JPH0450160A - 透光性アルミナ焼結体 - 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、高強度、高硬度、耐摩耗性、耐食性及び透光
性にすぐれた材料であって、これらの特性を応用して用
いる、例えば切削工具、耐摩耗工具の工具材料、光学部
品材料、耐食性材料、電子部品材料又は精密機械部品材
料に適する透光性アルミナ焼結体に関するものである。

（従来の技術） アルミナは、化学的に、また熱的に安定であり、しかも
極めて優れた耐摩耗性をもった物質であることから、こ
れらの性質のすべてが要求される切削工具材料として古
くから注目されてきた。

従って、アルミナの焼結体をもって切削工具の刃先を構
成しようとする多くの努力があった。

しかしながら、アルミナは決して焼結性のよい物質では
なく、従って本来の靭性に乏しい性質に加えて焼結性の
不足に基因する各種の欠陥の存在のために一層脆弱なも
のとなり、予期せぬ突然の破滅的な破壊の危惧があり、
今日の自動化の潮流から取残され、実質的純アルミナ焼
結体をもって切削工具の刃先を構成する希望は殆んど失
なわれているのが実情である。

一方、現実のアルミナ焼結体の上述のような欠点を、他
の物質と複合することによって補おうとする多くの試み
があり、その一つの成功例がアルミナに適当量のチタン
炭化物等を加えた工具材料である。

更に最近では、アルミナにジルコニアを添加して靭性を
向上した物質や、アルミナをＳｉＣウィスカーで強化し
た工具材料の提案もある。

しかしながら、これらの先行技術材料は、いずれもアル
ミナ焼結体の脆いという欠点を補うために生れた妥協の
産物であって、アルミナが本来的に持っていた化学的、
熱的安定性や耐摩耗性、特に鉄鋼切削において発揮する
優れた耐摩耗性を多かれ少なかれ犠牲にすることによっ
て存在しているものである。従って純アルミナ工具材料
へのあこがれは止み難く、別の妥協の産物として適当な
基材の上にアルミナをコーティングした工具材料の提案
があるのは当然である。この工具材料は、少なくともそ
のアルミナ皮膜に関する限り理想に近い純アルミナであ
り、従ってアルミナが本来もっている高い化学的、熱的
安定性と、特に鉄鋼切削における優れた耐摩耗性をもっ
ており、恐らく今日量も成功した工具材料の一つである
ということができる。

しかしながら、これもまた妥協の産物でしかなく、薄膜
なるが故の短寿命という欠点がある。しかも異質な基材
の上に合成された本来的に脆性な薄膜であるために、異
常ともいうべき切削時の力学的、熱的、化学的作用の下
で薄膜が破損、剥離し易いという、被覆工具材料の宿命
的欠点からまぬがれることはできない。

また、透光性アルミナ焼結体に関する提案も行われてお
り、その代表的なものとして、特開昭４９３０４０６号
公報及び特開昭５６−１４００７２号公報がある。

（発明が解決しようとする課題） 特開昭４９−　３０４０６号公報には、酸化マグネシウ
ム及びもう一つの他の金属酸化物成分として０．００１
〜０．０２重量％の酸化カルシウムを含む多結晶性酸化
アルミニウムから主としてなる透明製品が開示されてい
る。この同公報の透明製品は、透光性にすぐれた材料で
あるけれども、硬さ及び強度が低くて切削工具や耐摩耗
工具などの工具材料としては実用できないという問題が
ある。

また、特開昭５６−１４００７２号公報には、実質的に
純アルミナからなる透光性アルミナセラミックの製造方
法が開示されている。この同公報に開示の方法で得られ
る透光性アルミナ焼結体は、数１０μｍ以上の粒径の焼
結体であって、硬さ及び強度が低くて切削工具や耐摩耗
工具などの工具材料としては実用できないという問題が
ある。

本発明は、上述の如〈従来技術が果し得なかった技術的
課題の解決に一気に迫る、優れた性質と性能を有する透
光性アルミナ焼結体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） 本発明の透光性アルミナ焼結体は、アルミナ９９．７重
置％以上の実質的純アルミナからなるアルミナ焼結体で
あって、該アルミナ焼結体がピッカース硬さ：　２００
０〜３０００ｋｇｆ／ｍｍ”　　（１０にｇ荷重）、密
度：　３．９５　ｇ／ａｍ”以上、かつ１ｍｍ厚さの光
直線透過率：３０％以上であることを特徴とするアルミ
ナ焼結体である。

本発明の透光性アルミナ焼結体における実質的純アルミ
ナとは、９９．７重量％以上のアルミナの他に、微量の
不純物程度に粒成長抑制となる物質、例えば周期律表２
ａ、　３ａ族金属の酸化物、具体的にはＭｇｏ、　Ｓｒ
Ｏ，希土類の酸化物の含有した焼結体である。この焼結
体の粒径は、従来のアルミナ焼結体では得られない高硬
度及び高強度にするために、できるだけ微細で、かつ均
一な粒径のものが好ましく、平均粒径が１．５μｍ以下
の結晶粒子でなることが特に好ましいことである。

本発明において発明者らは、本来脆性材料であるアルミ
ナ焼結体においては単純に材料の破壊靭性値（にｔｅｌ
　を向上させても激しい外部環境にさらされる工具用途
では十分でなく、破壊過程、すなわちクラックが発生し
てからのクラック伸長過程における靭性の向上よりもク
ラックの発生しない限界強度を高めることが重要である
との認識に立って、焼結体の高強度化を進めた。そのた
めには強度欠陥となる気孔、微細クラック、異常粒子、
異物を徹底的に排除する必要があるが−１先ず気孔、微
細クラックの排除のためには焼結体の密度を理論密度に
近づけることが第一歩である。その実現のためにアルミ
ナ出発原料の選択に大きな努力が払われた。すなわち始
めから気孔を内包する次粒子からなる粉末を極力含まな
い粉末を選ぶこと、焼結性を高めるためできるだけ微粒
の粉末を選ぶこと、焼結前に粒体表面をできるだけ活性
化させておくことである。すなわち、具体的には天質的
に　０．５μｍ以下の一次粒からなるアルミナ粉末を成
形前にミリングして用いるのが好ましい。異常粒子及び
異物を排除するためには徹底した品質管理以外に手段は
ないが、本発明においては特にアルミナの異常粒成長を
誘発し易いＮａ。

Ｃａ、　Ｓｉ、　Ｔｉ、　Ｆｅなとの不純物の侵入を防
ぐため徹底した工程のクリーン化で対処した。また焼結
体の強度向上のためには結晶粒度の微細化は重要な要因
であるが、よく知られているアルミナ粒成長抑制剤とし
てＭｇＯを微量添加した。焼結は大気中の常圧焼結で十
分であるがホットプレスでもよく、特に常圧焼結後の熱
間静水圧（ＨＩＰ処理）を加えることが好ましい。

般に従来の純アルミナ系焼結体の３点曲げによって評価
される抗折力は、汎用種において平均値で３００〜５０
０ＭＰａ、切削などの工具用途種で平均値でも　４００
〜６００ＭＰａといった水準のものである。これに対し
て本発明になる工具用アルミナ焼結体は１％累積破壊強
度で７００ＭＰａ以上、平均値ではｌｏｏｏＭＰａを超
す驚くべき高い強度をもつ。従来も９９．９％程度の純
アルミナ焼結体で密度が理論密度に近いものまでの高密
度透光性焼結体が得られたという報告はあったがそれで
も尚抗折力は５５〜６５ｋｇｆ／ｆｆ１ｍ２（５５０〜
６５０ＭＰａ１　、ピッカース硬度１７５０〜１８４０
ｋｇｆ／ｍｍ”の範囲のもので、工具用アルミナ焼結体
としては従来技術の域を出るものではなかった。

（実施例） 実施例１ 微粒透光性アルミナ製ポット及びボールを用いて、大明
化学製純アルミナ粉末（商品名ＴＭＤＡ）　１００ｇと
硝酸マグネシウム１．２７ｇ　ｆＭｇｏ換算で０、２ｗ
ｔ％に相当）とメタノール１８０ｍβをを加えて７２時
間混合粉砕後、中東油脂製の油脂（商品名５Ｅ−６０４
）を１２ｇ追加してさらに２４時間混合粉砕した。次い
で、乾燥及び造粒後、２　ｔｏｎ／ｃｍ”の圧力で加圧
成形し、この成形体をＮ２ガス中、１．５’Ｃ／ｍｉｎ
の定速昇温で　６００℃まで加熱して脱脂した。次に、
大気中、２４時間で１３００℃まで昇温し、８時間保持
及び炉冷後、Ａ「雰囲気、　１５００気圧。

１３００℃で６０分保持によりＩＩＩＰ処理して本発明
品１を得た。この本発明品ｌのピッカース硬さ（１０ｋ
ｇ荷重）、密度、１ｍｍ厚さにおける白色光の直線透過
率及び走査電子顕微鏡による平均粒径を求めて、その結
果を第１表に示した。

実施例２ 硝酸マグネシウムの添加量を０．３２８　（ＭｇＯ換算
で０．０５ｗｔ％に相当）、油脂を（中東油脂製Ｆ２１
９　）　２４ｇにした以外は実施例１と同様に行って本
発明品２を得た。この本発明品２を本発明品ｌと同様に
調べて、その結果を第１表に併記した。

実施例３ 実施例１の内、脱脂後の工程を大気中、２４時間で１２
７０℃まで昇温し、２時間保持及び炉冷にした以外は、
実施例１と同様に行って本発明品３を得た。この本発明
品３を本発明品ｌと同様に調べて、その結果を第１表に
併記した。

比較例 市販のアルミナ粉末に０．０５ｗｔ％ＭｇＯ粉末を加え
て、湿式混合粉砕、乾燥及び加圧成形後、■、雰囲気中
１８００℃、３時間保持及び炉冷にて比較品ｌを得た。

また、同じアルミナ粉末に０．２　ｗｔ％ＭｇＯ粉末を
加えて、湿式混合粉砕、乾燥及び加圧成形後、大気中１
６００℃、５時間保持及び炉冷並びに１１　Ｉ　Ｐ処理
にて比較品２を得た。この比較ｌ及び２を本発明品ｌと
同様に調べて、その結果を第１表に併記した。

以下余白 以下余白 （発明の効果） 七に詳述したように本発明の透光性アルミナ焼結体は、
被加工物材料との反応性の極めて少ない化学的に安定な
実質的純アルミナであり、高硬度であるが故に高耐摩耗
性であるというアルミナ本来の好ましい特性を損うこと
なく極めて高い抗折強度と破壊靭性を実現して純アルミ
ナ切削工具材料の長年の技術課題を消化したものである
。更に本発明の透光性アルミナ焼結体は、微粒であるた
めに加工精度の高い、美麗な仕上面を出し易（、その高
耐摩耗性と相俟まって各種精密型材及び各種耐摩耗工具
として好適である。更にまた本発明品は透光性があるた
めに、表面にある欠陥や庇だけでなく、内部の欠陥まで
が判別でき、加に中あるいは使用中に発生したクラック
を発見するのが非常に容易でセラミックスの最大の欠点
であった突発的な破壊を未然に防止できる。

特許出願人　東芝タンガロイ株式会社

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）アルミナ９９．７重量％以上の実質的純アルミナ
   からなるアルミナ焼結体であって、該アルミナ焼結体が
   ピッカース硬さ：２０００〜３０００ｋｇｆ／ｎｍ＾３
   （１０Ｋｇ荷重）、密度：３．９５ｇ／ｃｍ＾３以上か
   つ１ｍｍ厚さの光直線透過率：３０％以上であることを
   特徴とする透光性アルミナ焼結体。
2. （２）上記アルミナ焼結体が平均粒径：１．５μｍ以下
   の結晶粒子からなることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の透光性アルミナ焼結体。