JPH03228870A

JPH03228870A - 繊維強化セラミックス

Info

Publication number: JPH03228870A
Application number: JP2019863A
Authority: JP
Inventors: Katsura Hayashi; 桂林; Masashi Sakagami; 勝伺坂上
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1990-01-30
Filing date: 1990-01-30
Publication date: 1991-10-09
Anticipated expiration: 2013-02-25
Also published as: JP2720093B2

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、ウィスカー等の繊維状物質を含有するセラミ
ックスに関し、より詳細には高靭性に優れた特に工具用
として適したセラミックスに関する。

（従来技術）アルミナ（以下、Ａｌ２Ｏ，と称する）質焼結体は耐摩
耗性に優れる反面、靭性に劣るという欠点から従来から
各種の提案がなされている。

その１つに炭化珪素（以下、ＳｉＣと称する）ウィスカ
ーに代表される繊維状物質を配合することにより靭性を
改善することが特開昭６１−２８６２７１号や特開昭６
２−４１７７６号等により従来より行われている。

これらはいずれもＡ　１　ｚ　Ｏ３を主体とし、ＳｉＣ
ウィスカーを添加し、ホットプレス等により焼成したも
のである。

このようなＳｉＣウィスカーを含有する繊維強化セラミ
ックスはＳｉＣ自体の硬度が高く、熱伝導性が良いため
、切削工具として用いた場合、部の超耐熱合金の切削（
インコネル７１８の荒切削）では優れた切削特性を示す
。

また、繊維状物質としてＳｉＣウィスカー以外に炭化チ
タン（以下、ＴｉＣと称する）ウィスカーを用いること
も提案されている。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、ＳｉＣは鉄、特に酸化鉄と容易に反応す
るため、Ａ１□０ｚＳｉＣウィスカー系工具は多くの場
合、他のＡ　１　ｚ　０３を主体とする工具に比較して
摩耗量が多くなる傾向にある。例えば５ＵＳ３０４を切
削した場合、従来のＡｌ２Ｏ３系工具であれば、十分切
削可能な条件であってもＳｉＣウィスカーを含有する工
具では象、激に摩耗が進行し、切削不可能となる。

また鋳鉄の切削においてもＡ１□０３系工具よりも摩耗
量が大きいことが確認されている。

また、Ａ１□Ｏ，−Ｔｉｃ系工具では靭性が不足する傾
向にあり、切削中過大な負荷が生じた場合に欠損しやす
いという欠点がある。

強化材料としてＳｉＣやＴｉＣウィスカーを用いる代わ
りに、Ａ１□０３の一部または全部を針状Ａ１□０３に
置換し、これにＴｉＣを混合することにより、高い靭性
と抗折強度を有し、且つ鉄系材料の切削にも充分適用可
能な繊維強化セラミックスが得られることを知見した。

　３− さらに、本発明者等は上記Ａ１．２０３　　Ｔ　ｉ　Ｃ
系セラミックスにおいて、最適な焼結助剤を見出すこと
によって従来のＡｌ２Ｏ３ＳｉＣウィスカー添加系より
もより優れた靭性等の機械的特性を有する材料を得た。

即ち、本発明は実質的にＴｉＣを２０〜７０重量％の割
合で含有し、残部がＡ　ｌ　ｚ　Ｏ３と焼結助剤および
不可避不純物からなるもので、焼結体中にアスペクト比
１．５以上の針状のＡｌｚＣｈが５体積％以上の割合で
存在することを特徴とし、焼結助剤として周期律表第１
［ａ族酸化物を選択しこれを０．０１乃至８重量％の割
合で添加することを特徴とするものである。

以下、本発明を詳述する。

本発明の繊維強化セラミックスにおける大きな特徴は、
主成分としてＡ　ｌ　２０３およびＴｉＣを含有し、さ
らに焼結助剤と不可避不純物を含有するものでＡ１□ｏ
３成分の一部または全部が針状粒子から構成される点に
ある。この針状Ａｌ２Ｏ３の配合によりＡ　１２０３自
体の有する耐摩耗性、鉄との非反応性を維持しつつ、焼
結体の靭性を大きく改善するとともにＴｉＣの配合によ
りＡ１□０３の粒成長を抑制し、焼結体の強度を高める
ことができる。　本発明のセラミックスによれば、Ｔｉ
Ｃ成分を２０〜７０重景％、重量３０乃至５０重量％の
割合で分散含有させ、針状のＡ１□０３としてアスペク
ト比１．５以上の粒子を焼結体中５体積％以上、特に２
０体積％以上存在させる。

ここで、ＴｉＣ０量を上記の範囲に限定した理由は、そ
の量が２０重量を下回るとＡ　Ｉ　ｚ　Ｏ２の粒成長を
抑制する効果が弱くなり、針状のＡ　Ｉ　２０３が球状
となり、７０重量％を越えると焼結性が低下し、且つ破
壊靭性、抗折強度も低下するからである。また、針状Ａ
　１　ｚ　Ｏ３の量を５体積％以上に限定したのは５体
積％未満では焼結体の靭性の向上が望めないからである
。

また、本発明によれば、上記のＡｌ２Ｏ３−Ｔ　ｉＣ系
材料における焼結性を改善するために焼結助剤を配合す
る。用いる焼結助剤としては周期律表第ｍａ族酸酸化物
ら選ばれる少なくとも１種が挙げられ、具体的にはＹｂ
、Ｎｄ、Ｅｒ、Ｃｅ、、Ｓｍ、Ｙ、Ｇｄ、ＤｙおよびＬ
ａが挙げられる。これらの焼結助剤は全量中０．０１乃
至８重量％、特に１乃至５重量％の割合で含有される。

上記助剤の量が０．０１重量％未満では焼結性が悪く緻
密な材料が得られず、針状Ａ　１　ｚ　Ｏ３添加系にお
ける靭性の改善がされない。また、８重量％を越えても
焼結体中にボイドが発生し望ましくない。

本発明の繊維強化セラミックスの製造に際しては、原料
として針状のＡ１□０３あるいは焼成により針状Ａ　ｌ
　２０２を生成しうる成分と、ＴｉＣ粉末を用い、これ
に焼結助剤を添加混合する。

本発明において用いられる針状Ａ　Ｉ　２０３はそれ自
体、単結晶あるいは多結晶からなるもので、その平均径
が２μｍ以下、特に０．２乃至０．７μｍ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のものが用いられる。平均径
が２μｍ以下では焼結時の粒成長が過度にならず、高い
抗折強度を維持できるのに対し、平均径が２μｍより大
きいと焼結時の結晶粒子の粒成長が著しく、粒子径のコ
ントロールが難しくなり、強度が低下し靭性にばらつき
が生じる。また切削工具として用いた際に逃げ面の境界
摩耗が大きくなる傾向にある。

一方、アスペクト比の平均が３より小さいと繊維強化の
効果が少なくなり靭性が低下し、１００より大きいと原
料の取扱が雛しく、均一に分散できないために靭性が低
下する傾向にある。なお、この場合でも一部を粉砕しな
がら混合すれば問題なく使用できる。

なお、上記の針状Ａ　１　ｚ　Ｏ３は例えば特願平１−
３０８６１９号に記載の製法に基づき容易に作製するこ
とができ、この製法に従えば針状Ａ＋２（ｈの代わりに
針状のホウ酸アルミニウムを用いても焼成により針状Ａ
　１２０２が生成されるため、問題はないが、この場合
ホウ酸アルミニウムの分解により酸化硼素が生成され、
酸化硼素は焼結体の特性を劣化させる傾向にあるため、
焼結体中の硼素量が５重量％を越えないように注意する
ことが必要である。

　７− 一方、ＴｉＣ成分としてはその大きさおよび形状は任意
に選択できるが、粒成長抑制効果を大きくするためには
平均粒径３μｍ以下がよい。

なお、本発明によれば、ＴｉＣ成分とＡ　Ｉ　２０２成
分との混合において、針状Ａ　１　ｔ　Ｏ３は焼成によ
りそのアスペクト比が小さくなる傾向にあるため、焼結
体中に存在させようとする量より若干多めの量で混合す
ることが望ましい。

上記の各原料の混合物は、所望の成形手段、例えば金型
プレス、冷間静水圧プレス、押出し成形等により成形後
焼成する。

焼成は普通焼成、ホットプレス法、熱間静水圧焼成法等
が適用される。焼成は１４５０乃至１８５０°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２．０乃至６．０時間行えばよく、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
静水圧焼成により５００〜２０００気圧、１４５０〜１
８− ８００°Ｃで焼成すればよい。

以下、本発明を次の例で説明する。

（実施例１）平均粒径１μｍ以下、純度９９．９％以上のＡ　Ｉ　ｚ
Ｏ３粉末と、平均粒径１μｍ以下のＴｉＣ粉末および焼
結助剤粉末を秤量後、アトリッションミルで１２時間混
合粉砕した。この混合粉末にアスペクト比が１０乃至３
０の針状Ａ１．Ｏａを所定量添加し、ナイロンポット中
にナイロンボールとともに密封し、回転ミルで１２時間
混合を行った。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、１７００°Ｃ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。

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、ビッカース硬度、また鏡面状態にポリッ
シングして１Ｍ法でＫｌｃを測定した。なお、焼結体中
のアスペクト比１．５以上のＡＩ□０３粒子は電子顕微
鏡写真からの面分析により求めた。

結果は第１表に示す。

（以下余白）第１表によれば、焼結助剤として周期律表第■ａ族酸酸
化物適量添加した試料Ｎｏ、　１〜８はいずれも針状Ａ
１□ｏ３を含まない試料Ｎｏ、２０よりも優れた特性を
示している。焼結助剤の添加量が少ない試料Ｎｏ、　９
や多い試料Ｎｏ、１４では焼結体にボイドが生じ抗折強
度、硬度共に低下した。焼結体中のアスペクト比１．５
以上のＡｌ２Ｏ３が少ない試料Ｎｏ、　２１は破壊靭性
の向上が僅かである。また、炭化チタンの添加量が少な
い試料Ｎｏ、２５では硬度が低く、多すぎる試料Ｎｏ、
３０では焼結性が低下して緻密な焼結体が得られなかっ
た。

さらにマトリックス中の助剤として従来から用いられて
いるＭｇＯ、ＳｉＯ２、ＣａＯを用いた試料Ｎα３１．
３２．３３では焼結が不十分でボイドが確認され、特性
値も満足しうるちのでなかった。

これらの従来例に対し、本発明品はいずれも優れた抗折
強度と靭性を有し、具体的には抗折強度５５　Ｋｇ／ｍ
ｍ”以上、靭性５．５　ＭＰａｍ””以上のボイドのな
い緻密なセラミックスであった。

　３− （実施例２）第１表中、Ｎｏ、　１．２３の組成と、比較用としてＮ
ｏ、２０を用いてＲＮＧＮ１２０４形状の工具を作成し
た。

コレラの工具試験片を用いてインコネル７１８（溶体化
処理品）を切り込み２ｍｍ、送り０．３ｍｍ／ｒｅｖ　
、切削速度３００ｍ／ｍｉｎで５分間切削したところ、
試料Ｎｏ、　１．２３の工具は比較品試料Ｎｏ、２０よ
り境界摩耗部分のチッピングが少なく安定した切削が可
能であった。またフランク摩耗も少なかった。このよう
に本発明品は比較例に対し優れた耐摩耗性を示した。

（発明の効果）以上詳述した通り、本発明によれば、Ａ１□ｏ３ＴｉＣ
系セラミックス中に針状Ａ１゜０３を含有させることに
より、従来から用いられていたＡｌ２Ｏ３−ＴｉＣ系や
Ａ１．０３−３ｉＣ系系に比較して優れた耐摩耗性と強
度が得られ、あらゆる被削材に対応しうる工具用材料と
して、あるいはその他の機械部品用として繊維強化セラ
ミックスの用−１４− 途を拡大することができる。

Claims

【特許請求の範囲】

　炭化チタンを２０〜７０重量％、焼結助剤として周期
律表第ＩＩＩａ族酸化物のうち少なくとも１種を０．０
１乃至８重量％の割合で含有し、残部が酸化アルミニウ
ムと不可避不純物からなる焼結体であって、該焼結体中
にアスペクト比１．５以上の酸化アルミニウムが５体積
％以上の割合で存在することを特徴とする繊維強化セラ
ミックス。