JPH03228868A - 酸化アルミニウム質焼結体 - Google Patents

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、酸化アルミニウムを主成分とするセラミック
スに関し、より詳細には耐摩耗性および靭性に優れた構
造材料用セラミックス及び切削工具用として適したセラ
ミックスに関する。

（従来技術及びその問題点） 酸化アルミニウム（Ａｌｔｏり質焼結体をはじめとする
セラミック材料は、従来から金属材料などに比較して耐
摩耗性等の機械的特性に優れていることから金属材料に
代わる材料として各種の構造用部品として使用されてい
る。また、Ａ　１　ｚ　Ｏ３質焼結体に対しても他のセ
ラミックスと複合化することにより各種の改善が提案さ
れている。

しかしながら、最近に至ってはセラミックスに対してさ
らに高い特性が要求されており、現在の材料では特に靭
性面が不十分である。

一方、Ａ１２（ｈに耐摩耗性や高温特性の改善を求める
要求もあり、この要求に対しては、セラミックスの中で
も特に耐摩耗性に優れた材料として硼化チタンや硼化ジ
ルコニウムなどの硼化物を添加した系の研究開発が盛ん
に行われている。

（発明が解決しようとする問題点） このような硼化物を主体とするセラミックスは高い硬度
を有する反面、強度や靭性が低くその応用分野が限られ
ている。

例えば、硼化チタンは硬度が高く、熱伝導性が良いこと
から切削工具用材料として有望と考えられていたが、靭
性を改善する方法を見出すことが出来ず実用には至って
いない。また、硼化ジルコニウムは金属との反応性が低
いことから、金属溶湯用るつぼ等としての応用が期待さ
れているが、強度が低いことから構造材料としての応用
分野は限られている。

また、硼化アルミニウムはその他の硼化物と同様に高い
硬度を有している事は知られていたが、その物理的特性
については不明な部分も多い材料であった。

（問題点を解決するための手段） 本発明者らはこの問題に対し種々検討を重ねた結果、製
法上、例えばＡｈａ３とＡＩＢ、□粉末を混合し特定条
件で焼成を行い、Ａ１゜０３を主相とし、その副相中に
８７０の結晶を生成させることで焼結体の特性を向」ニ
させる事ができる事を見出した。

即ち、本発明は酸化アルミニウムを主相とし、少なくと
も硼素と酸素を含有する副相から構成される酸化アルミ
ニウム質焼結体であり、該焼結体全量中アルミニウムが
１０〜５０％、硼素が１．５〜６７の割合で存在する酸
化アルミニウム質焼結体であって８．０の構造を有する
粒子を含有してなる焼結体を得るもので、特に上記構成
において、酸化アルミニウムの一部を針状の結晶粒子か
ら構成することにより焼結体の靭性をさらに向上させる
ことができる。

以下、本発明を詳述する。

本発明の酸化アルミニウム質焼結体は、酸化アルミニウ
ムを主相とし、他の副相成分として少なくともアルミニ
ウム、硼素、酸素を含有するもので、焼結体中にアルミ
ニウムを１０〜５０重量％、特に２０〜４０重量％、硼
素が１．５〜６７重量％、特に１０〜４５重量％の割合
で存在する。即ち、アルミニウムの量が１０重量％を下
回ると、硬度及び靭性が低下し、構造材料として使用で
きなくなり、５０重量％を越えると硬度が低下し切削工
具や耐摩耗材料として使用した場合に摩耗性が低下する
。硼素の量が１．５重量％を下回ると硬度が通常の酸化
アルミニウム焼結体と同程度となり硼素の添加の効果が
なく、６７重量％を越えると靭性が低下する。

本発明における大きな特徴は前述の組成からなる焼結体
中に８７０で表される結晶が存在する点にある。また、
焼結体としての特性上、Ｂ２Ｏの最適な割合について検
討したところ、Ｂ２Ｏが全量中２〜４５体積％、特に５
〜３５体積％、の割合で存在する焼結体が優れた特性を
示し、２体積％未満ではＢ２Ｏの存在による高靭化の効
果がなく、４５体積％を越えると焼結体の破壊靭性値が
低下する。

また、本発明によれば、主相である酸化アルミニウムの
一部を針状の結晶粒子から構成することによりさらに高
靭性化を図ることができる。具体的には、焼結体中にア
スペクト比１．５以上の酸化アルミニウム結晶粒子を５
体積％以上、特に２０体積％以上の割合で存在させるこ
とが望ましい。

本発明の酸化アルミニウム質焼結体を製造するだめの方
法は、具体的には次に詳述する原料の調製、成形、焼成
の工程により構成される。

（原料の調製） 出発原料としては硼化アルミニウム粉末及び酸化アルミ
ニウム粉末あるいは焼成によって酸化アルミニウムを生
成する化合物粉末を用いる。

硼化アルミニウム粉末は平均粒径２００メツシユ以下、
望ましくは３μｍ以下、最適には１μｍ以下の粉末であ
り、一般に化学式ＡＩＢ＋２、Ａｌ８２もしくは非化学
量論組成の硼化アルミニウムであってもよく、またこれ
らの混合物であってもよい。現在市販されているＡｌＢ
１２は部分的にＡＩＢ＋ｏを含んでいるものもあるがそ
の場合も問題は生じない。なお、本製法によれば、硼化
アルミニウムに含まれる硼素と酸素との反応によるもの
であることから、Ｂ２Ｏを生成させるためには、硼化ア
ルミニウム原料粉末中に少なくとも０．５％望ましくは
３％以上の酸素を含有させる事が必要である。この酸素
は、例えば硼化アルミニウム粉末の表面に酸化膜として
存在する。また、場合によりＢ２Ｏ３を別途添加して酸
素量を調整してもよ一方、酸化アルミニウム粉末或いは
焼成により酸化アルミニウムを生成する物質は、いずれ
も平均粒径３μｍ以下、特に１μｍ以下の微細な粒子を
用いるのが望ましい。また、本発明によれば酸化アルミ
ニウムあるいは焼成により酸化アルミニウムを生成する
物質として針状形態の物質を用いることにより焼結体の
靭性をさらに高めることができる。具体的には、針状晶
酸化アルミニウム、あるいは焼結時の加熱により針状晶
酸化アルミニウムを生成する物質として９　Ａ　１２０
３　　・２Ｂ２０３の化学式を有する針状晶硼酸アルミ
ニウムが用いられる。なお、これらの針状物質は、平均
径（短径）が２μ以下、特に０．７乃至０．２μｍであ
ることが好ましく、また長径／短径で表わされるアスペ
クト比の平均が３〜１００、特に１０乃至３０のものが
好適に用いられる。

上述の各原料粉末は、硼化アルミニウム粉末が１５〜９
５重量％、好ましくは３０〜８０重量％、酸化アルミニ
ウム粉末あるいは焼成により酸化ア　７− ルミニウムを生成する物質が酸化アルミニウムに換算し
て３〜９０重量％、好ましくは２０〜７０重量％の割合
で混合される。また特に高硬度の材質を得るためには、
硼化アルミニウム５５〜８０重量％、酸化アルミニウム
２０〜４５重量％が最適であり、特に高靭性の材質を得
るためには、硼化アルミニウム３０〜５５重量％、酸化
アルミニウム４５〜７０重量％が最適である。

混合割合を上記の範囲に設定したのは硼化アルミニウム
が９５重量％を越えると焼結が難しく、また、硼化アル
ミニウムが１５重量％を下回ると焼結体の硬度が低下し
、所望の特性が得られないからである。酸化アルミニウ
ムが３重量％を下回ると強靭化の効果がなく、９０重量
％を越えると硬度が低下する。

また、高靭性化を目的に酸化アルミニウム粉末の代わり
に添加される針状物質は、酸化アルミニウム全量に対し
、１０重量％以上の割合で置換することが望ましい。

また、本発明によれば、系の焼結性を上げるた　− めに焼結助剤としてＭｇ、Ｃａ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃ
ｏ、Ｎｉ、及び周期律表第１１１ａ族元素のうち少なく
とも１種を酸化物として換算した含有量で０．１乃至８
重量％の割合で含有させることもできる。なお、周期律
表第■ａ族元素としては特にＹｂ、Ｎｄ、Ｅｒ、、Ｃｅ
、Ｓｍ、Ｙ、Ｃｄ、　ＤｙおよびＬａが挙げられる。

（成形） 硼化アルミニウム、酸化アルミニウム、場合により適宜
焼結助剤を上記の割合で混合後、衆知の成形手段で所望
の形状に成形できる。成形手段は、例えばプレス成形、
押し出し成形、射出成形、鋳込み成形、冷間静水圧成形
等が用いられる。成形性を向上させるため公知のバイン
ダーや分散剤を用いてもよい。これらの成形体を所望に
より真空中もしくは窒素ガスもしくはアルゴンガス等の
不活性ガス中で脱脂したのち焼成を行う。

（焼成） 焼成は１２００乃至１９０ｏ″Ｃの温度でＡｒ、Ｈｅ等
の不活性ガスもしくはカーボン等の存在する還元性雰囲
気およびそれらの加圧もしくは減圧雰囲気で０．５乃至
６．０時間行えばよい。焼成手段としては、常圧焼成、
ホットプレス法および熱間静水圧焼成法（ＨＩ　Ｐ法）
等が適用され、特に高密度の焼結体を得るために、普通
焼成、ホットプレス法によって対理論密度比９６％以上
の焼結体を作成し、さらに熱間静水圧焼成すればよい。

上記の焼成によれば、原料中の硼化アルミニウムはその
一部または全部がアルミニウムと硼素に分離するととも
に系中の酸素と反応し酸化アルミニウムが生成されると
同時に、硼素と酸素との反応によりＢｔＯが生成される
。一方、酸化アルミニウムは一部粒成長を伴いながらそ
のままの状態で残存する。

（作用） 本発明の上記構成により、高強度、高靭性かつ高硬度が
発揮される理由としては以下の要因が考えられる。

■粒子結合力の向上 焼結時、硼化アルミニウムの一部または全部が分解し活
性なアルミニウムと硼素が生成される。

この活性なアルミニウムと硼素により粒子間の結合力の
向上が図られる。

０８７０粒子による分散強化 本発明の酸化アルミニウム質焼結体の電子顕微鏡写真を
示す第１図からも明らかなようにもＢ２Ｏは主相である
Ａ　Ｉ　２０　ｚ内部に取り込まれた構造を有しいるこ
とから、従来からのＳｉＣ粒子分散強化と同様に、Ａ　
Ｉ　ｚ　Ｏｚの粒界がＢ２Ｏの粒子により締めつけられ
、その結果として破壊靭性値が向上するものと推定され
る。

■粒子形状の複雑化 従来のアルミナでは結晶粒子は球形に近いものが多く、
破壊はそれらの粒界から起こっていた。

本発明の材料では■に記述した分解生成反応を伴って焼
結されるため粒子形状は複雑に入り組んだ形状となって
いる。このため新たなりラックの進展が阻止されその結
果破壊靭性が向上する。なお、針状のアルミナもしくは
分解により針状のアルミナを生成する物質を添加すると
粒子形状の複雑化は更に促進され、針状結晶が入り組ん
だ組織を持つようになるため靭性は更に向上する。

以下、本発明を次の例で説明する。

（実施例１） 原料として、酸化アルミニウム粉末（平均粒径１７ｕａ
以下、純度９９．９％以上）と、ＡＩＢ＋２粉末（粒径
２００メツシユ以下）と、Ａｌ８２粉末（粒径２００メ
ツシユ以下）と、アルミニウム金属粉末（粒径２００メ
ツシユ以下）と、硼酸アルミニウム粉末（平均粒径０．
５μｍ、酸素量５重量％）と、針状酸化アルミニウム粉
末（平均粒径０．７μｍ、平均アスペクト比１５）と、
針状硼酸アルミニウム（平均粒径０．７μｍ、平均アス
ペクト比２０）および酸化硼素（粒径２００メツシユ以
下）を用いて第１表に示す割合に秤量後、回転ミルで１
２時間混合粉砕した。混合後のスラリーを乾燥してホッ
トプレス用原料とした。

この原料をカーボン型に充填し、所定の温度で１時間、
３００　Ｋｇ／ｃｍ２の圧力でホットプレス焼成して、
ＪＩＳに基づく抗折試験片を作成した。

１ 得られた各試料を研磨してＪＩＳ１６０１に基づく３点
曲げ抗折強度を、また鏡面状態にポリッシングしてＩＭ
法でＫｌｃを、さらにビッカース硬度を測定した。

また、焼結体に対しＩＣＰ分析によりＡＩ、Ｂ量を定量
し、電子顕微鏡写真からアスペクト比が１．５以上の酸
化アルミニウムの量を面分析により求めた。

なお、第１表中、試料Ｎｏ、１１の試料の組織構造を示
す電子顕微鏡写真を第１図に、また試料Ｎｏ、　２８の
Ｘ線回折曲線を第２図に示した。

結果は第１表に示す。

特開平 ３ ２２８８６８　（６） 第１表によれば、硼化アルミニウムのみからなる試料Ｎ
ｏ、　１．１６はいずれも焼結性に乏しく、またＢ、Ｏ
の生成はなく、特性上にも強度、靭性、硬度ともに低い
もので、この系に単に酸化硼素を添加した試料Ｎｏ、　
３でも特性は改善されない。硼化アルミニウムに酸化ア
ルミニウムを添加した系において、硼化アルミニウムの
量が１５重重量を下回る試料Ｎｏ、　９．１５．２１は
いずれも焼結体中の硼素量が少なく、Ｂ２Ｏは生成され
ない。また、粒成長が大きく、特性の向上は認められな
い。

これらの比較例に対し、本発明の試料は硼化アルミニウ
ム単体に特性に比較しても優れた特性が得られ、抗折強
度５０　Ｋｇ／ｍａ＋”以上、靭性４．　ＯＭＰａ、　
ｍ　Ｉ　／　２以上、ビッカース硬度１７００　ｋｇ／
ｍｍ２以上が達成された。なお、針状粒子を含む焼結体
ではさらに特性の改善がなされることが理解される。

（発明の効果） 以上詳述した通り、本発明によれば硼化アルミニウムと
酸化アルミニウムとを複合させることにより、優れた硬
度を維持しつつ、焼結体の靭性を大きく向上させること
ができる。

これにより、工具材料をはじめとする各種産業機械部品
用材料としての応用範囲をさらに拡大することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の酸化アルミニウム質焼結体の組織構
造を示す電子顕微鏡写真であり、第２図は本発明の酸化
アルミニウム質焼結体のＸ線回折曲線である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）酸化アルミニウムを主相とし、少なくとも硼素と
   酸素を含有する副相から構成され、全量中アルミニウム
   が１０乃至５０重量％、硼素が１．５乃至６７重量％の
   割合で存在し、且つＢ＿７Ｏで表される結晶相を含有す
   ることを特徴とする酸化アルミニウム質焼結体。
2. （２）前記酸化アルミニウムの一部が針状の結晶粒子か
   らなる特許請求の範囲第１項記載の酸化アルミニウム質
   焼結体。