(57)【要約】【課題】安定して高硬度、高靭性を有し、安定した高い耐摩耗性と耐欠損性を発揮することのできるセラミックスとこれを用いた切削工具を提供する。【解決手段】Ｓｉ３Ｎ４もしくはサイアロン（Ｓｉａｌｏｎ）粒子を金属および／または合金と非晶質相にて結合してなるセラミックスを切削工具として用いる。【選択図】図１
2005212048.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ３Ｎ４もしくはサイアロン（Ｓｉａｌｏｎ）粒子を金属および／または合金と非晶質相にて結合してなることを特徴とするセラミックス。
【請求項２】
Ｘ線回折パターンにおいて、前記Ｓｉ３Ｎ４粒子もしくはサイアロン粒子のピークのうち、最大強度を有するピークのピーク強度ＩＳと、金属および合金のピークのうち、最大強度を有するピークのピーク強度ＩＭとの比が、０＜ＩＭ／ＩＳ≦０．２であることを特徴とする請求項１記載のセラミックス。
【請求項３】
前記Ｘ線回折パターンにおいて、前記金属および／または合金のうちの最大強度を有するピークが２θ＝２９．５〜３１．０°の範囲内に存在することを特徴とする請求項２記載のセラミックス。
【請求項４】
前記金属および／または合金として、Ｓｉと周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族の群より選ばれる少なくとも１種以上の金属元素よりなる合金を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載のセラミックス。
【請求項５】
前記合金がＳｉ２Ｗであることを特徴とする請求項４記載のセラミックス。
【請求項６】
Ｘ線回折法で求められる前記非晶質相の含有量が１０質量％以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか記載のセラミックス。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載のセラミックスを具備する切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高硬度、高靭性を有して、耐欠損性、耐摩耗性に優れる切削工具として特に適したセラミックスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
Ｓｉ３Ｎ４もしくはサイアロン（Ｓｉａｌｏｎ）粒子を主成分とするセラミックスは、硬度、靭性および強度に優れることから、構造材として種々な用途に使用されている。
【０００３】
かかるセラミックスは、Ｓｉ３Ｎ４もしくはサイアロン粒子に対して各種の焼結助剤を添加したものであり、具体的な焼結助剤としては、Ｙ２Ｏ３などの周期律表第３ａ族元素酸化物、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＳｉＯ２等の酸化物が主に用いられており、またはＴｉＣ等の炭化物が用いられる場合もある（特許文献１参照）。また、これら焼結助剤は主結晶粒子間の粒界に非晶質相として存在するか、あるいはセラミックスの高温強度や高温での破壊靭性を向上させるために粒界に結晶として析出させることも提案されている（例えば、特許文献２、特許文献３参照）。
【０００４】
一方、近年、各種切削加工分野において、生産性を向上するために、高速加工、高送り加工等の重切削に対する要求が高まっており、切削工具の使用条件が年々、高速化、高送り化へと進んでいる。このため、切削工具に用いられるセラミックスにはより一層の耐摩耗性、耐欠損性が要求されている。
【０００５】
そこで、特許文献４には、Ｓｉ３Ｎ４とともに添加する焼結助剤量を極力減らして硬度を高めた切削工具が開示されている。
【特許文献１】米国特許第５４３２１３２号明細書
【特許文献２】特開１９９６−３１９１６５号公報
【特許文献３】特開１９９７−２８７８号公報
【特許文献４】米国特許第５３８２２７３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献２、３に記載されるように粒界相を結晶化したセラミックスでは、高温特性は向上するものの、ねずみ鋳鉄やダクタイル鋳鉄等の加工のように突発的に大きな衝撃が加わるような加工においては、突発的に刃先がチッピングしたり、大きな欠損が発生してしまい、安定した加工ができないという問題があった。
【０００７】
また、特許文献４のように焼結助剤量を極力減じたセラミックスでは、優れた耐摩耗性および耐欠損性を有する切削工具となるものの、焼結性が悪くなるために製品の歩留まりが低下したり、製品間の特性ばらつきが大きくなってしまうという問題があった。
【０００８】
従って、本発明は、安定して高硬度、高靭性を有し、特にダクタイル鋳鉄等の難削材の切削に対して安定して高い耐摩耗性と耐欠損性を発揮することのできるセラミックスとこれを用いた切削工具を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者はかかる課題に対して種々検討した結果、Ｓｉ３Ｎ４もしくはサイアロン（Ｓｉａｌｏｎ）粒子間に、焼結助剤に起因する極少量の非晶質相とともに、金属および／または合金を存在せしめて主結晶粒子を結合させることにより、セラミックスの硬度と靭性をともに安定して高めることができ、切削工具に適応した場合でも高速加工、高送り加工等のきつい加工条件や難削材の加工に対しても安定した耐摩耗性および耐欠損性を示すことを見いだし、本発明に至った。
【００１０】
すなわち、本発明のセラミックスは、Ｓｉ３Ｎ４もしくはサイアロン（Ｓｉａｌｏｎ）粒子を金属および／または合金と非晶質相にて結合してなることを特徴とするセラミックスである。
【００１１】
ここで、Ｘ線回折パターンにおいて、前記Ｓｉ３Ｎ４粒子もしくはサイアロン粒子のピークのうち、最大強度を有するピークのピーク強度ＩＳと、金属および合金のピークのうち、最大強度を有するピークのピーク強度ＩＭとの比が、０＜ＩＭ／ＩＳ≦０．２であることが硬度の低下を抑え、十分な強度を有することができ、耐欠損性、耐摩耗性の両方を向上させることができる点で望ましい。
【００１２】
また、前記Ｘ線回折パターンにおいて、前記金属および／または合金のうちの最大強度を有するピークが２θ＝２９．５〜３１．０°の範囲内に存在すること、特に、前記金属および／または合金として、Ｓｉと周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族の群より選ばれる少なくとも１種以上の金属元素よりなる合金を含むこと、中でも前記合金がＳｉ２Ｗであることが、セラミックスの硬度を維持したまま靭性を高めることができるとともに安定した焼結性を持って安定した特性のセラミックスを作製することができて、切削工具として安定した耐摩耗性および耐欠損性を有するものとなる点で望ましい。
【００１３】
さらに、前記非晶質相を１０質量％以下の割合で含有することが、セラミックスの硬度および耐摩耗性を維持する点で望ましい。
【００１４】
上記セラミックスを具備する切削工具は安定した耐摩耗性および耐欠損性を有する信頼性の高いものである。
【発明の効果】
【００１５】
上記本発明のセラミックスおよび切削工具は、Ｓｉ３Ｎ４もしくはサイアロン（Ｓｉａｌｏｎ）粒子を金属および／または合金と非晶質相にて結合せしめることにより、セラミックスの硬度と靭性をともに安定して高めることができ、切削工具に適応した場合でも高速加工、高送り加工等のきつい加工条件やねずみ鋳鉄やダクタイル鋳鉄等の難削材の加工に対しても安定した耐摩耗性および耐欠損性を発揮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明のセラミックスは、Ｓｉ３Ｎ４もしくはサイアロン（Ｓｉａｌｏｎ）粒子を金属および／または合金と非晶質相にて結合してなることを特徴とするセラミックスである。
【００１７】
ここで、本発明のセラミックスのＸ線回折パターンの一例である図１に示すように、前記Ｓｉ３Ｎ４粒子のピークのうちの最大強度を有するピークのピーク強度ＩＳと、金属および合金のピークのうちの最大強度を有するピークのピーク強度ＩＭとの比が、０＜ＩＭ／ＩＳ≦０．２であることが硬度の低下を抑え、十分な強度を有することができ、耐欠損性、耐摩耗性の両方を向上させることができる点で望ましい。
【００１８】
また、前記Ｘ線回折パターンにおいて、前記金属および／または合金のうちの最大強度を有するピークが２θ＝２９．５〜３１．０°の範囲内に存在すること、特に、前記金属および／または合金として、Ｓｉと周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族の群より選ばれる少なくとも１種以上の金属元素よりなる合金を含むこと、中でも前記合金がＳｉ２Ｗであることが、セラミックスの硬度を維持したまま靭性を高めることができるとともに安定した焼結性を持って安定した特性のセラミックスを作製することができて、切削工具として安定した耐摩耗性および耐欠損性を有するものとなる点で望ましい。
【００１９】
さらに、前記非晶質相を１０質量％以下の割合で含有することが、セラミックスの硬度および耐摩耗性を維持する点で望ましい。
【００２０】
さらには、本発明によれば、上記セラミックス基体表面に、（ＴｉＭ１−ｘ）（ＣｙＮ１−ｙ）（ただし、ＭはＴｉ以外の周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属、Ａｌ、Ｓｉのうちの１種以上、０．４＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で表わされる硬質被覆層（以下、Ｔｉ系被覆層と略す。）を被覆してもよく、かかる被覆層はサーメット母材の直上に形成することが望ましい。さらには、高硬度や高温安定性などの耐熱性の点で、Ｍは、Ａｌ、Ｓｉ、ＺｒおよびＣｒの群から選ばれる１種、最適にはＡｌであることが最も望ましい。
【００２１】
また、硬質被覆層としては、上記Ｔｉ系被覆層に加えて、例えば、ダイヤモンド、立方晶窒化硼素、アルミナ、およびＡｌ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｓｉの１種以上の炭化物、窒化物、炭窒化物の１種以上からなる他の硬質被覆層を形成することもできる。 
（製造方法）
本発明のセラミックスの製造方法として、Ｓｉ３Ｎ４もしくはサイアロン（Ｓｉａｌｏｎ）粉末４５〜９９モル％、特に９０〜９９モル％、周期律表第３ａ族元素（ＲＥ）酸化物粉末をＲＥ２Ｏ３換算で１〜１０モル％、Ａｌ２Ｏ３粉末を１〜３０モル％、ＳｉＯ２粉末および金属Ｓｉ粉末を０〜１０モル％、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族のうちの少なくとも１種の金属および／または合金粉末を０．１〜３モル％の割合で混合した混合物を所定形状に成形した後、所望により脱バインダ処理を行い、１１００〜１８００℃の非酸化性雰囲気で、所望により金属粉末を炭化や窒化処理した後焼成することによって得られるものである。
【実施例】
【００２２】
（実施例１）
Ｓｉ３Ｎ４粉末（ＢＥＴ比表面積９ｍ２／ｇ、α率９８％、酸素量１．２重量％）に対し、焼結助剤として希土類元素酸化物の粉末（平均粒径１．５μｍ）とＡｌ２Ｏ３粉末（純度９９．９％、平均粒径２μｍ）、さらに酸化珪素および金属Ｓｉ粉末（純度９９．９％、平均粒径２μｍ）を、表１の様な割合で添加し、さらにバインダーおよび溶媒を添加、混合後、混練乾燥し、１００ＭＰａ（１ｔｏｎ／ｃｍ２）の圧力にてプレス成形し成形体を得た。この成形体を脱脂後、常圧の窒素雰囲気下にて１２００℃で５時間保持し、さらに１７５０℃の温度にて３時間焼成した。
【００２３】
得られた焼結体についてＸ線回折分析にて相を確認すると共に、工具形状に加工を施し、切削試験を行った。
【００２４】
（切削条件）
切削速度      ５００ｍ／ｍｉｎ
切込          ２ｍｍ
送り          ０．５ｍｍ／刃
被削材        ＦＣＤ４５０
工具形状           切削速度     ５００ｍ／ｍｉｎ
切込        ２ｍｍ
送り        ０．５ｍｍ／刃
被削材             ＦＣＤ４５０
工具形状     ＳＮＧＮ１２０４１２  チャンファ０．２ｍｍ×２５°
切削試験による評価は加工できたワーク数量の比較により行った。最大加工数を１００個に設定し、１００個まで加工できた場合はそのときの摩耗量にて比較を行った。
【００２５】
また、得られたセラミックスについてＣｕＫα線によるＸ線回折測定を行ない、回折パターンから各ピークの同定を行なった。そして、金属および合金のピークが存在するかを確認するとともに、Ｓｉ３Ｎ４のピークのうちの最大強度を有するピーク（ＩＳ）と前記金属および合金のピークのうちの最大強度を有するピーク（ＩＭ）とのピーク強度比（ＩＭ／ＩＳ）を算出した。
【００２６】
さらには、Ｘ線回折パターンからリートベルト解析法を用いて非晶質相の定量を行なった。
【表１】
2005212048.tif 000003
【００２７】
表１から明らかなように、Ｓｉ３Ｎ４もしくはサイアロン（Ｓｉａｌｏｎ）粒子を金属または合金と非晶質相にて結合した構成からなる試料Ｎｏ．１〜８では、いずれも切削試験において良好な耐摩耗性を示し、かつ、欠損も見られなかった。なお、試料Ｎｏ．１〜７については主結晶がＳｉ３Ｎ４からなり、試料Ｎｏ．８についてはサイアロンであった。
【００２８】
これに対して、金属または合金を含まない試料Ｎｏ．９〜１１では、耐欠損性または耐摩耗性が悪くなり加工可能数が少ないものであった。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明のセラミックスについて、その一例についてのＸ線回折パターンを示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
ＩＳ      Ｓｉ３Ｎ４のピークのうちの最大強度を有するピーク強度
ＩＭ      金属または合金のピークのうちの最大強度を有するピーク強度
【図１】
2005212048.tif 000004