JPH08333648A - 硼化物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、高硬度、高靭性の硼化物セラミック
ス複合材料を提供する。 【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２μｍ以下のＢ₄ Ｃ３〜３０体積％
と平均粒径２μｍ以下のＮｉ−Ｍｏ合金粉末１〜１０体
積％とを分散させた硼化物セラミックス複合材料。硼化
物とＢ₄ ＣとＮｉ−Ｍｏ合金粉末とを混合成形した後、
真空又は不活性雰囲気中１６００℃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Ｂ₄ Ｃ
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、硬度、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難削材を切削する工
具用材料、アルミニウム缶製造治具用材料、又は、ノズ
ルなどの耐摩耗部材として有用な高強度、高靭性の硼化
物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】硼化物セラミックスは高融点、高硬度、
高電気伝導度といった優れた特性を有しており、高耐摩
耗材料、高耐蝕材料、切削工具などの工業用材料として
有望視されている。しかし、硼化物セラミックスは焼結
時に粒成長を起こし易く、単相焼結では緻密かつ高特性
の焼結体を得ることは難しい。このために、焼結助剤の
添加、或いは、硼化物セラミックスのサーメット化とい
った改良が施され、焼結性と強度についてはある程度改
善効果が得られている。しかし、この場合には、硼化物
セラミックス本来の高硬度の特性は生かされず、破壊靭
性も低く、アルミニウム用溶湯治具の一部の用途にしか
使用されていないのが現状である。

【０００３】一方、硼化物セラミックスの有用な用途で
ある、切削用工具材料、アルミニウム缶製造治具用材料
では、次のような問題がある。

【０００４】即ち、自動車関連産業では、他の産業と同
様に地球環境の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。

【０００５】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。

【０００６】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。

【０００７】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。

【０００８】

【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。

【０００９】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。

【００１０】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。

【００１１】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、高硬度、高靭性の硼化物セラミ
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。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１の硼化物セラミ
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２μｍ以下の炭化硼素微粒子３〜
３０体積％と、平均粒径２μｍ以下のニッケルとモリブ
デンとの合金粉末１〜１０体積％とを分散させたことを
特徴とする。

【００１３】請求項２の硼化物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、
ニッケルとモリブデンとの合金組成の割合（重量％）
が、Ｎｉ：Ｍｏ＝３０〜８０：７０〜２０であることを
特徴とする。

【００１４】請求項３の硼化物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族よりなる
群から選ばれる１元素の硼化物と、炭化硼素と、ニッケ
ルとモリブデンとの合金粉末、或いは、ニッケル粉末及
びモリブデン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１６００℃以上の温度で焼結することを
特徴とする。

【００１５】請求項４の硼化物セラミックス複合材料の
製造方法は、請求項３に記載の方法において、成形後、
水素雰囲気中７００〜８００℃で還元処理した後、焼結
することを特徴とする。

【００１６】なお、本発明において、炭化硼素（Ｂ₄
Ｃ）微粒子の分散割合は、マトリックスとＢ₄ Ｃとの合
計に対する体積％であり、また、ニッケル（Ｎｉ）とモ
リブデン（Ｍｏ）との合金粉末（以下「Ｎｉ−Ｍｏ合金
粉末」と称す。）の分散割合は、マトリックスとＢ₄ Ｃ
との合計に対する外割の体積％である。

【００１７】以下に本発明を詳細に説明する。

【００１８】本発明の硼化物セラミックス複合材料は、
結晶粒径０．３〜５μｍ、好ましくは２μｍ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２μｍ以下のＢ₄ Ｃ微粒子３〜３０体
積％と、平均粒径が２μｍ以下のＮｉ−Ｍｏ合金粉末１
〜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、Ｂ₄ Ｃ粉末及びＮｉ−Ｍ
ｏ合金粉末の平均粒径を２μｍ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、硼化物セラ
ミックスの組織を制御できること等による。

【００２０】また、Ｂ₄ Ｃの含有割合を３〜３０体積％
とする理由は、焼結体の緻密化が可能であり、マトリッ
クスの粒成長が抑制でき、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、硬度を高める効果が十分に得られるためであ
る。

【００２１】また、Ｎｉ−Ｍｏ合金粉末の含有割合を１
〜１０体積％とする理由は、硼化物セラミックスの有す
る高硬度を損なうことなく、焼結性を改善できることに
よる。この割合が１０体積％を超えると、焼結性は向上
するが、組織の制御が困難となり、硬度も低下する。

【００２２】このＮｉ−Ｍｏ合金粉末の合金組成の割合
（重量％）は、Ｎｉ：Ｍｏ＝３０〜８０：７０〜２０と
する。この範囲外の割合では、硼化物セラミックスの良
好な特性が得られない。

【００２３】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２μｍ以下である。

【００２４】本発明の硼化物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。

【００２５】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元素の硼化物粉末と、平均粒径２μｍ以下の
Ｂ₄Ｃ粉末と、平均粒径２μｍ以下のＮｉ−Ｍｏ合金粉
末と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、好ましくは水素雰囲気中７００〜８００
℃で還元処理した後、不活性雰囲気又は真空中で１６０
０℃以上で焼結する。焼結温度が１６００℃未満である
と十分な緻密化が図れず、高特性の焼結体が得られな
い。

【００２６】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。

【００２７】この焼結に先立ち、所定条件で還元処理す
ることにより、粉末表面の酸化物を除去し、焼結性を高
めるという効果が奏される。

【００２８】なお、本発明の硼化物セラミックス複合材
料の製造に際しては、Ｎｉ−Ｍｏ合金の出発原料として
は、Ｎｉ−Ｍｏ合金粉末の他、ＮｉとＭｏの各金属粉末
の混合物や、還元によりＮｉ，Ｍｏを生じる酸化物等を
用いることもできる。

【００２９】

【作用】本発明者等は、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。その結果は、特願平６−１９１５８，同５−３
１９５５９で報告しているように、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Ｂ₄ Ｃ及びＮｉ−Ｍｏ合
金粉末に、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セラミックス
複合材料において、硼化物の結晶粒内及び／又は粒界に
分散したＢ₄ Ｃ及びＮｉ−Ｍｏ合金粉末の役割は、次の
通りである。

【００３２】 硼化物の粒内及び／又は粒界に分散し
たＢ₄ Ｃは、焼結の緻密化段階でマトリックスの粒界移
動を抑制し、マトリックス粒子の粒成長制御の効果をも
たらす。その結果、マトリックスの異常粒成長は抑制さ
れ、均一な微細組織になり、破壊強度と硬度は向上す
る。また、焼結温度が増加してもマトリックスの粒成長
は抑制されるために、緻密化可能な下限の焼結温度より
も高い温度で焼結することにより、柱状粒子に制御する
ことも可能であり、破壊靭性が向上する。

【００３３】 Ｎｉ−Ｍｏ合金粉末は、硼化物の粒界
での濡れ性を改善し、焼結性を向上させる。また、焼結
過程で板状或いは柱状粒子に制御することも可能であ
り、クラック偏向により、破壊靭性の向上にも寄与す
る。

【００３４】

【実施例】以下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。

【００３５】実施例１〜１８，比較例１〜６ 硼化物にＢ₄ Ｃ及びＮｉ−Ｍｏ合金粉末を分散し、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。

【００３６】なお、硼化物には、ＴｉＢ₂ （出光マテリ
アル社製，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、Ｂ₄ Ｃには、出光
マテリアル社製「Ｂ₄ Ｃ」（平均粒径１．５μｍ）を用
いた。金属粉末として、Ｎｉはインコ社製Ｎｉ粉末（平
均粒径０．８μｍ）を、Ｍｏは日本新金属社製Ｍｏ粉末
（平均粒径０．７μｍ）を、Ｎｉ−Ｍｏ合金粉末は日本
新金属社製Ｎｉ−Ｍｏ合金粉末（β相と共晶点組成，平
均粒径５μｍ）を用いた。

【００３７】硼化物粉末にＢ₄ Ｃ粉末を表１に示す配合
割合で加え、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、Ｎｉ粉末及びＭｏ粉末（Ｎｉ粉
末及びＭｏ粉末を用いた場合は、その合計）、或いは、
Ｎｉ−Ｍｏ合金粉末を表１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、Ｎｉ−Ｍｏ合金粉末は、上記湿式混合前に予め撹拌
ミルで平均粒径０．８μｍ程度に湿式粉砕した。

【００３８】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、水素雰
囲気中にて７５０℃で１時間還元処理した後、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１７００℃まで昇温させた後、１時間保持
するものとした（ただし、比較例５，６の硼化物単相材
料では焼結温度１８５０℃とした。）。また、プレス圧
は４０ＭＰａとし、真空中で行なった。

【００３９】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１に示した。

【００４０】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。

【００４１】

【表１】

【００４２】表１から明らかなように、硼化物に対する
Ｂ₄ Ｃ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、ナノ分散の効果が発現できてい
る。一方、Ｂ₄ Ｃ添加量が３０体積％を超えると緻密化
が困難で、材料の特性は僅かしか向上しない。

【００４３】また、Ｎｉ−Ｍｏ合金粉末も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、硬度は低下し、破壊強度と破壊靭性は僅か
しか向上しない。

【００４４】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。切削条件は、切削
速度４００ｍ／ｍｉｎ，切り込み深さ０．５ｍｍ，送り
量０．１ｍｍ／ｒｅｖ．である。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。その結果を表２に示した。なお、比較例として市販
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２に併記した。

【００４５】

【表２】

【００４６】表２から明らかなように、硼化物に対する
Ｂ₄ Ｃ添加量３０体積％、Ｎｉ−Ｍｏ合金粉末添加量１
０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、Ｂ₄ Ｃ
添加量が３０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。また、Ｎｉ−Ｍｏ合金粉末が１０体積％を超えた材
料では、Ｂ₄ Ｃの添加量が３０体積％以下であっても、
切削途中で刃先の著しい摩耗を生じた。

【００４７】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の硼化物セラ
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Ｂ₄ Ｃ微粒子とＮｉ−Ｍｏ合金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、
硬度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。

【００４８】請求項３，４の硼化物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 (4)

【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２μｍ以下の炭化硼素微粒子３〜３０
   体積％と、平均粒径２μｍ以下のニッケルとモリブデン
   との合金粉末１〜１０体積％とを分散させたことを特徴
   とする硼化物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、ニッケルとモリブデンとの合金組成の割合
   （重量％）が、Ｎｉ：Ｍｏ＝３０〜８０：７０〜２０で
   あることを特徴とする硼化物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
   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、炭化硼素と、ニッ
   ケルとモリブデンとの合金粉末、或いは、ニッケル粉末
   及びモリブデン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１６００℃以上の温度で焼結すること
   を特徴とする硼化物セラミックス複合材料の製造方法。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の方法において、成形
   後、水素雰囲気中７００〜８００℃で還元処理した後、
   焼結することを特徴とする硼化物セラミックス複合材料
   の製造方法。