JPH0280373A

JPH0280373A - 高強度高靭性ＴｉＢ↓２セラミックス

Info

Publication number: JPH0280373A
Application number: JP1156750A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Nishio; 浩明西尾; Shiro Toritsuka; 史郎鳥塚
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1988-06-22
Filing date: 1989-06-21
Publication date: 1990-03-20
Anticipated expiration: 2009-04-13
Also published as: DE68918506D1; EP0347920B1; JPH0627036B2; US4933308A; EP0347920A1; DE68918506T2

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〕ＴｉＢ、セラミックスは硬質セラミックスであり、切削
工具をはじめとして塑性加工工具や高耐摩耗部品に利用
されている。本発明は強度及び靭性を高めた新規なＴｉ
Ｂ２セラミックスを提供するものである。

（従来の技術）Ｔ　ｉ　Ｂ　ｚは高融点高硬度であり高耐摩耗性を有し
ている。さらに、高温耐食性にも優れまた導電性がある
ため放電加工が可能である等の数々の優れた特徴を有す
る。ところが、Ｔ　ｉ　Ｂ　ｚは曲げ強度が２０〜３０
　ｋｇｆ／ｍｍ２と低くかつ脆いという欠点があった。

そこでＴ　ｉ　Ｂ　ｚの強度を高めるべく種々研究がな
され、例えばホウ化ニッケル、ホウ化コバルト、ホウ化
鉄、等を結合剤として加えることによって曲げ強度と脆
さを改善しうろことが特許第１，０９６゜０９２号に開
示されている。また、ＴｉＢｚにＺｒＯ，、ＺｒＯ，Ｚ
ｒ０ｏ、ｚｓ、Ｚｒ３０＋−ｘ等の酸化ジルコニウムを
加えることによって耐酸化性及び耐熱性ばかりでなく強
度も高まることが特公昭５９−７６６８号公報に開示さ
れている。特公昭５８−５７３９３号公報にはＴｉＮに
１０〜６０重量％のＴｉＢ２を加えることによって高密
度、高強度かつ耐酸化性に優れた複合セラミックス焼結
材料が得られることが開示されている。オーストリア特
許公報Ｎα１９９，８８６にＴｉＣとＴ　ｉ　Ｂ　２の
複合焼結体が高硬度、耐摩耗性、耐食性等を有すること
が開示されている。

〔発明が解決しようとする課題］しかし、これらの焼結体も曲げ強度が一番高いものでも
１１０ｋｇｆ／ｍｍ２であり、また、靭性も充分とはい
えない。そこで、Ｔ　ｉ　Ｂ　ｚが素材として広く実用
化されるためにより一層の高強度化、高靭性が望まれて
いた。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者らはこのような目的を達成するべく鋭意研究を
重ねた結果、ＴｉＢｚにＳｉＣ及びＺｒ０ｚを組合わせ
ることによって、高硬度、高耐摩耗性、高温耐食性等の
ＴｉＢｚの優れた特性を保持したまま高強度、高靭性化
を達成しうろことを見出し、この知見に基づいて本発明
を完成するに至った。

すなわち、本発明はＴｉＢｚを主成分とし０．５〜３０
重量％のＳｉＣ及び２〜４０重量％のＺ　ｒ　Ｏｚを含
むことを特徴とする高強度、高靭性Ｔ　ｉ　８２セラミ
ックス焼結体に関するものである。

ＴｉＢｚの原料粉末はなるべ（不純物を含まないものが
よく、純度が９９重量％以上のものが適当である。粒度
は細かいものがよく、平均粒径で３μｍ以下、特に１μ
ｍ以下のものが好ましい。

焼結体中のＴｉＢｚの含有率は他のいずれの成分よりも
多くなければならず、４０〜９７．５重量％程度、特に
６０〜９４重量％程度が適当である。

ＳｉＣの原料粉末もなるべく不純物を含まないものがよ
く、やはり純度が９９重量％以上のものが適当である。

粒度も細かいものがよく平均粒度で３μｍ以下、特に１
ｎ以下のものが好ましい。焼結体におけるＳｉＣの含有
率は０．５〜３０重量％程度であり、１〜１０重量％の
範囲が特に好ましい。ＳｉＣの含有率が３０重世％を越
えると硬度及び強度の低下が問題になり、一方、０．５
重量％未満では添加効果が不充分になる。

Ｚ　ｒ　Ｏｚの原料粉末もなるべく不純物を含まないも
のがよく、必要によって加えられる添加物を除いた純度
が９９重量％以上のものが適当である。粒度は細かいも
のがよく平均粒径でやはり３μｍ以下、特に１−以下の
ものが好ましい。ＺｒＯ□の原料粉末はゾルの形態であ
ってもよい。このＺ　ｒ　Ｏｚは正方品の形態で安定化
されていると焼結体をより高強度化でき、そのためにＺ
ｒ０ｚに対する重量％で１〜８％、好ましくは３〜７％
のＹ２Ｏ１，１〜４％のＭｇＯ又は１０〜２１％のＣｅ
０ｚを正方品安定化剤として添加されているものが好ま
しい。正方晶安定化剤は２種以上含んでいてもよい。焼
結体におけるＺｒＯ□の含有率は２〜４０重量％程度で
あり、５〜３０重量％の範囲が特に好ましい。この含有
率は正方晶安定化剤を含む場合にはその重量も含んでい
る。

ＺｒＯアの含有率が４０重量％を越えると硬度及び強度
の低下が問題になり、一方２重量％未満では添加効果が
不充分になる。

本発明のセラミックスはその特性を損なわない範囲で他
の成分を含むことができる。

他の成分の例としては、ＴｉｃＳＶＣ，ＺｒＣ。

Ｎ　ｂ　Ｃ、Ｃｒ　３　Ｃ２、ＴａＣ等の金属炭化物、
ＴｉＮ等の金属窒化物、Ｔｉ（ＣＮ）等の金属炭窒化物
、ＴａＢ２、ＺｒＢ、、ＮｂＢ２等の金属ホウ化物等を
挙げることができる。以上の金属炭化物、金属窒化物、
金属炭窒化物、金属ホウ化物は、Ｔ　ｉ　Ｂ　ｚの粒成
長を抑制する。含有率は通常２０重重量以下であり、０
．５〜２０重量％、特に３〜１５重量％重量当である。

本発明のセラミックス焼結体を製造するにあたっては上
記の原料粉末をまず均一に混合する。混合にはボールミ
ル等を用いて混合粉末全体をさらに微粉化することが好
ましい。ボールミルを用いる場合にはＴ　ｉ　Ｂ　ｚ、
ＳｉＣ又はＺｒ０ｔのボールを用いればこの工程におけ
るボールの摩耗等による不純物の混入を避けることがで
きる。次に、この混合粉末を成形して理論密度比で約５
０％以上の成形体をつくる。この成形体を焼結炉に入れ
て１６００〜２ＱＯＯ’Ｃの非酸化雰囲気で焼結して緻
密な焼結体とする。この焼結体は熱間静水圧プレス（Ｈ
ＩＰ）処理することによってさらに緻密化することが好
ましい。ＨＩＰ処理条件としては１４５０〜１８００″
Ｃ１不活性ガス、例えばアルゴンガス中で１０００気圧
以上に加圧するのがよい。一方、上記の焼結、ＨＩＰ処
理法のほか、ガラスや金属のカプセル中に成形体を真空
封入して外部からガスが侵入できない状態でＨＩＰ処理
を行うカプセルＨＩ　Ｐ法で焼結してもよい。処理条件
としては１４５０″Ｃ〜１８００’Ｃ１１０００〜２０
００気圧で１〜２時間ＨＩＰ処理すれば緻密な焼結体が
得られる。

このようにして得られた焼結体の組織はＴ　ｉ　Ｂ　ｚ
、ＺｒＯ□、ＳｉＣが均一に分散した緻密な組織であっ
た。特にＺｒ０ｚはＴ　ｉ　Ｂ　ｚの粒界に存在し、Ｔ
ｉＢ２の粒成長を抑制している。また、ＴｉＢｚの粒径
は１〜３μｍと小さく、原料粉末より若干粒成長するに
とどまっていた。一方、ＳｉＣは粒界のみならず、Ｔ　
ｉ　Ｂ　ｚ、ＺｒＯ□双方の粒内にも存在していた。焼
結体の強度は三点曲げ強さで１１０ｋｇｆ／ｍｍ”以上
であり、通常１３０〜１６０ｋｇｆ／＋ｍ”の範囲にあ
る。

硬度は２０００〜３０００　ｋｇｆ／ｍｍ２程度である
。靭性は６〜１３ＭＰａｍ０・’程度であり、通常は７
　ＭＰａｍ”　５以上である。

〔作用］ＴｉＢｚ自身は成長しやすく、ＴｉＢ、の単体では緻密
な焼結体を得ることができない。本発明の焼結体におい
てはＺｒＯ□はＴ　ｉ　Ｂ　ｔの粒成長を抑制するだけ
でなく、Ｔ　ｉ　Ｂ　ｚ自体と強固に結合し焼結体の強
度を向上させる。また、Ｚｒ０ｔ自体の持つ応力誘起変
態、また、変態後の残留圧縮応力等の高靭化効果により
焼結体全体の靭性も向上する。

本焼結体の最大の特徴はＳｉＣを含んでいることである
。ＳｉＣは、熱膨張係数が４ｘｌＯ−’／’ＣとＴｉＢ
ｚの７ｘｌＯ−’だＣ及びＺｒＯ２の８ｘｌＯ−’だＣ
に比べ小さい。焼結体は、焼結過程の冷却時に収縮する
わけであるが、ＳｉＣのみ収縮量が小さい。すると焼結
体中のＳｉＣ及びその周囲のＴｉＢ、、ＺｒＯ□には圧
縮応力が発生し、残留応力として焼結体中に残ることに
なる。この残留圧縮応力により焼結体は著しく高強度化
し、同時に高靭性も達成される。したがって、比較例１
〜８のＴ　ｉ　Ｂ　ｚとＺ　ｒ　Ｏｔからなる焼結体に
比べ、実施例１〜実施例２４に示すようにＳｉＣを含む
本焼結体は強度、靭性の点で著しく大きい。また、比較
例９〜１１に示ずようにＳｉＣ含有量が、特許請求範囲
外の場合はその添加効果がない。

Ｔｉｃ、ＶＣ，ＺｒＣ，ＮｂＣ，Ｃｒ＋Ｃｚ、ＴａＣ。

ＴｉＮ、Ｔｉ（ＣＮ）、Ｔ　ａ　Ｂ　２、ＺｒＢ２、Ｎ
ｂＢ、の金属炭化物、金属窒化物、金属炭窒化物、金属
ホウ化物もまた、主成分のＴｉＢ２の粒成長の抑制にき
わめて有効であり、焼結体の強度をより向上させる。さ
らに、金属炭化物、金属炭窒化物、金属窒化物は、焼結
性を向上させる作用があり、緻密質焼結体を作る上で有
利である。

〔実施例］実施例■ Ｔ　ｉ　Ｂ　！粉末８７．５重量％と３，５重量％のＹ
　ｚ　Ｏ３添加で安定化されたＺｒ０＝粉末（ＴＺ−３
，５Ｙと略記する）１０重量％とＳｉＣ粉末２．５重量
％を、アトライターによりエタノール溶媒中でジルコニ
アボールを用い混合粉砕した。

得られた粉末をロータリーエバポレーターで十分乾燥し
、篩を通し顆粒とした。この顆粒を一軸プレス成形、Ｃ
ＩＰを行い、密度約６０％の成形体とし、この成形体を
ガラスボトルカプセル中に詰め、１６００°Ｃ，２００
０気圧、２時間の条件下でＨＩＰ処理を行った。このよ
うにして得られた焼結体は緻密であり、Ｔ　ｉ　Ｂ　ｚ
の平均粒径が３μｍ以下で、また、３成分が均一に分散
していた。Ｚ　ｒ　Ｏｚ粒はＴｉＢ２の周り存在してい
た。ＳｉＣは双方の粒界にも粒内にも存在していた。表
−１に示すように、焼結体の三点曲げ強さは、１５０ｋ
ｇｆ／ｍｍ２で、ビッカース硬度２５８０　ｋｇｆ／ｍ
ｍ”、破壊靭性値が７．０ＭＰａｍ”　’であった。

実施例２〜１５Ｔ　ｉ　Ｂ　を粉末、Ｙ　ｚ　Ｏｘ無添加Ｚ　ｒ　Ｏｚ
粉末、または、３．５ｆｆｉ量％（ＴＺ−３，５Ｙ）、
５．２重量％（ＴＺ−５，２Ｙ）、７．０重量％（ＴＺ
−７，ＯＹ）の各Ｙ、Ｏ，型Ｏ。Ｚｒ０ｚ粉末とＳｉＣ
粉末の３種類を表−１に示す組成で実施例１と同様な方
法で混合成形し、表−１に示す条件でガラスカプセルＨ
Ｉ　Ｐを行った。得られた焼結体は実施例１と同様に３
成分が均一に分散する緻密な微細組織を持っていた。そ
の特性を表−１に示す。

実施例１６〜２２ＴｉＢ＝粉末、Ｙ２Ｏ，無添加Ｚ　ｒ　Ｏｚ粉末、又は
、３．５重量％（ＴＺ−３，５Ｙ）、５．２重量％（Ｔ
Ｚ−５，２Ｙ）、７．０重量％（ＴＺ−７，ＯＹ）の各
Ｙ　ｚ　Ｏ３添加のＺ　ｒ　Ｏｚ粉末とＳｉＣ粉末の３
種類を表−１に示す組成で実施例１と同様に混合粉砕し
、−軸プレス成形、ＣＩＰを行い、密度約６０％の成形
体とした。この成形体を１７００〜１８００°Ｃで焼結
し、密度９５〜９９％の焼結体を得た。この焼結体をさ
らにＨＩ　Ｐ処理を１５００〜１６００°Ｃ，２０００
気圧、２時間の条件で行い緻密な焼結体とした。このよ
うにして得られた焼結体は、実施例１と同様に３成分が
均一に分散する緻密な微細組織を持っていた。その特性
を表−１に示す。

実施例２３Ｔ　ｉ　Ｂ　２粉末８５重量％と２．８重量％のＭｇＯ
添加ＺｒＯ□粉末１０重量％とＳｉＣ粉末５重量％を、
実施例１と同様に混合粉砕し、−軸プレス成形、ＣＩＰ
を行ない、密度約６０％の成形体とした。この成形体を
表−１に示す条件でガラスカプセルＨｒＰを行った。こ
のようにして得られた焼結体は、３成分が均一に分散し
ており、平均粒径が３ｎ以下で、緻密であった。その特
性を表−１に示す。

本焼結体の特徴は高靭性なことであり、靭性値は１０Ｍ
Ｐａｍ”　’を越えた。

実施例２４ＴｉＢｚ粉末８５重量％と１５．５重量％のＣｅＯ□添
加Ｚ添加ＺｒＯ２粉末１冗施例１と同様に混合粉砕し、−軸ブレス成形、ＣＩＰを
行い、密度約６０％の成形体とした。この成形体を実施
例２３と同様ＨＩＰに処理を行った。このようにして得
られた焼結体は、同様に緻密かつ均一な微細構造を有し
ていた。また、実施例２３と同じく、靭性値は１０ＭＰ
ａｍ０・５を越えた。

実施例２５〜４７Ｔ　ｉ　Ｂ　を粉末、Ｙ　ｔ　Ｏ　ｓ無添加Ｚ　ｒ　Ｏ
　ｚ粉末、または、３、５重量％（ＴＺ−３．５Ｙ）、
５．２重量％（ＴＺ−５．２Ｙ）、７重量％（ＴＺ−７
．ＯＹ）の各ＹｔＯ．添加のＺｒ０ｚ粉末とＳｉＣ粉末
、さらにＴｉＣ，ＶＣ，ＺｒＣ，ＮｂＣ．、Ｃｒ５Ｃｚ
、ＴａＣ，ＴｉＮ，Ｔｉ（Ｃ　Ｎ）、ＴａＢｚ、ＺｒＢ
ｚ、ＮｂＢ！の各粉末の中から少なくとも１種類を実施
例１と同様に混合粉砕し、−軸プレス成形、ＣＩＰを行
い、密度約６０％の成形体とした。

？この成形体を表−主に示す条件で焼結とＨＩＰな゛細組
織を有していた。その特性を表−２に示す。

比較例１〜１１ＴｉＢｚ粉末、Ｙ２Ｏ３無添加Ｚ　ｒ　Ｏ　ｚ粉末、ま
たは３、５重量％（ＴＺ−３．５Ｙ）、５．２重量％（
ＴＺ−５．２Ｙ）、７重量％（ＴＺ−７．ＯＹ）の各Ｙ
２Ｏ３添加のＺｒＯ２粉末とＳｉＣ粉末の３種類を表−
３に示す組成で実施例１と同様に混合粉砕し一軸プレス
成形、ＣＩＰを行い、密度約６０％の成形体とした。こ
の成形体を表−３に示す条件でガラスカプセルＨ　Ｉ　
Ｐないしは、焼結とＨＩＦを行った。焼結体は３成分が
均一に分散した緻密な組織であったが、表−３に示すよ
うに強度はせいぜいｉｌＯｋｇｆ／ｍｍ”と実施例に比
べ低強度であった。

〔発明の効果〕

本発明のセラミックス焼結体は、高強度、高硬度であり
、さらに靭性値も高い、したがって、切削工具を初めと
して、塑性加工工具や高耐摩耗部品等に広く利用できる
。

特許出願人　　日本鋼管株式会社代　理　人　　弁理士　国中　政浩

Claims

【特許請求の範囲】（１）ＴｉＢ＿２を主成分とし０．５〜３０重量％のＳ
ｉＣ及び２〜４０重量％のＺｒＯ＿２を含むことを特徴
とする高強度高靭性ＴｉＢ＿２セラミックス焼結体（２
）前記ＺｒＯ＿２がＺｒＯ＿２に対する重量％で１〜８
％のＹ＿２Ｏ＿３、１〜４％のＭｇＯ又は１０〜２１％
のＣｅＯ＿２を含んでいる請求項（１）に記載のセラミ
ックス焼結体（３）ＴｉＢ＿２を主成分とし、１〜１０重量％のＳｉ
Ｃ、５〜３０重量％のＺｒＯ＿２を含むセラミックス焼
結体で、前記ＺｒＯ＿２がＺｒＯ＿２に対する重量％で
３〜７％のＹ＿２Ｏ＿３を含むことを特徴とする高強度
高靭性ＴｉＢ＿２セラミックス焼結体（４）ＳｉＣ以外の金属炭化物、金属窒化物、金属炭窒
化物又はＴｉＢ＿２以外の金属ホウ化物のいずれか１種
類以上を０．５〜２０重量％含む請求（１）に記載のセ
ラミックス焼結体（５）金属炭化物がＴｉＣ、ＶＣ、ＺｒＣ、ＮｂＣ、Ｃ
ｒ＿３Ｃ＿２又はＴａＣであり、金属窒化物がＴｉＮで
あり、金属炭窒化物がＴｉ（ＣＮ）であり、金属ホウ化
物がＴａＢ＿２、ＺｒＢ＿２又はＮｂＢ＿２である請求
項（４）に記載のセラミックス焼結体（６）前記のＺｒＯ＿２がＺｒＯ＿２に対する重量％で
１〜８％のＹ＿２Ｏ＿３、１〜４％のＭｇＯまたは１０
〜２１％のＣｅＯ＿２を含んでいる請求項（４）又は（
５）に記載のセラミックス焼結体（７）ＳｉＣ以外の金属炭化物、金属窒化物、金属炭窒
化物又はＴｉＢ＿２以外の金属ホウ化物のいずれか１種
類以上を０．５〜２０重量％含む請求項（３）に記載の
セラミックス焼結体（８）金属炭化物がＴｉＣ、ＶＣ、ＺｒＣ、ＮｂＣ、Ｃ
ｒ＿３Ｃ＿２又はＴａＣであり、金属窒化物がＴｉＮで
あり、金属炭窒化物がＴｉ（ＣＮ）であり、金属ホウ化
物がＴａＢ＿２、ＺｒＢ＿２又はＮｂＢ＿２である請求
項（７）に記載のセラミックス焼結体