JP2779454B2

JP2779454B2 - 酸化アルミニウム質焼結体

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Publication number: JP2779454B2
Application number: JP2019866A
Authority: JP
Inventors: 桂林; 勝伺坂上
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1990-01-30
Filing date: 1990-01-30
Publication date: 1998-07-23
Anticipated expiration: 2013-07-23
Also published as: JPH03228868A

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
構造材料用セラミツクス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）酸化アルミニウム（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。また、Al₂O₃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。

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、現在の材料では特に
靭性面が不十分である。

一方、Al₂O₃に耐摩耗性や高温特性の改善を求める要
求もあり、この要求に対しては、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を添加した系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、強度や靭性が低くその応用分野が限ら
れている。

例えば、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至っ
ていない。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。

また、硼化アルミニウムはその他の硼化物と同様に高
い硬度を有している事は知られていたが、その物理的特
性については不明な部分も多い材料であった。

（問題点を解決するための手段）本発明者らはこの問題に対し種々検討を重ねた結果、
製法上、例えばAl₂O₃とAlB₁₂粉末を混合し特定条件で焼
成を行い、Al₂O₃を主相とし、この副相中にB₇Oの結晶を
生成させることで焼結体の特性を向上させる事ができる
事を見出した。

即ち、本発明は酸化アルミニウムを主相とし、少なく
とも硼素と酸素を含有する副相から構成される酸化アル
ミニウム質焼結体であり、該焼結体全量中アルミニウム
が10〜50％、硼素が1.5〜67の割合で存在する酸化アル
ミニウム質焼結体であってB₇Oの構造を有する粒子を含
有してなる焼結体を得るもので、特に上記構成におい
て、酸化アルミニウムの一部を針状の結晶粒子から構成
す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。

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は、酸化アルミニ
ウムを主相とし、他の副相成分として少なくともアルミ
ニウム、硼素、酸素を含有するもので、焼結体中にアル
ミニウムを10〜50重量％、特に20〜40重量％、硼素が1.
5〜67重量％、特に10〜45重量％の割合で存在する。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。

本発明における大きな特徴は前述の組成からなる焼結
体中にB₇Oで表される結晶が存在する点にある。また、
焼結体としての特性上、B₇Oの最適な割合について検討
したところ、B₇O4が全量中２〜45体積％、特に５〜35体
積％、の割合で存在する焼結体が優れた特性を示し、２
体積％未満ではB₇Oの存在による高靭化の効果がなく、4
5体積％を越えると焼結体の破壊靭性値が低下する。

また、本発明によれば、主相である酸化アルミニウム
の一部を針状の結晶粒子から構成することによりさらに
高靭性化を図ることができる。具体的には、焼結体中の
アスペクト比1.5以上の酸化アルミニウム結晶粒子を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。

本発明の酸化アルミニウム質焼結体を製造するための
方法は、具体的には次に詳述する原料の調製、成形、焼
成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。なお、本製法によれば、硼化アルミニウムに含
まれる硼素と酸素との反応によるものであることから、
B₇Oを生成させるためには、硼化アルミニウム原料粉末
中に少なくとも0.5％望ましくは３％以上の酸素を含有
させる事が必要である。この酸素は、例えば硼化アルミ
ニウム粉末の表面に酸化膜として存在する。また、場合
によりB₂O₃を別途添加して酸素量を調整してもよい。

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、いずれも平均粒径３μｍ
以下、特に１μｍ以下の微細な粒子を用いるのが望まし
い。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
態の物質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２μ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30
のものが好適に用いられる。

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、
所謂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物質は、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、系の焼結性を上げるために焼
結助剤としてMg、Ca、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、及び周期律
表第III a族元素のうち少なくとも１種を酸化物として
換算した含有量で0.1乃至８重量％の割合で含有させる
こともできる。なお、周期律表第III a族元素としては
特にYb、Nd、Er、Ce、Sm、Ｙ、Gd、DyおよびLaが挙げら
れる。

（成形）硼化アルミニウム、酸化アルミニウム、場合により適
宜焼結助剤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
の一部または全部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が生成される
と同時に、硼素と酸素との反応によりB₇Oが生成され
る。一方、酸化アルミニウムは一部粒成長を伴いながら
そのままの状態で残存する。

（作用）本発明の上記構成により、高強度、高靭性かつ高硬度
が発揮される理由としては以下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。この活性なア
ルミニウムと硼素により粒子間の結合力の向上が図られ
る。

B₇O粒子による分散強化本発明の酸化アルミニウム質焼結体の電子顕微鏡写真
を示す第１図からも明らかなようにもB₇Oは主相であるA
l₂O₃内部に取り込まれた構造を有しいることから、従来
からのSiC粒子分散強化と同様に、Al₂O₃の粒界がB₇Oの
粒子により締めつけられ、その結果として破壊靭性値が
向上するものと推定される。

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、針状結晶が入り込んだ組織を持
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
ルミニウム金属粉末（粒径200メッシュ以下）と、硼酸
アルミニウム粉末（平均粒径0.5μｍ、酸素量５重量
％）と、針状酸化アルミニウム粉末（平均粒径0.7μ
ｍ、平均アスペクト比15）と、針状硼酸アルミニウム
（平均粒径0.7μｍ、平均アスペクト比20）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分析によりAl、Ｂ量を定量
し、電子顕微鏡写真からアスペクト比が1.5以上の酸化
アルミニウムの量を面分析により求めた。

なお、第１表中、試料No.11の試料の結晶構造を示す
電子顕微鏡写真を第１図に、また試料No.28のＸ線回折
曲線を第２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、またB₇Oの生成は
なく、特性上にも強度、靭性、硬度ともに低いもので、
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、B₇は生成されない。また、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結晶構
造を示す電子顕微鏡写真であり、第２図は本発明の酸化
アルミニウム質焼結体のＸ線回折曲線である。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】酸化アルミニウムを主相とし、少なくとも
硼素と酸素を含有する副相から構成され、全量中アルミ
ニウムが10乃至50重量％、硼素が1.5乃至67重量％の割
合で存在し、且つB₇Oで表される結晶相を含有すること
を特徴とする酸化アルミニウム質焼結体。
【請求項２】前記酸化アルミニウムの一部が針状の結晶
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。