JP4183162B2

JP4183162B2 - 複合構造体

Info

Publication number: JP4183162B2
Application number: JP2002038685A
Authority: JP
Inventors: 達行中岡
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-02-15
Filing date: 2002-02-15
Publication date: 2008-11-19
Anticipated expiration: 2022-02-15
Also published as: JP2003238275A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、長尺状の芯材の外周を表皮部材にて被覆してなる複合構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、Ａｌ₂Ｏ₃とＴｉＣとの複合セラミックスは高硬度および高強度を有する材料として知られ、構造材として広く用いられており、例えば、特開平２−２２９７５７号公報では、Ａｌ₂Ｏ₃に対して微粒のＴｉＣを分散せしめた複合セラミックスがクラックの進展を抑制する効果を有すると記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のＡｌ₂Ｏ₃とＴｉＣの複合セラミックスでは、クラック進展の抑制効果が低く、例えば切削工具等として使用すると耐欠損性が劣るという問題があった。
【０００４】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、高硬度と高靭性とを兼ね備えた複合構造体を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は上記課題について検討した結果、長尺状の芯材の外周を表皮部材にて被覆してなる複合構造体であって、前記芯材および前記表皮部材の双方を組成が異なるＡｌ₂Ｏ₃とＴｉＣとの複合セラミックスにて形成することにより、高硬度と高靭性を兼ね備えた複合構造体となることを知見した。
【０００６】
すなわち、本発明の複合構造体は、Ａｌ₂Ｏ₃を９０〜５５重量％と、ＴｉＣを１０〜４５重量％との割合で含有する長尺状の芯材の外周を、Ａｌ₂Ｏ₃を１０〜６０重量％と、ＴｉＣを９０〜４０重量％との割合で含有するとともに、Ａｌ ₂ Ｏ ₃ の含有量が前記芯材のＡｌ ₂ Ｏ ₃ の含有量よりも３０重量％以上少ない表皮部材にて被覆してなることを特徴とするものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の複合構造体について、その一実施例である図１の概略斜視図を基に説明する。
【０００９】
図１によれば、複合構造体１は長尺状の芯材４の外周を表皮部材（８）にて被覆した構造からなる。
【００１０】
本発明によれば、芯材４および表皮部材８の双方を組成が異なるＡｌ₂Ｏ₃とＴｉＣとの複合セラミックスにて形成することが大きな特徴であり、これによって、複合構造体１の硬度を高めることができるとともに、表皮部材８の破壊を最低限に抑制できかつクラックの進路の変更、ブリッジング、ディボンディング、プルアウトの効果が発揮できることから構造体の靭性を高めることができる。
【００１１】
また、本発明によれば、硬度を向上させることによって優れた耐摩耗性を発現させ、また靭性を向上させ耐欠損性を向上させるという点で、前記芯材４がＡｌ₂Ｏ₃を９０〜５５重量％と、ＴｉＣを１０〜４５重量％との割合で含有するとともに、前記表皮部材８がＡｌ₂Ｏ₃を１０〜６０重量％と、ＴｉＣを９０〜４０重量％との割合で含有することが重要である。また芯材のＡｌ₂Ｏ₃の含有量は、表皮部材のＡｌ₂Ｏ₃の含有量よりも３０重量％以上多いことが重要である。
【００１２】
本発明では、芯材４のＡｌ₂Ｏ₃が９０重量％を越え、ＴｉＣが１０重量％未満になると、芯材４自体の靱性が低く、耐欠損性が向上する効果が低い。また、芯材４のＡｌ₂Ｏ₃が５５重量％未満になり、ＴｉＣが４５重量％を越えると、芯材４の耐酸化性が劣化して耐摩耗性が劣るとともに、表皮部材８との組成が近くなって本構造の効果が弱くなる。
【００１３】
一方、表皮部材８のＡｌ₂Ｏ₃が１０重量％未満になり、ＴｉＣが９０重量％を越えると、表皮部材８が焼結不良となり、耐摩耗性が劣化する。また、表皮部材８のＡｌ₂Ｏ₃が６０重量％を越え、ＴｉＣが４０重量％未満になると、芯材４との組成が近くなって本構造の効果が弱くなる。
【００１４】
さらに、Ａｌ₂Ｏ₃とＴｉＣとの複合セラミックス中には、助剤成分として、希土類酸化物、４ａ，５ａ，６ａの酸化物、酸化コバルト、酸化ニッケル、酸化イットリウム、酸化マグネシウム、酸化シリコンを含有することが望ましい。
【００１５】
また、複合構造体１のクラックの進展の抑制のためには、例えば、芯材４の平均直径は５〜５００μｍ以下、特に５〜３００μｍ、表皮部材８の平均厚みは５００μｍ以下、特に０．１〜２００μｍ、さらに０．１〜３０μｍからなり、複合構造体１の直径が０．０１〜５ｍｍであることが望ましいが、高硬度と高靭性の両立のためには、芯材４の平均直径Ｄ₁と表皮部材の平均厚みＤ₂との比Ｄ₂／Ｄ₁が０．０１〜０．５、特に０．０２〜０．２であることが望ましい。
【００１６】
さらに、図１では芯材４が１本、すなわち単体の周囲に表皮部材８が被覆された場合について示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、図３に示すように、図１の構造体１を例えば４本以上の複数本収束したマルチフィラメント構造であっても良い。
【００１７】
また、複合構造体１は、図２に示すように、長尺状のものを所定長さとして並列に配列することによってシート状とすることもでき、さらに、該シートを（ａ）長尺状の複合構造体１が各層とも同じ方向を向くように積層する方法、（ｂ）長尺状の複合構造体１が各層間で直交する（交差角９０°）ように積層する方法、（ｃ）長尺状の複合構造体１が各層間で例えば４５°等の所定角度となるように交差して積層する方法等によって整列された構造体を作製することができ、用途に応じて異方性の度合いの異なる構造体とすることができる。
【００１８】
他方、複合構造体１を、例えば０．０１〜１０ｍｍの所定長さとして、これをランダムにお互いが絡み合った組織とすることもでき、かかる構造体によれば硬度や靭性等の特性の異方性が生じることなく均一な特性を有する構造体となる。
【００１９】
次に、本発明の複合構造体１を製造する方法の一例について図４の模式図をもとに説明する。
【００２０】
まず、平均粒径０．１〜３μｍのＡｌ₂Ｏ₃粉末と、平均粒径０．５〜５μｍのＴｉＣ粉末と、所望により上述した助剤成分粉末とを所定の割合で添加、混合して、これにパラフィンワックス、ポリスチレン、ポリエチレン、エチレン−エチルアクリレ−ト、エチレン−ビニルアセテート、ポリブチルメタクリレート、ポリエチレングリコール、ジブチルフタレート等の有機バインダを添加、混錬した後、プレス成形、押出成形または鋳込成形等の成形方法により芯材用に円柱形状の成形体４’を作製する（工程（ａ））。
【００２１】
一方、平均粒径０．１〜３μｍのＡｌ₂Ｏ₃粉末と、平均粒径０．５〜５μｍのＴｉＣ粉末と、所望により上述した助剤成分粉末とを所定の割合で添加、混合して、これに前述のバインダ等を添加、混錬して、プレス成形、押出成形または鋳込成形等の成形方法により半割円筒形状の２本の表皮部材用成形体８’を作製し、該表皮部材用成形体８’を前記芯材用成形体４’の外周を覆うように配置した複合成形体を作製する（工程（ａ））。
【００２２】
そして、上記複合成形体を共押出成形することにより芯材４’の周囲に表皮部材８’が被覆された細い径に伸延された複合成形体１’を作製する（工程（ｂ））。また、マルチフィラメント構造の構造体を作製するには、上記共押出しした長尺状の成形体１’を複数本収束して再度共押出し成形すれば良い（工程（ｃ））。
【００２３】
さらに、上記伸延された長尺状の成形体１’を所望により円柱や三角柱、四角柱、六角柱等の多角形に成形することもできる。また、長尺状の成形体１’を整列させてシートとなし、該シート同士が平行、直行または４５°等の所定の角度をなすように積層させた積層体とすることもできる。また、公知のラピッドプロトダイビング法等の成形方法によって任意の形状に成形することも可能である。さらには、上記整列したシートまたは該シートを断面方向にスライスした複合構造体シートを従来の超硬合金等の硬質合金焼結体（塊状体）の表面に貼り合わせ、または接合することも可能である。
【００２４】
なお、本発明によれば、上記方法以外にも繊維状の芯材用成形体を先に作製し、これを表皮部材用のスラリー中にディッピング（浸漬して引き上げ）することによって上述したような複合構造成形体を作製することも可能である。
【００２５】
その後、前記成形体を脱バインダ処理した後、不活性ガス雰囲気例えばＡｒガス中、１３００〜２０００℃で焼成することにより本発明の複合構造体１を作製することができる。また、焼成に際しては、所望により、１０００℃〜１９００℃でＨＩＰ焼成してもよい。
【００２６】
さらに、得られた構造体１に対して、ＣＶＤ法やＰＶＤ法等の薄膜形成法により構造体の表面に周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物等の皮膜を形成することも可能である。
【００２７】
【実施例】
（実施例１）
平均粒径０．３μｍのＡｌ₂Ｏ₃粉末８０重量％と、平均粒径０．８μｍのＴｉＣ粉末１９ｗｔ％と、平均粒１μｍのＹ₂Ｏ₃粉末１重量％とを秤量し、これに有機バインダおよび溶媒を添加、混練した混練物を押出成形機に充填して直径５００μｍの繊維状に押出し成形し芯材用の成形体とした。
【００２８】
一方、平均粒径１μｍのＡｌ₂Ｏ₃粉末２０重量％と、平均粒径１μｍのＴｉＣ粉末７８ｗｔ％と、平均粒径１μｍのＹ₂Ｏ₃粉末２重量％とを秤量し、これに有機バインダおよび溶媒を添加、混合してスラリー状とし、上記繊維状の芯材用成形体をスラリー内に浸漬、引き上げして芯材用成形体の外周に厚さ１５μｍの表皮部材をコーティングし、空気中で２４時間乾燥して複合構造体を作製した。
【００２９】
その後、複合構造体を５０ｍｍ毎にカットし並列に整列させたシートを複数枚作製し、各シート間の複合構造体同士が４５°となるように積層した積層体を作製し、所定形状にカットした。そして、この積層体を６００℃で５時間脱バインダ処理し、１６００℃で３００ＭＰａの圧力を付与してホットプレスを行った。
【００３０】
得られた複合構造体は、芯材の平均直径が４００μｍ、表皮部材の厚みが１０μｍであった。
【００３１】
さらに、上記焼結体をＳＮＧＮ１２０４２０の切削工具形状に切り出し、以下の条件で８０００ｍ切削した結果、ノーズ摩耗０．１５ｍｍで欠損は発生しなかった。
（切削条件）
被削材ＦＣＤ４５０
切削速度４００ｍ／ｍｉｎ
送り０．３ｍｍ／ｒｅｖ．
切り込み２ｍｍ
乾式切削
（実施例２）
平均粒径２μｍのＡｌ₂Ｏ₃粉末９０重量％とＴｉＣ粉末８重量％に対し、平均粒径２μｍの酸化コバルト粉末を２重量％添加し、これにバインダ、滑剤を添加、混錬した後、プレス成形により直径０．２２０ｍｍの芯材用成形体を作製した。また、平均粒径２μｍのＡｌ₂Ｏ₃粉末６０４０重量％とＴｉＣ粉末５５重量％に対し、平均粒径２μｍの酸化コバルト粉末を２重量％、酸化イットリウム粉末を２重量％、酸化マグネシウムを１重量％添加し、これにバインダ、滑剤を添加、混錬した後、プレス成形により肉厚１ｍｍで半割円筒状の表皮部材用成形体を２本作製し、前記芯材用成形体の周囲に被覆した複合成形体を作製した。
【００３２】
そして、前記複合成形体を共押出して伸延した後、該伸延された成形体１００本を収束して再度共押出し成形し、マルチフィラメントタイプの成形体を作製した。その後、該成形体に対して脱バインダ処理を行い、続いて超高圧装置内にセットして、アルゴン雰囲気中、圧力５ＧＰａにて、１７００℃で焼成して複合構造体を作製した。構造体の断面を顕微鏡にて観察したところ、平均で芯材の直径１４０〜１６０μｍ、表皮部材の平均厚み８〜１２μｍであった。
【００３３】
得られた複合構造体に対して、実施例１と同様にヴィッカース硬度（ＪＩＳＲ１６０１に準じる）およびＩＦ法にて試料の靭性を測定した結果、硬度２０ＧＰａ、破壊靭性８ＭＰａ√ｍであり、切削特性を評価した結果、ノーズ摩耗０．１４ｍｍ、欠損は発生しなかった。
【００３４】
（比較例）
実施例２の複合構造体に対して、表皮部材用成形体を実施例２の芯材用成形体と同じ混練物を用い、すなわち芯材用成形体と表皮部材用成形体とを同じ組成の混練物にて作製する以外は実施例２と同様にして複合構造体を作製し、同様に評価した結果、硬度１８ＧＰａ、破壊靭性４ＭＰａ√ｍ、ノーズ摩耗０．２５ｍｍ、微小欠損が発生した。
【００３５】
【発明の効果】
以上詳述したとおり、本発明の複合構造体によれば、芯材および表皮部材を、Ａｌ₂Ｏ₃を９０〜５５重量％と、ＴｉＣを１０〜４５重量％との割合で含有する芯材とＡｌ₂Ｏ₃を１０〜６０重量％と、ＴｉＣを９０〜４０重量％との割合で含有するとともに、Ａｌ ₂ Ｏ ₃ の含有量が前記芯材のＡｌ ₂ Ｏ ₃ の含有量よりも３０重量％以上少ない表皮部材との組成が異なるＡｌ₂Ｏ₃とＴｉＣとの複合セラミックスにて形成することにより、高硬度と高靭性を兼ね備えた複合構造体となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の複合構造体の一例を示す概略斜視図である。
【図２】図１の複合構造体の平板状に組み合わせた例を示す図である。
【図３】本発明の複合構造体のマルチフィラメント状に組み合わせた例を示す図である。
【図４】本発明の複合構造体の製造方法を説明するための概念図である。
【符号の説明】
１複合構造体
４芯材
８表皮部材

Claims

Ａｌ₂Ｏ₃を９０〜５５重量％と、ＴｉＣを１０〜４５重量％との割合で含有する長尺状の芯材の外周を、Ａｌ₂Ｏ₃を１０〜６０重量％と、ＴｉＣを９０〜４０重量％との割合で含有するとともに、Ａｌ ₂ Ｏ ₃ の含有量が前記芯材のＡｌ ₂ Ｏ ₃ の含有量よりも３０重量％以上少ない表皮部材にて被覆してなることを特徴とする複合構造体。