JP3076682B2 - アルミナ系焼結体及びその製造方法 - Google Patents

アルミナ系焼結体及びその製造方法

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JP3076682B2 JP04256391A JP25639192A JP3076682B2 JP 3076682 B2 JP3076682 B2 JP 3076682B2 JP 04256391 A JP04256391 A JP 04256391A JP 25639192 A JP25639192 A JP 25639192A JP 3076682 B2 JP3076682 B2 JP 3076682B2
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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、アルミナを主成分と
し、他に酸化ジルコニウム及び/又は酸化ハフニウム、
ケイ酸ジルコニウムならびにムライトを含むアルミナ系
焼結体及びその製造方法に関する。該アルミナ系焼結体
は、たとえば切削工具、また耐摩耗性及び耐食性の必要
な工具に適し、とくに鋳鉄及び鋼の高速切削用工具とし
て最適である。
【0002】
【従来の技術】アルミナは、耐熱性、耐摩耗性、耐薬品
性などの優れた特性を有しているが、強度及び靭性に劣
るという問題がある。この問題を解決するため、アルミ
ナに各種の他物質を添加したアルミナ系焼結体が多数提
案されている。アルミナ系焼結体のうち、アルミナ、酸
化ジルコニウム、ケイ酸ジルコニウム及びムライトを含
む焼結体としては、次のようなものが提案されている。
【0003】たとえば特開昭61−247659号公報
には、ムライトとして存在するSiO2 2.5〜8.5
重量%、ZrO2 3.0〜8.0重量%、及び残部がα
−Al23 からなる焼結体が記載されている。このア
ルミナ系焼結体は、耐摩耗性を改善し、信頼性及び安定
性を高めることにより、従来のAl23 −MgO系焼
結体及びAl23 −SiO2 系焼結体の問題点を解決
したものであるが、切削工具のような苛酷な条件で用い
る場合は、強度、靭性及び耐熱衝撃性が満足できるもの
ではなく、耐欠損性に問題があり、寿命が短い。
【0004】また、特開昭62−12662号公報に
は、安定化剤を含む部分安定化酸化ジルコニウムに、
0.5〜60内部重量%の範囲でムライト又はアルミナ
及びムライトを含む焼結体が記載されている。この焼結
体は、体積変化が大きいという酸化ジルコニウムの欠点
を抑制し、強度及び靭性を高めたものであるが、耐熱衝
撃性及び高温における耐摩耗性の低下が著しいので、高
速切削用工具のような用途には適さない。
【0005】さらに、特開昭61−26558号公報に
は、ケイ酸ジルコニウム粉末を5〜25重量%配合した
アルミナ系セラミックス焼結原料粉末混合物を、成形
し、焼結した、耐熱衝撃性に優れたアルミナ系セラミッ
クスの製造方法が記載されている。この焼結体は、従来
のアルミナ系セラミックスの欠点である耐熱衝撃性を改
善したものであるが、強度、靭性の改善がなされておら
ず、切削工具のような過酷な条件の用途では、使用に耐
えない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上述
のアルミナ系焼結体に存在する問題点を解決して、アル
ミナの長所である耐熱性、耐摩耗性及び耐薬品性を最大
限に発揮するとともに、その短所である強度と靭性を補
い、高温における耐摩耗性及び耐欠損性、ならびに耐熱
衝撃性及び耐塑性変形性に優れ、とくに工具用に適する
アルミナ系焼結体を提供することである。
【0007】本発明のもうひとつの目的は、このような
アルミナ系焼結体の製造方法を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、アルミナ
の強度及び靭性を高める目的で、アルミナ−酸化ジルコ
ニウム系焼結体について研究を重ねた結果、アルミナに
ケイ酸ジルコニウムを添加した出発原料を用いて、ケイ
酸ジルコニウムの分解及びムライトの生成反応を起こさ
せると緻密な焼結体が得られること、アルミナに二酸化
ケイ素を加えた系でも同様にムライトを形成して緻密な
焼結体が得られること、ならびに得られる焼結体中に存
在するアルミナ、酸化ジルコニウム、ケイ酸ジルコニウ
ム及びムライトの組成比の制御により、高温における焼
結体の特性を顕著に高めることができるという知見を得
て、本発明を完成するに至った。
【0009】すなわち、本発明のアルミナ系焼結体は、
下記成分(1)〜(4)を含むアルミナ系焼結体であ
る。 (1)酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム及びこれらの
相互の固溶体の少なくとも1種を含む強靭化相5〜40
重量%; (2)ケイ酸ジルコニウム1〜30重量%; (3)ムライト1〜20重量%;ならびに (4)アルミナ又はアルミナとスピネルとを含むマトリ
ックス
【0010】本発明の焼結体において、強靭化相は、酸
化ジルコニウム、酸化ハフニウム又は両者相互の固溶体
であり、これらの2種以上が混在してもよい。また、後
述のように安定化剤を含有していてもよい。
【0011】酸化ジルコニウムは、結晶構造的には、正
方晶系、単斜晶系及び立方晶系のいずれでもよく、また
これらの混在した状態でもよい。これらのうち、正方晶
の酸化ジルコニウムは、応力誘起変態によって焼結体の
強度、靭性を高める効果があることから特に好ましく、
さらに単斜晶の酸化ジルコニウムも、マイクロクラック
強化による靭性向上の効果があることから好ましい。
【0012】酸化ハフニウムは、周知のとおり酸化ジル
コニウムと極めて類似した特性を有するものであり、し
たがって酸化ジルコニウムの一部又は全部を酸化ハフニ
ウムで置換してもよい。また、両者の固溶体を形成して
もよい。
【0013】強靭化相には、必要に応じてMgO、Ca
O、Y23 、CeO2 などの安定化剤を含有させるこ
とができる。これは、過度の単斜晶の生成によるマイク
ロクラックの結合に伴う強度低下を防止するものであ
り、焼結体の組成、粒径などにより好ましい安定化剤の
種類及び含有量を選択すればよい。特に、切削工具用焼
結体の場合は、高強度の焼結体が得られるY23 が好
ましい。Y23 の含有量は、強靭化相を形成する酸化
物全体の5モル%以下が好ましい。
【0014】強靭化相の含有量は、安定化剤が存在する
場合は該安定化剤を含めて、焼結体の5〜40重量%の
範囲である。5重量%未満では、所望の強度及び靭性が
得られず、逆に40重量%を越えると耐熱衝撃性の低下
が著しく、また硬度の著しい低下により耐摩耗性が低下
する。
【0015】本発明の焼結体において、ケイ酸ジルコニ
ウムは後述のムライトと同様、高温における強度、耐塑
性変形性及び耐熱衝撃性を向上させる効果があり、特に
耐熱衝撃性を向上させる効果が著しい。これは、ケイ酸
ジルコニウムの熱膨張係数がムライトよりもさらに小さ
いことによる。
【0016】ケイ酸ジルコニウムの含有量は、焼結体の
1〜30重量、好ましくは5〜20重量%である。1重
量%未満では上述の効果が不十分であり、30重量%を
越えると室温における強度の低下が著しくなる。
【0017】本発明の焼結体において、ムライトは、高
温における強度、耐塑性変形性及び耐熱衝撃性を向上さ
せる効果がある。
【0018】ムライトの含有量は、焼結体の1〜20重
量%、好ましくは5〜15重量%である。1重量%未満
では上述の効果が不十分であり、20重量%を越えると
耐摩耗性及び室温における強度の低下が著しいからであ
る。
【0019】本発明の焼結体において、スピネルは、ア
ルミナ粒子の成長を抑制するとともに、焼結性を向上さ
せる作用がある。スピネルの含有量は、焼結体の形状及
び用途により選定すればよく、たとえば、鋼の高速切削
用工具として用いる場合は、耐摩耗性が低下しないよう
に、10重量%以下が好ましい。
【0020】本発明のアルミナ系焼結体は、酸化ジルコ
ニウム及び酸化ハフニウムの少なくとも1種からなる強
靭化相形成粉末、アルミナ又はマグネシアを含有するア
ルミナ、ケイ酸ジルコニウムならびに二酸化ケイ素粉末
を含む出発物質を混合、成形及び加熱焼結した後、圧力
1,000気圧以上、温度1,300℃以上の条件で熱
間静水圧処理を施すことにより製造することができる。
【0021】ムライトは、出発原料としてムライト粉末
を使用してもよいが、二酸化ケイ素粉末やケイ酸ジルコ
ニウム粉末として添加し、焼結中、下記の反応により生
成させることが好ましい。これは、焼結性が向上すると
ともに、二酸化ケイ素粉末を用いたときはアルミナ−ム
ライト粒子間の結合が、またケイ酸ジルコニウム粉末を
用いたときはアルミナ−ムライト−酸化ジルコニウム粒
子間の結合が強固になり、緻密な焼結体を形成して、耐
欠損性がいっそう向上するためである。
【0022】
【化1】
【0023】また、アルミナとともにマトリックスを構
成するスピネルは、焼結中に、下記のようなアルミナと
マグネシアの反応によって生成させることができる。
【0024】
【化2】
【0025】本発明の製造方法において、用いられる酸
化ジルコニウム、酸化ハフニウム、安定化剤、アルミ
ナ、マグネシア、ケイ酸ジルコニウム、ムライト及び二
酸化ケイ素の量は、上記の化学反応によって得られる焼
結体に含有される酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、
安定化剤、ケイ酸ジルコニウム、ムライト及びアルミナ
の量からの計算量でよい。
【0026】本発明の焼結体は、従来の粉末冶金法によ
り製造することができるが、熱間静水圧(HIP)処理
を施すことにより、さらに高強度で信頼性に優れた焼結
体を得ることができる。すなわち、各種の出発原料を所
要量配合し、たとえばボールミルなどにより均一に混
合、粉砕する。上記の原料粉末混合物に、パラフィンな
どの成形助剤を添加し、造粒した後、所定の形状にプレ
ス成形する。ついで、成形体を、たとえば大気圧雰囲気
中、1,350〜1,650℃の温度で焼結することに
より、本発明の焼結体を得ることができる。さらに必要
に応じてHIP処理を施すことができる。HIP処理の
条件としては、雰囲気ガスとしてAr、N2 などの不活
性ガスが使用されるが、酸素を含むガス雰囲気であれば
さらに好ましい。特に、安定化剤としてCeO2 を含有
する場合は、酸素雰囲気によるHIP処理を行うことが
好ましい。ガス圧力としては1,000気圧以上が必要
であり、処理温度は1,300〜1,600℃が好まし
い。1,000気圧未満のガス圧力、又は1,300℃
未満の温度では、HIP処理による強度、信頼性向上の
効果が十分でない。
【0027】
【実施例】出発原料として、平均粒径0.1μm のアル
ミナ粉末、マグネシア粉末、ムライト粉末、平均粒径
0.2μm のケイ酸ジルコニウム粉末、一次粒子径が3
00Åの酸化ジルコニウム粉末、3モル%の酸化イット
リウムを含有する酸化ジルコニウム粉末及び平均粒径
0.8μm の酸化ハフニウム粉末を用いた。これらを表
1の配合組成となるように秤量し、メタノール溶媒、ア
ルミナボールを用い、ボールミルにより48時間混合と
粉砕を行ってスラリーとした。得られたスラリーを乾燥
後、5重量%のパラフィンワックスを添加して造粒し
た。このようにして得られた粒状物を1ton/cm2 の圧力
で金型プレスにより成形し、1,500℃で1時間、大
気中で焼結した。さらに1,500℃で1時間、Arガ
ス1,500気圧の条件でHIP処理を行うことによ
り、本発明による焼結体1〜9及び比較品焼結体1〜4
を得た。
【0028】
【表1】
【0029】このようにして得られた焼結体について、
X線回析による組成分析を行うとともに、室温における
曲げ強さ、及びAr雰囲気中、1,200℃における高
温曲げ強さを測定した。さらに、水中急冷法による熱衝
撃試験を行い、強度低下の起こる臨界温度差△Tcを測
定した。これらの結果は表2に示すとおりであった。
【0030】
【表2】
【0031】さらに、本発明品1〜9及び比較品1〜4
を用いて表3に示す条件(A)及び(B)による乾式連
続旋削試験、及び条件(C)によるフライス切削試験を
行った。その結果を表4に示す。
【0032】
【表3】
【0033】
【表4】
【0034】
【発明の効果】本発明の焼結体は、ムライト及び酸化ジ
ルコニウムを含有した従来のアルミナ系焼結体に比べ
て、曲げ強さ、特に高温における曲げ強さ、水中急冷法
による臨界温度差ならびに切削試験による耐摩耗性及び
耐欠損性が顕著に優れている。
【0035】したがって、本発明の焼結体は、従来のア
ルミナ系焼結体の用途はもちろんのこと、鋼及び鋳鉄の
高速切削用工具をはじめとして、各種の切削工具から、
さらにスリッタ、ボール、スリーブ、ノズル、プランジ
ャ、ハサミ、包丁などの耐摩耗用工具や機械部品にも応
用できる、産業上有用な材料である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山村 博 茨城県つくば市上広岡460−35 (56)参考文献 特開 平4−182352(JP,A) 特開 昭61−247659(JP,A) 特開 昭61−58858(JP,A) 特開 平6−87650(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C04B 35/10

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 下記成分(1)〜(4)を含むことを特
    徴とするアルミナ系焼結体。 (1)酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム及びこれらの
    相互の固溶体の少なくとも1種を含む強靭化相5〜40
    重量%; (2)ケイ酸ジルコニウム1〜30重量%; (3)ムライト1〜20重量%;ならびに (4)アルミナ又はアルミナとスピネルとを含むマトリ
    ックス。
  2. 【請求項2】 強靭化相が、安定化剤として酸化イット
    リウムを含む酸化ジルコニウムである請求項1記載のア
    ルミナ系焼結体。
  3. 【請求項3】 酸化ジルコニウム及び酸化ハフニウムの
    少なくとも1種からなる強靭化相形成粉末、アルミナ又
    はマグネシアを含有するアルミナ、ケイ酸ジルコニウム
    ならびに二酸化ケイ素粉末を含む出発物質を混合、成形
    及び加熱焼結した後、1,000気圧以上、1,300
    ℃以上の条件で熱間静水圧処理を施すことを特徴とする
    請求項1記載のアルミナ系焼結体の製造方法。
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