JPH06666B2

JPH06666B2 - 精密加工性に優れたセラミックス材料

Info

Publication number: JPH06666B2
Application number: JP60197199A
Authority: JP
Inventors: 満彦古川; 修中野
Original assignee: Nippon Tungsten Co Ltd
Current assignee: Nippon Tungsten Co Ltd
Priority date: 1985-09-06
Filing date: 1985-09-06
Publication date: 1994-01-05
Anticipated expiration: 2009-01-05
Also published as: JPS6259568A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、複雑形状に加工することができ、しかも精密
加工性にすぐれたセラミックス材料に関する。

〔従来の技術〕

ファインセラミックスは、機械構造部品、電子部品等と
して広く利用されている。このような用途で使用される
セラミックスとして、アルミナ系のものがあるが、近年
その部品を精密で複雑な形状に仕上げる傾向にあり、こ
れにしたがって使用されるセラミックス材料も優れた加
工性が要求されるようになってきている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来のアルミナ−炭化チタン系セラミックスは、TiＣ含
有量が３０重量％以下であって、アルミナの靱性を充分
に改善したものではなく、精密加工時にクラックやチッ
ピングが生じ易い。また、このアルミナ−炭化チタン系
セラミックスは、快削性にも劣るという欠点があった。

本発明材料は、上記実情に対処すべく案出されたもので
あり、酸化アルミニウム−炭化チタン系複合材を刃物，
精密治具等の精密加工が要求される分野において、加工
時にクラックやチッピングが発生することなく、加工能
率を向上させ、更に放電加工により複雑形状品が安定し
て製造できるセラミックス材料を提供しようとするもの
である。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、炭化チタン３０〜８０重量％と残部が酸化ア
ルミニウムからなる基本組成１００重量部に対して、マ
グネシウム，カルシウム，硼素，ニッケル，クロム，ジ
ルコニウムの酸化物から選択した１種又は２種以上を
０．５〜５重量部と、酸化イットリウム換算量で０．０
５〜２．０重量部のアルミニウム−イットリウム複合酸
化物とを含有せしめてなり、密度が理論密度の９９％以
上で、破壊靱性値が４．５MPa・m^1/2以上である精密加工
性と機械加工性にすぐれたセラミックス材料である。

上記の基本組成において、炭化チタン量３０〜８０重量
％の中の１５％以下をチタンの酸化物または炭酸化物で
置換することができる。

また、同じく基本組成において、残部を構成する酸化ア
ルミニウム量の中の２％以下をアルミニウムとチタンと
の複合酸化物で置換することができ、さらに、炭化チタ
ンの一部を周期律表IVa，Ｖa，VIa族金属の炭化物（炭
化チタンを除く）、窒化物、硼加物及びそれぞれの複合
化合物（炭素化物、炭硼化物、窒硼化物、炭窒硼化物）
の１種又は２種以上で置換することもできる。

また、アルミニウム−イットリウム複合酸化物は、次式
に示すガーネットの形で使用することもできる。

Ｙ_３（ＡｌＹ）_２（ＡｌＯ_４）_３……(1) （Ｙ，Ａｌ）_３Ａｌ_２（ＡｌＯ_４）_３……(2) 同様に、Ｙ_３Ａｌ_２（ＡｌＯ_４）の組成のガーネットや
Ｙ_ＸＡｌ_{（１−Ｘ）}Ｏ_３（ここでＸ＜１）で表される組
成でも使用可能である。

本発明のセラミックス材料は、上記原料混合粉末を調整
した後、焼結工程を経て製造される。焼結は、好ましく
は熱間静水圧加圧焼結法又はホットプレス法がある。ホ
ットプレス法では加圧力５０〜３５０kgf/cm²、焼成温
度１５５０〜１８００℃、一方熱間静水圧焼結法では加
圧力５００kgf/cm²以上、温度１４５０〜１６００℃の
条件下で好結果が得られる。

なお、ホットプレス法もしくは熱間静水圧焼結法で焼結
された材料を、非酸化性雰囲気で加圧力０〜１０kg/c
m²、温度１０００℃から焼結温度より１００℃高い温度
範囲で熱処理することにより、歪みを除去することがで
きる。この熱処理した材料は、加工時に歪みによるクラ
ックや微細チッピングの発生がないので、安定した精密
加工を施すことができる。

このセラミックスは、理論密度９９％以上で殆ど気孔が
なく、粒径も微細であり、破壊靱性値が４．５MPa・m^1/2
以上で、加工の際にクラックやチッピングの発生がな
く、精密加工性に優れている。更に、比抵抗が１０ｍΩ
・cm以下であるため放電加工性をも具備している。

〔作用〕

材料の精密加工性は、材料を工作機械を用いて加工する
に際して、シャープな刃先が確保できるような精度の高
い形状に加工し易いことを意味し、チッピングの程度に
よって評価される。そのチッピングは、材料の物性の面
では、破壊靱性すなわち臨界応力拡大係数と強度にほぼ
対応したものと考えられる。耐チッピング性は、主に、
破壊靱性の向上により達成されるが、望ましくは、強度
の向上も必要である。この靱性は構成体の粒径、ポア、
第２相の分散に大きく影響を受ける。すなわち、結晶粒
子が大きければ、加工中、結晶粒子の脱落により、その
部分が欠陥となり、また、ポアが存在する場合、その部
分が同じ欠陥として評価されることになる。

本発明は、粒成長の抑制、ＺｒＯ_２の添加等による粒径
の微細化、焼結の助長とＡｌ_２Ｏ_３−Ｙ_２Ｏ_３の添加に
よるポアの減少、ＴｉＣの適正添加による第２相の分散
によって、靱性、強度の向上と共に達成した。

また、機械加工性は、いわゆる快削性によって評価さ
れ、快削性を達成するためには、適度に粒子間の結合強
度を制御し、Ｍｇ，Ｎｉ等の適正な添加物を加えること
によって達成される。

この発明において、炭化チタンは酸化アルミニウムとと
もに本系材料の主成分であり、３０重量％未満では精密
加工を行なう時にチッピングを生じ易い傾向にあり、ま
た比抵抗が高く放電加工性に劣るという欠点がある。他
方、８０重量％を超えると、焼結温度が高くなり、酸化
アルミニウムの結晶粒子径が大きくなり、破壊靱性も小
さく、機械加工時にチッピングを生じ易く、精密加工用
セラミックス材料としては不適当である。このことか
ら、炭化チタンの含有範囲を３０〜８０重量％とした。
なかでも、炭化チタンの含有範囲が４５〜６０重量％の
場合には、酸化アルミニウム及び炭化チタンの結晶粒径
が微細で、破壊靱性値も大きく、特に優れた精密加工性
を具備している。

また、原料粉末或いは焼結過程時に生じるチタン化合物
の最終焼結体中に含有される酸素固溶量は、炭化チタン
３０〜８０重量％の中の１５％（酸化チタン）を越える
と破壊靱性を低下させるとともに、精密加工時にチッピ
ングを生じさせる傾向にあり、好ましくない。しかしな
がら、炭化チタンと置換されるチタン酸化物またはチタ
ン炭酸化物中に存在する酸素は、酸化アルミニウムとと
もに炭化チタン成分の結合強度を高め、強靱な焼結体を
得る上で重要なものである。このような酸化アルミニウ
ムと炭化チタンの結合力を高める余剰酸素は、酸化アル
ミニウム、チタンの複合酸化物でも与えることができ
る。この場合、炭化チタンに対する残部のアルミノの中
の２％以下の置換で、その効果が認められる。酸化アル
ミニウムは、炭化チタンとともに本系材料の主成分であ
り、炭化チタン成分の含有範囲が特定されることによ
り、７０〜２０重量％となる。

機械加工上、好ましくは快削性付与剤として、Mg,Ni,C
r,Zrの各種酸化物を一種又は２種以上添加することによ
り、得られたセラミックス成品の加工性が改善される。
その最適量は０．５〜５重量部である。すなわち、０．
５重量部未満では酸化アルミニウムの粒成長抑制剤とし
て効果がみられ緻密な焼結体を得ることはできるが、機
械加工性の向上はみられない。また、５重量部以上で
は、焼結体の結晶粒子間の結合強度が弱くなり好ましく
ない。

酸化ジルコニウムについては、粒度０．３μｍ以下の未
安定酸化ジルコニウム又は、Ｙ_２Ｏ_３，MgＯ，CaＯ，Ce
Ｏの少なくとも１種で部分安定された酸化ジルコニウム
あるいは安定化酸化ジルコニウムを用いてもよい。これ
らの酸化ジルコニウムは、粒成長抑制効果と靱性向上効
果による精密性加工性に効果を与える。しかし、５重量
％以上の添加は、加工性に著しく悪い影響を与える。

アルミニウム−イットリウム複合酸化物は酸化イットリ
ウム換算で０．０５重量部以下では酸化アルミニウムと
他の配合主成分との相互焼結性を助成する作用がなく、
焼結体の破壊靱性値が下がり、機械加工時にチッピング
を生じやすくなる。すなわち、０．０５重量部から２重
量部の範囲で、焼結促進剤としての効果がみられる。炭
化チタンの一部を周期律表IVa，Ｖa及びVIa族金属の炭
化物、窒化物、硼化物及びそれぞれの複合化合物で置換
することも可能である。その場合、酸化アルミニウム−
炭化チタン複合材料の特徴を残し、結晶粒子の微細化等
を行なうには、炭化チタン３０〜８０重量％の中の２〜
２０％を置換して、初めてその効果がみられる。すなわ
ち、２％未満の置換ではその効果はなく、２０％を超え
ると焼結性が悪くなり、無理して得られた焼結体の破壊
靱性は小さく、精密加工性に劣る。そこで、周期律表IV
a，Ｖa，VIa族金属の炭化物（炭化チタンを除く）、窒
化物、硼化物及びそれぞれの複合化合物の第３成分を炭
化チタンの一部に置換する場合、炭化チタンの３０〜８
０重量％の含有量の中の２〜２０％の範囲でアルミナ−
炭化チタン系の特性を残し、なおかつ第３成分の特徴を
生かすことができる。

〔実施例〕

以下、本発明セラミックス材料の製造方法、精密加工
性、快削性につき以下の試験により説明する。

−試験１− 第１表に示された各成分構成に調整された原料粉末〔α
−Ａｌ_２Ｏ_３：平均粒子径０．３μｍ、純度９９．９
％、炭化チタン及び酸化チタン：平均粒子径０．５μ
ｍ，Mg,Ni,Cr,Zrの各酸化物及び炭化チタン・酸化チタ
ンの固溶体、アルミニウムとチタンとの複合酸化物、イ
ットリアとアルミナとの複合酸化物：平均粒子径０．５
μｍ、周期率表IVa，Ｖa，VIa族金属の炭化物、硼化
物、：平均粒子径０．８μｍ）〕を５０×５０mm角、高
さ６０mmの黒鉛型内に充填して、高周波コイルに挿入
し、それぞれ最適の焼結温度（１５５０〜１８００℃）
で２００Kg/cm²の圧力を加え６０分間保持した。次いで
圧力を除去し、放冷することにより５０×５０×５．５
mmの目的とする焼結体を得た。各々の焼結体をダイヤモ
ンド砥石で切断研削して、０．３mm厚さのレザー刃を作
成し、各種試験に供した。

破壊靱性の測定は、ビッカース圧痕の対角線の延長上よ
り発生するクラツク長さから求めるI.F.法（Indentatio
n Fracture Method）によった。４×３×３６ｍｍの
試験片の表面をダイヤモンドホィールで表面研削し、機
械研磨により表面の残留応力を除去した後鏡面に仕上げ
た。試験荷重では全て１０Kgfとし、負荷時間は２０秒
とした。

精密加工性は、５００μｍのダイヤモンド切断砥石で５
０ｍｍ／ｍｉｎで切断した後、エッジ部を詳細に観察
し、エッジ部に発生するチッピングの中の最大サイズ
（最大チッピングサイズ）が３μｍ以上のものを×印、
最大チッピングサイズが、３μｍ未満１μｍ以上のもの
を○印、１μｍ未満のものを◎印で示した。

快削性は、レザー刃に加工する際、精密加工性と同じ試
験法で実施し、評価はモーター負荷による切削抵抗によ
り評価を行い、０．４ＫＷ以上のものを×印、０．４Ｋ
Ｗ未満、０．２ＫＷ以上を△印、０．２ＫＷ未満を○印
で示した。

破壊靱性は、４．５ＭＰａｍ^１／２以上を○印で示し、
それ以下を×印で示した。

放電加工性は、２０×２０×５mmの試験片を作成し直径
７mmの電極により行った放電加工の結果を判定して定め
た。放電加工が可能なものを○印、全く放電加工ができ
ないものを×印として示した。

これらの各種性質についての判定結果を、第１表に示
し、特にTiＣの破壊靱性に与える効果につて第１図に示
した。

同図は、ＴｉＣ−Ａｌ_２Ｏ_３の基本組成１００重量部に
Ａｌ_２Ｏ_３−Ｙ_２Ｏ_３の複合酸化物を０．３重量部と、
快削性付与剤としてのＭｇＯとＺｒＯ_２をそれぞれ０．
５重量部添加したとき、基本組成におけるＴｉＣの影響
を調べたものである。

これによって、ＴｉＣ量は従来と比べ、８０重量％程度
までの配合が効果があることが判る。

−試験２− 快削性付与剤であるMg,Cr,Ni,Zr等の各酸化物の効果を
調査した結果を、第２表に示す。試験片の作成及び快削
性の評価は、試験１と同一の方法によった。

なお、同表において、Ａｌ_２Ｏ_３とＹ_２Ｏ_３との複合酸
化物の添加量は、Ｙ_２Ｏ_３換算によって示す。

−試験３− 焼結助剤であるイットリウムとアルミニウムとの複合酸
化物の添加と精密加工性の関係を調査した結果を第３表
に示す。

同表において、Ａｌ_２Ｏ_３−Ｙ_２Ｏ_３の複合酸化物の添
加量は、Ｙ_２Ｏ_３換算によって示す。評価は、試験１と
同様に行った結果を示す。

第３表において、精密加工性は５００μｍのダイヤモン
ド切断砥石で切断後、エッジ部に発生するチッピングの
最大サイズにより判定した。最大チッピングが３μｍ以
上のものを×、最大チッピングサイズが１μｍ以上３μ
ｍ未満のものを○、１μｍ未満のものを◎で示した。ま
た、第３表は、焼結体の焼成度合を観察するためレザー
刃をダイヤモンドペーストでラップしたものを光学顕微
鏡４００倍にて観察し、ポアの存在を確認した。１視野
でポアの数が３個未満（理論密度９９％以上）をポア無
し、３個以上（理論密度の９９％未満）をポア有りとし
て示す。

第３表に見られるように、アルミニウムとイットリウム
との複合酸化物を含有したものは、酸化イットリウムの
換算量で０．０５〜２重量部含有したもので、精密加工
性に効果があり、また、Ｙ_２Ｏ_３単味のものより効果が
大きいことが判る。

−試験４− 試験１に用いた調整された原料粉末をホットプレス法に
より焼結した後、除圧し、ホットプレス焼結温度より５
０℃高い温度で熱処理を行った。同様に試験１に用いた
調整された原料粉末をホットプレス法により相対密度９
５％まで焼結を行い、次に熱間静水圧焼結法（HIP）で
ホットプレス温度より１００℃低い温度で焼結を行っ
た。次に、非酸化性雰囲気で１３００℃の熱処理を行っ
た。

精密加工性の評価は、試験１と同一の方法で行った。そ
の結果を、第４表に示す。

〔発明の効果〕本発明の酸化アルミニウム−炭化チタン複合材料は、上
記実施例における各試験に示すように、従来の酸化アル
ミニウム−炭化チタン複合材料と同様に耐食性、耐摩耗
性に優れ、なお且つ破壊靱性が大きいため、加工する際
にクラックやチッピングの発生をみることなく、能率の
良い加工ができるようになった。このように、本発明の
セラミックス材料は、精密加工を必要とする、レザー
刃、スリッター刃物や精密治具等のセラミックス材料と
して、卓越した精密加工性と機械加工性に優れた性能を
有する。また、TiＣ含有量を調整することにより、得ら
れるセラミッスク材料の比抵抗値を広い範囲にわたって
変えることができるので、用途に応じた適切な抵抗値を
もつ電気部品として使用することもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明セラミックス材料に含まれるTiＣの含
有量が破壊靱性値に与える影響を示すものである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭化チタン３０〜８０重量％と残部が酸化
アルミニウムからなる基本組成１００重量部に対して、マグネシウム，カルシウム，硼素，ニッケル，クロム，
ジルコニウムの酸化物から選択した１種又は２種以上を
０．５〜５重量部と、酸化イットリウム換算量で０．０
５〜２．０重量部のアルミニウムとイットリウムとの複
合酸化物とを含有せしめてなり、密度が理論密度の９９％以上で、破壊靱性値が４．５MP
a・m^1/2以上である精密加工性と機械加工性にすぐれたセ
ラミックス材料。
【請求項２】炭化チタン３０〜８０重量％と、同炭化チ
タン量の中の１５％以下を置換したチタン酸化物又はチ
タン炭酸化物と、残部が酸化アルミニウムからなる基本
組成１００重量部に対して、マグネシウム，カルシウム，硼素，ニッケル，クロム，
ジルコニウムの酸化物から選択した１種又は２種以上を
０．５〜５重量部と、酸化イットリウム換算量で０．０
５〜２．０重量部のアルミニウムとイットリウムとの複
合酸化物とを含有せしめてなり、密度が理論密度の９９
％以上で、破壊靱性値が４．５MPa・m^1/2以上である精密
加工性と機械加工性にすぐれたセラミックス材料。
【請求項３】炭化チタン３０〜８０重量％と残部がその
２％以下をアルミニウムとチタンとの複合酸化物で置換
した酸化アルミニウムからなる基本組成１００重量部に
対して、マグネシウム，カルシウム，硼素，ニッケル，クロム，
ジルコニウムの酸化物から選択した１種又は２種以上を
０．５〜５重量部と、酸化イットリウム換算量で０．０
５〜２．０重量部のアルミニウムとイットリウムとの複
合酸化物とを含有せしめてなり、密度が理論密度の９９％以上で、破壊靱性値が４．５MP
a・m^1/2以上である精密加工性と機械加工性にすぐれたセ
ラミックス材料。
【請求項４】炭化チタン３０〜８０重量％と、同炭化チ
タン中の２〜２０％を置換した周期律表IVa，Ｖa，VIa
族金属の炭化チタン以外の炭化物、窒化物、硼化物及び
それぞれの複合化合物の１種又は２種以上と、残部が酸
化アルミニウムからなる基本組成１００重量部に対し
て、マグネシウム，カルシウム，硼素，ニッケル，クロム，
ジルコニウムの酸化物から選択した１種又は２種以上を
０．５〜５重量部と、酸化イットリウム換算量で０．０
５〜２．０重量部のアルミニウムとイットリウムとの複
合酸化物とを含有せしめてなり、密度が理論密度の９９％以上で、破壊靱性値が４．５MP
a・m^1/2以上である精密加工性と機械加工性にすぐれたセ
ラミックス材料。