JPH0812439A

JPH0812439A - 硼化物系セラミックス材料及びその製造方法

Info

Publication number: JPH0812439A
Application number: JP6149311A
Authority: JP
Inventors: Koichi Takayama; 孝一高山; Takeyoshi Takenouchi; 武義竹之内
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1994-06-30
Filing date: 1994-06-30
Publication date: 1996-01-16

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材料
を提供する。【構成】平均粒径０．３〜５μｍを有するＴｉＢ₂ ，
ＺｒＢ₂ 又はＨｆＢ₂ のマトリックスの結晶粒内及び／
又は粒界に、粒子径５００ｎｍ以下のＴｉＣ３〜２０体
積％とＮｉ，Ｍｏ又はＣｏの金属粉末５〜４０体積％と
を分散させた硼化物系セラミックス材料。硼化物とＴｉ
Ｃと金属粉末とを混合成形した後、真空又は不活性雰囲
気中１３００℃以上で焼結する。【効果】硼化物マトリックス中にナノサイズのＴｉＣ
微粒子と金属粉末が分散した特殊な組織構造を有し、破
壊強度、破壊靭性等の機械的特性が著しく高い。

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
材料及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】加工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
結体製切削工具は、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、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
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、その結晶粒内及び／又
は粒界に、平均粒径５００ｎｍ以下の炭化チタン微粒子
３〜２０体積％と、ニッケル，モリブデン及びコバルト
よりなる群から選ばれる１種又は２種以上の金属粉末５
〜４０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材料は、
請求項１に記載のセラミックス材料において、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材料は、
請求項１に記載のセラミックス材料において、炭素をＣ
ＶＤコートした元素周期律表第４ａ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材料の製
造方法は、請求項１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族よりなる群から
選ばれる１元素の硼化物と、炭化チタンと、ニッケル，
モリブデン及びコバルトよりなる群から選ばれる１種又
は２種以上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材料の製
造方法は、請求項２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族よりなる群から
選ばれる１元素の硼化物と炭化チタンと、炭素と、ニッ
ケル，モリブデン及びコバルトよりなる群から選ばれる
１種又は２種以上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族よりなる群から
選ばれる１元素の硼化物に炭素をＣＶＤコートした後、
該硼化物と、炭化チタンと、ニッケル，モリブデン及び
コバルトよりなる群から選ばれる１種又は２種以上の金
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、炭化チタン（Ｔｉ
Ｃ）微粒子の分散割合は、マトリックスとＴｉＣとの合
計に対する体積％であり、また、ニッケル（Ｎｉ），モ
リブデン（Ｍｏ），コバルト（Ｃｏ）の金属粉末の分散
割合は、マトリックスとＴｉＣ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Ｔｉ
Ｃ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（ＴｉＢ₂ ），硼化ジルコニウム
（ＺｒＢ₂ ），硼化ハフニウム（ＨｆＢ₂ ）をマトリッ
クスとし、このマトリックスの結晶粒内及び／又は粒界
に、平均粒径が５００ｎｍ以下のＴｉＣ微粒子３〜２０
体積％と、Ｎｉ，Ｍｏ，Ｃｏの金属粉末５〜４０体積％
とが均一に分散してなる構造のセラミックス材料であ
る。

【００１９】本発明において、ＴｉＣ粉末の平均粒径を
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、ＴｉＣ粉末の平均粒径は、５
０〜３００ｎｍとするのが好ましい。

【００２０】また、ＴｉＣの含有割合を３〜２０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】Ｎｉ，Ｍｏ，Ｃｏ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５〜４０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、４０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ＴｉＣ粉末、Ｎ
ｉ，Ｍｏ及びＣｏよりなる群から選ばれる１種又は２種
以上の金属粉末、更に必要に応じて平均粒径０．０１〜
１．０μｍの炭素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１４００〜１６００℃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、真空又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族よりなる群から選ばれる１元素の硼化物が耐溶着性
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
粒内及び／又は粒界に分散したＴｉＣ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用工具
材料又はアルミニウム缶製造用治具材料、アルミニウム
溶湯用構造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
ス材料において、硼化物の結晶粒内及び／又は粒界に分
散したＴｉＣ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
及び／又は粒界にＴｉＣ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、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、ＴｉＣ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ＴｉＣ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ＴｉＣ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、ＴｉＣ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、Ｎｉ，Ｍｏ，Ｃｏ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一部
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、ＴｉＣ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 の硼化物である。

【００３９】

【表１】

【００４０】実施例１〜６０，比較例１〜１４実験例１で得られた結果を基に、硼化物にＴｉＣ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用工具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１．２μｍ）、ＨｆＢ₂ （日本新金属社
製，平均粒径１．５μｍ）を用い、ＴｉＣには、古河機
械金属社製「ＴｉＣ」（平均粒径０．２μｍ）を用い
た。金属粉末として、Ｎｉは日本新金属社製Ｎｉ粉末
（平均粒径１０μｍ）、Ｍｏは日本新金属社製のＭｏ粉
末（平均粒径０．６μｍ）、Ｃｏは日本新金属社製Ｃｏ
粉末（平均粒径１．５μｍ）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３０ｎ
ｍ）を用いた。

【００４２】硼化物に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、金属粉末、ＴｉＣ、炭
素を表２〜４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１５００℃まで昇温させた後、３０分保持
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、ＪＩＳＲ１６０１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２〜４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２〜４から明らかなように、硼化物に対
するＴｉＣ添加量２０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、ＴｉＣのナノ分散の効果が発
現できている。一方、ＴｉＣ添加量が２０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、Ｎｉ，Ｍｏ，Ｃｏの金属粉末も４０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４０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】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５
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５に併記した。

【００５０】表５から明らかなように、硼化物に対する
ＴｉＣ添加量２０体積％、Ｎｉ，Ｍｏ，Ｃｏ添加量４０
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、ＴｉＣ添
加量が２０体積％を超え、また、金属粉末が４０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。

【００５１】

【表５】

【００５２】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の硼化物系セ
ラミックス材料は、硼化物マトリックス中にナノサイズ
のＴｉＣ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。

【００５３】請求項２，３の硼化物系セラミックス材料
では、炭素の不純物除去及び組織の微細均質化により、
より一層機械的特性が改善される。

【００５４】請求項４〜６の硼化物系セラミックス材料
の製造方法によれば、このような本発明の硼化物系セラ
ミックス材料を容易かつ効率的に製造することができ
る。

Claims

【特許請求の範囲】

【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、その結晶粒内及び／又は
粒界に、平均粒径５００ｎｍ以下の炭化チタン微粒子３
〜２０体積％と、ニッケル，モリブデン及びコバルトよ
りなる群から選ばれる１種又は２種以上の金属粉末５〜
４０体積％とを分散させたことを特徴とする硼化物系セ
ラミックス材料。
【請求項２】請求項１に記載のセラミックス材料にお
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材料。
【請求項３】請求項１に記載のセラミックス材料にお
いて、炭素をＣＶＤコートした、元素周期律表第４ａ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材料。
【請求項４】請求項１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族よりなる群
から選ばれる１元素の硼化物と、炭化チタンと、ニッケ
ル，モリブデン及びコバルトよりなる群から選ばれる１
種又は２種以上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材料の製造方
法。
【請求項５】請求項２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族よりなる群
から選ばれる１元素の硼化物と、炭化チタンと、ニッケ
ル，モリブデン及びコバルトよりなる群から選ばれる１
種又は２種以上の金属粉末と、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材料
の製造方法。
【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族よりなる群
から選ばれる１元素の硼化物に炭素をＣＶＤコートした
後、該硼化物と、炭化チタンと、ニッケル，モリブデン
及びコバルトよりなる群から選ばれる１種又は２種以上
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材料の製造方法。