JPH0520382B2

JPH0520382B2 -

Info

Publication number: JPH0520382B2
Application number: JP60178624A
Authority: JP
Inventors: Junichiro Suzuki; Minoru Nakamura
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1985-08-15
Filing date: 1985-08-15
Publication date: 1993-03-19
Also published as: JPS6241776A

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野）本発明は、鋼および鋳鉄の高速切削に使用する
のに適し又構造用セラミツク材料としても使用し
得る高密度で靱性の強いアルミナ−ジルコニア系
のセラミツクス材料特にSiCウイスカーで強化さ
れた工具を製造するためのセラミツクス材料組成
物に関する。（従来の技術）アルミナはセラミツクス材料の代表的なもの
で、高速切削用工具としては、高速切削時におけ
る優れた耐酸化性を示すこと、かつ鉄との化学反
応性が低く、摩擦係数が小さいなどの理由で、現
在酸化アルミニウム基切削工具が主流となつてい
る。しかしながら、酸化アルミニウムは、耐熱衝撃
性および速度での機械的特性が充分でないため、
酸化アルミニウム基切削工具では高速切削速度で
安定して鋼を切削することはきわめて困難であ
る。そして、アルミナ中にジルコニアを分散させて
焼結した複合セラミツクスはジルコニアの結晶変
態挙動により靱性が向上することがしられている
が、その靱性向上機構は焼結体を冷却中にジルコ
ニアが正方晶から単斜晶へ変態する無拡散格子変
態とマトリツクスとの相互反応を利用したもので
あり、室温での靱性の向上には極めて有効な方法
である。しかし、この方法はZraO₂の変態を利用してい
るため、高温において充分にこの機構が生かされ
ず、従つて高温状態で使用される工具としては使
用範囲が限定されるものであつた。近時、セラミツクスの強化手段として繊維強化
（FRC）が有望視され特に高温における靱性劣化
に対し有効な手段ではないかと考えられている
が、Al₂O₃−ZrO₂系のセラミツクスに対し、例え
ばSiCウイスカーを用いて強化しようとしても満
足すべき成果は得られていない。即ち、SiC自体はもともとAl₂O₃−ZrO₂との新
和性が悪く、さらにウイスカーは焼結の駆動力と
なる格子欠陥が極めて少ないので一層両者の親和
性は悪化されている。従つて、Al₂O₃−ZrO₂にウイスカーを添加する
場合、焼結助剤を多くしたり、焼結温度を上げた
り、さらには加圧焼結法をもちいたりして、マト
リツクスを過焼結させねばならないものと考えら
れていた。酸化アルミニウム単純系の工具を使用する場
合、その靱性の低さより、使用範囲がかなり限定
されていた。これを改良すべく、種々の研究がな
され、Al₂O₃−ZrO₂系セラミツクスに金属の酸化
物、窒化物、炭化物、ほう化物を添加すると靱性
および硬度が一段と向上することが知られてお
り、現在Al₂O₃−TiC系工具が、実用化されてい
る。しかしながら、これら複合体の靱性はかなり
の向上がみとめられているものの未だ充分に市場
の要求を満足しうるものではなかつた。その原因について種々検討したところAl₂O₃−
ZrO₂とSiCウイスカーの分散強化効果が生かされ
ていないためと思われた。従つて、従来は通常のAl₂O₃焼結体に比べウイ
スカーを添加する場合、焼結助剤を多くしたり、
焼結温度をあげたり、さらに加圧焼結法を用いた
りしていたのが現状である。本発明は、上記欠点を改良し、高速切削でも、
耐摩耗性および耐熱衝撃性に優れ寿命の長いセラ
ミツクス切削工具を提供することを目的とするも
のである。（発明が解決しようとする問題点）上記の従来法によるときは、Al₂O₃−ZrO₂母相
自体の強度を低下させ、更にAl₂O₃−ZrO₂母相と
SiCウイスカーとが充分に密着していないので、
最終焼結体は充分な靱性強度を得ることができな
かつた。（問題点を解決しようとするための手段）本発明は上記の問題点を種々検討の結果、Al₂
O₃−ZrO₂母相形成成分とSiCウイスカーの親和性
を改善すれば、セラミツクスの靱性を改善し得る
との着想に基づきなされたもので、特に両者の親
和性はSiCウイスカーの表面を改質することによ
り、Al₂O₃−ZrO₂母相形成成分との密着性を向上
させ得るという知見に基づくものである。即ち本発明はSiCウイスカー５〜50重量％、
MgO，CaO，Y₂Ｏ、ランタノイドの酸化物から
選ばれた一種以上0.5〜７重量％、周期律表ａ，
ａ，ａ族の遷移金属及びその酸化物、窒化
物、炭化物から選ばれた一種以上0.5〜40重量％
又は同遷移金属の硼化物から選ばれた一種以上
0.05〜40重量％、ZrO₂３〜40重量％、Al₂O₃30〜
80重量％からなる複合材料及びこの組成物にAl，
AlN，Ｂ，Ｃ，B₄Ｃ及び（Si，Al，Ｙ、ランタ
ノイド、アクチノイド）の硼化物から選ばれた一
種以上0.05〜５重量％を添加してなる複合材料で
ある。（作用）上記においては靱性を向上させるべく研究した
結果、第１の発明、第２の発明に於て示したよう
にAl₂O₃−ZrO₂母相形成成分に分散させるもの
に、特定の金属及び酸化物、窒化物、炭化物、硼
化物を第１の分散相形成々分とし、これに更に高
強度セラミツクスであるSiCウイスカーを第２の
分散相形成々分として、上述の分散相にからませ
ることが有効であることを見出した。ここで第１
の分散相は靱性の向上に有効であることは勿論、
硬度の向上の手段としても欠くことのできないも
のである。又特に第２の発明で示した特定の元素、化合
物、硼化物は前記第１の分散相の効果を一層高め
る第３の分散相として価値あることを見出した。次に本発明の焼結材料に於ける各成分範囲を前
述の如く限定した理由を説明する。母相形成々分であるAl₂O₃が30重量％未満では
母相形成の効果がなく、80重量％を超えると、
ZrO₂及び各分散相形成々分の効果が弱くなつて
しまう。又ZrO₂が３重量％未満では変態による強化機
構が期待できず、40重量％を超えると耐摩耗性の
低下を招く。第１の分散相形成々分として添加されるところ
の周期律表ａ，ａ，ａ族の遷移金属及びそ
の酸化物、窒化物、炭化物は0.5重量％未満では
所望の効果はなく、又、40重量％を超えると靱性
が低下するもので好ましくない。又、同遷移金属
の硼化物の場合には0.05重量％未満では所望の効
果が得られず、又40重量％を超えると靱性が低下
するので好ましくない。又焼結助剤としてMgO，CaO，Y₂O₂、ランタ
ノイドの酸化物はAl₂O₃−ZrO₂を焼結させるのに
有効であるが添加量が0.5重量％未満では所望の
効果が無く、７重量％を超えると靱性が低下する
ので好ましくない。第２の分散相形成々分であるSiCウイスカーは
５重量％未満では分散強化効果がなく、50重量％
を超えると焼結性が低下するので好ましくない。更に第２の発明に於ける第３の分散相形成々分
Al，AlN，Ｂ，Ｃ，B₄Ｃ及び（Si，Al，Ｙ、ラ
ンタノイド、アクチノイド）の硼化物は一層SiC
の分散効果を助長するけれども、その添加量は
0.05重量％未満ではさ程明らかな効果は認められ
ず、５重量％を超えるとSiとの化合物が出来やす
くなりマトリツクスとウイスカーの界面の強度が
低下し良好な結果が得られない。（実施例）実施例１原料粉末として平均粒径0.7μmを有するAl₂O₃
粉末と、平均粒径0.6μmを有するZrO₂粉末と、
SiCウイスカー（直径0.1μm〜1.0μm主体粒径0.2
〜0.5μm、長さ50〜200μm、アスペクト比50〜
500、密度3.19ｇ／cm³）および、平均粒径2μm以
下の焼結助剤（MgO，CaO，Y₂O₃ランタノイド
の酸化物）と、平均粒径0.5〜2μmを有する「周
期律表ａ，ａ，ａ族の遷移金属」の酸化
物、窒化物、炭化物、硼化物（添加物）（Al，
AlN，Ｂ，Ｃ，B₄Ｃ及び（Si，Al，Ｙ、ランタ
ノイド、アクチノイド）の硼化物等を用意し、こ
れら原料粉末をそれぞれ表１の配合に示される組
成割合で配合し、ボールミルの中で、12時間混合
したのち、乾燥して素地粉末を調整し得た。この調整して得られた素地粉末を、引き続いて
次の２つのいずれかの方法で成型体を得た。 (a) ホツトプレス法この素地粉末を表１に示す焼結温度で、圧力
200Kg／cm²、加圧時間15分で加圧焼結法により、
黒鉛型内において焼結した。 (b) 熱間静水圧加圧法この素地粉末にパラフインを４重量％添加し、
60メツシユふるいを全通させた後、圧力1t／cm²で
加圧成型し、減圧アルゴン雰囲気下で、表１の焼
結温度で１時間焼成した。この焼結体を1550℃、
1500気圧、保持時間１時間の条件で熱間静水圧加
圧法により焼成した。これにより、実質的に配合組成と同一の成分組
成をもつた本発明焼結材料の例１〜例15および比
較焼結材料の例16〜例21をそれぞれ製造した。な
お、比較焼結材料の例

【表】 16〜例21は、いずれも構成成分のうちのいずれ
かの成分含有量（表１に※印を付したもの）がこ
の発明の範囲から外れた組成をもつものである。このようにして得られた焼結体をダイヤモンド
砥石を用いてSNGN432TN、表面3S以下（JISに
よる）に研摩し、硬さ測定および以下に示す条件
の切削テストを行なつた。この結果は、表１に示
すとおりである。 ※ 切削テストの条件被削材：SCM420浸炭焼入れ材（Hv720）切削速度(V)：120ｍ／min 送り速度(f)：0.1mm／rev 切り込み(t)：0.3mm 切削油：水溶性寿命判定（min）：欠損までの切削時間表１に示されるように、本発明の焼結材料の例
１〜例15は、いずれも比較焼結材料の例16〜例21
に出して優れた耐摩耗性を示めし、長期に亘つて
優れた切削性能を発揮することが明らかである。（発明の効果）上述のように、この発明の焼結材料は、優れた
耐摩耗性と耐熱衝撃性とを備えているので、これ
らの特性が要求される切削工具、特に鋼および鋳
鉄の高速切削に切削工具として使用した場合に著
しく長期に亘つて優れた切削性能を示すほか、熱
間耐摩耗工具、さらには各種部品の製造に用いた
場合にも優れた性能を発揮するものである。

Claims

【特許請求の範囲】１ SiCウイスカー５〜50重量％、MgO，CaO，
Y₂O₃、ランタノイドの酸化物から選ばれた一種
以上0.5〜７重量％、周期率表ａ，ａ，ａ
族の遷移金属及びその酸化物、窒化物、炭化物か
ら選ばれた一種以上0.5〜40重量％又は同金属の
硼化物から選ばれた一種以上0.05〜40重量％、
ZrO₂３〜40重量％、Al₂O₃30〜80重量％からなる
ことを特徴とする工具用ウイスカー強化複合材
料。２ SiCウイスカー５〜50重量％、MgO，CaO，
Y₂O₃、ランタノイドの酸化物から選ばれた一種
以上0.5〜７重量％、周期率表ａ，ａ，ａ
族の遷移金属及びその酸化物、窒化物、炭化物か
ら選ばれた一種以上0.5〜40重量％又は同金属の
硼化物から選ばれた一種以上0.05〜40重量％、
Al，AlN，Ｂ，Ｃ，B₄Ｃ及び（Si，Al，Ｙ、ラ
ンタノイド、アクチノイド）の硼化物から選ばれ
た一種以上0.05〜５重量％、ZrO₂３〜40重量％、
Al₂O₃30〜80重量％からなることを特徴とする工
具用ウイスカー強化複合材料。