JP2742620B2

JP2742620B2 - 硼化物―酸化アルミニウム質焼結体およびその製造方法

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Publication number: JP2742620B2
Application number: JP1313949A
Authority: JP
Inventors: 桂林; 勝伺坂上
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1989-12-01
Filing date: 1989-12-01
Publication date: 1998-04-22
Anticipated expiration: 2013-04-22
Also published as: JPH03174366A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、金属元素の硼化物および酸化アルミニウム
を主成分とするセラミックスに関し、より詳細には耐摩
耗性および靭性に優れた、特に製鉄精練関連治工具、非
鉄精練アルミニウム溶湯用治具及び切削工具用として適
したセラミックスに関する。

［従来技術及びその問題点］アルミナ（Al₂O₃）質焼結体をはじめとするセラミッ
ク材料は、従来から金属材料などに比較して耐摩耗性等
の機械的特性に優れていることから金属材料に代わる材
料として各種の構造用部品として使用されている。

しかしながら、最近に至ってはセラミックスに対して
さらに高い特性が要求されており、アルミナ質焼結体に
対しても他のセラミックスと複合化することにより各種
の改善が提案されている。

また、セラミックスの中でも特に耐摩耗性に優れた材
料として、硼化チタンや硼化ジルコニウムなどの硼化物
の研究開発が盛んに行われている。

［発明が解決しようとする問題点］しかしながら、このような硼化物を主体とするセラミ
ックスは高い硬度を有する反面、強度や靭性が低く応用
分野が限られていた。

硼化チタンは硬度が高く、熱伝導性が良いことから切
削工具用材料として有望と考えられていたが、靭性を改
善する方法を見出すことが出来ず実用には到っていな
い。近年になり、靭性改善のため金属と混合して焼結さ
せることも試みられているが、この方法では高温での強
度が極端に低下し金属硼化物の特性を活用することがで
きないという問題があった。

また、硼化ジルコニウムは金属との反応性が低いこと
から金属溶湯用るつぼ等としての応用が期待されている
が、強度が低いことから構造材料としての応用分野は限
られている。

［問題点を解決するための手段］本発明者は上記の問題点に対し検討を重ねた結果、硼
化物の結合剤として酸化アルミニウムと、適宜少量の酸
化硼素を添加すると同時に、添加する酸化アルミニウム
成分を針状粒子とすることにより靭性面での上記欠点を
解消し、室温から高温まで使用可能な高硬度、高強度、
高靭性を有する焼結体を得た。

即ち、本発明の硼化物−酸化アルミニウム質焼結体
は、周期律表第IV a、V a、VI a族金属元素から選ばれ
る少なくとも１種の硼化物30〜95体積％と、酸化アルミ
ニウム５〜70体積％と、前記金属元素、硼素、酸素から
選ばれる少なくとも２種からなる化合物20体積％以下と
からなり、アスペクト比1.5以上の酸化アルミニウムか
らなる針状粒子を全量中、５体積％以上含有することを
特徴とするものである。

また、かかる焼結体の製造方法としては、周期律表第
IV a、V a、VI a族金属元素から選ばれる少なくとも１
種の硼化物30〜95体積％と、一部あるいは全部が針状粒
子からなる酸化アルミニウムあるいは焼成によって酸化
アルミニウムを生成する物質を酸化アルミニウム換算で
５〜70体積％と、酸化硼素20体積％以下とからなる混合
物を成形後、1400〜1900℃の温度で焼成することを特徴
とするものである。

以下、本発明を詳述する。

本発明の焼結体は、周期律表第IV a、V a、VI a族金
属元素から選ばれる少なくとも１種の硼化物及び酸化ア
ルミニウムに少量の酸化硼素を混合し、成形後、焼結さ
せて作成する。

前記金属元素の硼化物粉末は、平均粒径３μｍ以下、
望ましくは１μｍ以下がよい。この硼化物としては具体
的には、TiB₂、ZrB₂、HfB₂、TaB、NbB₂、CrB₂、WB、Mo₂
O₅等が挙げられ、これらは非化学量論組成の金属元素の
硼化物であってもよく、また２種以上の混合物であって
もよい。

一方、酸化アルミニウム粉末は平均粒径３μｍ以下、
望ましくは１μｍ以下がよい。また、酸化アルミニウム
粉末の代わりに、焼成によって酸化アルミニウムを生成
する物質、例えばアルミニウム金属或いは9Al₂O₃・B₂O₃
または2Al₂O₃・2B₂O₃等で表される硼酸アルミニウムを
用いることもできる。

また、上記金属硼化物成分と酸化アルミニウム成分か
らなる主成分に対し、酸化硼素を焼結助剤として添加す
る。この酸化硼素は平均粒径５μｍ以下が望ましい。

これらの粉末は、周期律表第IV a、V a、VI a族金属
元素から選ばれる少なくとも１種の硼化物が30〜95体積
％、特に50〜85体積％、酸化アルミニウムあるいは焼成
のよって酸化アルミニウムを生成する物質を酸化アルミ
ニウムに換算して５〜70体積％、特に15〜50体積％、酸
化硼素が20体積％以下、特に１〜５体積％の割合で混合
される。前記金属硼化物が95体積％を越えるかまたは前
記酸化アルミニウム成分が５体積％未満では焼結が難し
く、逆に前記金属硼化物が30体積％未満かまたは酸化ア
ルミニウム成分が70体積％を越えると得られる焼結体の
硬度が低下し金属硼化物の特性が発揮できなくなるから
である。また、酸化硼素が20体積％を越えると焼結体の
特性を劣化させる。

また、本発明によれば、酸化アルミニウム成分の全部
またはその一部を針状粒子に置き換えることにより、焼
結体の靭性をさらに向上させることができる。用いられ
る針状粒子としては酸化アルミニウムウイスカーや焼結
時の加熱によりアルミナウィスカーを生成する物質、例
えば9Al₂O₃・2B₂O₃の化学式を有する硼酸アルミニウム
ウイスカー等が挙げられる。これらはその平均径（短
径）が２μｍ以下、特に0.2乃至0.7μｍが好ましく、ま
た長径／短径で表わされるアスペクト比の平均が３〜10
0、特に10乃至30のものが好適に用いられる。この針状
粒子は、焼結体においてアスペクト比1.5以上の粒子が
全体に対し５体積％以上、特に20体積％以上になるよう
に配合することが望ましい。

平均径を上記の範囲に限定したのは、２μｍ以下では
焼結時の粒成長が過大にならず、高い抗折強度を維持で
きるからであり、２μｍより大きいと焼結時の結晶粒子
の粒成長が著しく、粒子径のコントロールが難しくな
り、強度が低下し靭性にばらつきが生じ、また切削工具
として用いた際に逃げ面の境界摩耗が大きくなる傾向に
ある。

一方、アスペクト比の平均が３より小さいと繊維強化
の効果が少なく靭性が低下し、100より大きいと原料の
取扱が難しく、均一に分散できないために靭性が低下す
る傾向にあるが、この場合は一部を粉砕しながら混合す
れば問題なく使用できる。

上記の各原料粉末は、前述の範囲で混合した後に衆知
の成形手段、例えばプレス成形、押し出し成形、射出成
形、鋳込み成形、冷間静水圧成形等により所望の形状に
成形した後に焼成する。

焼成手段としては、普通焼成法、ホットプレス法、熱
間静水圧焼成法等が適用され、1400乃至1900℃の温度で
Ar、He等の不活性ガスもしくはカーボン等の存在する還
元性雰囲気およびそれらの加圧もしくは減圧雰囲気で0.
5乃至6.0時間行えばよく、特に高密度の焼結体を得るた
めには、普通焼成法やホットプレス法によって対理論密
度比96％以上の焼結体を作成し、さらに熱間性水圧焼成
すればよい。

上記の焼成によれば、金属硼化物および酸化アルミニ
ウムの殆どはそのまま残存し焼結するが、一部金属硼化
物が分解し、系中の酸素と反応し、前記金属の酸化物や
酸化硼素等が生成される。

一方、酸化アルミニウムに代わりにアルミニウム金属
を用いた場合は、焼結中に系中の酸素もしくは硼素と反
応しAlB₂等の硼化アルミニウムもしくは酸化アルミニウ
ムを生成し、また硼酸アルミニウムを用いた場合は、硼
酸アルミニウムは1400℃付近で酸化アルミニウムと酸化
硼素に分離する。

原料中に添加される酸化硼素は、焼結過程において他
の原料から分離生成した酸化硼素とともに1500℃以上で
は蒸発するが、いずれも焼結助剤としての効果を示し焼
結体の高緻密化を促進する。しかし、酸化硼素は焼結体
中に多く含有されると焼結体の硬度や強度を低下させる
ので、その含有量は20体積％以下、望ましくは５体積％
以下にするのがよい。

上記の製造方法によって得られる焼結体は、酸化アル
ミニウム相、同期律表第IV a、V a、VI a族金属元素の
硼化物からなる相、および焼結過程において生成された
酸化硼素や前記金属酸化物等の前記金属、硼素、酸素か
ら選ばれる少なくとも２種以上からなる化合物相から構
成される。本発明によれば、酸化アルミニウムを５〜70
体積％、特に15〜50体積％、前記金属硼化物を30〜95体
積％、特に50〜85体積％ならびに前記金属、硼素、酸素
から選ばれる少なくとも２種以上からなる化合物相を20
体積％以下、特に１〜５体積％の割合で存在させること
により、優れた特性が得られる。

また、本発明によれば、原料中に酸化アルミニウム成
分として前述した針状物質を用いて焼結体中にAl₂O₃ウ
ィスカー等の針状粒子を分散させた微構造の焼結体を作
成すことにより、更に焼結体の靭性を高めることができ
る。具体的には、焼結体中にアスペクト比1.5以上の酸
化アルミニウム結晶粒子が全体に対し５体積％以上、特
に20体積％以上の割合で存在させることが望ましい。

以下、本発明を次の例で説明する。

［実施例］原料として、酸化アルミニウム粉末（平均粒径１μｍ
以下、純度99.9％以上）、周期律表第IV a、V a、VI a
族金属元素の硼化物（粒径200メッシュ以下）、酸化硼
素（粒径200メッシュ以下）、酸化アルミニウムウイス
カー（平均粒径0.7μｍ、平均アスペクト比15）および
硼酸アルミニウムウイスカー（平均粒径0.7μｍ、平均
アスペクト比20）を用い、第１表に示す割合に秤量後、
回転ミルで12時間混合粉砕した。混合後のスラリーを乾
燥してホットプレス用原料とした。

この原料をカーボン型に充填し、所定の温度で１時
間、300Kg/cm²の圧力でホットプレス焼成して、JISに基
づく抗折試験片を作成した。

得られた各試料を研磨してJISR1601に基づく３点曲げ
抗折強度を、また鏡面状態にポリッシングしてIM法でK
_1Cおよびビッカース硬度を測定した。

さらに、電子顕微鏡写真から酸化アルミニウム粒子中
でアスペクト比1.5以上の粒子の含有率を求めた。

結果は第１表に示す。

第１表によれば、金属硼化物単体からなる試料１、
９、12、19〜23はいずれも焼結性に乏しく、特性上にも
抗折強度が35kg/mm²以下であり、靭性及びビッカース硬
度はボイドのために測定ができなかった。また、酸化硼
素の量が20体積％を越える試料No.8は特性の改善効果は
認められず、さらに酸化アルミニウム成分の量が70体積
％を越える試料No.24は硬度が低く本発明の目的は達成
されない。

また、アルミナ成分として針状粒子の比率が５体積％
に満たない試料No.2、25、26では、いずれも強度、硬度
についてはある程度の特性が得られたが靭性が低いもの
であった。

これに対して、本発明の試料はいずれも優れた特性を
示し、抗折強度55kg/mm²以上、靭性（K₁c）4.5MPa・ｍ
^1/2以上、ビッカース硬度1750以上が達成された。

［発明の効果］以上詳述した通り、本発明によれば周期律表第IV a、
V a、VI a族金属元素の硼化物に対し、酸化アルミニウ
ムおよび酸化硼素を添加することによりその焼結性を改
善し高い硬度、強度、靭性を兼ね備えた複合焼結体を得
ることができる。

この焼結体は、その特性上から製鉄精練関連治工具、
非鉄精練アルミニウム溶湯用治具及び切削工具用として
優れた効果を発揮するが、その他各種産業用部品材料等
への応用も可能である。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】周期律表第IV a、V a、VI a族金属元素か
ら選ばれる少なくとも１種の硼化物30〜95体積％と、酸
化アルミニウム５〜70体積％と、前記金属元素、硼素、
酸素から選ばれる少なくとも１種からなる化合物20体積
％以下とからなり、アスペクト比1.5以上の酸化アルミ
ニウムからなる針状粒子を全量中、５体積％以上含有す
ることを特徴とする硼化物−酸化アルミニウム質焼結
体。
【請求項２】周期律表第IV a、V a、VI a族金属元素か
ら選ばれる少なくとも１種の硼化物30〜95体積％と、一
部あるいは全部が針状粒子からなる酸化アルミニウムあ
るいは焼成によって酸化アルミニウムを生成する物質を
酸化アルミニウム換算で５〜70体積％と、酸化硼素20体
積％以下とからなる混合物を成形後、1400〜1900℃の温
度で焼成することを特徴とする硼化物−酸化アルミニウ
ム質焼結体の製造方法。