JP3697543B2

JP3697543B2 - セラミックスの表面強靱化方法及びセラミックス製品

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Publication number: JP3697543B2
Application number: JP2002300765A
Authority: JP
Inventors: 公恭坂; 元振文; 内村　　勝次; 俊朗伊藤
Original assignee: Sintokogio Ltd; Nagoya University NUC; Japan Science and Technology Agency; Tokai National Higher Education and Research System NUC; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Sintokogio Ltd; Nagoya University NUC; Japan Science and Technology Agency; Tokai National Higher Education and Research System NUC; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2002-10-15
Filing date: 2002-10-15
Publication date: 2005-09-21
Anticipated expiration: 2022-10-15
Also published as: DE60328220D1; EP1570953A4; TW200417532A; EP1570953B1; CN1713968A; EP1570953A1; WO2004035266A1; US20060293165A1; KR20060030009A; KR101073734B1; JP2004136372A; TWI256381B

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックス製品を前記セラミックス製品の硬度以下の表面が凸曲面の、換言すればエッジを有しない微粒子からなる噴射材を用いて、常温の塑性加工（ショットブラスト処理）によって、製品表面近傍に均一に分布した直線状の転位組織を形成させて前記セラミックス製品の表面を強靱化する方法、特に塑性加工（ショットブラスト処理）後の熱処理を要することなく前記セラミックス製品を塑性加工のみで表面を強靱化する方法、および製品表面に均一に分布した直線状の転位組織を形成させたことを特徴とする表面強靱化セラミックス製品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
セラミックス製品は、熱安定性、高温強度、高硬度、高弾性率、絶縁性、圧電性、耐腐食性などに優れているので、多くの分野で利用されている。しかしながら、セラミックスは硬くて脆いという欠点があるために、前記特性を生かして利用されている製品分野、具体的にはガスタービン、自動車などの熱機関用の部品、バネ、歯車など機械構造用要素部品、さらには、シリコンウエハ、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）、サファイヤなど単結晶素材、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）など多結晶素材を用いたセンサー、アクチュエータ素子、マイクロマシン部品などにおいて、実用上では製品寿命や機械的信頼性が金属と比較すると極めて劣っていることが課題となっている。
【０００３】
【特許文献１】
ＷＯ０２／２４６０５Ａ１（特に第８頁〜第１９頁の実施例参照）
【非特許文献１】
W.-J.MOON. and H.SAKA. PHILOSOPHICAL MAGAZINE LETTERS,2000,VOL.80,NO.7,461-466
【０００４】
ところで、結晶材料に変形と共に結晶内に転位などの格子欠陥を蓄積させる加工硬化は、結晶材料の最も一般的な強靱化方法である。しかしながら、前記強靱化方法は、塑性変形によって転位などの格子欠陥を大量に結晶材料中に導入することが可能な金属材料のような延性材料では広く利用できるけれども、脆性材料では塑性変形が不可であると考えられていた。近年、坂公恭、文元振らは、脆性結晶材料の新規な表面強靱化方法として、脆性結晶材料表面に室温において圧子等を用いて溝幅０．００１〜１μｍの微細圧痕を５００〜１０，０００個／ｍｍ^２の密度で打ち込んだ後、０．５Ｔ_Ｍ（但し、Ｔ_Ｍは融点の絶対温度）以上Ｔ_Ｍ未満の雰囲気中で前記圧痕が実質的に消失すると同時に転位亜粒界を導入する方法を初期に開発した（非特許文献１）。また、更に、坂公恭、内村勝次、森光英樹らは、前記初期の技術に対して、熱処理前の工程を塑性加工（ショットブラスト処理）の技術を用いて行う改良技術を提案している（特許文献１）。
【０００５】
しかしながら、前記何れの技術も、表面組織の塑性加工（ショットブラスト処理）と前記加工後の熱処理が必須であり、２工程の処理の組み合わせが必須である。したがって、処理工程の管理を両者の組み合わせとの関連で行わなければならないという複雑さと、かなり高い温度に加熱する必要があることによる、前記加熱による製品寸法の変化、特性の変化といった、製品の安定性、信頼性の面での問題、およびエネルギー消費の問題などがあることから技術的改善が残されていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、前記従来技術の欠点を取り除いた、セラミックス製品の表面強靱化方法を提供することであり、更には、熱処理を要しない表面強靱化方法により得られる特有の特性を持つセラミックス製品を提供することである。前記課題を解決するために、本発明者らは、従来の塑性加工（ショットブラスト処理）に使用される、噴射材のＨＶ硬度、形状、塑性加工（ショットブラスト処理）条件などの多くのファクターを変えた膨大な試行錯誤の実験の中から、驚くべきことに、従来の熱処理を要することなく、被処理セラミックス製品に微細亀裂を発生させることなく表面強靱化をもたらす均一に分布した直線状の転位のみを導入できることを見出した。また、本発明の表面強靱化方法によりセラミックス製品の表面に形成される透過電子顕微鏡観察による組織は、前記従来技術の塑性加工（ショットブラスト処理）と熱処理により形成される透過電子顕微鏡観察による組織とは全く異なることが分かった。前記発見により本発明の課題を解決することができた。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１は、セラミックス製品に、ビッカース硬度（ＨＶ）５００以上で前記セラミックス製品の硬度＋５０（ＨＶ）以下の平均粒子サイズ０．１μｍ〜２５０μｍの表面が凸曲面の微粒子からなる噴射材を用いて、前記セラミックス製品の表面に均一に分布した直線状の転位組織を形成させる常温塑性加工をすることを特徴とする前記セラミックス製品の表面強靱化方法である。好ましくは、塑性加工を噴射圧０．１〜０．５ＭＰａ、噴射速度２０ｍ／ｓｅｃ〜２５０ｍ／ｓｅｃ、噴射量５０ｇ／分〜８００ｇ／分、噴射時間０．１秒/ｃｍ^２以上６０秒/ｃｍ^２以下で行うことを特徴とする前記セラミックス製品の表面強靱化方法であり、より好ましくは、セラミックス製品の表面に存在する均一に分布した直線状の転位の転位密度が、１×１０^４〜９×１０^１３ｃｍ^−２の範囲となることを特徴とする前記各セラミックス製品の表面強靱化方法である。なお、ここで言うところの常温塑性加工とは、塑性加工を実施する環境が常温下であることを指しているだけで、塑性加工後の製品表面は噴射材の運動エネルギーの一部を得て、微視的には常温以上に昇温している。
【０００８】
本発明の第２は、セラミックス製品の表面に均一に分布した直線状の転位の転位密度が１×１０^４〜９×１０^１３ｃｍ^−２の組織を有することを特徴とするセラミックス製品である。
【０００９】
【本発明の実施の態様】
本発明をより詳細に説明する。
【００１０】
第１図は本発明の常温塑性加工を実現する噴射処理を行うための装置で、微粒子の定量供給により加工精度の安定化が可能な新東ブレーター（株）製マイクロブラスターＭＢＩ型装置（ノズル径：８φｍｍ、噴射距離：１５０ｍｍ）の概念図である。
本発明での塑性加工（ショットブラスト処理）は、被処理セラミックス製品の表面に疵をつけない様に、また、噴射処理に使用する微粒子の表面形状、前記粒子の被処理セラミックス製品を構成するセラミックスの硬度に対する相対値が前記従来の技術とは異なる。前記相違との関連でもたらされる、前記被処理セラミックス製品の表面に形成されるセラミックスの組織が従来の塑性加工と熱処理により形成されるセラミックスの組織とは顕著な相違が見られることから、本発明の塑性加工は機能的には「表面強靱化組織形成噴射処理」と言うことができる。
噴射材微粒子の硬度について、セラミックス製品のビッカース硬度＋５０（ＨＶ）以下とした上限の限定はチッピングの発生などの不都合が起こらない範囲を限定するものである。
【００１１】
被処理セラミックス製品により異なる塑性加工噴射材は、図１では板状セラミックス製品４であるからＸ−Ｙ方向に移動可能なテーブル５からなる製品保持部材により保持された被処理セラミックス製品に向けて、噴射ノズル３から噴射圧、塑性加工噴射材の噴射量Ｂなどを制御して噴射される。噴射ノズルをＸ−Ｙ方向に移動可能としても同様の効果が得られる。使用された塑性加工噴射材は回収装置７により回収され、劣化したブラスト材と分離され、再使用される。
噴射材は、気体と共にまたは液体ホーニングのように液体と共に噴射することができる。
噴射速度２０ｍ/sec〜２５０ｍ/secの限定は、噴射加工を破壊靱性値の測定時の条件の、噴射材を試料表面に垂直に噴射するときの条件である。また、噴射速度の下限は塑性加工（ショットブラスト）処理の作業性の観点からの限定であり、上限はチッピングの発生などの不都合が起こらない範囲を限定するものである。
【００１２】
本発明で使用される塑性加工噴射材は、被処理セラミックス製品の硬度以下である、被処理セラミックス製品の表面に疵をつけず、過度に摩耗させない凸曲面の、エッジを有しない微粒子が好ましい。さらには、微粒子は球形であることが好ましい。
塑性加工噴射材の粒径も被処理セラミックス製品の破壊靱性値Ｋ_ＩＣの向上に関連する重要なファクターである。また、粒径は小さいほど表面形状が複雑なセラミックス製品の本発明の塑性加工による処理が容易になる。
【００１３】
前記機能的には表面強靱化組織形成塑性加工である塑性加工噴射処理は、塑性加工噴射材のサイズ、硬度、噴射圧、噴射量、又はこれらの組み合わせを変えた２以上の工程とする変形も可能であり、被加工セラミック製品に要求され特性を考慮して設計することが好ましい。
【００１４】
本発明の強靱化加工法により製造された強靱化セラミックス製品の特性を調べるのに用いられた測定機器などを説明する。
ａ．転位密度およびその組織：ＴＥＭ観察用の薄膜試料は集束イオンビーム装置（ＨｉｔａｃｈｉＦ−２０００）で作製し、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、日本電子（株）製ＪＥＯＬ−２００ＣＸ（加速電圧２００ｋＶ）により組織観察を行った。転位密度は、単位体積あたりの転位の長さを求めることによって得られ、具体的には、（１）薄膜試料の厚さを測定、（２）転位密度を測定する場所のＴＥＭ観察像を得る、（３）ＴＥＭ観察像から単位面積に含まれる転位の長さを測定する、という過程を経て転位密度を測定した。
ｂ．破壊靭性値の測定；JIS R 1607に記載の破壊靱性試験法（ＩＦ法）により、破壊靭性値を測定した。
試験片は、先ず表面粗さ０．２Ｓ以下となるように＃６００，＃１０００，＃３０００のダイヤ研磨紙、さらに１μアルミナ懸濁液で順次研磨処理した。
ビッカース硬度計を使用し、押し込み荷重条件を試験片材質の種類により最適値、１００ｇｆ、２００ｇｆ、３００ｇｆ、５００ｇｆ、５ｋｇｆ、及び１０ｋｇｆの条件から選択した。荷重保持時間は１５ｓｅｃとした。
圧痕長さと圧痕４角から発生する亀裂長さ（２ｃ、単位ｍ）を測定することによって破壊靭性値を、下記の計算式により算出した。
Ｋ_ＩＣ＝０．０１８（Ｅ／ＨＶ）^１／２（Ｐ／ｃ^３／２）
ここで、Ｋ_ＩＣは破壊靭性値（ＭＰａ・ｍ^１／２）、Ｅはヤング率（Ｐａ）、ＨＶはビッカース強度（Ｐａ）、Ｐは押込み荷重（Ｎ）、ｃは亀裂長さの半分（ｍ）である。
【００１５】
【実施例】
ここでの説明は、本発明をより理解し易くするだけの目的であり、本発明を限定的に解釈するためのものではない。
実施例１〜４、比較例１
被処理セラミックス製品としては、硬さ１３７０ＨＶ，曲げ強度１１１５ＭＰａであるファインセラミックスセンター製リファセラム、幅４ｍｍ×長さ４０ｍｍ×厚さ３ｍｍの板状窒化珪素からなるもの（窒化珪素Ａという）を用いた。
塑性加工（ショットブラスト）は、試料表面に厚み方向から垂直に噴射加工を行い、ＴＥＭ観察による転位密度の測定及び破壊靱性値を測定した。表１に塑性加工（ショットブラスト）条件及び処理前後の窒化珪素Ａの品質特性結果を示す。
勿論実際の塑性加工（ショットブラスト）においては製品の表面に対して傾斜をもって噴射加工を行っても良いし、製品の表面形状との関連で噴射角度を選択できる。傾斜をもって噴射加工する場合には、被加工表面に対する塑性加工（ショットブラスト）の効果は、被加工面に対して垂直成分が発揮するから、噴射力など塑性加工（ショットブラスト）条件を傾斜した分だけ調整することが必要になる。
【００１６】
【表１】

【００１７】
表１の結果から、本発明処理品（実施例１〜４）の破壊靭性値は、常温の塑性加工（ショットブラスト）後に試料表面に形成される転位密度にほぼ比例し改善されることがわかる（比較例１との対比）。特に、窒化ケイ素Ａ供試材実施例３および窒化ケイ素Ａ供試材実施例４の破壊靭性値の改善率向上は特に顕著である。供試材実施例３では２．４倍の破壊靭性値の改善率となり、さらに実施例４では、試料表面にダイヤモンド圧子を打込んだ後、その圧痕４角から発生するはずのクラックが認められず、その結果、前記破壊靭性値の算出式に代入すべきｃ（亀裂長さの半分）が零となり、破壊靭性値が計算上無限大となるほどの強靱化が達成されている。このような顕著な破壊靱性値の改善は全く予想できなかったことであり、今回開発した強靱化方法が如何に革新的かを示すものである。また、本発明処理品は、試料表面に形成される転位密度が大きくなるにつれて高硬度化することが認められる。
【００１８】
実施例５〜１０、比較例２
被処理セラミックス製品としては、硬さ１３８０ＨＶ，曲げ強度１１００ＭＰａの日本特殊陶業製の１３ｍｍ×１３ｍｍ×５ｍｍ、板状窒化珪素（窒化珪素Ｂ）を用いた。塑性加工（ショットブラスト）は、試料表面に厚み方向から垂直に噴射加工を行い、ＴＥＭ観察による転位密度の測定及び破壊靱性値を測定した。表２に塑性加工（ショットブラスト）条件及び処理前後の窒化珪素Ｂの品質特性結果を示す。
【００１９】
【表２】

【００２０】
表２の結果より、本発明処理品の破壊靭性値は、窒化ケイ素Ａ材の試験結果と同様、常温のショットブラスト処理後に試料表面に形成される転位密度にほぼ比例し改善されることがわかる。なお、ショットブラスト処理後の試料表面に非常に高い転位密度が形成されている供試材実施例９は、試料表面にチッピングが生じ、破壊靭性値の測定は不可能であった。これは、転位の数が多くなると転位間の反応のため亀裂が発生し、ショットブラスト時にチッピングが生じやすくなったためと考えられる。
【００２１】
実施例１１〜１４，比較例３
被処理セラミックス製品としては、硬さ１０９０ＨＶの電気化学工業製の幅７ｍｍ×長さ２０ｍｍ×厚さ０．６ｍｍ板状窒化アルミからなるものを用いた。
塑性加工（ショットブラスト）は、試料表面に厚み方向から垂直に噴射加工を行い、ＴＥＭ観察による転位密度の測定及び破壊靱性値を測定した。表３に塑性加工（ショットブラスト）条件及び処理前後の窒化アルミの品質特性結果を示す。
【００２２】
【表３】

【００２３】
表３の結果より、本発明処理品の破壊靭性値は、窒化ケイ素Ａ材、Ｂ材の試験結果と同様、常温のショットブラスト処理後に試料表面に形成される転位密度にほぼ比例し改善されることがわかる。なお、供試材実施例１４は、窒化ケイ素Ｂ供試材実施例９と同様、ショットブラスト処理後の試料表面に非常に高い転位密度が形成されて試料表面にチッピングが生じ、破壊靭性値の測定が不可能であった。これは、転位の数が多くなると転位間の反応のため亀裂が発生し、ショットブラスト時にチッピングが生じやすくなったためと考えられる。
【００２４】
実施例１５〜１７、比較例４
被処理セラミックス製品としては、アルミナ、Ａｌ_２Ｏ_３：９９．５％の新東ブィセラックス(株)製の１０ｍｍ×１０ｍｍ×５ｍｍの板状アルミナからなるものを用いた。塑性加工（ショットブラスト）は、試料表面に厚み方向から垂直に噴射加工を行い、ＴＥＭ観察による転位密度の測定及び破壊靱性値を測定した。表４に塑性加工（ショットブラスト）条件及び処理前後のアルミナの品質特性結果を示す。
【００２５】
【表４】

【００２６】
表４の結果より、本発明処理品の破壊靭性値は、上記の試験結果と同様、常温のショットブラスト処理後に試料表面に形成される転位密度にほぼ比例し改善されることがわかる。特に、アルミナ供試材実施例１７の破壊靭性値は１０．９２で、これは、靭性が高いと認識されている窒化ケイ素の破壊靭性値５〜９を超えるという、驚くべき強靭化効果が達成されている。
【００２７】
実施例１８〜２２、比較例５
被処理セラミックス製品としては、硬さ１６３０ＨＶのＭＴＩ Corporation製の幅１０ｍｍ×長さ１０ｍｍ×厚さ１．０ｍｍの単結晶アルミナからなるものを用いた。塑性加工（ショットブラスト）は、試料表面に厚み方向から垂直に噴射加工を行い、ＴＥＭ観察による転位密度の測定及び破壊靱性値を測定した。表５に塑性加工（ショットブラスト）条件及び処理前後の単結晶アルミナの品質特性結果を示す。また、本発明処理後の透過電子顕微鏡写真像を、組織の拡大図と共に示す。図２の拡大図（Ｂ）には、横方向に伸びた転位組織が見られ、本明細書ではこの組織を、直線状の転位組織と表現する。図３は、前記表面強靱化処理で形成される転位組織比較のために添付した、前記従来技術を用いて形成した被処理セラミックス製品の透過電子顕微鏡写真像を示す。図３には、網目状の転位セル組織が見られ、前記２図の転位組織と顕著な違いが見られる。
本発明処理後のセラミックス製品は、最表面から深さ方向３０μｍの範囲に直線状の転位組織を有している。また、この直線状の転位の転位密度は、最表面から深くなるにつれて低くなり、つまり最表面で最大となっている。その最大の転位密度は１×１０^８〜９×１０^１３ｃｍ^−２の範囲となっている。
【００２８】
【表５】

【００２９】
表５の結果より、本発明処理品の破壊靭性値は、上記の試験結果と同様、常温の塑性加工（ショットブラスト）後に試料表面に形成される転位密度にほぼ比例し改善されることがわかる。特に、単結晶アルミナ供試材実施例２２の破壊靭性値の改善率向上は特に顕著で、窒化ケイ素Ａ供試材実施例４と同様、試料表面にダイヤモンド圧子を打込んで得られる圧痕４角から発生するクラックが発生しないため、破壊靭性値が算出できないほどの強靭効果が得られている。
【００３０】
また、単結晶アルミナ供試材実施例１９から単結晶アルミナ供試材実施例２２の結果より、噴射時間が長くなるにつれて、破壊靭性値の改善率が向上することがわかる。これは、噴射時間とともに製品表面に形成される直線状の転位の転位密度が大きくなったことによるものである。
【００３１】
図２、特に拡大図（Ｂ）より、本発明で処理した試料表面には、塑性変形が均質に起きたことによる、均一に分布した直線状の転位組織が観察される。図中、黒く見える直線状のものが転位であり、製品表面に近いほど、転位が集積した塊状の黒い部分が多くなっている。なお、図２において、製品表面に白く見える部分があるが、これは、白く見える部分の結晶が黒く見える部分の結晶に対してわずかに回転しているため観察条件が合わず、その結果白く見えているだけで、観察条件を合わせればこの部分も黒く見えるようになり、転位の存在が確認できる。他方、図３の前記従来技術を用いて形成した被処理セラミックス製品の透過電子顕微鏡の写真像では、塑性加工後の加熱処理によって、転位組織は安定配列の網目状の転位セル組織となっている。ここでは、黒い網目状の部分に転位が集積して転位密度が高くなっており、白い部分は転位が存在しない領域となっている。なお、この白い部分は転位が存在しないので、観察条件を変えても黒くなることはない。このように、本発明の表面強靱化方法により得られる組織は、従来技術で得られる組織と顕著な違いが認められる。
【００３２】
実施例２３〜２６、比較例６
被処理セラミックス製品としては、大村耐火(株)製の６ｍｍ×６ｍｍ×２０ｍｍの角棒状炭化珪素（ＳｉＣ：９９．９％）からなるものを用いた。塑性加工（ショットブラスト）は、試料表面に厚み方向から垂直に噴射加工を行い、ＴＥＭ観察による転位密度の測定及び破壊靱性値を測定した。表６に塑性加工（ショットブラスト）条件及び処理前後の炭化珪素の品質特性結果を示す。
【００３３】
【表６】

【００３４】
表６の結果より、本発明処理品の破壊靭性値は、上記の試験結果と同様、常温のショットブラスト処理後に試料表面に形成される転位密度にほぼ比例し改善されることがわかる。
【００３５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明により、簡易、省エネルギー型のセラミックス製品の表面強靱化方法を提供することができ、熱処理を必用としない点で、処理前のセラミックス製品の熱処理による特性の劣化を起こさせることなく前記新規表面組織が形成され表面の強靱性が向上した新規セラミックス製品を提供することができた、という優れた効果がもたらされた。セラミックスが利用できる製品分野が大きく広げられることが期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の常温塑性加工を実現する噴射処理を行うための装置の概念図
【図２】本発明の表面強靱化方法により得られた均一に分布した直線状の転位が形成された組織の透過電子顕微鏡写真、（Ｂ）は（Ａ）のマーク部分の拡大図
【図３】従来技術の塑性加工（ショットブラスト処理）と熱処理により形成された転位セル（網目状）組織の透過電子顕微鏡写真
【符号の説明】
１キャビネット２キャビネット扉３噴射ノズル
４被加工物（被処理セラミックス）５Ｘ−Ｙテーブル
６Ｘ−Ｙテーブル駆動部
７噴射材（表面強靱化組織形成噴射材）回収装置

Claims

セラミックス製品に、ビッカース硬度（ＨＶ）５００以上で前記セラミックス製品の硬度＋５０（ＨＶ）以下の平均粒子サイズ０．１μｍ〜２５０μｍの表面が凸曲面の微粒子からなる噴射材を用いて、前記セラミックス製品の表面に均一に分布した直線状の転位組織を形成させることを特徴とする前記セラミックス製品の表面強靱化方法。
塑性加工を噴射圧０．１〜０．５ＭＰａ、噴射速度２０ｍ/sec〜２５０ｍ/sec、噴射量５０ｇ／分〜８００ｇ／分、噴射時間０．１秒/ｃｍ^２以上６０秒/ｃｍ^２以下で行うことを特徴とする請求項１に記載のセラミックス製品の表面強靱化方法。
セラミックス製品の表面に均一に分布した直線状の転位の転位密度が１×１０^４〜９×１０^１３ｃｍ^−２の範囲となる転位組織を形成することを特徴とする請求項１または２に記載のセラミックス製品の表面強靱化方法。
セラミックス製品の表面に均一に分布した直線状の転位の転位密度が１×１０^４〜９×１０^１３ｃｍ^−２の組織を有することを特徴とするセラミックス製品。