JPH04149063A

JPH04149063A - セラミックス複合材料及びその製造方法

Info

Publication number: JPH04149063A
Application number: JP2272327A
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］ＡＩｔｏ、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，５ｉｌＮ
４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Ｃ；、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Ｓｉ
ＣをＡｌｔ０１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Ａ　ｌ
　ｔ　Ｏ１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、粒子やウィスカーを分散
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。

［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、ＡＩ＝Ｏｓマトリ
ックス中にＴｉＮ微粒子及びＳｉ、Ｎ、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ＡＩ、０．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Ｓｌ、Ｎ、ウィスカーの分散複合化に
より、例えば、Ａ　ｌ　ｔ　Ｏｒ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にする
。

［問題点を解決するための手段］本発明は、０．５μｍ〜１．　ＯＯｔｉ　ｍの結晶粒子
を有するＡＩ、Ｏ，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Ｓｉ、Ｎ、微粒子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Ａ　１　、Ｏ＋
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Ｓｉ、Ｎイ微粒子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、Ａ、　ｌ　
１０　！マトリックス中に、ＴｉＮ微粒子及びＳｉ３Ｎ
４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Ａ、１．Ｏ。

結晶粒子内に、ＴｉＮ微粒子を分散することで、Ａ１．
０．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相としてのＳｉ
、Ｎ、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−トする。

本発明は、マトリックスとしてＡ　ｌ　ｔ　Ｏ＋、分散
粒子としてＴｉＮ微粒子及びＳｉ３Ｎ、ウィスカーを用
いることが特長である。そして、そのＡ、　ｌ　ｔ　Ｏ
ｓマトリックス粒子径は、０．５μｍ〜１００μｍであ
り、ＴｉＮ微粒Ｐは、粒子径２．０μｍ以下、Ｓ　ｉ　
、Ｎ、ウィスカーは径０．　１〜２μｍをＡＩ＝Ｏ＋マ
トリッ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、５μｍ以下の粒子径のＡ１．ＯＩ及
び２μｍ以下の粒子径のＴｉＮ及び０．１〜２μｍのＳ
ｉ、Ｎ４ウイスカーを用いて、これらを混合し、成形、
焼成することによ１２、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　Ｉ　ｌＯｒ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Ｓｉ、Ｎ、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、ＡＩ、Ｏ
，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Ａ　］　＊Ｏ＋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ＴｉＮ微粒子及びＳｉ、Ｎ、ウィスカーを各々２，０
μｍ以下の粒子径にする理由は、マトリックス粒内にＴ
ｉＮ微粒子及びＳ　ｉ　、Ｎ、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Ａ　１　ｔ　Ｏｓ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ＴｉＮ微粒子及びＳ　ｉｓＮ　４ウイスカーが、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℃以上の焼成が望ましい
。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
ン部品等の高温構造材料の他に、切削工具、耐摩耗性、
耐熱衝撃性にすぐれた材料として、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］［級社豊玉Ω男１］マトリックスであるＡＩ、Ｏ，には、住友化学株式会社
製ＡＫＰ−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．　０μｍ）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Ｓｉ、Ｎ、ウィスカー（０、１〜
２ｐ　ｍ　）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６０１ａＩｌりに充填し、１０
ＭＰａ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、３０　Ｍ　Ｐ　ａ
で、雰囲気ガスには窒素ガスを用いた。

［幕杖崖世ｙ］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、３Ｘ４Ｍ角長さ３６−にし、３
点曲げ試験片とした。

［１作ｊ１］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３０−１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４５°の角度
で約０．１馴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及びＳｉ、Ｎ。

ウィスカー添加量との関係を示す。この測定値がら、Ａ
　ｌ　＊　Ｏｓ　−Ｔ　Ｉ　Ｎ　２成分系での１７００
を焼結体では、平均９００ＭＰａ程度の強度であった。

それに対して、Ｓｉ、Ｎ、ウィスカー添加（３成分系）
３容積％から３０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
複雑な面を呈していたことから、Ａ　１　ｖｏ　ｓ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５ＩｊＮ、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Ｓ　Ｉ　
ＩＮ　（ライスカル３〜３０容積％を添加したＡ　Ｉ　
ｒ　Ｏ、複合マトリックスは、次のような顕著な技術的
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Ａ　Ｉ　、Ｏｘ／Ｔ　ｉ　Ｎ微粒子／　
Ｓ　ｉ、Ｎ　、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Ａ　Ｉ　＋Ｏｒ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Ｓｉ＿３Ｎ＿４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Ｓｉ＿３Ｎ＿４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。