JP2719941B2 - 窒化珪素焼結体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、窒化珪素焼結体に関し、更に詳しくいえば
耐摩耗性、靱性及び強度を十分に発揮できる窒化珪素焼
結体に関する。

本発明は、切削工具、耐摩耗部品及び摺動部品等に利
用される。

〔従来の技術〕

従来の窒化珪素焼結体としては、耐摩耗性を向上させ
るために、表面に高硬度又は耐摩耗性に優れるセラミッ
ク材料を被覆したものが知られている（特公昭63−1278
号公報）。

また、他の窒化珪素焼結体としては、α及びβ−サイ
アロンの両結晶相を焼結体全体に均一に構成させたもの
も知られている（特公昭63−35594号公報等）。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記前者の焼結体においては、被覆セラミック材と窒
化珪素母材との熱膨張又は化学的親和性の相違という問
題により、十分な接着強度が得られにくく、更に費用も
かかり経済性にも問題があり、ほとんど実用化されてい
ない。

上記後者の焼結体は、両結晶相を全体に均一に含むの
で、その割合により性能が変化するものであり、その各
性能を十分に発揮せきない。即ち一方の性能を十分に高
めようとすると、他方の性能を犠牲にせざるをえず、バ
ランスを保ってその中間性能を示すに過ぎない。

本発明は、上記観点に鑑みてなされたものであり、α
−サイアロンの耐摩耗性及びβ−サイアロンの靱性及び
強度を十分に発揮でき、各性能ともに従来になく優れた
窒化珪素焼結体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〕

本発明の窒化珪素焼結体において、その表面部はα−
サイアロン及びβ−サイアロンのうちの少なくともα−
サイアロンを含み、この両者に対するα−サイアロンの
組成比が0.6以上からなり、その内部はα−サイアロン
及びβ−サイアロンのうちの少なくともβ−サイアロン
を含み、同様にβ−サイアロンの組成比が0.6以上であ
り、表面部と内部ではそれを構成する主要結晶相が異な
ることを特徴とする。

表面部は、両者のうちα−サイアロンのみを含んでも
よいし、両サイアロンを含んでもよい。内部は、両者の
うちβ−サイアロンのみを含んでもよいし、両サイアロ
ンを含んでもよい。この組成比はＸ線ピークの強度比を
もって計算されたものである。表面部の厚さは、目的、
用途及び製造方法等により異なるが、通常、0.1mm以下
である。尚、本焼結体においては、表面部と内部の境界
において上記組成比が急に変わらない場合即ち連続的に
変わる場合も含まれ、このように少なくとも所定の組成
比をもつ表面部と所定の組成比をもつ内部とをもつもの
であればよい。

本発明において、α及びβ−サイアロンを含むのは、
以下の理由のためである。

α−サイアロンとは、α−Si₃N₄のSiの一部がAlで、
Ｎの一部がＯで置換され、更に（Si、Al）、（Ｏ、Ｎ）
の格子間にLi、Na、Mg、Ca若しくはＹ等の希土類元素が
侵入型で固溶している置換、侵入型固溶体である。一般
にこのものの組成式は、 M_x(Si、Al)₁₂(O、N)₁₆ Ｍ＝Li、Na、Mg、Ca、Ｙ等（０＜Ｘ≦２） と表される。このα−サイアロンは、硬度がβ−サイア
ロン又は窒化珪素よりも大きく、耐摩耗性に優れる。し
かし、粒径は球状粒子が主体であり靱性が比較的低いの
で、これを主体としては靱性の点で好ましくない。

一方、β−サイアロンとは、β−窒化珪素にAl₂O₃、Al
N、SiO₂が固溶したもので、Siの一部にAlが、Ｎの一部
にＯが置換した置換型固溶体である。このものの組成式
は、 Si_6-zAl_zO_zN_8-z（０＜ｚ≦４） と表される。このβ−サイアロンは、結晶粒が針状晶に
発達しやすく、高靱性、高強度な焼結体が得られやす
い。しかし、硬度がα−サイアロンと比べて小さいの
で、これを主体としては耐摩耗性の点で問題となる。

本焼結体においては、表面部が耐摩耗性具備の役割
を、内部が靱性及び強度具備の役割を分担するものであ
る。従って、全ての特性を遺憾無く発揮させるために
は、上記役割分担を十分に発揮させればよい。従って、
この観点から、表面部は両者のうち耐摩耗性に優れるα
−サイアロンを少なくとも含む。一方、内部は両者のう
ち靱性及び強度に優れるβ−サイアロンを少なくとも含
む。

そして表面部のα−サイアロンの組成比を0.6以上と
するのは、耐摩耗材料としては表面部が耐摩耗性に寄与
するので、この部分のα−サイアロンの組成量を多くし
て以下の実施例による結果に示すように表面部の硬度を
上げ、摩耗量を少なくできるからである。換言すれば、
これ未満では、十分な耐摩耗性を発揮できない。

更に、内部のβ−サイアロンの組成比を0.6以上とす
るのは、焼結体としては内部が靱性又は強度に寄与する
ので、この部分のβ−サイアロンの組成量を多くして以
下の実施例による結果に示すように靱性を向上させ強度
を維持するためである。換言すれば、これ未満では、十
分な靱性及び強度を維持できない。

β−サイアロンの粒径について言えば、粒のアスペク
ト比が大きい程、靱性及び強度が向上するので好まし
い。より好ましくは、この比は２〜15である。この様な
粒子の割合が多くなると、粒界の気孔を除去することが
困難となる。従って気孔を除去するために、微細球状粒
が適量分散した構造をとるのが好ましい。この微細球状
粒子は、未だ十分に発達即ち粒成長していないβ−サイ
アロン粒でも、α−サイアロンでも、原料として添加し
た残存α−窒化珪素粒でもよい。

本発明においては、α及びβ−サイアロンの組成割合
は、焼結体全体に対して60〜95容積％が好ましい。95％
を越えると焼結性が低下し、60％未満となるとα又はβ
−サイアロンの特性を十分に発揮できなくなるからであ
る。

このサイアロン以外の成分としては、粒界相構成成分
又は粒界相以外の第３成分とすることができる。この第
３成分としては、例えば耐摩耗性、靱性向上に有効な成
分とすることができる。このものとしては、例えば、周
期律表第IVa、Va、VIa族遷移金属の酸化物、炭化物、窒
化物、炭窒化物、炭窒酸化物、硼化物等を用いることが
できる。また、粒界相構成成分も、ガラス相のみであっ
てもよいし、ガラス相以外に種々の結晶相を含んでもよ
い。

本焼結体は、基本的に、α及びβ−サイアロンを形成
する化合物粉末即ちSi又はAlの酸化物若しくは窒化物、
例えばAl₂O₃、AlN、SiO₂、AlON、Si₂ON₂等をSi₃N₄とと
もに、所定組成に配合し、混合、粉砕する。この素地
は、必要形状に加圧成形され焼結される。この焼結は、
Si₃N₄が分解するのを防ぐこと等のため、基本的に窒素
を含有した非酸化性雰囲気で行う。この雰囲気圧力は、
１気圧以上が好ましい。焼結温度は1550〜1800℃の範
囲、特に1600〜1750℃の範囲が好ましい。尚、焼結後、
HIP（ホットアイソスタティックプレス）を施してもよ
い。

ここで、表面をα−サイアロン化する方法は種々考え
られ、例えば、還元雰囲気中で焼成したり、表面をα−
サイアロンが形成されやすい原料粉末で覆ったり又はそ
の様な雰囲気とすること等が考えられる。更に本焼結体
は、通常、側面が焼肌状態で使用されるので、表面粗度
を低下させないことが好ましい。尚、表面層が完全に削
除されない範囲内において表面を研削して使用すること
もできる。

〔実施例〕 以下、実施例により本発明を具体的に説明する。

まず、原料粉末として、平均粒径0.6μｍのSi₃N₄（α
相90容積％以上）粉末及び同0.5μｍのα−Al₂O₃、Mg
O、同1.3μｍのAlN粉末、同1.2μｍのY₂O₃粉末、同1.4
μｍのTiN粉末を、各々表に示す配合組成に配合し、湿
式ボールミルで48時間混合した後、バインダーを添加し
て乾燥した。

この粉末を用いて金型成形し、これを窒化珪素にて製
作した「さや」の中に入れ、その「さや」をカーボンケ
ースの中に入れて、1650〜1750℃で焼成して焼結体を製
造した。ここで「さや」とは、焼成に当たり、炎、灰、
煤煙等の影響を避け並びに積重ね式窯詰を行うために器
物を保持する耐火材料製の容器をいう。この時の雰囲気
は比較的還元性の雰囲気となっている。この焼結体の表
面部のα化率｛α／（α＋β）｝及び内部 のβ化率｛β／（α＋β）｝を、Ｘ線ピーク強度を測定
して各ピーク強度比により定量し、この結果を表に示し
た。また焼結体中の両サイアロンの容積％は、走査型電
子顕微鏡の反射電子像を利用し画像処理解析により求
め、この結果も表に示した。尚、表面部の厚さは、研削
による表面削除及び微小領域Ｘ線回析により測定した
所、いずれも約0.01〜0.1mm程度であった。

この焼結体は、SNMN432（JIS B4103）の寸法に仕上げ
た。但し、この仕上加工は、上下面のみ研削加工を行い
側面は焼肌のままとし、これをテストピース（チップ）
２とした。その寸法はプレス成形時に調整した。以下に
示す２つの切削方法による評価（硬度、摩耗量）を行
い、その結果を表及び第１図に示した。その切削方法
１、２は以下の通りである。尚、切削方法２の条件は括
弧内に示した。

被削材；インコネル718（FC23） 切削速度（m/分）;200（150） 切込み（mm）;1（１） 送り（mm/rev）;0.2（0.18） 切削油；水溶性油（なし） 切削時間（秒）;60（300） 被削材（図中の１）形状；第２図に示すように外径30
0mmφ、内径200mmφ、厚さ50mmのドーナツ状（第３図に
示すように外径240mmφ、長さ450mmの棒状）。

尚、図中の３はホルダーを示す。この表中、V_B1とは
切削方法１によるこの側面側の摩耗量、V_B2とは切削方
法２による同摩耗量である。また各硬度（H45N）はJIS
Z 2245の方法により測定した。

この結果によれば、特に第１図に示すように、表面部
のα化率が0.6を越えると0.53の比較例４、０の比較例
５と比べてその硬度が著しく高く、また、摩耗量も大き
く減少した。従って、α化率が0.6を越えると、耐摩耗
性が著しく向上した。更に、実施例２、５の各々を研削
加工してその表面から約0.2mm以上削除し、表面部を完
全に除去して内部を表出させたもの（比較例１、２）
は、特に摩耗量が著しく多かった。このことからも各実
施例の表面部の耐摩耗性が優れることを示している。

比較例３は内部のβ化率が0.5と小さいので、切削条
件がより厳しく摩耗量の多い切削試験１の結果（V_B1）
によれば、テストピースの欠損を示した。これは、摩耗
が進んだ場合、側面摩耗が生じて強度維持ができずに割
れが生じたものである。実施例１〜５についてはβ化率
が0.85〜1.0と大きく強度に優れるので、摩耗が同様に
進んでも、このような欠損は生じなかった。

以上より、実施例１〜５については、表面部のα化率
及び内部のβ化率がいづれも0.6以上を示すので、耐摩
耗性及び強度に優れ、その性能を十分に発揮できた。

〔発明の効果〕

本発明の窒化珪素焼結体は、その表面部のα化率が0.
6以上を示すので、α−サイアロンの高硬度及び低摩耗
性という性質が十分に発揮され、更にその内部のβ化率
も0.6以上を示すのでβ−サイアロンの靱性及び強度と
いう性質も十分に発揮される。従って、本焼結体は、α
及びβ−サイアロンを、表面部及び内部の全体に均一に
構成するものと比べて、各サイアロンの持つ性質を十分
に発揮でき、耐摩耗性、靱性及び強度ともに大変優れ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は表面部のα化率と摩耗量及び硬度の関係を示す
グラフ、第２図は切削試験１に用いた被削材形状等を示
す説明断面図、第３図は切削試験２に用いた被削材形状
等を示す説明断面図である。 1;被削材、2;窒化珪素焼結体チップ、3;ホルダー。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】α−サイアロン及びβ−サイアロンのうち
   の少なくともα−サイアロンを含み、Ｘ線ピーク強度比
   法で測定したこの両者に対するα−サイアロンの組成比
   が0.6以上からなる表面部と、 α−サイアロン及びβ−サイアロンのうちの少なくとも
   β−サイアロンを含み、Ｘ線ピーク強度比法で測定した
   この両者に対するβ−サイアロンの組成比が0.6以上か
   らなる内部と、をもつことを特徴とする窒化珪素焼結
   体。