JP7682660B2 - Silicon nitride sintered body and cutting insert - Google Patents
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Description
本開示は、窒化珪素質焼結体及び切削インサートに関する。 This disclosure relates to silicon nitride sintered bodies and cutting inserts.
窒化珪素質焼結体は、機械的強度、耐熱性、高温下での化学的安定性などが優れ、切削工具などに用いられている。近年では、窒化珪素質焼結体からなる工具において、被削材との反応を抑制するために、窒化珪素質焼結体(基材)の表面に耐酸化膜(被覆層)が形成されている。そして、加工が困難な被削材への適用や、高能率加工への適用が要求されることにより、工具性能の更なる向上が求められている。そのために、基材と被覆層との密着性の向上が求められている。 Silicon nitride sintered bodies have excellent mechanical strength, heat resistance, and chemical stability at high temperatures, and are used in cutting tools and the like. In recent years, in tools made of silicon nitride sintered bodies, an oxidation-resistant film (coating layer) has been formed on the surface of the silicon nitride sintered body (base material) to suppress reactions with the work material. Furthermore, there is a demand for tools to be applied to work materials that are difficult to machine and for highly efficient machining, so there is a demand for further improvements in tool performance. To achieve this, there is a demand for improved adhesion between the base material and the coating layer.
例えば、特許文献1の表面被覆窒化珪素工具は、窒化珪素を主成分とする基体と、基体の表面を被覆する被覆層と、を備えている。被覆層は、基体の表面を覆ってAlONからなる基体側層と、基体側層の表面を覆ってTiCからなる中間第1内部層と、中間第1内部層の表面を覆ってTiCNからなる中間第2内部層と、中間第2内部層の表面を覆ってTiNからなる最外層と、を有している。基体側層と最外層との間に熱膨張係数が中間的な内部層を設けることにより、製造時や使用時の大きな温度変化によって隣り合う層間に大きな力が加わるような場合でも、その残留応力が緩和され、内部歪みが生じにくくしている。これにより、特許文献1の工具は、製造時や使用時に層の剥離が生じにくくしている。 For example, the surface-coated silicon nitride tool of Patent Document 1 includes a base body mainly composed of silicon nitride and a coating layer that coats the surface of the base body. The coating layer includes a base-side layer made of AlON that covers the surface of the base body, a first intermediate internal layer made of TiC that covers the surface of the base-side layer, a second intermediate internal layer made of TiCN that covers the surface of the first intermediate internal layer, and an outermost layer made of TiN that covers the surface of the second intermediate internal layer. By providing an internal layer with an intermediate thermal expansion coefficient between the base-side layer and the outermost layer, even when a large force is applied between adjacent layers due to a large temperature change during manufacture or use, the residual stress is relaxed and internal distortion is less likely to occur. As a result, the tool of Patent Document 1 is less likely to peel off during manufacture or use.
例えば、切削時の温度が高い場合などの厳しい環境下での使用にも耐えうる工具が求められており、基材と被覆層の密着性の更なる向上が求められている。
本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、基材と被覆層との密着性を向上させる窒化珪素質焼結体及び切削インサートを提供することを目的とする。本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
For example, there is a demand for tools that can withstand use in harsh environments, such as when the temperature during cutting is high, and there is a demand for further improvement in the adhesion between the substrate and the coating layer.
The present disclosure has been made in view of the above-mentioned circumstances, and has an object to provide a silicon nitride sintered body and a cutting insert which improve the adhesion between a substrate and a coating layer. The present disclosure can be realized in the following form.
〔1〕窒化珪素またはサイアロンを主成分とする基材と、前記基材を被覆する被覆層と、を備える窒化珪素質焼結体であって、
前記基材は、Y(イットリウム)、La(ランタン)、Ce(セリウム)、Er(エルビウム)、Dy(ジスプロシウム)、Yb(イッテルビウム)及びMg(マグネシウム)からなる特定元素群より選択される少なくとも1種の元素である特定元素を、合計で、酸化物換算で3.0質量%以上15.0質量%以下含有し、
前記被覆層は、前記基材に接触する内層と、前記内層の外側に形成された外層と、を有し、
前記外層は、前記内層に接する部分にAl2O3又はAlONが含まれ、
前記内層は、Al(アルミニウム)と、Si(ケイ素)と、前記基材が含有する前記特定元素と、を含み、
前記内層は、エネルギー分散型X線分光法(EDS)を用いた測定により得られたスペクトルにおいて、含有する全ての金属元素およびSi(ケイ素)の各ピークの高さの合計を100%としたとき、含有する前記特定元素のピークの高さの合計が12.0%以上50.0%以下である、窒化珪素質焼結体。
[1] A silicon nitride sintered body comprising a substrate mainly composed of silicon nitride or sialon and a coating layer coating the substrate,
The base material contains a specific element, which is at least one element selected from the group consisting of Y (yttrium), La (lanthanum), Ce (cerium), Er (erbium), Dy (dysprosium), Yb (ytterbium), and Mg (magnesium), in a total amount of 3.0% by mass or more and 15.0% by mass or less in terms of oxide,
The coating layer has an inner layer in contact with the base material and an outer layer formed on the outside of the inner layer,
The outer layer contains Al 2 O 3 or AlON in a portion in contact with the inner layer,
The inner layer contains Al (aluminum), Si (silicon), and the specific element contained in the base material,
The inner layer is a silicon nitride sintered body, in which, when the sum of the heights of the peaks of all contained metal elements and Si (silicon) is taken as 100%, the sum of the heights of the peaks of the contained specific elements is 12.0% or more and 50.0% or less in a spectrum obtained by measurement using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS).
〔2〕前記内層の厚さは、0.1μm以上1.0μm以下である、〔1〕に記載の窒化珪素質焼結体。 [2] The silicon nitride sintered body according to [1], wherein the thickness of the inner layer is 0.1 μm or more and 1.0 μm or less.
〔3〕前記被覆層の厚さは、1.5μm以上7.0μm以下である、〔1〕または〔2〕に記載の窒化珪素質焼結体。 [3] The silicon nitride sintered body according to [1] or [2], wherein the thickness of the coating layer is 1.5 μm or more and 7.0 μm or less.
〔4〕前記被覆層の厚さをA、前記内層の厚さをBとしたとき、B/Aは、0.05以上0.35以下である、〔1〕から〔3〕のいずれかに記載の窒化珪素質焼結体。 [4] The silicon nitride sintered body according to any one of [1] to [3], in which B/A is 0.05 or more and 0.35 or less, where A is the thickness of the coating layer and B is the thickness of the inner layer.
〔5〕〔1〕から〔4〕のいずれかに記載の窒化珪素質焼結体から構成される切削インサート。 [5] A cutting insert made of a silicon nitride sintered body according to any one of [1] to [4].
本開示の窒化珪素質焼結体は、内層が含有する特定元素(基材に含まれ、Y(イットリウム)、La(ランタン)、Ce(セリウム)、Er(エルビウム)、Dy(ジスプロシウム)、Yb(イッテルビウム)およびMg(マグネシウム)からなる特定元素群より選択される少なくとも1種の元素)のピークの高さの合計が12.0%以上50.0%以下であるため、基材と被覆層との間の熱膨張係数差に起因した応力が緩和され易くなり、基材と被覆層との密着性を向上できる。
内層の厚さが0.1μm以上1.0μm以下である場合には、基材と被覆層との密着性が向上するとともに、窒化珪素質焼結体の耐摩耗性が向上する。
被覆層の厚さが1.5μm以上7.0μm以下である場合には、窒化珪素質焼結体の耐摩耗性を向上させつつ、被覆層の耐欠損性を確保できる。
被覆層の厚さをA、内層の厚さをBとしたとき、B/Aは、0.05以上0.35以下である場合には、基材と被覆層との密着性が向上するとともに、窒化珪素質焼結体の耐摩耗性が向上する。
本開示の窒化珪素質焼結体から構成される切削インサートは、基材と被覆層との密着性を向上できる。
In the silicon nitride sintered body of the present disclosure, the total peak heights of the specific element contained in the inner layer (at least one element contained in the substrate and selected from the group of specific elements consisting of Y (yttrium), La (lanthanum), Ce (cerium), Er (erbium), Dy (dysprosium), Yb (ytterbium) and Mg (magnesium)) is 12.0% or more and 50.0% or less, so that stress caused by the difference in thermal expansion coefficient between the substrate and the coating layer is easily alleviated, and adhesion between the substrate and the coating layer can be improved.
When the thickness of the inner layer is 0.1 μm or more and 1.0 μm or less, the adhesion between the substrate and the coating layer is improved, and the wear resistance of the silicon nitride sintered body is also improved.
When the thickness of the coating layer is 1.5 μm or more and 7.0 μm or less, the wear resistance of the silicon nitride sintered body can be improved while the chipping resistance of the coating layer can be ensured.
When the thickness of the coating layer is A and the thickness of the inner layer is B, if B/A is 0.05 or more and 0.35 or less, the adhesion between the substrate and the coating layer is improved and the wear resistance of the silicon nitride sintered body is improved.
A cutting insert formed from the silicon nitride sintered body of the present disclosure can improve adhesion between the substrate and the coating layer.
以下、更に詳しく説明する。なお、本明細書において、数値範囲について「~」を用いた記載では、特に断りがない限り、下限値及び上限値を含むものとする。例えば、「10~20」という記載では、下限値である「10」、上限値である「20」のいずれも含むものとする。すなわち、「10~20」は、「10以上20以下」と同じ意味である。 The following provides a more detailed explanation. In this specification, when a numerical range is described using "to" it is intended to include both the lower limit and the upper limit unless otherwise specified. For example, "10 to 20" is intended to include both the lower limit of "10" and the upper limit of "20". In other words, "10 to 20" has the same meaning as "10 or more and 20 or less".
1.窒化珪素質焼結体1
(1)窒化珪素質焼結体1の構成
図1は、本開示の窒化珪素質焼結体1の一例を示している。窒化珪素質焼結体1は、図1に示すように、基材3と、基材3を被覆する被覆層5と、を備えている。但し、図1は、窒化珪素質焼結体1のSEM(Scanning Electron Microscope,走査型電子顕微鏡)により得られた断面SEM画像を模式的に示した図であり、実際の断面SEM画像を正確に示したものではない。
1. Silicon nitride sintered body 1
(1) Configuration of silicon nitride sintered body 1 Fig. 1 shows an example of the silicon nitride sintered body 1 of the present disclosure. As shown in Fig. 1, the silicon nitride sintered body 1 includes a
基材3は、Si3N4又はSiAlONを主成分としている。基材3は、Y(イットリウム)、La(ランタン)、Ce(セリウム)、Er(エルビウム)、Dy(ジスプロシウム)、Yb(イッテルビウム)及びMg(マグネシウム)からなる特定元素群より選択される少なくとも1種の元素である特定元素を含んでいる。
The
基材3は、基材3の全体を100質量%としたとき、特定元素を合計で、酸化物換算で3.0質量%以上15.0質量%以下含有する。基材3が有する特定元素は、窒化珪素質焼結体1に後述する内層7を形成して基材3と被覆層5との密着性を向上させるとともに、焼結性を低下させることなく焼結体を得る観点から、合計で、酸化物換算で3.0質量%以上であり、5.0質量%以上が好ましく、7.0質量%以上が更に好ましい。基材3が有する特定元素は、内層7の過剰生成を抑制して窒化珪素質焼結体1の耐摩耗性を向上する観点から、合計で、酸化物換算で15.0質量%以下であり、13.0質量%以下が好ましく、11.0質量%以下が更に好ましい。これらの観点から、基材3は、特定元素を合計で、酸化物換算で3.0質量%以上15.0質量%以下含有し、5.0質量%以上13.0質量%以下含有することが好ましく、7.0質量%以上11.0質量%以下含有することが更に好ましい。
The
被覆層5は、内層7と外層9とを有している。内層7は、基材3に接触している。外層9は、内層7の外側に形成されている。
The
被覆層5の厚さは、特に限定されない。被覆層5の厚さは、窒化珪素質焼結体1の耐摩耗性を向上させる観点から、1.5μm以上が好ましく、2.0μm以上がより好ましく、3.0μm以上が更に好ましい。被覆層5の厚さは、被覆層5の耐欠損性を確保する観点から、7.0μm以下が好ましく、6.0μm以下がより好ましく、5.0μm以下が更に好ましい。これらの観点から、被覆層5の厚さは、1.5μm以上7.0μm以下が好ましく、2.0μm以上6.0μm以下がより好ましく、3.0μm以上5.0μm以下が更に好ましい。
The thickness of the
外層9は、「内層7に接する部分」を有する。図1では、外層9が複層である例を示している。外層9は、下側層9Aと、上側層9Bと、を有している。下側層9Aは、内層7に接触している。下側層9Aが、外層9における「内層7に接する部分」に相当する。下側層9Aは、Al2O3又はAlONを含む。上側層9Bは、下側層9Aの外側に形成されている。上側層9Bは、例えば、TiN、TiCN及びTiCからなる群より選択される少なくとも1種を含む。なお、上側層9Bは省略されてよい。
The
下側層9Aに含まれるAl2O3及びAlONの熱膨張係数は、上側層9Bに含まれるTiN、TiCN及びTiCの熱膨張係数より、後述する内層7の熱膨張係数に近い。従って、内層7に上側層9Bが直接形成される場合と比べて、窒化珪素質焼結体1の温度が変化しても内層7と外層9とは剥離しにくい。
The thermal expansion coefficients of Al2O3 and AlON contained in the lower layer 9A are closer to that of the inner layer 7 described below than those of TiN, TiCN and TiC contained in the
内層7は、Al(アルミニウム)と、Si(ケイ素)と、基材3が含有する特定元素と、を含む。内層7は、エネルギー分散型X線分光法(EDS)を用いた測定により得られたスペクトルにおいて、含有する全ての金属元素およびSi(ケイ素)の各ピークの高さの合計を100%としたとき、含有するAl(アルミニウム)のピークの高さは、6.0%以上が好ましく、10.0%以上が好ましく、14.0%以上が更に好ましい。このようにすると、Al2O3又はAlONを含む下側層9Aとの化学的親和性が向上するため、密着性が向上する。また、Al(アルミニウム)のピークの高さは、30.0%以下が好ましく、26.0%以下が好ましく、22.0%以下が更に好ましい。このようにすると、耐摩耗性が向上する。これらの観点から、内層7が含有するAl(アルミニウム)のピークの高さは、6.0%以上30.0%以下が好ましく、10.0%以上26.0%以下が好ましく、14.0%以上22.0%以下が更に好ましい。さらに、内層7は、Si(ケイ素)やAl(アルミニウム)の酸化物又は酸窒化物を含むことが好ましい。このようにすると、内層7と下側層9Aとは、化学的親和性が高くなり密着性が向上する。
The inner layer 7 contains Al (aluminum), Si (silicon), and a specific element contained in the
内層7は、後述するように、窒化珪素主体の基材3の表面に外層9となるべき被膜を形成した後に、特定条件下における高温高圧処理を行うことによって、基材3中の特定元素及び外層9となるべき被膜に含まれているAl(アルミニウム)の拡散によって生成される。このように生成された内層7は、基材3と外層9との中間の熱膨張係数を有する。したがって、基材3に外層9が直接形成される場合と比べて、基材3と被覆層5との熱膨張係数差が小さくなるので、窒化珪素質焼結体1の温度が変化しても、基材3と被覆層5とが剥離しにくくなる。すなわち、基材3と被覆層5の密着性が向上する。また、内層7は基材3の表面に一様に層として形成されているとともに、基材3側の表面から外層9側の表面にわたって、特定元素及びアルミニウム(Al)の組成量が連続的に変化している。このため、窒化珪素質焼結体1の温度が変化しても、内層7の内部に応力が生じにくくなり、結果として基材3と被覆層5との密着性が向上する。
As described later, the inner layer 7 is formed by diffusing specific elements in the
内層7の厚さは、特に限定されない。内層7の厚さは、基材3と外層9との熱膨張係数差によって生じる応力を緩和させる機能を十分発揮する観点から、0.1μm以上が好ましく、0.2μm以上がより好ましく、0.3μm以上が更に好ましい。内層7の厚さは、耐摩耗性を向上させる観点から、1.0μm以下が好ましく、0.9μm以下がより好ましく、0.8μm以下が更に好ましい。これらの観点から、内層7の厚さは、0.1μm以上1.0μm以下が好ましく、0.2μm以上0.9μm以下がより好ましく、0.3μm以上0.8μm以下が更に好ましい。
The thickness of the inner layer 7 is not particularly limited. From the viewpoint of fully exerting the function of relieving the stress caused by the difference in thermal expansion coefficient between the
被覆層5の厚さをAとし、内層7の厚さをBとしたとき、B/Aは、基材3と外層9との熱膨張係数差によって生じる応力を緩和させる機能を十分発揮する観点から、0.05以上が好ましく、0.10以上がより好ましく、0.15以上が更に好ましい。B/Aは、窒化珪素質焼結体1の耐摩耗性を向上させる観点から、0.35以下が好ましく、0.30以下がより好ましく、0.25以下が更に好ましい。これらの観点から、B/Aは、0.05以上0.35以下が好ましく、0.10以上0.30以下がより好ましく、0.15以上0.25以下が更に好ましい。
When the thickness of the
(2)内層7における特定元素の割合の要件
内層7は、エネルギー分散型X線分光法(EDS)を用いた測定により得られたスペクトルにおいて、含有する全ての金属元素およびSi(ケイ素)の各ピークの高さの合計を100%としたとき、含有する特定元素のピークの高さの合計が12.0%以上50.0%以下である。特定元素のピークの高さの合計は、内層7の熱膨張係数を基材3の熱膨張係数と下側層9AのAl2O3又はAlONの熱膨張係数との間の値とする観点から、12.0%以上であり、15.0%以上が好ましく、20.0%以上がより好ましい。特定元素のピークの高さの合計は、耐摩耗性を確保する観点から、50.0%以下であり、40.0%以下が好ましく、30.0%以下がより好ましい。これらの観点から、特定元素のピークの高さの合計は、12.0%以上50.0%以下であり、15.0%以上40.0%以下が好ましく、20.0%以上30.0%以下がより好ましい。
(2) Requirements for the ratio of specific elements in the inner layer 7 In the spectrum obtained by measurement using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS), when the total of the peak heights of all the contained metal elements and Si (silicon) is 100%, the total of the peak heights of the contained specific elements is 12.0% or more and 50.0% or less. The total of the peak heights of the specific elements is 12.0% or more, preferably 15.0% or more, and more preferably 20.0% or more, from the viewpoint of making the thermal expansion coefficient of the inner layer 7 a value between the thermal expansion coefficient of the
2.切削工具の構成
図2は、本開示の切削工具(切削インサート)10の一例である。切削工具10の形状は、特に限定されない。例えば、窒化珪素質焼結体1は、切削、研削、及び研磨の少なくとも1つの加工法によって形状や表面の仕上げを行って、切削工具10とすることができる。もちろん、窒化珪素質焼結体1をそのまま切削工具10として用いてもよい。
2. Configuration of the Cutting Tool Fig. 2 shows an example of a cutting tool (cutting insert) 10 according to the present disclosure. The shape of the
3.窒化珪素質焼結体の製造方法
窒化珪素質焼結体の製造方法は、特に限定されない。窒化珪素質焼結体の製造方法の一例を以下に示す。
(1)原料
・窒化珪素粉末(α-Si3N4粉末)
・焼結助剤:酸化イッテルビウム粉末(Yb2O3粉末)
・焼結助剤:酸化イットリウム粉末(Y2O3粉末)
・焼結助剤:酸化ランタン粉末(La2O3粉末)
・焼結助剤:酸化セリウム粉末(CeO2粉末)
・焼結助剤:酸化エルビウム粉末(Er2O3粉末)
・焼結助剤:酸化ジスプロシウム粉末(Dy2O3粉末)
・焼結助剤:酸化マンガン粉末(MgO粉末)
・焼結助剤:酸化亜鉛粉末(ZrO2粉末)
・焼結助剤:酸化アルミニウム粉末(Al2O3粉末)
3. Method for Producing Silicon Nitride Sintered Body There is no particular limitation on the method for producing the silicon nitride sintered body. An example of the method for producing the silicon nitride sintered body is shown below.
(1) Raw material: Silicon nitride powder (α-Si 3 N 4 powder)
Sintering aid: ytterbium oxide powder ( Yb2O3 powder )
Sintering aid: yttrium oxide powder ( Y2O3 powder )
Sintering aid: lanthanum oxide powder ( La2O3 powder )
Sintering aid: cerium oxide powder ( CeO2 powder)
Sintering aid: erbium oxide powder ( Er2O3 powder )
Sintering aid: dysprosium oxide powder ( Dy2O3 powder)
Sintering aid: manganese oxide powder (MgO powder)
Sintering aid: zinc oxide powder ( ZrO2 powder)
Sintering aid: Aluminum oxide powder ( Al2O3 powder)
(2)焼成用粉末の作製
上述の粉末を所定の配合割合になる様に秤量する。ボールミルに秤量した粉末を入れ、アルコール(例えばエタノール)および粉砕メディアとともに混合粉砕する。得られたスラリーを篩に通し、エタノール溶解した有機系バインダを添加し、スプレードライする。
(2) Preparation of powder for firing The above powders are weighed out to a predetermined mixing ratio. The weighed powders are placed in a ball mill, mixed and ground with alcohol (e.g., ethanol) and grinding media. The resulting slurry is passed through a sieve, and an organic binder dissolved in ethanol is added, followed by spray drying.
(3)プレス成形
得られた混合粉末を、プレス成形する。
(3) Press Molding The resulting mixed powder is press molded.
(4)焼成
成形体を、加熱装置内において脱脂して、脱脂体を得る。脱脂体を窒素雰囲気下にて加熱して、焼結体を得る。
(4) Firing The molded body is degreased in a heating device to obtain a degreased body, which is then heated in a nitrogen atmosphere to obtain a sintered body.
(5)研磨、コーティング
得られた焼結体を、切削工具(切削インサート)の形状に加工し、基材とする。CVD法によって、基材表面に、最終的に外層となる被膜を形成する。このようにして表面被覆焼結体を得る。
(5) Polishing and Coating The obtained sintered body is processed into the shape of a cutting tool (cutting insert) to form a substrate. A coating that will eventually become the outer layer is formed on the surface of the substrate by a CVD method. In this way, a surface-coated sintered body is obtained.
(6)内層形成処理
得られた表面被覆焼結体に対して、下記のように熱間静水圧加圧(hot isostaticis pressing:HIP)処理を行う。表面被覆焼結体に対して、第1昇温工程と、第1昇温工程に引き続いて行われる第2昇温工程との2段階昇温を行う。第1昇温工程では、窒素雰囲気下にて昇温した後、昇温した温度で一定時間保持する。第2昇温工程では、窒素雰囲気下にて昇温した後、昇温した温度で一定時間保持する。以上のようにして、窒化珪素質焼結体が作製される。
(6) Inner layer formation treatment The obtained surface-coated sintered body is subjected to hot isostatic pressing (HIP) treatment as described below. The surface-coated sintered body is subjected to a two-stage heating process, a first heating process and a second heating process which follows the first heating process. In the first heating process, the body is heated in a nitrogen atmosphere and then held at the heated temperature for a certain period of time. In the second heating process, the body is heated in a nitrogen atmosphere and then held at the heated temperature for a certain period of time. In this manner, a silicon nitride sintered body is produced.
得られた窒化珪素質焼結体は、第1昇温工程によって基材のマイクロポアが低減されるとともに、焼結助剤に由来する成分の基材表層部への拡散を促進させると推察される。そして、第2昇温工程によって、内層の形成が促進されると推察される。 The first heating step is believed to reduce the micropores in the substrate of the resulting silicon nitride sintered body, and promote the diffusion of components derived from the sintering aid into the substrate surface. The second heating step is believed to promote the formation of an inner layer.
内層の組成は、第1昇温工程及び第2昇温工程における昇温速度及び圧力によって調整する。内層の膜厚及び組成は、基材に含まれる特定元素の総量、及び内層形成処理条件の組み合わせにより制御する。具体的には、内層は、基材における特定元素の総量が大きいほど層が厚くなり、特定元素の含有率が大きくなる傾向にあり、基材における特定元素の総量が少ないほど層が薄くなり、特定元素の含有率が小さくなる傾向にある。内層は、第1昇温工程時の圧力が高いほど層が厚くなる傾向にあり、第1昇温工程の圧力が低いほど薄膜化する傾向にある。内層は、第2昇温工程の保持温度及び圧力が高く、かつ保持時間が長いほど、層が厚くなる傾向にある。 The composition of the inner layer is adjusted by the heating rate and pressure in the first heating step and the second heating step. The film thickness and composition of the inner layer are controlled by a combination of the total amount of the specific element contained in the base material and the inner layer formation treatment conditions. Specifically, the inner layer tends to be thicker and the content of the specific element increases as the total amount of the specific element in the base material increases, and the inner layer tends to be thinner and the content of the specific element decreases as the total amount of the specific element in the base material decreases. The inner layer tends to be thicker as the pressure in the first heating step increases, and tends to be thinner as the pressure in the first heating step decreases. The inner layer tends to be thicker as the holding temperature and pressure in the second heating step increases and the holding time increases.
以下の実験では、実験例1~24の各窒化珪素質焼結体を作製し、これらの窒化珪素質焼結体を加工して、実験例1~24の切削工具とした。実験例1~18は、実施例であり、実験例19~24は、比較例である。 In the following experiments, silicon nitride sintered bodies were produced as in Experimental Examples 1 to 24, and these silicon nitride sintered bodies were processed to produce cutting tools as in Experimental Examples 1 to 24. Experimental Examples 1 to 18 are working examples, and Experimental Examples 19 to 24 are comparative examples.
1.窒化珪素質焼結体の作製
(1)原料
表1に示す各実験例の窒化珪素質焼結体に用いた原料粉末は、以下のものを用いた。表1には、実験例1~24の窒化珪素質焼結体の構成(基材種、被覆層の構成、内層の構成など)が示されている。
・窒化珪素粉末(α-Si3N4粉末)、平均粒径1.0μm以下
・焼結助剤:酸化イッテルビウム粉末(Yb2O3粉末):平均粒径1.0μm以下
・焼結助剤:酸化イットリウム粉末(Y2O3粉末):平均粒径1.0μm以下
・焼結助剤:酸化ランタン粉末(La2O3粉末):平均粒径1.0μm以下
・焼結助剤:酸化セリウム粉末(CeO2粉末):平均粒径1.0μm以下
・焼結助剤:酸化エルビウム粉末(Er2O3粉末):平均粒径1.0μm以下
・焼結助剤:酸化ジスプロシウム粉末(Dy2O3粉末):平均粒径1.0μm以下
・焼結助剤:酸化マンガン粉末(MgO粉末):平均粒径1.0μm以下
・焼結助剤:酸化亜鉛粉末(ZrO2粉末):平均粒径1.0μm以下
・焼結助剤:酸化アルミニウム粉末(Al2O3粉末):平均粒径1.0μm以下
なお、焼結助剤については、表1に示す基材種(表2に詳細を記載)に応じて選択して用いた。表2における「RE酸化物」とは、希土類元素REの酸化物を意味する。「RE酸化物」の欄における右側の括弧内の元素は、基材種に含まれる希土類元素REを意味する。例えば、表2に示す基材種Aでは、イットリウム(Y)の酸化物(Y2O3)が6.0質量%含まれている。「Si3N4」の欄の「残り」とは、100質量%から「RE酸化物」、「MgO」、「ZrO2」及び「Al2O3」の配合組成を除いた値を意味する。例えば、表2に示す基材種Aでは、Y2O3が6.0質量%、Al2O3が5.5質量%、Si3N4が88.5質量%含まれている。
1. Preparation of silicon nitride sintered body (1) Raw materials The following raw material powders were used for the silicon nitride sintered body of each experimental example shown in Table 1. Table 1 shows the configurations (substrate type, coating layer configuration, inner layer configuration, etc.) of the silicon nitride sintered body of experimental examples 1 to 24.
Silicon nitride powder (α-Si 3 N 4 powder), average particle size 1.0 μm or less Sintering aid: ytterbium oxide powder (Yb 2 O 3 powder), average particle size 1.0 μm or less Sintering aid: yttrium oxide powder (Y 2 O 3 powder), average particle size 1.0 μm or less Sintering aid: lanthanum oxide powder (La 2 O 3 powder), average particle size 1.0 μm or less Sintering aid: cerium oxide powder (CeO 2 powder), average particle size 1.0 μm or less Sintering aid: erbium oxide powder (Er 2 O 3 powder), average particle size 1.0 μm or less Sintering aid: dysprosium oxide powder (Dy 2 O 3 powder), average particle size 1.0 μm or less Sintering aid: manganese oxide powder (MgO powder), average particle size 1.0 μm or less Sintering aid: zinc oxide powder (ZrO 2 powder): average particle size 1.0 μm or less Sintering aid: aluminum oxide powder (Al 2 O 3 powder): average particle size 1.0 μm or less The sintering aid was selected and used according to the substrate type shown in Table 1 (details are given in Table 2). "RE oxide" in Table 2 means the oxide of the rare earth element RE. The element in parentheses on the right side of the "RE oxide" column means the rare earth element RE contained in the substrate type. For example, substrate type A shown in Table 2 contains 6.0 mass% of yttrium (Y) oxide (Y 2 O 3 ). "Remainder" in the "Si 3 N 4 " column means the value obtained by subtracting the compounding composition of "RE oxide", "MgO", "ZrO 2 " and "Al 2 O 3 " from 100 mass%. For example, the base material type A shown in Table 2 contains 6.0 mass % of Y 2 O 3 , 5.5 mass % of Al 2 O 3 , and 88.5 mass % of Si 3 N 4 .
(2)焼成用粉末の作製
原料粉末を窒化珪素製の内壁を有するボールミルに入れ、エタノール及び粉砕メディアとともに混合した。粉砕メディア(φ2mm~φ10mmの窒化珪素系球石)を使用し、72時間粉砕混合して、混合物(スラリー)を作製した。スラリーを目開き250umメッシュの篩に通し、エタノール溶解した有機系バインダを、混合物(スラリー)100質量%に対して3.5質量%となるように添加し、スプレードライした。
(2) Preparation of powder for firing The raw powder was placed in a ball mill with an inner wall made of silicon nitride and mixed with ethanol and grinding media. The raw powder was ground and mixed for 72 hours using grinding media (silicon nitride-based balls with a diameter of 2 mm to 10 mm) to prepare a mixture (slurry). The slurry was passed through a sieve with a mesh size of 250 μm, and an organic binder dissolved in ethanol was added to the mixture (slurry) at a ratio of 3.5% by mass relative to 100% by mass, followed by spray drying.
(3)プレス成形
得られた混合粉末を、ISO規格の工具形状SNGN120412の形状にプレス成形した。
(3) Press Molding The obtained mixed powder was press molded into a tool shape conforming to ISO standard SNGN120412.
(4)焼成
成形体を加熱装置内において、1気圧の窒素雰囲気中で、600℃にて60分間脱脂した。脱脂体を1~6気圧の窒素雰囲気下にて、1700~1900℃の温度で60~180分間加熱して、焼結体を得た。
(4) Firing The compact was degreased in a heating device at 600°C for 60 minutes in a nitrogen atmosphere of 1 atm. The degreased body was heated at a temperature of 1700 to 1900°C for 60 to 180 minutes in a nitrogen atmosphere of 1 to 6 atm to obtain a sintered body.
(5)研磨、コーティング
得られた焼結体を、ISO規格の工具形状SNGN120412の切削工具の形状に加工し、基材とした。CVD法によって、基材表面に、最終的に外層となる被膜を形成した。外層が複層となる場合は、対応する被膜を順次積層した。外層の成分は表1に示す通りである。表1における「上側層」の欄は、上側層を構成する成分と、各成分の積層の順番を示している。「上側層」の欄の左にある成分の方が先に積層されている。例えば、表1の実験例4の「TiC-TiCN-TiN」は、上側層にTiC、TiCN、TiNが含まれ、TiC、TiCN、TiNの順に下側層上に積層されていることを示している。すなわち、下側層を積層した次にTiCが積層され、その上にTiCNが積層され、更にその上にTiNが積層されていることを示している。表3には、各成分の成膜条件(原料ガス組成、成膜温度、及びガス圧力)が示されている。表3において、例えば「TiN」の原料ガス組成は、TiCl4ガスが3.4体積%であり、N2ガスが43.1体積%であり、H2ガスが残りの組成割合(53.5体積%)である。
(5) Polishing, Coating The obtained sintered body was processed into the shape of a cutting tool of ISO standard tool shape SNGN120412 to be used as a substrate. A coating that would eventually become the outer layer was formed on the substrate surface by CVD. When the outer layer was a multi-layered layer, the corresponding coatings were laminated in sequence. The components of the outer layer are as shown in Table 1. The "upper layer" column in Table 1 indicates the components that make up the upper layer and the order of lamination of each component. The component on the left of the "upper layer" column is laminated first. For example, "TiC-TiCN-TiN" in Experimental Example 4 in Table 1 indicates that the upper layer contains TiC, TiCN, and TiN, and that TiC, TiCN, and TiN are laminated on the lower layer in this order. In other words, it indicates that after the lower layer is laminated, TiC is laminated, TiCN is laminated on top of that, and TiN is further laminated on top of that. Table 3 shows the film formation conditions (source gas composition, film formation temperature, and gas pressure) for each component. In Table 3, for example, the source gas composition of "TiN" is 3.4 vol% TiCl4 gas, 43.1 vol% N2 gas, and the remaining composition ratio (53.5 vol%) is H2 gas.
(6)内層形成処理
得られた表面被覆焼結体に対して、下記のように熱間静水圧加圧(hot isostaticis pressing:HIP)処理を行った。実験例1~18の表面被覆焼結体では、第1昇温工程として20℃/分で200気圧~400気圧の窒素雰囲気下にて、1200℃まで昇温し30分温度を保持した。そして、第2昇温工程として10℃/分にて1400℃から1500℃まで昇温し、400気圧~500気圧にて60分~120分間の加熱処理を行った。以上のようにして、窒化珪素質焼結体を作製した。作製した窒化珪素質焼結体の一例を図3に示す。図3は、実施例5の窒化珪素質焼結体11の断面SEM画像である。基材13上に、被覆層15(内層17及び外層19)が形成されている。外層19は、下側層19Aと、上側層19Bと、を含んでいる。
(6) Inner Layer Formation Treatment The obtained surface-coated sintered body was subjected to hot isostatic pressing (HIP) treatment as described below. In the surface-coated sintered bodies of Experimental Examples 1 to 18, the first temperature-raising step was performed by raising the temperature to 1200°C at 20°C/min under a nitrogen atmosphere of 200 to 400 atm and maintaining the temperature for 30 minutes. Then, in the second temperature-raising step, the temperature was raised from 1400°C to 1500°C at 10°C/min and heat treatment was performed at 400 to 500 atm for 60 to 120 minutes. In this manner, a silicon nitride sintered body was produced. An example of the produced silicon nitride sintered body is shown in FIG. 3. FIG. 3 is a cross-sectional SEM image of the silicon nitride sintered body 11 of Example 5. A coating layer 15 (inner layer 17 and outer layer 19) is formed on a substrate 13. The outer layer 19 includes a lower layer 19A and an upper layer 19B.
例えば、実験例2では、基材種Aを用い、第1昇温工程の後、1200℃、400気圧、30分の条件にて保持し、第2昇温工程の後、1500℃、500気圧、60分の条件にて保持した結果、内層の厚さが0.92μmであった。実験例6では、基材種Cを用い、第1昇温工程の後、1200℃、400気圧、30分の条件にて保持し、第2昇温工程の後、1500℃、500気圧、120分の条件にて保持した結果、内層の厚さが0.15μmであった。実験例15では、基材種Aを用い、第1昇温工程の後、1200℃、200気圧、30分の条件にて保持し、第2昇温工程の後、1400℃、400気圧、60分の条件で保持した結果、内層の厚さが0.09μmであった。実験例18では、基材種Aを用い、第1昇温工程の後、1200℃、200気圧、30分の条件にて保持し、第2昇温工程の後、1500℃、500気圧、120分の条件にて保持した結果、内層の厚さが1.10μmであった。実験例24では、第1昇温工程として、200気圧の窒素雰囲気下にて、20℃/分にて1200℃まで昇温し、30分の保持を行った。その後、昇温速度を保持したまま1500℃まで昇温し、300気圧にて60分間の加熱処理を行った。 For example, in Experimental Example 2, the substrate type A was used, and after the first heating step, the substrate was held at 1200°C, 400 atm, and 30 minutes, and after the second heating step, the substrate was held at 1500°C, 500 atm, and 60 minutes. As a result, the thickness of the inner layer was 0.92 μm. In Experimental Example 6, the substrate type C was used, and after the first heating step, the substrate was held at 1200°C, 400 atm, and 30 minutes, and after the second heating step, the substrate was held at 1500°C, 500 atm, and 120 minutes. As a result, the thickness of the inner layer was 0.15 μm. In Experimental Example 15, the substrate type A was used, and after the first heating step, the substrate was held at 1200°C, 200 atm, and 30 minutes, and after the second heating step, the substrate was held at 1400°C, 400 atm, and 60 minutes. As a result, the thickness of the inner layer was 0.09 μm. In Experimental Example 18, substrate type A was used, and after the first heating step, the substrate was held at 1200°C, 200 atm, and 30 minutes, and after the second heating step, the substrate was held at 1500°C, 500 atm, and 120 minutes, resulting in an inner layer thickness of 1.10 μm. In Experimental Example 24, the substrate was heated to 1200°C at 20°C/min in a nitrogen atmosphere at 200 atm and held for 30 minutes in the first heating step. The substrate was then heated to 1500°C while maintaining the heating rate, and heat-treated at 300 atm for 60 minutes.
2.分析
(1)組成分析
得られた窒化珪素質焼結体を表層に対して垂直方向に切断し、切断面に対して研磨処理を行い、基材、内層及び外層を含む鏡面研磨面を作製した。作製した鏡面研磨面に対して、エネルギー分散型X線分光器を備える走査型電子顕微鏡(SEM-EDS)を用いて、基材、内層及び外層における各組成の定量分析、内層の厚さの測定、被覆層の厚さの測定を行った。EDS測定条件は、加速電圧15kV、加速電流13μAであった。基材、内層及び外層を含む断面組織において、基材と内層の界面に対して垂直方向に5μm以上の範囲にて、測定間隔0.05μm以内でライン分析を行い、各測定点における組成の定量分析を行った。測定箇所は、刃先の位置において、基材及び被覆層を含む12μm×9μmの範囲の任意の視野を5箇所選定し、それぞれの測定箇所における内層の組成割合を算出し、これらの値の平均値を算出した。基材の組成の同定は、各焼結体中の各元素の量を周知の蛍光X線にて分析し、各元素の酸化物や窒化物などの化合物とみなして質量比を算出した。例えば、Siの量をSi3N4の量とし、Mgの量をMgOの量とし、Ybの量をYb2O3の量として、質量比を算出した。外層の同定は、上記のSEM-EDSおよび周知のX線回折分析により行った。
2. Analysis (1) Composition Analysis The silicon nitride sintered body obtained was cut in a direction perpendicular to the surface, and the cut surface was polished to prepare a mirror-polished surface including the substrate, inner layer, and outer layer. A scanning electron microscope (SEM-EDS) equipped with an energy dispersive X-ray spectrometer was used to quantitatively analyze the compositions of the substrate, inner layer, and outer layer, and to measure the thickness of the inner layer and the thickness of the coating layer. The EDS measurement conditions were an acceleration voltage of 15 kV and an acceleration current of 13 μA. In the cross-sectional structure including the substrate, inner layer, and outer layer, line analysis was performed in a range of 5 μm or more perpendicular to the interface between the substrate and the inner layer with a measurement interval of 0.05 μm or less, and a quantitative analysis of the composition at each measurement point was performed. As the measurement points, 5 arbitrary visual fields in a range of 12 μm x 9 μm including the substrate and coating layer were selected at the position of the cutting edge, the composition ratio of the inner layer at each measurement point was calculated, and the average value of these values was calculated. The composition of the substrate was identified by analyzing the amount of each element in each sintered body by known fluorescent X-ray, and calculating the mass ratio by regarding each element as a compound such as an oxide or nitride. For example, the mass ratio was calculated by taking the amount of Si as the amount of Si 3 N 4 , the amount of Mg as the amount of MgO, and the amount of Yb as the amount of Yb 2 O 3. The outer layer was identified by the above-mentioned SEM-EDS and known X-ray diffraction analysis.
(2)性能評価
刃先の位置に、0.2mm×25°の面取り刃先加工を行った後に、下記条件にて切削加工を行った。
被削材:FC200 (ブロック材)、200mm×100mm×100mm
切削速度:1000m/分
送り速度:0.1mm/rev
切込み深さ:1.0mm
切削条件:乾式加工
ブロック状のワークに対して、カッター径φ80にて端面の断続加工を行った。200mm×100mmの面において、切削幅50mmにて1面を往復するツーリングを1passとして、上限20passまで加工を行った。そして、1pass加工後の被覆層の剥離の有無、20pass加工後の摩耗量を測定した。結果は、表1に示す。
(2) Performance Evaluation After a 0.2 mm x 25° chamfering was performed on the cutting edge, cutting was performed under the following conditions.
Material: FC200 (block material), 200mm x 100mm x 100mm
Cutting speed: 1000m/min Feed speed: 0.1mm/rev
Cutting depth: 1.0 mm
Cutting conditions: dry machining The end face of a block-shaped workpiece was intermittently machined with a cutter diameter of φ80. On a 200 mm x 100 mm surface, tooling was performed with a cutting width of 50 mm, with one pass being a reciprocating motion on one surface, up to an upper limit of 20 passes. Then, the presence or absence of peeling of the coating layer after one pass machining and the amount of wear after 20 passes machining were measured. The results are shown in Table 1.
3.評価結果
表2に試験結果を併記し、これについて検討する。
(1)実験例の各要件の充足状況及び評価
実施例である実験例1~18は、下記要件(a)~(f)を満たしている。比較例である実験例19は、要件(b)~(f)を満たしていない。比較例である実験例20は、要件(b)(f)を満たしていない。比較例である実験例21~23は、要件(d)を満たしていない。比較例である実験例24は、要件(f)を満たしていない。
・要件(a):基材が、Y(イットリウム)、La(ランタン)、Ce(セリウム)、Er(エルビウム)、Dy(ジスプロシウム)、Yb(イッテルビウム)およびMg(マグネシウム)からなる特定元素群より選択される少なくとも1種の元素である特定元素を含む。
・要件(b):基材が、特定元素を、合計で、酸化物換算で3.0質量%以上15.0質量%以下含有する。
・要件(c):被覆層が、基材に接触する内層と、内層の外側に形成された外層と、を有する。
・要件(d):外層には、内層に接する部分にAl2O3またはAlONが含まれる。
・要件(e):内層が、Al(アルミニウム)と、Si(ケイ素)と、基材が含有する特定元素と、を含む。
・要件(f):内層が、エネルギー分散型X線分光法(EDS)を用いた測定により得られたスペクトルにおいて、含有する全ての金属元素およびSi(ケイ素)の各ピークの高さの合計を100%としたとき、含有する特定元素のピークの高さの合計が12.0%以上50.0%以下である。
3. Evaluation results The test results are shown in Table 2 and will be discussed.
(1) Satisfaction status and evaluation of each requirement of the experimental examples Experimental examples 1 to 18, which are working examples, satisfy the following requirements (a) to (f). Experimental example 19, which is a comparative example, does not satisfy requirements (b) to (f). Experimental example 20, which is a comparative example, does not satisfy requirements (b) and (f). Experimental examples 21 to 23, which are comparative examples, do not satisfy requirement (d). Experimental example 24, which is a comparative example, does not satisfy requirement (f).
Requirement (a): The base material contains a specific element which is at least one element selected from the group consisting of Y (yttrium), La (lanthanum), Ce (cerium), Er (erbium), Dy (dysprosium), Yb (ytterbium), and Mg (magnesium).
Requirement (b): The base material contains specific elements in a total amount of 3.0% by mass or more and 15.0% by mass or less in terms of oxides.
Requirement (c): The coating layer has an inner layer in contact with the substrate, and an outer layer formed on the outside of the inner layer.
- Requirement (d): The outer layer contains Al 2 O 3 or AlON in the portion in contact with the inner layer.
Requirement (e): The inner layer contains Al (aluminum), Si (silicon), and the specific element contained in the base material.
Requirement (f): In a spectrum obtained by measurement using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS), when the total height of the peaks of all contained metal elements and Si (silicon) is taken as 100%, the total height of the peaks of the contained specific elements is 12.0% or more and 50.0% or less.
実施例である実験例1~18は、切削試験において、1pass後の被覆層の剥離がなかった。実施例である実験例19~24は、切削試験において、1pass後の被覆層の剥離があった。実験例1~18は、要件(a)~(f)を満たすことで、内層がアルミニウム(Al)を含むとともに、基材の特定元素と同じ元素を一定量含有する。そのため、切削工具が高温になったときに生じる基材と被覆層の間の熱膨張係数差に起因した応力が緩和され、基材と被覆層の密着性が向上したと考えられる。 In the working examples, Experimental Examples 1 to 18, there was no peeling of the coating layer after one pass in the cutting test. In the working examples, Experimental Examples 19 to 24, there was peeling of the coating layer after one pass in the cutting test. In Experimental Examples 1 to 18, by satisfying requirements (a) to (f), the inner layer contains aluminum (Al) and a certain amount of the same element as the specific element of the substrate. Therefore, it is believed that the stress caused by the difference in thermal expansion coefficient between the substrate and the coating layer that occurs when the cutting tool becomes hot is alleviated, and the adhesion between the substrate and the coating layer is improved.
実施例である実験例1~14は、下記要件(g)を満たしている。実施例である実験例15~18は、要件(g)を満たしていない。
・要件(g):内層の厚さが、0.1μm以上1.0μm以下である。
Examples 1 to 14, which are working examples, satisfy the following requirement (g). Examples 15 to 18, which are working examples, do not satisfy requirement (g).
Requirement (g): The thickness of the inner layer is 0.1 μm or more and 1.0 μm or less.
実験例1~14は、20pass後の摩耗量が0.24mm~0.38mmであった。実験例15~18は、20pass後の摩耗量が0.41mm~0.49mmであった。実施例である実験例1~14は、要件(g)を満たすことで、窒化珪素質焼結体の耐摩耗性が向上したものと考えられる。 In Experimental Examples 1 to 14, the wear amount after 20 passes was 0.24 mm to 0.38 mm. In Experimental Examples 15 to 18, the wear amount after 20 passes was 0.41 mm to 0.49 mm. It is believed that Experimental Examples 1 to 14, which are examples, improved the wear resistance of the silicon nitride sintered body by satisfying requirement (g).
実施例である実験例4,17は、下記要件(h)を満たしている。実施例である実験例14,18は、要件(h)を満たしていない。
・要件(h):被覆層の厚さが、1.5μm以上7.0μm以下である。
The experimental examples 4 and 17, which are examples of the present invention, satisfy the following requirement (h). The experimental examples 14 and 18, which are examples of the present invention, do not satisfy the requirement (h).
Requirement (h): The thickness of the coating layer is 1.5 μm or more and 7.0 μm or less.
実験例4は、20pass後の摩耗量が0.29mmであった。実験例14は、20pass後の摩耗量が0.38mmであった。実験例4は、要件(h)を満たすことで、要件(h)を満たさない実施例14に比べて、窒化珪素質焼結体の耐摩耗性が向上したものと考えられる。 In Experimental Example 4, the wear amount after 20 passes was 0.29 mm. In Experimental Example 14, the wear amount after 20 passes was 0.38 mm. It is believed that Experimental Example 4, which satisfies requirement (h), has improved wear resistance of the silicon nitride sintered body compared to Example 14, which does not satisfy requirement (h).
実施例である実験例17は、20pass後の摩耗量が0.42mmであった。実験例18は、20pass後の摩耗量が0.49mmであった。実験例17は、要件(h)を満たすことで、要件(h)を満たさない実施例18に比べて、窒化珪素質焼結体の耐摩耗性が向上したものと考えられる。 In the working example, Experimental Example 17, the wear amount after 20 passes was 0.42 mm. In Experimental Example 18, the wear amount after 20 passes was 0.49 mm. It is believed that Experimental Example 17, which satisfies requirement (h), has improved wear resistance of the silicon nitride sintered body compared to Example 18, which does not satisfy requirement (h).
実施例である実験例12,16は、下記要件(i)を満たしている。実施例である実験例13,17は、要件(i)を満たしていない。
・要件(i):被覆層の厚さをA、内層の厚さをBとしたとき、B/Aは、0.05以上0.35以下である。
Examples 12 and 16, which are working examples, satisfy the following requirement (i): Examples 13 and 17, which are working examples, do not satisfy the requirement (i).
Requirement (i): When the thickness of the coating layer is A and the thickness of the inner layer is B, the ratio B/A is 0.05 or more and 0.35 or less.
実験例12は、20pass後の摩耗量が0.29mmであった。実験例13は、20pass後の摩耗量が0.35mmであった。実験例12は、要件(i)を満たすことで、要件(i)を満たさない実施例13に比べて、耐摩耗性が向上したものと考えられる。 In Experimental Example 12, the amount of wear after 20 passes was 0.29 mm. In Experimental Example 13, the amount of wear after 20 passes was 0.35 mm. It is believed that Experimental Example 12, which satisfies requirement (i), has improved wear resistance compared to Example 13, which does not satisfy requirement (i).
実施例である実験例16は、20pass後の摩耗量が0.41mmであった。実施例である実験例17は、20pass後の摩耗量が0.46mmであった。実施例である実験例16は、要件(i)を満たすことで、要件(i)を満たさない実施例17に比べて、耐摩耗性が向上したものと考えられる。 In the working example, Experimental Example 16, the wear amount after 20 passes was 0.41 mm. In the working example, Experimental Example 17, the wear amount after 20 passes was 0.46 mm. It is believed that the working example, Experimental Example 16, which satisfies requirement (i), has improved wear resistance compared to Example 17, which does not satisfy requirement (i).
4.実施例の効果
本実施例の窒化珪素質焼結体は、基材と被覆層との間の熱膨張係数差に起因した応力が緩和され、基材と被覆層の密着性を向上できた。結果として、これまでよりも、刃先が高温となる切削加工においても、被覆層の剥離を抑えることで、工具寿命を延長できることを見出した。
4. Effects of the Example In the silicon nitride sintered body of the present example, the stress caused by the difference in thermal expansion coefficient between the substrate and the coating layer was alleviated, and the adhesion between the substrate and the coating layer was improved. As a result, it was found that the tool life can be extended by suppressing peeling of the coating layer even in cutting processing where the cutting edge becomes hotter than before.
本開示は上記で詳述した実施形態に限定されず、様々な変形又は変更が可能である。 This disclosure is not limited to the embodiments detailed above, and various modifications and variations are possible.
1,11: 窒化珪素質焼結体
3,13: 基材
5,15: 被覆層
7,17: 内層
9,19: 外層
9A,19A: 下側層
9B,19B: 上側層
10: 切削工具(切削インサート)
1, 11: Silicon nitride sintered
Claims (5)
前記基材は、Y(イットリウム)、La(ランタン)、Ce(セリウム)、Er(エルビウム)、Dy(ジスプロシウム)、Yb(イッテルビウム)及びMg(マグネシウム)からなる特定元素群より選択される少なくとも1種の元素である特定元素を、合計で、酸化物換算で3.0質量%以上15.0質量%以下含有し、
前記被覆層は、前記基材に接触する内層と、前記内層の外側に形成された外層と、を有し、
前記外層は、前記内層に接する部分がAl2O3又はAlONで構成され、実質的にSi及び前記特定元素を含まず、
前記内層は、Al(アルミニウム)と、Si(ケイ素)と、前記基材が含有する前記特定元素と、を含み、
前記内層は、エネルギー分散型X線分光法(EDS)を用いた測定により得られたスペクトルにおいて、含有する全ての金属元素およびSi(ケイ素)の各ピークの高さの合計を100%としたとき、含有する前記特定元素のピークの高さの合計が12.0%以上50.0%以下である、窒化珪素質焼結体。 A silicon nitride sintered body comprising a substrate mainly composed of silicon nitride or sialon and a coating layer coating the substrate,
The base material contains a specific element, which is at least one element selected from the group consisting of Y (yttrium), La (lanthanum), Ce (cerium), Er (erbium), Dy (dysprosium), Yb (ytterbium), and Mg (magnesium), in a total amount of 3.0% by mass or more and 15.0% by mass or less in terms of oxide,
The coating layer has an inner layer in contact with the base material and an outer layer formed on the outside of the inner layer,
the outer layer has a portion in contact with the inner layer that is made of Al2O3 or AlON and is substantially free of Si and the specific element ;
The inner layer contains Al (aluminum), Si (silicon), and the specific element contained in the base material,
The inner layer is a silicon nitride sintered body, in which, when the sum of the heights of the peaks of all contained metal elements and Si (silicon) is taken as 100%, the sum of the heights of the peaks of the contained specific elements is 12.0% or more and 50.0% or less in a spectrum obtained by measurement using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS).
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