JPH069264A - WC―Al2O3系複合焼結体 - Google Patents

WC―Al2O3系複合焼結体

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JPH069264A
JPH069264A JP4190223A JP19022392A JPH069264A JP H069264 A JPH069264 A JP H069264A JP 4190223 A JP4190223 A JP 4190223A JP 19022392 A JP19022392 A JP 19022392A JP H069264 A JPH069264 A JP H069264A
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JP
Japan
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mgo
strength
sintered body
toughness
powder
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP4190223A
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English (en)
Inventor
Masanori Ueki
正憲 植木
Hidehiro Endo
英宏 遠藤
Toru Ono
透 小野
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Nippon Steel Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、炭化タングステン―アルミナ系複
合材料の特性改善を図るため酸化マグネシウムを添加す
ることによって、高硬度と耐熱性を失うことなく強度・
靭性を向上させた複合焼結体を提供することである。 【構成】 Al23 10〜90容量%で残部がWCよ
りなり、さらに外割りでMgOを0.5〜2.0重量%
添加した、WC―Al23系複合焼結体。密度が理論値
の95%以上とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、高硬度、高強度、高靭
性で、かつ電気伝導性に優れたWC―Al23系複合焼
結体に関するものである。
【0002】
【従来の技術】WCは、硬質炭化物であり、切削工具材
料などとして優れた特性を有しているが、一方で単体で
は強度・靭性に劣るという欠点も併せ持っている。
【0003】そこで、WCに5〜20重量%の金属Co
(コバルト)を結合相として加えサーメット化した、い
わゆる超硬合金として実用化されている。
【0004】しかしながら、このようなWC―Co系超
硬合金においては、WC単体と比べて強度、靭性は飛躍
的に改善されるものの、前述したように結合金属相とし
てのCoを多量に含むため、硬さ、耐熱性において劣化
を余儀なくされる問題点を有していた。
【0005】一方Al23は、高硬度で耐摩耗性に優
れ、またセラミック材料の中では比較的安価なため、広
く摺動耐摩耗部材として使用されている。
【0006】Al23の特性を向上させるためにTi
C、Ti(CN)を添加したいわゆる黒色セラミックス
があるが、それ以外の複合化の例として、例えば特開昭
52―30812号公報では、48重量%以下のAl2
3にTiB2、ZrB2及びHfB2より選ばれた耐火性
二硼化物を5〜50重量%、V、Nb、Ta、Cr、M
o等の二硼化物を20重量%以下、IV族、V族、VI
族耐火性遷移金属の炭化物または炭窒化物を35重量
%、さらに3重量%以下のMgOを添加することを開示
している。
【0007】TiB2、ZrB2、HfB2等の耐熱遷移
金属の二硼化物は、高融点、高硬度という特性を有し、
Al23セラミックスの特性改善には有効である。しか
しながら強度及び靭性の点に関しては、未だ改善の余地
がある。
【0008】WC及びAl23は、高硬度でかつ耐熱性
を持つという特徴を有しているものの、共に単体では強
度及び靭性が低いという欠点を有していた。
【0009】そのため、先にWCとAl23を複合化し
た焼結体に関する出願を行った(特開平3―29035
5号公報)。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、先に
発明した材料の特性改善を図ったもので、WCにAl2
3を複合化することにより、高硬度と耐熱性を失うこ
となく強度・靭性を向上させ、さらにAl23の電気伝
導性を改良することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明は、Al23が1
0〜90容量%で残部が実質WCより成り、さらに外割
りでMgOを0.5〜2.0重量%添加した複合焼結体
で、密度が理論値の95%以上である緻密質高強度・高
靭性なWC―Al23系複合焼結体である。
【0012】すなわち、本発明はAl23が10〜90
容量%で残部が実質WCより成る混合粉末に、さらにM
gO粉末を添加した原料を、成形・焼結して得られた密
度が理論値の95%以上であることを特徴とするWC―
Al23系複合焼結体である。
【0013】以下に本発明の内容について詳細に説明す
る。
【0014】本発明のWC―Al23系複合焼結体中に
おいては、互いに高硬度で耐熱性を有するWC粒子とA
23粒子が分散した組織を有し、他に低硬度で耐熱性
に劣る第3相を有さないため高硬度・耐熱性という特徴
を失わない。
【0015】また、複合体中においては、いわゆる粒子
分散効果等により破壊源からのクラックの進展は、偏
向、湾曲し、強度及び靭性が向上している。
【0016】さらにAl23中にWCを、また逆にWC
中にAl23を添加することにより、互いに焼結体中で
の粒成長を抑止する効果があり、さらにMgOを0.5
〜2.0重量%添加することによって、粒成長抑止効果
は、さらに顕著となる。
【0017】そして、結果として、例えばWC―70v
ol%Al23複合材においてはMgO添加によって結
晶粒が微細化され、結果として約50%もの室温曲げ強
さの向上が認められる。
【0018】本発明で、Al23の含有割合を10〜9
0容量%としたのは、Al23が10容量%未満では添
加量が少ないため、複合焼結体の強度・靭性の向上の効
果は小さく、また同様にAl23が90容量%を超える
とAl23に対するWCの添加量が少なく粒子分散の効
果が小さくなり、強度・靭性の向上も期待できないから
である。
【0019】さらに、MgOの添加量を0.5〜2.0
重量%としたのは、MgOの添加量が0.5%未満で
は、小量のためその効果が期待できず、Al23―(5
〜50重量%)TiB2、ZrB2、HfB2系において
特開昭52―30812号公報にも開示されているよう
に、MgOの量が2.0%を超えると複合焼結体の結晶
粒界に偏析して機械的性質の劣化を導く可能性があるか
らである。
【0020】本発明において、焼結方法としては、常圧
焼結法、ホットプレス焼結法、熱間静水圧(HIP)焼
結法等既知の焼結法のいずれをも用いることができる。
【0021】また本発明において、使用するAl23
体としては、通常はα型Al23であるが、その他β
型、γ型等の結晶でも差支えない。さらに非晶質のAl
23、あるいは加熱中にα―Al23を生成するAl
(OH)3、AlOOH等でもよい。
【0022】またAl23粉体の粒径として、通常は焼
結性のよい10μm以下のものが好ましく、1.0μm
以下(サブミクロン)の微細なものはさらに望ましい。
【0023】WC粉末も通常は焼結性の優れる10μm
以下のものが好ましく、1.0μm以下(サブミクロ
ン)の微細なものはさらに望ましい。また、MgO粉末
も10μm以下のものが好ましく、1.0μm以下(サ
ブミクロン)の微細なものはさらに望ましい。
【0024】以上のようにWCに10〜90容量%の範
囲でAl23を添加し、さらに、外割りでMgOを0.
5〜2.0重量%添加した混合粉体を、成形・焼結する
ことによって高密度で高硬度、高強度、高靭性且つ電気
伝導性にも優れたAl23―WC系複合焼結体が製造で
きる。
【0025】本発明のような複合セラミックスの理論密
度を正確に決定するのは容易ではなく、また一般に焼結
体の密度としては高い方が好ましいが、少なくとも密度
が理論値の95%以上の焼結体でなければ前述の好まし
い特性は損なわれ、望ましいものではない。
【0026】
【作用】本発明の複合焼結体は、Al23が10〜90
容量%で残部が実質WCより成り、焼結体中で高硬度の
WC粒子とAl23粒子が分散した組織を有している、
さらに0.5〜2.0重量%のMgO添加により粒成長
が抑制されるため、1)高強度且つ高硬度であり、2)
粒子分散効果により靭性が向上し、3)靭性向上に伴っ
て強度も改善され、4)低電気抵抗のWCの添加により
Al23の電気伝導率を改善する作用をなしている。
【0027】
【実施例】
(1)ホットプレス焼結 WC粉末に(平均粒径1.0μm、純度99%以上)に
実施例1〜3に示す容量比でα型Al23粉末(平均粒
径0.2μm、純度99.99%以上)を、そしてさら
にMgO(粒径0.1μm、純度99.98%以上)を
外割りの各重量比で添加し、ボールミルを用いて十分混
合した後、1700℃で2h、アルゴンガス雰囲気中で
40MPaの圧力でホットプレス焼結を行った。
【0028】焼結体はJIS R1601に準拠し、3
mm×4mm×38mmの試験片に加工し、アルキメデ
ス法により密度を測定した後、室温で三点曲げ試験を行
った。焼結体の靭性としては、JIS R1607(S
EPB法)を用いて、破壊靭性値;KICを測定した。
【0029】また、硬さの評価として、ヴィッカース硬
さを荷重1kgf、保持時間15秒で測定した。さら
に、電気抵抗率は四探針子法を用いて測定した。
【0030】結晶粒径は、検鏡試料を強酸で腐食したの
ち撮影した400倍の光学顕微鏡組織写真において直線
交切法を用いてWC及びAl23各結晶粒の平均直径を
求めることにより測定した。
【0031】第1表中、実施例1〜6に各組成について
得られた焼結体の相対密度(理論値に対して百分率で示
す)、結晶粒径、曲げ強さ、破壊靭性値、硬さ及び電気
抵抗値を示す。
【0032】また同第1表中、比較例〜にはWCに
Al23のみを加えた複合体を1700℃でホットプレ
ス焼成した複合焼結体について、また比較例及びに
は、同様の複合体を常圧焼成した複合焼結体についてそ
の特性を示している。
【0033】実施例1〜6には、MgOを添加した材料
において比較例〜と同様のホットプレス温度で焼成
した複合焼結体の特性を示しているが、特に実施例4〜
6と比較例を比べるとMgO添加による室温曲げ強度
の向上が明かである。
【0034】さらに、ホットプレス材におけるMgO添
加の効果は、実施例2及び3を比較例と比べると、高
温(1200℃)強度の40ないし50%の改善として
現われている。
【0035】(2)常圧焼結 WC粉末に(平均粒径1.0μm、純度99%以上)に
実施例7〜12に示す容量比でα型Al23粉末(平均
粒径0.2μm、純度99.99%以上)を、そしてさ
らにMgO(粒径0.1μm、純度99.98%以上)
を外割りの各重量比で添加し、ボールミルを用いて十分
混合した後、1850℃で1h、アルゴンガス雰囲気中
でAl23―0.5wt%MgO混合粉末を詰粉として
被焼成体を覆い常圧焼結を行った。
【0036】焼結体の評価は、(1)で述べたホットプ
レス材と同様に行った。
【0037】第1表中、実施例7〜12には、各量のM
gOを添加して常圧焼成した70vol%WC―30v
ol%Al23及び30vol%WC―70vol%A
23各材料の特性を示している。
【0038】MgOを添加した材料は、比較例及び
に示すMgOを添加していない材料と比べていずれの組
成においても、結晶粒微細化とそれによる室温強度の向
上が顕著である。
【0039】また、焼結体の電気抵抗値はホットプレス
法によるものと変化しないことがわかる。
【0040】(3)熱間静水圧焼成 WC粉末に(平均粒径1.0μm、純度99%以上)に
実施例13〜16に示す容量比でα型Al23粉末(平
均粒径0.2μm、純度99.99%以上)を、そして
さらにMgO(粒径0.1μm、純度99.98%以
上)を外割りの各重量比で1%添加し、ボールミルを用
いて十分混合した後、1850℃及び1900℃で1
h、アルゴンガス雰囲気中でAl23―0.5wt%M
gO混合粉末を詰粉として被焼成体を覆い常圧焼結を行
った後、同様にアルゴンガス雰囲気中で1700℃で2
00MPaで2時間保持をする熱間静水圧焼成を行っ
た。
【0041】凝結体の評価は、(1)で述べたホットプ
レス材と同様に行った。
【0042】第1表中、実施例13〜16に、これらの
材料の特性を示すが、比較例、に示したMgOを添
加しない材料そして実施例7〜12に示したMgOを添
加して常圧焼結のみの材料に比べて強度及び靭性のさら
なる改善が見られる。
【0043】
【表1】
【0044】
【表2】
【0045】
【表3】
【0046】
【発明の効果】本発明のように、WCにAl23を複合
化する際に、外割り重量比で0.5〜2.0%のMg0
を焼結助剤として添加することにより、主として結晶粒
成長抑制効果に基づく機械的性質の改善効果が見られ
た。さらに、MgOの添加はこの系の常圧焼結性の改善
に極めて有効であることが明かとなった。
【0047】本発明のWC―Al23系複合焼結体は、
Al23セラミックスの強度、靭性及び電気伝導性等の
特性を顕著に改善しており、今後、Al23基セラミッ
クスの用途拡大ばかりでなく、耐熱用途での超硬合金の
代替として適用可能である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Al23が10〜90容量%で残部が実
    質WCより成り、さらに外割りでMgOを0.5〜2.
    0重量%添加した複合焼結体で、密度が理論値の95%
    以上である緻密質高強度・高靭性なWC―Al23系複
    合焼結体。
JP4190223A 1992-06-25 1992-06-25 WC―Al2O3系複合焼結体 Withdrawn JPH069264A (ja)

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