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JPH09301773A - Silicon nitride sintered body for tools - Google Patents

Silicon nitride sintered body for tools

Info

Publication number
JPH09301773A
JPH09301773A JP9082354A JP8235497A JPH09301773A JP H09301773 A JPH09301773 A JP H09301773A JP 9082354 A JP9082354 A JP 9082354A JP 8235497 A JP8235497 A JP 8235497A JP H09301773 A JPH09301773 A JP H09301773A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
sintered body
silicon nitride
weight
nitride sintered
ytterbium
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP9082354A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tetsuya Kashiwagi
哲哉 柏木
Masaru Matsubara
優 松原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Niterra Co Ltd
Original Assignee
NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NGK Spark Plug Co Ltd filed Critical NGK Spark Plug Co Ltd
Priority to JP9082354A priority Critical patent/JPH09301773A/en
Publication of JPH09301773A publication Critical patent/JPH09301773A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 気孔率が低く、特に高温における耐摩耗性及
び耐欠損性に優れ、切削工具用等に好適な工具用窒化珪
素焼結体を提供する。 【解決手段】 窒化珪素焼結体を100重量%とした場
合に、0.16〜2.1重量%のマグネシウム元素及び
0.7〜4.8重量%のイッテルビウム元素を含有し、
これらマグネシウム元素とイッテルビウム元素との合計
量が6.2重量%以下である工具用窒化珪素焼結体を得
る。また、原料混合に使用する酸化アルミニウム製の混
合用具から混入する0.64重量%以下、特に0.32
重量%以上のアルミニウム元素を含む工具用窒化珪素焼
結体を得る。この焼結体は、粒径の大きいβ−Si3
4 が特定量以下であり、マイクロクラックを生じ難い。
また、表面に、Al2 3 、AlON、TiN、等から
なる複数層のコーティング層を有する場合は、特に、耐
摩耗性等に優れる。
(57) An object of the present invention is to provide a silicon nitride sintered body for a tool, which has a low porosity, is excellent in wear resistance and fracture resistance particularly at high temperatures, and is suitable for a cutting tool and the like. SOLUTION: When the silicon nitride sintered body is 100% by weight, 0.16 to 2.1% by weight of magnesium element and 0.7 to 4.8% by weight of ytterbium element are contained,
A silicon nitride sintered body for a tool is obtained in which the total amount of these magnesium element and ytterbium element is 6.2% by weight or less. Further, 0.64% by weight or less, especially 0.32% mixed from the aluminum oxide mixing tool used for mixing the raw materials
A silicon nitride sintered body for tools containing an aluminum element in an amount of at least wt% is obtained. This sintered body has a large grain size of β-Si 3 N
4 is a specific amount or less, and microcracks are unlikely to occur.
Further, when the surface has a plurality of coating layers made of Al 2 O 3 , AlON, TiN, etc., the abrasion resistance is particularly excellent.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、特に高温における
耐摩耗性等に優れ、機械工作工具、特に切削工具用とし
て好適な工具用窒化珪素焼結体に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a silicon nitride sintered body for a tool, which has excellent wear resistance especially at high temperatures and is suitable for a machine tool, particularly a cutting tool.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、窒化珪素焼結体は、耐熱性、
耐熱衝撃性及び耐摩耗性等に優れることから、各種の熱
機関用構造材料及び切削工具用材料などとしての応用が
進められている。しかし、窒化珪素は耐熱性が高いだけ
に焼結が容易ではなく、一般に焼結助剤を用いて焼成さ
れる。この焼結助剤は、通常は酸化物であり、焼結体中
では窒化珪素の分解温度より低い軟化点の粒界ガラス相
として存在している。そのため高温では粒界ガラス相が
軟化し、高温硬度など、焼結体の高温特性、例えば耐摩
耗性等の低下を引き起こすという問題がある。
2. Description of the Related Art Conventionally, a silicon nitride sintered body has a heat resistance,
Because of its excellent thermal shock resistance and abrasion resistance, its application as a structural material for various heat engines and a material for cutting tools is being promoted. However, silicon nitride is not easy to sinter because it has high heat resistance, and is generally fired using a sintering aid. This sintering aid is usually an oxide and is present in the sintered body as a grain boundary glass phase having a softening point lower than the decomposition temperature of silicon nitride. Therefore, there is a problem that the grain boundary glass phase is softened at a high temperature and causes deterioration of high temperature characteristics such as high temperature hardness of the sintered body, such as wear resistance.

【0003】上記の問題を解決するため、従来より、軟
化点の高いガラス相を形成する目的で融点の高い焼結助
剤を使用することが提案されている(特開平4−209
763号公報、特開平4−240162号、米国特許明
細書第5382273号)。また、焼結助剤の総量を低
減して、生成する粒界ガラス相を減少させることも有効
である。しかし、一般的に、融点の高い焼結助剤を使用
した場合は、融点の低い焼結助剤を用いた場合に比べて
焼結性は劣る。そのため融点の高い焼結助剤を使用して
緻密な焼結体を得るためには、高温特性をある程度犠牲
にしてでも、焼結助剤の総量は多くせざるを得ない。
In order to solve the above problems, it has hitherto been proposed to use a sintering aid having a high melting point for the purpose of forming a glass phase having a high softening point (JP-A-4-209).
763, JP-A-4-240162, and U.S. Pat. No. 5,382,273). Further, it is also effective to reduce the total amount of the sintering aid and reduce the generated grain boundary glass phase. However, in general, when a sintering aid having a high melting point is used, the sinterability is inferior to that when a sintering aid having a low melting point is used. Therefore, in order to obtain a dense sintered body by using a sintering aid having a high melting point, the total amount of the sintering aid must be increased even if the high temperature characteristics are sacrificed to some extent.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の問題
点を解決するものであり、融点の高い焼結助剤成分を含
有させ、しかもその含有量が従来に比べて少量であって
も、緻密であり、且つ特に高温における耐摩耗性等、高
温特性に優れた工具用窒化珪素焼結体を提供することを
課題とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is intended to solve the above-mentioned problems. Even if a sintering aid component having a high melting point is contained and the content thereof is smaller than in the conventional case, It is an object of the present invention to provide a silicon nitride sintered body for a tool which is dense and has excellent high temperature characteristics such as wear resistance particularly at high temperatures.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】窒化珪素の焼成に使用さ
れる焼結助剤の中で、軟化点の高い粒界ガラス相を形成
するものとして、一般に希土類元素の酸化物がよく知ら
れている。希土類元素は互いにその化学的性質が似てい
るため、希土類元素として一まとめにして扱われること
も多い。しかし、窒化珪素の焼結助剤として考えた場
合、焼結性も異なり、また、得られる焼結体の特性も必
ずしも近似したものとはならない。
Among the sintering aids used for firing silicon nitride, oxides of rare earth elements are generally well known as those that form a grain boundary glass phase having a high softening point. There is. Since rare earth elements have similar chemical properties to each other, they are often treated collectively as rare earth elements. However, when considered as a sintering aid for silicon nitride, the sinterability is different, and the characteristics of the obtained sintered body are not always similar.

【0006】本発明者らは、特に焼結性及び得られる焼
結体の工具材料等としての耐摩耗性などに着目して、最
適な希土類元素の選択を進めた。その結果、焼結助剤成
分としてマグネシウム成分とイッテルビウム成分とを含
有する焼結体とすることにより、それらの含有量が比較
的少量であっても、緻密であって、且つ耐摩耗性等に優
れる焼結体となることを見出した。
The present inventors have advanced the selection of the optimum rare earth element, paying particular attention to the sinterability and the wear resistance of the obtained sintered body as a tool material and the like. As a result, by using a sintered body containing a magnesium component and a ytterbium component as a sintering aid component, even if the content thereof is relatively small, it is dense and has excellent wear resistance. It has been found that an excellent sintered body can be obtained.

【0007】第1発明の工具用窒化珪素焼結体は、マグ
ネシウム元素及びイッテルビウム元素を含む窒化珪素焼
結体において、該窒化珪素焼結体を100重量%とした
場合に、上記マグネシウム元素及び上記イッテルビウム
元素は、それぞれ0.16〜2.0重量%及び0.7〜
4.85重量%であり、且つ上記マグネシウム元素と上
記イッテルビウム元素との合計量は、6.2重量%以下
であることを特徴とする。尚、この第1発明の工具用窒
化珪素焼結体は、酸素元素を含んでいてもよいし、含ん
でいないものであってもよい。また、極く微量の酸素元
素を含むものであってもよい。
The silicon nitride sintered body for a tool of the first invention is a silicon nitride sintered body containing a magnesium element and a ytterbium element, and when the silicon nitride sintered body is 100% by weight, the above magnesium element and the above The ytterbium element is 0.16 to 2.0 wt% and 0.7 to
4.85% by weight, and the total amount of the magnesium element and the ytterbium element is 6.2% by weight or less. The tool silicon nitride sintered body of the first invention may or may not contain an oxygen element. Further, it may contain a very small amount of oxygen element.

【0008】また、第5発明の工具用窒化珪素焼結体
は、マグネシウム成分及びイッテルビウム成分を含む窒
化珪素焼結体において、該窒化珪素焼結体を100体積
%とした場合に、上記マグネシウム成分及び上記イッテ
ルビウム成分は、酸化物に換算して、それぞれ0.25
〜3.0体積%及び0.3〜2.0体積%であり、且つ
上記マグネシウム成分と上記イッテルビウム成分との合
計量は、4.0体積%以下であることを特徴とする。
The silicon nitride sintered body for a tool of the fifth invention is a silicon nitride sintered body containing a magnesium component and a ytterbium component, and when the silicon nitride sintered body is 100% by volume, the above magnesium component is used. And the above ytterbium component, converted to oxides, are each 0.25
Is 3.0% by volume and 0.3% by volume to 2.0% by volume, and the total amount of the magnesium component and the ytterbium component is 4.0% by volume or less.

【0009】上記「窒化珪素焼結体」を得るための窒化
珪素原料粉末としては、通常、不純物としての酸素量が
1〜2%程度であり、その他の不純物が少ないものを用
いる。また、α−Si3 4 の割合の大きい、例えばα
結晶化率95%以上の、一般に原料粉末として好ましい
とされているものを、特に限定されることなく使用する
ことができる。
As the silicon nitride raw material powder for obtaining the above "silicon nitride sintered body", one having an oxygen amount of about 1 to 2% as an impurity and a small amount of other impurities is usually used. Further, a large proportion of α-Si 3 N 4 , for example, α
What is generally preferred as a raw material powder having a crystallization rate of 95% or more can be used without particular limitation.

【0010】上記「マグネシウム元素」はイッテルビウ
ム、アルミニウム、珪素などの他の金属元素とともに酸
化物の形で粒界ガラス相を形成している。酸化マグネシ
ウムは粒界ガラス相を形成する他の成分の原料及び窒化
珪素原料が不純物として含む酸素(通常は酸化珪素とし
て存在する。)の存在下では、軟化点の低い粒界ガラス
相を生ずる。そのため多量に含有される場合は、得られ
る焼結体の高温特性が低下し、高温における耐摩耗性等
が必要とされる工具用材料には適さない。一方、軟化点
の低いガラス相が生成するため、マグネシウム元素を含
む焼結助剤の使用量が少なくても焼結性向上の効果は大
きい。従って、他の焼結助剤からなるガラス相も含めて
粒界ガラス相の総量を少なくすることができ、また、少
量であるがゆえに高温特性の低下を抑えることができ
る。
The above "magnesium element" forms a grain boundary glass phase in the form of an oxide together with other metal elements such as ytterbium, aluminum and silicon. Magnesium oxide produces a grain boundary glass phase having a low softening point in the presence of oxygen (usually present as silicon oxide) contained as an impurity in the silicon nitride raw material and the raw material of other components forming the grain boundary glass phase. Therefore, when it is contained in a large amount, the high temperature characteristics of the obtained sintered body are deteriorated, and it is not suitable for a tool material that requires wear resistance at high temperatures. On the other hand, since a glass phase having a low softening point is generated, the effect of improving the sinterability is great even if the amount of the sintering aid containing the magnesium element used is small. Therefore, it is possible to reduce the total amount of the grain boundary glass phase including the glass phase formed of another sintering aid, and it is possible to suppress the deterioration of the high temperature characteristics due to the small amount.

【0011】第1発明において、上記「マグネシウム元
素」を「0.16〜2.0重量%」、好ましくは0.1
7〜1.98重量%とするのは、0.16重量%未満で
は、焼結体が十分に緻密にならないためである。また、
2.0重量%を越えると、高温における粒界ガラス相の
軟化が激しくなり、焼結体の硬度が低下し、耐摩耗性等
に劣ったものとなる。更に、第5発明においては、上記
「マグネシウム成分」の含有量は「酸化物に換算」して
「0.25〜3.0体積%」であり、この上下限値を外
れた場合は、第1発明と同様の問題を生ずる。第1発明
において、マグネシウム元素の含有量は、特に0.17
〜1.0重量%、更には0.17〜0.7重量%の範囲
が好ましい。また、第5発明において、マグネシウム成
分は、0.25〜1.5体積%、特に0.25〜1.0
体積%の範囲が好ましい。マグネシウム元素或いはマグ
ネシウム成分の含有量がこの範囲であれば、緻密であっ
て、且つ高温における耐摩耗性等に優れた焼結体とな
る。
In the first invention, the above "magnesium element" is "0.16 to 2.0% by weight", preferably 0.1.
The reason why the content is 7 to 1.98% by weight is that if the content is less than 0.16% by weight, the sintered body will not be sufficiently dense. Also,
If it exceeds 2.0% by weight, the softening of the grain boundary glass phase at high temperature becomes severe, the hardness of the sintered body decreases, and the wear resistance becomes poor. Further, in the fifth invention, the content of the “magnesium component” is “0.25 to 3.0% by volume” in “converted to oxide”, and when the upper and lower limit values are not met, The same problem as in the first invention occurs. In the first invention, the content of the magnesium element is 0.17
The range is preferably 1.0 to 1.0% by weight, more preferably 0.17 to 0.7% by weight. Further, in the fifth invention, the magnesium component is 0.25 to 1.5% by volume, particularly 0.25 to 1.0%.
A range of volume% is preferred. When the content of the magnesium element or the magnesium component is within this range, the sintered body is dense and has excellent wear resistance at high temperatures.

【0012】また、イッテルビウム元素を含む焼結助剤
は、各種の希土類元素を含む焼結助剤の中でも、窒化珪
素の焼結性を向上させる効果が大きい。特に、マグネシ
ウム元素を含む焼結助剤と組み合わせた場合は、焼結性
がより向上する。そのため、焼結助剤の総量、ひいては
粒界ガラス相の量を少なくするという目的には非常に適
している。尚、切削工具用の材料として用いる場合、耐
摩耗性と耐欠損性の両立が求められるが、この点におい
てもイッテルビウム元素を含む焼結助剤は好適である。
Further, the sintering aid containing the ytterbium element has a great effect of improving the sinterability of silicon nitride among the sintering aids containing various rare earth elements. In particular, when combined with a sintering aid containing a magnesium element, the sinterability is further improved. Therefore, it is very suitable for the purpose of reducing the total amount of the sintering aid and thus the amount of the grain boundary glass phase. When used as a material for a cutting tool, it is required to have both wear resistance and fracture resistance, and in this respect, the sintering aid containing the ytterbium element is suitable.

【0013】粒界ガラス相にマグネシウム成分と希土類
元素成分とを含む窒化珪素焼結体では、希土類元素の種
類が変われば、得られる焼結体の切削工具としての耐摩
耗性及び耐欠損性も変化する。例えば、イットリウム成
分、ジスプロシウム成分等を含む場合は、得られる切削
工具は比較的耐欠損性が高く、耐摩耗性が低いものとな
る。また、イッテルビウム成分を含有する場合は、イッ
トリウム成分、ジスプロシウム成分等を含む切削工具と
比較し、耐欠損性はやや低くなるものの、耐摩耗性はか
なり優れたものとなる。従って、本発明の目的である特
に高温における耐摩耗性に優れた工具用窒化珪素焼結体
を得るためには、希土類元素としてイッテルビウム成分
を含有する焼結体とすることが好ましい。
In a silicon nitride sintered body containing a magnesium component and a rare earth element component in the grain boundary glass phase, if the type of the rare earth element changes, the resulting sintered body also has wear resistance and chipping resistance as a cutting tool. Change. For example, when the yttrium component, the dysprosium component, etc. are contained, the cutting tool obtained has relatively high fracture resistance and low wear resistance. In addition, when the ytterbium component is contained, the fracture resistance is slightly lower than that of the cutting tool containing the yttrium component, the dysprosium component, etc., but the wear resistance is considerably excellent. Therefore, in order to obtain the object of the present invention, in particular, a silicon nitride sintered body for a tool having excellent wear resistance at high temperatures, it is preferable to use a sintered body containing a ytterbium component as a rare earth element.

【0014】第1発明において、上記「イッテルビウム
元素」を「0.7〜4.85重量%」、好ましくは0.
75〜4.83重量%とするのは、0.7重量%未満で
は、焼結体の強度が低下し、耐欠損性等が不十分となる
ためである。また、4.85重量%を越えると、焼結体
の特に高温における耐摩耗性が低下する。更に、第5発
明においては、上記「イッテルビウム成分」は酸化物に
換算して「0.3〜2.0体積%」であり、この上下限
値を外れた場合は、第1発明と同様の問題を生ずる。第
1発明において、イッテルビウム元素の含有量は、特に
0.75〜3.0重量%の範囲が好ましい。また、第3
発明において、イッテルビウム成分は、0.3〜1.2
体積%の範囲が好ましい。イッテルビウム元素或いはイ
ッテルビウム成分の含有量がこの範囲であれば、焼結性
は良好であり、且つ高温における耐摩耗性等の低下も抑
えられる。
In the first invention, the above "ytterbium element" is "0.7 to 4.85% by weight", preferably 0.
The reason why the content is 75 to 4.83% by weight is that if it is less than 0.7% by weight, the strength of the sintered body is lowered and the fracture resistance and the like are insufficient. On the other hand, if it exceeds 4.85% by weight, the wear resistance of the sintered body particularly at high temperatures is deteriorated. Further, in the fifth invention, the "ytterbium component" is "0.3 to 2.0% by volume" in terms of oxide, and when the upper and lower limit values are not satisfied, the same as in the first invention. Cause problems. In the first invention, the ytterbium element content is particularly preferably in the range of 0.75 to 3.0% by weight. Also, the third
In the invention, the ytterbium component is 0.3 to 1.2.
A range of volume% is preferred. When the content of the ytterbium element or the ytterbium component is within this range, the sinterability is good, and the deterioration of the wear resistance at high temperatures can be suppressed.

【0015】また、第1発明において、マグネシウム元
素とイッテルビウム元素との合計量を「6.2重量%以
下」、好ましくは6.15重量%以下とするのは、6.
2重量%を越えると、焼結体の特に高温における硬度、
強度が低下し、耐摩耗性等が不十分となるためである。
更に、第5発明においては、マグネシウム成分とイッテ
ルビウム成分との合計量は「4.0体積%以下」であ
り、4.0体積%を越える場合は、第1発明と同様の問
題を生ずる。この合計量は、第3発明のように「5.2
重量%以下」、特に5.17重量%以下、また、第6発
明のように「2.5体積%以下」とすることが好まし
く、合計量がこの範囲であれば、緻密性が高く、且つ高
温における硬度、強度等に優れた焼結体が得られる。
In the first aspect of the invention, the total amount of the magnesium element and the ytterbium element is "6.2% by weight or less", preferably 6.15% by weight or less.
If it exceeds 2% by weight, the hardness of the sintered body, especially at high temperature,
This is because the strength decreases and the wear resistance and the like become insufficient.
Furthermore, in the fifth invention, the total amount of the magnesium component and the ytterbium component is "4.0 vol% or less", and when it exceeds 4.0 vol%, the same problem as in the first invention occurs. This total amount is “5.2 as in the third invention.
"% By weight or less", particularly 5.17% by weight or less, and "2.5% by volume or less" as in the sixth invention is preferable, and if the total amount is within this range, the denseness is high, and A sintered body excellent in hardness and strength at high temperatures can be obtained.

【0016】尚、第1発明の窒化珪素焼結体では、「酸
素元素」を含有する場合は、第2発明のように「2.1
5重量%以下」であることが好ましい。また、第3発明
の窒化珪素焼結体では、「酸素元素」を含有する場合
は、第4発明のように「1.74重量%以下」であるこ
とが好ましい。この酸素元素の含有量は第2発明では、
0.73〜2.15重量%程度、第4発明では0.73
〜1.74重量%程度が好ましい。酸素元素の含有量
が、それぞれその上限を越える場合は焼結体の耐摩耗性
が低下する。
In addition, in the silicon nitride sintered body of the first invention, when the "oxygen element" is contained, the "2.1" is provided as in the second invention.
It is preferably 5% by weight or less ”. Further, in the silicon nitride sintered body of the third invention, when it contains the “oxygen element”, it is preferably “1.74 wt% or less” as in the fourth invention. In the second invention, the content of this oxygen element is
0.73 to 2.15% by weight, 0.73 in the fourth invention
It is preferably about 1.74% by weight. If the oxygen element contents exceed their respective upper limits, the wear resistance of the sintered body decreases.

【0017】耐摩耗性に優れた切削工具等を得るために
は、窒化珪素焼結体の気孔率が低い、言い換えれば緻密
性の高いことが重要である。本発明では、粒界ガラス相
の総量が非常に少ないため、即ち、使用する焼結助剤が
少ないため、焼結性を高め、気孔率を低くするために
は、焼成の温度を高くする必要がある。しかし、一般的
なα型の窒化珪素原料を使用して、単純に焼成温度を高
くすると、主に原料に少量含まれるβ型の窒化珪素を核
として、結晶粒子の一部が異常に成長する。この異常成
長した粒子は、粒子内にマイクロクラックを生じ易く、
また、異常成長した粒子自体が破壊起源となり、いずれ
も焼結体の強度低下等の原因となる。
In order to obtain a cutting tool having excellent wear resistance, it is important that the silicon nitride sintered body has a low porosity, in other words, a high density. In the present invention, since the total amount of the grain boundary glass phase is very small, that is, the sintering aid used is small, it is necessary to raise the firing temperature in order to enhance the sinterability and reduce the porosity. There is. However, if a general α-type silicon nitride raw material is used and the firing temperature is simply raised, a part of the crystal grains grow abnormally, mainly using β-type silicon nitride contained in the raw material in a small amount as a nucleus. . This abnormally grown particle easily causes microcracks in the particle,
In addition, the abnormally grown particles themselves are the origin of fracture, which causes the strength of the sintered body to decrease.

【0018】従って、本発明の工具用窒化珪素焼結体で
は、第7発明のように、その切断面において観察される
「β−Si3 4 粒子」の断面積の合計を100%とし
た場合に、「短軸径が1μm以上の粒子」の断面積の合
計は「10体積%未満」であり、且つ「長軸径が10μ
m以上の粒子」の断面積の合計は「4体積%未満」であ
ることが好ましい。
Therefore, in the silicon nitride sintered body for a tool of the present invention, the total cross-sectional area of "β-Si 3 N 4 particles" observed in the cut surface is set to 100% as in the seventh invention. In this case, the total cross-sectional area of "particles having a minor axis diameter of 1 μm or more" is "less than 10% by volume", and "major axis diameter is 10 μm".
The total cross-sectional area of "particles of m or more" is preferably "less than 4% by volume".

【0019】短軸径が1μmが以上の粒子が10体積%
以上、又は長軸径が10μm以上の粒子が4体積%以上
である場合は、焼成後の冷却時に、β−Si3 4 粒子
の内部にマイクロクラックが発生するようなβ−Si3
4 の量が多くなり、好ましくない。短軸径が1μm以
上の粒子が5体積%未満、特に3体積%未満、且つ長軸
径が10μm以上の粒子が3体積%未満、特に2体積%
未満であれば、マイクロクラックによる強度低下はほと
んどなくより好ましい。尚、本発明の工具用窒化珪素焼
結体では、短軸径が1μm以上の粒子は、好ましくは2
〜8体積%、特に1〜4体積%であり、長軸径が10μ
m以上の粒子は1〜4体積%、特に1.4〜3.6体積
%である。
10% by volume of particles having a minor axis diameter of 1 μm or more
Or more, or if the major axis diameter is 10μm or more of the particles 4% by volume or more, on cooling after firing, β-Si 3 N 4 β -Si 3 as internal microcracks particles generated
The amount of N 4 increases, which is not preferable. Particles having a minor axis diameter of 1 μm or more are less than 5% by volume, particularly less than 3% by volume, and particles having a major axis diameter of 10 μm or more are less than 3% by volume, particularly 2% by volume.
If it is less than the above range, there is almost no decrease in strength due to microcracks, which is more preferable. In the sintered silicon nitride for tools of the present invention, particles having a minor axis diameter of 1 μm or more are preferably 2
~ 8% by volume, especially 1 to 4% by volume, and the major axis diameter is 10μ.
The particles of m or more are 1 to 4% by volume, and particularly 1.4 to 3.6% by volume.

【0020】第8発明の工具用窒化珪素焼結体は、マグ
ネシウム元素、イッテルビウム元素及びアルミニウム元
素を含む窒化珪素焼結体において、該窒化珪素焼結体を
100重量%とした場合に、上記マグネシウム元素及び
上記イッテルビウム元素は、それぞれ0.16〜1.0
0重量%、好ましくは0.17〜1.00重量%及び
0.7〜3.0重量%、好ましくは0.75〜2.94
重量%であり、且つ上記アルミニウム元素は、0.64
重量%以下(但し、0重量%は含まない。)であること
を特徴とする。尚、この第1発明の工具用窒化珪素焼結
体は、酸素元素を含んでいてもよいし、含んでいないも
のであってもよい。また、極く微量の酸素元素を含むも
のであってもよい。
The silicon nitride sintered body for a tool of the eighth invention is a silicon nitride sintered body containing magnesium element, ytterbium element and aluminum element, and when the silicon nitride sintered body is 100% by weight, the above magnesium The element and the ytterbium element are each 0.16 to 1.0.
0% by weight, preferably 0.17 to 1.00% by weight and 0.7 to 3.0% by weight, preferably 0.75 to 2.94.
% By weight, and the aluminum element is 0.64
It is characterized by being less than or equal to weight% (however, 0 weight% is not included). The tool silicon nitride sintered body of the first invention may or may not contain an oxygen element. Further, it may contain a very small amount of oxygen element.

【0021】また、第12発明の工具用窒化珪素焼結体
は、マグネシウム成分、イッテルビウム成分及びアルミ
ニウム成分を含む窒化珪素焼結体において、該窒化珪素
焼結体を100体積%とした場合に、上記マグネシウム
成分及び上記イッテルビウム成分は、酸化物に換算し
て、それぞれ0.25〜1.5体積%及び0.3〜1.
2体積%であり、且つ上記アルミニウム成分は、酸化物
に換算して、1.0体積%以下(但し、0体積%は含ま
ない。)であることを特徴とする。
The silicon nitride sintered body for a tool according to the twelfth invention is a silicon nitride sintered body containing a magnesium component, a ytterbium component and an aluminum component, and when the silicon nitride sintered body is 100% by volume, The above-mentioned magnesium component and the above-mentioned ytterbium component are 0.25-1.5 volume% and 0.3-1.
It is 2% by volume, and the aluminum component is 1.0% by volume or less (however, 0% by volume is not included) in terms of oxide.

【0022】本発明において、原料粉末の混合は、得ら
れる焼結体の耐摩耗性を低下させるような不純物が混入
しない方法で実施する必要がある。最も望ましいのは窒
化珪素製の混合用具を用いて混合することである。しか
し、窒化珪素製の混合用具は非常に高価であるため、樹
脂或いは酸化アルミニウム製の混合用具を用いてもよ
い。樹脂を用いた場合は、原料粉末の混合物中に混入し
た樹脂は、焼成中に揮散し、焼結体中には残らないため
問題はない。
In the present invention, the mixing of the raw material powders should be carried out by a method that does not contain impurities that would reduce the wear resistance of the obtained sintered body. Most preferably, they are mixed using a silicon nitride mixing tool. However, since a silicon nitride mixing tool is very expensive, a resin or aluminum oxide mixing tool may be used. When a resin is used, the resin mixed in the mixture of the raw material powders is volatilized during firing and does not remain in the sintered body, so there is no problem.

【0023】また、酸化アルミニウムは、焼結体中でそ
の一部が窒化珪素に固溶する。そのため、混入量が少な
ければ、粒界ガラス相の増量による耐摩耗性の低下は少
なく、むしろ耐欠損性の向上、焼結性の改善といった効
果もある。そこで、酸化アルミニウム製の混合用具を使
用する場合は、耐摩耗性の低下を考慮し、酸化アルミニ
ウム混入分相当量のマグネシウム元素或いはイッテルビ
ウム元素を含む焼結助剤を減量することにより、窒化珪
素或いは樹脂製の混合用具を用いた場合と同等の性能の
焼結体を得ることができる。
A part of aluminum oxide forms a solid solution with silicon nitride in the sintered body. Therefore, if the mixing amount is small, the wear resistance is not significantly decreased by the increase of the grain boundary glass phase, and rather, the chipping resistance and the sinterability are improved. Therefore, when using a mixing tool made of aluminum oxide, in consideration of the decrease in wear resistance, by reducing the amount of the sintering aid containing magnesium element or ytterbium element in an amount equivalent to the content of aluminum oxide, silicon nitride or It is possible to obtain a sintered body having the same performance as when a resin-made mixing tool is used.

【0024】従って、上記の第8発明においては、マグ
ネシウム元素及びイッテルビウム元素を、第1発明の場
合に比べて減量している。また、上記の第12発明にお
いては、マグネシウム成分及びイッテルビウム成分を、
第5発明の場合に比べて減量している。そして、アルミ
ニウム元素又はアルミニウム成分の量は、混合用具から
混入するものと、焼結助剤からもたらされるものとの合
計量が、第8発明では「0.64重量%以下」、第12
発明では「1.0体積%以下」となるように調整してい
る。このアルミニウム元素又はアルミニウム成分の量が
上限値を越えると、窒化珪素或いは樹脂製の混合用具を
用いた場合と同等の性能を有する焼結体を得ることがで
きず、耐摩耗性等が低下する。
Therefore, in the above eighth invention, the amounts of magnesium element and ytterbium element are reduced as compared with the case of the first invention. In the twelfth invention described above, the magnesium component and the ytterbium component are
The amount is reduced as compared with the case of the fifth invention. The total amount of the elemental aluminum or the aluminum component mixed from the mixing tool and the amount obtained from the sintering aid is “0.64% by weight or less” in the eighth invention,
In the invention, it is adjusted to be "1.0% by volume or less". If the amount of this aluminum element or aluminum component exceeds the upper limit value, it is not possible to obtain a sintered body having the same performance as in the case of using a mixing tool made of silicon nitride or a resin, and wear resistance and the like decrease. .

【0025】更に、第10発明においては、マグネシウ
ム元素の上限を低くし、且つアルミニウム元素を0.3
2〜0.64重量%と多くしている。また、第13発明
においては、マグネシウム成分の上限を低くし、且つア
ルミニウム成分を0.5〜1.0体積%と多くしてい
る。これによって耐摩耗性の低下は十分に抑えられ 且
つ耐欠損性が大きく向上した焼結体が得られる。このア
ルミニウム元素は0.45重量%以上、特に0.51重
量%以上とすることが好ましい。更に、アルミニウム成
分は0.7体積%以上、特に0.8体積%以上とするこ
とが好ましい。このようにアルミニウム元素又はアルミ
ニウム成分が多ければ、優れた耐摩耗性と耐欠損性とを
併せ有する焼結体とすることができる。
Further, in the tenth invention, the upper limit of the magnesium element is lowered and the aluminum element is set to 0.3.
It is as high as 2 to 0.64% by weight. In addition, in the thirteenth invention, the upper limit of the magnesium component is lowered and the aluminum component is increased to 0.5 to 1.0% by volume. As a result, it is possible to obtain a sintered body in which the deterioration of wear resistance is sufficiently suppressed and the fracture resistance is greatly improved. This aluminum element is preferably 0.45% by weight or more, and particularly preferably 0.51% by weight or more. Further, the aluminum component is preferably 0.7% by volume or more, and particularly preferably 0.8% by volume or more. As described above, when the amount of aluminum element or aluminum component is large, it is possible to obtain a sintered body having both excellent wear resistance and chipping resistance.

【0026】尚、第8発明の窒化珪素焼結体では、「酸
素元素」を含有する場合は、第9発明のように「2.1
2重量%以下」であることが好ましい。また、第10発
明の窒化珪素焼結体では、「酸素元素」を含有する場合
は、第11発明のように「1.96重量%以下」である
ことが好ましい。この酸素元素の含有量は第9発明で
は、0.73〜2.12重量%程度、第11発明では
0.87〜1.96重量%程度が好ましい。酸素元素の
含有量が、それぞれその上限を越える場合は焼結体の耐
摩耗性が低下する。
In addition, in the silicon nitride sintered body of the eighth invention, when the "oxygen element" is contained, as in the ninth invention, "2.1
2% by weight or less "is preferable. Further, in the silicon nitride sintered body of the tenth invention, when it contains the “oxygen element”, it is preferably “1.96% by weight or less” as in the eleventh invention. The content of this oxygen element is preferably about 0.73 to 2.12% by weight in the ninth invention and about 0.87 to 1.96% by weight in the eleventh invention. If the oxygen element contents exceed their respective upper limits, the wear resistance of the sintered body decreases.

【0027】本発明は、耐摩耗性の改良を主な目的とす
るが、用途、目的等によっては、特に、耐欠損性に優れ
た焼結体とすることもできる。アルミニウム元素(アル
ミニウム成分)を含まない場合は、マグネシウム元素を
2.0重量%程度(マグネシウム成分を3.0体積%程
度)、イッテルビウム元素を2.4〜7.2重量%(イ
ッテルビウム成分を1.0〜3.0体積%)とすること
により、切削試験における加工山数が68以上の、極め
て優れた耐欠損性を有する工具用窒化珪素焼結体を得る
ことができる。また、マグネシウム元素を0.19〜
1.07重量%(マグネシウム成分を0.3〜1.6体
積%)、イッテルビウム元素を2.43〜3.16重量
%(イッテルビウム成分を1.0〜1.3体積%)と
し、これに更に0.51〜0.70重量%のアルミニウ
ム元素(0.8〜1.1体積%のアルミニウム成分)を
加えた組成とすることによっても、同様に切削試験にお
ける加工山数が68以上の優れた耐欠損性を有する焼結
体を得ることができる。
The main purpose of the present invention is to improve the wear resistance, but depending on the application, purpose, etc., a sintered body having particularly excellent fracture resistance can be formed. When the aluminum element (aluminum component) is not contained, the magnesium element is about 2.0% by weight (the magnesium component is about 3.0% by volume) and the ytterbium element is 2.4 to 7.2% by weight (the ytterbium component is 1% by weight). .0 to 3.0% by volume) makes it possible to obtain a silicon nitride sintered body for a tool having a number of processing peaks of 68 or more in a cutting test and having extremely excellent fracture resistance. In addition, magnesium element 0.19 ~
1.07% by weight (0.3 to 1.6% by volume of magnesium component) and 2.43 to 3.16% by weight of ytterbium element (1.0 to 1.3% by volume of ytterbium component). Even if the composition is such that 0.51 to 0.70% by weight of aluminum element (0.8 to 1.1% by volume of aluminum component) is added, the number of processing peaks in the cutting test is 68 or more. It is possible to obtain a sintered body having excellent chipping resistance.

【0028】また、本発明においては、特に、第3発明
のように、マグネシウム元素とイッテルビウム元素との
合計量が5.2重量%以下、好ましくは5.17重量%
以下、更には、この合計量が4.2重量%以下であれ
ば、緻密性が高く、高温における硬度、強度等に優れる
焼結体とすることができる。更に、第6発明のように、
マグネシウム成分とイッテルビウム成分との合計量が
2.5体積%以下、更には、この合計量が2.0体積%
以下であっても、同様に優れた特性の焼結体とすること
ができる。また、アルミニウム元素、アルミニウム成分
が含まれる場合にも、同様に緻密性が高く、硬度、強度
等に優れる焼結体が得られる。このように、本発明の窒
化珪素焼結体では、第14発明のように、「気孔率」が
「0.06体積%以下」、特に0.02体積%以下であ
って、耐摩耗性等に優れる焼結体とすることができる。
尚、この気孔率は0.01体積%程度まで低下させるこ
とができる。
In the present invention, the total amount of the magnesium element and the ytterbium element is not more than 5.2% by weight, preferably 5.17% by weight, as in the third invention.
Hereafter, if the total amount is 4.2% by weight or less, a sintered body having high denseness and excellent hardness and strength at high temperature can be obtained. Further, as in the sixth invention,
The total amount of the magnesium component and the ytterbium component is 2.5% by volume or less, and further, the total amount is 2.0% by volume.
Even if it is the following, a sintered body having similarly excellent characteristics can be obtained. Further, when aluminum element or aluminum component is contained, similarly, a sintered body having high denseness and excellent hardness, strength and the like can be obtained. As described above, in the silicon nitride sintered body of the present invention, as in the fourteenth invention, the "porosity" is "0.06% by volume or less", particularly 0.02% by volume or less, and wear resistance and the like. It is possible to obtain a sintered body having excellent properties.
The porosity can be reduced to about 0.01% by volume.

【0029】一般に、窒化珪素基の工具で鋳物を切削加
工する場合、フライス加工等の断続加工など、アブレッ
シブ摩耗となる条件においては、焼結体の表面に硬度の
高い素材からなるコーティング層を設けても、その効果
はほとんど表れない。これに対して、旋削での連続加工
のように、こすり摩耗が工具寿命の決定要因となってい
る加工においては、上記のコーティング層を設けること
によって、耐摩耗性及び耐溶着性を改善することができ
る。本発明においても、旋削の連続加工ラインでの使用
等を目的として、第15発明のように、特定のコーティ
ング層を設けることが好ましい。
Generally, when cutting a casting with a silicon nitride-based tool, a coating layer made of a material having a high hardness is provided on the surface of the sintered body under the condition of abrasive wear such as intermittent processing such as milling. However, the effect hardly appears. On the other hand, in the case of machining in which rubbing wear is the deciding factor of tool life, such as continuous machining in turning, it is necessary to improve wear resistance and welding resistance by providing the above coating layer. You can Also in the present invention, it is preferable to provide a specific coating layer as in the fifteenth invention for the purpose of use in a continuous turning machining line.

【0030】第15発明では、表面に、「Al2 3
AlON、TiN、TiC及びTiCN」のうちの1種
からなる少なくとも1層のコーティング層が設けられ
る。これらのコーティング層は1層のみでもよいが、2
〜10層とすることができ、特に3〜8層程度とするこ
とにより、耐摩耗性等に優れ、寿命の長い工具が得られ
る。また、コーティング層の「最外層」は硬度の高いT
iNとすることが好ましい。更に、コーティング層の全
厚さは1.0〜8.0μmとすることができ、特に第1
5発明のように、「1.5〜6μm」の範囲が好まし
い。全厚さが1.5μm以上であれば、摩耗量は十分に
低減され工具寿命を延長することができる。尚、全厚さ
が6μmを越える場合は、コーティング層が剥離を生
じ、工具寿命を十分に長くすることができないことがあ
る。
In the fifteenth invention, "Al 2 O 3 ,
At least one coating layer made of AlON, TiN, TiC, and TiCN ”is provided. These coating layers may be only one layer, but 2
The number of layers can be set to 10 to 10, and particularly about 3 to 8 can provide a tool having excellent wear resistance and a long life. In addition, the "outermost layer" of the coating layer has a high hardness T
It is preferably iN. Furthermore, the total thickness of the coating layer can be 1.0-8.0 μm, in particular the first
As in the fifth invention, the range of “1.5 to 6 μm” is preferable. When the total thickness is 1.5 μm or more, the wear amount is sufficiently reduced and the tool life can be extended. If the total thickness exceeds 6 μm, the coating layer may peel off and the tool life may not be sufficiently extended.

【0031】[0031]

【発明の実施の形態】以下、実施例により本発明を具体
的に説明する。窒化珪素原料粉末として、平均粒径0.
5μm、α型結晶化率95%以上、酸素量1.5重量%
の粉末を使用した。また、焼結助剤として、平均粒径
0.3〜0.4μmの酸化マグネシウム粉末、及び平均
粒径0.5〜1.5μmの酸化イッテルビウム粉末を使
用した。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described specifically with reference to examples. As the silicon nitride raw material powder, the average particle size was 0.
5 μm, α-type crystallization rate 95% or more, oxygen content 1.5% by weight
Of powder was used. As the sintering aid, magnesium oxide powder having an average particle size of 0.3 to 0.4 μm and ytterbium oxide powder having an average particle size of 0.5 to 1.5 μm were used.

【0032】上記の各粉末を、表1、2及び3に示す配
合組成で、樹脂製容器と窒化珪素球石、又は酸化アルミ
ニウム製容器と酸化アルミニウム球石を使用して、溶媒
であるエタノールとともに16時間粉砕、混合した。そ
の後、有機結合材を加え、金型プレスにて成形し、工具
SNGN120408用の形状をした成形体を得た。次
いで、この成形体を脱脂した後、表1〜3に示す温度及
び圧力の条件下に焼成し、表4、5及び6に示す実験例
1〜27の窒化珪素焼結体を得た。尚、実験例1〜12
及び22〜27では樹脂製容器と窒化珪素球石を使用
し、実験例13〜21では酸化アルミニウム製容器と酸
化アルミニウム球石を用いた。
Each of the above powders was mixed with ethanol as a solvent in the composition shown in Tables 1, 2 and 3 using a resin container and silicon nitride spherule, or an aluminum oxide container and aluminum oxide spherule. Crushed and mixed for 16 hours. Then, an organic binder was added and the mixture was molded by a die press to obtain a molded body having a shape for the tool SNGN120408. Next, after degreasing this molded body, it was fired under the conditions of temperature and pressure shown in Tables 1 to 3 to obtain silicon nitride sintered bodies of Experimental Examples 1 to 27 shown in Tables 4, 5 and 6. In addition, Experimental Examples 1 to 12
22 to 27, a resin container and a silicon nitride ball were used, and in Experimental Examples 13 to 21, an aluminum oxide container and an aluminum oxide ball were used.

【0033】[0033]

【表1】 [Table 1]

【0034】[0034]

【表2】 [Table 2]

【0035】[0035]

【表3】 [Table 3]

【0036】[0036]

【表4】 [Table 4]

【0037】[0037]

【表5】 [Table 5]

【0038】[0038]

【表6】 [Table 6]

【0039】尚、表2及び3において、酸化アルミニウ
ムの分析値(*)は、粉砕、混合後の素地粉末中の酸化
アルミニウム量を蛍光X線法により分析した値である。
この値は、酸化マグネシウム、酸化イッテルビウム及び
窒化珪素の合計量を100(体積)重量%とした場合の
(体積)重量%である。また、表4〜6の分析値の欄の
上段は焼結体中のMg、Yb及びAlの各元素の重量
%、下段は上段の数値に基づいて、それぞれの元素の酸
化物の体積%に換算した数値である。本発明では、ほと
んどの焼結体の気孔率が0.06%以下であり、ほぼ完
全に緻密化しているため、各元素の重量%を酸化物の重
量%に換算したうえで、この重量%を以下のようにして
理論的に体積%に数値変換することができる。
In Tables 2 and 3, the analytical value (*) of aluminum oxide is a value obtained by analyzing the amount of aluminum oxide in the base powder after pulverization and mixing by the fluorescent X-ray method.
This value is (volume) weight% when the total amount of magnesium oxide, ytterbium oxide, and silicon nitride is 100 (volume) weight%. In addition, the upper column of the analytical value column of Tables 4 to 6 is the weight% of each element of Mg, Yb and Al in the sintered body, and the lower column is the volume% of the oxide of each element based on the numerical values of the upper column. It is a converted value. In the present invention, most of the sintered bodies have a porosity of 0.06% or less and are almost completely densified. Therefore, after converting the weight% of each element into the weight% of the oxide, this weight% Can be theoretically numerically converted to volume% as follows.

【0040】焼結体を構成する成分が1、2、・・・n
種類あるとし、成分1、2、・・・nの重量%をW1
2 、・・・Wn 、その酸化物の体積%をV1 、V2
・・・Vn 、各酸化物の比重をd1 、d2 、・・・dn
とした場合、成分kの酸化物の体積%は、 Vk =(Wk /dk )/(W1 /d1 +W2 /d2 +・
・・Wn /dn ) によって求めることができる。例えば、本発明において
は、MgO、Yb2 3、Si3 4 の比重がそれぞれ
3.65、9.17、3.20であるから、 VMgO =(WMgO /3.65)/(WMgO /3.65+
WYb2O3 /9.17+WSi3N4 /3.20)、及び VYb2O3 =(WYb2O3 /9.17)/(WMgO /3.6
5+WYb2O3 /9.17+WSi3N4 /3.20) によって、それぞれMgO及びYb2 3 の体積%を算
出することができる。尚、酸化アルミニウムが含まれて
いる場合も同様にして換算することができる。
The constituents of the sintered body are 1, 2, ...
Assuming that there is a kind, the weight% of the components 1, 2, ... N is W 1 ,
W 2 , ... W n , the volume% of the oxide is V 1 , V 2 ,
· · · V n, each specific gravity of the oxide d 1, d 2, ··· d n
, The volume% of the oxide of the component k is V k = (W k / d k ) / (W 1 / d 1 + W 2 / d 2 +
.. W n / d n ) can be obtained. For example, in the present invention, since the specific gravities of MgO, Yb 2 O 3 and Si 3 N 4 are 3.65, 9.17 and 3.20, respectively, VMgO = (WMgO / 3.65) / (WMgO / 3.65+
WYb 2 O 3 /9.17+WSi 3 N 4 /3.20), and VYb 2 O 3 = (WYb 2 O 3 /9.17)/(WMgO /3.6
5 + WYB by 2 O 3 /9.17+WSi 3 N 4 /3.20 ), it is possible to calculate the volume percent MgO and Yb 2 O 3, respectively. Incidentally, when aluminum oxide is contained, it can be converted in the same manner.

【0041】各実験例の焼結体の、CIS006B(対
応国際規格ISO 4505)によって測定した気孔率
は、実験例6、18、23を除いて、いずれも0.06
体積%未満であって、焼結体は十分に緻密化していた。
また、焼結体の切断面をSEMによって倍率1000倍
で、各5視野観察した。その結果、長軸径が10μm以
上のβ−Si3 4 粒子の断面積の合計は、β−Si3
4 粒子の断面積の合計に対して実験例23の1.4%
から実験例27の4.3%の範囲内にある。尚、実験例
1〜2、7〜10、20及び23と多くの実験例で2.
0%以下であり、これらの焼結体では、長軸径の大きい
β−Si3 4 の量比が特に低いことが分かる。
The porosity of the sintered body of each experimental example measured by CIS006B (corresponding international standard ISO 4505) was 0.06 except for Experimental Examples 6, 18, and 23.
It was less than volume% and the sintered body was sufficiently densified.
Further, the cross section of the sintered body was observed by SEM at a magnification of 1000 times for 5 fields of view. As a result, the total cross-sectional area of β-Si 3 N 4 particles having a major axis diameter of 10 μm or more is β-Si 3
1.4% of Experimental Example 23 relative to the total cross-sectional area of N 4 particles
To 4.3% of Experimental Example 27. In many experimental examples 1 to 2, 7 to 10, 20 and 23, 2.
It is 0% or less, and it can be seen that in these sintered bodies, the amount ratio of β-Si 3 N 4 having a large major axis diameter is particularly low.

【0042】以下に切削試験の方法を説明する。 切削試験(逃げ面摩耗量) 得られた焼結体を精密に研磨した後、下記の条件により
乾式にて10秒間切削試験を行った。被削材の形状は図
1のように円筒状である。図1において、L1は260
mm、L2は300mmであり、壁厚は20mmであ
る。また、L3は100mmである。尚、1パス切削に
よる、被削材の鋳砂の残った黒皮へ入る際及び出る際に
生じる最大摩耗量を測定し、逃げ面摩耗量VB とした
(アブレッシブ摩耗試験)。 被削材:FC200 切削速度:300m/分 送り:0.34mm/rev 切り込み:1.5mm 刃先:0.15mm×20°
The method of the cutting test will be described below. Cutting test (flank wear amount) After precisely polishing the obtained sintered body, a cutting test was performed for 10 seconds by a dry method under the following conditions. The shape of the work material is cylindrical as shown in FIG. In FIG. 1, L1 is 260
mm, L2 is 300 mm, and the wall thickness is 20 mm. L3 is 100 mm. In addition, the maximum amount of wear generated when entering and leaving the black skin of the cast sand of the work material by one-pass cutting was measured and set as the flank wear amount VB (abrasive wear test). Work Material: FC200 Cutting Speed: 300 m / min Feed: 0.34 mm / rev Depth of Cut: 1.5 mm Blade Edge: 0.15 mm x 20 °

【0043】切削試験(耐欠損性) 下記条件にて、耐欠損性の評価を行い、加工山数をもっ
て耐欠損性の指標とした。 被削材:FC200 切削速度:150m/分 送り:0.8mm/rev 切り込み:2.0mm 刃先:0.08mm×20° 切削時間:欠損するまで
Cutting Test (Fracture Resistance) The fracture resistance was evaluated under the following conditions, and the number of processed peaks was used as an index of the fracture resistance. Work Material: FC200 Cutting Speed: 150 m / min Feed: 0.8 mm / rev Depth of Cut: 2.0 mm Blade Edge: 0.08 mm x 20 ° Cutting Time: Until Defect

【0044】この切削試験では、被削材は円筒状のも
のであり、切削試験後の被削材の正面図である図2に示
すように、1個の被削材に10個の加工山を作製する。
この図2において、L4は10mm、L5は5mm、L
6は約50mm、L7は200mmであり、R1は32
0mmである。この切削試験では1回の切削の切り込み
が2mmであるため、外径は4mm減少し、更に0.5
mmの切り込みによって表面を平滑にするため、1回の
切削で外径は合計5mm減少する。これを繰り返し、外
径が280mmになるまで同じ被削材を使用する。尚、
上記の切削試験、の結果を表1、2及び3に併記す
る。また、これら切削試験及び並びに後記の切削試
験では、SNGN120408の工具形状の焼結体を
ISOに規定された品番CSBR2525N12Qのホ
ルダーに固定して用いた。
In this cutting test, the work material has a cylindrical shape, and as shown in FIG. 2 which is a front view of the work material after the cutting test, one work material has ten work ridges. To make.
In FIG. 2, L4 is 10 mm, L5 is 5 mm, L
6 is about 50 mm, L7 is 200 mm, R1 is 32
It is 0 mm. In this cutting test, the cutting diameter per cutting was 2 mm, so the outer diameter decreased by 4 mm, and
Since the surface is smoothed by cutting in mm, the outer diameter is reduced by 5 mm in total by one cutting. By repeating this, the same work material is used until the outer diameter reaches 280 mm. still,
The results of the above cutting test are also shown in Tables 1, 2 and 3. In the cutting test and the cutting test described later, the tool-shaped sintered body of SNGN120408 was used by being fixed to a holder of product number CSBR2525N12Q specified by ISO.

【0045】表4、表5及び表6の結果によれば、実験
例1と実験例2では加工山数差が明らかであり、イッテ
ルビウム元素が下限値未満では、耐欠損性に劣る。ま
た、イッテルビウム元素の量比が高い実験例4では、実
験例3に比べて耐摩耗性に劣ることが分かる。一方、マ
グネシウム元素が下限値未満の実験例6では、十分に緻
密な焼結体が得られないばかりか、同様の組成である実
験例3と比べて耐摩耗性及び耐欠損性ともに大きく低下
する。更に、実験例11と実験例12では、ともに合計
量が上限値に近く、酸素元素の含有量も多いが、マグネ
シウム元素の量比が高い場合に、耐摩耗性の低下がより
大きいことが分かる。
According to the results of Table 4, Table 5 and Table 6, the difference in the number of processing peaks is clear between Experimental Example 1 and Experimental Example 2, and if the ytterbium element is less than the lower limit value, the fracture resistance is poor. Further, it can be seen that in Experimental Example 4 in which the ytterbium element amount ratio is high, the wear resistance is inferior to that in Experimental Example 3. On the other hand, in Experimental Example 6 in which the magnesium element is less than the lower limit value, not only a sufficiently dense sintered body cannot be obtained, but also the wear resistance and the fracture resistance are greatly reduced as compared with Experimental Example 3 having the same composition. . Further, in both Experimental Example 11 and Experimental Example 12, the total amount is close to the upper limit value and the oxygen element content is large, but it is found that the wear resistance is more deteriorated when the magnesium element amount ratio is high. .

【0046】また、マグネシウム元素とイッテルビウム
元素とがほぼ一定であり、アルミニウム元素が0.31
〜0.69重量%の範囲にある実験例13〜17では、
実験例14〜16の場合に耐摩耗性と耐欠損性とのバラ
ンスがよく、優れた性能の焼結体が得られることが分か
る。一方、アルミニウム元素が第8発明の下限値未満で
ある実験例13では、耐欠損性が低下し、上限値を越え
る実験例17では、耐摩耗性に劣ることが分かる。
Further, the magnesium element and the ytterbium element are almost constant, and the aluminum element is 0.31.
In Experimental Examples 13 to 17 in the range of ~ 0.69% by weight,
It can be seen that in the case of Experimental Examples 14 to 16, the wear resistance and the fracture resistance are well balanced and a sintered body having excellent performance can be obtained. On the other hand, it can be seen that in Experimental Example 13 in which the aluminum element is less than the lower limit value of the eighth invention, the fracture resistance decreases, and in Experimental Example 17 in which the aluminum element exceeds the upper limit value, the abrasion resistance is inferior.

【0047】更に、アルミニウム元素及びイッテルビウ
ム元素が適量であっても、マグネシウム元素が下限値未
満である実験例18では、十分に緻密化しておらず、同
様の組成である実験例15に比べ、耐摩耗性及び耐欠損
性ともに大きく低下していることが分かる。また、マグ
ネシウム元素とイッテルビウム元素との合計量が第3発
明の上限値を越え、酸素元素の含有量も多い実験例19
では、耐摩耗性及び耐欠損性ともにやや低下する。一
方、アルミニウム元素及びマグネシウム元素が適量であ
っても、イッテルビウム元素が第1発明の下限値未満で
ある実験例20では、耐欠損性が大きく低下し、イッテ
ルビウム元素の量比の高い実験例21では、耐摩耗性が
低下することが分かる。
Further, even if the aluminum element and the ytterbium element are in proper amounts, the experimental example 18 in which the magnesium element is less than the lower limit value is not sufficiently densified, and is more resistant than the experimental example 15 having the same composition. It can be seen that both wear resistance and fracture resistance are greatly reduced. In addition, Experimental Example 19 in which the total amount of the magnesium element and the ytterbium element exceeded the upper limit value of the third invention and the oxygen element content was large.
Then, both the wear resistance and the fracture resistance are slightly lowered. On the other hand, in Experimental Example 20 in which the ytterbium element was less than the lower limit value of the first invention, even if the aluminum element and the magnesium element were in appropriate amounts, the fracture resistance was significantly decreased, and in Experimental Example 21 in which the ytterbium element amount ratio was high, It can be seen that the wear resistance decreases.

【0048】尚、イッテルビウム元素が第1発明の上限
値を越え、酸素元素の含有量も多い実験例22では、耐
摩耗性が非常に劣っている。また、実験例23では、焼
成温度が低かったため、気孔率が0.6体積%と焼結体
の緻密化が十分ではなく、耐摩耗性及び耐欠損性ともに
劣ることが分かる。更に、実験例24、25では、希土
類元素として、それぞれイットリウム元素及びジスプロ
シウム元素が含まれているが、同程度の量のイッテルビ
ウム元素を含有する実験例10と比べて耐摩耗性が非常
に劣っている。また、焼成温度が高かったため、β−S
3 4 粒子が異常成長し、第7発明の範囲外となって
いる実験例27では、同様の組成である実験例26と比
べて耐欠損性に劣ることが分かる。
In Experimental Example 22 in which the ytterbium element exceeds the upper limit of the first invention and the oxygen element content is large, the wear resistance is very poor. Further, in Experimental Example 23, since the firing temperature was low, it was found that the porosity was 0.6% by volume, the densification of the sintered body was not sufficient, and both wear resistance and fracture resistance were poor. Furthermore, in Experimental Examples 24 and 25, yttrium element and dysprosium element are contained as rare earth elements, respectively, but the abrasion resistance is very inferior as compared with Experimental Example 10 containing the same amount of ytterbium element. There is. Also, since the firing temperature was high, β-S
It can be seen that the experimental example 27 in which the i 3 N 4 particles abnormally grow and is out of the range of the seventh invention is inferior in fracture resistance to the experimental example 26 having the same composition.

【0049】尚、表2の実験例11、12及び表3の実
験例22の結果によれば、逃げ面摩耗量は1.48〜
1.88mmであって、耐摩耗性は十分であるとはいえ
ない。しかし、切削試験における加工山数は69〜82
個と、極めて耐欠損性に優れた焼結体であることが分か
る。また、表2の実験例15〜17及び19、21にお
いても、耐摩耗性は低下するものの、加工山数は68〜
78個であって、非常に耐欠損性に優れた焼結体である
ことが分かる。
According to the results of Experimental Examples 11 and 12 in Table 2 and Experimental Example 22 in Table 3, the flank wear amount is 1.48 to
Since it is 1.88 mm, it cannot be said that the abrasion resistance is sufficient. However, the number of processing peaks in the cutting test is 69 to 82.
It can be seen that this is a sintered body that is extremely excellent in fracture resistance. Also, in Experimental Examples 15 to 17 and 19 and 21 in Table 2, the wear resistance is lowered, but the number of processed peaks is 68 to
It can be seen that the number of sintered compacts is 78, which is a very excellent fracture resistance.

【0050】更に、本発明では、不純物として酸素元素
を含まない窒化珪素原料粉末を使用し、焼結助剤として
Mg3 2 、Mg2 Si及び窒化イッテルビウム、ケイ
化イッテルビウムの各粉末を用い、これら粉末を樹脂製
容器と窒化珪素球石によって混合し、非酸化雰囲気中で
焼成する(カプセルHIP法)ことにより、酸素元素を
含有しない工具用窒化珪素焼結体を得ることもできる。
この酸素元素を含有しない窒化珪素焼結体も同様に優れ
た性能を有する。
Further, in the present invention, a silicon nitride raw material powder containing no oxygen element is used as an impurity, and Mg 3 N 2 , Mg 2 Si, ytterbium nitride and ytterbium silicide are used as sintering aids, It is also possible to obtain a silicon nitride sintered body for a tool containing no oxygen element by mixing these powders with a resin container in a silicon nitride ball and firing them in a non-oxidizing atmosphere (capsule HIP method).
This silicon nitride sintered body containing no oxygen element also has excellent performance.

【0051】次に、実験例15の焼結体の表面に第15
発明に記載の各種の酸化物、窒化物等からなるコーティ
ング層を3〜8層設け、実験例28〜34とした。これ
らの実験例では、下記の切削試験の方法によって耐摩
耗性を評価した。表7に、コーティング層を形成する酸
化物等の種類、積層の順番、それぞれの層の厚さ及びコ
ーティング層の全厚さを示す。また、逃げ面摩耗量の結
果を併記する。
Next, on the surface of the sintered body of Experimental Example 15,
Experimental examples 28 to 34 were prepared by providing 3 to 8 coating layers made of various oxides, nitrides and the like described in the invention. In these experimental examples, wear resistance was evaluated by the following cutting test method. Table 7 shows the types of oxides forming the coating layer, the order of lamination, the thickness of each layer, and the total thickness of the coating layer. The results of the flank wear amount are also shown.

【0052】[0052]

【表7】 [Table 7]

【0053】切削試験(コーティングの効果が表れ易
い逃げ面摩耗の評価) 下記条件にて、鋳砂を研削した被削材を使用して耐摩耗
性の評価を行い、逃げ面の最大摩耗量VB をもって耐摩
耗性の指標とした(こすり摩耗試験)。被削材の形状は
円筒状である。図3において、L8は約50mm、L9
は195mmであり、R2は320mmである。尚、工
具は図3の右方から左方へと移動していく。また、この
被削材は繰り返し使用した。 被削材:FC200 切削速度:100m/分 送り:0.1mm/rev 切り込み:1.0mm 刃先:0.20mm×20° 切削時間:20分
Cutting test (evaluation of flank wear where the effect of the coating is apt to appear) Under the following conditions, the wear resistance is evaluated using the work material ground from the casting sand, and the maximum flank wear amount VB Was used as an index of wear resistance (rubbing wear test). The shape of the work material is cylindrical. In FIG. 3, L8 is about 50 mm, L9
Is 195 mm and R2 is 320 mm. The tool moves from right to left in FIG. Moreover, this work material was repeatedly used. Work material: FC200 Cutting speed: 100 m / min Feed: 0.1 mm / rev Cutting depth: 1.0 mm Cutting edge: 0.20 mm x 20 ° Cutting time: 20 minutes

【0054】表7の結果によれば、コーティング層を設
けた実験例28〜34のいずれの場合も、コーティング
層のない実験例15の焼結体に比べて逃げ面摩耗量が少
なく、優れた耐摩耗性を有することが分かる。また、第
15発明の範囲内である実験例29〜33では、実験例
15の場合と比べて摩耗量が1/2以下となっており、
特に耐摩耗性に優れている。一方、コーティング層の全
厚さが1.3μmと、第15発明の下限を下回っている
実験例28では、コーティングの効果がやや小さいこと
が分かる。また、コーティング層の全厚さが6.3μm
と、第15発明の上限を越えている実験例34では、切
削試験の初期にコーティング層が剥離を生じ、コーティ
ングの効果が低下した。
According to the results of Table 7, in any of Experimental Examples 28 to 34 in which the coating layer was provided, the flank wear amount was smaller than that of the sintered body of Experimental Example 15 having no coating layer, which was excellent. It can be seen that it has abrasion resistance. Further, in Experimental Examples 29 to 33 which are within the scope of the fifteenth invention, the wear amount is 1/2 or less as compared with the case of Experimental Example 15,
Especially excellent in abrasion resistance. On the other hand, in Experimental Example 28 in which the total thickness of the coating layer is 1.3 μm, which is below the lower limit of the fifteenth invention, it can be seen that the effect of the coating is slightly small. The total thickness of the coating layer is 6.3 μm
In Experimental Example 34 in which the upper limit of the fifteenth invention was exceeded, the coating layer peeled off at the beginning of the cutting test, and the effect of the coating decreased.

【0055】[0055]

【発明の効果】第1及び第5発明では、特定の元素を含
む少量の粒界ガラス相を有する焼結体とすることによ
り、緻密度が高く、特に高温における耐摩耗性等に優れ
る、切削工具等の素材として好適な工具用窒化珪素焼結
体を得ることができる。また、第7発明では、焼結体中
の寸法の大きいβ−Si3 4 を特定量以下とすること
により、優れた性能の工具用窒化珪素焼結体が得られ
る。
EFFECTS OF THE INVENTION In the first and fifth aspects of the invention, a sintered body having a small amount of grain boundary glass phase containing a specific element is used, so that the compact has a high density and is particularly excellent in wear resistance at high temperatures. It is possible to obtain a silicon nitride sintered body for a tool which is suitable as a material for a tool or the like. In addition, in the seventh invention, a β-Si 3 N 4 having a large size in the sintered body is set to a specific amount or less, whereby a silicon nitride sintered body for a tool having excellent performance can be obtained.

【0056】更に、第8及び第12発明では、原料粉末
の混合に酸化アルミニウム製の混合用具を用いた場合
に、原料に混入する酸化アルミニウム、又はアルミニウ
ム元素を含む焼結助剤によりもたらされるアルミニウム
成分の量を特定し、他の焼結助剤成分を、この混入量に
見合った量に調整することにより、同様に優れた緻密
性、耐摩耗性等を有する工具用窒化珪素焼結体を得るこ
とができる。
Further, in the eighth and twelfth inventions, when a mixing tool made of aluminum oxide is used for mixing the raw material powder, aluminum oxide mixed into the raw material or aluminum produced by a sintering aid containing an aluminum element is used. By specifying the amounts of the components and adjusting the amounts of the other sintering aid components to the amounts commensurate with this mixed amount, it is possible to obtain a silicon nitride sintered body for tools which also has excellent compactness and wear resistance. Obtainable.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】(A)は逃げ面摩耗量を測定するための被削材
の横断面図である。また、(B)は逃げ面摩耗量を測定
するための被削材の縦断面図である。
FIG. 1A is a cross-sectional view of a work material for measuring a flank wear amount. Further, (B) is a vertical cross-sectional view of the work material for measuring the flank wear amount.

【図2】耐欠損性を評価するための切削試験をした後の
被削材の正面図である。
FIG. 2 is a front view of a work material after a cutting test for evaluating fracture resistance.

【図3】コーティングの効果を確認するため、逃げ面摩
耗量を測定する場合の被削材の正面図である。
FIG. 3 is a front view of a work material when a flank wear amount is measured in order to confirm an effect of coating.

Claims (15)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 マグネシウム元素及びイッテルビウム元
素を含む窒化珪素焼結体において、該窒化珪素焼結体を
100重量%とした場合に、上記マグネシウム元素及び
上記イッテルビウム元素は、それぞれ0.16〜2.0
重量%及び0.7〜4.85重量%であり、且つ上記マ
グネシウム元素と上記イッテルビウム元素との合計量
は、6.2重量%以下であることを特徴とする工具用窒
化珪素焼結体。
1. A silicon nitride sintered body containing a magnesium element and a ytterbium element, wherein the magnesium element and the ytterbium element are each 0.16 to 2.25 when the silicon nitride sintered body is 100% by weight. 0
%, And 0.7 to 4.85% by weight, and the total amount of the magnesium element and the ytterbium element is 6.2% by weight or less.
【請求項2】 2.15重量%以下の酸素元素を含む請
求項1記載の工具用窒化珪素焼結体。
2. The silicon nitride sintered body for a tool according to claim 1, which contains 2.15% by weight or less of oxygen element.
【請求項3】 上記マグネシウム元素と上記イッテルビ
ウム元素との合計量が5.2重量%以下である請求項1
記載の工具用窒化珪素焼結体。
3. The total amount of the magnesium element and the ytterbium element is 5.2% by weight or less.
A silicon nitride sintered body for a tool as described.
【請求項4】 1.74重量%以下の酸素元素を含む請
求項3記載の工具用窒化珪素焼結体。
4. The silicon nitride sintered body for a tool according to claim 3, which contains 1.74% by weight or less of an oxygen element.
【請求項5】 マグネシウム成分及びイッテルビウム成
分を含む窒化珪素焼結体において、該窒化珪素焼結体を
100体積%とした場合に、上記マグネシウム成分及び
上記イッテルビウム成分は、酸化物に換算して、それぞ
れ0.25〜3.0体積%及び0.3〜2.0体積%で
あり、且つ上記マグネシウム成分と上記イッテルビウム
成分との合計量は、4.0体積%以下であることを特徴
とする工具用窒化珪素焼結体。
5. A silicon nitride sintered body containing a magnesium component and a ytterbium component, wherein the magnesium component and the ytterbium component are converted into oxides when the silicon nitride sintered body is 100% by volume, It is respectively 0.25 to 3.0% by volume and 0.3 to 2.0% by volume, and the total amount of the magnesium component and the ytterbium component is 4.0% by volume or less. Silicon nitride sintered body for tools.
【請求項6】 上記マグネシウム成分と上記イッテルビ
ウム成分との合計量が2.5体積%以下である請求項5
記載の工具用窒化珪素焼結体。
6. The total amount of the magnesium component and the ytterbium component is 2.5 vol% or less.
A silicon nitride sintered body for a tool as described.
【請求項7】 切断面において観察されるβ−Si3
4 粒子の断面積の合計を100%とした場合に、短軸径
が1μm以上の上記粒子の断面積の合計は10%未満で
あり、且つ長軸径が10μm以上の上記粒子の断面積の
合計は4%未満である請求項1乃至6のいずれか1項に
記載の工具用窒化珪素焼結体。
7. β-Si 3 N observed on a cut surface
When the total of the cross-sectional areas of the 4 particles is 100%, the total of the cross-sectional areas of the particles having a minor axis diameter of 1 μm or more is less than 10% and the cross-sectional area of the particles having a major axis diameter of 10 μm or more. The silicon nitride sintered body for tools according to claim 1, wherein the total is less than 4%.
【請求項8】 マグネシウム元素、イッテルビウム元素
及びアルミニウム元素を含む窒化珪素焼結体において、
該窒化珪素焼結体を100重量%とした場合に、上記マ
グネシウム元素及び上記イッテルビウム元素は、それぞ
れ0.16〜1.00重量%及び0.7〜3.0重量%
であり、且つ上記アルミニウム元素は、0.64重量%
以下(但し、0重量%は含まない。)であることを特徴
とする工具用窒化珪素焼結体。
8. A silicon nitride sintered body containing a magnesium element, a ytterbium element and an aluminum element,
When the silicon nitride sintered body is set to 100% by weight, the magnesium element and the ytterbium element are 0.16 to 1.00% by weight and 0.7 to 3.0% by weight, respectively.
And the aluminum element is 0.64% by weight.
The following (however, 0% by weight is not included) is the silicon nitride sintered body for tools characterized by the above-mentioned.
【請求項9】 2.12重量%以下の酸素元素を含む請
求項8記載の工具用窒化珪素焼結体。
9. The silicon nitride sintered body for a tool according to claim 8, which contains 2.12% by weight or less of oxygen element.
【請求項10】 上記マグネシウム元素は0.16〜
0.67重量%、上記アルミニウム元素は0.32〜
0.64重量%である請求項8記載の工具用窒化珪素焼
結体。
10. The magnesium element is 0.16 to
0.67% by weight, the above aluminum element is 0.32
The silicon nitride sintered body for a tool according to claim 8, which is 0.64% by weight.
【請求項11】 1.96重量%以下の酸素元素を含む
請求項10記載の工具用窒化珪素焼結体。
11. The silicon nitride sintered body for a tool according to claim 10, which contains 1.96% by weight or less of oxygen element.
【請求項12】 マグネシウム成分、イッテルビウム成
分及びアルミニウム成分を含む窒化珪素焼結体におい
て、該窒化珪素焼結体を100体積%とした場合に、上
記マグネシウム成分及び上記イッテルビウム成分は、酸
化物に換算して、それぞれ0.25〜1.5体積%及び
0.3〜1.2体積%であり、且つ上記アルミニウム成
分は、酸化物に換算して、1.0体積%以下(但し、0
体積%は含まない。)であることを特徴とする工具用窒
化珪素焼結体。
12. In a silicon nitride sintered body containing a magnesium component, a ytterbium component and an aluminum component, the magnesium component and the ytterbium component are converted into oxides when the silicon nitride sintered body is 100% by volume. And 0.25 to 1.5% by volume and 0.3 to 1.2% by volume, respectively, and the aluminum component is 1.0% by volume or less (provided that 0
Volume% is not included. ) Is a silicon nitride sintered body for a tool.
【請求項13】 上記マグネシウム成分は0.25〜
1.0体積%、上記アルミニウム成分は0.5〜1.0
体積%である請求項12記載の工具用窒化珪素焼結体。
13. The magnesium component is 0.25 to 0.25.
1.0% by volume, the aluminum component is 0.5 to 1.0
The silicon nitride sintered body for a tool according to claim 12, which has a volume percentage.
【請求項14】 気孔率が0.06体積%以下である請
求項1乃至13のいずれか1項に記載の工具用窒化珪素
焼結体。
14. The silicon nitride sintered body for a tool according to claim 1, which has a porosity of 0.06% by volume or less.
【請求項15】 表面に、Al2 3 、AlON、Ti
N、TiC及びTiCNのうちの1種からなる少なくと
も1層のコーティング層を有し、最外層のコーティング
層がTiNからなり、且つ上記コーティング層の全厚さ
が1.5〜6μmである請求項1乃至14のいずれか1
項に記載の工具用窒化珪素焼結体。
15. Al 2 O 3 , AlON, Ti on the surface
7. At least one coating layer made of one of N, TiC and TiCN, wherein the outermost coating layer is made of TiN, and the total thickness of the coating layer is 1.5 to 6 μm. Any one of 1 to 14
A silicon nitride sintered body for a tool according to the item.
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