JPH05507462A - セラミック複合材料、セラミック複合材料の製造方法およびその使用 - 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】 セラミック複合材料、セラミック複合材料の製造方法およびその使用 本発明は、次の成分： ａ）　ＳｉＣホイスカ　５〜４０質量％、ｂｌ）　ＹｓＯｓ、Ｓ　ｉ　Ｏｘ、　 Ｍ　ｇ　Ｏ，Ｎ　ｉ　ＯＪ９ヨび／またはＡＩＮ　Ｏ，０５〜３質量％および／ または、ｂ２）　周期率表のＩＶａ、ＶａまたはＶｉａ属の金属の炭化物、窒化 物および／または炭窒化物および／または周期率表のＩＶａ属の金属の酸化物　 ４０質量％まで、 Ｃ）　残りＡＩ、０．　３０質量％の最少量でを含有する繊維強化セラミック複 合材料に関する。

さらに、本発明は、出発粉末を混合し、湿式で粉砕し、乾燥し、場合により造粒 し、−軸性でまたはコールドアイソスタティックでプレス成形し、こうして得ら れた複合材料を１４５０℃〜１８００’Ｃで焼結させ、引き続き５〜約２０００ パールの圧力でホットアイソスタティックで後圧縮（ＨＩＰ）する前記したセラ ミック複合材料の製造方法に関する。

さらに、本発明は、セラミック複合材料の使用に関するゆ ＤＨ−Ｚ″ＺＷＦ”、　ＺｅｉｔｓｃｂｒＲｔ　ｆｕｅｒ　ｗｉｒｔｓｃｈａｆ ｔ＋１ｃｈｅ　Ｆｅｒｔｉｇｕｎｇ　ｕｎｄ　Ａｕｔｏｍａｔｉｓｉｅｒｕｎｇ 、８３巻、３５４頁２３５９頁、（１９８８）に記載されたように、セラミック 切削材料の利用範囲を拡大する努力が、最近になって、Ａ　Ｉ　２０　ｘベース のＳｉＣホイスカ強化セラミックスの開発をもたらした。ＳｉＣホイスカの封入 は、特にその機械的特性および切削二臭としての使用の際の性能特性に関して有 利に作用する。特にホイスカ含有試料は、ホイスカ不含のものと比べて著しく高 い硬度、高い強靭負荷能力および相応する低い破損リスクを有する。

さらに、欧州特許第０２０８９１０号明細書には、工具用の繊維強化セラミック 材料が提案されており、これは次の成分を含有する： （Ａ）　ＳｉＣ繊維　５０〜６０重量％；（Ｂ）　ＣａＯｌＭｇＯｌＳｔｏｗ、 ＮｆＯｌｙ、　ｏ。

ならびにランタノイド酸化物からなるグループから選択された少なくとも一つの 酸化物　０．１〜７重量％；ならびに成分（Ｃ）および（Ｄ）の少なくとも一つ 、その際、 （Ｃ）　Ｂ、Ｃ，ＡＩＮ、Ｂ、ＣならびにＳｉ、ＡＩ。

Ｙおよびランタンのホウ化物が含まれるグループから選択された少なくとも１つ の成分　０．０５〜７重量％、および （Ｄ）　元素周期率表のＩＶａ、ＶａならびにＶｉａに所属する遷移金属もしく はその酸化物、炭化物、窒化物またはホウ化＃Ｍ（それらの固溶体も含める）　 ０゜０５〜４０重量％、および （Ｅ）　残りＡ１．０．　３０重量％より少なくない量。

本発明の課題は、冒頭に述べたセラミック複合材料を機械的特性に関して改善す ることで−あった。この場合、待に破断靭性、曲げ強さおよび温度変化安定性を 改善すべきである。

さらに、本発明の課題は、前記した目標を達成するために適した方法を提供する ことおよび本発明によるセラミック複合材料に対する新規の用途を見出すことで あった。

前記の課題は、ＩＩＪ！強化セラミック複合材料において、請求項１に記載した 特徴により解決される。この成形体は、従来技術により公知の複合材料と比べて ０゜０５〜１０質量％（全買置に対して）のニッケルおよび／またはコバルトお よび／または鉄を有している。

少なくとも０．４〜３質量％のニッケルおよび／またはコバルトおよび／または 鉄を使用するのが有利である。

ニッケルおよび／またはコバルトおよび／または鉄２５質量％までがクロムに代 えられている場合に、なお、さらに比較可能に良好な強度特性が得られる。

本発明の実施態様によると、本発明によるセラミック複合材料に、さらに１１ｉ １Ｊ、上の貴金属を２質量％まで添加することができる。貴金属とは、銀、金、 白金、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、パラジウムまたはオスミウム元素で あり、この場合、より良い焼結特性の観点から特に白金および／またはパラジウ ムが推奨される。

本発明のもう一つの実施態様によると、本発明によるセラミック複合材料中のＳ ｉＣホイスカの割合は、全部または部分的に、有利に８０賞量％までＳｉＣ小板 （ｐｌａｔｅｌｅｔｓ）に代えられていてもよい。

焼結性の改善のために、ＳｉＣホイスカおよび／または単一結晶ＳｉＣ小板（ｐ ｌａｔｅｌｅｔｓ　）は、その全質量の２／３まで埋め合されたＳｉＣ粉末に代 えることができる。

強度特性の改善は酸化ジルコニウムまたは酸化ハフニ゛ウムもしくは窒化ケイ素 の添加でも生じ、これはＡ１．０．マトリックス中に封入され、０〜２０質量％ （全質量に対して）までにの量である。

使用目的に応じて、特に切削加工の場合に、工具の改善は、１つ以上の硬質の表 面層を設けることにより達成することができる。この原則として公知の表面層は 、周期率表のＩＶａ−ＶＩａ属の元素の一つ以上の酸化物、炭化物、窒化物およ び／または炭窒化物および／またはＡＩ！Ｏ，からなり、同様に公知のＣＶＤ法 もしくはＰＶＤ法により設けられる。

セラミック複合材料の本発明による製造方法は、請求項９〜１４に記載されてい る。本質的に新規の特徴特表千５−５０７４６２　（３） は、この場合焼結およびホットアイソスタティックプレス（ＨＩ　Ｐ）のガス圧 処理をその間の冷却なしに一定の熱で実施することである。この組み合わされた 焼結／ＨＩＰ法は均一な組織構造を達成することができる。

この方法の場合、本発明による生成物は有利に不活性ガス雰囲気中でまたは真空 下で焼結され、引き続き不活性ガス雰囲気下で、有利にアルゴンまたは窒素雰囲 気下でガス圧処理にかけられる。このガス圧処理の温度は、焼結温度とほぼ同じ に選択されるかまたはその温度を１００℃までは下回らない。

混合物製造の場合に、金属添加物（鉄および／またはニッケルおよび／またはコ バルト）を著しく微細な形で導入し、混合物中に均質に分散させることが重要で ある。このために、粉末混合物は、たとえばドラムミル中で粉砕液を添加しなが ら少なくとも４８時間混合し、粉砕する。粉砕液としてアセトンまたはｉ−プロ パツールまたは有利に水が使用される。

できる限り好ましい貴金属の分布を得るために、これを、有利に＜　２０　ｎ　 ｍの微結晶サイズを有するコロイド粒子の形で、出発粉末混合物の残りの成分と 均一に混ぜ合せる。

本発明の実施態様によると、貴金属を、有機溶液（アセトンまたはｉ−プロパツ ール〕または水溶液中のコロイド状のヒドロシルまたはコロイド状のりオゾルと して添加する。

本発明によるセラミック複合材料の用途は、特に、エンジン中またはガスタービ ン中に生じるような酸化する雰囲気および／または腐蝕性の雰囲気中であるか、 熱的に著しく負荷のかかる成形体であるか、または切削加工のための切削成形体 としてである。

鉄添加物を有する本発明によるセラミック複合材料は、わずかな耐腐蝕性が要求 されるにすぎない場合に有利に使用される。

本発明による合金の改善された機械特性を、次に、実施例につき詳説する。

第１図は曲げ強さ、 第２図は本発明による合金の磨耗ノツチ、第３図は従来の技術により公知の合金 と比較したそれぞれの耐用時間挙動を示す。

最初の実施例において、Ａｌ２Ｏ３８８，５％、単斜晶Ｚ　ｒ　０．１０．０％ 、Ｓ　ｔ　Ｏｘ　０．５％、Ｍｇ００．５％、およびＮｉ０．５％（数値はそれ ぞれ質量％）を粉末化された形で混合し、粉砕媒体として水の添加下で４８時間 ドラムミル中で粉砕した。

これと平行して、ＳｉＣホイスカを６時間分解させ、ドラムミルで水中で粉砕さ せた。分解の後にホイスカを粗い成分の除去のために篩別により分級した。この 沈降物を約１０時間の休止時間の後にさらに加工した。

記載した組み合せた篩別−／沈降工程により、残留した凝集物および長すぎるホ イスカならびに微細な成分は除去される。はぼ長さ／直径比率が約５〜１５を有 するホイスカからなるフラクションを使用した。厳選されたホイスカフラクショ ンを最初に記載したマトリックス成分と８８：１７（マトリックス：ホイスカ） の割合で相互に水性！！！濁液の形で攪拌し、ドラムミル中で均一にした。その 後に、約１００℃で空気中で乾燥を実施し、ならびに引き続き乾燥ケークの篩別 を実施し、最終的な粉末混合物を用意し、これを黒鉛型中で、たとえば１５０〜 ３００ｍｍの直径の大きなチップに１３００〜１８００℃の温度でホットプレス した。

このチップから離型および研磨により多様な旋削用チップに加工した。

ここで使用したホットプレスの代わりに、請求項９以降に記載された、２０質量 ％まで、有利に１５質量％までのホイスカ含量での組み合せた焼結／ＨＩＰ製造 を選択することもできる。

第１図は、ニッケル添加物を有するＳｉＣホイスカで強化したＡ１□０ｘ−Ｚｒ Ｏｓセラミックと、金属成分なしの相応するセラミックと比較した曲げ強さを示 す。

第２図は、ニッケル添加物のＳｉＣホイスカ強化Ａｌ２０ｓ−ＺｒＯｘセラミッ クの磨耗挙動に関する影響を示す、切削速度Ｖ、＝　１８０ｎ／ｍ　ｉ　ｎ、切 削深さａ、＝１．５ｍｍ、送りｆ＝０．２５ｍｍおよび切削時間ｔｃｗ６．３ｍ １ｎで、逃げ面から測定した磨耗ノツチの深さは、ニッケル添加物１％を有する ボイス力強化Ａ　１．２０Ｘ　Ｚ　ｒ　Ｏ！セラミックを使用した場合、ニッケ ル不含の相応する組成のホイスカ強化セラミックと比較して、２．２ｍｍから１ ．３ｍｍに低下する。

第３図において、金属添加物なしの、つまりニッケルまたはコバルトまたは鉄な しのＳｉＣホイスカを有する酸化アルミニウムー二酸化ジルコニウムセラミック を、０．５％の微細なコバルトを有する相応するセラミックと比較した。第３図 から明らかなように、０゜５％のコバルト添加により耐用時間を３倍以上高める ことができた。切削条件は第３図に示した。

それぞれ使用したＳｉＣホイスカを含有する比較セラミックは金属成分（Ｎｉ、 Ｃｏ、Ｆｅ）を有しておらず、そのため相応する方法で酸化アルミニウム割合を 高めた。

要　約　書 本発明は、Ａ　ｌ　！　ＯＳペースの繊維強化セラミック複合材料、その製造方 法ならびにセラミック複合材料の使用に関する０曲げ強さ、破断靭性、温度変化 安定性のような機械的特性の改善のために、ニッケルおよび／またはコバルトお よび／または鉄０．０５〜１０質量％を添加することが提案される。このセラミ ック成形体は、組み合せた焼結／ＨＩＰ処理により製造することができ、この処 理は中間の冷却を行わず一定の熱で実施することができる。特にこのセラミック 複合材料の利用範囲は自動車製造、ガスタービン製造および切削材料である。

！！ｉＩ際調査謡失 １Ｊ９−Ａ　−４９１６０９２１０−０４−９０１Ｊｓ−Ａ　−４９９４４１６ １９−０２−’Ｆｌｕｓ−Ａ−５０１７＋２ＥＩ　２１−０５−９１

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. １．次の成分： ａ）ＳｉＣホイスカ　５〜４０質量％ ｂ１）Ｙ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＮｉＯおよび／またはＡｌＮ　０．０５〜 ３質量％および／またはｂ２）周期率表のＩＶａ、ＶａまたはＶＩａ属の金属の 炭化物、窒化物および／または炭窒化物および／または周期率表のＩＶａ属の金 属の酸化物　４０質量％まで、 ｃ）残りＡｌ２Ｏ３　３０質量％の最少量で、を含有する繊維強化セラミック複 合材料において、ニッケルおよび／またはコバルトおよび／または鉄０．０５〜 １０質量％含有することを特徴とする繊維強化セラミック複合材料。
2. ２．ニッケルおよび／またはコバルトおよび／または鉄０．４〜３質量％含有す る請求項１記載のセラミック複合材料。
3. ３．ニッケルおよび／またはコバルトおよび／または鉄の２５質量％までがクロ ムに代えられている請求項１記載のセラミック複合材料。
4. ４．全質量に対して２質量％まで、有利に１質量％まで１種以上の貴金属（銀、 金、白金、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、パラジウムおよびオスミウム） 特に白金および／またはパラジウムを含有する請求項１から３までのいずれか１ 項記載のセラミック複合材料。
5. ５．ＳｉＣホイスカの割合の全部または一部を、有利に８０質量％までがＳｉＣ 小板（ｐｌａｔｅｌｅｔ）に代えられている請求項１から４までのいずれか１項 記載のセラミック複合材料。
6. ６．ＳｉＣホイスカおよび／または単結晶ＳｉＣ小板をその全質量の２／３まで 埋め合わされたＳｉＣ粉末に代えられている請求項１から５までのいずれか１項 記載のセラミック複合材料。
7. ７．ＺｒＯ２、ＨｆＯ２および／またはＳｉ３Ｎ４　０〜２０質量％含有する請 求項１から６までのいずれか１項記載のセラミック複合材料。
8. ８．周期率表のＩＶａからＶＩａ属までの１種以上の元素の酸化物、炭化物、窒 化物および／または炭窒化物および／またはＡｌ２Ｏ３からなる１つ以上の表面 層が設けられている請求項１から７までのいずれか１項記載のセラミック複合材 料。
9. ９．出発粉末を混合し、湿式で粉砕し、乾燥し、場合により造粒し、一軸性また はコールドアイソスタティックでプレス成形し、こうして得られた複合材料を１ ４５０〜１８００℃で焼結させ、引き続き５〜約２０００パールの圧力下でホッ トアイソスタテイックで後圧縮（ＨＩＰ）する請求項１から８までのいずれか１ 項記載のセラミック複合材料を製造する方法において、焼結およびＨＩＰをその 間の冷却なしに一定の熱で実施することを特徴とするセラミックス複合材料を製 造する方法。
10. １０．組み合わされた焼結／ＨＩＰ処理の焼結工程を不活性ガス雰囲気でまたは 真空下で実施する請求項９記載の方法。
11. １１．組み合わされた焼結／ＨＩＰ処理のガス圧処理を不活性ガス雰囲気で、有 利にアルゴン雰囲気または窒素雰囲気中で実施する請求項９または１０記載の方 法。
12. １２．ＨＩＰ温度が焼結温度より１００℃まで低い請求項９から１１までのいず れか１項記載の方法。
13. １３．貴金属を＜２０ｎｍの微結晶サイズを有するコロイド状の粒子の形で、出 発粉末混合物の残りの成分と均一に混合する請求項９から１２までのいずれか１ 項記載の方法。
14. １４．貴金属を、有機（アセトン、ｉ−プロパノール）または水溶液中のコロイ ド状のヒドロゾルまたはコロイド状のリオゾルとして添加する請求項１３記載の 方法。
15. １５．特に自動車製造、ガスタービン製造における熱的に著しく負荷のかかる成 形体のための材料としてまたは切削加工用の切削成形体としての請求項１から８ までのいずれか１項記載のセラミック複合材料の使用。