＡｌＯＮ材料からなる高性能のセラミック成分の製造に使用する場合のように、粉末混合、成形、焼結および研磨によることを特徴とする、請求項１から１４までのいずれか１項に記載のＳｉＡｌＯＮをベースとする材料の製造法。
【請求項１６】
成分Ａは熱処理中に１８００〜２０００℃の温度および０．５〜５時間の最大温度での保持時間で生成される、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
焼結の場合のガス雰囲気は、不活性であり、Ｎ２またはＮ２と別の不活性ガス、殊にアルゴンとからなる混合物を含有する、請求項１５または１６記載の方法。
【請求項１８】
切削材料として使用するための請求項１５から１７までのいずれか１項に記載の方法により製造された、請求項１から１４までのいずれか１項に記載の材料。
【請求項１９】
ねずみ鋳鉄を加工する切削材料として使用するための請求項１５から１７までのいずれか１項に記載の方法により製造された、請求項１から１４までのいずれか１項に記載の材料。
【請求項２０】
パッキンリングとして使用するための請求項１５から１７までのいずれか１項に記載の方法により製造された、請求項１から１４までのいずれか１項に記載の材料。
【請求項２１】
燃料ポンプおよび冷却剤ポンプ中、コンプレッサー、ターボ・スーパー・チャージャー、熱交換器および空調装置中に使用するための請求項１５から１７までのいずれか１項に記載の方法により製造された、請求項１から１４までのいずれか１項に記載の材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＳｉＡｌＯＮをベースとする材料、その製造および使用に関する。
【０００２】
公知のＳｉ３Ｎ４切削材料およびＳｉＡｌＯＮ切削材料は、通常の長い連続的な切削の際に刃先で最初は極めて迅速にねずみ鋳鉄（ＧＧ）の状態で丸みを付けられ、このことは、初期磨耗と呼称される。
【０００３】
従って、本発明の課題は、公知の切削材料の前記欠点を排除することである。
【０００４】
本発明によれば、前記課題は、成分ＡとＢとからなる材料を準備することによって解決され、この場合Ａは、α／β−ＳｉＡｌＯＮを表わし、Ｂは、硬質材料を表わす。この場合、本発明による材料は、成分Ａを７０〜９７体積％、特に８０〜９５体積％、特に有利に８４〜９１体積％および成分Ｂを３〜３０体積％、特に５〜２０体積％、特に有利に９〜１６体積％含有する。
【０００５】
本発明により使用される成分Ａの粗製材料混合物は、主要成分Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮ、他の添加剤、例えばＡｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３、希土類酸化物およびＬｉ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｒを含有する微少量の化合物からなる。比較可能な混合物は、既にドイツ連邦共和国特許出願公開第３５１１７３４号明細書Ａ１の記載から公知である。本発明による材料は、１８００〜２０００℃の温度および０．５〜５時間の最大温度での保持時間で熱処理中に上記の粗製材料混合物および添加された硬質材料から生成される。
【０００６】
成分Ａは、α−ＳｉＡｌＯＮおよびβ−ＳｉＡｌＯＮならびに無定形または部分結晶された粒子境界相からなる。前記材料の焼結された状態で焼結体のＳｉＡｌＯＮ相は、内部で１０〜９０体積％、特に１２〜６０体積％、特に有利に１５〜５０体積％のα−ＳｉＡｌＯＮ含量およびβ−ＳｉＡｌＯＮ９０〜１０体積％、特に８８〜４０体積％、特に有利に８５〜５０体積％のβ−ＳｉＡｌＯＮ含量からなる。α−ＳｉＡｌＯＮおよびβ−ＳｉＡｌＯＮの含量は、Ｘ線回折計による撮影につき測定される（Gazzara and Messier, J. Am. Ceram. Soc. Bull. 56 (1977)による）。
【０００７】
粒子境界相の含量は、１０体積％未満、特に５体積％未満である。粒子境界相は、無定形であることができるが、しかし、好ましくは、部分結晶であることができる。焼結体の内部中でのＡの組成は、公知であるように、製造パラメーター、例えば粉末混合物の組成、炉内での焼結条件、るつぼ材料、ガス種、温度および焼結時間によって変動されてもよい。成分Ａにおいては、焼結体の表面と焼結体の内部との間には、勾配が存在していてもよく、したがって所謂耐火性表面として１００％までがα−ＳｉＡｌＯＮを含有する。
【０００８】
成分Ａ中での勾配は、焼結体の表面が内部または表面よりも急速に冷却され、前記表面の化学組成の点で雰囲気との反応によって変化される場合に、一定の条件下で生じうる。α−ＳｉＡｌＯＮに富んだ表面は、堅固な核を有する硬質外層を生じる。
【０００９】
硬質材料、成分Ｂ、としては、例えばＳｉＣ、Ｔｉ（Ｃ、Ｎ）、ＴｉＣ、ＴｉＮ、周期律表（ＰＳＥ）の第ＩＶｂ族、第Ｖｂ族およびＶＩｂ族の元素の炭化物および／または窒化物ならびに炭化スカンジウムおよび／またはオキシ炭化スカンジウムまたは記載された硬質材料からの混合物が使用されてよい。硬質材料は、熱処理中に粒子間および／または粒子内、即ちＳｉＡｌＯＮ粒子間ならびにＳｉＡｌＯＮ粒子中に堆積され、熱処理中、変化しない。従って、使用される硬質材料粒子の寸法は、他の組織成分、α−ＳｉＡｌＯＮ粒子およびβ−ＳｉＡｌＯＮ粒子の寸法を上廻らない。それというのも、硬質材料は、さもないと本発明による材料の機械的性質を劣化させるからである。これは、硬質材料の平均粒径が３０μｍ未満、特に１５μｍ未満、特に有利に５μｍ未満であることを意味する。硬質材料粒子は、球状粒子、小板またはホイスカーであることができ、特に好ましいのは、球状粒子である。
【００１０】
α−ＳｉＡｌＯＮ粒子およびβ−ＳｉＡｌＯＮ粒子の最大寸法は、９０μｍ未満、特に６５μｍ未満であり、特に有利には５０μｍ未満である。公知の材料の場合には、通常、小さな粒径を努力して達成されるけれども、本発明による材料の場合には、通常、使用特性はあまり粒径に影響を及ぼさないことが判明した。
【００１１】
無定形の粒子境界相を結晶化させるための熱処理は、可能であり、むしろ、好ましい。公知であるように、製造パラメーター、例えば粉末混合物の組成、焼結条件、例えば温度、ガス組成、ガス圧力、時間経過、絶縁材料およびるつぼ材料に応じて、結晶相、特に有利にアルミニウム含有メリライトまたは二珪酸塩が生じる。
【００１２】
公知の材料に対する本発明による材料の利点は、１５５０ＨＶ１０を上廻るよりいっそう高い硬度、ひいてはよりいっそう高い磨耗抵抗である。
【００１３】
更に、本発明による材料は、刃先の温度が上昇するような高い切削速度の場合も、よりいっそう高い熱硬度、即ちよりいっそう高い磨耗抵抗を有する。
【００１４】
更に、ガラス相と加工すべき未完成製品の材料との化学反応は、切削速度が高い場合であっても本質的に僅かである。
【００１５】
本発明による材料は、公知の磨耗を減少させる層、例えばＡｌ２Ｏ３、ＴｉＮまたはＴｉＣで被覆されていてよく、このことは、耐磨耗性を上昇させる。
【００１６】
本発明による材料は、自体公知の方法により、例えば高効率のセラミック成分、殊にＳｉＡｌＯＮ材料の場合にも使用されるように、粉末混合、成形、焼結および研磨により製造されることができる。
【００１７】
焼結の場合のガス雰囲気は、不活性であり、Ｎ２またはＮ２と別の不活性ガス、例えばＡｒとからなる混合物であることができる。
【００１８】
次の表中には、本発明による材料の組成の実施例が記載されている。それぞれ高い硬度は、注目すべきである。
【００１９】
【表１】
2007501759.tif 000002
【００２０】
公知のＳｉ３Ｎ４切削材料およびＳｉＡｌＯＮ切削材料は、明灰色ないし暗灰黒色であるけれども、本発明による材料は、ＳｉＣの添加の際に灰緑色であり、Ｔｉ（Ｃ、Ｎ）の添加の際に灰褐色である。
【００２１】
本発明による材料は、切削材料としてねずみ鋳鉄の加工時に通常の長い連続的な切削の際に意外なことに公知の切削材料の欠点、初期磨耗、を示さず、可使時間が終結するまで鋭利な縁部を維持する。更に、本発明による材料が意外なことに所謂”ノッチ磨耗（Kerbverschleiss）”の場合にも有利であることが証明されることが確認された。
特に侵食性の鋳肌を有するねずみ鋳鉄を切削する場合には、これまで公知の切削材料では短時間後に深いノッチが形成される。この磨耗は、主に化学的磨耗、即ち切削工具の材料と未完成製品の材料との化学反応によって惹起される。これとは異なり、本発明による材料は、著しく長い可使時間後に初めてこの種の磨耗を示す。
【００２２】
２つの図面、図１および図２の記載から、本発明による材料、”新規の切削材料”の利点は、窒化ケイ素からなる材料、”参考例”、と比較して明らかである。図１においては、主要な刃での磨耗幅、”ＶＢＨ”、は、切削の回数に依存して記載されている。ＧＧ１５からなるフリクションディスクを送り”ｆ＝０．５ｍｍ／Ｕ”および送出し（切削深さ）”ａｐ＝２．０ｍｍ”を有する切削速度（刃に接する回転部材の周速）、”ｖｃ＝１０００ｍ／分”で回転させた。
【００２３】
図２には、角部の磨耗幅、”ＶＢＥ”、ノッチ磨耗が、鋳肌を有する合金化されたねずみ鋳鉄、ＧＧ２５、の回転時に切削の回数に依存し、同様に窒化ケイ素からなる切削工具と比較して図示されている。送り”ｆ＝０．５ｍｍ／Ｕ”および送出し（切削深さ）”ａｐ＝２．０ｍｍ”を有する”ｖｃ＝８００ｍ／分”の切削速度（刃に接する回転部材の周速）で回転させた。
【００２４】
また、切削材料としての使用と共に、別の使用分野での使用も考えることができ、この場合には、高い耐摩耗性が生じ、場合によっては、なお材料の熱的応力および化学的応力が発生する。即ち、本発明による材料をパッキンリングとして有利に使用することを考えることができるかまたは燃料ポンプおよび冷却剤ポンプ中、コンプレッサー、ターボ・スーパー・チャージャー、熱交換器および空調装置中に使用することを考えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】主要な刃での磨耗幅、”ＶＢＨ”、を、切削の回数に依存して窒化ケイ素からなる切削工具と比較して記載した線図。
【図２】角部の磨耗幅、”ＶＢＥ”、ノッチ磨耗を、鋳肌を有する合金化されたねずみ鋳鉄、ＧＧ２５、の回転時に切削の回数に依存して、窒化ケイ素からなる切削工具と比較して記載した線図。
【図１】
2007501759.tif 000003
【図２】
2007501759.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成17年6月1日(2005.6.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
α−ＳｉＡｌＯＮおよびβ−ＳｉＡｌＯＮならびに無定形または部分結晶の粒子境界相からなる成分Ａおよび成分Ｂ、硬質材料、を有する、ＳｉＡｌＯＮをベースとする材料において、成分Ａ７０〜９７体積％および成分Ｂ３〜３０体積％の組成を有し、この場合この材料は、焼結体中で外側から内側に向かって低下しているα−ＳｉＡｌＯＮ勾配を有し、耐火性表面のα−ＳｉＡｌＯＮ含量が１００％までであることができることを特徴とする、ＳｉＡｌＯＮをベースとする材料。
【請求項２】
硬質材料、成分Ｂ、として、ＳｉＣ、Ｔｉ（Ｃ、Ｎ）、ＴｉＣ、ＴｉＮ、周期律表（ＰＳＥ）の第ＩＶｂ族、第Ｖｂ族およびＶＩｂ族の元素の炭化物および／または窒化物ならびに炭化スカンジウムおよび／またはオキシ炭化スカンジウムまたは焼結後に不変の状態を有する、記載された硬質材料からの混合物を使用する、請求項１記載の材料。
【請求項３】
粒子境界相の含量が１０体積％未満、特に５体積％未満であり、粒子境界相が無定形である、請求項１または２に記載の材料。
【請求項４】
粒子境界相の含量が１０体積％未満、特に５体積％未満であり、粒子境界相が部分結晶である、請求項１または２に記載の材料。
【請求項５】
粒子境界相が結晶相、有利にアルミニウム含有メリライトまたは二珪酸塩を含有する、請求項１から４までのいずれか１項に記載の材料。
【請求項６】
α−ＳｉＡｌＯＮ粒子およびβ−ＳｉＡｌＯＮ粒子の最大寸法が９０μｍ未満、特に６５μｍ未満、特に有利に５０μｍ未満である、請求項１から５までのいずれか１項に記載の材料。
【請求項７】
硬質材料の平均粒径が３０μｍ未満、特に１５μｍ未満、特に有利に５μｍ未満である、請求項１から６までのいずれか１項に記載の材料。
【請求項８】
硬質材料粒子が、球状、針状または小板状である、請求項７記載の材料。
【請求項９】
材料の硬度が１５５０ＨＶ  １０を上廻る、請求項１から８までのいずれか１項に記載の材料。
【請求項１０】
材料が磨耗を減少させる層、例えばＡｌ２Ｏ３、ＴｉＮまたはＴｉＣで被覆されている、請求項１から９までのいずれか１項に記載の材料。
【請求項１１】
請求項１から１０までのいずれか１項に記載のＳｉＡｌＯＮをベースとする材料の製造法において、殊にＳｉＡｌＯＮ材料からなる高性能のセラミック成分の製造に使用する場合のように、粉末混合、成形、焼結および研磨によることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか１項に記載のＳｉＡｌＯＮをベースとする材料の製造法。
【請求項１２】
成分Ａは熱処理中に１８００〜２０００℃の温度および０．５〜５時間の最大温度での保持時間で生成される、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
焼結の場合のガス雰囲気は、不活性であり、Ｎ２またはＮ２と別の不活性ガス、殊にアルゴンとからなる混合物を含有する、請求項１１または１２記載の方法。
【請求項１４】
切削材料として使用するための請求項１１から１３までのいずれか１項に記載の方法により製造された、請求項１から１０までのいずれか１項に記載の材料。
【請求項１５】
ねずみ鋳鉄を加工する切削材料として使用するための請求項１１から１３までのいずれか１項に記載の方法により製造された、請求項１から１０までのいずれか１項に記載の材料。
【請求項１６】
パッキンリングとして使用するための請求項１１から１３までのいずれか１項に記載の方法により製造された、請求項１から１０までのいずれか１項に記載の材料。
【請求項１７】
燃料ポンプおよび冷却剤ポンプ中、コンプレッサー、ターボ・スーパー・チャージャー、熱交換器および空調装置中に使用するための請求項１１から１３までのいずれか１項に記載の方法により製造された、請求項１から１０までのいずれか１項に記載の材料。
【国際調査報告】
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