JPH05194022A - セラミックス複合材料及びその製造方法 - Google Patents

セラミックス複合材料及びその製造方法

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JPH05194022A
JPH05194022A JP4010987A JP1098792A JPH05194022A JP H05194022 A JPH05194022 A JP H05194022A JP 4010987 A JP4010987 A JP 4010987A JP 1098792 A JP1098792 A JP 1098792A JP H05194022 A JPH05194022 A JP H05194022A
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JP
Japan
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composite material
tic
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ceramic composite
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JP4010987A
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English (en)
Inventor
Ryuichi Matsuki
竜一 松木
Hisao Ueda
尚郎 上田
Takeyoshi Takenouchi
武義 竹之内
Koichi Niihara
晧一 新原
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Mitsubishi Materials Corp
Original Assignee
Mitsubishi Materials Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 高温特性に優れ、高靭性、高強度のAl2
3 系セラミックス複合材料を提供する。 【構成】 粒子径0.5〜10μmの結晶粒子を有する
Al23 マトリックス中に、二重粒度分布を有するT
iC粒子を3〜40体積%分散させる。 【効果】 緻密で特殊な組織構造を有していることか
ら、曲げ強度、破壊靭性等の機械的特性が大幅な改善が
可能である。粒子径が粗く安価なTiC粉末を使用して
いるが、強度は微細なTiC粉末のみを添加した複合材
料と同程度である上に、破壊靭性は更に改善される。A
23 の特性を損ねることなく、高耐熱性,高靭性,
高強度の特性を備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は特殊構造のセラミックス
複合材料及びその製造方法に関する。更に詳しくは、耐
熱性、耐摩耗性を有した高靭性、高強度セラミックス複
合材料及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】酸化アルミニウム(Al23 )は、易
焼結性で耐熱性、耐蝕性、電気絶縁性等に優れた特性を
有し、古くから工業材料として広範な用途に利用されて
きたが、強度、破壊靭性、耐熱衝撃性が低いという欠点
を持っている。このため、従来、このようなAl23
の欠点を複合化により改善しようとする試みがなされて
きた。
【0003】それら材料開発の多くは、第2相として粒
子、ウィスカーを分散したミクロンレベルの複合化が中
心である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記粒
子、ウィスカーの複合化では、その特性改善には限界が
あった。これらの分散粒子やウィスカーの複合化によ
り、破壊靭性は、分散粒子がAl23 の粒界に偏在す
るために生じるクラック偏向或いはウィスカーの引き抜
き等により改善されている。しかし、この考えでは、破
壊の発生源である上述の粒界の欠陥には変化がなく、そ
の欠点は残存しているため、大幅な強度向上は望めなか
った。また、Al23 のようなセラミックス焼結体
は、異方性粒子でマトリックスが形成されており、粒子
境界で隣接粒子の熱膨張差により歪が発生し、このため
に、粒界が破壊源となり、強度低下になることが周知で
ある。
【0005】本発明は上記従来の欠点を解消するため
に、Al23 マトリックス粒子中に二重粒度分布を有
するTiB2 粒子を分散複合化することにより高温特性
にも優れた高靭性、高強度のAl23 セラミックス複
合材料、更に、耐熱材料、耐摩耗部材、切削工具材料、
耐蝕性材料等として、組織構造制御により耐熱衝撃性や
使用時の破壊特性を著しく改善し得るAl23 系セラ
ミックス複合材料及びその製造方法を提供することを目
的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】請求項1のセラミックス
複合材料は、粒子径0.5〜10μmの結晶粒子を有す
るAl23 マトリックス中に、二重粒度分布を有する
TiC(炭化チタン)粒子を3〜40体積%分散させて
なることを特徴とする。
【0007】請求項2のセラミックス複合材料は、請求
項1のセラミックス複合材料において、粒子径1μm以
下のTiC粒子1.5〜30体積%、粒子径1μmを超
え10μm以下のTiC粒子1.5〜30体積%、残部
はAl23 よりなる配合組成であることを特徴とす
る。
【0008】請求項3のセラミックス複合材料の製造方
法は、請求項1のセラミックス複合材料を製造する方法
であって、請求項2に記載の配合組成にて、Al23
とTiCとを混合して成形した後、1500℃以上の温
度で焼結することを特徴とする。
【0009】以下に本発明を詳細に説明する。
【0010】本発明のセラミックス複合材料は、マトリ
ックスとしてAl23 、分散粒子として二重粒度分布
を有するTiCを用い、結晶粒子径0.5〜10μmの
Al23 マトリックス中に、TiC粒子を均一に分散
させた構造のものである。
【0011】本発明において、Al23 マトリックス
結晶粒子径を0.5〜10μmとする理由は、この粒子
径範囲であれば、得られるセラミックス複合材料の強度
が大幅に高くなるためである。その粉末原料として用い
るAl23 の粒子径を5μm以下とする理由は、焼結
しやすいためである。
【0012】本発明において、二重粒度分布を有するT
iC粒子の配合が3体積%未満であると十分な改善効果
が得られず、40体積%を超えるとTiCが多過ぎてA
23 本来の特性が損なわれる。
【0013】この二重粒度分布を有するTiCの粒度分
布及び各添加量は、粒子径1μm以下のものを1.5〜
30体積%、粒子径1μmを超え10μm以下のものを
1.5〜30体積%とするのが好ましい。この理由は、
この配合組成の範囲では、焼結時におけるAl23
の相互間の結晶粒成長抑制作用が大きく、焼結体の組織
を微細化して、強度、破壊靭性及び高温特性を効果的に
高めることができるためである。なお、粒子径1μm以
下のTiC粒子を用いる理由は、Al23 マトリック
ス結晶粒内に取り込まれ易いこと、そして、マイクロク
ラックが発生しない範囲であること等による。粒子径1
μmを超え10μm以下のTiC粒子を用いる理由は、
後述の如く強度を低下させることなく、破壊靭性を更に
改善するのに適した粒度範囲であることによる。
【0014】このような本発明のセラミックス複合材料
は、Al23 粒子と、上記二重粒度分布を有するTi
C粒子とを混合し、成形、焼結することにより製造する
ことができる。
【0015】また、マトリックスAl23 が焼結過程
で緻密に焼結され、この粒子内に分散相のTiCが均一
に取り込まれるように、焼結温度は1500℃以上とす
るのが望ましい。焼結は、ホットプレス焼結、常圧焼
結、HIP(熱間等方圧プレス)等のいずれの焼結法で
も良い。
【0016】本発明により得られるセラミックス複合材
料は耐熱材料として、切削工具、耐摩耗部材、耐熱衝撃
性のある構造材料として、特に好適である。
【0017】
【作用】本発明によるセラミックス複合材料では、Al
23 マトリックス中に二重粒度分布を有するTiC粒
子を分散させることにより、ナノオーダー及びミクロン
オーダーの複合化を行なって、材料の機械的特性の改善
を行なう。
【0018】即ち、Al23 の結晶粒内に、粒子径1
μm以下といった粒度の小さいTiC微粒子を分散させ
ることで、Al23 とTiCの熱膨張係数の差によ
り、マトリックスには引張応力、分散粒子には圧縮応力
が発生し、分散粒子と周囲のマトリックスに局部的な応
力場が形成される。この応力場により、クラックは分散
粒子の方向に誘導されて、粒内破壊を生じ、進展するク
ラックをトラップする。また、結晶粒子が内部で、Ti
C粒子にピンニングされた転位によって細分化された組
織になっている。このようにTiC微粒子の添加により
発生した応力場による粒内破壊への誘導及びTiC微粒
子の粒界、粒内でのマトリックスの拡散抑制による組織
の微細化によって、破壊強度を改善する。
【0019】この応力場によって、高温でのAl23
の強度低下の大きな原因であるAl23 結晶粒界のす
べりが抑制されるために高温強度が改善され、分散した
TiC微粒子は高温におけるAl23 中の転位移動を
阻害することにより、キャビテーションを抑制し、Al
23 自身の高温変形も抑制される。
【0020】破壊靭性についても、分散粒子TiCの周
りに生じた応力場がクラック先端を誘導し、クラック進
展の経路を偏向することにより改善される。更に、粒子
径1〜10μmといった粒度の大きいTiC粗粒子の分
散により、クラック偏向が大きくなり、破壊靭性は、よ
り一層改善される。
【0021】
【実施例】以下に実施例及び比較例を挙げて、本発明を
より具体的に説明する。
【0022】実施例1〜9,比較例1〜4 Al23 として住友化学社製α−Al23 (「AK
P−30」平均粒子径0.4μm)、TiCとして日本
新金属社製TiC−M(平均粒子径2μm)と白水化学
社製TiC(平均粒子径0.2μm)を使用した。
【0023】Al23 に対して、2種類のTiCを各
々表1に示す割合で添加し、エタノールを分散媒とし
て、アルミナボールミルで24時間湿式混合を行なっ
た。これを十分に乾燥した後、乾式ボールミルで解砕混
合を12時間行なって原料粉末とした。この原料粉末約
48gを黒鉛ダイス(内径60mm)に充填し、ホット
プレス装置(富士電波工業社製)で焼結した。ホットプ
レス条件は、表1に示す所定の焼結温度まで昇温させた
後、1時間保持、プレス圧30MPaとした。雰囲気ガ
スにはアルゴンガスを用いた。
【0024】得られた各焼結体を研削加工して、JIS
R1601に準じた3×4×40mmの3点曲げ試験
片の大きさとし、3点曲げ試験法により、荷重速度0.
5mm/min、スパン長さ30mmで、室温(20
℃)曲げ強度を測定した。また、破壊靭性は、荷重5k
g重、保持時間10秒で、IF法により測定した。結果
を表1に示す。
【0025】なお、実施例7,8及び比較例4について
は、高温における曲げ強度を同様に測定し、結果を表2
に示した。
【0026】表1より次のことが明らかである。即ち、
破壊靭性は、粒子径1μm以下のTiCのみを添加した
場合(比較例2〜4)、分散粒子TiCの周りに生じた
応力場がクラック先端を誘導し、クラック偏向により改
善されるが、更に粗い(粒子径1〜5μm)TiC粒子
を分散した本発明のセラミックス複合材料(実施例1〜
9)の破壊靭性は、より一層改善されている。このよう
に二重粒度分布を持つTiCを分散した複合焼結体の曲
げ強度及び破壊靭性測定後の破面の観察より、クラック
は分散したTiCによって、かなり複雑な経路を辿って
進展していることが確認された。
【0027】また、二重粒度分布を有したTiCを分散
した複合焼結体の曲げ強度は、粗いTiCを含有してい
るにもかかわらず、粒子径1μm以下のTiCのみを添
加した場合に比べても、強度の低下は殆どなかった。
【0028】また、表2より次のことが明らかである。
即ち、Al23 単相では、高温になると著しい強度低
下を生じるが、二重粒度分布を有したTiCを添加した
複合焼結体(実施例7,8)では、1000℃まで室温
と同程度の強度が維持され、1200℃でも900MP
a以上の強度が維持された。このように本発明のセラミ
ックス複合材料では、粒子径1μm以下のTiCのみを
添加した複合焼結体(比較例4)と同等の高温特性を有
した。
【0029】
【表1】
【0030】
【表2】
【0031】
【発明の効果】以上詳述した通り、本発明のセラミック
ス複合材料は、Al23 マトリックス中に二重粒度分
布をもつTiCを分散させたものであり、緻密で特殊な
組織構造を有していることから、曲げ強度、破壊靭性等
の機械的特性が大幅な改善が可能になった。
【0032】また、本発明のセラミックス複合材料は、
粒子径が粗く安価なTiC粉末を使用しているが、強度
は微細なTiC粉末のみを添加した複合材料と同程度で
ある上に、破壊靭性は更に改善される。
【0033】このように本発明のセラミックス複合材料
は、Al23 の特性を損ねることなく、高耐熱性,高
靭性,高強度の特性を備える材料であり、各種構造用材
料として極めて有用である。
【0034】請求項2のセラミックス複合材料によれ
ば、より一層各種特性に優れたセラミックス複合材料が
提供される。
【0035】請求項3のセラミックス複合材料の製造方
法によれば、このようなセラミックス複合材料を容易か
つ効率的に製造することができる。
フロントページの続き (72)発明者 竹之内 武義 埼玉県大宮市北袋町1丁目297番地 三菱 マテリアル株式会社セメント研究所内 (72)発明者 新原 晧一 大阪府枚方市香里ヶ丘9−7−1142

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 粒子径0.5〜10μmの結晶粒子を有
    するAl23 マトリックス中に、二重粒度分布を有す
    るTiC粒子を3〜40体積%分散させてなることを特
    徴とするセラミックス複合材料。
  2. 【請求項2】 粒子径1μm以下のTiC粒子1.5〜
    30体積%、粒子径1μmを超え10μm以下のTiC
    粒子1.5〜30体積%、残部はAl23よりなる配
    合組成である請求項1に記載のセラミックス複合材料。
  3. 【請求項3】 請求項2に記載の配合組成にて、Al2
    3 とTiCとを混合して成形した後、1500℃以上
    の温度で焼結することを特徴とする請求項1に記載のセ
    ラミックス複合材料の製造方法。
JP4010987A 1992-01-24 1992-01-24 セラミックス複合材料及びその製造方法 Withdrawn JPH05194022A (ja)

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