JP3409826B2 - Hardened alumina material - Google Patents

Hardened alumina material

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JP3409826B2 JP22985195A JP22985195A JP3409826B2 JP 3409826 B2 JP3409826 B2 JP 3409826B2 JP 22985195 A JP22985195 A JP 22985195A JP 22985195 A JP22985195 A JP 22985195A JP 3409826 B2 JP3409826 B2 JP 3409826B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、酸化アルミニウム
(Al2 3 )を主成分として含むアルミナ質研削材、
アルミナ質セラミック、単結晶酸化アルミニウム(サフ
ァイヤ)などのアルミナ質材料ないしはこれを用いた製
品の硬度を著しく高める技術に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to an alumina-based abrasive containing aluminum oxide (Al 2 O 3 ) as a main component,
The present invention relates to a technique of significantly increasing the hardness of an alumina-based material such as an alumina-based ceramic or single crystal aluminum oxide (sapphire) or a product using the same.

【0002】[0002]

【発明の背景】たとえば、酸化アルミニウム(Al2
3 )の純度の高いアルミナ質研削材として、WA研削材
がある。その硬さは、図1に示されるように、ビッカー
ス硬さが約2000である(図1中、WA#24参
照)。図1は、各種砥粒の硬さを調べた結果を示すグラ
フである。なお、炭化ケイ素系の砥粒であっても、図1
中、GC#30(A社製)、GC#30(B社製)、C
#24(A社製)、C#24(B社製)に示されるよう
に、その硬度は3000前後である。
BACKGROUND OF THE INVENTION For example, aluminum oxide (Al 2 O
There is a WA abrasive material as a high-purity alumina abrasive material of 3 ). As for the hardness, as shown in FIG. 1, the Vickers hardness is about 2000 (see WA # 24 in FIG. 1). FIG. 1 is a graph showing the results of examining the hardness of various abrasive grains. It should be noted that even with silicon carbide-based abrasive grains, as shown in FIG.
Medium, GC # 30 (A company), GC # 30 (B company), C
As shown by # 24 (manufactured by Company A) and C # 24 (manufactured by Company B), the hardness is around 3000.

【0003】したがって、WA研削材の硬さを増大させ
ることができれば、炭化ケイ素系のC、GCあるいはC
BNなどのより硬い研削材を用いて行われていた研削加
工の分野に適用可能である。
Therefore, if the hardness of the WA abrasive material can be increased, silicon carbide type C, GC or C
It can be applied to the field of grinding that has been performed using a harder abrasive such as BN.

【0004】純度の高い酸化アルミニウム(Al
2 3 )微粒を圧縮・焼結して製作されたアルミナ系セ
ラミック切削工具(いわゆる白セラミック工具)の硬さ
は、せいぜいビッカース硬さ約1800にすぎない(図
5のグラフ中、無処理工具(A)参照)。この場合につ
いても、この種のセラミック工具の硬さを増大させるこ
とができると、工具磨耗の進行を抑制して工具性能を向
上させることができる。
High-purity aluminum oxide (Al
The hardness of the alumina-based ceramic cutting tool (so-called white ceramic tool) manufactured by compressing and sintering 2 O 3 ) fine particles is at most about Vickers hardness of about 1800 (in the graph of Fig. 5, untreated tool). (See (A)). Also in this case, if the hardness of this type of ceramic tool can be increased, the progress of tool wear can be suppressed and the tool performance can be improved.

【0005】さらに、焼結酸化アルミニウム(Al2
3 )材を素材とする種々のセラミック製品は工業分野に
限らず各種の分野で用いられている。工業分野では、た
とえば軸受け素材などに使用されており、玉軸受けに一
般に用いられているアルミナ質のベアリングボールのビ
ッカース硬さは約1800である。これらのセラミック
製品についても、その硬さを増大させることができれ
ば、耐磨耗性および耐久性等の性能を向上させて、利用
分野を広げることができる。
In addition, sintered aluminum oxide (Al 2 O
3 ) Various ceramic products made from materials are used not only in the industrial field but also in various fields. In the industrial field, for example, it is used as a bearing material, and the alumina-made bearing balls generally used for ball bearings have a Vickers hardness of about 1800. If the hardness of these ceramic products can be increased, performances such as abrasion resistance and durability can be improved and the field of application can be expanded.

【0006】また、ベルヌーイ法などによって作られる
酸化アルミニウム(Al2 3 )の単結晶は、添加物あ
るいは不純物を含む場合、サファイヤ、ルビー、アレキ
サンドライト、トパーズ、アクアマリン、スピネルなど
とよばれ、人造宝石として用いられるほか、たとえば、
レーザ素子あるいは精密機械や腕時計の軸受け、レコー
ド針などの耐磨耗部材に使用されている。不純物の少な
い人造サファイヤ単結晶は無色透明であることから(無
色の酸化アルミニウム(Al2 3 )単結晶もサファイ
ヤとよばれる)、腕時計の文字板を覆う透明板などに使
用されている。
The aluminum oxide (Al 2 O 3 ) single crystal produced by the Bernoulli method is called sapphire, ruby, alexandrite, topaz, aquamarine, spinel, etc. when it contains additives or impurities. Besides being used as a jewel, for example,
It is used for wear resistant materials such as laser devices, bearings for precision machines and wrist watches, and record hands. Since artificial sapphire single crystals with few impurities are colorless and transparent (a colorless aluminum oxide (Al 2 O 3 ) single crystal is also called sapphire), it is used as a transparent plate for covering the dial plate of a wristwatch.

【0007】図13のサファイヤ表面の硬さを調べた結
果を示すグラフ中「無処理面」に示されるように、上記
のような酸化アルミニウム単結晶のビッカース硬さは、
試験荷重1000gfではくぼみ周りに亀裂が生じ、約
2000弱、試験荷重50gfではくぼみ周りに亀裂が
生じることなく、約2500弱程度である。したがって
これらの酸化アルミニウム単結晶についても、その硬さ
を増大させることができれば、それを素材としている製
品の耐磨耗性、耐損傷性、耐久性などの向上を図ること
ができるようになる。さらに、硬さを増大させたサファ
イヤを研磨成形して切削工具を形成することができれ
ば、単結晶ダイヤモンド切削工具では振動切削などの特
別の工夫をしない限り不可能とされる鉄系金属の鏡面切
削加工用の切削工具として用いることができる。
As shown in the "untreated surface" in the graph showing the result of examining the hardness of the sapphire surface in FIG. 13, the Vickers hardness of the above-mentioned aluminum oxide single crystal is
With a test load of 1000 gf, cracks are formed around the dents, about 2000, and with a test load of 50 gf, cracks are not formed around the dents, and about 2,500. Therefore, if the hardness of these aluminum oxide single crystals can be increased, it becomes possible to improve the wear resistance, damage resistance, durability and the like of the product using the single crystal. Furthermore, if sapphire with increased hardness can be formed by polishing to form a cutting tool, mirror-cutting of ferrous metal is impossible with a single crystal diamond cutting tool unless special measures such as vibration cutting are used. It can be used as a cutting tool for processing.

【0008】[0008]

【発明の要約】本願発明は、以上のような事情のもとで
上述したアルミナ質材料ないしこれを用いた製品の硬度
を著しく高めるべく種々検討した結果完成にいたったも
のであり、酸化アルミニウムを主成分とするアルミナ材
の一部または全部を、酸化アルミニウムに固溶する酸化
物または弗化物の添加によって、微小ビッカース硬さ2
600(×0.9807N/mm2 、試験荷重300×
9.807mN)以上に硬化させることを中心概念とす
る。
SUMMARY OF THE INVENTION Under the circumstances described above, the present invention has been completed as a result of various studies to remarkably enhance the hardness of the above-mentioned alumina-based material or a product using the same. A small Vickers hardness of 2 is obtained by adding an oxide or fluoride that forms a solid solution of aluminum oxide, which is the main component, in aluminum oxide.
600 (x 0.9807 N / mm 2 , test load 300 x
The main concept is to harden it to 9.807 mN or more.

【0009】上記アルミナ材には、研削材(砥粒)の形
態をもつもの、焼結セラミックの形態をもつもの、アル
ミナ単結晶の形態をもつもののすべてが含まれる。
The above-mentioned alumina material includes all in the form of abrasives (abrasive grains), in the form of sintered ceramics, and in the form of alumina single crystals.

【0010】また、上記アルミナ材に添加物を加える方
法としては、次のような方法がある。
As a method of adding an additive to the alumina material, there are the following methods.

【0011】 原料の酸化アルミニウム(Al
2 3 )に適当な形の添加物、添加物の塩類、あるいは
添加物またはその塩類の溶液を加えて熱分解を行い、原
料粉末を作り、添加物を酸化アルミニウムに固溶させる
べくそれらを熱処理加工する。
The raw material aluminum oxide (Al
2 O 3 ), an additive, a salt of the additive, or a solution of the additive or a salt of the additive is added to 2 O 3 ) to thermally decompose the raw material powder, and to add the additive to aluminum oxide to form a solid solution. Heat treatment process.

【0012】 すでにできあがった高純度の酸化アル
ミニウム(Al2 3 )粉末に添加物の粉末を加えて原
料粉末として、添加物を酸化アルミニウムに固溶させる
べく熱処理加工する。
The additive powder is added to the already-produced high-purity aluminum oxide (Al 2 O 3 ) powder to obtain a raw material powder, which is then heat-treated to form a solid solution with the additive.

【0013】 すでにできあがっている上記のアルミ
ナ質を主成分とするアルミナ質研削材、アルミナ質セラ
ミック切削工具材、それらによるアルミナ質セラミック
製品、アルミナ質セラミック材料、アルミナ質単結晶な
どを、添加すべき物質の粉末中に埋め込み、あるいは接
触させて熱処理を行い、添加物質を固溶状態において内
部に拡散させる。
The above-mentioned already prepared alumina-based abrasives containing alumina as a main component, alumina-based ceramic cutting tool materials, alumina-based ceramic products made of them, alumina-based ceramic materials, alumina-based single crystals, etc. should be added. Heat treatment is carried out by embedding in or in contact with the powder of the substance, and the additive substance is diffused inside in a solid solution state.

【0014】添加物としては、酸化アルミニウム(Al
2 3 )に固溶しうる酸化物あるいは弗化物が適当であ
ることが判っており、たとえば、Fe2 3 ,Fe2
3 ,SiO2 ,K2 O,MnO,Na2 O,Li2 O,
Ga2 3 ,Gd2 3 ,N 2 5 ,SO3 ,Ho2
3 ,In2 3 ,La2 3 ,Li2 O,TiO2 ,L
2 3 ,ZrO2 ,Y2 3 ,Nd2 3 ,P
2 5 ,SrO,PbO,Sc2 3 ,RF2 ,Zn
O,Sm2 3 ,SnO2 ,Ta2 5 ,Tm2 5
UO2 ,V2 5 ,Yb2 3 ,NaF,RbF,Al
3 ,CaF2 ,NaF,LiF,MgF2 ,B
2 3 ,BaO,BeO,ThO2 ,Bi2 3 ,CO
2 ,CaO,Cr2 3 ,K2 O,CeO2 ,Dy2
3 ,Er2 3 ,Eu23 などがある。これらの物質
の1種または複数種を、酸化アルミニウムに固溶させ
る。
As an additive, aluminum oxide (Al
2O3An oxide or fluoride that can be dissolved in
It is known that, for example, Fe2O3, Fe2O
3, SiO2, K2O, MnO, Na2O, Li2O,
Ga2O3, Gd2O3, N 2OFive, SO3, Ho2O
3, In2O3, La2O3, Li2O, TiO2, L
u2O3, ZrO2, Y2O3, Nd2O3, P
2OFive, SrO, PbO, Sc2O3, RF2, Zn
O, Sm2O3, SnO2, Ta2OFive, Tm2OFive
UO2, V2OFive, Yb2O3, NaF, RbF, Al
F3, CaF2, NaF, LiF, MgF2, B
2O3, BaO, BeO, ThO2, Bi2O3, CO
2, CaO, Cr2O3, K2O, CeO2, Dy2O
3, Er2O3, Eu2O3and so on. These substances
One or more of
It

【0015】実験の結果、この添加物が酸化アルミニウ
ムに固溶して硬さを増大させうる添加比率は、3重量%
以下、好ましくは2.5重量%以下であることが判明し
ている。その場合、アルミナ質材の硬度は、微小ビッカ
ース硬さで少なくとも2600(×0.9807N/m
2 、試験荷重300×9.807mN)以上、最大で
4000にも及び、驚異的な硬度増加が認められた。
As a result of experiments, the addition ratio by which this additive can form a solid solution in aluminum oxide to increase hardness is 3% by weight.
Below, it has been found to be preferably below 2.5% by weight. In that case, the hardness of the alumina-based material is at least 2600 (× 0.9807 N / m in terms of micro Vickers hardness).
m 2 , test load of 300 × 9.807 mN) or more, up to 4000, and a remarkable increase in hardness was observed.

【0016】本願発明のその他の側面および利点は、以
下に示す好ましい実施形態の説明より明らかとなろう。
Other aspects and advantages of the present invention will be apparent from the description of the preferred embodiments presented below.

【0017】[0017]

【好ましい実施形態】以下においては、アルミナ材に添
加物を加える方法として、上記「」の方法を採用し、
高純度WA砥粒、高純度酸化アルミニウム(Al
2 3 )微粒を加圧・焼結して得られたアルミナ系セラ
ミック切削工具(いわゆる白セラミック工具)、酸化ア
ルミニウム(Al2 3 )微粒に焼成助剤を添加の上、
適当な手段によって成形し、これを焼結するなどして得
られる一般的なアルミナ質セラミック材料、および、酸
化アルミナ単結晶(サファイヤ)につき、TiO2 等を
添加した場合について、順次説明する。なお、熱処理
は、図2に示される電気炉を用いた。
[Preferred embodiment] In the following, the above method "" is adopted as a method for adding an additive to an alumina material,
High-purity WA abrasive grains, high-purity aluminum oxide (Al
2 O 3 ) Alumina-based ceramic cutting tool (so-called white ceramic tool) obtained by pressurizing and sintering fine particles, aluminum oxide (Al 2 O 3 ) fine particles, after adding a firing aid,
A general alumina ceramic material obtained by molding by appropriate means and sintering, and a case where TiO 2 or the like is added to an alumina oxide single crystal (sapphire) will be sequentially described. The heat treatment used the electric furnace shown in FIG.

【0018】実施形態例1〈高純度WA砥粒の場合〉 Embodiment 1 <In the case of high-purity WA abrasive grains>

【0019】表1は、各種砥粒の成分および性状を示
し、本実施形態では、このうち、酸化アルミニウムの純
度が99.5%以上であるWA砥粒を用いた。
Table 1 shows the components and properties of various abrasive grains. In this embodiment, among these, WA abrasive grains having a purity of aluminum oxide of 99.5% or more were used.

【0020】[0020]

【表1】 [Table 1]

【0021】図3は、WA砥粒にTiO2 を添加した結
果、その硬さが増大したことを示すグラフである。この
図は、WA砥粒をTiO2 の粉末であるアナターゼ型、
ルチル型、アモルファス型の各々と個別に混合し、図2
の炉中で1573Kで50時間加熱した後取り出し、W
A砥粒のみを選んで樹脂に埋め込み、WA砥粒断面を研
磨してそのビッカース硬さを測定した結果を示す。この
ようにTiO2 を添加処理したWA#24砥粒の他に、
無処理のWA#24砥粒、単に1573Kで20時間加
熱処理のみを行ったWA#24砥粒、TiO2 を添加処
理したA#24砥粒、無処理の同じくA#24砥粒の場
合の硬さを比較できるように同図中に併せ示した。
FIG. 3 is a graph showing that the hardness increased as a result of adding TiO 2 to the WA abrasive grains. In this figure, WA abrasive grains are anatase type powders of TiO 2 ,
The rutile type and the amorphous type are individually mixed, and the mixture shown in FIG.
After heating at 1573K for 50 hours in the furnace of
Only the A abrasive grains are selected and embedded in the resin, the cross section of the WA abrasive grains is polished, and the Vickers hardness thereof is measured. In addition to the WA # 24 abrasive grains thus treated with TiO 2 ,
In the case of the untreated WA # 24 abrasive grains, the WA # 24 abrasive grains that were simply heat treated at 1573K for 20 hours, the A # 24 abrasive grains that were treated with the addition of TiO 2 , and the untreated same A # 24 abrasive grains. It is also shown in the figure so that the hardness can be compared.

【0022】これらのビッカース硬さの測定は、JIS
R1610−1991「ファインセラミックスのビッ
カース硬さ試験方法」に従って行った。試験荷重を変化
させて測定しているが、試験荷重が300gfより大き
いとビッカースくぼみの角から亀裂が生じる場合が多
い。亀裂が生じた場合は図中の点を黒く塗りつぶして示
している。
These Vickers hardness measurements are based on JIS
R1610-1991 “Vickers hardness test method for fine ceramics”. Although the test load is changed and measured, when the test load is larger than 300 gf, cracks often occur from the corners of the Vickers dent. When cracks occur, the points in the figure are shown in black.

【0023】図3に示されるように、「無処理のWA#
24砥粒」はビッカース硬さが約2000前後である
が、「TiO2 添加処理したWA#24砥粒」はTiO
2 粉末の型がいずれであっても、そのビッカース硬さは
3000から4000に増大した。図3中の「WA#2
4、加熱処理のみ」は、WA砥粒をTiO2 粉末に埋め
込まないで、単に加熱処理のみを行った場合を示し、こ
の場合の砥粒の硬さは増大せず、「無処理、WA#2
4」とほとんど同じ硬さである。これにより、加熱処理
のみでこの砥粒の硬さは増大しないことが確認された。
As shown in FIG. 3, "no processing WA #
The "24 abrasive grains" has a Vickers hardness of about 2000, but the "WA # 24 abrasive grains treated with TiO 2 " is TiO 2.
The Vickers hardness increased from 3000 to 4000 regardless of the type of the two powders. "WA # 2" in FIG.
“4. Heat treatment only” indicates a case where only the heat treatment is performed without embedding the WA abrasive grains in the TiO 2 powder. In this case, the hardness of the abrasive grains does not increase, and “no treatment, WA # Two
It has almost the same hardness as "4". From this, it was confirmed that only the heat treatment did not increase the hardness of the abrasive grains.

【0024】また、図3中、「A#24、TiO2 添加
処理」は、A砥粒をTiO2 粉末に埋め込んで加熱処理
した場合を示し、「無処理、A#24」の場合の値とほ
ぼ等しい。このように、A#24砥粒にTiO2 を添加
処理しても硬さが増大しないことが確認された。
Further, in FIG. 3, "A # 24, TiO 2 addition treatment" indicates a case where A abrasive grains are embedded in TiO 2 powder and heat treatment is performed, and the value in the case of "no treatment, A # 24" Is almost equal to. Thus, it was confirmed that the hardness does not increase even if TiO 2 is added to the A # 24 abrasive grains.

【0025】表2は、JIS R6123−1987
「アルミナ質研削材の化学分析法解説」による8社の各
々の実験結果による平均とレンジの各種砥粒の不純物成
分を示す。この表によるとWA砥粒中のTiO2 は検出
できない程度の量である。A砥粒中のTiO2 は約3%
である。上記の「A#24、TiO2 添加処理」のA砥
粒はTiO2 が約3%以上添加されているはずであるか
ら、約3%以上TiO2を添加しても硬さは増大しな
い。したがって、WA砥粒の硬さを増大させるTiO2
の添加量は、3%以下となる。
Table 2 shows JIS R6123-1987.
Shown are the average and range impurity components of various abrasive grains based on the experimental results of each of eight companies according to "Explanation of chemical analysis method for alumina abrasives". According to this table, the amount of TiO 2 in the WA abrasive grains is undetectable. TiO 2 in abrasive grain A is about 3%
Is. Since A abrasive grains "A # 24, TiO 2 addition treatment" above should be added TiO 2 is about 3% or more, does not increase the hardness be added about 3% or more TiO 2. Therefore, TiO 2 which increases the hardness of the WA abrasive grains
The amount added is 3% or less.

【0026】[0026]

【表2】 [Table 2]

【0027】図4は、WA砥粒のTiO2 添加の処理条
件を変えて硬さの増大を調べた結果を示す。高温で処理
時間が長くなるとかえって硬さの増大効果が低下するこ
とが判る。高温でかつ処理時間が長いことはWA砥粒へ
のTiO2 の添加量が増えることを意味する。したがっ
て、所望の硬さを得るべくWAを添加するべきTiO 2
の量には適当な値があることが判り、その値は、表2を
参照して前述したことから、約3%以下であると推定で
きる。
FIG. 4 shows WA abrasive grains of TiO 2.2Additive treatment
The results of examining the increase in hardness under different conditions are shown. Processed at high temperature
If the time increases, the effect of increasing hardness may decrease.
I understand. High temperature and long processing time means WA abrasive grains
TiO2It means that the addition amount of is increased. According to
And TiO to which WA should be added to obtain the desired hardness 2
It was found that there is an appropriate value for the amount of
From the above with reference, it is estimated that it is about 3% or less
Wear.

【0028】実施形態例2〈白セラミック工具の場合〉 Embodiment 2 <In case of white ceramic tool>

【0029】図5に、純度の高い酸化アルミニウム(A
2 3 )微粒を加圧・焼結して作製されたアルミナ系
セラミック切削工具(いわゆる白セラミック工具)にT
iO 2 を添加処理することによりその硬さが増大した例
を示す。図5には、白セラミック工具をTiO2 の粉末
中に埋め込み、図2の炉中で1573Kで20時間加熱
保持した後取り出し、図5上に示す断面を研磨して、そ
の面のビッカース硬さを測定した結果が、無処理工具の
場合と併せて示されている。ビッカース硬さの測定は前
述のJISによる方法で行い、試験荷重は500gfの
一定値としてある。同図から判るように、無処理工具の
断面のビッカース硬さは一様に約1800前後である
が、TiO2 添加処理工具の断面では、表面から約1m
mの深さのところで、硬さは最大値約3000に増大し
ている。
FIG. 5 shows aluminum oxide (A
l2O3) Alumina system produced by pressing and sintering fine particles
T for ceramic cutting tools (so-called white ceramic tools)
iO 2An example in which the hardness is increased by the addition treatment of
Indicates. In Figure 5, the white ceramic tool is TiO2Powder of
Embedded in the furnace and heated at 1573K for 20 hours in the furnace shown in FIG.
After holding, take out and polish the cross section shown in Fig. 5,
The result of measuring the Vickers hardness of the surface of the
It is shown together with the case. Vickers hardness measurement before
The test load of 500 gf
It is a constant value. As you can see from the figure,
The Vickers hardness of the cross section is uniformly around 1800.
But TiO2The cross section of the additive treatment tool is about 1 m from the surface
At a depth of m, the hardness increases to a maximum of about 3000
ing.

【0030】図6および図7は、工具断面での深さ方向
への硬さ分布を示し、これにより硬さ増大に対するTi
2 添加処理条件の影響が判る。この図6および図7か
ら、工具表面へのTiO2 添加量が増加するような処理
条件になるほど、硬さ最大値が工具内部に移動する。こ
のことから、この白セラミック工具の場合も前述の研削
材の場合のように酸化アルミニウム焼結切削工具の硬さ
を最大にするTiO2の添加量には適量があることが判
り、約3%以下であると推定できる。
FIG. 6 and FIG. 7 show the hardness distribution in the depth direction in the tool cross section.
The effect of O 2 addition treatment conditions can be seen. From FIG. 6 and FIG. 7, the maximum hardness value moves to the inside of the tool as the processing conditions increase the amount of TiO 2 added to the tool surface. From this, it can be seen that even in the case of this white ceramic tool, the addition amount of TiO 2 that maximizes the hardness of the aluminum oxide sintered cutting tool is appropriate, as in the case of the above-mentioned abrasive, and it is about 3%. It can be estimated that

【0031】図8は、純度の高い酸化アルミニウム(A
2 3 )を焼結して製作されたアルミナ系セラミック
切削工具(いわゆる白セラミック工具)にTiO2 添加
処理して硬さを増大させ、それを用いて構造用炭素綱S
55Cを4種類の切削速度で切削して、工具磨耗の進行
を調べた結果を無処理の工具の場合と比較して示してい
る。TiO2 添加処理工具と無処理工具とでは、逃げ面
磨耗はほとんど差はないが、すくい面磨耗は処理工具の
ほうが磨耗進行が少なく、したがって、この種のセラミ
ック工具にTiO2 を添加処理することにより、工具磨
耗の進行を抑制することができることが判る。
FIG. 8 shows aluminum oxide (A
alumina ceramic cutting tool (so-called white ceramic tool) manufactured by sintering l 2 O 3 ) to increase the hardness by adding TiO 2 to the structural carbon steel S
55C is cut at four cutting speeds, and the results of examining the progress of tool wear are shown in comparison with the case of an untreated tool. Although there is almost no difference in flank wear between a tool treated with TiO 2 and a tool without treatment, rake face wear is less advanced in the treated tool. Therefore, it is necessary to add TiO 2 to this type of ceramic tool. Therefore, it is understood that the progress of tool wear can be suppressed.

【0032】実施形態例3〈アルミニウム質セラミック
材料の場合〉
Embodiment 3 <Aluminum-based ceramics
For materials>

【0033】図9に、酸化アルミニウム(Al2 3
微粒に焼結助剤を添加した上で適当な手法によって成形
し、これを加熱焼結するなどして得られる一般的なアル
ミナ質セラミック材料にTiO2 を添加処理することに
よりその硬さが増大する様子を示す。TiO2 の添加処
理の手法は、加熱温度と加熱時間を除き、上記白セラミ
ック工具の場合と同様である。図9から判るように、無
処理の場合に比較して、TiO2 の添加処理をすると、
このセラミック材料の表面近くのビッカース硬さが最大
2800にも及ぶ。そして、この場合においても、硬さ
のピークは、加熱処理の合計時間が長くなるほど、表面
から内部に移動している。これは、処理時間が長くなる
ほど、TiO2 が材料の表面から内部に浸透し、最大硬
度を実現できる濃度(約3%)を示す部位が次第に表面
から内部へ移動するからである。
FIG. 9 shows aluminum oxide (Al 2 O 3 )
The hardness is increased by adding TiO 2 to a general alumina-based ceramic material obtained by adding a sintering aid to the fine particles, molding it by an appropriate method, and heating and sintering this. I will show you how. The method of adding TiO 2 is the same as that of the white ceramic tool except for the heating temperature and the heating time. As can be seen from FIG. 9, as compared with the case of no treatment, the addition treatment of TiO 2
The Vickers hardness near the surface of this ceramic material reaches up to 2800. Also in this case, the peak of hardness moves from the surface to the inside as the total time of the heat treatment becomes longer. This is because as the treatment time increases, TiO 2 permeates from the surface of the material to the inside, and the portion showing the concentration (about 3%) capable of achieving the maximum hardness gradually moves from the surface to the inside.

【0034】図10は、図9の場合に対してTiO2
添加処理条件を変更した場合を示し、加熱処理のみを行
った場合をあわせ示している。1273KでのTiO2
添加処理を5時間ずつ3回行った場合に対し、1273
KでのTiO2 添加処理を5時間ずつ3回行った後、さ
らに1273Kでの加熱のみを5時間行った場合の比較
が表れている。同図から判るように、TiO2 の添加処
理を行った後、加熱処理のみを行うと、硬さ分布がなだ
らかになる。これは、加熱により、TiO2 が内部に浸
透し、TiO2 の濃度分布がなだらかになるためである
と推定される。このような2段階の処理を行うことによ
り、表面からの硬化層厚みを増大させることができる。
FIG. 10 shows the case where the TiO 2 addition treatment condition is changed from the case of FIG. 9, and also shows the case where only the heat treatment is performed. TiO 2 at 1273K
Compared to the case where the addition treatment was performed 3 times for 5 hours each, 1273
A comparison is shown in the case where the TiO 2 addition treatment at K is performed 3 times for 5 hours each, and then only the heating at 1273 K is performed for 5 hours. As can be seen from the figure, if only the heat treatment is performed after the TiO 2 addition treatment, the hardness distribution becomes gentle. This, by heating, TiO 2 penetrates into the inside, the concentration distribution of the TiO 2 is supposed to be due to becomes smooth. By performing such a two-step treatment, the thickness of the hardened layer from the surface can be increased.

【0035】図11は、上記と同様の一般的なアルミナ
質セラミック材料にY2 3 を添加したときにも、硬さ
が増大する様子を示す。同図から判るように、無処理の
場合に比較して、Y2 3 の添加処理をすると、このセ
ラミック材料の表面近くのビッカース硬さが最大280
0にも及ぶ。そして、この場合においても、硬さのピー
クは、処理時間の合計時間が長くなるほど、表面から内
部に移動している。これも、処理時間が長くなるほど、
2 3 が材料の内部へ浸透し、最大硬度を実現できる
濃度(約3%)を示す部位が次第に表面から内部へ移動
するからである。
FIG. 11 shows how the hardness increases when Y 2 O 3 is added to the same general alumina ceramic material as described above. As can be seen from the figure, when the Y 2 O 3 addition treatment is performed, the Vickers hardness near the surface of this ceramic material is 280 at maximum, compared with the case of no treatment.
It reaches 0. Also in this case, the hardness peak moves from the surface to the inside as the total processing time increases. Again, the longer the processing time,
This is because Y 2 O 3 permeates into the inside of the material, and the portion showing the concentration (about 3%) capable of achieving the maximum hardness gradually moves from the surface to the inside.

【0036】図12は、上記と同様の一般的なアルミナ
質セラミック材料について、1273KでのTiO2
添加処理を5時間行った場合、1273KでのY2
3 添加処理を5時間行った場合、1273KでのTi
2 添加処理を5時間行った後、同一の試料に対し、1
273KでのY2 3 添加処理を5時間行った場合につ
いて、材料の硬度分布を示している。同図から判るよう
に、セラミック材料に固溶して硬化させうる添加物であ
れば、これを複合添加しても、このセラミック材料の表
面近くを適度に硬化させることができる。
FIG. 12 shows TiO 2 at 1273 K for a typical alumina-based ceramic material similar to that described above.
When the addition treatment was carried out for 5 hours, Y 2 O at 1273K
3 When adding treatment for 5 hours, Ti at 1273K
After performing the O 2 addition treatment for 5 hours,
The hardness distribution of the material when the Y 2 O 3 addition treatment at 273 K is performed for 5 hours is shown. As can be seen from the figure, if the additive is a solid solution and can be hardened in the ceramic material, even if it is added in combination, the vicinity of the surface of the ceramic material can be appropriately hardened.

【0037】実施形態例4〈酸化アルミナ単結晶(サフ
ァイヤ)の場合〉
Embodiment 4 <Alumina oxide single crystal (surf
In case of

【0038】図13は、酸化アルミニウム(Al
2 3 )の単結晶(サファイヤ)の場合を示し、TiO
2 添加処理したものと無処理のものとの結晶の表面硬さ
を比較して示している。同図から判るように、TiO2
添加処理した場合、ビッカース硬さが3000〜400
0へと増大した。このTiO2 添加処理した酸化アルミ
ニウム単結晶を切削工具に研磨成形して鉄系金属の切削
試験を行ったところ、無処理の工具よりも工具磨耗が著
しく減少した。
FIG. 13 shows aluminum oxide (Al
2 O 3 ) single crystal (sapphire)
2 The surface hardness of the crystal of the additive-treated one and that of the untreated one are shown in comparison. As can be seen from the figure, TiO 2
When added, Vickers hardness is 3000-400
It increased to 0. The aluminum oxide single crystal treated with the addition of TiO 2 was abrasively molded into a cutting tool and subjected to a cutting test for ferrous metal. As a result, the tool wear was remarkably reduced as compared with the untreated tool.

【0039】図14は、TiO2 添加処理条件を変化さ
せた場合の結晶表面の硬さを測定した結果を表してお
り、この実験範囲内では、処理温度が高く、処理時間が
長いほど表面硬さが増大した。
FIG. 14 shows the results of measuring the hardness of the crystal surface when the treatment conditions of TiO 2 addition were changed. Within this experimental range, the higher the treatment temperature and the longer the treatment time, the higher the surface hardness. Has increased.

【0040】図15は、結晶の内部への硬さ分布を調べ
た結果を示しており、2つの結晶面について、2処理条
件で添加処理した場合を示す。結晶面による差はほとん
どなく、この実験範囲内では表面ほど硬さが増大してい
た。
FIG. 15 shows the results of examining the hardness distribution inside the crystal, showing the case where two crystal planes were subjected to the addition treatment under the two treatment conditions. There was almost no difference due to the crystal plane, and the hardness increased toward the surface within this experimental range.

【0041】本願発明の範囲は、形態を問わず、酸化ア
ルミニウムを主成分とするすべてのアルミナ質材料ない
しこれを用いた工具等の製品に及ぶことはもちろんのこ
とである。そして、TiO2 等のアルミナに固溶しうる
添加物は、すでにできあがったアルミナ質固形材料に対
して、上述した各実施例のように、上記「」の方法に
よって添加すれば、比較的簡便に上記材料等の表面硬化
を行うことができる。また、上記「」または「」の
方法により、工具等に成形するに際して添加してもよ
い。ただし、いずれにしても、添加物をアルミナ質中に
適正に固溶させるために、所定時間、所定温度での加熱
処理が必要である。前者の方法による場合、上記実施例
から明らかなように、白セラミック工具またはサファイ
ヤ等の表面近くの領域を硬化させることになるが、後者
の方法をとる場合は、材料または製品の内部を一様に硬
化させることができる。後者の場合において、適正な硬
度増加を達成させるためには、添加物の濃度を3%もし
くはそれ以下とすることが肝要である。
It goes without saying that the scope of the present invention extends to all alumina-based materials containing aluminum oxide as a main component or products such as tools using the same, regardless of the form. Then, an additive such as TiO 2 which can be solid-dissolved in alumina can be relatively easily added to the already formed alumina solid material by the above method “” as in each of the above-mentioned examples. Surface hardening of the above materials and the like can be performed. Also, it may be added by the above-mentioned method "" or "" when forming into a tool or the like. However, in any case, heat treatment at a predetermined temperature for a predetermined time is necessary in order to form an appropriate solid solution of the additive in the alumina. In the case of the former method, as is clear from the above-mentioned embodiment, the area near the surface of the white ceramic tool or sapphire is hardened, but in the case of the latter method, the inside of the material or the product is made uniform. Can be cured. In the latter case, in order to achieve an appropriate increase in hardness, it is essential that the concentration of the additive is 3% or less.

【0042】なお、微小ビッカース硬さの測定結果は、
試験荷重によって多少変化するが、同一の試料に対し
て、より小さな試験荷重によって測定した硬度値は、通
常、それより大きな試験荷重によって測定した硬度値よ
りも大となる。したがって、たとえば、試験荷重500
×9.807mNでの測定によって2600を示した試
料の試験荷重300×9.807mNでの測定結果は、
2600ないしそれ以上となり、図14に表れる傾向か
ら、おそらく、3000を超えるものと推定される。
The measurement result of the minute Vickers hardness is
The hardness value measured with a smaller test load for the same sample is usually greater than the hardness value measured with a larger test load, although it varies somewhat with the test load. Therefore, for example, the test load 500
The test result of the sample having a test load of 300 × 9.807 mN showing 2600 by the measurement at × 9.807 mN is:
2600 or more, and from the tendency shown in FIG. 14, it is estimated that the number exceeds 3000.

【0043】[0043]

【発明の効果】以上のように、本願発明によれば、従
来、たかだかビッカース硬さが2000程度であったア
ルミナ質材料ないしこれを用いた製品の硬さが、260
0ないし4000に増大させられる。その結果、本願発
明によって硬化させられたアルミナ質材料を研削材、切
削工具あるいはセラミック製品に適用すれば、その寿命
の著しい延長さらにはアルミナ質セラミック製品の高品
質化が可能となり、産業上の意義はきわめて大きい。
As described above, according to the present invention, the hardness of the alumina material which has been about 2000 Vickers hardness in the past or the hardness of the product using the same is 260.
Increased from 0 to 4000. As a result, if the alumina-based material hardened according to the present invention is applied to an abrasive, a cutting tool or a ceramic product, the life of the alumina-based product can be remarkably extended and the quality of the alumina-based ceramic product can be improved. Is extremely large.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本願発明の処理をしない場合の各種研削材のビ
ッカース硬さを表すグラフ。
FIG. 1 is a graph showing the Vickers hardness of various abrasives when the treatment of the present invention is not performed.

【図2】本願発明の各実施例において、TiO2 の添加
処理に用いた電気加熱炉の構成図。
FIG. 2 is a configuration diagram of an electric heating furnace used for TiO 2 addition treatment in each example of the present invention.

【図3】実施形態例1において、本願発明によりTiO
2 の添加処理をしたWA研削材のビッカース硬さを無処
理の各種研削材のビッカース硬さと比較して示したグラ
フ。
FIG. 3 is a schematic diagram showing a TiO according to the present invention in the first embodiment.
The graph which showed the Vickers hardness of the WA abrasive material which carried out the addition process of 2 compared with the Vickers hardness of various untreated abrasive materials.

【図4】実施形態例1において、WA研削材のTiO2
添加処理各種条件でのビッカース硬さを示したグラフ。
FIG. 4 is a TiO 2 of WA abrasive material in Embodiment 1.
The graph which showed the Vickers hardness in various conditions of addition processing.

【図5】実施形態例2において、本願発明によりTiO
2 の添加処理をした白セラミック切削工具断面の硬さ分
布を無処理工具の硬さ分布と比較して示したグラフ。
FIG. 5 is a TiO 2 according to the present invention in Embodiment 2;
The graph which showed the hardness distribution of the cross section of the white ceramic cutting tool which carried out the addition treatment of 2 compared with the hardness distribution of an untreated tool.

【図6】実施形態例2において、TiO2 の添加処理温
度による白セラミック切削工具断面の硬さ分布を示した
グラフ。
FIG. 6 is a graph showing the hardness distribution of the cross section of the white ceramic cutting tool according to the TiO 2 addition treatment temperature in Embodiment 2.

【図7】実施形態例2において、TiO2 の添加処理時
間による白セラミック切削工具断面の硬さ分布を示した
グラフ。
FIG. 7 is a graph showing the hardness distribution of the cross section of the white ceramic cutting tool according to the addition treatment time of TiO 2 in the second embodiment.

【図8】実施形態例2において、本願発明によりTiO
2 添加処理をした白セラミック切削工具および無処理白
セラミック切削工具の磨耗進行曲線をそれぞれ示すグラ
フ。
FIG. 8 is a TiO according to the present invention in Embodiment 2;
2 Graphs showing wear progression curves of a white ceramic cutting tool with addition treatment and a white ceramic cutting tool without treatment.

【図9】実施形態例3において、本願発明によりTiO
2 添加処理をしたアルミナ系セラミック材料の硬さ分布
を無処理の場合の硬さ分布と比較して示したグラフ。
FIG. 9 is a TiO 2 according to the present invention in the third embodiment.
2 is a graph showing the hardness distribution of the alumina-based ceramic material that has been subjected to the addition treatment in comparison with the hardness distribution of the untreated case.

【図10】実施形態例3において、本願発明によりTi
2 添加処理をしたアルミナ系セラミック材料の硬さ分
布を、TiO2 の添加処理の後、加熱処理を付加した場
合との比較において示したグラフ。
FIG. 10 is a schematic diagram of a third embodiment according to the present invention.
The hardness distribution of the alumina-based ceramic material in which the O 2 addition treatment, after the addition processing of TiO 2, showed in comparison to the case of adding the heat treatment chart.

【図11】実施形態例3において、本願発明によりY2
3 添加処理をしたアルミナ系セラミック材料の硬さ分
布を無処理の場合の硬さ分布と比較して示したグラフ。
FIG. 11 is a schematic diagram of Y 2 according to the present invention in Embodiment 3;
Graph shows a comparison with the hardness distribution of the non-treated hardness distribution of the alumina-based ceramic material in which the O 3 additive process.

【図12】実施形態例3において、本願発明によりTi
2 とY2 3 の複合添加処理をしたアルミナ系セラミ
ック材料の硬さ分布を示すグラフ。
FIG. 12 is a schematic diagram of a third embodiment according to the present invention.
Graph showing the hardness distribution of the O 2 and combined addition processing of Y 2 O 3 and alumina-based ceramic material.

【図13】実施形態例4において、単結晶酸化アルミニ
ウムに本願発明によるTiO2 添加処理をした場合の表
面硬さを無処理面の表面硬さの比較して示したグラフ。
FIG. 13 is a graph showing the surface hardness in the case where the TiO 2 addition treatment according to the present invention is applied to the single crystal aluminum oxide in Embodiment 4, by comparing the surface hardness of the untreated surface.

【図14】実施形態例4において、単結晶酸化アルミニ
ウムのTiO2 添加処理条件による表面硬さの増大の様
子を示すグラフ。
FIG. 14 is a graph showing how the surface hardness increases according to the TiO 2 addition treatment condition of single crystal aluminum oxide in Embodiment 4.

【図15】実施形態例4において、単結晶酸化アルミニ
ウムのTiO2 添加処理による内部硬さ分布を示すグラ
フ。
FIG. 15 is a graph showing an internal hardness distribution of a single crystal aluminum oxide obtained by adding TiO 2 to the fourth embodiment.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI C30B 31/02 C04B 35/10 E (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C04B 35/10 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 7 identifier FI C30B 31/02 C04B 35/10 E (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) C04B 35/10

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 酸化アルミニウムを純度99.5%以上
含有するアルミナ材における酸化アルミニウムに、アル
ミナ材の外部からTiO 2 添加固溶させて上記アルミ
ナ材の一部が微小ビッカース硬さ2600(×0.98
07N/mm2 、試験荷重300×9.807mN)以
上に硬化されており、かつ、上記硬化部分のTiO 2
含有量は、3%以下であることを特徴とする、硬化アル
ミナ質材料。
1. A aluminum oxide in the alumina material containing aluminum oxide 99.5% or more, Al
The aluminum from the outside of Mina material by adding a solid solution of TiO 2
Part of the wood material has a fine Vickers hardness of 2600 (× 0.98
07 N / mm 2 , a test load of 300 × 9.807 mN) or more, and the content of TiO 2 in the cured portion is 3% or less, a cured aluminous material.
【請求項2】 白色アルミナ質砥粒を硬化したものであ
る、請求項1の硬化アルミナ質材料。
2. The hardened aluminous material according to claim 1, which is a hardened white aluminous abrasive grain.
【請求項3】 酸化アルミニウムの単結晶を硬化したも
のである、請求項1の硬化アルミナ質材料。
3. The hardened aluminous material according to claim 1, which is obtained by hardening a single crystal of aluminum oxide.
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