JP2997334B2 - 繊維強化セラミックス - Google Patents
繊維強化セラミックスInfo
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- JP2997334B2 JP2997334B2 JP3123862A JP12386291A JP2997334B2 JP 2997334 B2 JP2997334 B2 JP 2997334B2 JP 3123862 A JP3123862 A JP 3123862A JP 12386291 A JP12386291 A JP 12386291A JP 2997334 B2 JP2997334 B2 JP 2997334B2
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ウイスカ−等の繊維状
物質を含有する繊維強化セラミックスに関し、より詳細
には高靱性に優れ、耐摩耗性材料及び工具材料に適した
セラミックスに関する。
物質を含有する繊維強化セラミックスに関し、より詳細
には高靱性に優れ、耐摩耗性材料及び工具材料に適した
セラミックスに関する。
【0002】
【従来技術】アルミナ(Al2O3 )質焼結体は、耐摩耗
性に優れた材料として各種の産業機械用部品に応用され
ている反面、靱性に劣るという欠点を有するために切削
工具用分野における利用拡大があまり進んでいなかっ
た。そこで従来から靱性を改善するために各種の改良が
提案されている。その1つの例に、炭化珪素(SiC)
ウイスカーに代表される繊維状物質を配合することによ
り靱性を改善することが特開昭61−286271号や
特開昭62−41776号公報等にて提案されている。
性に優れた材料として各種の産業機械用部品に応用され
ている反面、靱性に劣るという欠点を有するために切削
工具用分野における利用拡大があまり進んでいなかっ
た。そこで従来から靱性を改善するために各種の改良が
提案されている。その1つの例に、炭化珪素(SiC)
ウイスカーに代表される繊維状物質を配合することによ
り靱性を改善することが特開昭61−286271号や
特開昭62−41776号公報等にて提案されている。
【0003】このようなSiCウイスカーを含有する繊
維強化セラミックスはSiC自体の硬度が高く、熱伝導
性がよいために、切削工具として用いた場合、一部の超
耐熱合金の切削(インコネル718の荒切削)では優れ
た性能を示している。
維強化セラミックスはSiC自体の硬度が高く、熱伝導
性がよいために、切削工具として用いた場合、一部の超
耐熱合金の切削(インコネル718の荒切削)では優れ
た性能を示している。
【0004】
【発明が解決しようとする問題点】しかしながら、Si
Cは鉄、特に酸化鉄と容易に反応しやすい性質を有する
ために、Al2O3 −SiCウイスカー系工具は多くの場
合、他のAl2O3 を主体とする工具に比較して摩耗量が
多くなる傾向にある。例えば、SUS304を切削した
場合、従来のAl2O3 系工具であれば、十分切削可能な
条件であってもSiCウイスカーを含有する工具では急
激に摩耗が進展し切削が不可能になる虞がある。また、
鋳鉄の切削においてもAl2O3 系工具よりも摩耗量が大
きいことが確認されている。
Cは鉄、特に酸化鉄と容易に反応しやすい性質を有する
ために、Al2O3 −SiCウイスカー系工具は多くの場
合、他のAl2O3 を主体とする工具に比較して摩耗量が
多くなる傾向にある。例えば、SUS304を切削した
場合、従来のAl2O3 系工具であれば、十分切削可能な
条件であってもSiCウイスカーを含有する工具では急
激に摩耗が進展し切削が不可能になる虞がある。また、
鋳鉄の切削においてもAl2O3 系工具よりも摩耗量が大
きいことが確認されている。
【0005】このように、Al2O3 −SiCウイスカー
系工具では被削材によってその切削性能が大きく変化す
るという問題があった。
系工具では被削材によってその切削性能が大きく変化す
るという問題があった。
【0006】ところが、最近に至りこのような被削材と
の反応性を防止することを目的として、SiCウイスカ
ーに代わり、SiCよりも鉄との反応性が低い炭化チタ
ン(TiC)の繊維状物質(ウイスカー)を添加するこ
とが提案されているが、セラミックスの抗折強度,靱
性,硬度等の特性の点から未だ十分に検討されておら
ず、実用的なレベルに達していないのが現状であった。
の反応性を防止することを目的として、SiCウイスカ
ーに代わり、SiCよりも鉄との反応性が低い炭化チタ
ン(TiC)の繊維状物質(ウイスカー)を添加するこ
とが提案されているが、セラミックスの抗折強度,靱
性,硬度等の特性の点から未だ十分に検討されておら
ず、実用的なレベルに達していないのが現状であった。
【0007】
【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、靱性強化材料として炭化チ
タンウイスカー,窒化チタンウイスカー,炭窒化チタン
ウイスカー(以下、チタン系ウイスカーという)から選
ばれる少なくとも一種をアルミナに添加するに際し、ア
ルミナを主成分とするマトリックス中に硼素含有金属化
合物を添加することにより、高い靱性及び硬度等を有す
る良好な繊維強化セラミックスが得られることを知見し
た。
点に対し検討を重ねた結果、靱性強化材料として炭化チ
タンウイスカー,窒化チタンウイスカー,炭窒化チタン
ウイスカー(以下、チタン系ウイスカーという)から選
ばれる少なくとも一種をアルミナに添加するに際し、ア
ルミナを主成分とするマトリックス中に硼素含有金属化
合物を添加することにより、高い靱性及び硬度等を有す
る良好な繊維強化セラミックスが得られることを知見し
た。
【0008】即ち、本発明の繊維強化セラミックスは、
アルミナ(Al2 O3 )を主成分とし、周期律表第4
a、5a、6a族金属、Al、Laから選ばれる少なく
とも1種の元素を含有する硼素含有金属化合物を0.0
2〜40重量%、MgO、CaO、SiO2 及び周期律
表第3a族元素酸化物から選ばれる少なくとも1種を合
計で0.02〜8重量%の割合で含有するマトリックス
中に、炭化チタン(TiC)ウイスカー、窒化チタン
(TiN)ウイスカー、炭窒化チタン(TiCN)ウイ
スカーから選ばれる少なくとも1種を全量中5〜60体
積%の割合で添加したことを特徴とするものである。
アルミナ(Al2 O3 )を主成分とし、周期律表第4
a、5a、6a族金属、Al、Laから選ばれる少なく
とも1種の元素を含有する硼素含有金属化合物を0.0
2〜40重量%、MgO、CaO、SiO2 及び周期律
表第3a族元素酸化物から選ばれる少なくとも1種を合
計で0.02〜8重量%の割合で含有するマトリックス
中に、炭化チタン(TiC)ウイスカー、窒化チタン
(TiN)ウイスカー、炭窒化チタン(TiCN)ウイ
スカーから選ばれる少なくとも1種を全量中5〜60体
積%の割合で添加したことを特徴とするものである。
【0009】本発明の繊維強化セラミックスは、Al2
O3 を主体とするマトリックス成分と、チタン系ウイス
カー成分とから構成されるが、本発明によれば、前期マ
トリックス中の周期律表第4a、5a、6a族金属、A
l、Laから選ばれる少なくとも1種の元素を含有する
硼素含有金属化合物を0.02〜40重量%、特に0.
5〜10重量%の割合で含有する。かかる硼素含有金属
化合物としては、ZrB2 、TiB2 、TaB、WB、
NbB2 などの周期律表第4a、5a、6a族金属や、
AlB12などのAlの硼化物や、LaB6 や、Al18B
4 O33ウイスカー等のようにアルミニウム、硼素、酸素
を含有する硼酸類が用いられる。これらの中でも焼結性
及び靱性向上の点からAlB12、ZrB2 、TiB2 、
WB、NbB2 、Al18B4 O33が望ましい。
O3 を主体とするマトリックス成分と、チタン系ウイス
カー成分とから構成されるが、本発明によれば、前期マ
トリックス中の周期律表第4a、5a、6a族金属、A
l、Laから選ばれる少なくとも1種の元素を含有する
硼素含有金属化合物を0.02〜40重量%、特に0.
5〜10重量%の割合で含有する。かかる硼素含有金属
化合物としては、ZrB2 、TiB2 、TaB、WB、
NbB2 などの周期律表第4a、5a、6a族金属や、
AlB12などのAlの硼化物や、LaB6 や、Al18B
4 O33ウイスカー等のようにアルミニウム、硼素、酸素
を含有する硼酸類が用いられる。これらの中でも焼結性
及び靱性向上の点からAlB12、ZrB2 、TiB2 、
WB、NbB2 、Al18B4 O33が望ましい。
【0010】特に、アルミニウム,硼素,酸素を含有す
る硼酸類では、それ自体が針状形状からなるもの(以
下、AlBO系針状物質という)が存在するほか、かか
る物質は焼成過程において針状に成長する場合もあるこ
とからチタン系ウィスカーとともに靱性向上に寄与す
る。具体的には、そのアスペクト比1.5以上の針状粒
子から構成されることが望ましい。この針状粒子の配合
によりマトリックス自体の有する耐摩耗性を維持しつつ
焼結体の靱性を大きく改善する。
る硼酸類では、それ自体が針状形状からなるもの(以
下、AlBO系針状物質という)が存在するほか、かか
る物質は焼成過程において針状に成長する場合もあるこ
とからチタン系ウィスカーとともに靱性向上に寄与す
る。具体的には、そのアスペクト比1.5以上の針状粒
子から構成されることが望ましい。この針状粒子の配合
によりマトリックス自体の有する耐摩耗性を維持しつつ
焼結体の靱性を大きく改善する。
【0011】なお、上記硼素含有金属化合物量を前述の
範囲に限定したのは、0.02重量%より少ないと靱性
及び硬度の向上が見られず、40重量%より多いと、焼
結性が低下するからである。
範囲に限定したのは、0.02重量%より少ないと靱性
及び硬度の向上が見られず、40重量%より多いと、焼
結性が低下するからである。
【0012】一方、チタン系ウイスカーの成分は針状の
粒子から構成され、焼結時のAl2 O3 成分の粒成長を
抑制する働きを有するとともに焼結体自体の強度を高め
る効果を有する。このチタン系ウイスカーは5〜60体
積%、特に25〜40体積%の割合で分散含有させる。
ここでチタン系ウイスカーの量を上記の範囲に限定した
のは、その量が5体積%未満では粒成長抑制の効果が少
なく、このため焼結体の強度が低下するからであり、6
0体積%を越えると焼結性が低下するために高密度の焼
結体が得られにくくなるからである。
粒子から構成され、焼結時のAl2 O3 成分の粒成長を
抑制する働きを有するとともに焼結体自体の強度を高め
る効果を有する。このチタン系ウイスカーは5〜60体
積%、特に25〜40体積%の割合で分散含有させる。
ここでチタン系ウイスカーの量を上記の範囲に限定した
のは、その量が5体積%未満では粒成長抑制の効果が少
なく、このため焼結体の強度が低下するからであり、6
0体積%を越えると焼結性が低下するために高密度の焼
結体が得られにくくなるからである。
【0013】また、本発明によれば、上記のAl2 O3
−チタン系ウイスカー系材料における焼結性を改善する
ために焼結助剤を配合することが望ましい。用いる焼結
助剤としては、Al2 O3 の焼結助剤として公知のもの
が用いられ、例えば、MgO,CaO,SrOやSiO
2 の他、周期律表第3a族元素酸化物等が挙げられる。
これらの助剤は全量中0.02乃至8重量%以下、特に
0.5乃至5重量%の割合で用いることが望ましい。焼
結助剤の量を上記のように設定したのは、0.02重量
%未満では焼結性が悪く緻密な材料が得られず、8重量
%を越えると焼結体中にボイドが発生し易くなるととも
に強度が低下するからである。尚、周期律表第3a族元
素としては特にYb,Nd,Er,Ce,Sm,Y,G
d,Dy及びLaが挙げられる。
−チタン系ウイスカー系材料における焼結性を改善する
ために焼結助剤を配合することが望ましい。用いる焼結
助剤としては、Al2 O3 の焼結助剤として公知のもの
が用いられ、例えば、MgO,CaO,SrOやSiO
2 の他、周期律表第3a族元素酸化物等が挙げられる。
これらの助剤は全量中0.02乃至8重量%以下、特に
0.5乃至5重量%の割合で用いることが望ましい。焼
結助剤の量を上記のように設定したのは、0.02重量
%未満では焼結性が悪く緻密な材料が得られず、8重量
%を越えると焼結体中にボイドが発生し易くなるととも
に強度が低下するからである。尚、周期律表第3a族元
素としては特にYb,Nd,Er,Ce,Sm,Y,G
d,Dy及びLaが挙げられる。
【0014】本発明の繊維強化セラミックスの製造に際
しては、アルミナ粉末、硼素含有金属化合物粉末、チタ
ン系ウイスカー、所望により焼結助剤を前述の割合で混
合する。この時、配合されるチタン系ウイスカーは、T
iCウイスカー,TiNウイスカー,TiCNウイスカ
ーから選ばれる少なくとも一種であり、それ自体、単結
晶あるいは多結晶質からなるもので、その平均径が2μ
m 以下、特に0.5〜1.5μm が好ましく、また長径
/短径で表させるアスペクト比の平均が3〜100、特
に10〜50のものが効果的である。平均径が2μm 以
下では焼成時における粒成長が過度にならず、高い抗折
強度を維持できるのに対し、平均径が2μm より大きい
と焼成時の粒成長をコントロールすることが難しくな
り、強度、靱性とも低下し易い。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靱性が低
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靱性が低下する傾向にある。
しては、アルミナ粉末、硼素含有金属化合物粉末、チタ
ン系ウイスカー、所望により焼結助剤を前述の割合で混
合する。この時、配合されるチタン系ウイスカーは、T
iCウイスカー,TiNウイスカー,TiCNウイスカ
ーから選ばれる少なくとも一種であり、それ自体、単結
晶あるいは多結晶質からなるもので、その平均径が2μ
m 以下、特に0.5〜1.5μm が好ましく、また長径
/短径で表させるアスペクト比の平均が3〜100、特
に10〜50のものが効果的である。平均径が2μm 以
下では焼成時における粒成長が過度にならず、高い抗折
強度を維持できるのに対し、平均径が2μm より大きい
と焼成時の粒成長をコントロールすることが難しくな
り、強度、靱性とも低下し易い。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靱性が低
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靱性が低下する傾向にある。
【0015】なお、AlB12,ZrB2 ,TiB2 ,T
aB,WB,NbB2 ,LaB6 などの金属硼化物やA
l18B4 O33ウィスカー等を含有する場合には、粒成長
抑制効果を大きくするためには平均径2μm以下がよ
く、特に0.2乃至1.0μmが好ましく、これらの原
料がウィスカーである場合にはアスペクト比3乃至10
0、特に10乃至50のものが用いられる。硼素含有物
質としてAlBO系針状晶を用いることにより、前述の
AlBO系針状晶とチタン系ウイスカーの相乗効果によ
りAlBO系針状物質が少量の場合でも焼結体の靱性が
向上する。
aB,WB,NbB2 ,LaB6 などの金属硼化物やA
l18B4 O33ウィスカー等を含有する場合には、粒成長
抑制効果を大きくするためには平均径2μm以下がよ
く、特に0.2乃至1.0μmが好ましく、これらの原
料がウィスカーである場合にはアスペクト比3乃至10
0、特に10乃至50のものが用いられる。硼素含有物
質としてAlBO系針状晶を用いることにより、前述の
AlBO系針状晶とチタン系ウイスカーの相乗効果によ
りAlBO系針状物質が少量の場合でも焼結体の靱性が
向上する。
【0016】上記の各原料の混合物は、所望の成形手
段、例えば金型プレス,冷間静水圧プレス,押出し成形
等により任意の形状に成形後、焼成する。
段、例えば金型プレス,冷間静水圧プレス,押出し成形
等により任意の形状に成形後、焼成する。
【0017】焼成は、普通焼成法,ホットプレス法およ
び熱間静水圧焼成法等が適用される。焼成は1700乃
至2000℃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において、加圧も
しくは減圧雰囲気で0.5乃至6.0時間行えば良い。
特に高密度の焼結体を得るためには、普通焼成またはホ
ットプレス法によって相対密度96%以上の焼結体を作
成し、さらに500気圧以上の高圧力下で熱間静水圧焼
成すれば良い。
び熱間静水圧焼成法等が適用される。焼成は1700乃
至2000℃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において、加圧も
しくは減圧雰囲気で0.5乃至6.0時間行えば良い。
特に高密度の焼結体を得るためには、普通焼成またはホ
ットプレス法によって相対密度96%以上の焼結体を作
成し、さらに500気圧以上の高圧力下で熱間静水圧焼
成すれば良い。
【0018】
【実施例】平均粒径1μm 以下、純度99.9%以上の
Al2 O3 粉末並びに表1および2の各種の金属化合物
を所定量秤量後、アトリッションミルで12時間混合粉
砕した。この混合粉末に平均粒径0.8μm 、アスペク
ト比30〜50のチタン系ウイスカーを表1,2に示す
量で添加し、ナイロンポット中にナイロンボールととも
に密封し回転ミルで12時間混合を行った。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。尚、硼素
含有金属化合物としてアスペクト比30〜50の針状硼
酸アルミニウムを用いた試料もある。
Al2 O3 粉末並びに表1および2の各種の金属化合物
を所定量秤量後、アトリッションミルで12時間混合粉
砕した。この混合粉末に平均粒径0.8μm 、アスペク
ト比30〜50のチタン系ウイスカーを表1,2に示す
量で添加し、ナイロンポット中にナイロンボールととも
に密封し回転ミルで12時間混合を行った。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。尚、硼素
含有金属化合物としてアスペクト比30〜50の針状硼
酸アルミニウムを用いた試料もある。
【0019】この原料をカーボン型に充填し、表1およ
び表2に示す条件で1時間、300〜500kg/mm
2 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。
び表2に示す条件で1時間、300〜500kg/mm
2 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。
【0020】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、またビッカース硬度、鏡
面状態にポリッシングしてIF法で靱性K1cを測定し
た。各結果を表3,4に示した。
に基づく3点曲げ抗折強度を、またビッカース硬度、鏡
面状態にポリッシングしてIF法で靱性K1cを測定し
た。各結果を表3,4に示した。
【0021】
【表1】
【0022】
【表2】
【0023】
【表3】
【0024】
【表4】
【0025】表1〜4によれば、硼素含有金属化合物を
添加しなかった場合(試料No. 10)には、抗折強度お
よび靱性の向上がみられず、硼素含有金属化合物が40
重量%より多い場合(試料No. 15)には、ビッカース
硬度,靱性,抗折強度が低下し、焼結性が低下すること
がわかる。
添加しなかった場合(試料No. 10)には、抗折強度お
よび靱性の向上がみられず、硼素含有金属化合物が40
重量%より多い場合(試料No. 15)には、ビッカース
硬度,靱性,抗折強度が低下し、焼結性が低下すること
がわかる。
【0026】また、チタン系ウイスカーが5体積%未満
の場合(試料No. 1)には抗折強度が低下し、60体積
%より多い場合(試料No. 7)には、焼結性が低下し、
ボイドが多数発生していることがわかる。
の場合(試料No. 1)には抗折強度が低下し、60体積
%より多い場合(試料No. 7)には、焼結性が低下し、
ボイドが多数発生していることがわかる。
【0027】さらに、助剤が0.02重量%未満の場合
(試料No. 31)や8重量%より多い場合(試料No. 3
7)には強度,靱性,硬度が低下していることがわか
る。
(試料No. 31)や8重量%より多い場合(試料No. 3
7)には強度,靱性,硬度が低下していることがわか
る。
【0028】一方、本発明の範囲内にある焼結体は、範
囲外の焼結体よりも硬度,靱性,抗折強度が優れた特性
を有していることがわかる。
囲外の焼結体よりも硬度,靱性,抗折強度が優れた特性
を有していることがわかる。
【0029】
【発明の効果】以上詳述した通り、本発明によれば、チ
タン系ウイスカーからなる繊維状物質を含有するアルミ
ナを主体とするマトリックス中に硼素含有化合物を添加
することにより、高硬度,高靱性及び高強度化を図るこ
とができ、これにより耐摩材料、工具材料をはじめ、そ
の他の大型形状の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。
タン系ウイスカーからなる繊維状物質を含有するアルミ
ナを主体とするマトリックス中に硼素含有化合物を添加
することにより、高硬度,高靱性及び高強度化を図るこ
とができ、これにより耐摩材料、工具材料をはじめ、そ
の他の大型形状の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。
Claims (1)
- 【請求項1】アルミナ(Al2 O3 )を主成分とし、周
期律表第4a、5a、6a族金属、Al、Laから選ば
れる少なくとも1種の元素を含有する硼素含有金属化合
物を0.02〜40重量%、MgO、CaO、SiO2
及び周期律表第3a族元素酸化物から選ばれる少なくと
も1種を合計で0.02〜8重量%の割合で含有するマ
トリックス中に、炭化チタン(TiC)ウイスカー、窒
化チタン(TiN)ウイスカー、炭窒化チタン(TiC
N)ウイスカーから選ばれる少なくとも1種を全量中5
〜60体積%の割合で添加したことを特徴とする繊維強
化セラミックス。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3123862A JP2997334B2 (ja) | 1991-05-28 | 1991-05-28 | 繊維強化セラミックス |
| EP91112447A EP0468486B1 (en) | 1990-07-25 | 1991-07-24 | A ceramic material, reinforced by the incorporation of alumina fibers and process for production thereof |
| DE69108472T DE69108472T2 (de) | 1990-07-25 | 1991-07-24 | Keramischer Werkstoff, verstärkt durch Aluminiumoxid-Fibers und Verfahren zu seiner Herstellung. |
| US07/735,371 US5360772A (en) | 1990-07-25 | 1991-07-24 | Ceramic material reinforced by the incorporation of TiC, TiCN and TiN whiskers and processes for production thereof |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3123862A JP2997334B2 (ja) | 1991-05-28 | 1991-05-28 | 繊維強化セラミックス |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04349165A JPH04349165A (ja) | 1992-12-03 |
| JP2997334B2 true JP2997334B2 (ja) | 2000-01-11 |
Family
ID=14871229
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3123862A Expired - Fee Related JP2997334B2 (ja) | 1990-07-25 | 1991-05-28 | 繊維強化セラミックス |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2997334B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113651628B (zh) * | 2021-06-23 | 2023-06-02 | 重庆科技学院 | 采用热压与热等静压制备硼酸铝晶须增强非金属基复合材料的方法 |
-
1991
- 1991-05-28 JP JP3123862A patent/JP2997334B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04349165A (ja) | 1992-12-03 |
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