JPH0483754A

JPH0483754A - アルミナ質繊維強化セラミックス

Info

Publication number: JPH0483754A
Application number: JP2196910A
Authority: JP
Inventors: Katsura Hayashi; 桂林; Katsumi Sakagami; 勝伺坂上
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1990-07-25
Filing date: 1990-07-25
Publication date: 1992-03-17

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繊維強
化セラミックスに関し、詳細には高靭性を有し特に切削
工具や、その他耐摩耗性部品に適したセラミックスに関
する。

（従来技術）アルミナ（Ａ１２０３）質焼結体は、耐摩耗性に優れた
材料として各種の産業機械用部品に応用されているが、
靭性に劣るという欠点を有するために利用分野の拡大が
阻害されている。

そこで従来から靭性を改善するために各種の改良が提案
されている。

例えば、炭化珪素（Ｓ　ｉ　Ｃ）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６２−４１７７
６号等にて提案されている。

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、熱伝導性がよいため
に、切削工具として用いた場合、一部の超耐熱合金の切
削（インコネル７１８の荒切削）では優れた切削性能を
示すものである。

しかしながら、ＳｉＣは鉄、特に酸化鉄と容易に反応す
るためにＡＩｚＯｆｆ　Ｓ　ｊＣウィスカー系工具は多
くの場合、他のＡ　１　ｚ　Ｏ］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、５ＵＳ３
０４を切削した場合、従来のＡ１□０３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
有する工具では急激に摩耗が進展し切削が不可能となる
問題がある。

また、鋳鉄の切削においてもＡｌ２Ｏ３系工具よりも摩
耗量が大きいことが確認されている。

このように、Ａ１２０３−８ｉＣウイスカー系工具では
被削材によってその切削性能が大きく変化するという問
題があるために、一部では安定性のない工具として評価
されている。

ところが、最近に至りこのような被削材との反応性を防
止することを目的として、ＳｉＣウィスカーに代わり、
ＳｉＣよりも鉄との反応性が低い炭化チタン（ＴｉＣ）
の繊維状物質（ウィスカー）を添加することが提案され
ている。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、このＡｌ２Ｏ：、−ＴｉＣウィスカー系
セラミンクスの抗折強度、靭性、硬度等の特性の点から
未だ十分に検討されておらず、実用的なレヘルに達して
いないのが現状であった。

具体的には、これまで−船釣に繊維状物質として用いら
れているＳｉＣウィスカーは、前述したように鉄との反
応性が高いのに対して、ＴｉＣウィスカーは鉄との反応
性が低いという利点を有している。しかしながら、二〇
ＴｉＣはＳｉＣに比較してヤング率がわずかに低く、理
論強度もＳｉＣより低いという性質を有するために焼結
体としての緒特性もＡ１□○、−３ｉＣウイスカー系よ
りも若干劣っている。よって、これらを工具として用い
た場合、ＡｈＯｚ　　Ｔｉ　Ｃウィスカー系は被削材と
して鉄系材料を選択した場合にはＡ１□０３−３ｉＣウ
イスカーよりも優れているが、鉄以外を被削材とする場
合では、Ａｌ２Ｏ３−３ｉ　Ｃウィスカー系よりも切削
性能的には劣っているのが廖状である。

（問題点を解決するための手段）本発明者等は、上記Ａ　ｌ　２０３−ＴｉＣウィスカー
系セラミックスに対して、さらに機械的特性を向上する
方法について詳細乙こ検討を重ねた結果、このアルミナ
−ＴｉＣウィスカー系に対して炭化珪素（ＳｉＣ）粒子
を適量分散することにより、鉄系材料との反応性を抑制
しつつＡ１□０３−３ｉＣウイス力−系材料以上の破壊
靭性をはじめとする機械的特性を向上できることを知見
し本発明に至った。

即ち、本発明のアルミナ質繊維強化セラミックスは、Ｔ
ｉＣウィスカーが５〜６０体積％と、ＳｉＣ粒子が３〜
３０体積％、残部がＡｌ２Ｏ３を主体とするマトリック
ス成分からなることを特徴とするもので、さらに前記マ
トリックス中にＭｇ、Ｙ、希土類元素、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃ
ｒから選ばれる少なくとも１種の酸化物を全体に対して
０．１〜３重景％の割合で含有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は、基本的に繊維状物質
としてＴｉＣウィスカーを選択し、ＴｉＣウィスカーを
分散するためのマトリックス成分としてＡ１□０３から
構成されるものである。本発明において用いられるＴｉ
Ｃウィスカーは、それ自体、単結晶あるいは多結晶質か
らなるもので、その平均径（短径）が２μｍ以下、特に
０．２〜０゜７μｍが好ましい。これは、マトリックス
成分であるＡ　１２０　ｚとの熱膨張差による応力が過
度にならず、高い抗折強度を維持できるからであり、平
均径が大きく成り過ぎると均一に分散することも難しく
なり、強度、靭性ともバラツキが生じやすくなり、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
る傾向にあるからである。

一方、ＴｉＣウィスカーの長径／短径で表されるアスペ
クト比が小さすぎると繊維強化の効果が小さく高い靭性
が得られにくく、逆に大きすぎると原料としての取扱が
難しく、均一に分散することができないために高い靭性
を得ることが難しくなる。よって、アスペクト比の平均
が３〜１００、特に１０〜３０のものが好適に使用され
る。

このようなＴｉＣウィスカーは、例えば酸化チタンウィ
スカーを炭化処理したり、ＣＶＤ法により合成すること
ができる。

このＴｉＣウィスカーは、Ａ　ｌ　２０３を主成分とす
るマトリックス成分中に全量中５〜６０体積％、特に２
５〜５０体積％になるように分散させる。

ウィスカーの量を上記の範囲に設定したのは、ウィスカ
ー量が５体積％未満では、ウィスカー添加による靭性向
上効果が小さく、６０体積％を越えると系全体の焼結性
が低下する。なお、機械的特性および焼結の容易性を考
慮すれば、ＴｉＣウィスカーの添加量は２５〜５０体積
％であり、最適には３０〜４０体積％がよい。

本発明によれば、上記Ａｌ２Ｏ３ＴｉＣウィスカー系に
おいて、ＳｉＣ粒子を３〜３０体積％、特に５〜１５体
積％の割合で分散させることが重要である。このＳｉＣ
粒子は平均粒径１μｍ以下、特に０６５μｍ以下である
ことが望ましい。なお、ＳｉＣ粒子の分散量を上記の範
囲に設定したのは、ＳｉＣ量が３体積％より少ないとＳ
ｉＣ粒子の添加効果、即ちＡ　ｌ　２０　：ｌの粒成長
の抑制効果がなく、３０体積％を越えると焼結性が低下
し、良好な焼結体が得られない。また切削工具として用
いた場合、耐摩耗性が著しく低下する。

また、ＴｉＣウィスカーおよびＳｉＣ粒子を分散するマ
トリックスはＡ１□０３を主体とするものであるが、こ
のマトリックスは、焼結体の機械的特性の点からその平
均結晶粒径が０．５〜５μｍの構造からなることが望ま
しい。また、本発明によれば、このマトリックス中に焼
結助剤としてＭｇ、Ｙ、希土類元素、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ
から選ばれる少なくとも１種以上の酸化物を添加するこ
と乙こよりマトリックスの焼結性を高め、特性の向上を
図ることができる。しかしこの助剤量が多すぎると焼結
体の靭性が低下する。よってこれらの焼結助剤は、０．
１〜３重量％、特に０．５〜２重量％の割合で添加する
のがよい。なお、希土類元素としてはＹｂ、Ｎｄ、Ｅｒ
、Ｃｅ、Ｓｍ、、Ｇｄ、Ｄｙ等が挙げられる。

本発明の繊維強化セラミックスを製造するには、まず前
記ＴｉＣウィスカー、ＳｉＣ粉末、アルミナ粉末、必要
に応じて焼結助剤を前述した割合で混合、粉砕後に所望
の成形手段、金型ブレス、押し出し成形、射出成形、冷
間静水圧成形等によって成形後、焼成する。

焼成は、普通焼成、ホントプレス法、熱間静水圧焼成法
等が適用され、１６５０°Ｃ〜１８５０　’Ｃの温度で
Ａｒや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
中で０．５〜６時間行う。特に高密度の焼結体を得るた
めには、普通焼成あるいは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
焼成すればよい。

（作用）ＡｌｚＣｈ　　ＴｉＣウィスカー系に対して、ＳｉＣ粒
子を分散することにより、焼結体全体におけるＡｌｚ０
２　　Ｔ　Ｉ　Ｃウィスカー系における機械的特性の低
下を補うことができる。

また、ＴｉＣウィスカーは、ＳｉＣウィスカー成分に比
較して平均径の小さなものは製造土丹るのが難しい。そ
のためにマトリックス成分であるＡ　１　ｚ　Ｏ：ｌは
焼結過程において粒成長が促進されるために焼結体全体
の強度を低下させてしまう。ところが本発明に従い、Ｓ
ｉＣ粒子を分散すると叙上のＡ　ｌ　ｚ　Ｏ］の粒成長
が抑制され、微細な結晶構造を有するマトリックスが形
成され、これにより焼結体の機械的特性を改善すること
ができる。

また、焼結助剤の添加によりマトリックス成分の焼結性
を高めることにより高密度が図られ、焼結体全体の強度
、靭性を扁めることができる。

以下、本発明を次の例で説明する。

（実施例）平均粒径１μｍ以下、純度９９．９％以上のＡ１□０３
粉末と、平均粒径０．５μｍのＳｉＣ粉末と、所望によ
り第１表の酸化物を秤量後、回転ミルにて１２時間混合
粉砕した。この混合粉末に平均径（短径）１．０μｍ、
アスペクト比が１０〜３０のＴｉＣウィスカーを所定量
添加し、回転ミルで１２時間混合した。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、所定の温度で１時間、
３００ｋｇ／ｃｍ２の圧力でホットプレス焼成してＪＩ
Ｓ規格に基づ（抗折試験片を作成した。

得られた各試料を研磨して３点曲げ抗折強度を、ビッカ
ース硬度、また鏡面にポリッシング加工し１Ｍ法で靭性
（Ｋｌｃ）を測定した。

また、顕微鏡写真から組織観察し焼結性について評価し
た。

なお、参考試料としてＡ１２（ｈにＳｉＣウィスカーを
添加し同様に焼成したものについて特性を測定した。

結果は、第１表に示す。

（以下余白）第１表によれば、ＴｉＣウィスカー単独からなる試料Ｎ
ｏ、　１では、抗折強度が７５ｋｇ／ｍ２、靭性が４．
５　ＭＰ　ａ−ｍ””程度といずれも特性は低いそこで、ＴｉＣウィスカーに加えＳｉＣを添加すること
により抗折強度、靭性ともに高めることができるが、Ｓ
ｉＣ粒子の添加量が３０体積％を越える試料Ｎｏ、　６
では焼結不良が発生し特性が劣化した。

また、この系に対して各種の焼結助剤を添加することに
より焼結性が改善され特性を高めることができるが、焼
結助剤の量が３重量％を越える試料Ｎα１３では、逆に
ボイドが残存し抗折強度が劣化した。さらに、ＴｉＣウ
ィスカー量に関しては全く添加しない試料Ｎｏ、２６で
は、ＳｉＣ粒子分散系となり靭性が低くなった。逆に５
０体積％を越える試料Ｎｏ、　２９は焼結性が悪く焼結
体中にボイドが発生した。なお、Ａｌ２Ｏ３ＳｉＣウィ
スカー添加系とＡｌｚＣｈ　　ＴｉＣウィスカー系であ
る試料Ｎα１と比較すると特性は前者の方が優れるが、
本発明に従い、ＳｉＣ粒子を添加することにより試料Ｎ
ｏ、　７に示すようにＡ１□○：ｌ−３ｉＣウイスカー
系よりも優れた特性となった。

本発明の試料は、ＡＩＺＯ：ｌ　　Ｔ　ｉＣウィスカー
ＳｉＣ系において抗折強度８０ｋｇ／ｍ”以上、靭性４
．５ＭＰａ−ｍ””以上が達成され、さらに焼結助剤を
添加することにより抗折強度８０ｋｇ／　ｍ　２以上、
靭性５．ＯＭＰａ−ｍ””以上が達成された。

（発明の効果）以上詳述した通り、本発明によれば、Ａ１□０３ＴｉＣ
ウィスカー系に対してＳｉＣ粒子を分散することにより
、鉄系材料との反応性を抑制しＴｉＣウィスカー添加に
よる耐摩耗性を維持しつつ、焼結体の強度および靭性を
Ａ１□０３−３ｉＣウイス力−系以上に向上することが
でき、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として繊維強化セラミックス
の用途を拡大することができる。

特許出願人（６６３）京セラ株式会社

Claims

【特許請求の範囲】

（１）炭化チタンウイスカーが５〜６０体積％と、炭化
珪素粒子が３〜３０体積％、残部が酸化アルミニウムを
主体とするマトリックス成分からなることを特徴とする
アルミナ質繊維強化セラミックス。
（２）炭化チタンウイスカーが５〜６０体積％と、炭化
珪素粒子が３〜３０体積％、残部が酸化アルミニウムを
主体とするマトリックス成分からなり、前記マトリック
ス中にＭｇ、Ｙ、希土類元素、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒから選
ばれる少なくとも１種の酸化物を全体に対して０．１〜
３重量％の割合で含有することを特徴とするアルミナ質
繊維強化セラミックス。