JP2759290B2

JP2759290B2 - 酸化アルミニウム質焼結体の製法

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Publication number: JP2759290B2
Application number: JP1312735A
Authority: JP
Inventors: 桂林; 勝伺坂上
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1989-11-30
Filing date: 1989-11-30
Publication date: 1998-05-28
Anticipated expiration: 2013-05-28
Also published as: JPH03174354A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、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
クス材料は、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）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。

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。

また、硼化アルミニウムは酸化アルミニウムと比較し
て硬度に優れた材料であるが未知の部分が多く、焼結体
として優れた特性を有するものは未だ開発されていな
い。

（問題点を解決するための手段）本発明者等は、上記金属硼化物の中でも硼化アルミニ
ウムの焼結性ならびにその特性改善について検討を進め
た結果、硼化アルミニウムに対し、酸化アルミニウムを
特定の割合で混合するとともに、特定の焼結条件で焼成
することによって高い硬度を維持しつつ、高い靭性を有
する特異的な材料が得られることを知見した。

即ち、本発明の焼結体は、硼化アルミニウム15〜95重
量％と、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生成される酸化アルミニウ
ムに換算して３〜90重量％の割合で添加し、さらに所望
により酸化硼素を０〜20重量％の割合で混合し、これを
成形後、1200〜1900℃の温度で焼成することによって得
られるもので、特に上記構成において、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
質として針状の結晶粒子からなるものを用いることによ
って焼結体中に酸化アルミニウムの針状晶の粒子を存在
させ、これにより焼結体の靭性をさらに向上させること
ができる。

以下、本発明を詳述する。

本発明の酸化アルミニウム質焼結体の製法は、原料の
調製、成形、焼成の三つの工程により構成される。

〔原料の調製〕

出発原料としては硼化アルミニウム粉末及び酸化アル
ミニウム粉末あるいは焼成によって酸化アルミニウムを
生成する化合物粉末を用いる。

硼化アルミニウム粉末は平均粒径200メッシュ以下、
望ましくは３μｍ以下、最適には１μｍ以下の粉末であ
り、一般に化学式AlB₁₂、AlB₂もしくは非化学量論組成
の硼化アルミニウムであってもよく、またこれらの混合
物であってもよい。現在市販されているAlB₁₂は部分的
にAlB₁₀を含んでいるものもあるがその場合も問題は生
じない。

一方、酸化アルミニウム粉末或いは焼成により酸化ア
ルミニウムを生成する物質は、いずも平均粒径３μｍ以
下、特に１μｍ以下の微細な粒子を用いるのが望まし
い。なお、焼成により酸化アルミニウムを生成する物質
としては、金属アルミニウム、ほう酸アルミニウムなど
が挙げられ、ほう酸アルミニウムは9Al₂O₃・B₂O₃または
2Al₂O₃・2B₂O₃の化学式で表される。

また、本発明によれば酸化アルミニウムあるいは焼成
により酸化アルミニウムを生成する物質として針状形態
からなるものを用いることにより焼結体の靭性をさらに
高めることができる。具体的には、針状晶酸化アルミニ
ウム、あるいは焼結時の加熱により針状晶酸化アルミニ
ウムを生成する物質として9Al₂O₃・2B₂O₃の化学式を有
する針状晶硼酸アルミニウムが用いられる。なお、これ
らの針状物質は、平均径（短径）が２μｍ以下、特に0.
7乃至0.2μｍであることが好ましく、また長径／短径で
表わされるアスペクト比の平均が３〜100、特に10乃至3
0のものが好適に用いられる。上記平均径を２μｍ以下
に特定したの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、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
あるためである。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いために靭性の向上効果は
なく、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。なお、こ
の場合でもウィスカーの一部を粉砕しながら混合すれば
問題なく使用できる。

上述の各原料粉末は、硼化アルミニウム粉末が15〜95
重量％、好ましくは30〜80重量％、酸化アルミニウム粉
末あるいは焼成により酸化アルミニウムを生成する物質
が酸化アルミニウムに換算して３〜90重量％、好ましく
は20〜70重量％の割合で混合される。また特に高硬度の
材質を得るためには、硼化アルミニウム55〜80重量％、
酸化アルミニウム20〜45重量％が最適であり、特に高靭
性の材質を得るためには、硼化アルミニウム30〜55重量
％、酸化アルミニウム45〜70重量％が最適である。

混合割合を上記の範囲に設定したのは硼化アルミニウ
ムが95重量％を越えると焼結が難しく、また、硼化アル
ミニウムが15重量％を下回ると焼結体の硬度が低下し、
所望の特性が得られないからである。酸化アルミニウム
が３重量％を下回ると強靭化の効果がなく、90重量％を
越えると硬度が低下する。

また、高靭性化を目的に酸化アルミニウム粉末の代わ
りに添加される針状粒子は、酸化アルミニウム全量に対
し、10重量％以上の割合で置換することが望ましい。

また、本発明によれば、焼結性を改善する目的で上記
の混合物に酸化硼素を20重量％以下の割合で添加するこ
ともできる。この酸化硼素はその量が20重量％を越える
と焼結体の硬度および靭性が低下するため好ましくな
い。また、この酸化硼素は、硼化アルミニウム粉末表面
の酸化膜から生成されたものであってもよく、硼化アル
ミニウムの一部を酸化させてもよい。

〔成形〕

硼化アルミニウム、酸化アルミニウム、所望により酸
化硼素を上記の割合で混合後、衆知の成形手段で所望の
形状に成形できる。成形手段は、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
が用いられる。成形性を向上させるため公知のバインダ
ーや分散剤を用いてもよい。これらの成形体を所望によ
り真空中もしくは窒素ガスもしくはアルゴンガス等の不
活性ガス中で脱脂したのち焼成を行う。

〔焼成〕

焼成は1200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
い。焼成手段としては、常圧焼成、ホットプレス法およ
び熱間静水圧焼成法（HIP法）等が適用され、特に高密
度の焼結体を得るために、普通焼成、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
熱間静水圧焼成すればよい。

上記の焼成によれば、原料中の硼化アルミニウムはそ
の殆どがアルミニウムと硼素に分離するとともに系中の
酸素と反応し酸化アルミニウムと、アルミニウム、酸
素、硼素からなるガラス状物質を生成する。これに対
し、酸化アルミニウムはそのままの状態で残存し焼結さ
れる。一方、酸化アルミニウムの代わりに硼素アルミニ
ウムを用いた場合は、1400℃付近で酸化アルミニウムと
酸化硼素とに分離し、それぞれを添加した場合と同様な
効果をもたらす。他方、アルミニウム金属を用いた場合
は、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それぞれを
添加した場合と同様な効果をもたらす。

上記の焼成過程において各化合物の分離、反応によっ
て生成した酸化硼素は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、酸化硼素が焼結体中に多く含有される
と硬度や強度が低下するので、含有量は20重量％以下、
望ましくは10重量％以下にするのがよい。

〔焼結体特性〕

上記の製造方法によって得られる焼結体は、酸化アル
ミニウムを主相とし、その粒界に副相として酸化硼素或
いは硼酸アルミニウムまたはアルミニウム、硼素、酸素
からなるガラス状物質などが生成される。本発明によれ
ば、焼結体としての特性上、各元素を最適な割合につい
て検討したところ、アルミニウムが全量中10〜50重量
％、特に20〜40重量％、硼素が1.5〜67重量％、特に20
〜40重量％の割合で存在する焼結体が優れた特性を示し
た。

即ち、アルミニウムの量が10重量％を下回ると、硬度
及び靭性が低下し、構造材料として使用できなくなり、
50重量％を越えると硬度が低下し切削工具や耐摩耗材料
として使用した場合に摩耗性が低下する。硼素の量が1.
5重量％を下回ると硬度が通常の酸化アルミニウム焼結
体と同程度となり硼素の添加の効果がなく、67重量％を
越えると靭性が低下する。

本発明によれば、原料として前記針状物質を用い、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
粒子が焼結体中に５体積％以上、特に20体積％以上の割
合で存在させることによりさらに高靭性化を図ることが
できる。

（作用）上述した本発明の焼結体が高強度、高靭性かつ高硬度
を有する理由についてはおよそ次の２つの要因が考えら
れる。

粒子結合力の向上焼結時、硼化アルミニウムの一部または全部が分解し
活性なアルミニウムと硼素が生成される。このアルミニ
ウムと硼素により強固に結合された新たな粒子が形成さ
れ粒子結合力の向上が図られる。

粒子形状の複雑化従来のアルミナでは結晶粒子は球形に近いものが多
く、破壊はそれらの粒界から起こっていた。本発明の材
料ではに記述した分解生成反応を伴って焼結されるた
め粒子形状は複雑に入り組んだ形状となっている。この
ため新たなクラックの進展が阻止されその結果破壊靭性
が向上する。なお、針状のアルミナもしくは分解により
針状のアルミナを生成する物質を添加すると粒子形状の
複雑化は更に促進され、針状結晶が入り組んだ組織を持
つようになるため靭性は更に向上する。

以下、本発明を次の例で説明する。

（実施例１）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）と、AlB₁₂粉末（粒径200メッシ
ュ以下）と、AlB₂粉末（粒径200メッシュ以下）と、ア
ルミニウム金属（粒径200メッシュ以下）と、硼酸アル
ミニウム（平均粒径0.5μｍ）と、針状酸化アルミニウ
ム（平均粒径0.7μｍ、平均アスペクト比15）と、硼酸
アルミニウム（平均粒径0.7μｍ、平均アスペクト比2
0）および酸化硼素（粒径200メッシュ以下）を用いて第
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JIS1601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K1
cを、さらにビッカース硬度を測定した。

また、焼結体に対しICP分析を行い、Al、Ｂの量を定
量し、電子顕微鏡写真から酸化アルミニウム粒子の中で
アスペクト比が1.5以上の粒子の含有率を求めた。

なお、第１表中、No.13の試料の組織構造を示す電子
顕微鏡写真を第１図に示した。

結果は第１表に示す。

第１表によれば、硼化アルミニウムのみからなる試料
No.1、16はいずれも焼結性に乏しく、特性上にも強度、
靭性、硬度ともに低いものであった。また、この系に単
に酸化硼素を添加した試料No.3でも特性は改善されな
い。硼化アルミニウムに酸化アルミニウムを添加した系
において、硼化アルミニウムの量が15重量％を下回る試
料No.9、15、21はいずれも焼結体中の硼素量が少なくな
るとともに粒成長が大きく、特性の向上は認められな
い。

これらの比較例に対し、本発明の試料は硼化アルミニ
ウム単体に特性に比較しても優れた特性が得られ、抗折
強度50Kg/mm²以上、靭性4.0MPa・ｍ^1/2以上、ビッカー
ス硬度1700kg/mm²以上が達成された。なお、針状粒子を
含む焼結体ではさらに特性の改善がなされることが理解
される。

（発明の効果）以上詳述した通り、本発明によれば硼化アルミニウム
と酸化アルミニウムとを複合させることにより、優れた
硬度を維持しつつ、焼結体の靭性を大きく向上させるこ
とができる。

これにより、工具材料をはじめとする各種産業機械部
品用材料としての応用範囲をさらに拡大することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の酸化アルミニウム質焼結体の組織構
造を示す電子顕微鏡写真である。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】硼化アルミニウム15〜95重量％と、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、生成される酸化アルミニウムに換算して
５〜85重量％および酸化硼素０〜20重量％からなる混合
物を成形後、1200〜1900℃の温度で焼成することを特徴
とする酸化アルミニウム質焼結体の製法。
【請求項２】前記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の全部または一部が
針状の結晶粒子からなる特許請求の範囲第１項記載の酸
化アルミニウム質焼結体の製法。