窒化珪素質焼結体および切削工具ならびに切削加工装置、切削方法
【課題】耐摩耗性、耐チッピング性を改善した窒化珪素質焼結体および切削工具ならびに切削加工装置、切削方法を提供する。
【解決手段】窒化珪素結晶を主とする結晶相と、ランタン、アルミニウム、マグネシウム、珪素及び酸素を含み、窒化珪素結晶の粒界にある非晶質の粒界相とを有し、焼結体の表面から深さ０．３ｍｍの面におけるマグネシウム含有量が酸化物換算で１．３質量％以下であるとともに、焼結体表面から深さ０．３ｍｍの面におけるマグネシウム含有量が、焼結体表面から深さ１ｍｍの面におけるマグネシウム含有量よりも少なく、かつ、焼結体表面から深さ０．３ｍｍの面と深さ１ｍｍの面とのマグネシウム含有量の差が、酸化物換算で０．５質量％以下である。
【解決手段】窒化珪素結晶を主とする結晶相と、ランタン、アルミニウム、マグネシウム、珪素及び酸素を含み、窒化珪素結晶の粒界にある非晶質の粒界相とを有し、焼結体の表面から深さ０．３ｍｍの面におけるマグネシウム含有量が酸化物換算で１．３質量％以下であるとともに、焼結体表面から深さ０．３ｍｍの面におけるマグネシウム含有量が、焼結体表面から深さ１ｍｍの面におけるマグネシウム含有量よりも少なく、かつ、焼結体表面から深さ０．３ｍｍの面と深さ１ｍｍの面とのマグネシウム含有量の差が、酸化物換算で０．５質量％以下である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐摩耗性、耐チッピング性を改善した窒化珪素質焼結体および切削工具ならびに切削加工装置、切削方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジニアリングセラミックスとして知られている窒化珪素やサイアロンは、高強度、高温高強度、高靭性である上、耐熱性、耐熱衝撃性、耐摩耗性および耐酸化性に優れることから、特にガスタービンやターボロータ等の熱機関用部品や切削工具として応用が進められている。
【０００３】
このような部品のうち、特に切削工具では強い衝撃が加わることがあるため、耐衝撃性や耐チッピング性を改善した材料が求められている。
【０００４】
これまでに、窒化珪素質焼結体の機械的、熱的特性を高めるために、窒化珪素質焼結体の粒界を、金属成分として希土類元素と珪素とアルミニウムと微量のマグネシウム、さらに酸素と窒素からなる非晶質の粒界相により構成し、それらの粒界相成分を特定の組成範囲に制御することで上記目的を達成しようとする試みがなされている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００５】
尚、窒化珪素結晶粒子の粒界を構成する希土類元素としてイットリウムを用いたものが知られている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特許第３４５４９９３号公報
【特許文献２】特許第２９９７８９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１、２に記載の窒化珪素質焼結体においては、焼結体表層と焼結体内部のマグネシウム含有量の差が大きく、これにより、焼結体の表層と内部とで特性差が生じ、未だ耐摩耗性および耐チッピング性に劣るといった問題があった。
【０００７】
焼結体表層と焼結体内部とのマグネシウム含有量の差が大きくなる理由については明確ではないが、本発明者等は、焼成時にマグネシウムが揮発し、窒化珪素粉末間を外部に抜けていくため、焼結体表層と焼結体内部とのマグネシウム含有量の差が大きくなると考えている。
【０００８】
本発明の課題は、耐摩耗性、耐チッピング性を改善した窒化珪素質焼結体および切削工具ならびに切削加工装置、切削方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者等は、上記課題について鋭意検討した結果、ランタンと、アルミニウムと、マグネシウムと、珪素とを組み合わせることにより、焼成時にＭｇＯの揮発が顕著になる温度よりも低温で液相を生成させ、液相生成による再配列過程において体積収縮による開気孔の低減により、ＭｇＯが外部に抜けていくのを抑制でき、焼結体表面から深さ０．３ｍｍの面（以下、表層ということがある）と、焼結体表面から深さ１ｍｍの面（以下、内部ということがある）とのマグネシウム含有量の差を小さくできることを見出し、本発明に至った。
【００１０】
本発明の窒化珪素質焼結体は、窒化珪素結晶を主体とする結晶相と、ランタン、アルミニウム、マグネシウム、珪素及び酸素を含み、前記窒化珪素結晶の粒界にある非晶質の粒界相とを有する窒化珪素質焼結体であって、該窒化珪素質焼結体の表面から深さ０．３ｍｍの面におけるマグネシウム含有量が酸化物換算で１．３質量％以下であるとともに、前記窒化珪素質焼結体の表面から深さ０．３ｍｍの面におけるマグネシウム含有量が、前記窒化珪素質焼結体の表面から深さ１ｍｍの面におけるマグネシウム含有量よりも少なく、かつ、前記窒化珪素質焼結体の表面から深さ０．３ｍｍの面と深さ１ｍｍの面とのマグネシウム含有量の差が、酸化物換算で０．５質量％以下であることを特徴とする。
【００１１】
本発明の窒化珪素質焼結体では、粒界相中のＭｇが焼結体の深さ方向に対して従来よりも均一に存在するようになり、焼結体の表層と内部とでの特性差が生じ難くなり、耐摩耗性および耐チッピング性を向上できる。
【００１２】
焼結体表面から深さ０．３ｍｍの面と深さ１ｍｍの面におけるマグネシウム含有量の差が、酸化物換算量で０．５質量％以下となる理由については明確ではないが、本発明者等は、希土類元素（第３族元素）酸化物の中でも酸化ランタンは、シリカ（ＳｉＯ２）との共晶温度が、他の希土類元素酸化物とシリカとの共晶温度よりも低いため、ランタンと、アルミニウムと、マグネシウムと、珪素とを組み合わせることにより、ＭｇＯの揮発が顕著になる温度よりも焼結助剤の液相化温度を低下させることが可能となり、焼成段階でＭｇＯの揮発が顕著になる前に低温で液相を生成させ、液相生成による再配列過程において体積収縮による開気孔の低減により、低温で緻密化を開始し、ＭｇＯが揮発したとしても、ＭｇＯが外部に漏出することを抑制することができ、これにより表層と内部のマグネシウム（酸化物換算）の濃度差が小さくなり、従来よりも均質で緻密な焼結体が作製できると考えている。
【００１３】
また、本発明の窒化珪素質焼結体は、前記ランタンの酸化物換算量、前記アルミニウムの酸化物換算量および前記マグネシウムの酸化物換算量の合計が窒化珪素質焼結体の全量中３．５質量％以下であることを特徴とする。上記したように、ランタンと、アルミニウムと、マグネシウムと、珪素とを組み合わせることにより、助剤量が少ない場合であっても低温で緻密化させることができ、耐摩耗性および耐チッピング性を改善した窒化珪素質焼結体を提供することができる。
【００１４】
さらに、本発明の窒化珪素質焼結体は、前記窒化珪素質焼結体の表面は焼き肌面（as fired）であることを特徴とする。焼き肌面で最もＭｇＯの揮発が激しいことが知られているが、本発明では、焼き肌面と内部のマグネシウム（酸化物換算）の濃度差を小さくすることができる。
【００１５】
また、本発明の窒化珪素質焼結体は、前記窒化珪素質焼結体の表面から深さ０．３ｍｍの面および前記窒化珪素質焼結体の表面から深さ１ｍｍの面における粒界相の面積比率がそれぞれ１０％以下であることを特徴とする。本発明の窒化珪素質焼結体では、焼結体中の粒界相が少ないことになり、粒界相の組成差も小さくなるため、耐チッピング性を高めることができる。
【００１６】
本発明の切削工具は、上記の窒化珪素質焼結体からなることを特徴とする。このような切削工具では、耐摩耗性および耐チッピング性に優れ、寿命の長い切削工具を提供できる。
【００１７】
本発明の切削加工装置は、上記の切削工具と、該切削工具により加工する被切削材を保持するための保持台とを具備することを特徴とする。このような切削加工装置では、切削工具を長期間取り替えることなく切削することができる。
【００１８】
本発明の切削方法は、上記の切削工具を用いて被切削材を切削することを特徴とする。このような切削方法では、切削工具の耐摩耗性及び耐チッピング性が向上することに伴い、被切削材の寸法精度を向上できるとともに、切削工具を長期間取り替えることなく切削することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の窒化珪素質焼結体では、粒界相中のＭｇが焼結体の深さ方向に対して従来よりも均一に存在するようになり、焼結体の表層と内部とでの特性差が生じ難くなり、耐摩耗性および耐チッピング性を向上できる。
【００２０】
本発明の切削工具では、切削工具が上記の窒化珪素質焼結体からなるため、耐摩耗性および耐チッピング性に優れ、寿命の長い切削工具を提供できる。
【００２１】
本発明の切削加工装置では、切削加工装置が上記の切削工具を具備するので、切削工具を長期間取り替えることなく切削することができる。
【００２２】
本発明の切削方法では、上記の切削工具を用いて被切削材を切削するので、切削工具の耐摩耗性及び耐チッピング性が向上することに伴い、被切削材の寸法精度を向上できるとともに、切削工具を長期間取り替えることなく切削することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本実施形態の窒化珪素質焼結体は、主結晶である窒化珪素結晶と粒界相とを有する組織を有し、窒化珪素は主にβ−窒化珪素結晶相からなる。なお、このβ―窒化珪素結晶相に、わずかにアルミニウムが固溶してβ−サイアロンを形成していてもよい。窒化珪素の他に、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ等の窒化物、炭化物、炭窒化物、Ｗ、Ｍｏ等の珪化物のうち少なくとも１種が存在する場合がある。窒化珪素結晶は、全量中に９４．５質量％以上、さらには９６．５質量％以上含有することが望ましい。これにより窒化珪素結晶の優れた特性を十分に発揮させることができる。
【００２４】
［組成について］
本実施形態によれば、粒界相は、ランタン、アルミニウム、マグネシウム、珪素及び酸素を含有するものである。この粒界相を構成する元素の組成は、焼結体全量中、ランタンの酸化物（Ｌａ２Ｏ３）換算量が０．１質量％以上、アルミニウムの酸化物（Ａｌ２Ｏ３）換算量が０．０５〜０．６質量％、マグネシウムの酸化物（ＭｇＯ）換算量が０．３質量％以上、酸素が２．５質量％以下であり、ランタンの酸化物換算量、アルミニウムの酸化物換算量、マグネシウムの酸化物換算量の合計が３．５質量％以下であることが望ましい。
【００２５】
ランタンの酸化物換算量は、焼結体の緻密化のために、特に０．５質量％以上、さらには１質量％以上含むことが望ましい。アルミニウムの酸化物換算量は、焼結助剤の液相生成温度の低温化、焼結体の緻密化のために、特には０．２質量％以上含み、焼結体の耐酸化性の低下による耐摩耗性の低下抑制のために、特に０．２〜０．５５質量％、さらには０．３〜０．５質量％が望ましい。マグネシウムの酸化物換算量は、焼結助剤の液相生成温度の低温化、焼結体の緻密化のために、特に０．３５質量％以上、さらには０．４質量％以上含むことが望ましい。
【００２６】
窒化珪素質焼結体に含まれる酸素量は、焼結助剤の液相生成温度の低温化、焼結体の緻密化を保つとともに、耐酸化性および耐摩耗性を改善した窒化珪素質焼結体を実現するために２．５質量％以下が良い。特に、２．２質量％以下、さらには２質量％以下とすることが望ましい。
【００２７】
このような組成とすることで、焼結助剤の量が少ない場合であっても窒化珪素質焼結体を低温で緻密化することができる。第３族元素酸化物の中でも酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）は、シリカ（ＳｉＯ２）との共晶温度が、他の第３族元素（例えばエルビウム、イットリウム）酸化物とシリカとの共晶温度よりも低い。因みに酸化ランタンとシリカとの共晶温度が１６２５℃であるのに対し、酸化エルビウム（Ｅｒ２Ｏ３）とシリカとの共晶温度が１６８０℃であり、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）とシリカとの共晶温度が１６６０℃であり、酸化ランタンとシリカとの共晶温度が低い。尚、シリカは、窒化珪素原料中に含まれる。
【００２８】
共晶温度の低い酸化ランタンとシリカとの組み合わせに対して、酸化マグネシウムおよび酸化アルミニウムをさらに加えることにより、液相生成温度を１４００℃以下に低下させることが可能となる。その結果、窒化珪素が低温で緻密化を開始し、組織の微細化を達成することができる。また、窒化珪素結晶粒子の異常粒成長を抑制することができる。よって、耐摩耗性と耐チッピング性を改善した窒化珪素質焼結体となる。
【００２９】
焼結助剤として、ランタンと珪素とアルミニウムとマグネシウムとを用いた場合には、窒化珪素結晶粒子（視野０．０１５ｍｍ２で長径が大きい方から６個の窒化ケイ素粒子）の平均長径を１０μｍ以下に抑制することが可能となる。その結果、耐摩耗性に加えて、耐チッピング性を向上させることができる。
【００３０】
これに対し、ランタン以外の希土類元素を添加した場合には、耐チッピング性が劣るものしか得られない。
【００３１】
尚、ランタンの不純物として、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ等の他の希土類元素が、酸化物換算で合計１質量％以下含有することがある。すなわち、焼結体全量中に、ランタン以外のＣｅ、Ｐｒ、Ｎｄ等の他の希土類元素が焼結体全量中０．０３質量％以下含有することがある。ランタン以外の希土類元素を不純物として含有することがあるものの、酸化物換算量で焼結体全量中に０．０３質量％程度あっても、ランタンと珪素とアルミニウムとマグネシウムとの組合せによる特性向上を十分に発揮できる。
【００３２】
また、本実施形態の窒化珪素質焼結体に、周期表第６族元素珪化物粒子を０．１〜２質量％の割合で含有させることで、高温強度の低下を抑制することができるとともに、窒化珪素質焼結体の耐摩耗性をさらに高めることができる。なお、この周期表第６族元素珪化物粒子は、窒化珪素質焼結体の粒界相に分散して存在している。
【００３３】
また、周期表第６族元素珪化物として、珪化クロム、珪化モリブデン、珪化タングステンを例示できるが、微細な酸化物原料を用いて、焼成中に微細な粒子とできるという理由からことから珪化タングステンを用いることが望ましい。
【００３４】
また、本実施形態の窒化珪素質焼結体は、相対密度が９９％以上であることが好ましい。相対密度が９９％以上になると、焼結体中にボイドがほとんどなくなり、さらに耐磨耗性が向上する。更に焼結体中にボイドがほとんどなくなることにより、フライス加工のように切削時に衝撃が加わるような加工の際、ボイドに応力が集中し、チッピングするという現象が抑制されるため耐チッピング性もよくなる。
【００３５】
本実施形態の窒化珪素質焼結体は、常圧焼成でも相対密度９９％以上に緻密化することができるが、例えば、加圧焼成することで、結晶粒子の異常粒成長を抑制するとともに、相対密度を高くすることもできる。
【００３６】
［組織について］
本実施形態の窒化珪素質焼結体は、焼結体表面から深さ０．３ｍｍの面（以下、表層ということがある）におけるマグネシウム含有量が酸化物換算で１．３質量％以下であるとともに、焼結体表面から深さ０．３ｍｍの面におけるマグネシウム含有量が、焼結体表面から深さ１ｍｍの面（以下、内部ということがある）におけるマグネシウム含有量よりも少なく、かつ、焼結体表面から深さ０．３ｍｍの面と深さ１ｍｍの面におけるマグネシウム含有量の差が、酸化物（ＭｇＯ）換算で０．５質量％以下である。
【００３７】
このような構成とすることにより、粒界相中の成分が焼結体の深さ方向に対して従来よりも均一に存在するようになり、焼結体の表層と内部とで特性差が生じ難くなり、耐摩耗性および耐チッピング性を向上できる。
【００３８】
焼結体表面から深さ０．３ｍｍの面と深さ１ｍｍの面におけるマグネシウム含有量の差が、酸化物換算量で０．５質量％以下となる理由については明確ではないが、本発明者等は、以下のように考えている。
【００３９】
すなわち、周期表第３族元素の中でもランタンは、シリカとの共晶温度が、他の第３族元素とシリカとの共晶温度よりも低いため、焼結助剤としてランタンと、珪素と、Ｍｇと、アルミニウムとを組み合わせて用いることにより、ＭｇＯの揮発が顕著になる温度よりも焼結助剤の液相生成温度を低下させることが可能となり、さらに焼結助剤の液相生成温度よりも少し高い温度で一定時間保持することにより、焼成段階でＭｇＯの揮発が顕著になる前に低温で液相を十分に生成させることができる。
【００４０】
これにより、液相生成による再配列過程において、体積収縮して開気孔が低減することにより、ＭｇＯが揮発したとしても、ＭｇＯが外部に漏出することを抑制することができ、これにより表層と内部のマグネシウム（酸化物換算）の濃度差が小さくなり、さらに均質で緻密な焼結体が作製できると考えている。
【００４１】
表層と内部のマグネシウム含有量差は、酸化物（ＭｇＯ）換算量で、０．４質量％以下であることが望ましい。
【００４２】
焼き肌面で最もＭｇＯの揮発が激しいことが知られているが、上記構成を用いれば、焼き肌面と内部のマグネシウム（酸化物換算）の濃度差を小さくすることができる。尚、焼き肌面とは、焼成後に、研削等の加工を施していない面をいう。また、ランタンの酸化物換算量、アルミニウムの酸化物換算量およびマグネシウムの酸化物換算量の合計が３．５質量％以下である。
【００４３】
本実施形態では、表層のマグネシウム含有量を酸化物換算で１．３質量％以下とすることにより、表層におけるボイドを低減でき、切削性能を向上できる。表層のマグネシウム含有量は、酸化物換算で０．３〜０．８質量％であることが望ましい。
【００４４】
また、本実施形態の窒化珪素質焼結体は、相対密度が９９％以上であるとともに、焼結体表面から深さ０．３ｍｍの面および焼結体表面から深さ１ｍｍの面における粒界相の面積比率がそれぞれ１０％以下であることが望ましい。
【００４５】
焼結体表面から深さ０．３ｍｍの面および焼結体表面から深さ１ｍｍの面における粒界相の面積比率は、焼結体表面から深さ０．３ｍｍの面および焼結体表面から深さ１ｍｍの面をそれぞれ鏡面加工し、該鏡面加工した面を、２３質量％のフッ酸と７７質量％の水とからなる容器内の液に浸け、容器毎５０℃に設定したウオーターバスに入れ、３時間放置して、粒界相部分をエッチングし、その面の顕微鏡写真を画像解析し、顕微鏡写真の一定面積に対する空隙の面積率を求めることにより得ることができる。
【００４６】
焼結体表面から深さ０．３ｍｍの面および焼結体表面から深さ１ｍｍの面における粒界相の面積比率がそれぞれ１０％以下であるため、焼結体中の粒界相が少ないことになり、粒界相の組成差も小さくなるため、耐チッピング性を高めることができる。
【００４７】
以上のように、ランタンと、珪素と、アルミニウムと、マグネシウムとの組み合わせによって、粒界相の液相生成温度を顕著に下げることができる。これにより、低温での焼成が可能となり、窒化珪素結晶粒子の長さ方向への異常粒成長を抑制できるとともに、組織の微細化を達成することができる。その結果、耐摩耗性と耐チッピング性を改善した窒化珪素質焼結体となる。
【００４８】
［製法について］
以下に、本実施形態の窒化珪素質焼結体の製造方法について説明する。まず、出発原料として、例えば、窒化珪素粉末と、ランタンの水酸化物（Ｌａ（ＯＨ）３）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、水酸化マグネシウム（Ｍｇ（ＯＨ）２）を準備する。また、必要に応じて、二酸化珪素（ＳｉＯ２）、周期表第６族元素珪化物の粉末を用意する。
【００４９】
窒化珪素原料は、α−窒化珪素粉末、β−窒化珪素粉末、又はこれらの混合物のいずれも用いることができる。これらの粒径は、１μｍ以下、特に０．５μｍ以下であることが好ましい。また、ランタン原料としては、酸化ランタン粉末を用いても良いが、酸化ランタンは吸湿性が高いため、水酸化ランタン等のように吸水性が低く、焼成過程で酸化ランタンとなる化合物を用いることが好ましい。ランタン原料中には、１質量％以下の他の希土類元素の不純物が存在する。
【００５０】
また、マグネシウム原料としては、酸化マグネシウムや炭酸マグネシウムを用いても良いが、酸化マグネシウムは吸水性が高く、炭酸マグネシウムは炭酸ガスを発生してしまうので、水酸化マグネシウムのように、吸水性が低く、炭酸ガスの発生も無く、焼成過程で酸化マグネシウムとなる化合物を用いることが好ましい。
【００５１】
さらに、珪素原料としては、窒化珪素原料中に含まれているものを用いる。窒化珪素粉末中に含まれる酸素が、二酸化珪素して存在していると考えて、組成を調整する。珪素原料が不足する場合には、二酸化珪素粉末を添加する。
【００５２】
また、アルミニウム原料としては、酸化アルミニウム粉末を用いる。
【００５３】
また、窒化珪素質焼結体に含有させる周期表第６族元素珪化物は、珪化タングステンを用いることが望ましく、珪化タングステン原料粉末としては、タングステンの酸化物、炭化物、珪化物、窒化物等いずれでも良いが、安価で微粉末が得られやすいことから、酸化物を用いることが望ましい。このように珪化物以外の原料を用いた場合であっても、本実施形態の窒化珪素質焼結体の組成領域では、タングステンの化合物は、容易に珪化タングステンに変化させることができる。尚、タングステンの代わりに、クロム、モリブデンを用いることができる。
【００５４】
これらの原料を秤量し、ボールミル等の公知の粉砕手段を用いて混合、粉砕する。この混合粉末に適宜バインダーや溶剤を添加し、スプレードライ法等により造粒する。
【００５５】
そして、所定の割合で調整した混合粉末を造粒した造粒粉末を、例えば金型プレス成形、鋳込み成形、押出成形、射出成形、冷間静水圧プレス成形等の公知の成形手段により任意の形状に成形する。得られた成形体を公知の焼成手段、例えば窒素雰囲気中での常圧焼成法、ガス圧力焼成法、ホットプレス法等により１６５０〜１８５０℃の温度で焼成した後、冷却して本実施形態の窒化珪素質焼結体を得ることができる。
【００５６】
そして、焼結体表面から深さ０．３ｍｍの面におけるマグネシウム含有量が酸化物換算で１．３質量％以下であるとともに、表層におけるマグネシウム含有量が、内部におけるマグネシウム含有量よりも少なく、かつ、焼結体表面から深さ０．３ｍｍの面と深さ１ｍｍの面におけるマグネシウム含有量の差を、酸化物（ＭｇＯ）換算で０．５質量％以下とするには、成形体を公知の焼成手段、例えば窒素雰囲気中での常圧焼成法、ガス圧力焼成法、ホットプレス法等により焼成するに際して、１３２５〜１３７５℃で所定時間保持した後、１６５０〜１８５０℃の温度で焼成し、冷却して本発明の窒化珪素質焼結体を得ることができる。
【００５７】
焼結体表面から深さ０．３ｍｍの面と深さ１ｍｍの面におけるマグネシウム含有量の差が、酸化物換算量で０．５質量％以下となる理由については明確ではないが、本発明者等は、第３族元素の中でもランタンは、シリカとの共晶温度が、他の第３族元素とシリカとの共晶温度よりも低いため、ＭｇＯの揮発が顕著になる温度よりも焼結助剤の液相生成温度を低下させることが可能となり、１３２５〜１３７５℃で所定時間保持することにより、焼成段階でＭｇＯの揮発が顕著になる前に低温で十分に液相を生成させ、液相生成による再配列過程において体積収縮による開気孔の低減により、ＭｇＯが揮発したとしても、ＭｇＯが外部に漏出することを抑制することができ、これにより表層と内部のマグネシウム（酸化物換算）の濃度差が小さくなり、従来よりも均質で緻密な焼結体が作製できると考えている。
【００５８】
この焼成に用いる雰囲気は、窒素を主体とするもので、窒化珪素質焼結体が焼成工程で酸化しない範囲で微量の酸素を含んでいても良いことはいうまでもない。また、窒化珪素質成形体やいわゆるとも材などから蒸発するＳｉＯやＭｇＯなどの成分を含んでいてもよい。
【００５９】
特に、積極的に窒素雰囲気中に、さらに酸素と珪素とマグネシウムとを含有させて、焼成することが望ましい。このような酸素と珪素とマグネシウムとを含有する雰囲気としては、ＳｉＯとＭｇＯとを含有する雰囲気が挙げられる。
【００６０】
焼結助剤として添加する成分の内、ランタン、アルミニウムの酸化物成分は焼成中に揮発しにくいが、マグネシウム、シリコンの酸化物成分はＳｉＯやＭｇＯの成分として揮発しやすい。このため、積極的に雰囲気中にＳｉＯやＭｇＯなどの成分を含有させて、焼成することで、焼結助剤として添加したＳｉＯ２あるいは窒化珪素原料に含まれるＳｉＯ２の分解が抑制され、ＭｇＯの揮発が抑制される。
【００６１】
その結果、添加された焼結助剤が少量でも緻密な焼結体を製造することが容易となる。このような雰囲気は、例えば、ＳｉとＳｉＯ２とＭｇＯ粉末、あるいは窒化珪素粉末とＭｇＯ粉末との混合粉末を、焼成によって本実施形態の窒化珪素質焼結体となる成形体とともに焼成鉢の中に置く、敷き詰める、又は焼成によって本実施形態の窒化珪素質焼結体となる成形体の周囲に配置した後、焼成によって本実施形態の窒化珪素質焼結体となる成形体とともに焼成することでＳｉやＭｇを蒸発させて実現することができる。
【００６２】
更に、前述のように窒化珪素結晶粒子の粒径を小さくし、窒化珪素結晶粒子の異常粒成長を抑制するためには、低温から緻密化を開始させ、高温での粒成長を抑制することが重要であり、相対密度を上げるためには、粒成長が顕著ではない低温で緻密化を促進した上で昇温し、十分緻密化させることが重要である。一旦、窒素雰囲気中で１６５０℃〜１８５０℃で焼成した後、９．８ＭＰａ〜２９４ＭＰａ、１５００〜１７００℃で熱間静水圧焼成を施すことが望ましい。
【００６３】
その結果、緻密で、窒化珪素結晶粒子の異常粒成長が抑制された耐チッピング性を改善した窒化珪素質焼結体が得られる。
【００６４】
［切削工具について］
また、本実施形態の窒化珪素質焼結体は、工具として用いた場合には、耐摩耗性と耐チッピング性を改善した工具となり、特に、耐摩耗性と耐チッピング性とが要求される切削工具として好適に用いられる。
【００６５】
なお、図１に示すように、切削工具１１として用いる場合には、角部に切刃１３を備えた四角い板状の形態や、従来周知の形態が適用できる。
【００６６】
切削工具の製法は、上記窒化珪素質焼結体の製法において、成形の際に、所望の切削工具の形状に成形することで、本実施形態の窒化珪素質焼結体からなる切削工具を容易に作製することができる。また、焼成後に切削、研磨等により切削工具状に加工してもよいことは言うまでもない。さらに、本実施形態の窒化珪素質焼結体からなる切削工具の切刃の表面にＴｉＮやＴｉＡｌＮ等のコーティングを施してもよい。
【００６７】
また、上記切削工具を用いて被切削材を切削する場合には、切削工具が耐摩耗性と耐チッピング特性を改善できるため、被切削材の寸法精度が向上し、切削工具は耐久性が改善されるため、切削工具を長期間取り替えることなく切削することができ、切削工具の取替時間を少なくすることができる。
【００６８】
さらに、図示しないが、少なくとも上記切削工具と、該切削工具により加工する被切削材を保持するための保持台とを具備して切削加工装置を構成することができる。切削加工装置としては、旋盤のような旋削加工装置、マシニングセンタのようなフライス加工装置などが挙げられる。この場合には、切削工具を長期間取り替えることなく切削することができ、切削工具の取替回数が少なくなり、コストを低減できる。
【００６９】
以下、実施例を挙げて本発明についてさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【実施例】
【００７０】
出発原料として、平均粒径０．３μｍの窒化珪素粉末と、不純物としてＣｅ、Ｐｒ、Ｎｄを１質量％以下含む平均粒径１．２μｍのランタン水酸化物（Ｌａ（ＯＨ）３）、平均粒径０．７μｍのアルミニウム酸化物、平均粒径２．５μｍのマグネシウム水酸化物を用意した。
【００７１】
これらの原料粉末を用いて、バインダーと溶剤とともに調合した後、ボールミルにて７２時間、粉砕、混合した。その後、乾燥して溶剤を除去して造粒粉末を作製し、この造粒粉末を９８ＭＰａの圧力でプレス成形し、切削工具形状ＳＮＧＮ１２０４１２用の成形体を得た。
【００７２】
この成形体を脱脂後、１３５０℃で表１に示す時間（３〜６時間）保持した後、１７５０℃で５時間、Ｎ２雰囲気で常圧の条件で焼成後、１６００℃、２時間、１９６ＭＰａの条件で熱間静水圧焼成（ＨＩＰ）して焼結体を得た。
【００７３】
得られた窒化珪素質焼結体についてアルキメデス法により焼結体の密度を測定し、相対密度に換算したところ、相対密度は全試料とも１００％であった。
【００７４】
また、得られた窒化珪素質焼結体の酸素量は、窒化珪素質焼結体を粉砕して粉状にして、赤外吸収法によって測定した。表層は最表面（焼き肌面）〜０．３ｍｍを採取し、内部は０．３〜０．７ｍｍ部分を採取し、測定した。
【００７５】
また、得られた窒化珪素質焼結体の表面を０．３ｍｍ及び１．０ｍｍだけ平面研削加工し、それぞれの面について蛍光Ｘ線分析を用いて組成分析を行った。ＭｇＯ、希土類元素Ｒｅ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３量、ＭｇＯ濃度差（内部のＭｇＯ量−表層のＭｇＯ量）を表１に示した。算出した周期表第３族元素酸化物Ｒｅ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯの合計量を求めた。ランタン以外の希土類元素は、酸化物換算で、全量中０．０３質量％以下であった。
【００７６】
また、それぞれの面の鏡面加工を行い、該鏡面加工した面を、２３質量％のフッ酸と７７質量％の水とからなる容器内の液に浸け、容器毎５０℃に設定したウオーターバスに入れ、３時間放置して、粒界相部分をエッチングし、その面の０．０１５ｍｍ２視野を走査型電子顕微鏡写真（１０００倍）により撮影し、その中の空隙率の割合を画像解析装置により求め、粒界相の面積比率とし、その値を表２に示した。
【００７７】
さらに得られた窒化珪素質焼結体を用いて、図１に示すような切削工具を製作し、被切削材：ＦＣＤ−４５０、切削速度：５００ｍ／ｍｉｎ、送り量：０．２ｍｍ／ｒｅｖ、切り込み量：２．０ｍｍ、切削時間：１２０ｓｅｃの条件で旋削試験と、被切削材：ＦＣＤ−４５０、切削速度：５００ｍ／ｍｉｎ、送り量：０．５ｍｍ／ｔｏｏｔｈ、切り込み量：２．０ｍｍ、パス回数：１０パスの条件でフライス加工試験を行った。評価は、刃先のフランク摩耗量は、旋削試験後に測長器付きの顕微鏡を用いて写真撮影し、摩耗量の平均値を測定して算出した。また、刃先のチッピングは、フライス加工試験後、顕微鏡で刃先を観察して写真撮影し、チッピング領域の面積を求めた。これらの結果を表２に示した。
【００７８】
尚、試料Ｎｏ．１２では希土類元素酸化物（Ｒｅ２Ｏ３）としてＹ２Ｏ３を用い、試料Ｎｏ．１３では希土類元素酸化物（Ｒｅ２Ｏ３）としてＥｒ２Ｏ３を用いた。
【００７９】
また、試料Ｎｏ．１４は、ＭｇＯ粉末を、成形体の周辺に配置し、成形体と同時に焼成した場合である。これらの結果も表２に記載した。
【表１】
【００８０】
【表２】
【００８１】
表１、２に示した結果によれば、本発明の範囲内の試料Ｎｏ．１〜９はいずれも摩耗量が小さく刃先のチッピングの少ない切削性能を示した。これに対して、比較例の試料Ｎｏ．１０、１１は切削試験において摩耗量が増大した。また、希土類元素としてＹ、Ｅｒを用いた比較例の試料Ｎｏ．１２、１３は、摩耗量が多く、チッピング面積も大きいことがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本実施形態の切削工具の一例を示す斜視図である。
【００８３】
１１・・・切削工具
１３・・・切刃
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐摩耗性、耐チッピング性を改善した窒化珪素質焼結体および切削工具ならびに切削加工装置、切削方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジニアリングセラミックスとして知られている窒化珪素やサイアロンは、高強度、高温高強度、高靭性である上、耐熱性、耐熱衝撃性、耐摩耗性および耐酸化性に優れることから、特にガスタービンやターボロータ等の熱機関用部品や切削工具として応用が進められている。
【０００３】
このような部品のうち、特に切削工具では強い衝撃が加わることがあるため、耐衝撃性や耐チッピング性を改善した材料が求められている。
【０００４】
これまでに、窒化珪素質焼結体の機械的、熱的特性を高めるために、窒化珪素質焼結体の粒界を、金属成分として希土類元素と珪素とアルミニウムと微量のマグネシウム、さらに酸素と窒素からなる非晶質の粒界相により構成し、それらの粒界相成分を特定の組成範囲に制御することで上記目的を達成しようとする試みがなされている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００５】
尚、窒化珪素結晶粒子の粒界を構成する希土類元素としてイットリウムを用いたものが知られている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特許第３４５４９９３号公報
【特許文献２】特許第２９９７８９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１、２に記載の窒化珪素質焼結体においては、焼結体表層と焼結体内部のマグネシウム含有量の差が大きく、これにより、焼結体の表層と内部とで特性差が生じ、未だ耐摩耗性および耐チッピング性に劣るといった問題があった。
【０００７】
焼結体表層と焼結体内部とのマグネシウム含有量の差が大きくなる理由については明確ではないが、本発明者等は、焼成時にマグネシウムが揮発し、窒化珪素粉末間を外部に抜けていくため、焼結体表層と焼結体内部とのマグネシウム含有量の差が大きくなると考えている。
【０００８】
本発明の課題は、耐摩耗性、耐チッピング性を改善した窒化珪素質焼結体および切削工具ならびに切削加工装置、切削方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者等は、上記課題について鋭意検討した結果、ランタンと、アルミニウムと、マグネシウムと、珪素とを組み合わせることにより、焼成時にＭｇＯの揮発が顕著になる温度よりも低温で液相を生成させ、液相生成による再配列過程において体積収縮による開気孔の低減により、ＭｇＯが外部に抜けていくのを抑制でき、焼結体表面から深さ０．３ｍｍの面（以下、表層ということがある）と、焼結体表面から深さ１ｍｍの面（以下、内部ということがある）とのマグネシウム含有量の差を小さくできることを見出し、本発明に至った。
【００１０】
本発明の窒化珪素質焼結体は、窒化珪素結晶を主体とする結晶相と、ランタン、アルミニウム、マグネシウム、珪素及び酸素を含み、前記窒化珪素結晶の粒界にある非晶質の粒界相とを有する窒化珪素質焼結体であって、該窒化珪素質焼結体の表面から深さ０．３ｍｍの面におけるマグネシウム含有量が酸化物換算で１．３質量％以下であるとともに、前記窒化珪素質焼結体の表面から深さ０．３ｍｍの面におけるマグネシウム含有量が、前記窒化珪素質焼結体の表面から深さ１ｍｍの面におけるマグネシウム含有量よりも少なく、かつ、前記窒化珪素質焼結体の表面から深さ０．３ｍｍの面と深さ１ｍｍの面とのマグネシウム含有量の差が、酸化物換算で０．５質量％以下であることを特徴とする。
【００１１】
本発明の窒化珪素質焼結体では、粒界相中のＭｇが焼結体の深さ方向に対して従来よりも均一に存在するようになり、焼結体の表層と内部とでの特性差が生じ難くなり、耐摩耗性および耐チッピング性を向上できる。
【００１２】
焼結体表面から深さ０．３ｍｍの面と深さ１ｍｍの面におけるマグネシウム含有量の差が、酸化物換算量で０．５質量％以下となる理由については明確ではないが、本発明者等は、希土類元素（第３族元素）酸化物の中でも酸化ランタンは、シリカ（ＳｉＯ２）との共晶温度が、他の希土類元素酸化物とシリカとの共晶温度よりも低いため、ランタンと、アルミニウムと、マグネシウムと、珪素とを組み合わせることにより、ＭｇＯの揮発が顕著になる温度よりも焼結助剤の液相化温度を低下させることが可能となり、焼成段階でＭｇＯの揮発が顕著になる前に低温で液相を生成させ、液相生成による再配列過程において体積収縮による開気孔の低減により、低温で緻密化を開始し、ＭｇＯが揮発したとしても、ＭｇＯが外部に漏出することを抑制することができ、これにより表層と内部のマグネシウム（酸化物換算）の濃度差が小さくなり、従来よりも均質で緻密な焼結体が作製できると考えている。
【００１３】
また、本発明の窒化珪素質焼結体は、前記ランタンの酸化物換算量、前記アルミニウムの酸化物換算量および前記マグネシウムの酸化物換算量の合計が窒化珪素質焼結体の全量中３．５質量％以下であることを特徴とする。上記したように、ランタンと、アルミニウムと、マグネシウムと、珪素とを組み合わせることにより、助剤量が少ない場合であっても低温で緻密化させることができ、耐摩耗性および耐チッピング性を改善した窒化珪素質焼結体を提供することができる。
【００１４】
さらに、本発明の窒化珪素質焼結体は、前記窒化珪素質焼結体の表面は焼き肌面（as fired）であることを特徴とする。焼き肌面で最もＭｇＯの揮発が激しいことが知られているが、本発明では、焼き肌面と内部のマグネシウム（酸化物換算）の濃度差を小さくすることができる。
【００１５】
また、本発明の窒化珪素質焼結体は、前記窒化珪素質焼結体の表面から深さ０．３ｍｍの面および前記窒化珪素質焼結体の表面から深さ１ｍｍの面における粒界相の面積比率がそれぞれ１０％以下であることを特徴とする。本発明の窒化珪素質焼結体では、焼結体中の粒界相が少ないことになり、粒界相の組成差も小さくなるため、耐チッピング性を高めることができる。
【００１６】
本発明の切削工具は、上記の窒化珪素質焼結体からなることを特徴とする。このような切削工具では、耐摩耗性および耐チッピング性に優れ、寿命の長い切削工具を提供できる。
【００１７】
本発明の切削加工装置は、上記の切削工具と、該切削工具により加工する被切削材を保持するための保持台とを具備することを特徴とする。このような切削加工装置では、切削工具を長期間取り替えることなく切削することができる。
【００１８】
本発明の切削方法は、上記の切削工具を用いて被切削材を切削することを特徴とする。このような切削方法では、切削工具の耐摩耗性及び耐チッピング性が向上することに伴い、被切削材の寸法精度を向上できるとともに、切削工具を長期間取り替えることなく切削することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の窒化珪素質焼結体では、粒界相中のＭｇが焼結体の深さ方向に対して従来よりも均一に存在するようになり、焼結体の表層と内部とでの特性差が生じ難くなり、耐摩耗性および耐チッピング性を向上できる。
【００２０】
本発明の切削工具では、切削工具が上記の窒化珪素質焼結体からなるため、耐摩耗性および耐チッピング性に優れ、寿命の長い切削工具を提供できる。
【００２１】
本発明の切削加工装置では、切削加工装置が上記の切削工具を具備するので、切削工具を長期間取り替えることなく切削することができる。
【００２２】
本発明の切削方法では、上記の切削工具を用いて被切削材を切削するので、切削工具の耐摩耗性及び耐チッピング性が向上することに伴い、被切削材の寸法精度を向上できるとともに、切削工具を長期間取り替えることなく切削することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本実施形態の窒化珪素質焼結体は、主結晶である窒化珪素結晶と粒界相とを有する組織を有し、窒化珪素は主にβ−窒化珪素結晶相からなる。なお、このβ―窒化珪素結晶相に、わずかにアルミニウムが固溶してβ−サイアロンを形成していてもよい。窒化珪素の他に、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ等の窒化物、炭化物、炭窒化物、Ｗ、Ｍｏ等の珪化物のうち少なくとも１種が存在する場合がある。窒化珪素結晶は、全量中に９４．５質量％以上、さらには９６．５質量％以上含有することが望ましい。これにより窒化珪素結晶の優れた特性を十分に発揮させることができる。
【００２４】
［組成について］
本実施形態によれば、粒界相は、ランタン、アルミニウム、マグネシウム、珪素及び酸素を含有するものである。この粒界相を構成する元素の組成は、焼結体全量中、ランタンの酸化物（Ｌａ２Ｏ３）換算量が０．１質量％以上、アルミニウムの酸化物（Ａｌ２Ｏ３）換算量が０．０５〜０．６質量％、マグネシウムの酸化物（ＭｇＯ）換算量が０．３質量％以上、酸素が２．５質量％以下であり、ランタンの酸化物換算量、アルミニウムの酸化物換算量、マグネシウムの酸化物換算量の合計が３．５質量％以下であることが望ましい。
【００２５】
ランタンの酸化物換算量は、焼結体の緻密化のために、特に０．５質量％以上、さらには１質量％以上含むことが望ましい。アルミニウムの酸化物換算量は、焼結助剤の液相生成温度の低温化、焼結体の緻密化のために、特には０．２質量％以上含み、焼結体の耐酸化性の低下による耐摩耗性の低下抑制のために、特に０．２〜０．５５質量％、さらには０．３〜０．５質量％が望ましい。マグネシウムの酸化物換算量は、焼結助剤の液相生成温度の低温化、焼結体の緻密化のために、特に０．３５質量％以上、さらには０．４質量％以上含むことが望ましい。
【００２６】
窒化珪素質焼結体に含まれる酸素量は、焼結助剤の液相生成温度の低温化、焼結体の緻密化を保つとともに、耐酸化性および耐摩耗性を改善した窒化珪素質焼結体を実現するために２．５質量％以下が良い。特に、２．２質量％以下、さらには２質量％以下とすることが望ましい。
【００２７】
このような組成とすることで、焼結助剤の量が少ない場合であっても窒化珪素質焼結体を低温で緻密化することができる。第３族元素酸化物の中でも酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）は、シリカ（ＳｉＯ２）との共晶温度が、他の第３族元素（例えばエルビウム、イットリウム）酸化物とシリカとの共晶温度よりも低い。因みに酸化ランタンとシリカとの共晶温度が１６２５℃であるのに対し、酸化エルビウム（Ｅｒ２Ｏ３）とシリカとの共晶温度が１６８０℃であり、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）とシリカとの共晶温度が１６６０℃であり、酸化ランタンとシリカとの共晶温度が低い。尚、シリカは、窒化珪素原料中に含まれる。
【００２８】
共晶温度の低い酸化ランタンとシリカとの組み合わせに対して、酸化マグネシウムおよび酸化アルミニウムをさらに加えることにより、液相生成温度を１４００℃以下に低下させることが可能となる。その結果、窒化珪素が低温で緻密化を開始し、組織の微細化を達成することができる。また、窒化珪素結晶粒子の異常粒成長を抑制することができる。よって、耐摩耗性と耐チッピング性を改善した窒化珪素質焼結体となる。
【００２９】
焼結助剤として、ランタンと珪素とアルミニウムとマグネシウムとを用いた場合には、窒化珪素結晶粒子（視野０．０１５ｍｍ２で長径が大きい方から６個の窒化ケイ素粒子）の平均長径を１０μｍ以下に抑制することが可能となる。その結果、耐摩耗性に加えて、耐チッピング性を向上させることができる。
【００３０】
これに対し、ランタン以外の希土類元素を添加した場合には、耐チッピング性が劣るものしか得られない。
【００３１】
尚、ランタンの不純物として、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ等の他の希土類元素が、酸化物換算で合計１質量％以下含有することがある。すなわち、焼結体全量中に、ランタン以外のＣｅ、Ｐｒ、Ｎｄ等の他の希土類元素が焼結体全量中０．０３質量％以下含有することがある。ランタン以外の希土類元素を不純物として含有することがあるものの、酸化物換算量で焼結体全量中に０．０３質量％程度あっても、ランタンと珪素とアルミニウムとマグネシウムとの組合せによる特性向上を十分に発揮できる。
【００３２】
また、本実施形態の窒化珪素質焼結体に、周期表第６族元素珪化物粒子を０．１〜２質量％の割合で含有させることで、高温強度の低下を抑制することができるとともに、窒化珪素質焼結体の耐摩耗性をさらに高めることができる。なお、この周期表第６族元素珪化物粒子は、窒化珪素質焼結体の粒界相に分散して存在している。
【００３３】
また、周期表第６族元素珪化物として、珪化クロム、珪化モリブデン、珪化タングステンを例示できるが、微細な酸化物原料を用いて、焼成中に微細な粒子とできるという理由からことから珪化タングステンを用いることが望ましい。
【００３４】
また、本実施形態の窒化珪素質焼結体は、相対密度が９９％以上であることが好ましい。相対密度が９９％以上になると、焼結体中にボイドがほとんどなくなり、さらに耐磨耗性が向上する。更に焼結体中にボイドがほとんどなくなることにより、フライス加工のように切削時に衝撃が加わるような加工の際、ボイドに応力が集中し、チッピングするという現象が抑制されるため耐チッピング性もよくなる。
【００３５】
本実施形態の窒化珪素質焼結体は、常圧焼成でも相対密度９９％以上に緻密化することができるが、例えば、加圧焼成することで、結晶粒子の異常粒成長を抑制するとともに、相対密度を高くすることもできる。
【００３６】
［組織について］
本実施形態の窒化珪素質焼結体は、焼結体表面から深さ０．３ｍｍの面（以下、表層ということがある）におけるマグネシウム含有量が酸化物換算で１．３質量％以下であるとともに、焼結体表面から深さ０．３ｍｍの面におけるマグネシウム含有量が、焼結体表面から深さ１ｍｍの面（以下、内部ということがある）におけるマグネシウム含有量よりも少なく、かつ、焼結体表面から深さ０．３ｍｍの面と深さ１ｍｍの面におけるマグネシウム含有量の差が、酸化物（ＭｇＯ）換算で０．５質量％以下である。
【００３７】
このような構成とすることにより、粒界相中の成分が焼結体の深さ方向に対して従来よりも均一に存在するようになり、焼結体の表層と内部とで特性差が生じ難くなり、耐摩耗性および耐チッピング性を向上できる。
【００３８】
焼結体表面から深さ０．３ｍｍの面と深さ１ｍｍの面におけるマグネシウム含有量の差が、酸化物換算量で０．５質量％以下となる理由については明確ではないが、本発明者等は、以下のように考えている。
【００３９】
すなわち、周期表第３族元素の中でもランタンは、シリカとの共晶温度が、他の第３族元素とシリカとの共晶温度よりも低いため、焼結助剤としてランタンと、珪素と、Ｍｇと、アルミニウムとを組み合わせて用いることにより、ＭｇＯの揮発が顕著になる温度よりも焼結助剤の液相生成温度を低下させることが可能となり、さらに焼結助剤の液相生成温度よりも少し高い温度で一定時間保持することにより、焼成段階でＭｇＯの揮発が顕著になる前に低温で液相を十分に生成させることができる。
【００４０】
これにより、液相生成による再配列過程において、体積収縮して開気孔が低減することにより、ＭｇＯが揮発したとしても、ＭｇＯが外部に漏出することを抑制することができ、これにより表層と内部のマグネシウム（酸化物換算）の濃度差が小さくなり、さらに均質で緻密な焼結体が作製できると考えている。
【００４１】
表層と内部のマグネシウム含有量差は、酸化物（ＭｇＯ）換算量で、０．４質量％以下であることが望ましい。
【００４２】
焼き肌面で最もＭｇＯの揮発が激しいことが知られているが、上記構成を用いれば、焼き肌面と内部のマグネシウム（酸化物換算）の濃度差を小さくすることができる。尚、焼き肌面とは、焼成後に、研削等の加工を施していない面をいう。また、ランタンの酸化物換算量、アルミニウムの酸化物換算量およびマグネシウムの酸化物換算量の合計が３．５質量％以下である。
【００４３】
本実施形態では、表層のマグネシウム含有量を酸化物換算で１．３質量％以下とすることにより、表層におけるボイドを低減でき、切削性能を向上できる。表層のマグネシウム含有量は、酸化物換算で０．３〜０．８質量％であることが望ましい。
【００４４】
また、本実施形態の窒化珪素質焼結体は、相対密度が９９％以上であるとともに、焼結体表面から深さ０．３ｍｍの面および焼結体表面から深さ１ｍｍの面における粒界相の面積比率がそれぞれ１０％以下であることが望ましい。
【００４５】
焼結体表面から深さ０．３ｍｍの面および焼結体表面から深さ１ｍｍの面における粒界相の面積比率は、焼結体表面から深さ０．３ｍｍの面および焼結体表面から深さ１ｍｍの面をそれぞれ鏡面加工し、該鏡面加工した面を、２３質量％のフッ酸と７７質量％の水とからなる容器内の液に浸け、容器毎５０℃に設定したウオーターバスに入れ、３時間放置して、粒界相部分をエッチングし、その面の顕微鏡写真を画像解析し、顕微鏡写真の一定面積に対する空隙の面積率を求めることにより得ることができる。
【００４６】
焼結体表面から深さ０．３ｍｍの面および焼結体表面から深さ１ｍｍの面における粒界相の面積比率がそれぞれ１０％以下であるため、焼結体中の粒界相が少ないことになり、粒界相の組成差も小さくなるため、耐チッピング性を高めることができる。
【００４７】
以上のように、ランタンと、珪素と、アルミニウムと、マグネシウムとの組み合わせによって、粒界相の液相生成温度を顕著に下げることができる。これにより、低温での焼成が可能となり、窒化珪素結晶粒子の長さ方向への異常粒成長を抑制できるとともに、組織の微細化を達成することができる。その結果、耐摩耗性と耐チッピング性を改善した窒化珪素質焼結体となる。
【００４８】
［製法について］
以下に、本実施形態の窒化珪素質焼結体の製造方法について説明する。まず、出発原料として、例えば、窒化珪素粉末と、ランタンの水酸化物（Ｌａ（ＯＨ）３）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、水酸化マグネシウム（Ｍｇ（ＯＨ）２）を準備する。また、必要に応じて、二酸化珪素（ＳｉＯ２）、周期表第６族元素珪化物の粉末を用意する。
【００４９】
窒化珪素原料は、α−窒化珪素粉末、β−窒化珪素粉末、又はこれらの混合物のいずれも用いることができる。これらの粒径は、１μｍ以下、特に０．５μｍ以下であることが好ましい。また、ランタン原料としては、酸化ランタン粉末を用いても良いが、酸化ランタンは吸湿性が高いため、水酸化ランタン等のように吸水性が低く、焼成過程で酸化ランタンとなる化合物を用いることが好ましい。ランタン原料中には、１質量％以下の他の希土類元素の不純物が存在する。
【００５０】
また、マグネシウム原料としては、酸化マグネシウムや炭酸マグネシウムを用いても良いが、酸化マグネシウムは吸水性が高く、炭酸マグネシウムは炭酸ガスを発生してしまうので、水酸化マグネシウムのように、吸水性が低く、炭酸ガスの発生も無く、焼成過程で酸化マグネシウムとなる化合物を用いることが好ましい。
【００５１】
さらに、珪素原料としては、窒化珪素原料中に含まれているものを用いる。窒化珪素粉末中に含まれる酸素が、二酸化珪素して存在していると考えて、組成を調整する。珪素原料が不足する場合には、二酸化珪素粉末を添加する。
【００５２】
また、アルミニウム原料としては、酸化アルミニウム粉末を用いる。
【００５３】
また、窒化珪素質焼結体に含有させる周期表第６族元素珪化物は、珪化タングステンを用いることが望ましく、珪化タングステン原料粉末としては、タングステンの酸化物、炭化物、珪化物、窒化物等いずれでも良いが、安価で微粉末が得られやすいことから、酸化物を用いることが望ましい。このように珪化物以外の原料を用いた場合であっても、本実施形態の窒化珪素質焼結体の組成領域では、タングステンの化合物は、容易に珪化タングステンに変化させることができる。尚、タングステンの代わりに、クロム、モリブデンを用いることができる。
【００５４】
これらの原料を秤量し、ボールミル等の公知の粉砕手段を用いて混合、粉砕する。この混合粉末に適宜バインダーや溶剤を添加し、スプレードライ法等により造粒する。
【００５５】
そして、所定の割合で調整した混合粉末を造粒した造粒粉末を、例えば金型プレス成形、鋳込み成形、押出成形、射出成形、冷間静水圧プレス成形等の公知の成形手段により任意の形状に成形する。得られた成形体を公知の焼成手段、例えば窒素雰囲気中での常圧焼成法、ガス圧力焼成法、ホットプレス法等により１６５０〜１８５０℃の温度で焼成した後、冷却して本実施形態の窒化珪素質焼結体を得ることができる。
【００５６】
そして、焼結体表面から深さ０．３ｍｍの面におけるマグネシウム含有量が酸化物換算で１．３質量％以下であるとともに、表層におけるマグネシウム含有量が、内部におけるマグネシウム含有量よりも少なく、かつ、焼結体表面から深さ０．３ｍｍの面と深さ１ｍｍの面におけるマグネシウム含有量の差を、酸化物（ＭｇＯ）換算で０．５質量％以下とするには、成形体を公知の焼成手段、例えば窒素雰囲気中での常圧焼成法、ガス圧力焼成法、ホットプレス法等により焼成するに際して、１３２５〜１３７５℃で所定時間保持した後、１６５０〜１８５０℃の温度で焼成し、冷却して本発明の窒化珪素質焼結体を得ることができる。
【００５７】
焼結体表面から深さ０．３ｍｍの面と深さ１ｍｍの面におけるマグネシウム含有量の差が、酸化物換算量で０．５質量％以下となる理由については明確ではないが、本発明者等は、第３族元素の中でもランタンは、シリカとの共晶温度が、他の第３族元素とシリカとの共晶温度よりも低いため、ＭｇＯの揮発が顕著になる温度よりも焼結助剤の液相生成温度を低下させることが可能となり、１３２５〜１３７５℃で所定時間保持することにより、焼成段階でＭｇＯの揮発が顕著になる前に低温で十分に液相を生成させ、液相生成による再配列過程において体積収縮による開気孔の低減により、ＭｇＯが揮発したとしても、ＭｇＯが外部に漏出することを抑制することができ、これにより表層と内部のマグネシウム（酸化物換算）の濃度差が小さくなり、従来よりも均質で緻密な焼結体が作製できると考えている。
【００５８】
この焼成に用いる雰囲気は、窒素を主体とするもので、窒化珪素質焼結体が焼成工程で酸化しない範囲で微量の酸素を含んでいても良いことはいうまでもない。また、窒化珪素質成形体やいわゆるとも材などから蒸発するＳｉＯやＭｇＯなどの成分を含んでいてもよい。
【００５９】
特に、積極的に窒素雰囲気中に、さらに酸素と珪素とマグネシウムとを含有させて、焼成することが望ましい。このような酸素と珪素とマグネシウムとを含有する雰囲気としては、ＳｉＯとＭｇＯとを含有する雰囲気が挙げられる。
【００６０】
焼結助剤として添加する成分の内、ランタン、アルミニウムの酸化物成分は焼成中に揮発しにくいが、マグネシウム、シリコンの酸化物成分はＳｉＯやＭｇＯの成分として揮発しやすい。このため、積極的に雰囲気中にＳｉＯやＭｇＯなどの成分を含有させて、焼成することで、焼結助剤として添加したＳｉＯ２あるいは窒化珪素原料に含まれるＳｉＯ２の分解が抑制され、ＭｇＯの揮発が抑制される。
【００６１】
その結果、添加された焼結助剤が少量でも緻密な焼結体を製造することが容易となる。このような雰囲気は、例えば、ＳｉとＳｉＯ２とＭｇＯ粉末、あるいは窒化珪素粉末とＭｇＯ粉末との混合粉末を、焼成によって本実施形態の窒化珪素質焼結体となる成形体とともに焼成鉢の中に置く、敷き詰める、又は焼成によって本実施形態の窒化珪素質焼結体となる成形体の周囲に配置した後、焼成によって本実施形態の窒化珪素質焼結体となる成形体とともに焼成することでＳｉやＭｇを蒸発させて実現することができる。
【００６２】
更に、前述のように窒化珪素結晶粒子の粒径を小さくし、窒化珪素結晶粒子の異常粒成長を抑制するためには、低温から緻密化を開始させ、高温での粒成長を抑制することが重要であり、相対密度を上げるためには、粒成長が顕著ではない低温で緻密化を促進した上で昇温し、十分緻密化させることが重要である。一旦、窒素雰囲気中で１６５０℃〜１８５０℃で焼成した後、９．８ＭＰａ〜２９４ＭＰａ、１５００〜１７００℃で熱間静水圧焼成を施すことが望ましい。
【００６３】
その結果、緻密で、窒化珪素結晶粒子の異常粒成長が抑制された耐チッピング性を改善した窒化珪素質焼結体が得られる。
【００６４】
［切削工具について］
また、本実施形態の窒化珪素質焼結体は、工具として用いた場合には、耐摩耗性と耐チッピング性を改善した工具となり、特に、耐摩耗性と耐チッピング性とが要求される切削工具として好適に用いられる。
【００６５】
なお、図１に示すように、切削工具１１として用いる場合には、角部に切刃１３を備えた四角い板状の形態や、従来周知の形態が適用できる。
【００６６】
切削工具の製法は、上記窒化珪素質焼結体の製法において、成形の際に、所望の切削工具の形状に成形することで、本実施形態の窒化珪素質焼結体からなる切削工具を容易に作製することができる。また、焼成後に切削、研磨等により切削工具状に加工してもよいことは言うまでもない。さらに、本実施形態の窒化珪素質焼結体からなる切削工具の切刃の表面にＴｉＮやＴｉＡｌＮ等のコーティングを施してもよい。
【００６７】
また、上記切削工具を用いて被切削材を切削する場合には、切削工具が耐摩耗性と耐チッピング特性を改善できるため、被切削材の寸法精度が向上し、切削工具は耐久性が改善されるため、切削工具を長期間取り替えることなく切削することができ、切削工具の取替時間を少なくすることができる。
【００６８】
さらに、図示しないが、少なくとも上記切削工具と、該切削工具により加工する被切削材を保持するための保持台とを具備して切削加工装置を構成することができる。切削加工装置としては、旋盤のような旋削加工装置、マシニングセンタのようなフライス加工装置などが挙げられる。この場合には、切削工具を長期間取り替えることなく切削することができ、切削工具の取替回数が少なくなり、コストを低減できる。
【００６９】
以下、実施例を挙げて本発明についてさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【実施例】
【００７０】
出発原料として、平均粒径０．３μｍの窒化珪素粉末と、不純物としてＣｅ、Ｐｒ、Ｎｄを１質量％以下含む平均粒径１．２μｍのランタン水酸化物（Ｌａ（ＯＨ）３）、平均粒径０．７μｍのアルミニウム酸化物、平均粒径２．５μｍのマグネシウム水酸化物を用意した。
【００７１】
これらの原料粉末を用いて、バインダーと溶剤とともに調合した後、ボールミルにて７２時間、粉砕、混合した。その後、乾燥して溶剤を除去して造粒粉末を作製し、この造粒粉末を９８ＭＰａの圧力でプレス成形し、切削工具形状ＳＮＧＮ１２０４１２用の成形体を得た。
【００７２】
この成形体を脱脂後、１３５０℃で表１に示す時間（３〜６時間）保持した後、１７５０℃で５時間、Ｎ２雰囲気で常圧の条件で焼成後、１６００℃、２時間、１９６ＭＰａの条件で熱間静水圧焼成（ＨＩＰ）して焼結体を得た。
【００７３】
得られた窒化珪素質焼結体についてアルキメデス法により焼結体の密度を測定し、相対密度に換算したところ、相対密度は全試料とも１００％であった。
【００７４】
また、得られた窒化珪素質焼結体の酸素量は、窒化珪素質焼結体を粉砕して粉状にして、赤外吸収法によって測定した。表層は最表面（焼き肌面）〜０．３ｍｍを採取し、内部は０．３〜０．７ｍｍ部分を採取し、測定した。
【００７５】
また、得られた窒化珪素質焼結体の表面を０．３ｍｍ及び１．０ｍｍだけ平面研削加工し、それぞれの面について蛍光Ｘ線分析を用いて組成分析を行った。ＭｇＯ、希土類元素Ｒｅ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３量、ＭｇＯ濃度差（内部のＭｇＯ量−表層のＭｇＯ量）を表１に示した。算出した周期表第３族元素酸化物Ｒｅ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯの合計量を求めた。ランタン以外の希土類元素は、酸化物換算で、全量中０．０３質量％以下であった。
【００７６】
また、それぞれの面の鏡面加工を行い、該鏡面加工した面を、２３質量％のフッ酸と７７質量％の水とからなる容器内の液に浸け、容器毎５０℃に設定したウオーターバスに入れ、３時間放置して、粒界相部分をエッチングし、その面の０．０１５ｍｍ２視野を走査型電子顕微鏡写真（１０００倍）により撮影し、その中の空隙率の割合を画像解析装置により求め、粒界相の面積比率とし、その値を表２に示した。
【００７７】
さらに得られた窒化珪素質焼結体を用いて、図１に示すような切削工具を製作し、被切削材：ＦＣＤ−４５０、切削速度：５００ｍ／ｍｉｎ、送り量：０．２ｍｍ／ｒｅｖ、切り込み量：２．０ｍｍ、切削時間：１２０ｓｅｃの条件で旋削試験と、被切削材：ＦＣＤ−４５０、切削速度：５００ｍ／ｍｉｎ、送り量：０．５ｍｍ／ｔｏｏｔｈ、切り込み量：２．０ｍｍ、パス回数：１０パスの条件でフライス加工試験を行った。評価は、刃先のフランク摩耗量は、旋削試験後に測長器付きの顕微鏡を用いて写真撮影し、摩耗量の平均値を測定して算出した。また、刃先のチッピングは、フライス加工試験後、顕微鏡で刃先を観察して写真撮影し、チッピング領域の面積を求めた。これらの結果を表２に示した。
【００７８】
尚、試料Ｎｏ．１２では希土類元素酸化物（Ｒｅ２Ｏ３）としてＹ２Ｏ３を用い、試料Ｎｏ．１３では希土類元素酸化物（Ｒｅ２Ｏ３）としてＥｒ２Ｏ３を用いた。
【００７９】
また、試料Ｎｏ．１４は、ＭｇＯ粉末を、成形体の周辺に配置し、成形体と同時に焼成した場合である。これらの結果も表２に記載した。
【表１】
【００８０】
【表２】
【００８１】
表１、２に示した結果によれば、本発明の範囲内の試料Ｎｏ．１〜９はいずれも摩耗量が小さく刃先のチッピングの少ない切削性能を示した。これに対して、比較例の試料Ｎｏ．１０、１１は切削試験において摩耗量が増大した。また、希土類元素としてＹ、Ｅｒを用いた比較例の試料Ｎｏ．１２、１３は、摩耗量が多く、チッピング面積も大きいことがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本実施形態の切削工具の一例を示す斜視図である。
【００８３】
１１・・・切削工具
１３・・・切刃
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化珪素結晶を主体とする結晶相と、ランタン、アルミニウム、マグネシウム、珪素及び酸素を含み、前記窒化珪素結晶の粒界にある非晶質の粒界相とを有する窒化珪素質焼結体であって、該窒化珪素質焼結体の表面から深さ０．３ｍｍの面におけるマグネシウム含有量が酸化物換算で１．３質量％以下であるとともに、前記窒化珪素質焼結体の表面から深さ０．３ｍｍの面におけるマグネシウム含有量が、前記窒化珪素質焼結体の表面から深さ１ｍｍの面におけるマグネシウム含有量よりも少なく、かつ、前記窒化珪素質焼結体の表面から深さ０．３ｍｍの面と深さ１ｍｍの面とのマグネシウム含有量の差が、酸化物換算で０．５質量％以下であることを特徴とする窒化珪素質焼結体。
【請求項２】
前記ランタンの酸化物換算量、前記アルミニウムの酸化物換算量および前記マグネシウムの酸化物換算量の合計が前記窒化珪素質焼結体の全量中３．５質量％以下であることを特徴とする請求項１記載の窒化珪素質焼結体。
【請求項３】
前記窒化珪素質焼結体の表面は焼き肌面であることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化珪素質焼結体。
【請求項４】
前記窒化珪素質焼結体の表面から深さ０．３ｍｍの面および前記窒化珪素質焼結体の表面から深さ１ｍｍの面における粒界相の面積比率がそれぞれ１０％以下であることを特徴とする請求項１乃至３のうちのいずれかに記載の窒化珪素質焼結体。
【請求項５】
請求項１乃至４のうちのいずれかに記載の窒化珪素質焼結体からなることを特徴とする切削工具。
【請求項６】
請求項５に記載の切削工具と、該切削工具により加工する被切削材を保持するための保持台とを具備することを特徴とする切削加工装置。
【請求項７】
請求項５に記載の切削工具を用いて被切削材を切削することを特徴とする切削方法。
【請求項１】
窒化珪素結晶を主体とする結晶相と、ランタン、アルミニウム、マグネシウム、珪素及び酸素を含み、前記窒化珪素結晶の粒界にある非晶質の粒界相とを有する窒化珪素質焼結体であって、該窒化珪素質焼結体の表面から深さ０．３ｍｍの面におけるマグネシウム含有量が酸化物換算で１．３質量％以下であるとともに、前記窒化珪素質焼結体の表面から深さ０．３ｍｍの面におけるマグネシウム含有量が、前記窒化珪素質焼結体の表面から深さ１ｍｍの面におけるマグネシウム含有量よりも少なく、かつ、前記窒化珪素質焼結体の表面から深さ０．３ｍｍの面と深さ１ｍｍの面とのマグネシウム含有量の差が、酸化物換算で０．５質量％以下であることを特徴とする窒化珪素質焼結体。
【請求項２】
前記ランタンの酸化物換算量、前記アルミニウムの酸化物換算量および前記マグネシウムの酸化物換算量の合計が前記窒化珪素質焼結体の全量中３．５質量％以下であることを特徴とする請求項１記載の窒化珪素質焼結体。
【請求項３】
前記窒化珪素質焼結体の表面は焼き肌面であることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化珪素質焼結体。
【請求項４】
前記窒化珪素質焼結体の表面から深さ０．３ｍｍの面および前記窒化珪素質焼結体の表面から深さ１ｍｍの面における粒界相の面積比率がそれぞれ１０％以下であることを特徴とする請求項１乃至３のうちのいずれかに記載の窒化珪素質焼結体。
【請求項５】
請求項１乃至４のうちのいずれかに記載の窒化珪素質焼結体からなることを特徴とする切削工具。
【請求項６】
請求項５に記載の切削工具と、該切削工具により加工する被切削材を保持するための保持台とを具備することを特徴とする切削加工装置。
【請求項７】
請求項５に記載の切削工具を用いて被切削材を切削することを特徴とする切削方法。
【図１】
【公開番号】特開２００９−１７３５０８（Ｐ２００９−１７３５０８Ａ）
【公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１７２４７（Ｐ２００８−１７２４７）
【出願日】平成２０年１月２９日（２００８．１．２９）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月２９日（２００８．１．２９）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]