JP3487886B2 - 積層構造焼結体及びその製造方法 - Google Patents
積層構造焼結体及びその製造方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は積層構造をもつセラミッ
ク，サーメット，金属からなる高強度焼結体とその製造
方法に関するものである。
ク，サーメット，金属からなる高強度焼結体とその製造
方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般にセラミックは金属に比べて硬度が
高く耐摩耗性に優れているため、金属では摩耗が著しい
加工工具や摺動部品などに使用されている。このセラミ
ックを使用するにあたって最も問題になるのは靱性につ
いてである。セラミックは金属と比べると弾性率が大き
く、弾性変形も塑性変形も殆どおこさない。このため、
焼結体内部の欠陥に非常に敏感であり、ひとたび亀裂が
進展し始めると途中で止めることは殆ど不可能で大破に
至ってしまう。
高く耐摩耗性に優れているため、金属では摩耗が著しい
加工工具や摺動部品などに使用されている。このセラミ
ックを使用するにあたって最も問題になるのは靱性につ
いてである。セラミックは金属と比べると弾性率が大き
く、弾性変形も塑性変形も殆どおこさない。このため、
焼結体内部の欠陥に非常に敏感であり、ひとたび亀裂が
進展し始めると途中で止めることは殆ど不可能で大破に
至ってしまう。
【０００３】このセラミックの脆さを改良するため種々
の試みがなされてきたが、その一つとして部分安定化Ｚ
ｒＯ2 に代表される分散相の相変態に伴う体積膨張を利
用し、亀裂先端に圧縮応力をかけて亀裂の進展を防止す
るものがある。しかし、この方法では温度の上昇に伴っ
て応力をかける前に相変態が起こってしまい、強靱化の
機構が消えてしまう。また、金属粒界相で結合するサー
メット構造は硬度の低下を招いてしまう。このように単
一の材料では他の特性を犠牲にせず靱性を向上させるこ
とは非常に困難であった。
の試みがなされてきたが、その一つとして部分安定化Ｚ
ｒＯ2 に代表される分散相の相変態に伴う体積膨張を利
用し、亀裂先端に圧縮応力をかけて亀裂の進展を防止す
るものがある。しかし、この方法では温度の上昇に伴っ
て応力をかける前に相変態が起こってしまい、強靱化の
機構が消えてしまう。また、金属粒界相で結合するサー
メット構造は硬度の低下を招いてしまう。このように単
一の材料では他の特性を犠牲にせず靱性を向上させるこ
とは非常に困難であった。
【０００４】また、特開昭62-156938 号，特開平4-3194
35号公報に示されるように、強靱材料との接合による強
化が試みられており、高温環境下での接合部に発生する
熱応力を緩和するために傾斜組成構造を中間層とするこ
とも提案されている。
35号公報に示されるように、強靱材料との接合による強
化が試みられており、高温環境下での接合部に発生する
熱応力を緩和するために傾斜組成構造を中間層とするこ
とも提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、これらのセラ
ミック粉末と金属粉末の多層体の焼結は高温下で長時間
を要するのが一般的である。しかもセラミックの焼結温
度は金属の融点より高いことが多く、焼結中に金属が溶
融しセラミックの粒子間に移動したり、界面に脆い金属
間化合物を生じたり、低温焼結可能層では高温のために
粒成長を生じる。このため目的とする構造が得られなか
ったり、得られたとしても特性が低下して信頼性が低い
ものとなっていた。また、これらの熱膨張率の異なる層
の接合体は焼結冷却時の残留応力により厚み方向への反
りが大きかった。さらに従来の構造では熱応力の緩和や
中身材料の特性に依存した強度向上しか期待できなかっ
た。
ミック粉末と金属粉末の多層体の焼結は高温下で長時間
を要するのが一般的である。しかもセラミックの焼結温
度は金属の融点より高いことが多く、焼結中に金属が溶
融しセラミックの粒子間に移動したり、界面に脆い金属
間化合物を生じたり、低温焼結可能層では高温のために
粒成長を生じる。このため目的とする構造が得られなか
ったり、得られたとしても特性が低下して信頼性が低い
ものとなっていた。また、これらの熱膨張率の異なる層
の接合体は焼結冷却時の残留応力により厚み方向への反
りが大きかった。さらに従来の構造では熱応力の緩和や
中身材料の特性に依存した強度向上しか期待できなかっ
た。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明者らはこのような
問題に鑑み種々の検討を行った結果、加圧窒素雰囲気中
で金属珪素粉末と窒素に化学的連鎖反応を生ぜしめ、こ
の反応熱と窒素圧力を利用すれば、鉄族金属、セラミッ
クス焼結体、または周期律表IIIa,IVa,Va,VIa族の金属
とＣ，Ｎ，Ｏ，Ｂとの化合物の１種以上を硬質相とし鉄
族金属を結合相としたサーメットのいずれかで構成され
た2種以上の複数層が瞬時に一体焼結可能であることを
見いだした。また、この焼結体の最外層を構成する物質
の破壊靱性が、該物質単体の破壊靱性よりも大きいこと
や同物質に圧縮残留応力がかかっていること、さらには
焼結体の各層が最外層から内部に向かって傾斜組織をな
していることにより高強度で変形のない材料が得られる
ことも見いだした。
問題に鑑み種々の検討を行った結果、加圧窒素雰囲気中
で金属珪素粉末と窒素に化学的連鎖反応を生ぜしめ、こ
の反応熱と窒素圧力を利用すれば、鉄族金属、セラミッ
クス焼結体、または周期律表IIIa,IVa,Va,VIa族の金属
とＣ，Ｎ，Ｏ，Ｂとの化合物の１種以上を硬質相とし鉄
族金属を結合相としたサーメットのいずれかで構成され
た2種以上の複数層が瞬時に一体焼結可能であることを
見いだした。また、この焼結体の最外層を構成する物質
の破壊靱性が、該物質単体の破壊靱性よりも大きいこと
や同物質に圧縮残留応力がかかっていること、さらには
焼結体の各層が最外層から内部に向かって傾斜組織をな
していることにより高強度で変形のない材料が得られる
ことも見いだした。
【０００７】
【作用】珪素は３ＭＰａ以上の窒素圧力下で連鎖的に窒
化燃焼して窒化珪素になる。理論的な断熱燃焼温度は生
成する窒化珪素の分解温度に規定され、例えば１００Ｍ
Ｐａの窒素圧下では約２５００℃になる。この反応熱に
よって融点の異なる積層構造体を瞬時に焼結・緻密化
し、従来の焼結体で問題であった層間の成分の拡散を低
減し、粒成長を抑制し、健全な界面を得ることができ
る。
化燃焼して窒化珪素になる。理論的な断熱燃焼温度は生
成する窒化珪素の分解温度に規定され、例えば１００Ｍ
Ｐａの窒素圧下では約２５００℃になる。この反応熱に
よって融点の異なる積層構造体を瞬時に焼結・緻密化
し、従来の焼結体で問題であった層間の成分の拡散を低
減し、粒成長を抑制し、健全な界面を得ることができ
る。
【０００８】また、驚くべきことに本プロセスを用いる
と表面層に従来法では得られなかった大きな残留応力
（層間の熱膨張率差による理論値を越える）が生じ、こ
のため硬度や破壊靱性、特に破壊靱性が向上することを
見いだした。これらの理由は明らかではないが、焼結に
伴う収縮が瞬時に起こるため、この収縮率差により層間
に応力が発生するものではないかと推察している。ま
た、この効果は中間層にＣｒ3 Ｃ2 を配すると顕著であ
る。
と表面層に従来法では得られなかった大きな残留応力
（層間の熱膨張率差による理論値を越える）が生じ、こ
のため硬度や破壊靱性、特に破壊靱性が向上することを
見いだした。これらの理由は明らかではないが、焼結に
伴う収縮が瞬時に起こるため、この収縮率差により層間
に応力が発生するものではないかと推察している。ま
た、この効果は中間層にＣｒ3 Ｃ2 を配すると顕著であ
る。
【０００９】また、このように残留応力を持った接合材
は設計が不十分であるとひび割れや変形を起こすことも
多い。積層構造を対称に傾斜することで内部応力のバラ
ンスがとれ変形が防げる。この構造をもつ材料を切削工
具として使用する場合、組成的に対称な積層構造をと
り、最外層がＡｌ2 Ｏ3 を３０％以上含み、最外層から
内層へ向けてＡｌ2Ｏ3 が漸次減少し、中心層ではＡｌ2
Ｏ3 を実質的に含まず、逆に中心層にＦｅ族金属を２
０％以上含み、外層に向けてＦｅ族金属が漸次減少し、
最外層では実質的にＦｅを含まず、また少なくとも最外
層と中心層を除く中間層にＴｉ及び／又はＣｒのＣ，
Ｎ，Ｏ化合物が３０％以上含まれているのが好ましい。
は設計が不十分であるとひび割れや変形を起こすことも
多い。積層構造を対称に傾斜することで内部応力のバラ
ンスがとれ変形が防げる。この構造をもつ材料を切削工
具として使用する場合、組成的に対称な積層構造をと
り、最外層がＡｌ2 Ｏ3 を３０％以上含み、最外層から
内層へ向けてＡｌ2Ｏ3 が漸次減少し、中心層ではＡｌ2
Ｏ3 を実質的に含まず、逆に中心層にＦｅ族金属を２
０％以上含み、外層に向けてＦｅ族金属が漸次減少し、
最外層では実質的にＦｅを含まず、また少なくとも最外
層と中心層を除く中間層にＴｉ及び／又はＣｒのＣ，
Ｎ，Ｏ化合物が３０％以上含まれているのが好ましい。
【００１０】
（実施例１）市販のＴｉＣ粉（平均粒径１．５μｍ）Ａ
ｌ2 Ｏ3 粉（平均粒径０．５μｍ）Ｃｒ3 Ｃ2 （平均粒
径２．０μｍ）とＮｉ粉（平均粒径１．０μｍ）を用い
て、これら粉末を所定の割合に秤量後、回転式ボールミ
ルにより２４時間湿式混合した後乾燥した。次に、表１
に示す組成で図１に示す構造に２５ＭＰａの圧力で金型
成形した後、２００ＭＰａでＣＩＰ成形し、ガラスカプ
セルに真空封入した。これをカーボン坩堝に入れ、燃焼
剤としてＳｉ（平均粒径８μｍ）粉末を４０ｇ充填後、
燃焼剤の上下に点火用ペレット（Ｆｅ2 Ｏ3 −Ａｌ）を
配置し、全体をＨＩＰ装置の高圧容器中に置いた。
ｌ2 Ｏ3 粉（平均粒径０．５μｍ）Ｃｒ3 Ｃ2 （平均粒
径２．０μｍ）とＮｉ粉（平均粒径１．０μｍ）を用い
て、これら粉末を所定の割合に秤量後、回転式ボールミ
ルにより２４時間湿式混合した後乾燥した。次に、表１
に示す組成で図１に示す構造に２５ＭＰａの圧力で金型
成形した後、２００ＭＰａでＣＩＰ成形し、ガラスカプ
セルに真空封入した。これをカーボン坩堝に入れ、燃焼
剤としてＳｉ（平均粒径８μｍ）粉末を４０ｇ充填後、
燃焼剤の上下に点火用ペレット（Ｆｅ2 Ｏ3 −Ａｌ）を
配置し、全体をＨＩＰ装置の高圧容器中に置いた。
【００１１】
【表１】
【００１２】７８０℃まで昇温しガラスカプセルを軟化
させ、１００ＭＰａまでＮ2 ガスを導入後、引き続いて
１１５０℃まで昇温し３０分保持した。約９５０℃でペ
レットが着火しＳｉの窒化を励起した。得られた焼結体
は反りやひび割れがなく十分緻密化していた。得られた
焼結体について表面層のビッカース硬度，破壊靱性（Ｋ
1c），曲げ強度及び圧縮残留応力を測定した。これらの
結果をまとめて表１に示す。Ａｌ2 Ｏ3 には０．５％の
ＭｇＯを焼結助剤として添加した（表中では省略）。
させ、１００ＭＰａまでＮ2 ガスを導入後、引き続いて
１１５０℃まで昇温し３０分保持した。約９５０℃でペ
レットが着火しＳｉの窒化を励起した。得られた焼結体
は反りやひび割れがなく十分緻密化していた。得られた
焼結体について表面層のビッカース硬度，破壊靱性（Ｋ
1c），曲げ強度及び圧縮残留応力を測定した。これらの
結果をまとめて表１に示す。Ａｌ2 Ｏ3 には０．５％の
ＭｇＯを焼結助剤として添加した（表中では省略）。
【００１３】得られた焼結体は焼結中の成分拡散により
隣接層成分を含み、成分が連続的に傾斜した構造となっ
ている。この層間の成分拡散は表面のセラミックス層で
は非常に小さいが、内部の金属を含む層間では約１〜３
０％程度の隣接成分を含むことがある。
隣接層成分を含み、成分が連続的に傾斜した構造となっ
ている。この層間の成分拡散は表面のセラミックス層で
は非常に小さいが、内部の金属を含む層間では約１〜３
０％程度の隣接成分を含むことがある。
【００１４】また、比較として同様の粉末を用いてホッ
トプレスにより作製した焼結体の特性をＮｏ７〜９に併
せて示す。これにより本発明品の特性の向上が顕著であ
ることがわかる。
トプレスにより作製した焼結体の特性をＮｏ７〜９に併
せて示す。これにより本発明品の特性の向上が顕著であ
ることがわかる。
【００１５】（実施例２）表１に示す各試料より１２．
７×１２．７ｍｍを切り出し、切削工具JIS SNGN120408
を作製した。これらを表２に示す条件にて切削試験を実
施した。その結果を表３に示す。本発明品は耐摩耗性や
欠損に強く、亀裂本数も少ないことがわかる。
７×１２．７ｍｍを切り出し、切削工具JIS SNGN120408
を作製した。これらを表２に示す条件にて切削試験を実
施した。その結果を表３に示す。本発明品は耐摩耗性や
欠損に強く、亀裂本数も少ないことがわかる。
【００１６】
【表２】
【００１７】
【表３】
【００１８】 （実施例３）
実施例１と同様にして表４に示す組成と構造のサンプル
を試作した（Ｎｏ１１〜１６）。Ｃｒ3Ｃ2中間層は残留
応力とＫ1cの向上効果が顕著に表れている。また、各層
の厚みが変化しても本発明の効果は維持される。さらに
組成が対称構造であり、層の厚さが非対称構造でもＮｏ
１４は殆ど反りは認められず、参考例Ｎｏ１６で約０．
２ｍｍの反りが発生していた。これらを実施例２と同様
に加工し表２に示す条件にて切削試験を行った結果を表
６に示す。実施例２と同様に本発明品は耐摩耗性や欠損
に強く亀裂本数も少ないことがわかる。
を試作した（Ｎｏ１１〜１６）。Ｃｒ3Ｃ2中間層は残留
応力とＫ1cの向上効果が顕著に表れている。また、各層
の厚みが変化しても本発明の効果は維持される。さらに
組成が対称構造であり、層の厚さが非対称構造でもＮｏ
１４は殆ど反りは認められず、参考例Ｎｏ１６で約０．
２ｍｍの反りが発生していた。これらを実施例２と同様
に加工し表２に示す条件にて切削試験を行った結果を表
６に示す。実施例２と同様に本発明品は耐摩耗性や欠損
に強く亀裂本数も少ないことがわかる。
【００１９】
【表４】
【００２０】（実施例４）実施例１と同様にして粉末を
作製し、これを図２に示す３次元構造に湿式法を用いて
積層し、２００ＭＰでＣＩＰ成形し、実施例１と同様に
焼結し表５に示すサンプルを作製した（Ｎｏ１７〜１
８）。また、これらを実施例２と同様に加工し、表２に
示す条件にて切削試験を行った結果を表６に示す。実施
例２と同様に本発明品は耐摩耗性や欠損に強く亀裂本数
も少ないことがわかる。
作製し、これを図２に示す３次元構造に湿式法を用いて
積層し、２００ＭＰでＣＩＰ成形し、実施例１と同様に
焼結し表５に示すサンプルを作製した（Ｎｏ１７〜１
８）。また、これらを実施例２と同様に加工し、表２に
示す条件にて切削試験を行った結果を表６に示す。実施
例２と同様に本発明品は耐摩耗性や欠損に強く亀裂本数
も少ないことがわかる。
【００２１】
【表５】
【００２２】
【表６】
【００２３】上記実施例においては、燃焼剤として最も
効果的と思われるＳｉ粉末を用い、その窒化反応熱によ
って焼結することについて示したが、同様に発熱反応を
生じるＴｉＢ2 ，ＴｉＣ，ＳｉＣ，ＮｂＣ，ＡｌＮ，Ｔ
ｉＮ，ＮｂＮ，ＴｉＡｌ，ＴｉＮｉ，ＭｏＳｉ2 の合成
を利用してもよい。また、実施例１においては燃焼剤中
に着火剤を埋めて点火させる方法について示したが、燃
焼剤中には着火ヒータを挿入し、密封封入容器外部から
の通電により任意の温度で着火することもできる。
効果的と思われるＳｉ粉末を用い、その窒化反応熱によ
って焼結することについて示したが、同様に発熱反応を
生じるＴｉＢ2 ，ＴｉＣ，ＳｉＣ，ＮｂＣ，ＡｌＮ，Ｔ
ｉＮ，ＮｂＮ，ＴｉＡｌ，ＴｉＮｉ，ＭｏＳｉ2 の合成
を利用してもよい。また、実施例１においては燃焼剤中
に着火剤を埋めて点火させる方法について示したが、燃
焼剤中には着火ヒータを挿入し、密封封入容器外部から
の通電により任意の温度で着火することもできる。
【００２４】
【発明の効果】本発明の方法によれば複数層の圧粉体が
瞬間的に同時に一体焼結されるので、層間の成分拡散が
低減され、粒成長も抑制されて健全な界面の積層焼結体
を得ることができる。しかもその表面層は圧縮残留応力
に基づく高い硬度と破壊靱性を有する。従って、例えば
切削工具の刃先は熱的，機械的に苛酷な条件にさらさ
れ、高硬度のセラミックを使用しても熱亀裂を生じてそ
こから破壊するが、本発明による焼結体を用いれば、亀
裂の発生を抑え、仮に発生しても破壊に至らせない効果
を有する。
瞬間的に同時に一体焼結されるので、層間の成分拡散が
低減され、粒成長も抑制されて健全な界面の積層焼結体
を得ることができる。しかもその表面層は圧縮残留応力
に基づく高い硬度と破壊靱性を有する。従って、例えば
切削工具の刃先は熱的，機械的に苛酷な条件にさらさ
れ、高硬度のセラミックを使用しても熱亀裂を生じてそ
こから破壊するが、本発明による焼結体を用いれば、亀
裂の発生を抑え、仮に発生しても破壊に至らせない効果
を有する。
【図１】実施例１における焼結体の構造を示す斜視図で
ある。
ある。
【図２】実施例４における焼結体の構造を示す一部切欠
斜視図である。
斜視図である。
１ 第１層
２ 第２層
３ 第３層
４ 第４層
５ 第５層
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平２−233562（ＪＰ，Ａ)
特開 昭62−156938（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−319435（ＪＰ，Ａ)
特開 平３−202404（ＪＰ，Ａ)
特開 平３−202403（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
B32B 1/00 - 35/00
C04B 35/00 - 35/84
C04B 37/00 - 37/04
Claims (9)
- 【請求項１】 2種以上の層を積層してなる積層構造の
焼結体であって、 前記各層は、鉄族金属，セラミックス焼結体，または周
期律表IIIa,IVa,Va,VIa族の金属とＣ，Ｎ，Ｏ，Ｂとの
化合物の１種以上を硬質相とし鉄族金属を結合相とした
サーメットのいずれかで構成され、 セラミックス焼結体からなる層と、鉄族金属を含む層と
を具え、 焼結体の積層をなす複数層の各物質は、表裏両面より互
いに対称に構成されてなり、最外層は、セラミックス焼結体からなり、 前記焼結体は、加圧窒素雰囲気中で金属珪素粉末と窒素
を化学的連鎖反応させ、この反応熱により焼結されてな
ることを特徴とする積層構造焼結体。 - 【請求項２】 焼結体の最外層を構成する物質の破壊靱
性は、該物質単体の破壊靱性より大きな値を示すことを
特徴とする請求項１記載の積層構造焼結体。 - 【請求項３】 焼結体の最外層を構成する物質に圧縮残
留応力がかかっていることを特徴とする請求項１または
２記載の積層構造焼結体。 - 【請求項４】 焼結体の各層が最外層から内部に向かっ
て傾斜組織をなしていることを特徴とする請求項１〜３
のいずれかに記載の積層構造焼結体。 - 【請求項５】 切削工具用材料として用いられることを
特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の積層構造焼
結体。 - 【請求項６】 鉄族金属の粉末， セラミックス粉末， 周期律表IIIa,IVa,Va,VIa族の金属とＣ，Ｎ，Ｏ，Ｂと
の化合物の１種以上からなる粉末と鉄族金属の粉末とを
混合した粉末よりなる群から選択された２種以上の粉末
を積層して充填し、 これを加圧窒素雰囲気中に装填して、該雰囲気中で金属
珪素粉末と窒素を化学的連鎖反応させ、この反応熱によ
り焼結し、 前記積層は、セラミックス粉末からなる層と、鉄族金属
粉末を含む層とを具え、最外層がセラミックス粉末から
なる層とすると共に、焼結体の表裏両面より互いに対称
に構成されるように行うことを特徴とする積層構造焼結
体の製造方法。 - 【請求項７】 積層して充填した粉末を予備プレスして
カプセルに封入し、着火剤と共に金属珪素粉末中に埋
め、窒素封入容器内にセットし温度を上昇させ着火剤の
自然発熱を利用して、金属珪素粉末と窒素を化学的連鎖
反応させることを特徴とする請求項６記載の積層構造焼
結体の製造方法。 - 【請求項８】 積層して充填した粉末を予備プレスして
カプセルに封入し、これを金属珪素粉末中に埋め、窒素
封入容器内にセットし、金属珪素粉末中に着火ヒータを
挿入し、窒素封入容器外部からの通電により任意の温度
で金属珪素粉末と窒素を化学的連鎖反応させることを特
徴とする請求項６記載の積層構造焼結体の製造方法。 - 【請求項９】 加圧窒素雰囲気において窒素圧力は、３
ＭＰａ以上とすることを特徴とする請求項６〜８のいず
れかに記載の積層構造焼結体の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30751293A JP3487886B2 (ja) | 1993-11-12 | 1993-11-12 | 積層構造焼結体及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30751293A JP3487886B2 (ja) | 1993-11-12 | 1993-11-12 | 積層構造焼結体及びその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07137199A JPH07137199A (ja) | 1995-05-30 |
| JP3487886B2 true JP3487886B2 (ja) | 2004-01-19 |
Family
ID=17969974
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP30751293A Expired - Fee Related JP3487886B2 (ja) | 1993-11-12 | 1993-11-12 | 積層構造焼結体及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3487886B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102006005379B4 (de) * | 2006-02-03 | 2015-02-12 | Kennametal Inc. | Kombinationswerkzeug und Verfahren zur spanenden Bearbeitung eines Bohrlochs und dessen Bohrungsoberfläche |
| JP4936261B2 (ja) | 2010-08-31 | 2012-05-23 | 美濃窯業株式会社 | 炭化ホウ素含有セラミックス接合体及び該接合体の製造方法 |
| WO2013129513A1 (ja) | 2012-02-28 | 2013-09-06 | 美濃窯業株式会社 | 衝撃吸収部材及びその製造方法 |
-
1993
- 1993-11-12 JP JP30751293A patent/JP3487886B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
| JPH07137199A (ja) | 1995-05-30 |
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