JPH07223862A - 硼化物系セラミックス複合材料及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 アルミニウム合金との耐溶着性、高温特性に
優れ、かつ高強度、高靭性の硼化物系セラミックス複合
材料を提供する。 【構成】 平均粒径０．３μｍ〜５μｍを有する元素周
期律表第４ａ族及び第６ａ族よりなる群から選ばれる１
元素の硼化物のマトリックスの結晶粒内又は粒界に、粒
子径５００ｎｍ以下のＳｉＣ３〜３０体積％とＣｏ，Ｎ
ｉ，Ｔｉの金属粉末５〜１０体積％とを分散させた硼化
物系セラミックス複合材料。硼化物とＳｉＣと金属粉末
とを混合して成形した後、真空又は不活性雰囲気中で、
１３００℃以上の温度で焼結する。 【効果】 硼化物マトリックス中にナノサイズのＳｉＣ
微粒子と金属粉末が分散した特殊な組織構造を有するも
のであり、破壊強度、破壊靭性等の機械的特性が著しく
高い。アルミニウム合金の切削においては、超硬合金よ
り優れた切削特性を有し、ダイヤモンド焼結体よりも安
価に提供される。アルミニウム缶製造用治具材料におい
ても、超硬合金より軽量で優れた耐久性を示す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は特殊な組織構造を有した
硼化物系セラミックス複合材料及びその製造方法に係
り、詳しくは、アルミニウム合金などの非鉄金属を切削
する工具用材料、アルミニウム缶製造治具用材料又は耐
摩耗部材として有用な高強度、高靭性の硼化物系セラミ
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】切削工具の最も大きな市場である自動車
関連産業では、環境問題が大きなテーマとなってきてい
る。その中で、軽量化による燃費の低減が最も有効な手
段と考えられ、エンジン部品等のアルミニウム化が急速
に進みつつある。それに伴って、アルミニウム切削の需
要も増加している。

【０００３】アルミニウムなどの非鉄金属の切削におい
て、最も大きな課題は、切れ刃に生じる溶着である。ま
た、アルミニウム切削用工具の特性としては、刃先のシ
ャープさ、面粗度の良さ等が必要とされる。そのため、
鋼等の切削工具に対して広く採用されているＣＶＤコー
ティングは、面粗度が上がらないことから、アルミニウ
ムなどの非鉄金属の加工用工具には採用されていない。

【０００４】現在、アルミニウム加工分野で、一般的に
使用されている工具材料は、ダイヤモンド焼結体、ＩＳ
Ｏ規格のＫ１０相当の超硬合金である。

【０００５】また、アルミニウム缶製造用治具において
も、ごく一部でセラミックスやサーメットが使用されて
いるが、アルミニウム缶との溶着が問題になっている。
このため、現在、アルミニウム缶製造で一般的に使用さ
れている治具用材料は、超硬合金である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来のダイヤモンド焼
結体製工具は、切削特性は良いが、値段が高いという欠
点がある。一方、超硬合金製工具は、切削抵抗を少なく
し、溶着を防止するために、鋭利な刃先形状にしている
が、切削寿命が短いという欠点がある。

【０００７】最近では、アルミニウム合金の中でも、よ
り削り難い高Ｓｉ含有率のアルミニウム合金が多く用い
られる傾向にある。このため、このような難削性のアル
ミニウム合金に対しても、耐摩耗性、耐久性、耐溶着性
に優れ、切削特性に優れた安価な工具用材料の開発が望
まれている。

【０００８】また、アルミニウム缶製造用治具において
は、現在、主に超硬合金が使用されているが、製造効率
の向上のために、治具の軽量化と長寿命化が可能な治具
用材料の開発が望まれている。

【０００９】本発明は上記従来の実状に鑑みてなされた
ものであって、アルミニウム合金との耐溶着性、高温特
性に優れ、かつ高強度、高靭性の硼化物系セラミックス
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。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の硼化物系セラ
ミックス複合材料は、粒子径０．３〜５μｍの結晶粒子
を有する元素周期律表第４ａ族及び第６ａ族よりなる群
から選ばれる１元素の硼化物をマトリックスとし、その
結晶粒内又は粒界に、平均粒径５００ｎｍ以下の炭化珪
素微粒子３〜３０体積％と、コバルト，ニッケル及びチ
タンよりなる群から選ばれる１種類の金属粉末５〜１０
体積％とを分散させたことを特徴とする。

【００１１】請求項２の硼化物系セラミックス複合材料
は、請求項１に記載のセラミックス複合材料において、
更に０．３〜３重量％の炭素を分散させたことを特徴と
する。

【００１２】請求項３の硼化物系セラミックス複合材料
は、請求項１に記載のセラミックス複合材料において、
炭素をＣＶＤコートした元素周期律表第４ａ族及び第６
ａ族よりなる群から選ばれる１元素の硼化物をマトリッ
クスとし、炭素の含有割合が０．３〜３重量％であるこ
とを特徴とする。

【００１３】請求項４の硼化物系セラミックス複合材料
の製造方法は、請求項１に記載のセラミックス複合材料
を製造する方法であって、元素周期律表第４ａ族及び第
６ａ族よりなる群から選ばれる１元素の硼化物と、炭化
珪素と、コバルト，ニッケル及びチタンよりなる群から
選ばれる１種類の金属粉末とを混合して成形した後、真
空又は不活性雰囲気中で１３００℃以上の温度で焼結す
ることを特徴とする。

【００１４】請求項５の硼化物系セラミックス複合材料
の製造方法は、請求項２に記載のセラミックス複合材料
を製造する方法であって、元素周期律表第４ａ族及び第
６ａ族よりなる群から選ばれる１元素の硼化物と炭化珪
素と、炭素と、コバルト，ニッケル及びチタンよりなる
群から選ばれる１種類の金属粉末とを混合して成形した
後、真空又は不活性雰囲気中で１３００℃以上の温度で
焼結することを特徴とする。

【００１５】請求項６の硼化物系セラミックス複合材料
の製造方法は、請求項３に記載のセラミックス材料を製
造する方法であって、元素周期律表第４ａ族及び第６ａ
族よりなる群から選ばれる１元素の硼化物に炭素をＣＶ
Ｄコートした後、該硼化物と、炭化珪素と、コバルト，
ニッケル及びチタンよりなる群から選ばれる１種類の金
属粉末とを混合して成形し、次いで、真空又は不活性雰
囲気中で１３００℃以上の温度で焼結することを特徴と
する。

【００１６】なお、本発明において、炭化珪素（Ｓｉ
Ｃ）微粒子の分散割合は、マトリックスとＳｉＣとの合
計に対する体積％であり、また、コバルト（Ｃｏ），ニ
ッケル（Ｎｉ），チタン（Ｔｉ）の金属粉末の分散割合
は、マトリックスとＳｉＣとの合計に対する体積％であ
る。炭素（Ｃ）の含有割合は、マトリックスとＳｉＣと
の合計に対する重量％である。

【００１７】以下に本発明を詳細に説明する。

【００１８】本発明の硼化物系セラミックス複合材料
は、結晶粒径０．３〜５μｍ、好ましくは１μｍ以下
の、元素周期律表第４ａ族及び第６ａ族よりなる群から
選ばれる１元素の硼化物、即ち、硼化チタン（ＴｉＢ
₂ ），硼化ジルコニウム（ＺｒＢ₂），硼化ハフニウム
（ＨｆＢ₂ ），硼化タングステン（ＷＢ，Ｗ₂ Ｂ₅ ），
硼化モリブデン（ＭｏＢ），硼化クロム（ＣｒＢ）をマ
トリックスとし、このマトリックスの結晶粒内又は粒界
に、平均粒径が５００ｎｍ以下のＳｉＣの微粒子３〜３
０体積％と、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｔｉの金属粉末５〜１０体積
％とが均一に分散してなる構造のセラミックス複合材料
である。

【００１９】本発明において、ＳｉＣ微粒子の平均粒径
を５００ｎｍ以下とする理由は、マトリックスの結晶粒
内に取り込まれ易いこと、そして、マトリックス中で材
料欠陥となるほどの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。特に、ＳｉＣ分散粒子の平均粒径
は、５０〜３００ｎｍとするのが好ましい。

【００２０】また、ＳｉＣ分散粒子の含有割合を３〜３
０体積％とする理由は、焼結時におけるマトリックス粒
子の寸法、形状の制御に効果があり、複合焼結体の組織
を均質化して、破壊強度、破壊靭性、硬度及び高温特性
を高める効果が十分に得られるためである。

【００２１】Ｃｏ，Ｎｉ，Ｔｉの金属粉末を添加する理
由は、焼結性と破壊靭性を向上させるためであり、これ
らの金属粉末を５〜１０体積％分散させることにより、
材料の高温特性を損なうことなく、破壊靭性などの機械
的特性の向上を図ることができる。この金属粉末が５体
積％未満では、十分な改善効果が得られず、１０体積％
を超えると、材料の組織構造制御が困難となり、材料特
性の向上がなくなる。

【００２２】なお、マトリックスである元素周期律表第
４ａ族及び第６ａ族よりなる群から選ばれる元素の硼化
物の結晶粒径を０．３〜５μｍにする理由は、得られる
材料の特性が高くなるためであり、好ましくはこの結晶
粒径は１μｍ以下である。

【００２３】本発明の硼化物系セラミックス複合材料に
おいては、更に、０．３〜３重量％の炭素を分散させる
ことにより、強度等の機械的特性の向上を図ることがで
きる。この炭素の割合は、０．３重量％未満では炭素を
分散させたことによる改善効果が十分に得られず、３重
量％を超えるとかえって焼結性が悪くなり、強度等を低
下させることとなることから、０．３〜３重量％とする
のが好ましい。

【００２４】この炭素は、マトリックスを構成する硼化
物粉末にＣＶＤコートすることにより複合させることも
でき、この場合には、炭素の均一分散性が高まり、より
一層優れた改善効果が得られる。

【００２５】本発明の硼化物系セラミックス複合材料
は、本発明の方法に従って、好ましくは次のようにして
製造される。

【００２６】即ち、まず、平均粒径３μｍ以下、好まし
くは１μｍ以下の元素周期律表第４ａ族及び第６ａ族よ
りなる群から選ばれる１元素の硼化物粉末、或いは、こ
の硼化物粉末に炭素をＣＶＤコートしたものと、平均粒
径５００ｎｍ以下、好ましくは５０〜３００ｎｍのＳｉ
Ｃ粉末、Ｃｏ，Ｎｉ及びＴｉよりなる群から選ばれる１
種の金属粉末、更に必要に応じて平均粒径０．０１〜
１．０μｍのＣ粉末を所定割合で混合して、所定形状に
成形する。得られた成形体は、焼結温度１３００℃以
上、好ましくは１４００〜１５００℃で焼結する。この
焼結温度が、１３００℃未満であると緻密化が不足し、
十分に緻密で高特性の焼結体が得られない。

【００２７】焼結は、不活性雰囲気で常圧焼結、常圧焼
結＋ＨＩＰ（熱間等方圧プレス）処理、或いは、ホット
プレス焼結にて行なうのが好ましい。ＨＩＰを採用する
場合、ガス圧は、広範囲に用いられるが、特に１０００
〜２０００ｋｇ／ｃｍ² が好ましい。

【００２８】なお、金属粉末は粉砕処理が可能であり、
出発原料の平均粒径は１０μｍ以下のものを用いるのが
好ましい。

【００２９】

【作用】本発明者等は、後述するように、アルミニウム
合金に対する耐溶着性に着目したセラミックス材種のス
クリーニングを実施した。その結果、元素周期律表第４
ａ族及び第６ａ族よりなる群から選ばれる１元素の硼化
物、炭化珪素、炭化硼素が耐溶着性に優れていることを
見出した。

【００３０】しかしながら、これらの単相材料では、工
具や治具などの構造用材料として必要な特性は不十分で
あった。そこで、元素周期律表第４ａ族及び第６ａ族よ
りなる群から選ばれる１元素の硼化物（以下、硼化物と
略記）の結晶粒内又は粒界に分散したＳｉＣに、以下の
ような役割を与えることにより、アルミニウム合金切削
工具用材料又はアルミニウム缶製造用治具材料などとし
ての問題点を克服した。

【００３１】即ち、本発明に係わる硼化物系セラミック
ス複合材料において、硼化物の結晶粒内又は粒界に分散
したＳｉＣの役割は、次の通りである。

【００３２】 マトリックスである硼化物の結晶粒内
又は粒界にＳｉＣを分散させることで、硼化物と分散粒
子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偏向させる。ま
た、硼化物の結晶粒子の内部で、ＳｉＣ微粒子にピンニ
ングされた転位によって、結晶粒子が細分化された組織
になっている。このようにＳｉＣ分散粒子の添加により
発生した応力場による粒内破壊への誘導及び分散粒子の
粒界、粒内でのマトリックスの拡散制御による組織の微
細化によって、破壊強度を改善することができる。

【００３３】 上記応力場によって、高温での硼化物
の強度低下の大きな原因である硼化物結晶粒界のすべり
が抑制されるために、高温強度が改善される。更に、分
散したＳｉＣ微粒子は、高温における硼化物の転位移動
を阻害することにより、キャビテーションを抑制し、硼
化物自身の高温変形も抑制される。また、破壊靭性につ
いても、ＳｉＣ分散粒子の周りに生じた応力場がクラッ
クを誘導し、クラック進展の経路を偏向することにより
改善される。

【００３４】なお、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｔｉの役割は、焼結性
を向上させ、また、焼結中、粒界に存在する粒子が硼化
物となることにより、高温特性を損なうことなく、破壊
靭性などを改善することにある。

【００３５】また、炭素の役割は、酸化不純物の還元除
去と、ＳｉＣの添加により可能となった材料組織の制御
性をより高め、更に組織を微細均質化することにより、
機械的特性をより一層改善することにある。

【００３６】

【実施例】以下に本発明をなすに至った実験例並びに実
施例及び比較例を挙げて、本発明を更に詳しく説明する
が、本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例に
限定されるものではない。

【００３７】実験例１ アルミニウム合金を切削する工具用材料、アルミ缶製造
治具用材料などのアルミニウムに対する耐食性に優れた
セラミックス材料は、アルミニウムとの濡れの良否から
は判断できない。そこで、表１の各種セラミックス材料
で切削チップ（形状：ＳＰＧＮ１２０３０８、ホーニン
グなし）を試作し、下記切削条件でアルミニウム合金を
切削してアルミニウム合金に対する耐溶着性を調べた。
切削は１分間切削して、溶着が生じない場合は、更に１
分間の切削を繰り返した。比較のために、ダイヤモンド
焼結体、超硬合金（Ｋ種）、サーメットを用いて同様に
切削を行なった。結果を表１に示す。

【００３８】切削条件（乾式による連続切削） 被削材 ：Ａｌ−１１％Ｓｉ合金（Ａ４０３２） 切削速度 ：４００ｍ／ｍｉｎ． 切込み深さ：１ｍｍ 送り量 ：０．１ｍｍ／ｒｅｖ． 表１から明らかなように、アルミニウム合金との耐溶着
性に優れたセラミックス材種は、ＴｉＢ₂ 、ＺｒＢ₂ 、
ＨｆＢ₂ 、Ｗ₂ Ｂ₅ 、ＷＢ、ＣｒＢ₂ 、ＳｉＣ、Ｂ₄ Ｃ
である。

【００３９】

【表１】

【００４０】実施例１〜３２，比較例１〜１２ 実験例１で得られた結果を基に、硼化物にＳｉＣ及び金
属粉末、更に場合により炭素を分散し、複合化すること
によりアルミニウム合金切削工具用材料としての特性を
改善した。以下に、本発明の硼化物系セラミックス複合
材料及び比較材料の製造方法、得られた材料の機械的特
性及び切削試験の結果を説明する。

【００４１】なお、硼化物には、ＴｉＢ₂ （出光石油化
学社製，平均粒径０．８μｍ）、ＺｒＢ₂ （日本新金属
社製，平均粒径１．５μｍ）、ＨｆＢ₂ （日本新金属社
製，平均粒径１．５μｍ）、ＣｒＢ₂ （日本新金属社
製，平均粒径２μｍ）、ＭｏＢ₂ （日本新金属社製，平
均粒径１．５μｍ）、ＷＢ（日本新金属社製，平均粒径
１．５μｍ）を用い、ＳｉＣには、イビデン社製「ベー
ターランダムウルトラファイン」（平均粒径３００ｎ
ｍ）を用いた。金属粉末として、Ｔｉは東邦チタニウム
社製のＴｉＨ₂ 粉末（平均粒径１０μｍ）、Ｎｉは日本
新金属社製Ｎｉ粉末（平均粒径１０μｍ）、Ｃｏは日本
新金属社製Ｃｏ粉末（平均粒径１μｍ）を用いた。ま
た、炭素としては三菱化成社製カーボンブラック（平均
粒径３０ｎｍ）を用いた。

【００４２】硼化物に金属粉末を添加し、分散媒として
エタノールを用いて撹拌ミルで湿式粉砕し、その後、Ｓ
ｉＣ、炭素を表２〜７に記載の配合割合で添加し、撹拌
ミルで１時間湿式混合した。この混合スラリーをスプレ
ードライヤーで乾燥造粒して原料粉末とした。なお、一
部のものにおいては、硼化物に、炭素をＣＶＤコートす
ることにより、炭素を配合した。

【００４３】この原料粉末を黒鉛ダイス（内径φ６０ｍ
ｍあるいは１３．５×１３．５ｍｍ）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。焼結条件
は、焼結温度１４００℃まで昇温させた後、１時間保持
するものとした。また、プレス圧は３０ＭＰａとし、真
空中で行なった。得られた各種の焼結体は、切り出し、
研削・研摩加工して、ＪＩＳ Ｒ１６０１に準じた３×
４×４０ｍｍの３点曲げ試験片の大きさとし、破壊強
度、破壊靭性を調べ、結果を表２〜７に示した。

【００４４】なお、曲げ強度は、３点曲げ試験法によ
り、荷重速度０．５ｍｍ／ｍｉｎ．、スパン長さ３０ｍ
ｍにて測定した。破壊靭性は、５ｋｇ重、保持時間１０
秒で、ＩＦ法により測定した。

【００４５】表２〜７から明らかなように、硼化物に対
するＳｉＣ添加量３０体積％までは、破壊強度、破壊靭
性は大幅に改善される。これらの材料の組織は、微細で
均質になっており、また、ＳｉＣのナノ分散の効果が発
現できている。一方、ＳｉＣ添加量が３０体積％を超え
ると材料の組織制御が困難で、材料の特性は僅かしか向
上しない。また、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｔｉの金属粉末も１０体
積％までの添加により、破壊靭性などの機械的特性が改
善される。この添加量が１０体積％を超えると、材料の
組織制御が困難で、材料の特性は向上しない。

【００４６】

【表２】

【００４７】

【表３】

【００４８】

【表４】

【００４９】

【表５】

【００５０】

【表６】

【００５１】

【表７】

【００５２】また、上記で得られた１３．５×１３．５
ｍｍの各焼結体を、切削チップ（形状：ＳＰＧＮ１２０
３０８、ホーニングなし）に加工して、アルミニウム合
金（Ａ４０３２）の切削を行なった。切削条件及び切削
方法は、前記の実験例１と同様とした。その結果を表８
に示した。なお、比較例１３，１４として市販品のダイ
ヤモンド焼結体及び超硬合金（Ｋ種）についても同様に
切削試験を行なって、結果を表８に併記した。

【００５３】表８から明らかなように、硼化物に対する
ＳｉＣ添加量３０体積％、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｔｉ添加量１０
体積％までの材料では、２０分間切削しても、刃先にア
ルミニウム合金の溶着は生じなかった。一方、ＳｉＣ添
加量が３０体積％を超え、また、金属粉末が１０体積％
を超えた材料では、材料の機械的特性が低いために、切
削途中より刃先に著しい摩耗やチッピングが生じ、アル
ミニウム合金との溶着を引き起こした。

【００５４】

【表８】

【００５５】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の硼化物系セ
ラミックス複合材料は、硼化物マトリックス中にナノサ
イズのＳｉＣ微粒子と金属粉末が分散した特殊な組織構
造を有するものであり、破壊強度、破壊靭性等の機械的
特性が著しく高い。このような本発明の硼化物系セラミ
ックス複合材料は、特に刃先との溶着を引き起こし易い
アルミニウム合金の切削においては、超硬合金より優れ
た切削特性を有し、かつ、ダイヤモンド焼結体よりも安
価に提供される。また、アルミニウム缶製造用治具材料
においても、超硬合金より軽量で優れた耐久性を示す。

【００５６】請求項２，３の硼化物系セラミックス複合
材料では、炭素の不純物除去及び組織の微細均質化作用
により、より一層機械的特性が改善される。

【００５７】請求項４〜６の硼化物系セラミックス複合
材料の製造方法によれば、このような本発明の硼化物系
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。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 粒子径０．３〜５μｍの結晶粒子を有す
   る元素周期律表第４ａ族及び第６ａ族よりなる群から選
   ばれる１元素の硼化物をマトリックスとし、その結晶粒
   内又は粒界に、平均粒径５００ｎｍ以下の炭化珪素微粒
   子３〜３０体積％と、コバルト，ニッケル及びチタンよ
   りなる群から選ばれる１種類の金属粉末５〜１０体積％
   とを分散させたことを特徴とする硼化物系セラミックス
   複合材料。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のセラミックス複合材料
   において、更に０．３〜３重量％の炭素を分散させたこ
   とを特徴とする硼化物系セラミックス複合材料。
3. 【請求項３】 請求項１に記載のセラミックス複合材料
   において、炭素をＣＶＤコートした、元素周期律表第４
   ａ族及び第６ａ族よりなる群から選ばれる１元素の硼化
   物をマトリックスとし、炭素の含有割合が０．３〜３重
   量％であることを特徴とする硼化物系セラミックス複合
   材料。
4. 【請求項４】 請求項１に記載のセラミックス複合材料
   を製造する方法であって、元素周期律表第４ａ族及び第
   ６ａ族よりなる群から選ばれる１元素の硼化物と、炭化
   珪素と、コバルト，ニッケル及びチタンよりなる群から
   選ばれる１種類の金属粉末とを混合して成形した後、真
   空又は不活性雰囲気中で１３００℃以上の温度で焼結す
   ることを特徴とする硼化物系セラミックス複合材料の製
   造方法。
5. 【請求項５】 請求項２に記載のセラミックス複合材料
   を製造する方法であって、元素周期律表第４ａ族及び第
   ６ａ族よりなる群から選ばれる１元素の硼化物と、炭化
   珪素と、コバルト，ニッケル及びチタンよりなる群から
   選ばれる１種類の金属粉末と、炭素とを混合して成形し
   た後、真空又は不活性雰囲気中で１３００℃以上の温度
   で焼結することを特徴とする硼化物系セラミックス複合
   材料の製造方法。
6. 【請求項６】 請求項３に記載のセラミックス材料を製
   造する方法であって、元素周期律表第４ａ族及び第６ａ
   族よりなる群から選ばれる１元素の硼化物に炭素をＣＶ
   Ｄコートした後、該硼化物と、炭化珪素と、コバルト，
   ニッケル及びチタンよりなる群から選ばれる１種類の金
   属粉末とを混合して成形し、次いで、真空又は不活性雰
   囲気中で１３００℃以上の温度で焼結することを特徴と
   する硼化物系セラミックス複合材料の製造方法。