JPH0764636B2 - High hardness, high toughness and high strength titanium carbide (Tic) / silicon carbide (Sic) whisker-composite sintered body and method for producing the same - Google Patents

High hardness, high toughness and high strength titanium carbide (Tic) / silicon carbide (Sic) whisker-composite sintered body and method for producing the same

Info

Publication number
JPH0764636B2
JPH0764636B2 JP62056732A JP5673287A JPH0764636B2 JP H0764636 B2 JPH0764636 B2 JP H0764636B2 JP 62056732 A JP62056732 A JP 62056732A JP 5673287 A JP5673287 A JP 5673287A JP H0764636 B2 JPH0764636 B2 JP H0764636B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
tic
sic
whiskers
whisker
sintering
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
JP62056732A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPS63225578A (en
Inventor
茂夫 井上
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Riken Corp
Original Assignee
Riken Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Riken Corp filed Critical Riken Corp
Priority to JP62056732A priority Critical patent/JPH0764636B2/en
Publication of JPS63225578A publication Critical patent/JPS63225578A/en
Publication of JPH0764636B2 publication Critical patent/JPH0764636B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は高硬度、高靭性且つ高強度のTiC/SiCウィスカ
ー複合焼結体及びその製造方法に関するものである。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a TiC / SiC whisker composite sintered body having high hardness, high toughness and high strength, and a method for producing the same.

(従来技術と問題点) TiC焼結体は電気伝導体、高硬度、耐熱性(真空または
還元雰囲気)等構造用セラミックスとしての利点を多く
有しているが、耐酸化性、破壊靭性が低いため実用化さ
れるまでに至っていない。
(Prior art and problems) TiC sintered body has many advantages as an electric conductor, high hardness, heat resistance (vacuum or reducing atmosphere) as structural ceramics, but low oxidation resistance and fracture toughness. Therefore, it has not been put to practical use.

TiCは共有結合性の強い物質であるため難焼結性であ
り、このこともTiC系セラミックスがあまり研究されて
いない理由の一つになっている。
Since TiC is a substance with a strong covalent bond, it is difficult to sinter, which is one of the reasons why TiC ceramics have not been studied so much.

TiCは非常に酸化しやすく800℃程度ですでに酸化を始め
表面に形成されるTiO2により強度は大幅に低下する。
又、TiC焼結体は破壊靭性が非常に低く、小さな欠陥か
らもマイクロ的な破壊を生じ易い物質である、TiCを構
造用セラミックス材として考えるとき、その長所(高硬
度、電気伝導性等)と短所(耐酸化性、破壊靭性等)の
差が大きい、つまり長所としては非常に良いが、短所も
非常に大きいという性格を持っている。
TiC is very easy to oxidize, and its strength is greatly reduced by TiO 2 which is already formed on the surface and has already started to oxidize at around 800 ° C.
In addition, TiC sinter has extremely low fracture toughness and is a substance that easily causes micro-destruction even from small defects. When considering TiC as a structural ceramic material, its advantages (high hardness, electrical conductivity, etc.) And the disadvantages (oxidation resistance, fracture toughness, etc.) are large, that is, the advantages are very good, but the disadvantages are also very large.

そこで、TiCを構造用セラミックスの実用材として使用
するために次の2点に着目する必要がある。
Therefore, in order to use TiC as a practical material for structural ceramics, it is necessary to pay attention to the following two points.

(1)耐酸化性が低いためTiC系のセラミックスを応用
する製品分野は酸化が問題にならない分野に限定するこ
と。
(1) Limit product areas where TiC-based ceramics are applied because oxidation resistance is low to areas where oxidation is not a problem.

(2)破壊靭性を何等かの方法で上げること。(2) To increase fracture toughness by some method.

このような点に着目すると、TiC系セラミックスは引き
抜きダイス、ドリル、カッターの刃等耐酸化性があまり
問題にならない工具類への応用が最も適した応用分野で
あると考えられる。
Focusing on these points, TiC ceramics is considered to be the most suitable application field for tools such as drawing dies, drills, and cutter blades where oxidation resistance is not a serious problem.

本発明は以上のような点に鑑みてなされたもので、セラ
ミックス工具への応用を目的としてTiCマトリックスにS
iCウィスカーを分散させ高硬度、高靭性且つ高強度のTi
C/SiCウィスカー複合焼結体とその製造方法を提供する
ことにある。
The present invention has been made in view of the above points, and a TiC matrix has an S content for the purpose of application to a ceramic tool.
Ti with high hardness, high toughness and high strength by dispersing iC whiskers
It is to provide a C / SiC whisker composite sintered body and a manufacturing method thereof.

(問題点を解決するための手段) 本発明の第1の発明は、SiCウィスカー3〜45容量%、
BとCの焼結助材(但しSiCウィスカーとTiCの総重量に
対して)0.2〜4重量%、残部が実質的にTiCからなる高
硬度、高靭性且つ高強度のTiC/SiCウィスカー複合焼結
体であり、第2の発明はSiCウィスカー3〜45容量%、
Bとして金属硼素と、Cとしてノボラック樹脂の焼結助
材(但しSiCウィスカーとTiCの総重量に対して)0.2〜
4重量%、残部がTiCからなる原料粉を超音波分散法等
で混練する工程と、混練された原料粉を成形し成形体と
する工程と、該成形体をホットプレス又は常圧焼結する
工程からなる高硬度、高靭性且つ高強度のTiC/SiCウィ
スカー複合焼結体の製造方法に関する。
(Means for Solving Problems) The first invention of the present invention is to provide SiC whiskers of 3 to 45% by volume,
A sintering aid of B and C (however, based on the total weight of SiC whiskers and TiC) 0.2 to 4% by weight, the balance being substantially TiC, a high hardness, high toughness and high strength TiC / SiC whisker composite firing The second invention is a SiC whisker 3 to 45% by volume,
B as a metal boron and C as a novolac resin sintering aid (however, based on the total weight of SiC whiskers and TiC) 0.2 to
A step of kneading the raw material powder containing 4% by weight and the balance of TiC by an ultrasonic dispersion method or the like, a step of shaping the kneaded raw material powder into a green body, and hot pressing or atmospheric pressure sintering the green body. The present invention relates to a method for producing a TiC / SiC whisker composite sintered body having high hardness, high toughness and high strength, which comprises steps.

(作用) 第1の発明について以下説明する。(Operation) The first invention will be described below.

マトリックスのTiCはビッカース硬度が室温で約3200で
り、ダイヤモンド、ボロン炭化物に次いで硬い物質であ
る。又、良好な電気伝導性を有しており、放電加工も可
能である。さらに、真空中、還元雰囲気中では高温強度
が高いことも見逃せないTiCの性質である。
Matrix TiC has a Vickers hardness of about 3200 at room temperature and is the hardest material next to diamond and boron carbide. Further, it has good electric conductivity, and electric discharge machining is also possible. Furthermore, it is a property of TiC that high temperature strength is high in vacuum and in a reducing atmosphere.

TiC原料粉は近年超硬材質改善用としての需要が大きく
なっているため、その性能は大幅に改善され、粒径は1
μm以下のものが市販されるようになっている。純度は
98%以上のものが好ましいが、95%程度のものも使用で
きる。95%以下では不純物として混入している酸化物
(Al2O3、MgO)が焼結温度において液相となり結晶粒界
に介在して強度を極端に下げてしまう。TiC粒径は細か
ければ細かい程良い。粒径は5μm以下にすべきであ
る。5μm以上であると焼結後のTiCマトリックス結晶
粒径も5μm以上になり、マトリックスの破壊靭性は極
端に低下する。さらに、粒子形状は球形に近いものを使
用すべきである。球形以外のものほど焼結性が低下す
る。
Since the demand for TiC raw material powder for the improvement of cemented carbide material has increased in recent years, its performance has been greatly improved and the particle size is 1
Those having a size of μm or less are commercially available. Purity is
98% or more is preferable, but about 95% can also be used. If it is less than 95%, the oxides (Al 2 O 3 , MgO) mixed as impurities become a liquid phase at the sintering temperature and intervene in the grain boundaries to extremely reduce the strength. The finer the TiC grain size, the better. The particle size should be less than 5 μm. When it is 5 μm or more, the TiC matrix crystal grain size after sintering also becomes 5 μm or more, and the fracture toughness of the matrix is extremely lowered. In addition, the particle shape should be close to spherical. The sinterability decreases as the shape is other than spherical.

前記TiCにSiCウィスカーを分散すると破砕靭性が増加す
る。その理由は、発明者等によって書かれた論文;セラ
ミックス誌〔窯業協会、Vol.21(7)、1986.p621〜〕
によれば、マトリックスにSiCウィスカーを分散させる
ことは、破壊の起原であるクラック面に第1図及び第2
図に示すようにクラックディフレクション及びウィスカ
ー引き抜き効果を生じさせることになり、破壊靭性を大
幅に増加させることになる。但し、マトリックスの線膨
張係数αがウィスカーの線膨張係数αsicウiスカー
より大きいことが条件である。本発明においては、 αTiC8×106(1/℃)、αsicウィスカー=5×10-6
(1/℃) 程度であり、 αTiC>αSiCウィスカー (1) であるのでこの条件は満足されている。
Dispersion of SiC whiskers in TiC increases fracture toughness. The reason for this is a paper written by the inventors; a journal of ceramics [Ceramics Association, Vol.21 (7), 1986.p621-].
According to the method, dispersion of SiC whiskers in the matrix is shown in Figs. 1 and 2 on the crack surface which is the origin of the fracture.
As shown in the figure, the crack deflection and the whisker extraction effect are produced, and the fracture toughness is significantly increased. However, it is a condition that the linear expansion coefficient α M of the matrix is larger than the linear expansion coefficient α sic whiskers of the whiskers. In the present invention, αTiC 8 × 10 6 (1 / ° C.), αsic whiskers = 5 × 10 -6
(1 / ° C) and αTiC> αSiC whiskers (1), so this condition is satisfied.

SiCウィスカーはひげ状でしかも単結晶であることが必
要である。それ故、SiCウィスカーはニカロン(SiCの長
繊維)のような多結晶SiC繊維とは区別されなければな
らない。SiCには六方晶構造を持つα型と立方晶構造を
持つβ型があるが、通常のSiCウィスカーはαとβの混
合体である。SiCウィスカーが単結晶である限り、αか
βかということはSiCウィスカーの強度自体にはあまり
関係がない。〔P.F.Becher and G.C.Wei,J.Am.Ceram.So
c.,67,c267(1984)〕従ってSiCウィスカーである限り
結晶構造はαでもβでも、又その混合体でも良い。
The SiC whiskers must be whiskers and single crystals. Therefore, SiC whiskers must be distinguished from polycrystalline SiC fibers such as Nicalon (long fibers of SiC). There are α type with a hexagonal structure and β type with a cubic structure in SiC, but ordinary SiC whiskers are a mixture of α and β. As long as the SiC whiskers are single crystals, α or β does not have much relation to the strength of the SiC whiskers. (PF Becher and GCWei, J.Am.Ceram.So
c., 67, c267 (1984)] Therefore, as long as it is a SiC whisker, the crystal structure may be α or β, or a mixture thereof.

次に、SiCウィスカーの直径は、5μm以下であること
が必要である。それは焼結後室温まで冷却される過程に
おいてTiCの方がSiCウィスカーよりも線膨張係数が大き
いため、TiCマトリックス内に引張応力が発生し、SiCウ
ィスカーの直径が5μm以上ではこの引張応力のために
TiCマトリックス内にマイクロクラックが発生するから
である。しかし、あまりウィスカー径が小さ過ぎると、
この系の重要な高靭化機構であるウィスカー引き抜き効
果(ウィスカー断面の周長に比例)が低減し高靭性化は
望めない。適切なウィスカー径は2〜3μm程度であ
る。
Next, the diameter of the SiC whiskers needs to be 5 μm or less. Since the linear expansion coefficient of TiC is larger than that of SiC whisker in the process of cooling to room temperature after sintering, tensile stress is generated in the TiC matrix, and when the diameter of SiC whisker is 5 μm or more, this tensile stress causes
This is because microcracks are generated in the TiC matrix. However, if the whisker diameter is too small,
The whisker pull-out effect (proportional to the perimeter of the whisker cross section), which is an important toughening mechanism of this system, is reduced, and high toughness cannot be expected. A suitable whisker diameter is about 2 to 3 μm.

ウィスカー長は10〜100μm程度であるべきである。10
μm未満ではアスペクト比(ウィスカー長と直径の比)
が小さ過ぎ、クラックディフレクションやウィスカー引
き抜き効果が充分に生かされないし、100μm以上では
ウィスカーのからみ等による欠陥を発生しやすいからで
ある。
The whisker length should be on the order of 10-100 μm. Ten
Aspect ratio (ratio of whisker length and diameter) below μm
Is too small, the crack deflection and the effect of pulling out the whiskers cannot be fully utilized, and when it is 100 μm or more, defects due to the entanglement of whiskers are likely to occur.

SiCウィスカーの複合量は、3容量%以下ではウィスカ
ーによる高靭性化効果が殆ど無く、又45容量%以上では
ウィスカーによるからみ等のようなウィスカー添加過多
による欠陥発生が非常に大きくなるからである。
This is because when the composite amount of SiC whiskers is 3 vol% or less, the toughening effect due to the whiskers is hardly present, and when it is 45 vol% or more, defects due to excessive addition of whiskers such as entanglement due to whiskers become very large.

TiCは共有結合性の強い炭化物であるため難焼結性であ
る。このため、焼結助材を用いることは常圧焼結法にお
いて複雑形状焼結品を製造するためには必要である。
又、ホットプレス法、HIP法においても、焼結助材を用
いることは低温焼成を可能にし、微細組織を持つ焼成体
の製造を可能にする。TiCとSiCの類似性からB、C系の
焼結助材が有効である。但し、B+Cの総量が4重量%
を超えるべきではない。一方、酸化物を助材に用いるこ
とも可能であるが、酸化物の融点または酸化物とTiCと
の共晶点以下で固相焼結することが重要である。この温
度以上であると、焼結助材のAl2O3、TiC粉表面に存在す
るTiO2及びSiCウィスカー表面に存在するSiO2がSiCウィ
スカーと反応して生じた液相が粒界に存在するようにな
り強度を極端に下げる。
TiC is a carbide with a strong covalent bond and is therefore difficult to sinter. For this reason, it is necessary to use a sintering aid in order to manufacture a complex shaped sintered product in the atmospheric pressure sintering method.
Further, also in the hot pressing method and the HIP method, the use of the sintering aid enables low temperature firing and enables production of a fired body having a fine structure. Due to the similarity between TiC and SiC, B- and C-based sintering aids are effective. However, the total amount of B + C is 4% by weight.
Should not be exceeded. On the other hand, although it is possible to use an oxide as an auxiliary material, it is important to carry out solid phase sintering at a melting point of the oxide or a eutectic point of the oxide and TiC or less. If the temperature is higher than this temperature, the liquid phase generated by the reaction of Al 2 O 3 of the sintering aid, TiO 2 existing on the surface of TiC powder and SiO 2 existing on the surface of SiC whiskers with SiC whiskers exists at the grain boundaries. It will become extremely weak.

以上述べたように、TiCにSiCウィスカーを複合化するこ
とにより破壊靭性を大幅に改善することができるのでTi
Cマトリックスセラミックス工具の弱点である耐欠損性
も大きく改善することが可能である。一方、耐酸化性の
問題であるがセラミックス工具を考える場合、長時間高
温に曝されるような場合であっても、摩耗熱による加熱
と空冷という状況で使われるため、工具温度はある一定
温度以上には上がり得ず、又、この温度も極一部を除い
て800℃以上になるとは考えられない。よってSiCウィス
カー強化TiC複合セラミックスはセラミックス工具への
応用としては非常に有望な材料であると考えられる。
As described above, compounding SiC whiskers with TiC can significantly improve the fracture toughness.
It is possible to greatly improve the fracture resistance, which is a weak point of C matrix ceramics tools. On the other hand, when considering a ceramic tool, which is a problem of oxidation resistance, the tool temperature is constant at a certain temperature because it is used under the condition of heating by heat of wear and air cooling even when it is exposed to high temperature for a long time. It cannot rise above the above temperature, and it is unlikely that this temperature will exceed 800 ° C, except for a very small portion. Therefore, SiC whisker reinforced TiC composite ceramics are considered to be very promising materials for application to ceramic tools.

第2の発明を以下に説明する。The second invention will be described below.

前記したTiC原料粉、焼結助材及びSiCウィスカーを混練
する。ウィスカーを複合体の一成分として含む場合、混
練には特に注意を払わなければならない。基本的には次
の二つの方法が考えられる。
The above-mentioned TiC raw material powder, sintering aid and SiC whiskers are kneaded. When whiskers are included as one component of the complex, special attention must be paid to the kneading. Basically, the following two methods can be considered.

(1)超音波混練法……マトリックスとなる原料粉とウ
ィスカーとを混合溶媒とともに入れ超音波攪拌を利用す
ることにより、混練する方法である。この方法の利点は
ウィスカーに損傷を与えずに混練できるところにあり、
ウィスカー長さをそのまま焼結体まで保つことが可能で
ある。然し、この方法が有効であるためには、 (a)ウィスカー同士が混練前に強く絡んでいないこ
と。つまり超音波分散でほぐれること。
(1) Ultrasonic kneading method: This is a method of kneading by mixing the raw material powder to be the matrix and the whiskers together with the mixed solvent and utilizing ultrasonic agitation. The advantage of this method is that it can be kneaded without damaging the whiskers,
It is possible to maintain the whisker length as it is up to the sintered body. However, for this method to be effective, (a) the whiskers must not be strongly entangled with each other before kneading. In other words, loosen with ultrasonic dispersion.

(b)ウィスカー長さが混練前から均一であること。超
音波分散法では、分散中にウィスカー長さが揃うような
作用はない。従って混練前からウィスカー長さにばらつ
きがあると、そのばらつきは焼結体にそのまま持ち込ま
れ、強度、靭性値がばらつく原因となる。
(B) The whisker length is uniform before kneading. In the ultrasonic dispersion method, there is no effect that the whisker lengths become uniform during dispersion. Therefore, if there are variations in the whisker length before kneading, the variations are directly introduced into the sintered body, which causes variations in strength and toughness.

(c)ウィスカー以外の原料粉の径がウィスカー径より
もはるかに小さく、また、原料粉の凝集性が低いこと。
ウィスカーと原料粉とがよく混練されるということは、
原料粉がウィスカーのまわりによく分散するということ
である。原料粉粒子がウィスカー径より大きければウィ
スカー間に原料粉が存在するという確率は低くなり分散
性は上昇しない。又、たとえ原料粉粒子径は小さくと
も、それらが強く凝集していれば大きな粒子が存在して
いるのと同じであり、これまた分散性は良くならない。
以上の3条件が不可欠である。
(C) The diameter of the raw material powder other than the whiskers is much smaller than the whisker diameter, and the cohesiveness of the raw material powder is low.
The fact that the whiskers and the raw material powder are well kneaded means that
It means that the raw material powder is well dispersed around the whiskers. If the raw material powder particles are larger than the whisker diameter, the probability that the raw material powder exists between the whiskers is low and the dispersibility does not increase. Even if the raw material powder particle size is small, if they are strongly aggregated, it is the same as the presence of large particles, and the dispersibility is not improved.
The above three conditions are indispensable.

(2)ボールミル法……原料粉とウィスカーを混合溶媒
とボールと共に容器の中に入れ、溶媒中で攪拌混合する
混練法である。
(2) Ball mill method: This is a kneading method in which raw material powder and whiskers are put in a container together with a mixed solvent and balls and stirred and mixed in the solvent.

この方法の利点としては、次のようなことが挙げられ
る。
The advantages of this method include the following.

(a)装置が非常に安価であり、方法も非常に簡単であ
る。
(A) The device is very inexpensive and the method is also very simple.

(b)ウィスカー長さが不均一でもボールで混練するこ
とにより、その長さは均一なものになってゆく。
(B) Even if the whisker length is not uniform, the length becomes uniform by kneading with a ball.

(c)ウィスカーが多少絡んでいてもボールで混練する
ことによりほぐすことは容易である。
(C) Even if the whiskers are somewhat entangled, it is easy to loosen them by kneading them with a ball.

(d)ウィスカーの分散性に対して原料粉径及び凝集性
はそれほど重要なものではない。ボールによりウィスカ
ーはよく分散されるし、原料粉の凝集性もボールにより
改善される。しかし、この方法の欠点としては次のよう
なことが考えられる。
(D) The raw material powder size and the cohesiveness are not so important with respect to the dispersibility of the whiskers. Whiskers are well dispersed by the balls, and the cohesiveness of the raw material powder is also improved by the balls. However, the drawbacks of this method are as follows.

(a′)使用しているボール及び混合容器からの汚染が
必ずあるため、ボール、容器の材質を焼結体と同じもの
か、又は、焼結体に含まれても無害なものにする必要が
ある。
(A ') Since there is always contamination from the balls used and the mixing container, it is necessary that the material of the balls and the container is the same as that of the sintered body or harmless even if contained in the sintered body. There is.

(b′)ボールで長時間混練するためウィスカー長さが
かなり短くなる。ウィスカー長さが均一になるというこ
とは利点であるが、長さが短くなることは高靭化機構で
あるクラックディフレクション・ウィスカー引き抜き効
果を小さくすることになる。
(B ') Since whiskers are kneaded for a long time, the whisker length becomes considerably short. The uniform length of the whiskers is an advantage, but the shorter length reduces the effect of pulling out crack deflection whiskers, which is a toughening mechanism.

以上二つの混練方法を比較したが本系に用いられている
TiCは1μm程度の径でありウィスカー径とほぼ同じで
ある。又、現在日本で入手可能なウィスカーはその長さ
に均一性が乏しく、長さの揃ったものだけを分級するこ
とも非常に煩雑な作業である。これらのことを考慮して
混練法はボールミル法が好ましい。但し、将来凝集性の
少ない超微粉(0.1μmオーダーの粒径)のTiC原料粉及
び長さの揃ったウィスカーが工業的に入手可能となれば
超音波分散法が採用されるべきである。
The above two kneading methods were compared, but they are used in this system.
TiC has a diameter of about 1 μm, which is almost the same as the whisker diameter. In addition, whiskers currently available in Japan are not uniform in length, and it is a very complicated work to classify only whiskers of uniform length. Taking these things into consideration, the kneading method is preferably a ball mill method. However, if it becomes possible to industrially obtain TiC raw powder of ultrafine powder (particle size of 0.1 μm order) and whiskers of uniform length in the future, the ultrasonic dispersion method should be adopted.

ボールミル法において焼結助材にB、C系のものを使う
場合、混練容器はTiC、SiC、B、Cの1種または2種以
上からなる材質のものにする必要がある。又、ボールに
対してはSiC又はSi3N4ボールを使用すべきである。混練
媒体としては、メチルアルコール、エチルアルコールの
他蒸溜水等無機系の液体が使用できる。混練時は1の
容器に対してセラミックス原材料200g、混練媒体500m
l、直径20mmのボール50個を装入する。容器の容量が変
わればそれに応じて上記の割合に比例させればよい。
When a B or C type sintering aid is used in the ball mill method, the kneading container must be made of one or more of TiC, SiC, B and C. Also, SiC or Si 3 N 4 balls should be used for the balls. As the kneading medium, inorganic liquids such as distilled water as well as methyl alcohol and ethyl alcohol can be used. When kneading, ceramic raw material 200g, kneading medium 500m per container
Insert 50 balls with a diameter of 20 mm. If the volume of the container changes, it may be proportional to the above proportion.

混練時間は10時間以上とする。混練時間が10時間未満で
は助材及びウィスカーの分散が不十分であるからであ
る。
The kneading time should be 10 hours or more. This is because if the kneading time is less than 10 hours, the auxiliary material and the whiskers will not be sufficiently dispersed.

混練後の乾燥には、電子レンジ又はスプレードライヤが
使用できる。但し、電子レンジを使用した場合は、再度
乾式で混合して混練媒体を除去する必要がある。然し、
後述するように、焼結時に焼結温度への加熱に先立っ
て、所定の温度で排気すれば、乾燥をより確実にするこ
とができる。
For drying after kneading, a microwave oven or a spray dryer can be used. However, when a microwave oven is used, it is necessary to dry-mix again to remove the kneading medium. However,
As will be described later, if the material is evacuated at a predetermined temperature prior to heating to the sintering temperature during sintering, the drying can be made more reliable.

成形は、プレス成形、射出成形、スリップキャスト成形
のいずれでも良い。
The molding may be any of press molding, injection molding and slip cast molding.

焼結は、ホットプレス、加圧焼結、HIP法、常圧焼結の
いずれによっても良い。
The sintering may be any of hot pressing, pressure sintering, HIP method, and atmospheric pressure sintering.

前述したように、焼結温度への加熱に先立って、室温か
ら粒子の表面拡散が起らない温度範囲でセラミックス粒
子に付着している有機物や水分(特に混練媒体の残留
分)を除去するように排気を行なうことが望ましい。
As mentioned above, prior to heating to the sintering temperature, it is necessary to remove the organic substances and water (particularly the residual content of the kneading medium) adhering to the ceramic particles within a temperature range from room temperature where surface diffusion of the particles does not occur. It is desirable to evacuate.

TiCマトリックス、SiCウィスカー系セラミックス焼結体
の製造にあっては、ホットプレスによる場合は400〜100
0℃の温度範囲に10分間保持すると共に、10-1Torrに減
圧する。加圧、常圧焼結の場合は、バインダとして使用
される、例えばポリビニルブチルアルコール等が水分と
共に存在しているので、これを除去するために保持時間
は30分間以上とする。
In the production of TiC matrix and SiC whisker-based ceramics sintered body, 400 to 100 when using hot pressing
Hold in the temperature range of 0 ° C for 10 minutes and reduce the pressure to 10 -1 Torr. In the case of pressure and atmospheric pressure sintering, for example, polyvinyl butyl alcohol used as a binder is present together with water, and therefore the holding time is set to 30 minutes or more to remove it.

焼結温度は1800〜2300℃の範囲の温度とする。焼結温度
が1800℃未満では焼結体の密度が上がらず、2300℃を超
えると結晶粒の粗大化が起り、いずれも機械的強度が低
下する。
The sintering temperature is in the range of 1800 to 2300 ° C. If the sintering temperature is less than 1800 ° C, the density of the sintered body will not increase, and if it exceeds 2300 ° C, the crystal grains will be coarsened and the mechanical strength will be reduced.

密度95%以上、結晶粒径3μm以下(特に好ましくは2
μm以下)になるように焼結温度、焼結時間を設定する
のが良い。
Density 95% or more, crystal grain size 3 μm or less (particularly preferably 2
It is preferable to set the sintering temperature and the sintering time so as to be (μm or less).

(実施例) TiC原料粉はメンストラム法により作製されており化学
成分及び粒子径は第1表に示す通りである。用いたSiC
ウィスカーは直径が0.8〜1.0μm、アスペクト比10〜20
0のものである。又焼結助材としては、B、C系のもの
を使用した。Bは純度99%以上、325メッシュ・アンダ
ーの金属ボロンを用いた。又Cはノボラック樹脂を供給
源とした。ノボラック樹脂はフェノールとホルムアルデ
ヒドの縮合体である。
(Example) The TiC raw material powder is produced by the Menstrum method, and the chemical composition and particle size are as shown in Table 1. Used SiC
Whiskers have a diameter of 0.8-1.0 μm and an aspect ratio of 10-20
It is 0. As the sintering aid, B and C type materials were used. As B, a metal boron having a purity of 99% or more and 325 mesh under is used. In addition, C used a novolac resin as a supply source. Novolac resin is a condensate of phenol and formaldehyde.

配合割合はSiCウィスカーの体積率をTiCに対して0、
3、5、15、25、35、45容積%に変化させた。焼結助材
はTiCとSiCウィスカーの総重量に対してBを1重量%、
ノボラック樹脂を1.5重量%添加した。
The mixing ratio is 0% of the volume ratio of SiC whiskers to TiC,
It was changed to 3, 5, 15, 25, 35, 45% by volume. The sintering aid is 1% by weight of B based on the total weight of TiC and SiC whiskers,
Novolac resin was added at 1.5% by weight.

前記原料セラミックス200gをボールミル法で混合した。
C系が焼結助材であるので混練容器は1のポリエチレ
ン容器とした。これに直径10mmのSi3N4ボールを350個入
れ、エチルアルコール500mlを添加した後、48時間混合
した。混合後電子レンジによって乾燥し、篩による造粒
を行ない60メッシュ篩下の粉を焼結用原料粉とした。
200 g of the raw material ceramics were mixed by a ball mill method.
Since the C type is a sintering aid, the kneading container was the polyethylene container of 1. 350 Si 3 N 4 balls having a diameter of 10 mm were put in this, 500 ml of ethyl alcohol was added, and then mixed for 48 hours. After mixing, it was dried in a microwave oven, granulated with a sieve, and the powder under the 60-mesh sieve was used as a raw material powder for sintering.

焼結はホットプレスで行ない第3図に示すようなプロク
ラムを採用した。本焼成に先立ち700℃で30分間とし
た。第4図に配合比の中で最も焼結性が悪いと考えられ
るTiC/35容量%SiCウィスカーの光学顕微鏡組織を示
す。第4図で判るように、僅かに微小な空孔は観察され
るが殆ど焼結は完了している。又、第5図から判るよう
に、SiCウィスカーの分散も非常に良い。
Sintering was performed by hot pressing and a program as shown in Fig. 3 was adopted. Prior to the main firing, the temperature was 700 ° C. for 30 minutes. Fig. 4 shows the optical microscope structure of TiC / 35% by volume SiC whiskers, which is considered to have the worst sinterability among the compounding ratios. As can be seen in FIG. 4, slightly fine voids are observed, but the sintering is almost completed. Also, as can be seen from FIG. 5, the dispersion of SiC whiskers is also very good.

このようにして得られた焼結体からダイヤモンド砥石と
ダイヤモンドブレードを使用して3×4×40mmの硬度測
定用試験片を採取しダイヤモンド研磨液を使用して表面
に鏡面仕上げを施した。曲げ試験は支点間距離30mm、ク
ロスヘッド速度0.5mm/minの3点曲げ試験法、硬度及び
破壊靭性の測定は荷重10kgによるビッカース硬度計で行
なった。破壊靭性KICの算出は、 の式によった。但し、Hはビッカース硬度、aは圧痕対
角長さ、cはこの対角線の先端から発生したメディアン
クラックの長さである。試験の結果は第2表に併記し
た。表中、は平均値、nは測定回数、σは標準偏差で
ある。
A test piece for hardness measurement of 3 × 4 × 40 mm was sampled from the thus obtained sintered body using a diamond grindstone and a diamond blade, and the surface was mirror-finished using a diamond polishing liquid. The bending test was carried out by a three-point bending test method with a fulcrum distance of 30 mm and a crosshead speed of 0.5 mm / min, and hardness and fracture toughness were measured by a Vickers hardness meter with a load of 10 kg. Fracture toughness K IC can be calculated by According to the formula. Here, H is the Vickers hardness, a is the diagonal length of the indentation, and c is the length of the median crack generated from the tip of this diagonal line. The test results are also shown in Table 2. In the table, is the average value, n is the number of measurements, and σ is the standard deviation.

第2表からTiC/SiCウィスカーが(85:15)体積比のとこ
ろで非常に高い曲げ強度を示した。破壊靭性はSiCウィ
スカー添加によりSiCウィスカーを含まないTiCのみのも
のより2倍以上の改善を15容量%以上得た。このこと
は、SiCウィスカーの添加がいかにTiCの破壊靭性及び曲
げ強度の向上 に有効かを示す良い例と言える。また15%以上でKIC
6.5以上であり、この値は高靭性セラミックス材料とし
て知られるSi3N4に匹敵するものである。しかも硬度は2
3GPaという非常に高い値であり、発明者の予想した高硬
度、高靭性且つ高強度のTiC/SiCウィスカー系複合セラ
ミックスが得られたと考えてよい。
From Table 2, TiC / SiC whiskers showed very high flexural strength at the (85:15) volume ratio. With respect to fracture toughness, the addition of SiC whiskers resulted in an improvement of 15% by volume or more, which is more than double that of TiC alone which does not contain SiC whiskers. This means how the addition of SiC whiskers improves the fracture toughness and bending strength of TiC. It is a good example of how effective it is. Moreover, K IC is more than 15%.
The value is 6.5 or more, which is comparable to Si 3 N 4 known as a high toughness ceramic material. Moreover, the hardness is 2
It is considered that the TiC / SiC whisker-based composite ceramics having a very high value of 3 GPa and having high hardness, high toughness and high strength expected by the inventor were obtained.

第6図にマイクロビッカースによって発生させたクラッ
クとマトリックスとの相互作用を示した光学顕微鏡写真
を示す。写真に示すようにクラックはジグザグによく偏
向しておりクラックデフレクションが有効に作用してい
る証拠であると考えられる。第8図に15容積%SiCウィ
スカーを含む曲げ強度が86.7kgf/mm2のものの破面のSEM
写真を示す。図中に矢印で示したようにウィスカーの引
き抜き跡及び引き抜かれたウィスカーが明瞭に観察され
る。また、ウィスカー以外のマトリックス部は非常に起
伏が激しくSiCウィスカーの存在によりマトリックス部
でクラックディフレクションが有効に作用している証拠
であると考えられる。
FIG. 6 shows an optical micrograph showing the interaction between the cracks generated by micro-Vickers and the matrix. As shown in the photograph, the cracks are well-biased in a zigzag pattern, which is considered to be evidence that the crack deflection is effective. Figure 8 shows the SEM of the fracture surface of a flexural strength containing 15 vol% SiC whiskers with a bending strength of 86.7 kgf / mm 2.
Show a photo. As shown by the arrow in the figure, the withdrawal traces of the whiskers and the withdrawn whiskers are clearly observed. In addition, the matrix part other than the whiskers is very undulating, and it is considered to be evidence that the crack deflection effectively acts in the matrix part due to the presence of SiC whiskers.

以上のようにTiCマトリックス/SiCウィスカーセラミッ
クス複合体においてSiCウィスカーが15%の時硬度約23G
Pa、破壊靭性6.54MPa 曲げ強度72.4kgf/mm2という高硬度、高靭性且つ高強度
の複合セラミックスが得られた。この材料は酸化があま
り問題にならないセラミックスドリル、引き抜きダイス
等のセラミックス工具への応用が有効であると考えられ
る。
As described above, in the TiC matrix / SiC whisker ceramic composite, when the SiC whiskers are 15%, the hardness is about 23G.
Pa, fracture toughness 6.54MPa A composite ceramic with a high bending strength of 72.4 kgf / mm 2 and high hardness, toughness, and strength was obtained. It is considered that this material is effectively applied to ceramics tools such as ceramics drills and drawing dies where oxidation is not a serious problem.

(比較例) 比較例として焼結助材にAl2O35重量%をB、C系の代わ
りに添加したものを1800、1900、2000℃×30分の条件で
ホットプレスした。但しこの場合SiCウィスカー量は15
容積%とし、他の製造条件はすべて実施例と同じとし
た。
(Comparative Example) As a comparative example, a sintering aid containing 5% by weight of Al 2 O 3 added in place of the B and C systems was hot pressed under the conditions of 1800, 1900, 2000 ° C x 30 minutes. However, in this case the amount of SiC whiskers is 15
The volume% was used, and all other manufacturing conditions were the same as in the example.

得られた焼結体の硬度、破壊靭性及び曲げ強度を実施例
1と同様に測定した結果を第3表に示す。
The hardness, fracture toughness, and bending strength of the obtained sintered body were measured in the same manner as in Example 1, and Table 3 shows the results.

比較例においては,ホットプレス温度1800℃では緻密化
に至っていないために硬度、曲げ強度共に低かった。
In the comparative example, the hardness and bending strength were low because the densification was not reached at the hot pressing temperature of 1800 ° C.

一方、ホットプレス温度1900℃、2000℃においては硬度
は上昇しているので、明らかに液相焼結を生じ、液相中
に遊離炭素を取り込み緻密化が進行している。但し曲げ
強度がそれぞれ30.5kg/mm2、31.5kg/mm2と低い。これは
ホットプレス中に生じた液相がSiCウィスカーを劣化さ
せたことと、液相の存在が駆動力となって組織が粗大化
したことによる。
On the other hand, since the hardness is increased at the hot pressing temperatures of 1900 ° C and 2000 ° C, liquid phase sintering obviously occurs, and free carbon is taken into the liquid phase to promote densification. However the flexural strength respectively 30.5 kg / mm 2, as low as 31.5 kg / mm 2. This is because the liquid phase generated during hot pressing deteriorated the SiC whiskers and the existence of the liquid phase acted as a driving force to coarsen the structure.

(効果) 本発明はTiCマトリックスにSiCウィスカーを分散させた
高硬度、高靭性且つ高強度のTiCマトリックス/SiCウィ
スカー焼結体とその製造方法であり、TiCの欠点を改善
し長所を生かしてセラミックス工具へ応用することがで
きるようになった。
(Effect) The present invention is a high hardness, high toughness and high strength TiC matrix / SiC whisker sintered body in which SiC whiskers are dispersed in a TiC matrix, and a manufacturing method thereof. It can now be applied to tools.

【図面の簡単な説明】 第1図はウィスカーによるクラックディフレク象の模式
図、第2図はウィスカー引き抜け現象の模式図第3図は
ホットプレスにおける昇温、圧力プログラムを示すグラ
フ、第4図はTiC/35容積%SiCウィスカー焼結体の粒子
構造組織を示す50倍の光学顕微鏡写真、第5図はTiC/35
容積%SiCウィスカー焼結体の粒子構造組織を示す400倍
の光学顕微鏡写真、第6図はTiC/35容積%SiCウィスカ
ー焼結体の硬度測定箇所周辺の粒子構造を示す400倍の
光学顕微鏡写真、第7図はTiC/15容積%SiCウィスカー
焼結体の粒子構造を示すSEM写真である。 尚、図面に示された符号において、 1、7、12……SiCウィスカー、2……ディフレクショ
ンを生じない場合のクラック面、3……ディフレクショ
ンを生じた場合のクラック面、4……クラック、5……
ウィスカーの切断箇所、6、9、10、11……ウィスカー
の引き抜け跡、8……クラックディフレクション。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic diagram of a crack deflecting image by whiskers, FIG. 2 is a schematic diagram of a whisker pull-out phenomenon, FIG. 3 is a graph showing temperature rise and pressure program in hot press, and FIG. The figure shows a 50X optical micrograph showing the grain structure of the TiC / 35 volume% SiC whisker sintered body. Figure 5 shows TiC / 35.
400 times optical micrograph showing the grain structure structure of the volume% SiC whisker sintered body, Fig. 6 is a 400 times optical microscope photograph showing the particle structure around the hardness measurement point of the TiC / 35 volume% SiC whisker sintered body. , FIG. 7 is an SEM photograph showing the grain structure of a TiC / 15 volume% SiC whisker sintered body. In the reference numerals shown in the drawings, 1, 7, 12, ... SiC whiskers, 2 ... crack surface when no deflection occurs, 3 ... crack surface when deflection occurs, 4 ... crack 5 ……
Whisker cutting points, 6, 9, 10, 11 ... Whisker pull-out mark, 8 ... Crack deflection.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】炭化珪素(SiC)ウィスカー3〜45容量%
と残部が実質的に炭化チタン(TiC)との総重量に対し
て0.2〜4重量%の焼結助材を添加してなり、該焼結助
材が硼素(B)と炭素(C)である高硬度、高靭性かつ
且つ高強度の炭化チタン(TiC)/炭化珪素(SiC)ウィ
スカー複合焼結体。
1. Silicon carbide (SiC) whiskers 3 to 45% by volume
And the balance is substantially 0.2 to 4% by weight of a sintering aid with respect to the total weight of titanium carbide (TiC), the sintering aid being boron (B) and carbon (C). A titanium carbide (TiC) / silicon carbide (SiC) whisker composite sintered body with a certain high hardness, high toughness and high strength.
【請求項2】炭化珪素(SiC)ウィスカー3〜45容量%
と残部が炭化チタン(TiC)からなる原料粉の総重量に
対して0.2〜4重量%の硼素(B)と炭素(C)系焼結
助材を混練する工程と、混練された原料粉を成形し成形
体とする工程と、該成形体を焼結する工程からなる高硬
度、高靭性且つ高強度の炭化チタン(TiC)/炭化珪素
(SiC)ウィスカー複合焼結体の製造方法。
2. Silicon carbide (SiC) whiskers 3 to 45% by volume
And a step of kneading 0.2 to 4% by weight of boron (B) and a carbon (C) -based sintering aid with respect to the total weight of the raw material powder consisting of titanium carbide (TiC), and the kneaded raw material powder A method for producing a titanium carbide (TiC) / silicon carbide (SiC) whisker composite sintered body having high hardness, high toughness, and high strength, which comprises a step of forming a formed body and a step of sintering the formed body.
【請求項3】焼結助材として金属硼素とノボラック樹脂
を用いる特許請求の範囲第2項記載の高硬度、高靭性且
つ高強度の炭化チタン(TiC)/炭化珪素(SiC)ウィス
カー複合焼結体の製造方法。
3. High hardness, high toughness and high strength titanium carbide (TiC) / silicon carbide (SiC) whisker composite sintering according to claim 2, wherein metallic boron and novolac resin are used as sintering aids. Body manufacturing method.
【請求項4】超音波分散法を用いて混練する特許請求の
範囲第2項又は第3項記載の高硬度、高靭性且つ高強度
の炭化チタン(TiC)/炭化珪素(SiC)ウィスカー複合
焼結体の製造方法。
4. A high hardness, high toughness and high strength titanium carbide (TiC) / silicon carbide (SiC) whisker composite firing according to claim 2 or 3, wherein kneading is carried out using an ultrasonic dispersion method. A method for producing a bound body.
JP62056732A 1987-03-13 1987-03-13 High hardness, high toughness and high strength titanium carbide (Tic) / silicon carbide (Sic) whisker-composite sintered body and method for producing the same Expired - Lifetime JPH0764636B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP62056732A JPH0764636B2 (en) 1987-03-13 1987-03-13 High hardness, high toughness and high strength titanium carbide (Tic) / silicon carbide (Sic) whisker-composite sintered body and method for producing the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP62056732A JPH0764636B2 (en) 1987-03-13 1987-03-13 High hardness, high toughness and high strength titanium carbide (Tic) / silicon carbide (Sic) whisker-composite sintered body and method for producing the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS63225578A JPS63225578A (en) 1988-09-20
JPH0764636B2 true JPH0764636B2 (en) 1995-07-12

Family

ID=13035681

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP62056732A Expired - Lifetime JPH0764636B2 (en) 1987-03-13 1987-03-13 High hardness, high toughness and high strength titanium carbide (Tic) / silicon carbide (Sic) whisker-composite sintered body and method for producing the same

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPH0764636B2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01286968A (en) * 1988-05-11 1989-11-17 Agency Of Ind Science & Technol Production of silicon carbide fiber-reinforced group iv and v transition metal boride and carbide composition sintered form

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61190483A (en) * 1985-02-06 1986-08-25 石川島播磨重工業株式会社 Working method in tank
JPH0816028B2 (en) * 1986-07-31 1996-02-21 日本特殊陶業株式会社 Highly tough ceramic sintered body, ceramic tool and method for manufacturing sintered body

Also Published As

Publication number Publication date
JPS63225578A (en) 1988-09-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2671945B2 (en) Superplastic silicon carbide sintered body and method for producing the same
US5470806A (en) Making of sintered silicon carbide bodies
JP2651332B2 (en) Zirconia-based composite ceramic sintered body and method for producing the same
JPH0662338B2 (en) Silicon carbide / Graphite / Carbon composite ceramic body
JPS6128627B2 (en)
JP2882575B2 (en) High thermal conductive silicon nitride ceramics and method for producing the same
JPH08143400A (en) High strength and high toughness silicon nitride sintered compact
JPH06219840A (en) Silicon nitride sintered compact and its production
JPH0764636B2 (en) High hardness, high toughness and high strength titanium carbide (Tic) / silicon carbide (Sic) whisker-composite sintered body and method for producing the same
JP3145519B2 (en) Aluminum nitride sintered body
JP3225873B2 (en) MgO composite ceramics and method for producing the same
JP3045366B2 (en) High toughness ceramic composite material, ceramic composite powder, and method for producing them
JP2001019538A (en) Alumina-based composite ceramic and its production
JP2579322B2 (en) Titanium carbide / silicon carbide whisker / zirconia composite sintered body and method for producing the same
JP3045367B2 (en) High-strength and high-toughness ceramic composite material, ceramic composite powder, and method for producing them
JP2001010865A (en) Silicon nitride sintered compact and its production
JP4070254B2 (en) Composite sintered body of silicon nitride and silicon carbide and method for producing the same
JP2000143351A (en) High-toughness silicon nitride-based sintered compact
JP2581128B2 (en) Alumina-sialon composite sintered body
JPH0832590B2 (en) Silicon carbide sintered body and manufacturing method thereof
JP2778732B2 (en) Boron nitride-aluminum nitride based composite sintered body and method for producing the same
JP3241215B2 (en) Method for producing silicon nitride based sintered body
JP2000191376A (en) Aluminum nitride sintered body and its production
JPH0812443A (en) Superplastic silicon nitride sintered compact
JPH07115927B2 (en) SiC-based ceramics and method for producing the same