JP2003238275A - 複合構造体 - Google Patents

複合構造体

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JP2003238275A
JP2003238275A JP2002038685A JP2002038685A JP2003238275A JP 2003238275 A JP2003238275 A JP 2003238275A JP 2002038685 A JP2002038685 A JP 2002038685A JP 2002038685 A JP2002038685 A JP 2002038685A JP 2003238275 A JP2003238275 A JP 2003238275A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高硬度と高靭性とを両立できる複合構造体を
提供する。 【解決手段】 長尺状の芯材4の外周を表皮部材8にて
被覆してなり、芯材4および表皮部材8の双方が組成の
異なるAl23とTiCとの複合セラミックスからなる
複合構造体を作製する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、長尺状の芯材の外
周を表皮部材にて被覆してなる複合構造体に関する。
【0002】
【従来の技術】従来より、Al23とTiCとの複合セ
ラミックスは高硬度および高強度を有する材料として知
られ、構造材として広く用いられており、例えば、特開
平2−229757号公報では、Al23に対して微粒
のTiCを分散せしめた複合セラミックスがクラックの
進展を抑制する効果を有すると記載されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のAl23とTiCの複合セラミックスでは、クラッ
ク進展の抑制効果が低く、例えば切削工具等として使用
すると耐欠損性が劣るという問題があった。
【0004】本発明は上記課題を解決するためになされ
たもので、その目的は、高硬度と高靭性とを兼ね備えた
複合構造体を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明者は上記課題につ
いて検討した結果、長尺状の芯材の外周を表皮部材にて
被覆してなる複合構造体であって、前記芯材および前記
表皮部材の双方を組成が異なるAl23とTiCとの複
合セラミックスにて形成することにより、高硬度と高靭
性を兼ね備えた複合構造体となることを知見した。
【0006】すなわち、本発明の複合構造体は、長尺状
の芯材の外周を表皮部材にて被覆してなる複合構造体で
あって、前記芯材および前記表皮部材の双方を組成が異
なるAl23とTiCとの複合セラミックスにて形成す
ることを特徴とするものである。
【0007】ここで、前記芯材がAl23を90〜55
重量%と、TiCを10〜45重量%との割合で含有す
るとともに、前記表皮部材がAl23を10〜60重量
%と、TiCを90〜40重量%との割合で含有するこ
とが望ましい。
【0008】
【発明の実施の形態】本発明の複合構造体について、そ
の一実施例である図1の概略斜視図を基に説明する。
【0009】図1によれば、複合構造体1は長尺状の芯
材4の外周を表皮部材(8)にて被覆した構造からな
る。
【0010】本発明によれば、芯材4および表皮部材8
の双方を組成が異なるAl23とTiCとの複合セラミ
ックスにて形成することが大きな特徴であり、これによ
って、複合構造体1の硬度を高めることができるととも
に、表皮部材8の破壊を最低限に抑制できかつクラック
の進路の変更、ブリッジング、ディボンディング、プル
アウトの効果が発揮できることから構造体の靭性を高め
ることができる。
【0011】また、本発明によれば、硬度を向上させる
ことによって優れた耐摩耗性を発現させ、また靭性を向
上させ耐欠損性を向上させるという点で、前記芯材4が
Al 23を90〜55重量%と、TiCを10〜45重
量%との割合で含有するとともに、前記表皮部材8がA
23を10〜60重量%と、TiCを90〜40重量
%との割合で含有することが望ましい。また芯材のAl
23の含有量は、表皮部材のAl23の含有量よりも3
0重量%以上多いことが望ましい。
【0012】本発明では、芯材4のAl23が90重量
%を越え、TiCが10重量%未満になると、芯材4自
体の靱性が低く、耐欠損性が向上する効果が低い。ま
た、芯材4のAl23が55重量%未満になり、TiC
が45重量%を越えると、芯材4の耐酸化性が劣化して
耐摩耗性が劣るとともに、表皮部材8との組成が近くな
って本構造の効果が弱くなる。
【0013】一方、表皮部材8のAl23が10重量%
未満になり、TiCが90重量%を越えると、表皮部材
8が焼結不良となり、耐摩耗性が劣化する。また、表皮
部材8のAl23が60重量%を越え、TiCが40重
量%未満になると、芯材4との組成が近くなって本構造
の効果が弱くなる。
【0014】さらに、Al23とTiCとの複合セラミ
ックス中には、助剤成分として、希土類酸化物、4a,
5a,6aの酸化物、酸化コバルト、酸化ニッケル、酸
化イットリウム、酸化マグネシウム、酸化シリコンを含
有することが望ましい。
【0015】また、複合構造体1のクラックの進展の抑
制のためには、例えば、芯材4の平均直径は5〜500
μm以下、特に5〜300μm、表皮部材8の平均厚み
は500μm以下、特に0.1〜200μm、さらに
0.1〜30μmからなり、複合構造体1の直径が0.
01〜5mmであることが望ましいが、高硬度と高靭性
の両立のためには、芯材4の平均直径D1と表皮部材の
平均厚みD2との比D2/D1が0.01〜0.5、特に
0.02〜0.2であることが望ましい。
【0016】さらに、図1では芯材4が1本、すなわち
単体の周囲に表皮部材8が被覆された場合について示し
たが、本発明はこれに限定されるものではなく、図3に
示すように、図1の構造体1を例えば4本以上の複数本
収束したマルチフィラメント構造であっても良い。
【0017】また、複合構造体1は、図2に示すよう
に、長尺状のものを所定長さとして並列に配列すること
によってシート状とすることもでき、さらに、該シート
を(a)長尺状の複合構造体1が各層とも同じ方向を向
くように積層する方法、(b)長尺状の複合構造体1が
各層間で直交する(交差角90°)ように積層する方
法、(c)長尺状の複合構造体1が各層間で例えば45
°等の所定角度となるように交差して積層する方法等に
よって整列された構造体を作製することができ、用途に
応じて異方性の度合いの異なる構造体とすることができ
る。
【0018】他方、複合構造体1を、例えば0.01〜
10mmの所定長さとして、これをランダムにお互いが
絡み合った組織とすることもでき、かかる構造体によれ
ば硬度や靭性等の特性の異方性が生じることなく均一な
特性を有する構造体となる。
【0019】次に、本発明の複合構造体1を製造する方
法の一例について図4の模式図をもとに説明する。
【0020】まず、平均粒径0.1〜3μmのAl23
粉末と、平均粒径0.5〜5μmのTiC粉末と、所望
により上述した助剤成分粉末とを所定の割合で添加、混
合して、これにパラフィンワックス、ポリスチレン、ポ
リエチレン、エチレン−エチルアクリレ−ト、エチレン
−ビニルアセテート、ポリブチルメタクリレート、ポリ
エチレングリコール、ジブチルフタレート等の有機バイ
ンダを添加、混錬した後、プレス成形、押出成形または
鋳込成形等の成形方法により芯材用に円柱形状の成形体
4’を作製する(工程(a))。
【0021】一方、平均粒径0.1〜3μmのAl23
粉末と、平均粒径0.5〜5μmのTiC粉末と、所望
により上述した助剤成分粉末とを所定の割合で添加、混
合して、これに前述のバインダ等を添加、混錬して、プ
レス成形、押出成形または鋳込成形等の成形方法により
半割円筒形状の2本の表皮部材用成形体8’を作製し、
該表皮部材用成形体8’を前記芯材用成形体4’の外周
を覆うように配置した複合成形体を作製する(工程
(a))。
【0022】そして、上記複合成形体を共押出成形する
ことにより芯材4’の周囲に表皮部材8’が被覆された
細い径に伸延された複合成形体1’を作製する(工程
(b))。また、マルチフィラメント構造の構造体を作
製するには、上記共押出しした長尺状の成形体1’を複
数本収束して再度共押出し成形すれば良い(工程
(c))。
【0023】さらに、上記伸延された長尺状の成形体
1’を所望により円柱や三角柱、四角柱、六角柱等の多
角形に成形することもできる。また、長尺状の成形体
1’を整列させてシートとなし、該シート同士が平行、
直行または45°等の所定の角度をなすように積層させ
た積層体とすることもできる。また、公知のラピッドプ
ロトダイビング法等の成形方法によって任意の形状に成
形することも可能である。さらには、上記整列したシー
トまたは該シートを断面方向にスライスした複合構造体
シートを従来の超硬合金等の硬質合金焼結体(塊状体)
の表面に貼り合わせ、または接合することも可能であ
る。
【0024】なお、本発明によれば、上記方法以外にも
繊維状の芯材用成形体を先に作製し、これを表皮部材用
のスラリー中にディッピング(浸漬して引き上げ)する
ことによって上述したような複合構造成形体を作製する
ことも可能である。
【0025】その後、前記成形体を脱バインダ処理した
後、不活性ガス雰囲気例えばArガス中、1300〜2
000℃で焼成することにより本発明の複合構造体1を
作製することができる。また、焼成に際しては、所望に
より、1000℃〜1900℃でHIP焼成してもよ
い。
【0026】さらに、得られた構造体1に対して、CV
D法やPVD法等の薄膜形成法により構造体の表面に周
期律表第4a、5a、6a族金属の炭化物、窒化物、炭
窒化物等の皮膜を形成することも可能である。
【0027】
【実施例】(実施例1)平均粒径0.3μmのAl23
粉末80重量%と、平均粒径0.8μmのTiC粉末1
9wt%と、平均粒1μmのY23粉末1重量%とを秤
量し、これに有機バインダおよび溶媒を添加、混練した
混練物を押出成形機に充填して直径500μmの繊維状
に押出し成形し芯材用の成形体とした。
【0028】一方、平均粒径1μmのAl23粉末20
重量%と、平均粒径1μmのTiC粉末78wt%と、
平均粒径1μmのY23粉末2重量%とを秤量し、これ
に有機バインダおよび溶媒を添加、混合してスラリー状
とし、上記繊維状の芯材用成形体をスラリー内に浸漬、
引き上げして芯材用成形体の外周に厚さ15μmの表皮
部材をコーティングし、空気中で24時間乾燥して複合
構造体を作製した。
【0029】その後、複合構造体を50mm毎にカット
し並列に整列させたシートを複数枚作製し、各シート間
の複合構造体同士が45°となるように積層した積層体
を作製し、所定形状にカットした。そして、この積層体
を600℃で5時間脱バインダ処理し、1600℃で3
00MPaの圧力を付与してホットプレスを行った。
【0030】得られた複合構造体は、芯材の平均直径が
400μm、表皮部材の厚みが10μmであった。
【0031】さらに、上記焼結体をSNGN12042
0の切削工具形状に切り出し、以下の条件で8000m
切削した結果、ノーズ摩耗0.15mmで欠損は発生し
なかった。 (切削条件) 被削材 FCD450 切削速度 400m/min 送り 0.3mm/rev. 切り込み 2mm 乾式切削 (実施例2)平均粒径2μmのAl23粉末90重量%
とTiC粉末8重量%に対し、平均粒径2μmの酸化コ
バルト粉末を2重量%添加し、これにバインダ、滑剤を
添加、混錬した後、プレス成形により直径0.220m
mの芯材用成形体を作製した。また、平均粒径2μmの
Al23粉末6040重量%とTiC粉末55重量%に
対し、平均粒径2μmの酸化コバルト粉末を2重量%、
酸化イットリウム粉末を2重量%、酸化マグネシウムを
1重量%添加し、これにバインダ、滑剤を添加、混錬し
た後、プレス成形により肉厚1mmで半割円筒状の表皮
部材用成形体を2本作製し、前記芯材用成形体の周囲に
被覆した複合成形体を作製した。
【0032】そして、前記複合成形体を共押出して伸延
した後、該伸延された成形体100本を収束して再度共
押出し成形し、マルチフィラメントタイプの成形体を作
製した。その後、該成形体に対して脱バインダ処理を行
い、続いて超高圧装置内にセットして、アルゴン雰囲気
中、圧力5GPaにて、1700℃で焼成して複合構造
体を作製した。構造体の断面を顕微鏡にて観察したとこ
ろ、平均で芯材の直径140〜160μm、表皮部材の
平均厚み8〜12μmであった。
【0033】得られた複合構造体に対して、実施例1と
同様にヴィッカース硬度(JISR1601に準じる)
およびIF法にて試料の靭性を測定した結果、硬度20
GPa、破壊靭性8MPa√mであり、切削特性を評価
した結果、ノーズ摩耗0.14mm、欠損は発生しなか
った。
【0034】(比較例)実施例2の複合構造体に対し
て、表皮部材用成形体を実施例2の芯材用成形体と同じ
混練物を用い、すなわち芯材用成形体と表皮部材用成形
体とを同じ組成の混練物にて作製する以外は実施例2と
同様にして複合構造体を作製し、同様に評価した結果、
硬度18GPa、破壊靭性4MPa√m、ノーズ摩耗
0.25mm、微小欠損が発生した。
【0035】
【発明の効果】以上詳述したとおり、本発明の複合構造
体によれば、芯材および表皮部材の双方を組成が異なる
Al23とTiCとの複合セラミックスにて形成するこ
とにより、高硬度と高靭性を兼ね備えた複合構造体とな
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の複合構造体の一例を示す概略斜視図で
ある。
【図2】図1の複合構造体の平板状に組み合わせた例を
示す図である。
【図3】本発明の複合構造体のマルチフィラメント状に
組み合わせた例を示す図である。
【図4】本発明の複合構造体の製造方法を説明するため
の概念図である。
【符号の説明】
1 複合構造体 4 芯材 8 表皮部材

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 長尺状の芯材の外周を表皮部材にて被覆
    してなる複合構造体であって、前記芯材および前記表皮
    部材の双方を組成が異なるAl23とTiCとの複合セ
    ラミックスにて形成することを特徴とする複合構造体。
  2. 【請求項2】 前記芯材がAl23を90〜55重量%
    と、TiCを10〜45重量%との割合で含有するとと
    もに、前記表皮部材が前記芯材とは組成が異なるAl2
    3を10〜60重量%と、TiCを90〜40重量%
    との割合で含有することを特徴とする請求項1記載の複
    合構造体。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005074532A (ja) * 2003-08-28 2005-03-24 Kyocera Corp 回転工具

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