JPH04149062A

JPH04149062A - セラミックス複合材料及びその製造方法

Info

Publication number: JPH04149062A
Application number: JP2272326A
Authority: JP
Inventors: Ryuichi Matsuki; 竜一松木; Takeyoshi Takenouchi; 竹之内　武義; Hiroshi Sasaki; 博佐々木; Koichi Niihara; 晧一新原
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1990-10-12
Filing date: 1990-10-12
Publication date: 1992-05-22

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、特殊構造のセラミックス材料及びその製法に
関する。更に、詳しくは、構造材料として好適な高靭性
を有し、高強度、高硬度、耐熱衝撃性を有する複合セラ
ミックス材料及びその製法に関する。

［従来の技術］Ａ１１ｏｔは、高硬度で、すぐれた耐熱性、耐食性、電
気絶縁性を有するが、高温強度、破壊靭性、耐熱衝撃性
は乏しく、構造材料として使用するには、強度面におい
て、不十分である。

一般に、材料のマトリックス（例えば、アルミナ）に第
２相として微粒子或いはウィスカー（ＳｉＣ，Ｓｉ、Ｎ
、等）を分散し、焼結することで、大幅な機械的緒特性
を改善すること、特に、高い強度を得ることが、可能に
なることが、文献等で多く報告されている。これらの報
告では、例えば分散粒子或いはウィスカーとしてＳｉＣ
をＡＩ、０．マトリックスに分散した複合セラミックス
焼結体は、ＳｉＣ粒子或いはウィスカーが主にＡ１ｔＯ
ｓ粒界に分散することにより、クラックの偏向により靭
性が向上し、その結果として強度が増加すると結論づけ
ている。

しかし、複合化によって、新たな欠陥を導入することに
もなり、マトリックスと分散粒子等の境界で、隣接粒子
の熱膨張により歪みが発生し、このために、粒界が破壊
発生源となり、強度低下になることが周知である。

このように、マトリックスに、粒子或いはウィスカーを
分散した場合、材料の破壊時のクラックの進展が阻止さ
れ、このため、靭性が向上し、強度の増加が期待される
ものである。この考えでは、破壊の発生源である粒界の
欠陥は、変化がなく、その欠点は、残存しているため、
強度の大きな向上は、望めなかった。

し発明が解決しようとする問題点］本発明では、上記のような欠点を解消するため、高靭性
化を図り、強度を向上させるために、Ａ　ｌ　ｔ　Ｏｓ
マトリックス中にＴｉＮ微粒子及びＳｉＣウィスカーを
分散複合した構造用セラミックス材料として、高靭性、
高強度の複合セラミックスを提供することを目的とする
。従って、本発明はＡｌ、Ｏ，の機械的特性の改善を試
みたセラミックス複合材料を提供することを目的にする
。

更に、工具材料、耐熱材料、高温構造材料においては、
ＴｉＮ微粒子及びＳｉＣウィスカーの分散複合化により
、例えば、Ａ１．０．の以上粒成長の抑制、組織の微細
化等の組織構造を制御し、耐熱衝撃性にすぐれた高靭性
、高強度の材料を提供することを目的（こする。

［問題点を解決するための手段］本発明は、０．５μｍ〜１００μｍの結晶粒子を有する
Ａ　Ｉ　！　Ｏｓマトリックスの結晶粒内に粒子径２．
０μｍ以下のＴｉＮ微粒子３〜４０容積％及び０．１〜
２μｍのＳｉＣウィスカー３〜３０容積％を分散させた
ことを特徴とするセラミックス複合材料である。そして
、その製法は、５μｍ以下の粒子径のＡＩ＋Ｏ＋及び２
．０７１ｍ以下の粒子径のＴｉＮ３〜４０容積％を混合
し、更に、０．１−２．ｃｉｍのＳｉＣウィスカー３〜
３０容積％を混合し、成形した後、１５００℃以上で焼
成すること、又はホットプレス、常圧焼結及びＨＩＰ　
（熱間静水圧プレス）処理で作製するものである。

［作用コ本発明によるセラミックスコンポジットは、Ａ１．Ｏｌ
マトリックス中に、ＴｉＮ微粒子及びＳｉＣウィスカー
を分散した、複合化を行なうことにより、セラミックス
材料の機械的特性の強化、改善を得ようとするものであ
る。

即ち、マトリックスを構成する個々のＡ１．０゜結晶粒
子内に、ＴｉＮ微粒子を分散することで、ＡＩ、Ｏ＋と
ＴｉＮの熱膨張係数の差による残留応力を生じさせる。

この残留応力により、隣接する粒子の粒界に、圧縮応力
場を生じさせておき、進行しようとするクラック先端を
とじ込めたり、粒内に分散した微粒子によるクラック先
端の偏向及びマトリックス結晶粒内での分散粒子のマイ
クロクラックの生成により、クラックの進展を防止しよ
うとする考えである。更に、第３相としてＳｉＣウィス
カーによるクラック偏向とウィスカー引き抜きによる相
乗効果により靭性が一層向上する。

本発明は、マトリックスとしてＡＩ、Ｏ，、分散粒子と
してＴｉＮ微粒子及びＳｉＣウィスカーを用いることが
特長である。そして、そのＡ　Ｉ　！　ＯＩマトリック
ス粒子径は、０．５μｍ〜１００μｍであり、ＴｉＮ微
粒子は、粒子径２．０μｍ以下、ＳｉＣウィスカーは径
０．　１〜２μｍをＡ１１ｏｆマトリツクス中に均一に
を分散させた構造のものである。その原料としては、５
μｍ以下の粒子径のＡ　ｌ　ｔ　Ｏｓ及び２μｍ以下の
粒子径のＴｉＮ及び０．１−２μｍのＳｉＣウィスカー
を用いて、これらを混合し、成形、焼成することにより
、前記のセラミックス複合材料が製造される。

セラミックス複合体中のＡ、１．Ｏ，マトリックス粒子
径は、０，５μｍ〜１００μｍとする理由は、焼結体の
靭性強度が最大となる範囲であるためであり、ＴｉＮ微
粒子及びＳｉＣウィスカーを、各々粒子径２．０μｍ以
下及び０．　１〜２μｍにする理由は、Ａｌｔｏ！マト
リックス結晶粒子内に取り込まれる最適の粒度範囲であ
るためである。

また、その原料として用いるＡｌ２Ｏ３を、５μｍ以下
の粒子径にする理由は、焼結し易いためであり、原料Ｔ
ｉＮ微粒子及びＳｉＣウィスカーを各々２．０μｍ以下
及び０．　１〜２μｍにする理由は、マトリックス粒内
にＴｉＮ微粒子及びＳｉＣウィスカーが取り込まれ易い
こと、そして、残留応力がある限界以上になっても強度
低下を生じる程度のマイクロクラックが発生しない範囲
であること等である。

本発明によるマトリックスＡＩ、Ｏ，は、焼結工程で、
緻密に焼結される必要があり、この粒子内に分散相のＴ
ｉＮ微粒子及びＳｉＣウィスカーが、均一に分散されて
いることが、必要である。

また、焼結過程で、マトリックス粒子内に取り込まれる
ものでなければならない。

焼結温度については、１５００℃以」二の焼成が望まし
い。また、常圧焼結及びＨＩＰ処理、ホットプレスによ
る焼結処理が好適である。

本発明により得られるセラミックス複合材料は、エンジ
ン部品の高温構造材料の他、耐熱衝撃性にすぐれた耐熱
材料として、特に、好適である。

次に、本発明のセラミックス複合材料の製造とその得ら
れる特性を測定した結果について説明するが、本発明は
、次の実施例に限定されるものではない。

［実施例コ［枚社贅米五月１］マトリックスであるＡ１．Ｏ，には、住友化学株式会社
製ＡＲＰ−３０（平均粒径０．　３μ）を用い、添加す
るＴｉＮとしては、日本新金属株式会社製のＴｉＮ　（
平均径１．０７１ｍ）微粒子を用いて、マトリックス材
料に対して、３容積％〜４゜容積％の割合で添加し、更
にタテホ化学株式会社製のＳｉＣウィスカーを３〜３０
容積％添加混合し、アルミナボールミルで、２４時間粉
砕混合を行なった。これを十分に乾燥した後に、アルミ
ナボールミルで乾式解砕混合を１２時間行なったものを
、試料粉末として使用した。

「焼結処理］焼結処理には、誘導加熱式ホットプレス装置（富士電波
工業製）を用いた。前記のように調製した試料粉末的８
０ｇを黒鉛ダイス（内径６゜閣）に充填し、１０ＭＰａ
に予備圧縮した後に焼結処理した。

ホットプレス条件は、焼結温度まで昇温させた後、所定
温度で、１時間保持し、プレス圧は、３０ＭＰａで、雰
囲気ガスには窒素ガスを用いた。

［試験片作製］得られた焼結体のプレス両面をダイヤモンドホイールで
研削し、＃１０００の粗さに仕上げ、これをダイヤモン
ドカッターで直方体に切り出した。試料はＪＩＳ　　Ｒ
１６０１規定に準じて、３Ｘ４ｗ角長さ３６Ｂにし、３
点曲げ試験片とした。

［物性測定コ曲げ強度は、３点曲げ試験法により、荷重速度０．５ｍ
ｍ／分、スパン長さ３０Ｍ、室温で、強度を測定した。

試験片はダイヤモンドペースト（３μ）を用いて、引張
面を鏡面仕上げし、そして、エツジ部分を４５９の角度
で約０．１−の幅で面取り加工したものについて、測定
した。

破壊靭性は、荷重９．８Ｎで、保持時間１０秒間で、１
Ｍ法により測定した。

［測定結果の説明］第１表に、３点曲げ強度とＴｉＮ微粒子及びＳｉＣウィ
スカー添加量との関係を示す。この測定値がら、Ａ　ｌ
　１０　ｒ　　Ｔ　ＩＮ　２成分系テ（７）１７００℃
焼結体では、平均９００ＭＰ　ａ程度の強度であった。

それに対して、ＳｉＣウィスカー添加（３成分系）５容
積％がら３ｏ容積％では、著しい靭性強度の向上が見ら
れた。これらの試料の破断面を観察すると、非常に複雑
な面を呈してぃたことから、Ａ１．Ｏ，が高い靭性強度
になったことは、マトリックス粒内に分散されたＴｉＮ
微粒子及びＳｉＣウィスカーによるクラック先端の偏向
、湾曲、ウィスカーの引き抜き及びマトリックス結晶粒
内での分散粒子のマイクロクラックが発生し、これらの
相乗効果により、靭性強度が改善されたものと考えられ
る。

［発明の効果コ本発明によるＴｉＮ微粒子３〜４０容積％及びＳｉＣウ
ィスカー３〜３０容積％を添加したＡ　］　ｔ　Ｏｚ複
合マトリックスは、次のようなＥ著な技術的な効果が得
られるものである。

第１に、以上の説明で明らかなように、構造材料として
利用性を有するＡ１．０．／ＴｉＮ微粒子／　Ｓ　ｉ　
Ｃウィスカーの複合体材料を提供できる。

第２に、本発明の製造方法で得られたＡ１．０゜マトリ
ックスセラミックス複合体は、靭性強度等の大幅な特性
改善ができるものである。

第３に、本発明のセラミックス複合体は、Ａ１．０．の
特性をそのまま生かして、且つ高強度、高靭性の特性を
有する材料を提供することができたものである。

特許出願人　三菱鉱業セメント株式会社（外１名）代理
人　弁理士　　倉　持　　裕

Claims

【特許請求の範囲】

（１）　０．５μｍ〜１００μｍの結晶粒子を有するＡ
ｌ＿２Ｏ＿３マトリックスの結晶粒内に粒子径２．０μ
ｍ以下のＴｉＮ微粒子３〜４０容積％及び０．１〜２μ
ｍのＳｉＣウィスカー３〜３０容積％を分散させたこと
を特徴とするセラミックス複合材料。
（２）　５μｍ以下の粒子径のＡｌ＿２Ｏ＿３及び２．
０μｍ以下の粒子径のＴｉＮ３〜４０容積％を混合し、
更に、０．１〜２μｍのＳｉＣウィスカー３〜３０容積
％を混合し、成形した後、１５００℃以上で焼成するこ
とを特徴とする請求項１記載のセラミックス複合材料の
製法。