JPH03126659A

JPH03126659A - 超硬質セラミックス

Info

Publication number: JPH03126659A
Application number: JP1264687A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Kumaki; 熊木　明彦; Yoshito Izumi; 和泉　良人
Original assignee: Onoda Cement Co Ltd
Current assignee: Onoda Cement Co Ltd
Priority date: 1989-10-11
Filing date: 1989-10-11
Publication date: 1991-05-29
Also published as: US5023211A

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〕本発明は超硬質セラミックスに関し、更に詳細には高硬
度性、高耐摩耗性、高靭性、及び極めて高い耐欠損性を
有し、切削部相、精密加工部品等の分野においても使用
可能な超硬質セラミックスに関する。

〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕従来、
アルミナセラミックスは高硬度性、優れた耐酸化性、極
だった嗣摩耗性を有し、比較的安価に製造できることか
ら嗣摩耗部４Ａ、シール部４月、機械部品などに広く利
用されている。しかし、靭性に乏しく、強度も不足して
おり、また組織的にも粒成長や気孔が生じゃずいという
欠点を有しているため、脆性」二及び加工精度上かなり
の制約をうけ、切削部祠、精密加工部品等には使用が困
錘であった。

このようなアルミナセラミックスの欠点を補うため、粒
成長抑制剤の添加、熱間加圧による焼結体組織の改善等
が行われているが、これらの手法は脆さの克服、靭性の
向」二にはほとんど寄与しない。

一方、アルミナと同等以上の弾性率、硬度、強度を有し
、かつアルミナと安定に共存できる物質、例えば超硬質
材である炭化チタンをアルミナマトリックス中に分散し
複合化した分散強化型アルミナセラミックスは、従来の
アルミナセラミ・ソクスに比べ強度、靭性の向上、粒成
長の抑制が見られ、超硬切削工具、超耐摩耗部制及び磁
気へ・ソド用非磁性基板等への適用が可能となった。

しかし、この分散強化型アルミナセラミックスにも未だ
種々の問題が存する。すなわち、このセラミックスは難
焼結性であるため、酸化性雰囲気では炭化チタンが酸化
されて焼結できず、一方真空もしくは非酸性雰囲気では
還元反応などにより気孔が生じ易く緻密化が進展しない
。そこで、公知の焼結助剤を用いて焼結性を改善するこ
とが試みられているが、一般に大量の焼結助剤を要する
ことから本来の性状から逸脱したものになりやすく、高
密化の為に熱間等方加圧による再処理を必要とすること
が多く、粒成長も生じ易い。また熱間加圧法にて直接焼
結した場合は焼結助剤を殆ど含まず、又粒成長を伴わず
に焼結が可能ではあるが、この方法で作った炭化チタン
−アルミナ系セラミックスは高靭性、高嗣欠損性におい
て未だ満足できるものではなかった。すなわち、これを
被削利どして切削、研削した場合、チッピングが発生し
易く、また切削工具として用いた場合、重切削等におい
ては刃先の欠損が生じゃずいという欠点があった。

従って本発明は炭化チタン−アルミナセラミックス本来
の特性である高硬度性、高耐摩耗性を有し、かつ高靭性
、高耐欠損性に優れた超硬質セラミックスを提供するこ
とを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

かかる実情において、本発明者らは上記課題を解決すべ
く種々検討してきたところ、炭化チタン、アルミナ、炭
化ジルコニウム及び酸化マグネシウムに加え、酸化ネオ
ジム並びに酸化リチウムを配合すれば、アルミナセラミ
ックス本来の特性を維持しつつ、粒成長を伴うことなく
優れた高靭性及び耐欠損性が得られることを見出し氷見
１男を完成した。

すなわち、本発明は重量比で炭化チタン：炭化ジルコニ
ウム−１：０．０５〜０．４０の炭化チタン及び炭化ジ
ルコニウム混合物■５〜４５重量％、酸化マグネシウム
０．１−１．０重量％、酸化リチウム００５〜０．５重
量％、酸化ネオジム０，２〜１，０重量％及びアルミナ
５２．５〜ｌ１４．［ｉ５重量％を含有することを特徴
とする超硬質セラミックス、並びにその製造法を提供す
るものである。

本発明の超硬質セラミックスに配合されるアルミナ（八
ｉ　２ｏａ）は、セラミックスのマトリ・ソクス基材を
構成するものである。アルミナとしてはαアルミナ（α
−Ａｊ！　２０３）が好ましく、また高純度、小粒径の
ものを用いるのが好ましい。アルミナの配合量は、５２
．５〜８４．６５重量％（以下、重量％を単に％で示す
）である。

炭化チタン（ＴｉＣ）は、アルミナラ１−リツクス中に
分散されることにより、セラミックスを強化する作用を
有する。

炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）は、単独では遷移金属中量
も難焼結性の物質の部類に入り、高硬度、高熱伝導率及
び高融点を示すが、本発明のセラミックスに配合するこ
とにより、炭化チタンの粒成長を妨げるとともに、炭化
ジルコニウム本来の性状が加わりチッピングの発生を抑
制する作用を有する。また、同じ結晶構造を有する炭化
チタンや周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族炭化炭化物一
部固溶体を形成し、これらの炭化物をアルミナマトリッ
クス中に保留させる作用をも存する。

炭化チタンと炭化ジルコニウムは、重量比で炭化チタン
：炭化ジルコニラｌ、−＝　１　：　［１［１５〜（］
４０の割合で配合される。炭化チタンに幻する炭化ジル
コニラｌ、の割合が、００５未ｚ］１ｂの場合には添加
効果が充分奏されず、０．４０を起える場合には難焼糺
性となり好ましくない。また、炭化チタンと炭化ンルコ
ニウトの配合量は、尚古４合して１５〜／１５％である
。１５％未７Ｉヌでは十分な効果が拐られす、４５％を
超えるとマトリックス中に入らない炭化チタン塊が形威
される、可能性が高まり性能低下を生じるので奸ましく
ない。

また本発明のセラミックスは、炭化ジルコニウムの一部
を周期律表１’Ｖａ、Ｖａ又は■ａ族の炭化チタン及び
炭化ジルコニウム以外の金属炭化物の一種又は二種以上
と置換しても同様の効果が発揮される。かかるＴＶａ、
Ｖａ又はＶＩａ族企属の炭化物としては、ＶＣ，［：ｒ
Ｃ，ＭｏＣ，ＩＨｃ、Ｔａｇ、　ＷＣ及びＮｂＣが挙げ
られる。ただし、これらのＩＶａ〜ＶＩａ金属炭化物の
配合量は、炭化シルコニウドの添加効果を妨げない範囲
、ずなわら炭化ジルコニウムの５０％以下であることが
好ましい。

酸化マク不シウム（Ｍｇ［］）は、アルミナ粒周囲にス
ピネル固溶体フ、［どを形ｊ＆することにより１．７Ｌ
＋　’ｌ’ｊ’＋’粒成長を抑制する作用を有する。そ
の配合量は、０．１〜１．０％である。０．１％未満で
は効果をほとんど奏さず、１．０％を超えると酸化マク
ネンウム化合物、凶溶体の精製貝が」（つ加し、（幾４
４的性質の低下を生じるため好ましくない。

酸化ネオジム（Ｎｄ２０３）ｉよ、７トリツクスを構成
するアルミナ界面で固相反応を生じ、焼結の駆動力を高
め、焼結を著しく促進する作用を有する。

その配合量は、０．２〜１．０％である。０２％未満で
は、充分な効果が得られず、１．０％を超えても効果の
増大は見られない。

酸化リチウム（Ｌｉ２０）の本発明セラミックスにおけ
る作用は明らかではないが、以下の如く推定される。す
なわち、本発明セラミックスが酸化リチウムの融点近く
で焼結されることから、酸化リチウムが一部液相を形威
し、これがアルミナマトリックス中に入り込んだ炭化チ
タンの周辺に到達し、アルミナ及び炭化チタンと反応し
、比較的強固な反応生成物を形成し、その生成物がアル
ミナと炭化チタンを強固に結合させる作用を示し削チッ
ピング性の向上に寄与する。また当該液相の一部は、炭
化チタン粒子間に到達し、炭化チタン同士及び炭化チタ
ンと他の炭化物との焼結性向上に寄与する。さらに一部
の酸化リチウムはアルミナマトリックス中に入り込んで
α−アルミナに酷似した結晶構逓の固溶体を形成するか
、アルミナと性状が大きく異なる粒界相を形成すること
によって１ｒ！、裂の偏向などのセラミックスの強靭化
に寄巧する。

このような作用を発ｆｉｌｌするための酸化リチウトの
配合量は０．０５〜０．５％である。０．０５％未満で
は所望の効果が得られず、０．５％を超えると粒界相形
成が顕著となり、酸化リチウム単独でセラミックス中に
存在する割合が増加するため強度低下を拓くので好まし
くない。

本発明のセラミックスを作るには、原料組成物を熱間加
圧により焼結して製造するのが好ましい。

熱間加圧手段としては、原料組成物を直接熱間等方加圧
（ＨＩＰ）する方法及びホットプレス法を挙げることが
できる。難焼結体を緻密化させ、粒成長の抑制を効果的
に行うためにはホットプレス法が好ましい。焼結温度は
、１５　（］　０〜１８５０℃が好ましい。

１５００℃未満では焼結が進展せず、１．１１５０℃を
超えると過焼結どなり、全体に粒成長が増加し、性能低
下を招くので好ましくない。にた、圧力は２００〜５０
０Ｋｇｒ／ｃＩ１１とするのが好ましい。２００Ｋｇｆ
／ｅｆｆ１未満では緻密化が不充分であり、５００Ｋｇ
ｆ／ｅ＋＋！を超えても効果の向上があまり見られず、
又ダイス類の消耗が激しくなるので好ましくない。

〔実施例〕

次に実施例及び比較例を挙げて本発明の詳細な説明する
。

ボールミル中に、第１表に示ず組成の原料粉末、ボール
及びアセトンを加え、４８時間粉粉砕音した後乾燥し、
原料組成物を得た。この原料組成物を黒鉛型内に充填し
、ホット・プレス装部により圧力３００　Ｋｇｆ／　ｃ
ｎｆ、　１６５０℃の温度で真空中６００分保持することにより目的とするセラミックスを得た。

なお、原料アルミナとしては平均粒径０．３〜０．４μ
ｍ１純度９９．９％のものを用い、他の威勢としては市
販のものを用いた。

得られたセラミックスについて下記の特性を評価した。

その結果を第２表に示す。

（１）曲げ強度ＪＩＳ　Ｒ１６０１に準じて４点山げ強度測定により行
った。

（２）硬度１０Ｋｇｆ荷重におけるヴイッカース（Ｖｉｃｋｅｒｓ
）硬度及びＡスケールによるロックウェル硬度を測定し
た。

（３）破壊靭性５ＢＮＢ法による臨界応力拡大係数（Ｋ、。）を測定し
た。

（４）マトリックスの平均粒子径４点曲げ強度試験における破断後の破断面の平均粒子径
を８８Ｍ像より得た。

（５）耐欠損特性厚さ５．０ｍｍのセラミックスをヴイトリファイド系ボ
ンドダイヤモンドブレードにて、回転数１４０゜ｒｐｍ
、切込深さ３０μｍで溝切りし、送り速度を早めると、
セラミックスにチッピングが発生ずる。

このチッピングが発生する最低送り速度を測定した。

以下余白第２表より明らかなように各実施例で得られた木兄１ｊ
Ｊ］品は曲げ強度、砿壊靭性の向」二が見られ、強靭化
の効果が充分発揮されると共に、著しい耐欠損性を有す
ることがわかる。

〔発明の効果〕

本発明の超硬質セラミックスは、高強度、高硬度性、高
削摩耗性に加え、優れた靭性及び耐欠損性を有し、重切
削、高速切削等これまでのアルミナ系のセラミックスで
は困ガ（とされてきた切削部材の分野及び精密加工を施
す必要がある耐摩耗部品等への適用性を具備するもので
ある。

以　　」ニ手続補正書（自発）平成元年１１月１０１３

Claims

【特許請求の範囲】

１．重量比で炭化チタン：炭化ジルコニウム＝１：０．
０５〜０．４０の炭化チタン及び炭化ジルコニウム１５
〜４５重量％、酸化マグネシウム０．１〜１．０重量％
、酸化リチウム０．０５〜０．５重量％、酸化ネオジム
０．２〜１．０重量％及びアルミナ５２．５〜８４．６
５重量％を含有することを特徴とする超硬質セラミック
ス。
２．請求項１記載の組成において、炭化ジルコニウムの
５０重量％以下が、炭化チタン及び炭化ジルコニウムを
除く周期律表IVａ、Ｖａ又はVIａ族金属の炭化物の一種
又は二種以上で置換されていることを特徴とする超硬質
セラミックス。
３．重量比で炭化チタン：炭化ジルコニウム＝１：０．
０５〜０．４０の炭化チタン及び炭化ジルコニウムの混
合物１５〜４５重量％、酸化マグネシウム０．１〜１．
０重量％、酸化リチウム０．０５〜０．５重量％、酸化
ネオジム０．２〜１．０重量％及びアルミナ５２．５〜
８４．６５重量％を含有する組成物を熱間加圧により焼
結することを特徴とする超硬質セラミックスの製造方法
。
４．請求項３記載の組成において、炭化ジルコニウムの
５０重量％以下が、炭化チタン及び炭化ジルコニウムを
除く周期律表IVａ、Ｖａ又はVIａ族金属の炭化物の一種
又は二種以上で置換されている組成物を熱間加圧により
焼結することを特徴とする超硬質セラミックスの製造方
法。