JP2019157178A - Oxide ceramic base composite material, and manufacturing method therefor - Google Patents

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亮一 古嶋
Ryoichi Furushima
亮一 古嶋
秀樹 日向
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Abstract

To provide an AlO-FeAl composite material excellent in high temperature oxidation resistance at 900°C or higher, and dense and excellent in mechanical properties such as hardness or toughness, by integrating and sintering a binding phase and a hard phase, especially an oxide ceramic group composite material having mechanical properties equal to cermet and excellent high temperature oxidation resistance compared to the cermet, and a manufacturing method therefor.SOLUTION: An oxide ceramic group composite material has a hard phase with alumina (AlO) hard particle as a base phase, and a binding phase containing iron aluminum (FeAl), average particle diameter of the alumina (AlO) hard particle is 0.2 μm to 0.6 μm, content of the hard phase containing alumina (AlO) is in a range of 50 vol.% and 75 vol.%, iron aluminum (FeAl) alloy contains aluminum (Al) at a percentage of more than 23 atom% and 50 atom% or less, and the binding phase and the hard phase are integrated and sintered.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、酸化物セラミックス基複合材料とその製造方法に関する。   The present invention relates to an oxide ceramic matrix composite material and a method for producing the same.

高精度加工分野で金型や工具材料としてWC-Co超硬合金が使用されている。WC-Coは、金属コバルト(Co)を結合相として用いて、硬質相である炭化タングステン(WC)粒子を焼き固めた材料であり、硬度と靭性を高レベルで両立させた複合材料として知られている。   WC-Co cemented carbide is used as a mold and tool material in the high precision machining field. WC-Co is a material in which tungsten carbide (WC) particles, which are hard phases, are baked and hardened using metallic cobalt (Co) as a binder phase, and is known as a composite material that achieves both high hardness and toughness. ing.

超硬合金の機械的特性をさらに向上させることを目的として、現在に至るまでWC-Co超硬合金に関する多くの技術が提案されている。例えば、特許文献1では、六方晶炭化タングステンの結晶軸におけるa軸とc軸との両方の長さを増大させることで靭性、強度および硬さを向上させた強靭超硬合金が提案されている。   Many technologies related to WC-Co cemented carbide have been proposed to date to improve the mechanical properties of cemented carbide. For example, Patent Document 1 proposes a tough cemented carbide having improved toughness, strength, and hardness by increasing the lengths of both the a-axis and the c-axis in the hexagonal tungsten carbide crystal axis. .

しかし、WC-Co超硬合金は高温耐酸化性に課題があり、900℃以上の大気中に晒すとWCやCoの酸化が激しくなり、金型や工具材料としての使用に耐えられなくなる。   However, WC-Co cemented carbide has a problem in high-temperature oxidation resistance, and when exposed to air at 900 ° C or higher, the oxidation of WC and Co becomes severe, making it unusable for use as a mold or tool material.

高温耐酸化性を向上させるために、WC-Co超硬合金製の金型や工具などの表面に炭窒化チタン(TiCN)やアルミナ(Al2O3)のような耐酸化性に優れるセラミックスをコーティングするなどの工夫がされている。しかし、これらのコーティングが摩耗により失われると急速に酸化による摩耗が進展してしまう課題が存在する。このため、材質そのものが高温耐酸化性を有していることが重要となる。 To improve high-temperature oxidation resistance, ceramics with excellent oxidation resistance such as titanium carbonitride (TiCN) and alumina (Al 2 O 3 ) are used on the surfaces of WC-Co cemented carbide molds and tools. It has been devised such as coating. However, when these coatings are lost due to wear, there is a problem that wear due to oxidation rapidly develops. For this reason, it is important that the material itself has high-temperature oxidation resistance.

高温耐酸化性に優れている複合材料として、炭窒化チタン(TiCN)を母相とする硬質粒子をニッケルと複合化させたサーメットが挙げられる。この複合材料は、超硬合金に近い機械的特性を保持しながら、900℃の大気中においても比較的優れた耐酸化性を示す。しかし、大気中高温下で長時間保持すると徐々に酸化が進行するため、サーメットでも耐久性の面において不足する場合がある。   As a composite material excellent in high-temperature oxidation resistance, there is a cermet in which hard particles having titanium carbonitride (TiCN) as a matrix are combined with nickel. This composite material exhibits relatively excellent oxidation resistance even in the atmosphere at 900 ° C. while maintaining mechanical properties close to those of cemented carbide. However, since the oxidation gradually proceeds when kept in the atmosphere at a high temperature for a long time, the cermet may be insufficient in terms of durability.

900℃以上の大気中においても耐久性に優れた材料を作製するためには、Al2O3などの酸化物セラミックスを母材とし、高温耐酸化性に優れる金属や合金などで焼き固めることが有効である。このような複合材料の候補として、アルミニウムを含む合金を結合相として用い、Al2O3を焼き固めた複合材料が挙げられる。特許文献2では、アルミニウム(Al)の含有量を20原子%以下に抑えた延性のあるAl化合物を結合相に用いてAl2O3を焼き固めた複合材料が提案されている。特許文献3では、Al2O3を硬質相、15.9原子%以上22.4原子%以下のAlを含む鉄アルミ(FeAl)を結合相とした複合材料が提案されている。 In order to produce materials with excellent durability even in the atmosphere of 900 ° C or higher, it is necessary to use oxide ceramics such as Al 2 O 3 as the base material and to harden them with metals and alloys with excellent high-temperature oxidation resistance. It is valid. A candidate for such a composite material is a composite material in which an alloy containing aluminum is used as a binder phase and Al 2 O 3 is baked and hardened. Patent Document 2 proposes a composite material in which Al 2 O 3 is baked and solidified using a ductile Al compound with the aluminum (Al) content suppressed to 20 atomic% or less as a binder phase. Patent Document 3 proposes a composite material in which Al 2 O 3 is a hard phase and iron aluminum (FeAl) containing Al in an amount of 15.9 atomic% to 22.4 atomic% is a binder phase.

しかし、Alの含有量が少ないAl化合物、特に鉄(Fe)などの耐酸化性に劣る金属との化合物を結合相に用いた場合、900℃以上の高温での耐酸化性を大幅に向上させることはできない。   However, when an Al compound with a low Al content, especially a compound with a metal with poor oxidation resistance such as iron (Fe), is used in the binder phase, the oxidation resistance at a high temperature of 900 ° C. or higher is greatly improved. It is not possible.

Al化合物の高温酸化に対する耐久性を向上させるには、表面に酸化被膜を形成する必要があり、それにはAl化合物中のAlの割合を少なくとも23原子%以上にすることが重要である。非特許文献1においては、FeとAlの燃焼合成を利用し、焼成中にFeAlを形成し、Al2O3-FeAl複合材料を作製する方法が報告されている。 In order to improve the durability of the Al compound against high-temperature oxidation, it is necessary to form an oxide film on the surface, and for that purpose, it is important that the Al ratio in the Al compound is at least 23 atomic% or more. Non-Patent Document 1 reports a method of using a combustion synthesis of Fe and Al, forming FeAl during firing, and producing an Al 2 O 3 —FeAl composite material.

しかし上記のような燃焼合成を利用した方法においては十分な硬さと強度を有するAl2O3-FeAl複合材料が得られていない。燃焼合成を利用したAl2O3-FeAl複合材料の硬度や強度などの機械的特性が低いのは、根本的に硬質相Al2O3と結合相FeAlの濡れ性が悪く、液相の状態のFeAlがAl2O3をはじき、結合相と硬質相が一体になって焼結されていないためであると考えられる。 However, an Al 2 O 3 —FeAl composite material having sufficient hardness and strength has not been obtained by the method using combustion synthesis as described above. The mechanical properties such as hardness and strength of Al 2 O 3 -FeAl composites using combustion synthesis are low due to the poor wettability of the hard phase Al 2 O 3 and the binder phase FeAl, and the state of the liquid phase This is thought to be because the FeAl repels Al 2 O 3 and the binder phase and the hard phase are not sintered together.

一方、非特許文献2には、Fe3Al合金中にAl2O3を分散させたFe3Al-Al2O3複合材料を通電加圧焼結により得たことが報告されている。通電加圧焼結を用いることにより相対密度96%以上の緻密体が得られている。しかし、Al2O3の分散割合が制限されており、20重量%以上(体積率にして約30%以上)のAl2O3が存在した複合材料は対象としていない。すなわち、単純に通電加圧焼結を用いるだけでは硬質Al2O3粒子を母相とするAl2O3-Fe3Al複合材料を緻密化することはできない。これは、Al2O3とFeAlの濡れ性が悪いのと同様にAl2O3とFe3Alの濡れ性も悪いため、Fe3Al母相中に分散する程度の少量の割合のAl2O3においては緻密化に大きな影響がないが、Al2O3を母相とする系においては、緻密化への大きな阻害となるからである。 On the other hand, Non-Patent Document 2 reports that an Fe 3 Al—Al 2 O 3 composite material in which Al 2 O 3 is dispersed in an Fe 3 Al alloy was obtained by electric pressure sintering. A dense body having a relative density of 96% or more is obtained by using electric current pressure sintering. However, the dispersion ratio of Al 2 O 3 is limited, and composite materials containing 20% by weight or more (about 30% or more by volume) of Al 2 O 3 are not targeted. That is, it is not possible to densify an Al 2 O 3 —Fe 3 Al composite material having hard Al 2 O 3 particles as a parent phase by simply using electric pressure sintering. This is because the wettability of Al 2 O 3 and Fe 3 Al is poor as well as the poor wettability of Al 2 O 3 and FeAl, so a small amount of Al 2 is dispersed in the Fe 3 Al matrix. This is because O 3 does not have a great influence on densification, but in a system using Al 2 O 3 as a parent phase, it is a significant hindrance to densification.

以上のことから、Alの割合が23原子%以上含まれるFeAl合金を結合相として用い、母相であるAl2O3硬質粒子を焼き固めることで硬質相と結合相が一体になって焼結された緻密で硬度や靭性などの機械的特性に優れ、高温酸化に対する耐久性にも優れた複合材料は得られていない。 From the above, using a FeAl alloy containing Al of 23 atomic% or more as the binder phase and sintering the hard phase Al 2 O 3 hard particles, the hard phase and binder phase are integrated and sintered. A dense composite material having excellent mechanical properties such as hardness and toughness and excellent durability against high-temperature oxidation has not been obtained.

特開平7−258786号公報JP 7-258786 A 国際公開第1997/043228号International Publication No. 1997/043228 中国特許出願公開第201210097号明細書Chinese Patent Application Publication No. 20121210097

S. SCHICKER ら, Reaction Synthesized A12O3-based Intermetallic Composites, Acta Materialia, 1996年 46巻 7号 p. 2485-2492S. SCHICKER et al., Reaction Synthesized A12O3-based Intermetallic Composites, Acta Materialia, 1996 46-7 p.2485-2492 Y. Baiら, Study on preparation and mechanical properties of Fe3Al-20wt.%Al2O3 composites, Materials and Design, 2012年 39巻 p.211-219Y. Bai et al., Study on preparation and mechanical properties of Fe3Al-20wt.% Al2O3 composites, Materials and Design, 2012, 39, p.211-219

本発明は、以上の事情に鑑みてなされたものであり、900℃以上の高温耐酸化性に優れ、かつ、結合相と硬質相が一体になって焼結された緻密で硬度や靭性などの機械的特性に優れたAl2O3-FeAl複合材料を提供することを課題としている。 The present invention has been made in view of the above circumstances, is excellent in high-temperature oxidation resistance of 900 ° C. or higher, and is dense and sintered with a binder phase and a hard phase integrated, such as hardness and toughness. The objective is to provide an Al 2 O 3 —FeAl composite material with excellent mechanical properties.

上記の課題を解決するために、本発明の酸化物セラミックス基複合材料は、アルミナ(Al2O3)硬質粒子を母相とする硬質相と、鉄アルミ(FeAl)合金を含む結合相とを有し、
アルミナ(Al2O3)硬質粒子の平均粒径が0.2μm以上0.6μm以下であり、
アルミナ(Al2O3)を含む硬質相の含有量が体積率として50%以上75%以下の範囲であり、
鉄アルミ(FeAl)合金は、アルミニウム(Al)を23原子%より大きく50原子%以下の割合で含有し、
結合相が、硬質相と一体になって焼結されたものであることを特徴としている。
In order to solve the above problems, the oxide ceramic matrix composite material of the present invention comprises a hard phase having alumina (Al 2 O 3 ) hard particles as a parent phase and a binder phase containing an iron aluminum (FeAl) alloy. Have
The average particle size of alumina (Al 2 O 3 ) hard particles is 0.2 μm or more and 0.6 μm or less,
The content of the hard phase containing alumina (Al 2 O 3 ) is in the range of 50% to 75% by volume,
The iron aluminum (FeAl) alloy contains aluminum (Al) in a proportion of more than 23 atomic% and 50 atomic% or less,
The binder phase is characterized by being sintered integrally with the hard phase.

本発明の酸化物セラミックス基複合材料の製造方法は、前記酸化物セラミックス基複合材料の製造方法であって、
アルミナ(Al2O3)粉、鉄アルミ(FeAl)合金を形成するための金属または合金粉、および添加物を混合し粉末を調製する工程と、
100Pa以下の真空中において10MPa以上で前記粉末を加圧しながら通電し、最高温度が1150℃から1350℃となるように制御して焼結する工程とを含むことを特徴としている。
The method for producing an oxide ceramic matrix composite material of the present invention is a method for producing the oxide ceramic matrix composite material,
A process of preparing powder by mixing alumina (Al 2 O 3 ) powder, metal or alloy powder for forming an iron aluminum (FeAl) alloy, and additives;
And a step of applying current while pressing the powder at 10 MPa or higher in a vacuum of 100 Pa or lower and controlling the maximum temperature to be 1150 ° C. to 1350 ° C. and sintering.

本発明の酸化物セラミックス基複合材料によれば、900℃以上の高温耐酸化性に優れ、かつ、結合相と硬質相が一体になって焼結した緻密な構造であり硬度や靭性などの機械的特性に優れている。
本発明の製造方法によれば、900℃以上の高温耐酸化性に優れ、かつ、結合相と硬質相が一体になって焼結された緻密で硬度や靭性などの機械的特性に優れた酸化物セラミックス基複合材料が得られる。
According to the oxide ceramic matrix composite material of the present invention, it has excellent high-temperature oxidation resistance of 900 ° C. or higher, and has a dense structure in which a binder phase and a hard phase are integrally sintered, and has a machine such as hardness and toughness. Excellent mechanical characteristics.
According to the production method of the present invention, high temperature oxidation resistance of 900 ° C. or more is excellent, and the oxidation is excellent in the mechanical properties such as the hardness and the toughness, which are sintered by combining the binder phase and the hard phase. A ceramic composite material is obtained.

実施例2の通電加圧焼結体の組織写真(二次電子像)と元素マップである。2 is a structure photograph (secondary electron image) and element map of an electric current pressure sintered body of Example 2. FIG. 比較例4,5,6の真空焼結体の外観写真である。6 is an external view photograph of vacuum sintered bodies of Comparative Examples 4, 5, and 6.

以下に、本発明を詳細に説明する。   The present invention is described in detail below.

本発明の酸化物セラミックス基複合材料は、アルミナ(Al2O3)硬質粒子を母相とする硬質相と、鉄アルミ(FeAl)合金を含む結合相とを有している。
本発明の酸化物セラミックス基複合材料は、母相であるAl2O3硬質粒子の平均粒径が0.2μm以上0.6μm以下である。Al2O3硬質粒子の粒径が0.2μm未満になるためには0.2μm未満の微細な原料粉を用いる必要があるが、そのような微細な原料粉を焼結すると、後述の通電加圧焼結を利用した製造方法における焼結温度(1150℃から1350℃の間)において粒成長を起こし、平均粒径を0.2μm未満に抑えることは困難になる。一方、原料粉として0.6μmより大きい比較的粗大な原料粉を用いると、焼結後のAl2O3硬質粒子の粒成長はほとんど起きないが、後述の通電加圧焼結を利用した製造方法における焼結温度においては、緻密化が促進されないため、複合体の緻密化が不十分となる。また、焼結温度を1350℃以上にすると、FeAl合金結合相が融解し、表面に析出するため、硬質相と合金結合相が一体化した焼結体の作製が困難になる。
The oxide ceramic matrix composite of the present invention has a hard phase having alumina (Al 2 O 3 ) hard particles as a parent phase and a binder phase containing an iron aluminum (FeAl) alloy.
In the oxide ceramics-based composite material of the present invention, the average particle diameter of Al 2 O 3 hard particles as a parent phase is 0.2 μm or more and 0.6 μm or less. In order for Al 2 O 3 hard particles to have a particle size of less than 0.2 μm, it is necessary to use a fine raw material powder of less than 0.2 μm. Grain growth occurs at a sintering temperature (between 1150 ° C. and 1350 ° C.) in a production method using sintering, and it becomes difficult to suppress the average particle size to less than 0.2 μm. On the other hand, when a relatively coarse raw material powder larger than 0.6 μm is used as the raw material powder, almost no grain growth of the Al 2 O 3 hard particles after sintering occurs. Since the densification is not promoted at the sintering temperature, the densification of the composite becomes insufficient. When the sintering temperature is 1350 ° C. or higher, the FeAl alloy bonded phase melts and precipitates on the surface, making it difficult to produce a sintered body in which the hard phase and the alloy bonded phase are integrated.

本発明の酸化物セラミックス基複合材料中におけるAl2O3硬質粒子の平均粒径は、電子顕微鏡などで観察し、得られた画像中に存在する硬質粒子を等価円直径に変換することにより求める。具体的には、各測定粒子を粒径0.1μmから2μmまで0.1μmずつ刻んだ直径を持つ円と比較し、最も近い大きさの直径を持つ円に割り当てる。0.1μm未満の微細な粒子については無視する。こうして、各直径Diを持つ円に相当する粒子の個数Niを求める。複合材料中の硬質粒子の平均粒径Daveは面積相当径として以下の(1)式より求める。
ここで、Aiは直径Diを持つ粒子の総面積である。
The average particle diameter of the Al 2 O 3 hard particles in the oxide ceramic matrix composite of the present invention is obtained by observing with an electron microscope or the like, and converting the hard particles present in the obtained image into an equivalent circular diameter. . Specifically, each measured particle is compared with a circle having a diameter of 0.1 μm from 0.1 μm to 2 μm and assigned to a circle having the closest diameter. Ignore fine particles less than 0.1 μm. In this way, the number N i of particles corresponding to a circle having each diameter D i is obtained. The average particle diameter D ave of the hard particles in the composite material is obtained from the following equation (1) as an equivalent area diameter.
Here, A i is the total area of particles having a diameter D i .

本発明の酸化物セラミックス基複合材料において、硬質相は、Al2O3硬質粒子を母相とする。ただし、Al2O3硬質粒子を母相とする硬質相にセラミックス炭化物硬質粒子を含有してもよい。硬質相の含有量は、酸化物セラミックス基複合材料中において体積率として50%以上75%以下の範囲である。体積率がこの範囲にあると、酸化物セラミックス基複合材料の曲げ強度、ビッカース硬さ、破壊靭性のいずれも高くできる。体積率が50%未満であると、金型や工具材料に資する硬さを有しない。一方、体積率が75%を超えると、強度や破壊靱性が低く、金型や工具材料に要求される特性として不足する。 In the oxide ceramic matrix composite of the present invention, the hard phase has Al 2 O 3 hard particles as a parent phase. However, ceramic carbide hard particles may be contained in a hard phase having Al 2 O 3 hard particles as a parent phase. The content of the hard phase is in the range of 50% to 75% by volume in the oxide ceramic matrix composite material. When the volume ratio is within this range, the bending strength, Vickers hardness, and fracture toughness of the oxide ceramic matrix composite material can be increased. When the volume ratio is less than 50%, it does not have hardness that contributes to a mold or a tool material. On the other hand, when the volume ratio exceeds 75%, the strength and fracture toughness are low, and the properties required for the mold and the tool material are insufficient.

硬質相を構成するセラミックス炭化物硬質粒子としては、炭化タングステン(WC)や炭化チタン(TiC)などが挙げられる。これらは1種単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。本発明の酸化物セラミックス基複合材料は、硬質相中に、セラミックス炭化物硬質粒子を母相であるアルミナ(Al2O3)硬質粒子よりも小さい体積割合で含有することが好ましい。WCやTiCなどのセラミックス炭化物硬質粒子は、焼結性や硬さなどの向上を考慮して添加されるものであるが、硬質相中における炭化物硬質粒子の体積割合がAl2O3硬質粒子よりも多いと、後述するAl2O3硬質粒子の緻密化の駆動力を生かした通電加圧焼結が困難になる。 Examples of the ceramic carbide hard particles constituting the hard phase include tungsten carbide (WC) and titanium carbide (TiC). These may be used alone or in combination of two or more. The oxide ceramic matrix composite of the present invention preferably contains ceramic carbide hard particles in a hard phase in a volume ratio smaller than that of alumina (Al 2 O 3 ) hard particles as a parent phase. Ceramic carbide hard particles such as WC and TiC are added in consideration of improvements in sinterability and hardness, but the volume fraction of carbide hard particles in the hard phase is higher than that of Al 2 O 3 hard particles. If the amount is too large, it will be difficult to carry out current-pressure sintering using the driving force for densification of Al 2 O 3 hard particles described later.

本発明の酸化物セラミックス基複合材料において、結合相のFeAl合金は、Alを23原子%より大きく50原子%以下の割合で含有し、好ましくは26原子%以上39原子%以下の割合で含有する。Alの割合が23原子%以下になると、作製した複合材料の高温耐酸化性が低下する。一方、Alの割合が50原子%を上回ると、結合相が脆性的になり、作製した複合材料の強度や靭性が低くなる。   In the oxide ceramic matrix composite material of the present invention, the FeAl alloy of the binder phase contains Al in a proportion of greater than 23 atomic% and not greater than 50 atomic%, preferably not less than 26 atomic% and not greater than 39 atomic%. . When the Al content is 23 atomic% or less, the high temperature oxidation resistance of the composite material produced decreases. On the other hand, when the proportion of Al exceeds 50 atomic%, the binder phase becomes brittle and the strength and toughness of the produced composite material are lowered.

本発明の酸化物セラミックス基複合材料は、高温特性や硬度の向上などを目的として、結合相にホウ素(B)を含有させてもよい。ホウ素を使用する場合、結合相中に、硬質相および結合相の合計重量に対して0.01重量%以上0.4重量%以下の範囲で含有することが好ましい。結合相へのホウ素含有量が多過ぎると、緻密化の阻害要因となり、作製した複合材料の機械的特性や耐酸化性が低下する場合がある。   The oxide ceramic matrix composite of the present invention may contain boron (B) in the binder phase for the purpose of improving high temperature characteristics and hardness. When boron is used, the binder phase preferably contains 0.01% by weight or more and 0.4% by weight or less based on the total weight of the hard phase and the binder phase. When the boron content in the binder phase is too large, it becomes an obstacle to densification, and the mechanical properties and oxidation resistance of the composite material produced may be reduced.

本発明の酸化物セラミックス基複合材料は、Al2O3粉、FeAl合金を形成するための金属または合金粉、および添加物を混合し粉末を調製する工程と(以下、粉末調製工程ともいう。)、100Pa以下の真空中において10MPa以上で前記粉末を加圧しながら通電し、最高温度が1150℃から1350℃となるように制御して焼結する工程(以下、焼結工程ともいう。)とを含む方法によって製造することができる。 The oxide ceramics-based composite material of the present invention is a process of preparing a powder by mixing Al 2 O 3 powder, metal or alloy powder for forming an FeAl alloy, and additives (hereinafter also referred to as a powder preparation process). ), Applying a current while pressing the powder at a pressure of 10 MPa or higher in a vacuum of 100 Pa or lower, and controlling the maximum temperature to be 1150 ° C. to 1350 ° C. (hereinafter also referred to as a sintering step). It can manufacture by the method containing.

100Pa以下の真空中において10MPa以上で前記粉末を加圧しながら通電する通電加圧焼結を利用することで、気孔の生成を抑制し、かつ焼結の最高温度を1150℃から1350℃となるように制御することで、硬質母相であるAl2O3の緻密化と結合相であるFeAl合金の緻密化の両方の駆動力を利用して緻密な酸化物セラミックス基複合材料を得ることができる。 By using energized pressure sintering in which the powder is energized at a pressure of 10 MPa or more in a vacuum of 100 Pa or less, the generation of pores is suppressed, and the maximum temperature of sintering is 1150 ° C to 1350 ° C. It is possible to obtain a dense oxide ceramic matrix composite by utilizing the driving force of both the densification of the hard matrix Al 2 O 3 and the FeAl alloy that is the binder phase. .

粉末調製工程において、FeAl合金の結合相を形成するための金属または合金粉としては、例えば、Fe粉やAl粉などの金属粉や、FeAl2やFeAlなどの金属化合物を含有する合金粉末などが挙げられる。これらの粉末のうちいずれを用いても、焼結工程で反応しFeAlが生成する。 In the powder preparation process, the metal or alloy powder for forming the binder phase of the FeAl alloy includes, for example, metal powder such as Fe powder and Al powder, and alloy powder containing a metal compound such as FeAl 2 and FeAl. Can be mentioned. Whichever of these powders is used, it reacts in the sintering process to produce FeAl.

粉末調製工程において、添加物としては、例えば、前述したWC、TiCなどのセラミックス炭化物硬質粒子や、ホウ素(B)などが挙げられる。   In the powder preparation step, examples of the additive include ceramic carbide hard particles such as WC and TiC described above, and boron (B).

粉末調製工程において、混合は乾式、湿式を問わないが、湿式で行う場合は、水を用いるのではなく、有機溶剤を用いることが好ましい。水を用いるとAlを含む金属粉や合金粉が水と反応し、急激に酸化が進み爆発などの危険がある上、水を用いて調製した粉末を用いると、焼結体の強度や靭性などの機械的特性の低下につながる。   In the powder preparation step, mixing may be either dry or wet, but in the case of wet, it is preferable to use an organic solvent instead of water. When water is used, metal powders and alloy powders containing Al react with water, causing rapid oxidation and danger of explosion, etc., and using powders prepared using water, the strength and toughness of the sintered body This leads to a decrease in mechanical properties.

焼結工程では、100Pa以下の真空中において10MPa以上で前記粉末を加圧しながら通電する通電加圧焼結を利用する。これにより、気孔の形成を大幅に抑制することができる。通電加圧焼結を用いないと、濡れ性の悪さからFeAl合金相が表面に析出した複合材料が得られ、相対密度も低く、強度も低い。通電加圧焼結用の型は、一般には黒鉛型を用いるが、他の材料を用いてもよい。また真空度が100Paを超えると合金粉末の酸化が進みやすくなり、焼結体の機械的特性が低下する要因となる。焼結時の加圧に関しては、圧力の上限は特に限定されないが、通電加圧焼結用の型が破壊しない範囲が好ましい。   In the sintering step, current-pressure compression sintering is used in which a current is applied while pressing the powder at 10 MPa or higher in a vacuum of 100 Pa or lower. Thereby, formation of pores can be significantly suppressed. If current-pressure sintering is not used, a composite material in which the FeAl alloy phase is precipitated on the surface is obtained due to poor wettability, the relative density is low, and the strength is low. Generally, a graphite mold is used as the mold for the electric current pressure sintering, but other materials may be used. On the other hand, if the degree of vacuum exceeds 100 Pa, the oxidation of the alloy powder is likely to proceed, which causes the mechanical properties of the sintered body to deteriorate. Regarding the pressurization at the time of sintering, the upper limit of the pressure is not particularly limited, but a range in which the mold for current-pressure compression sintering does not break is preferable.

本発明の酸化物セラミックス複合材料を製造するに際しては、基本的に焼結中の結合相の液相化を抑制することが重要な鍵となっている。加圧焼結で大量の液相を形成すると液相が焼結型から溢れ出し、目的の組成に制御できなくなる。このため焼結温度はFeAl合金が液相を形成したと判断される温度より低い温度で焼結する必要がある。ただし、FeAl自身が単体で緻密化する程度の温度は必要である。一方、Al2O3も焼結温度において十分緻密化の駆動力を有している必要がある。これらの点を考慮すると、Al2O3の緻密化温度がFeAlの液相形成温度より低くかつその差が30℃以内に収まるように原料設計をした上で焼結することが好ましい。通電加圧焼結におけるFeAlの液相形成温度は、FeAlの組成や黒鉛型のサイズや加圧の大きさなどの諸条件に影響されるが、1150℃から1350℃の範囲に存在する。Al2O3の緻密化温度がFeAlの液相形成温度より低くかつその差が30℃以内に収まるようにするためには、低温で緻密化する程度に微細なAl2O3粒子を用いる必要がある。具体的には、焼結後のAl2O3の平均粒径が0.2μm以上0.6μm以下となるように混合粉末を調製することが必要である。以上のような焼結工程を用いることにより、Al2O3の緻密化とFeAlの緻密化の両方の駆動力を生かして緻密な酸化物セラミックス基複合材料を作製することができる。 In producing the oxide ceramic composite material of the present invention, it is basically important to suppress the liquid phase of the binder phase during sintering. When a large amount of liquid phase is formed by pressure sintering, the liquid phase overflows from the sintering mold and cannot be controlled to the target composition. For this reason, it is necessary to sinter at a temperature lower than the temperature at which the FeAl alloy is judged to have formed a liquid phase. However, a temperature at which FeAl itself becomes dense by itself is necessary. On the other hand, Al 2 O 3 also needs to have a sufficiently dense driving force at the sintering temperature. Considering these points, it is preferable to sinter after designing the raw materials so that the densification temperature of Al 2 O 3 is lower than the liquid phase formation temperature of FeAl and the difference is within 30 ° C. The liquid phase formation temperature of FeAl in electric pressure sintering is affected by various conditions such as the composition of FeAl, the size of the graphite mold, and the size of the pressure, but it exists in the range of 1150 ° C to 1350 ° C. In order to make the Al 2 O 3 densification temperature lower than the liquid phase formation temperature of FeAl and to keep the difference within 30 ° C, it is necessary to use Al 2 O 3 particles that are fine enough to be densified at low temperature There is. Specifically, it is necessary to prepare the mixed powder so that the average particle diameter of Al 2 O 3 after sintering is 0.2 μm or more and 0.6 μm or less. By using the sintering process as described above, a dense oxide ceramics-based composite material can be produced by making use of the driving forces of both Al 2 O 3 densification and FeAl densification.

上記の製造方法によって得られた酸化物セラミックス基複合材料は、5μm以下のFeAl合金を含む結合相がAl2O3を母相とする硬質相に対して微細に分散した構造、すなわち硬質相と結合相が一体化して焼結された構造を有する。微細に分散した結合相が十分な靭性と高温耐酸化性を有するため、本発明の酸化物セラミックス基複合材料は、硬度と靭性を高レベルで両立し、かつ高温耐酸化性に優れた材料となる。 The oxide ceramic matrix composite obtained by the above production method has a structure in which a binder phase containing a FeAl alloy of 5 μm or less is finely dispersed with respect to a hard phase having Al 2 O 3 as a parent phase, that is, a hard phase and It has a structure in which the binder phase is integrated and sintered. Since the finely dispersed binder phase has sufficient toughness and high-temperature oxidation resistance, the oxide ceramics-based composite material of the present invention has a high level of hardness and toughness and is excellent in high-temperature oxidation resistance. Become.

本発明の酸化物セラミックス基複合材料において、ビッカース硬さは10GPa以上20GPa以下の範囲が好ましく、12GPa以上18GPa以下がさらに好ましい。本発明においてビッカース硬さは、室温(15から30℃)において、JIS Z2244に規定された測定法によりHvとして求める。   In the oxide ceramic matrix composite material of the present invention, the Vickers hardness is preferably in the range of 10 GPa to 20 GPa, more preferably 12 GPa to 18 GPa. In the present invention, the Vickers hardness is determined as Hv by a measurement method defined in JIS Z2244 at room temperature (15 to 30 ° C.).

本発明の酸化物セラミックス基複合材料において、曲げ強度は0.9GPa以上2.0GPa以下の範囲が好ましく、1.2GPa以上2.0GPa以下がさらに好ましい。曲げ強度は、直方体形状の試験片を3点曲げ試験をすることにより求める。得られた破壊荷重から室温曲げ強度σ(GPa)を以下の(2)式から計算する。ここで、Fは破壊荷重(kN)、Lはスパン長(mm)、Bは試験片幅(mm)、Hは試験片厚さ(mm)である。
In the oxide ceramic matrix composite of the present invention, the bending strength is preferably in the range of 0.9 GPa to 2.0 GPa, and more preferably 1.2 GPa to 2.0 GPa. The bending strength is obtained by conducting a three-point bending test on a rectangular parallelepiped specimen. The room temperature bending strength σ (GPa) is calculated from the following formula (2) from the obtained fracture load. Here, F is the breaking load (kN), L is the span length (mm), B is the specimen width (mm), and H is the specimen thickness (mm).

上記と同様の点から、本発明の酸化物セラミックス基複合材料において、破壊靱性は、4.6MPam0.5以上13MPam0.5以下の範囲が好ましく、7.0 MPam0.5以上11MPam0.5以下がより好ましい。本発明において破壊靱性(KIC)は、室温(15から30℃)において、JIS R1760に規定された、ビッカース圧痕から延びる亀裂の長さから推定する圧子圧入法(IF)法によりKICとして求める。 Terms similar to the above, the oxide ceramic matrix composite of the present invention, fracture toughness is preferably in the range of 4.6MPam 0.5 or more 13MPam 0.5 or less, more preferably 7.0 MPAM 0.5 or more 11MPam 0.5 or less. In the present invention, fracture toughness (K IC ) is determined as K IC by an indentation press-in method (IF) method estimated from the length of a crack extending from a Vickers indentation specified in JIS R1760 at room temperature (15 to 30 ° C.). .

本発明の酸化物セラミックス基複合材料は、上記の範囲の曲げ強度、ビッカース硬さ、破壊靭性を共に有するという特徴がある。これは、結合相と硬質相が一体として焼結されているからである。   The oxide ceramic matrix composite of the present invention is characterized by having both the bending strength, Vickers hardness and fracture toughness in the above ranges. This is because the binder phase and the hard phase are sintered together.

本発明の酸化物セラミックス基複合材料は、900℃の大気中で24時間保持した後の重量増分が5.0×10-4g/cm2以下であることが好ましく、1.0×10-4g/cm2以下であることが特に好ましい。重量増分が1.0×10-4g/cm2以下であると、市販のサーメットの高温耐酸化性と比較して有意な差となり、有用性が高い。 The oxide ceramic matrix composite material of the present invention preferably has a weight increment of 5.0 × 10 −4 g / cm 2 or less after being kept in the atmosphere at 900 ° C. for 24 hours, and 1.0 × 10 −4 g / cm 2. Particularly preferred is 2 or less. When the weight increment is 1.0 × 10 −4 g / cm 2 or less, it becomes a significant difference compared to the high temperature oxidation resistance of commercially available cermets, and is highly useful.

以下に、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

市販の平均粒径0.3μmのα-Al2O3粉末((株)高純度化学研究所製)、平均粒径1.4μmのα-Al2O3粉末(昭和電工(株)製)、平均粒径0.7μmのWC粉末(日本新金属(株)製)、粒径300μm以下のFeAl2粉末(正栄商会社製(Fe:33mol%、Al:67mol%)、粒径3〜5μmのFe粉末((株)高純度化学研究所製)、平均粒径45μmのB粉末((株)高純度化学研究所製)を原料として、表1に示す配合組成となるように各原料粉末を混合した。具体的には、原料粉末全てを420mlのステンレスポットに入れ、直径5mmの超硬ボール1200g、アセトン100mlを添加し、湿式によるボールミル混合を行った。ただし、比較例1のみ平均粒径1.4μmのα-Al2O3粉末を用い、その他については平均粒径0.3μmのα-Al2O3粉末を用いた。回転速度は一律100rpmで、ミル時間は48時間または96時間とした。得られた混合粉末は、エバポレータ、真空乾燥器を用いて乾燥した。 Commercially available α-Al 2 O 3 powder with an average particle size of 0.3 μm (manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd.), α-Al 2 O 3 powder with an average particle size of 1.4 μm (manufactured by Showa Denko KK), average WC powder with a particle size of 0.7μm (manufactured by Nippon Shin Metal Co., Ltd.), FeAl 2 powder with a particle size of 300μm or less (Fe: 33mol%, Al: 67mol%), Fe powder with a particle size of 3-5μm Each raw material powder was mixed so as to have the composition shown in Table 1, using B powder (manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd.) and B powder (manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd.) having an average particle size of 45 μm as raw materials. Specifically, all the raw material powder was put into a 420 ml stainless steel pot, 1200 g of 5 mm diameter carbide balls and 100 ml of acetone were added, and wet ball mill mixing was performed, but only Comparative Example 1 had an average particle size of 1.4 μm. using α-Al 2 O 3 powder, other for using α-Al 2 O 3 powder having an average particle diameter of 0.3 [mu] m. speed in uniform 100 rpm, milling time was 48 hours or 96 hours. the resulting The obtained mixed powder was dried using an evaporator and a vacuum dryer.

乾燥後の混合粉末を以下の2種類の方法により焼結した。1つ目は、混合粉末を一軸プレスにより成形した後、10Pa以下の真空下で焼結する方法(以下真空焼結と記載)、2つ目は混合粉末を黒鉛型に入れ、一軸加圧下で通電パルス焼結を行う方法(以下通電加圧焼結と記載)である。真空焼結において、成形圧は100MPa、焼結温度は一律1450℃で行った。一方、通電加圧焼結においては、混合粉末を内径10mm、または内径23mmの黒鉛型に入れ、通電パルス焼結装置を用いて、20Pa以下の真空雰囲気、40MPaの一軸応力下で、最高温度1200〜1230℃の範囲で焼結を行った。焼結温度を決定する前段階として、混合粉末に含まれるFeAl合金の液相化温度を推定するため、1100℃以上の温度域では昇温速度を10℃/分に固定し、焼結中の収縮量を変位計により確認した。収縮速度は900℃以上のある温度から急激に上がり、その後徐々に緩やかになるが、その後また見かけ上収縮速度が上がる。再度の収縮速度の上昇は、生成したFeAl合金の液相が型から染み出すために起こるものである。このため、1100℃以上で収縮速度が再度上昇する温度を液相形成温度とみなした。本発明の酸化物セラミックス基複合材料は、この推定した液相形成温度を参考に、それ以下の温度で焼結を行っている。なお、ここで記載する温度とは黒鉛型にあけた穴を放射温度計に合わせることにより測定した温度を示している。   The mixed powder after drying was sintered by the following two methods. The first is a method in which the mixed powder is formed by uniaxial pressing and then sintered under a vacuum of 10 Pa or less (hereinafter referred to as vacuum sintering). The second is a method in which the mixed powder is placed in a graphite mold and uniaxially pressed. This is a method of performing energization pulse sintering (hereinafter referred to as energization and pressure sintering). In vacuum sintering, the molding pressure was 100 MPa and the sintering temperature was uniformly 1450 ° C. On the other hand, in electric pressure sintering, the mixed powder is put into a graphite mold with an inner diameter of 10 mm or an inner diameter of 23 mm, and an electric pulse sintering apparatus is used. Sintering was performed in the range of ˜1230 ° C. As a preliminary step to determine the sintering temperature, in order to estimate the liquidus temperature of the FeAl alloy contained in the mixed powder, the heating rate was fixed at 10 ° C / min in the temperature range above 1100 ° C, The amount of contraction was confirmed with a displacement meter. The shrinkage rate suddenly increases from a certain temperature of 900 ° C. or more and then gradually decreases, but then the shrinkage rate apparently increases again. The increase in the shrinkage rate again occurs because the liquid phase of the produced FeAl alloy oozes out of the mold. For this reason, the temperature at which the shrinkage rate increases again at 1100 ° C. or higher was regarded as the liquid phase formation temperature. The oxide ceramic matrix composite of the present invention is sintered at a temperature lower than that with reference to the estimated liquid phase formation temperature. In addition, the temperature described here has shown the temperature measured by matching the hole drilled in the graphite type | mold with the radiation thermometer.

焼結したサンプルは、合金相の表面析出の有無を確認した後、切断、平面研削を経て、幅4mm、厚さ2mmの試験片に加工し、アルキメデス法による密度測定を行った。表2に各サンプル焼結法と推定液相形成温度と焼結温度理論密度および、アルキメデス法から得られた見かけ密度、見かけ密度を理論密度で除した相対密度を示す。ここで理論密度とは、Al2O3、WC、TiCなどの硬質相とFeAl合金結合相が反応しないと仮定したときの、各化合物の割合と個々の密度から計算された値を表す。 After confirming the presence or absence of surface precipitation of the alloy phase, the sintered sample was cut and surface ground, processed into a test piece having a width of 4 mm and a thickness of 2 mm, and density measurement was performed by Archimedes method. Table 2 shows each sample sintering method, the estimated liquid phase formation temperature, the sintering temperature theoretical density, the apparent density obtained from the Archimedes method, and the relative density obtained by dividing the apparent density by the theoretical density. Here, the theoretical density represents a value calculated from the ratio of each compound and the individual density when it is assumed that the hard phase such as Al 2 O 3 , WC, TiC and the FeAl alloy bonded phase do not react.

焼結したサンプルの評価として、硬質粒子の平均粒径の測定、FeAl合金結合相中のAlおよびFeの割合の分析、硬質相と結合相の一体化の評価、曲げ強度、ビッカース硬さ、ヤング率、破壊靭性の測定を行った。これらの結果をまとめたものを表3に示す。比較のために、高靭性TiCN-Ni系サーメットの特性についても一部示した。以下に、表3に示した各特性値の求め方について記す。   Evaluation of sintered sample includes measurement of average particle size of hard particles, analysis of Al and Fe ratio in FeAl alloy binder phase, evaluation of integration of hard phase and binder phase, bending strength, Vickers hardness, Young The rate and fracture toughness were measured. A summary of these results is shown in Table 3. For comparison, some characteristics of high toughness TiCN-Ni cermets are also shown. The method for obtaining each characteristic value shown in Table 3 will be described below.

硬質粒子の平均粒径の測定とFeAl合金結合相中のAlおよびFeの割合の分析は以下のように行った。まず、研磨したサンプルを用いて、種々の倍率でSEMによる組織写真を撮るとともにエネルギー分散型X線(EDX)による元素分析により、結合相に該当する部分に焦点を当てることで、FeとAlの元素割合を求めた。具体的には、先に定性分析により結合相に存在する元素を推定し、その後、該当元素に対して簡易定量を用いて各元素の割合を決定した。また、硬質粒子の平均粒径は、得られた組織画像から式(1)に基づいて各サンプルを構成する面積相当径を計算することで求めた。なお、硬質粒子の平均粒径を求めるにあたっては硬質粒子の粒界を明瞭に観察するために、研磨したサンプルを1200℃で熱エッチングした後SEM観察を行った。図1に本発明の酸化物セラミックス基複合材料の組織の2次電子像と対応する元素(O、Fe、Al)の分布を示す(実施例2、エッチングなし)を示す。   The measurement of the average particle diameter of the hard particles and the analysis of the ratio of Al and Fe in the FeAl alloy binder phase were performed as follows. First, using the polished sample, we take microstructure photographs by SEM at various magnifications and focus on the part corresponding to the binder phase by elemental analysis by energy dispersive X-ray (EDX). The element ratio was determined. Specifically, the elements present in the binder phase were first estimated by qualitative analysis, and then the ratio of each element was determined using simple quantification for the corresponding elements. Moreover, the average particle diameter of the hard particles was obtained by calculating the area equivalent diameter constituting each sample based on the formula (1) from the obtained tissue image. In determining the average particle size of the hard particles, the polished sample was thermally etched at 1200 ° C. and then subjected to SEM observation in order to clearly observe the grain boundaries of the hard particles. FIG. 1 shows the secondary electron image of the structure of the oxide ceramic matrix composite material of the present invention and the distribution of the corresponding elements (O, Fe, Al) (Example 2, no etching).

硬質相と結合相の一体化の評価は、サンプルを目視により評価することで行った。具体的には、図2に示すように焼結後のサンプル表面にFeAl合金が球状になって析出していることが見て取れた場合、硬質相と結合相の一体化に成功していないとみなす。   The evaluation of the integration of the hard phase and the binder phase was performed by visually evaluating the sample. Specifically, as shown in FIG. 2, when it can be seen that the FeAl alloy is spherically deposited on the surface of the sintered sample, it is considered that the hard phase and the binder phase have not been successfully integrated. .

曲げ応力は、サンプルを幅4mm、厚さ2mmの直方体形状の試験片に加工し、試験片を3点曲げ試験を行うことにより求めた。なお、変位速度は0.5mm、スパン10mmとした。得られた破壊荷重から室温曲げ強度σ(GPa)を前述(2)式より求めた。   The bending stress was obtained by processing a sample into a rectangular parallelepiped test piece having a width of 4 mm and a thickness of 2 mm, and performing a three-point bending test on the test piece. The displacement speed was 0.5 mm and the span was 10 mm. The room temperature bending strength σ (GPa) was determined from the above-described equation (2) from the obtained fracture load.

ビッカース硬さは、曲げ試験後の破片の一部の表面を研磨した後、ダイヤモンド圧子を打ち込こみ、圧痕の大きさからJIS Z2244に基づき求めた。破壊靭性KICは圧痕から発生した亀裂からJIS R1760に基づき求めた。なお、破壊靭性の算出にサンプルのヤング率が必要なため、超音波式弾性率測定器により各サンプルの縦波音速と横波音速を測定し、以下の(3)式よりヤング率E(GPa)の算出を行った。
ここで、ρはサンプルの密度(g/cm3)、VL、VSはそれぞれ縦波音速、横波音速(m/s)である。
The Vickers hardness was determined based on JIS Z2244 from the size of the indentation after polishing a part of the surface of the broken piece after the bending test and driving in a diamond indenter. Fracture toughness K IC was determined based on JIS R1760 from cracks generated from indentations. Since the Young's modulus of the sample is required for calculation of fracture toughness, the longitudinal wave velocity and the transverse wave velocity of each sample are measured with an ultrasonic elastic modulus measuring instrument, and the Young's modulus E (GPa) is calculated from the following equation (3). Was calculated.
Here, ρ is the sample density (g / cm 3 ), and V L and V S are the longitudinal wave velocity and the transverse wave velocity (m / s), respectively.

図1における実施例2の組織写真(二次電子像)と対応する元素分布を比較すると、白色部がFeAl合金相、母相である黒色部がAl2O3硬質相に該当することがわかる。また、結合相が硬質粒子の間に濡れ広がる構造ではなく、5μm以下の粒子形状の結合相が硬質相粒子中に均一に分散した硬質相と結合相が一体となって焼結された構造であることがわかる。本発明の複合体は、すべてこのような特徴を有している。結合相が硬質粒子間に濡れ広がらないのは、FeAl合金とAl2O3の濡れ性が悪いためであるが、5μm以下の粒子形状の結合相が硬質相中に微細に分散した状態すなわち硬質相と結合相が一体となって焼結されることで、濡れ性の悪さをカバーし強度や靭性を向上させた複合材料が作製されたことがわかる。 Comparing the corresponding element distribution with the structure photograph (secondary electron image) of Example 2 in FIG. 1, it can be seen that the white part corresponds to the FeAl alloy phase and the black part which is the parent phase corresponds to the Al 2 O 3 hard phase. . In addition, the binder phase is not a structure that spreads between the hard particles, but a structure in which the binder phase having a particle shape of 5 μm or less is uniformly dispersed in the hard phase particles and the binder phase is integrally sintered. I know that there is. All the complexes of the present invention have such characteristics. The binder phase does not spread between the hard particles because the wettability of the FeAl alloy and Al 2 O 3 is poor, but the binder phase with a particle shape of 5 μm or less is finely dispersed in the hard phase, that is, hard It turns out that the composite material which covered the bad wettability and improved the intensity | strength and toughness was produced because the phase and the binder phase were sintered integrally.

一方、真空焼結により得られる比較例4,5,6は、図2に示すように焼結後のサンプル表面にFeAl合金が球状になって析出していることが見られ、硬質相と結合相が一体化して焼結していないことがわかる。さらに、比較例6を除いて相対密度が92%を下回っており(表2参照)、不完全な緻密体となっている。析出物の大きさは、FeAl合金結合相を構成するための原料粉の添加割合が大きいほど大きくなる傾向がある。このことから、真空焼結を用いた焼結法では、液相化したFeAlがAl2O3硬質相との濡れ性が悪いため、緻密化が促進させず表面に析出したと考えられる。 On the other hand, in Comparative Examples 4, 5, and 6 obtained by vacuum sintering, as shown in FIG. 2, FeAl alloy is seen to be deposited in a spherical shape on the surface of the sintered sample, and bonded to the hard phase. It can be seen that the phases are not integrated and sintered. Further, the relative density is lower than 92% except for Comparative Example 6 (see Table 2), which is an incomplete dense body. The size of the precipitate tends to increase as the addition ratio of the raw material powder for constituting the FeAl alloy binder phase increases. From this, it is considered that in the sintering method using vacuum sintering, the liquid phase FeAl has poor wettability with the Al 2 O 3 hard phase, so that densification is not promoted and is deposited on the surface.

FeAl結合相の組成に関して、表1と表3の結果を比較すると、理論FeAl組成に比べ、実際のサンプルの結合相中のFeの割合が高いことがわかる。これは、粗大な原料であるFeAl2粉末の粒径が粉砕中に急激に細かくなることで、比表面積が増大し、表面酸化を起こすためである。表面酸化により焼結中にFeAl合金結合相からAl2O3が形成され、Al成分が奪われるためFeAl中のFeの割合が相対的に大きくなる。なお、本発明においてはこのFeAl合金結合相におけるAlの割合が23原子%より大きく50原子%以下を規定しているが、これは原料粉末の割合や調製条件により制御可能である。 Comparing the results of Table 1 and Table 3 regarding the composition of the FeAl binder phase, it can be seen that the proportion of Fe in the binder phase of the actual sample is higher than the theoretical FeAl composition. This is because the specific surface area increases and surface oxidation occurs because the particle diameter of the coarse FeAl 2 powder, which is a coarse material, becomes sharply fine during pulverization. Surface oxidation causes Al 2 O 3 to form from the FeAl alloy bonded phase during sintering, and the Al component is deprived, so the proportion of Fe in FeAl becomes relatively large. In the present invention, the proportion of Al in the FeAl alloy bonded phase is specified to be more than 23 atomic% and not more than 50 atomic%, but this can be controlled by the ratio of raw material powder and preparation conditions.

焼結体中の硬質粒子の平均粒径に関しては、表3の結果から原料である硬質粒子の平均径に大きく依存し、湿式ミル時間やFeAl結合相の組成などの影響は今回ほとんど見られないことがわかった。これは湿式ミル時間や合金結合相の割合の変化により硬質粒子の粉砕効果に大きな差がなかったことや焼結中に微細化した硬質粒子は他の大きい粒子に取り込まれることにより粒成長を起こしたため、粒径の差が縮まったと考えられる。原料粉末が他のサンプルよりも大きい粉末を用いた比較例1に関しては、焼結後の硬質粒子の平均粒径は他のサンプルよりも明らかに大きかった。   The average particle size of the hard particles in the sintered body largely depends on the average particle size of the hard particles as a raw material from the results shown in Table 3, and there is almost no influence of the wet mill time or the composition of the FeAl binder phase at this time. I understood it. This is because there was no significant difference in the pulverization effect of the hard particles due to changes in the wet mill time and the ratio of the alloy binder phase, and the hard particles refined during sintering caused grain growth by being incorporated into other large particles. Therefore, it is considered that the difference in particle size is reduced. Regarding Comparative Example 1 in which the raw material powder was larger than the other samples, the average particle size of the hard particles after sintering was clearly larger than that of the other samples.

通電加圧焼結により作製した実施例1から9や比較例2におけるヤング率、曲げ強度、硬度、破壊靭性などの機械的特性は、総じて高靭性サーメットのそれらに及ばないがそれに近い特性を有する。これらの機械的特性は、FeAl合金の結合相の組成や、原料粉末のミル時間に依存する。実際、FeAl合金の結合相の割合が高いほど、硬さとヤング率は増加傾向を示し、破壊靭性は低下傾向を示す。また、原料粉末のミル時間が長いほど、硬さとヤング率は増加傾向を示し破壊靭性は低下傾向を示す。   Mechanical properties such as Young's modulus, bending strength, hardness, fracture toughness, etc. in Examples 1 to 9 and Comparative Example 2 produced by electric pressure sintering are generally not as good as those of high toughness cermets, but have characteristics close to them. . These mechanical properties depend on the composition of the binder phase of the FeAl alloy and the mill time of the raw material powder. In fact, the higher the proportion of the binder phase of the FeAl alloy, the higher the hardness and Young's modulus and the lower the fracture toughness. Moreover, the longer the mill time of the raw material powder, the higher the hardness and Young's modulus and the lower the fracture toughness.

一方、比較例1,3,4は相対密度が90%を下回っており緻密化が不完全であるため、曲げ強度、硬度ともに全ての実施例に比べ低い。比較例5,6は相対密度が91%を超えているが、強度が全ての実施例に比べ低かった。図2に示したように比較例4,5,6は真空焼結を用いているため、硬質相と結合相が一体化されて焼結されていないことも低い機械的特性の要因となったと考えられる。また比較例1,4,5は、亀裂の進展が明瞭に確認できず破壊靭性は測定できなかった。比較例3は、亀裂の進展が確認できたが、2.9MPam0.5と低い値となった。 On the other hand, Comparative Examples 1, 3, and 4 have a relative density of less than 90% and incomplete densification, so that both bending strength and hardness are lower than in all Examples. In Comparative Examples 5 and 6, the relative density exceeded 91%, but the strength was lower than in all Examples. As shown in FIG. 2, since Comparative Examples 4, 5, and 6 use vacuum sintering, the fact that the hard phase and the binder phase are not integrated and sintered is also a factor of low mechanical properties. Conceivable. In Comparative Examples 1, 4, and 5, the progress of cracks could not be clearly confirmed, and the fracture toughness could not be measured. In Comparative Example 3, the progress of cracks was confirmed, but the value was as low as 2.9 MPa 0.5 .

曲げ試験片に加工した各サンプルを用いて、大気中900℃にて高温耐酸化試験を行った。サンプルは900℃に加熱した状態の電気炉の中に入れ24時間加熱し、室温まで冷却後サンプルを取り出し重量増分を測定した。表面積に対する酸化増量(単位:g/cm)を表4に示す。 A high-temperature oxidation resistance test was conducted at 900 ° C. in the atmosphere using each sample processed into a bending test piece. The sample was placed in an electric furnace heated to 900 ° C. and heated for 24 hours. After cooling to room temperature, the sample was taken out and the weight increment was measured. Table 4 shows the amount of increase in oxidation relative to the surface area (unit: g / cm 2 ).

実施例1から9は、高靭性TiCN-Ni系サーメットに比べて、10〜100倍酸化増量が小さく、耐酸化性が優れていることがわかる。一方、比較例1,3,4は緻密化が達成されていない(90%以下)ため、酸素に晒される領域すなわち比表面積が実施例に比較して大きいため、酸化増量は実施例に比べ10〜100倍ほど大きくなる。比較例2は、緻密度は十分(95.4%)であるが、結合相に含まれるAlの割合が7原子%と低く、Alの酸化被膜が形成されないため酸化増量は実施例に比較して10〜100倍ほど大きく、サーメットとほぼ同等である。このことから本発明の複合材料は十分な緻密化と結合相のAlの割合が特定の範囲(23原子%より大きい)を満たしていれば、900℃以上の高温耐酸化性に非常に優れた材料となることがわかる。   It can be seen that Examples 1 to 9 have a smaller oxidation increase of 10 to 100 times and superior oxidation resistance compared to the high toughness TiCN-Ni cermet. On the other hand, in Comparative Examples 1, 3, and 4, densification was not achieved (90% or less), and therefore, the area exposed to oxygen, that is, the specific surface area was larger than that of the Example, so that the increase in oxidation was 10 About 100 times larger. In Comparative Example 2, the density is sufficient (95.4%), but the ratio of Al contained in the binder phase is as low as 7 atomic%, and an oxide film of Al is not formed. About 100 times larger, almost the same as cermet. For this reason, the composite material of the present invention has excellent high-temperature oxidation resistance of 900 ° C. or higher as long as it is sufficiently densified and the proportion of Al in the binder phase satisfies a specific range (greater than 23 atomic%). It turns out that it becomes a material.

本発明の酸化物セラミックス基複合材料は、高温耐酸化性に優れる材料として知られるサーメットよりも、900℃以上の大気中に対する耐久性に優れ、かつサーメットに匹敵する機械的特性を有することから900℃以上の高温環境に晒される切削工具や鋳造用周辺部品の材料として好適に利用することができる。   The oxide ceramics-based composite material of the present invention is superior in durability to the atmosphere at 900 ° C. or higher than cermet known as a material excellent in high-temperature oxidation resistance, and has mechanical characteristics comparable to cermet 900. It can be suitably used as a material for a cutting tool or a peripheral component for casting that is exposed to a high temperature environment of ℃ or higher.

Claims (7)

アルミナ(Al2O3)硬質粒子を母相とする硬質相と、鉄アルミ(FeAl)合金を含む結合相とを有し、
アルミナ(Al2O3)硬質粒子の平均粒径が0.2μm以上0.6μm以下であり、
アルミナ(Al2O3)を含む硬質相の含有量が体積率として50%以上75%以下の範囲であり、
鉄アルミ(FeAl)合金は、アルミニウム(Al)を23原子%より大きく50原子%以下の割合で含有し、
結合相が硬質相と一体になって焼結された、酸化物セラミックス基複合材料。
A hard phase having alumina (Al 2 O 3 ) hard particles as a matrix and a binder phase containing an iron aluminum (FeAl) alloy;
The average particle size of alumina (Al 2 O 3 ) hard particles is 0.2 μm or more and 0.6 μm or less,
The content of the hard phase containing alumina (Al 2 O 3 ) is in the range of 50% to 75% by volume,
The iron aluminum (FeAl) alloy contains aluminum (Al) in a proportion of more than 23 atomic% and 50 atomic% or less,
An oxide-ceramic matrix composite material in which the binder phase is sintered together with the hard phase.
結合相が表面に析出していない請求項1に記載の酸化物セラミックス基複合材料。   The oxide ceramic matrix composite material according to claim 1, wherein the binder phase is not precipitated on the surface. 硬質相中に、セラミックス炭化物硬質粒子を母相であるアルミナ(Al2O3)硬質粒子よりも小さい体積割合で含有する請求項1または2に記載の酸化物セラミックス基複合材料。 3. The oxide ceramic matrix composite material according to claim 1, wherein the hard phase contains ceramic carbide hard particles in a volume ratio smaller than that of alumina (Al 2 O 3 ) hard particles as a parent phase. 結合相中に、硬質相および結合相の合計重量に対してホウ素を0.01重量%以上0.4重量%以下の範囲で含有する請求項1から3のいずれか一項に記載の酸化物セラミックス基複合材料。   The oxide ceramic matrix composite material according to any one of claims 1 to 3, wherein the binder phase contains boron in a range of 0.01 wt% to 0.4 wt% with respect to the total weight of the hard phase and the binder phase. . 曲げ強度が0.9GPa以上2.0GPa以下でかつビッカース硬さが10GPa以上20GPa以下かつ破壊靭性が4.6MPam0.5以上13 MPam0.5以下である請求項1から4のいずれか一項に記載の酸化物セラミックス基複合材料。 The oxide ceramic base according to any one of claims 1 to 4, wherein the bending strength is 0.9 GPa or more and 2.0 GPa or less, the Vickers hardness is 10 GPa or more and 20 GPa or less, and the fracture toughness is 4.6 MPaam 0.5 or more and 13 MPaam 0.5 or less. Composite material. 900℃の大気中で24時間保持した後の重量増分が1.0×10-4g/cm2以下である請求項1から5のいずれか一項に記載の酸化物セラミックス基複合材料。 The oxide ceramic matrix composite material according to any one of claims 1 to 5, wherein a weight increment after being kept in an atmosphere of 900 ° C for 24 hours is 1.0 × 10 -4 g / cm 2 or less. 請求項1から6のいずれか一項に記載の酸化物セラミックス基複合材料の製造方法であって、
アルミナ(Al2O3)粉、鉄アルミ(FeAl)合金を形成するための金属または合金粉、および添加物を混合し粉末を調製する工程と、
100Pa以下の真空中において10MPa以上で前記粉末を加圧しながら通電し、最高温度が1150℃から1350℃となるように制御して焼結する工程とを含む、酸化物セラミックス基複合材料の製造方法。
A method for producing an oxide ceramic matrix composite material according to any one of claims 1 to 6,
A process of preparing powder by mixing alumina (Al 2 O 3 ) powder, metal or alloy powder for forming an iron aluminum (FeAl) alloy, and additives;
A method for producing an oxide ceramic matrix composite material, comprising: energizing the powder while pressing it at a pressure of 10 MPa or higher in a vacuum of 100 Pa or lower, and controlling and sintering so that the maximum temperature is 1150 ° C. to 1350 ° C. .
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