JPH02243559A

JPH02243559A - Ａｌ↓２Ｏ↓３―Ｂ↓４Ｃ系高密度焼結体及び製造方法

Info

Publication number: JPH02243559A
Application number: JP1062144A
Authority: JP
Inventors: Hidehiro Endo; 遠藤　英宏; Masanori Ueki; 正憲植木; Hiroshi Kubo; 紘久保
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1989-03-16
Filing date: 1989-03-16
Publication date: 1990-09-27

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は高硬度、高強度、高靭性でかつ熱伝導性に優れ
たＡｌ２Ｏ３−Ｅ４１Ｃ系高密度焼結体及びその製造方
法に関するものである。

従来の技術Ａｌ１２０３は高硬度で耐摩耗性に優れ、またセラミッ
クス材料の中では比較的安価なため、広く摺動耐摩耗部
材として使用されている。

また、　Ａｔ、０３系セラミツクスの焼結性向上、粒成
長抑制を目的として、ＭｇＯ４ＣａＯ等の焼結助剤を添
加した焼結体、あるいは靭性向上を目的としてＺｒＯ２
を添加した複合焼結体は、一般に白色セラミックスとし
て知られ、切削工具チップ（スローアウェイチップ）を
はじめ１種々の工具材料として用いられている。

また、　Ａ２２０３セラミックスの強度、靭性さらに硬
さ、熱伝導率を改善するために、ＴｉＣあるいはＴｉ（
ＯＮ）を添加した複合焼結体は、いわゆる黒色セラミッ
クスとして知られ、鋳鉄、鋼等の切削工具チップ、その
他工具材料等に実用化されている。

これらセラミックス工具は、従来の工具鋼、ハイス鋼、
ｗＣ−Ｇｏ系超超硬合金あるいはＴｉｅ（Ｔａｇ）　−
Ｎｉ／Ｍｏ系サーメットとは異なり、金属相を含まない
ため、硬さ、耐熱性に優れ、また被削金属との反応性も
乏しいので１．例えば切削工具チップでは、高速加工、
高温加工などの条件の厳しい加工に適している。

このようにセラミックス工具は負荷の大きな条件で使用
されることが多いため、工具寿命向上を目的として材料
の高硬度化、高強度化、高靭化さらに工具に発生する熱
を有効に発散させるために熱伝導率のさらなる改善が望
まれている。

Ａ１１２０３セラミツクスの特性を向上させるため、Ｔ
ｉｅ　、　Ｔｉ（ＯＮ）を添加した黒色セラミックス以
外に、例えば特開昭５２−３０８１２号公報では、４８
重量％以下のＡｌ１２０３にＴｉＢ２、ＺｒＢ２及びＨ
ｆＢ２より選ばれた耐火性ニー化物を５〜５０重量％、
Ｖ、　Ｎｂ、　Ｔａ、Ｃｒ、　Ｎｏ等のニー化物を２０
重量％以下、■族、Ｖ族、■族耐火性遷移金属の炭化物
又は炭窒化物を３５重量％、さらに３重量％以下のＭｇ
Ｏを添加することを開示している。

ＴｉＢ２、ＺｒＢ２、ＨｆＢ２等の耐熱遷移金属のニー
化物は高融点、高硬度という特性を有し、ＡＱ２０３セ
ラミックスの特性改善には有効である。しかしながら、
硬さという点については、未だ改善の余地がある。

一方、Ｂ４Ｃセラミックスは、ビッカース硬さ３０００
〜４０００の値を有し、セラミックス中ではダイアモン
ド、立方晶ＢＮ（ＣＢＮ）に次ぐ硬さを示している。ま
たＢ４Ｃは中性子吸収能に優れるため、　Ａｌ１２０３
セラミツクスの硬さを改善するため、あるいは、中性子
吸収能に優れたＡＱ２０３セラミックスを製造するため
にＡ１ｈ０３Ｂ４［：複合セラミックスの開発が望まれ
ている。

ジャーナル・オブ・マテリアルスーサイエンス（ＪＪａ
ｔｅｒ、　Ｓｃｉ、）ｖｏｌ、１８．　ｐ　ＥｉＨ−［
ｆ７８　（１９８３年）及び同ｖａ１．１８、ｐ　６７
９−８８８　（１９８３年）ではＡ１２０３に種々のＢ
４Ｃを０〜２５重量％添加し、常圧焼成法により中性子
吸収能に優れたＡｌ１２０３−Ｂ４Ｃ系セラミックスを
作製している。

しかしながら、Ｂ４Ｃは＃酸化性に劣り、又、Ａｌ２Ｏ
３と反応しやすいため、このような常圧焼成法ではＢ４
ＣがＡλ２０３と反応し、Ｂ２Ｏ３が形成されてしまう
ため、有効にＢ４ＣをＡｌ２Ｏ３中に存在させることが
困難である。さらに、Ｂ２Ｏ３’の形成、蒸発・気化に
よりＡｌ２Ｏ３の焼結は阻害され、上記常圧焼成法では
相対密度８５％以上の焼結体は得られておらず、硬さ、
強度、靭性等の機械的性質が著しく劣ってしまう。

また特開昭５９Ｊ４５６８公報では、このようなり４Ｃ
と　Ａｌ１２０３の反応を防止し、又、中性子照射後の
Ｂ４Ｃ粒子の膨張を吸収させるために１例えばＢ４Ｃ粒
子に気孔形成剤を被覆してＡｌ２Ｏ３スラリー中に混合
し、焼成する製法について開示している。

しかしながら、このような方法ではＡＱ２０３マトリッ
クスと分散Ｂ４Ｃ粒子との間に、気孔形成剤が燃焼除去
された後に残留する空隙が存在し、優れた機械的性質は
望め得ない、このように従来は、９０％以上の相対密度
を有する高密度φ高強度のＡ（１２０３−Ｂ＊Ｃ複合体
を製造することは非常に困難であるとされていた。

発明が解決しようとする課題Ａｌ２Ｏ３にＢ４Ｃを添加することにより、高い硬度の
セラミックスを得ることは従来考慮されてきたことでは
あるが、Ｂ４Ｃが難焼結性であること、Ｂ４ＣがＡｔ、
０３と反応してＢ２Ｏ３を含んだ反応生成物を形成し、
さらにこの反応生成物は蒸発・気化し易い性質のため、
焼結中に消失する傾向にあるため、などによりこれまで
に高密度、高強度なＡｌ２Ｏ３−Ｂ４Ｃ焼結体は得られ
ていなかったのである。

本発明の目的は、Ｂ、Ｇの複合化により、　Ａｌ２Ｏ３
基セラミツクスの強さ、硬さ、靭性及び熱伝導率を向上
させることにある。

課題を解決するための手段・作用本発明はＢ４Ｃが１０〜５０重量％で残部がＡ９２０３
よりなる相対密度が９０％以上の高密度、高強度なＡ９
．２０３−Ｂ４Ｃ焼結体、及びＢ４Ｃが１０〜５０重量
％で残部が実質ＡＱ２０３よりなる粉末を、非酸化性雰
囲気中で、　１３５０℃以上１９００℃以下の温度で５
０ｋｇｆ／ｃｍ２以上の圧力で加圧焼結することを特徴
とする高密度、高強度な”２０３　　ＢＡ　Ｃ焼結体の
製造方法である。

以下に本発明について詳細に説明する。

本発明の焼結体でＢ４Ｃが１０〜５０重量％であるのは
、Ｂ４Ｃが１０％未満ではＡλ２０３セラミックスの硬
度、靭性、強度などの向上は小さく、５０％超では硬度
は向上するものの強度が低下するので好ましくない０本
発明のＢ４Ｃ−ＡＩｈ０３焼結体は、高硬度のＢ、０粒
がＡｌ２Ｏ３中に分散した構造を有するため硬度は大幅
に改善される。またＡｌ２Ｏ３にくらべＢ４Ｃは熱伝導
率が高いため本発明のＢ４Ｃ−Ａｌ１２０３焼結体の熱
伝導率も向上する。さらに、ＢａＣ粒の添加により、い
わゆる粒子分散効果で破壊靭性値が向上し、靭性向上に
ともなって破壊強さも上昇する。

次に本発明の高密度、高強度Ａｕｚ　０３−　Ｒ４Ｇ焼
結体の製造方法について説明する。

使用するＡｌ２Ｏ３粉体としては１通常はα型Ａｌ１２
ｏ３であるが、その他β型、γ型等の結晶でも差支えな
い、さらに非晶質のＡｔ、０３、あるいは加熱中にａ−
Ａｉ２０３ヲ生成す６Ｍ（ＯＦＦ）３　、　ＭＯＯＨ等
でもよい。

また、　　Ａｌ２Ｏ３粒体の粒径として、通常は焼結性
の優れるｌＯＪＬｍ以下のものが好ましく、ｌＩＬｍ以
下（サブミクロン）の微細なものはさらに望ましい。

Ａ（１２０３に複合化するＢ４Ｃ粉体も平均粒径１０ト
ｍ以下、望ましくは１４ｍ前後の微細なものが好ましい
。

さらに、Ａλ２０３−　Ｒ４Ｇ混合粉体を加圧焼結する
ことにより、Ａｌ２Ｏ３とＢ４Ｃとの反応が抑制され、
Ｂ４Ｃ粒子がＡｑ２〜中に分散した高密度・高強度の焼
結体が製造できる。

加圧焼結の温度としては１３５０℃以上１９００℃以下
が好ましい、　１３５０℃未満ではＡｌ１２０３−Ｂ４
１Ｃ複合体が充分緻密に焼結せず、従って得られる焼結
体の特性も劣ってしまう、Ｂ４Ｃ粒子は焼結中にＡ（１
２０３粒子の異常粒成長を抑制するので、本Ａｌ２Ｏ３
−Ｂ４Ｃ複合体は通常のＡｌ１２０３よりも高い温度で
焼成することが可能であるが、１８００℃超では、　ａ
ｔ２Ｏ３゜Ｂ４Ｃ粒子の粒成長が顕著になり、やはり特
性が劣化するため、　ｔａｏｏ℃を上限とするのが望ま
しい。

またＡ１２０３Ｒ４Ｇ複合セラミックスの加圧焼成雰囲
気としては、真空あるいは不活性ガス中等の非酸化雰囲
気である必要がある１、これは焼成中に、８４Ｃが酸化
されてＢ２Ｏ３となるのを防ぐためである。

力Ｉ圧焼結の方法としては、ホットプレス法以外にもＨ
ＩＰ法（熱間静水圧プレス法）等が考えられるが、　　
Ａｌ２Ｏ３−Ｂ４Ｃ系焼結体は、常圧焼成により相対密
度８０％以上には緻密化しないので、いわゆる常圧焼成
後ＨＩＰ処理するという通常の手法は用いることができ
ない。

また、Ａｌ２Ｏ３〜Ｒ４Ｃ混合粉末を直接カプセル封入
してＨＩＰ処理する方法もあるが、金属、ガラス等のカ
プセル材とｌ１１２０３−Ｂ、（：粉末の反応により、
得られる焼結体の特性が劣化する危険があり、望ましい
ものではない。

ホットプレス法において、その加圧力は５０ｋｇｆ／Ｃ
１１２以上であることが望ましい、これは、５０ｋｇｆ
／Ｃ１１２未満の圧力ではホットプレスの効果が低下す
るあるいは、ホットプレスによる圧力むらが顕著になる
ためである。

以下実施例を用いて、より具体的に説明する。

実施例実施例１〜６ α型ＡＬ１２０３粉末（平均粒径０．２ＩＬｒｎ、純度
Ｈ，Ｈ％以上）に２１重量（３０体ａ）％のＢ４Ｃ粉末
（平均粒径１．ｏｐｍ、純度８８％以上）を添加し、ボ
ールミルを用いて充分混合した後、１３５０℃〜１８０
０℃の温度で２時間、アルゴン不活性雰囲気中で、　４
００ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力でホットプレス焼結を行った
。

焼結体はＪＩＳ　Ｒ１８０１ニ準拠し、３　ｍｍＸ　４
１１１１１Ｘ　３８Ｉの試験片に加工し、アルキメデス
法により密度を測定した後、室温で三点曲げ試験を行っ
た。焼結体の靭性としては、予き裂導入法（Ｓ　Ｅ　Ｐ
Ｂ法）を用いて、破壊靭性値；Ｋｘｃを測定した。また
、硬さの評価として、ビッカース硬さを荷重１ｋｇＦ　
、保持時Ｍ２Ｏ秒で測定した。さらに、熱伝導率につい
てはレーザーフラッシュ法を用いて測定した。

第１表中、実施例１〜６に各焼成温度について得られた
焼結体の相対密度（理論値に対して百分率で示す）１曲
げ強さ、破壊靭性値、硬さ及び熱伝導率を示す。

また同第１表中比較例１．２には、Ｂ４Ｃを添加しなｌ
’　１２０３単体を１３５０．１５ＱＯ”Ｃｊノ各温度
テホットプレスした焼結体について、又、比較例３．４
にはＡ愛、０３−２１重量％Ｂ４Ｃを１３００℃、２０
００℃の各温度でホットプレス焼成した焼結体について
同様にその特性を示している。

実施例１〜６及び比較例１．２より、Ａｌ２０３単体に
くらべＢ４Ｃの添加によって、曲げ強さ、靭性、硬さ、
熱伝導率等の特性が著しく向上することが明らかである
。

また、実施例１〜６及び比較例３．４より、本発明のＡ
１１２０３−Ｂ４Ｇ複合体は、１３５０℃未満の焼成温
度では緻密化が十分でなく、また１９００℃超では粒成
長が顕著となるため特性が低下するので、その適正焼成
温度は１３５０℃以上、１９００℃以下であることがわ
かる。

また、Ｘ線回折の結果から、実施例１〜８の焼結体から
は、α−Ａｔ、０３とＢ４Ｃのピークが観察され、焼結
体はα−Ａ（１，０３とＢ４Ｃ粒の分散した構造より成
ることがわかった。

実施例７〜ｌＯ実施例１〜６で用いたと同様の平均粒径０．２ＪＬｍ、
純度９１１．９９％以上）α型Ａｌ２０３粉末に、第１
表中実施例７〜１０に示す重量比でＢ４Ｇ粉末（平均粒
径１．０ルｍ、純度９８％以上）を添加した。ボールミ
ルを用いて充分、粉体を混合後、１７５０℃の温度で２
時間、アルゴンガス中で４００ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力で
ホットプレス焼結した。

得られた焼結体について実施例１〜６と同様にその相対
密度、曲げ強さ、破壊靭性値、硬さ及び熱伝導率につい
て測定し、第１表中にまとめている。実施例７〜１０及
び比較例１．２よりＡｔ、０３にＢ、Ｇを複合化するこ
とにより各特性は著しく改善され、またＢ４Ｃの適正添
加量は１０〜５０重量％であることがわかる。

比較例５〜７本発明のＡＱ、０３−Ｂ４Ｃ系複合体の優位性を明らカ
ニスルタメ、Ａ１１２０３−　ＴｉＣ，Ａｌ２０３−　
ＴｉＢ２等の黒色セラミックスとの特性の比較を行った
。

実施例１〜１０で用いたと同様のα−Ａｌ２Ｏ３粉末に
３０体植えのＴｉｃ　　（平均粒径１．２ｐｍ、純度９
９％以上）　、　ＴｉＢ２　（平均粒径２〜３ＩＬｍ、
純度８８％以上）、及びＺｒＴｏ（平均粒径３ルｍ、純
度９８％以上）粉体を各々添加した。

混合粉末をボールミルにより十分混練した後、実施例７
〜ｌＯと同様に１７５０℃で２時間、ホー／　ドブレス
焼結し、得られた焼結体について、密度、及び硬さを測
定した。

第２表に、本発明ノＡｇ、２ｏ３−３０体積（２１重量
）％Ｂ４Ｃ（実施例８）と共に、その結果（比較例５〜
７）を示している。

実施例８及び比較例５〜７より、Ａｌ１２０３　ニＴ　
１Ｃ１ＴｉＢ２、あるいはＺｒＢ２を添加するより、本
発明のようにＢ４Ｃを添加する法が高硬度な焼結体が得
られることが明らかである。

比較例８〜９実施例１〜６と同様にα型Ａｌ２Ｏ３粉末に、２１重量
（３０体積）％のＢ４Ｇ粉末を添加し、ボールミルを用
いて充分混合した後、５０鳳鳳×５０腸■の金型を用い
て２００ｋｇｆ／ｃ＋ｗ２の圧力で一軸加圧成形した。

その後、成形体を７０００ｋｇｆ／ｃ層２の圧力でＣＩ
Ｐ（冷間静水圧プレス）成形し、アルゴン気流中１４０
０及び１８００℃の温度で２時間、常圧焼成した。

実施例１〜６と同様に焼結体の密度、曲げ強さ及び硬さ
を測定し、またＸ線回折により相の固定を行った。Ｘ線
回折より、焼結体からは８４Ｇのピークは殆ど検出され
ず、常圧焼結によっては８４Ｇ粒をＡｔ、０３中に残存
させることが困難なことがわかる。

また第３表、比較例８，９より、常圧焼結によっては高
密度な焼結体が得られず、従って硬さ、曲げ強さ等の特
性も著しく劣ることが明らかである。

（以下余白）発明の効果本発明のように、　　Ａｌ２Ｏ２にＢ１０を複合化し、
加圧焼結することによって、高密度で機械的性質に優れ
るＡｌ２Ｏ２−Ｂ４Ｇ複合焼結体が得られる。

本発明のＡ２２０３　　Ｂ＜Ｃ系高密度焼結体は、ＡＱ
２０３セラミックスの強度、靭性、硬さ及び熱伝導率等
の特性を著しく向上させており、Ａ１２０３基セラミツ
クス工具の寿命をより一層延ばすことが可能である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）Ｂ＿４Ｃが１０〜５０重量％で残部がＡｌ＿２Ｏ
＿３より成る相対密度９０％以上の高密度かつ高強度な
Ａｌ＿２Ｏ＿３−Ｂ＿４Ｃ系焼結体。
（２）Ｂ＿４Ｃが１０〜５０重量％で残部が実質Ａｌ＿
２Ｏ＿３より成る粉末を、１３５０℃以上１９００℃以
下の温度で非酸化性雰囲気中で、５０ｋｇｆ／ｃｍ＾２
以上の圧力を用いて加圧焼結することを特徴とするＡｌ
＿２Ｏ＿３−Ｂ＿４Ｃ系高密度、高強度な焼結体の製造
方法。