JPH0460080B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

［産業上の利用分野］ 本発明は、セラミツクス焼結体の塑性加工方法
に関し、さらに詳しくは、セラミツクス焼結体を
塑性変形せしめることにより、例えば、プレス加
工法、鍛造法などを適用して複雑形状あるいは大
型のセラミツクス製品を製造することを可能にし
たセラミツクス焼結体の塑性加工法に関する。 ［従来技術および発明が解決しようとする問題
点］ セラミツクス焼結体は、耐熱性、耐摩耗性なら
びに耐食性に優れた材料として各種工業分野で注
目を集めている。ところが、このセラミツクス焼
結体は極めて硬度が高いため、その加工にあたつ
ては、例えばダイヤモンド研磨などにより目的の
形状とすることが一般的であつた。 したがつて、大型のもの、あるいは複雑形状の
ものを製造することは困難であり、また、製造コ
ストの上昇を招来するなどの加工上の問題があ
る。とくに、Al₂O₃は耐熱性、硬度および耐食性
に優れ、しかも安価なセラミツクス材料として最
も多く使用されているものだけに、かかる問題は
深刻なものとなつている。 本発明は、従来のかかる問題を解消し、セラミ
ツクス焼結体を塑性変形せしめることにより、金
属と同様のプレス加工法、鍛造法などを適用する
ことが可能となるようなセラミツクス焼結体の塑
性加工方法を提供を目的とする。 ［問題を解決するための手段］ 本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意研究を
重ねる中で、次のように着想するに到つた。すな
わち、一般的な例として金属を塑性変形せしめる
場合を考えてみると、塑性変形は金属の結晶粒の
粒界すべりにより起きるもので、これは金属結合
という金属に特有の原子結合状態に因るものであ
る。一方、セラミツクス焼結体は一般にイオン結
合と共有結合と一部の金属結合とが混在したかた
ちの原子結合であるが、塑性変形性という点から
みると、上述した金属結合と同様、電子の自由度
が高いという点でイオン結合性が強いものの方が
好ましい。ところが、このようにイオン結合が強
いものは、逆に、高温強度が低下してしまい、結
果として、塑性変形せしめるための応力に耐える
ことができない。一方、その反対に、共有結合性
が強いセラミツクス焼結体は高温強度に優れてい
るものの塑性変形を起こしにくいという性質を有
する。すなわち、塑性変形せしめることが可能な
セラミツクス焼結体は、ある程度以上の強度を既
に備えていることが必要である。 そこで、本発明者らは、被加工材として、イオ
ン結合性の高い金属化合物と焼結体に所望の強度
を発現せしめるための共有結合性の高い金属化合
物を所定の体積比で含有する、すなわち、イオン
結合と金属結合と共有結合を所定の割合で含むセ
ラミツクス焼結体を選定し、かつ、かかるセラミ
ツクス焼結体を塑性変形せしめるための諸条件の
最適値を見出して本発明を完成するに到つた。 すなわち、本発明のセラミツク焼結体の塑性加
工方法は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム
および酸窒化アルミニウムから選ばれる少なくと
も１種のアルミニウム含有化合物；チタン、ジル
コニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タ
ンタル、クロム、モリブデン、タングステンまた
はケイ素の炭化物、窒化物または酸化物およびこ
れらの相互固溶体から選ばれる少なくとも１種の
硬質化合物を必須成分とするセラミツクス焼結体
であつて、該アルミニウム含有化合物の含有量が
５〜95体積％であるセラミツクス焼結体を、還元
性雰囲気もしくは真空中において、温度1300℃以
上、応力15Kg／mm²以下かつ歪速度10^-3／秒以下の
条件で塑性変形せしめることを特徴とする。 ［具体的説明］ 本発明は、前述したように、被加工材となるセ
ラミツクス焼結体の組成および塑性変形条件の２
点に特徴を有するものである。 まず、第１の特徴であるセラミツクス焼結体は
まず、第１の必須成分としてイオン結合性の強い
アルミナ（Al₂O₃）、窒化アルミニウム（AlN）、
アルミニウムの酸窒化物（Al（Ｏ，Ｎ））のうち
から選ばれる少なくとも１種のAl含有化合物を
含有する。中でもAl₂O₃はイオン結合性が強く、
高硬度で低比重であることから好ましいものであ
るといえる。このAl含有化合物はセラミツクス
焼結体において５〜95体積％の範囲で含有される
ことが必要である。この含有量が上記範囲を逸脱
すると前述したイオン結合、金属結合および共有
結合の適正な配分調整が困難となる。好ましくは
40〜70体積％である。 一方、第２の必須成分である硬質化合物として
は、上に列挙したものであればとくに限定される
ものではないが、その組成は、上述したAl含有
化合物のイオン結合性および金属結合性との関
係、および、得られた焼結体の用途に応じて適宜
設定することが好ましい。 この硬質化合物の具体例としては、例えば、
TiC，ZrC，HfC，VC，NbC，TaC，Cr₃C₂，
Mo₂C，WC，SiC；TiN，ZrN，HfN，VN，
NbN，TaN，CrN，Si₃N₄；TiO，TiO₂，
ZrO₂，HfO₂，Cr₂O₃，Ta₂O₅，SiO₂；Ti（Ｃ，
Ｎ），Ti（Ｃ，Ｏ），Ti（Ｎ，Ｏ），Ti（Ｃ，Ｎ，
Ｏ），（Ti，Zr）（Ｃ，Ｎ），（Ti，Ta）Ｃ，（Ti，
Nb）Ｃ，（Ti，Ta，Ｗ）Ｃなどをあげることが
できる。 また、この金属化合物は単独で添加しても２種
以上を添加してもよいが、とくに、２種以上の金
属化合物が互いに固溶してなる固溶体の形で添加
すると、焼結時に発生する気孔が減少するため焼
結体の強度の向上という点で効果的である。 さらに、得られる焼結体に低比重、耐酸化性お
よび高強度を発現せしめる場合は、Tiを含有す
る金属化合物を使用することが、また、強靭性か
つ良熱絶縁性のものを得るためにはZrを含有す
るものをそれぞれ使用することが好ましい。 本発明において使用するセラミツクス焼結体
は、上記２つの必須成分を含有するものであり、
この２成分が存在することによつて、焼結時に相
互の結晶粒の粒成長抑制効果を発揮するが、かか
る必須成分のほかに、さらに0.1〜７体積％の粒
成長抑制剤を含有せしめると粒成長抑制効果が一
層増強され極めて微細な結晶の焼結体を得ること
ができる。かかる粒成長抑制剤の具体例として
は、例えば、MgO，CaO，Sc₂O₃，Y₂O₃，NiO，
CoO，FeO，Fe₂O₃，Fe₃O₄，La₂O₃，Ce₂O₃，
Pr₂O₃，Nd₂O₃，Sm₂O₃，Eu₂O₃，Dy₂O₃，
Er₂O₃，Tb₂O₃，Mg₃N₂，Ca₃N₂，ScN，YN，
CeN，DyN，Y₃Fe₅O₁₂，NiFe₂O₄，MgFe₂O₄，
LaFeO₃などをあげることができる。この粒成長
抑制剤の含有量が0.1体積％未満であると充分な
添加効果は得られず、一方、７体積％を越えて添
加すると、逆に粒成長を起こし、さらに、粒界に
脆弱な化合物が偏析するので好ましくない。 以上述べた本発明の被加工体であるセラミツク
ス焼結体は、前述した各化合物粉末を所定の割合
で混合・混練したのち、常法を適用して成形、焼
結することにより容易に製造することができる。
このとき、得られるセラミツクス焼結体の強度
は、各成分を単独で焼結して得られた焼結体に比
べて飛躍的に向上する。さらに、焼結体の塑性変
形の機構は金属の場合と同様、結晶粒界のすべり
によるものである。したがつて、焼結体の結晶粒
径が小さいほど、結晶粒界が増大して塑性変形が
容易となる。このことから、焼結体の結晶粒径は
1μm以下であることが好ましい。 ついで、本発明方法の第２の特徴である焼結体
の塑性変形条件、すなわち、雰囲気、変形温度、
応力および歪速度について説明する。まず、焼結
体及び使用するモールドの酸化を防止するため
に、Ar，N₂などの還元性雰囲気もしくは真空中
で行なうことが必要である。また、変形温度は
1300℃以上であることが必要であり、この温度が
1300℃未満である場合には応力印加状態でクラツ
クが生じたり、破壊が起こるため好ましくない。
とくに、焼結体およびモールドの酸化防止と後述
するモールドの強度の限界との２点から、1300〜
1500℃の範囲に設定することが好ましい。つぎ
に、変形応力は15Kg／mm²以下に設定する。なお、
高価なモールドが破壊したり、焼結体にクラツク
が生じるといつた不都合を避けるために、この応
力を10Kg／mm²以下に設定することが好ましい。さ
らに、歪速度は10^-3／秒以下に設定する。10^-3／
秒を越えると、焼結体は変形せずに破壊してしま
う。好ましくは10^-5〜10^-3／秒である。これらの
諸条件はそれぞれ独立した条件ではなく、互いに
関連し合うものであるため、総括的な最適値にそ
れぞれ設定することが好ましい。 なお、かかる塑性変形工程に使用するモールド
の材料としては、耐酸化性、耐摩耗性、耐圧強度
に優れているものが好ましく、具体的には、黒
鉛、Si₃N₄，SiCなどがあげられ、なかでもSiCは
好適である。 さらに、塑性変形前の焼結体表面を砥粒又は砥
石によつて研磨したのち、塑性変形させると、変
形後の焼結体表面は変形前と同様の滑らかさを保
持するため、とくに複雑形状品を製造する場合に
有用である。 実施例 １〜10および比較例 １〜５ 各種のAl含有化合物、硬質化合物及び粒成長
抑制剤となる出発原料粉末を用いて、第１表に示
した各種試料を配合した。この各試料を混合、乾
燥、成形及び焼結して形状寸法3φ×15mm及び３
×４×30mmの焼結体を得た。これらの焼結体の諸
特性を第１表に併記した。これらの焼結体の内、
3φ×15mm形状寸法のものを用いて引張り試験に
より塑性変形させ、一方、３×４×30mm形状寸法
のものを用いて圧縮試験により塑性変形させた。
引張り試験は、JIS Ｚ 2201の金属材料引張試験
に準拠して、破断後の伸び率（％）を測定し、圧
縮試験は、JIS Ｒ 1601に準拠して、クラツク発
生又は破断までの曲げ角度（°）を測定した。こ
の引張り試験及び圧縮試験における塑性変形条件
及び変形後の焼結体の変形量（伸び率（％）又は
曲げ角度（°））及び変形部分の硬度を測定して
第２表に示した。

【表】

【表】

【表】 実施例 11 Al₂O₃粉末に種々の配合比でTi（C₀.₅，N₀.₅）粉
末を配合して得られた原料粉末を使用し、上記実
施例１と同様の工程により種々の組成の焼結体を
製造した。そして、各焼結体から、４×３×35mm
の試験片を作製し、JIS Ｋ 1601に準拠して、
Ar雰囲気下、1300℃および1400℃におけるそれ
ぞれの試験片の曲げに対する塑性変形強度を測定
し、結果を図に示した。 図からも明らかなように、1300℃においては
Ti（C₀.₅，N₀.₅）の含有量が30〜60重量％のもの
が塑性変形し、一方、1400℃では同じくTi（C₀.₅，
N₀.₅）の含有量が10〜80重量％のものが塑性変形
することを確認した。 ［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように、本発明方法に
おいては、まず、イオン結合および金属結合と共
有結合が適当に混在した組成を有する焼結体を被
加工材として使用し、さらに、このような焼結体
に対し、前述の如き特定の塑性変形条件を設定し
たので例えば、アルミナのようにイオン結合性の
強い焼結体を単味で使用する場合に比べて塑性変
形前の焼結体自身の強度が向上するとともに、塑
性変形時の粒界すべりに寄与するイオン結合成分
も存在しているので、容易に塑性変形せしめるこ
とが可能となる。したがつて、本発明方法を適用
すれば、従来極めて困難であるとされていたセラ
ミツクス焼結体のプレス加工や鍛造などが可能と
なり、大型もしくは複雑形状の部品、例えば、切
削用エンドミル刃、食品用押出フイーダー、油圧
ポンプ用スクリユー、穀物搬送用ポンプスクリユ
ー、締結用ワツシヤー、タービン用プロペラ、紡
績用糸道、自動車ローラー、カツター、はさみ、
磁気テープ切断用スクツターなどの製造が極めて
容易かつ安価に行なうことができ、しかも変形後
の表面は滑らかな状態で得ることができるなどそ
の工業的価値は極めて大である。

【図面の簡単な説明】

図は、種々の配合比のAl₂O₃−Ti（C₀.₅，N₀.₅）
系焼結体の1300℃および1400℃における塑性変形
強度を示したものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 酸化アルミニウム、窒化アルミニウムおよび
   酸窒化アルミニウムから選ばれる少なくとも１種
   のアルミニウム含有化合物；チタン、ジルコニウ
   ム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタ
   ル、クロム、モリブデン、タングステンまたはケ
   イ素の炭化物、窒化物または酸化物およびこれら
   の相互固溶体から選ばれる少なくとも１種の硬質
   化合物を必須成分とするセラミツク焼結体であつ
   て、該アルミニウム含有化合物の含有量が５〜95
   体積％であるセラミツク焼結体を、還元性雰囲気
   もしくは真空中において、温度1300℃以上、応力
   15Kg／mm²以下かつ歪速度10^-3／秒以下の条件で塑
   性変形せしめることを特徴とするセラミツクス焼
   結体の塑性加工方法。 ２ 該セラミツクス焼結体が、さらに、周期律表
   のａ，ａ，族元素又は希土類元素の酸化
   物、窒化物およびこれらの相互固溶体から選ばれ
   る少なくとも１種の粒成長抑制剤を0.1〜７体積
   ％含有するものである特許請求の範囲第１項記載
   の方法。