JPH11217258A - アルミナ基セラミックス焼結体とその製造方法 - Google Patents
アルミナ基セラミックス焼結体とその製造方法Info
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- JPH11217258A JPH11217258A JP10300200A JP30020098A JPH11217258A JP H11217258 A JPH11217258 A JP H11217258A JP 10300200 A JP10300200 A JP 10300200A JP 30020098 A JP30020098 A JP 30020098A JP H11217258 A JPH11217258 A JP H11217258A
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Abstract
ま、強度と靭性が格段に改善されたAl2O3系セラミッ
クスの提供。 【解決手段】高硬度で優れた耐摩耗性を有し、かつ高強
度、高靭性を有し、とくに切削工具や耐摩耗部材に適し
たアルミナ基セラミックス焼結体であって、それぞれの
結晶粒の大きさが5μm以下であるWCを5〜70容量
%と、CとNとのモル比率が1:9〜9:1の範囲にあ
るTi(C,N)固溶体を5〜70容量%を含む。
Description
耐摩耗性に優れ、高強度、高鞭性で、とくに切削工具や
耐摩耗部材に適したアルミナ基セラミックスに関する。
耗性に優れており、セラミックス材料の中では比較的焼
結による緻密化も容易であるため、従来の工具鋼、高速
度鋼、超硬合金などの工具用材料の使用が困難な高速加
工、高温加工用の切削工具や耐摩耗部材として用いられ
ている。
は強度と靭性に乏しいために、利用範囲が限られたもの
になるという欠点があった。
i(C,N)を含有させて炭窒化物粒子を分散強化した
いわゆる黒色セラミックスも知られている。しかしなが
ら、このような黒色セラミックスは、例えば鋼や鋳鉄の
粗切削のような高負荷のかかる用途には強度、靭性は十
分とは言えず信頼性に乏しい。
は、強度、靭性は大幅に改善され、かつ高硬度であるこ
とから耐摩耗部材への適用が試みられている。
は、Al2O3にWCを10〜90容量%配合した原料粉
末を、常圧焼結、ホットプレスまたは熱間静水圧成形す
ることにより、密度が理論値の90%以上の高硬度かつ
高靭性の焼結体を得ることができることが開示されてい
る。
は、Al2O3に5〜95重量%のWCを添加して140
0〜1950℃で焼結し、WC原料粉中に酸素を0.0
5〜6重量%存在させ、W2C相を出現させた焼結体
は、とくに強度、靭性に優れているいることが開示され
ている。
l2O3−WC系セラミックスは、確かに強度、靭性に優
れているものの、高温での耐酸化性が十分でないため、
鋼や鋳鉄の高速切削のような過酷な摺動の状況下では十
分な耐摩耗性を発揮できない。このため、切削工具等の
高温耐摩耗性が必要とされる部材にはほとんど使用され
ていない。
た耐酸化性と耐摩耗性を保持したまま、強度と靭性が格
段に改善されたAl2O3系セラミックスを提供すること
にある。
70容量%と、Ti(C,N)固溶体を5〜70容量%
を含有し、残部がAl2O3からなる緻密焼結体であり、
この焼結体は高強度且つ高靭性であって、高温において
も優れた耐摩耗性を示す。
90容量%以上のものを使用し、且つ、それぞれの平均
結晶粒径は、5μm以下であるのがよい。
ことによって著しく強度および靭性が向上する。この特
性の向上は、まず高硬度であるWC粒子の分散強化が挙
げられ、さらに焼結温度から室温に下がるときに発生す
るAl2O3粒子とWC粒子の熱膨張率の差による残留応
力が2種類の結晶粒子間で作用する強靭化である。ま
た、Al2O3へのWCの添加は焼結時の粒成長を抑える
慟きがあり、これにより焼結体の結晶粒の微細化が焼結
体を強靭にする。
定される。これは、WCの含有量が5容量%未満の場合
には、WC相が少なくなり焼結体の強度および靭性の向
上の割合が小さいためである。また、70容量%を超え
ると、緻密な焼結体を得ることが困難になることに加
え、高温における耐酸化性が低下す傾向がある。しかし
ながら、ホットプレスなどで95%以上の相対密度が得
られた焼結体をHIP(熱間静水圧加圧焼結)処理する
ことにより、70容量%までのWC添加量でも緻密な焼
結体が得られる。強度、靭性の向上効果はWCの添加量
に依存しているが、自己焼結性に乏しいWCの量が70
容量%以上では、焼結性が低下して緻密な焼結体が得ら
れない。
味の焼結体に比べ、著しく強度、靭性は向上し、衝撃に
強い焼結体が得られる反面、Al2O3の持つ優れた耐摩
耗性は損なわれ、とくに高温における耐摩耗性は大幅に
劣化するが、Ti(C,N)を添加含有させると、粒子
分散により強度と耐熱衝撃性の改善をもたらす。さら
に、高温における酸化や相手材との反応による摩耗も少
なく、本来、Al2O3が持つ高い耐摩耗性を維持でき
る。とくに、Ti(C,N)におけるC:Nのモル比率
は1:9〜9:1の範囲で効果がある。
は、WCとTi(C,N)両者を所定量を同時に含有さ
せることによって、優れた耐摩耗性を有し、なおかつ高
い強度、靭性を兼ね備えたものとなる。
る場合には、MgO,Y2O3,CaO,ZrO2などの
焼結促進のための助剤を添加することが多い。これらの
助剤を使用すると、確かに焼結性は改善され、緻密化が
容易となるが、切削工具などの厳しい状況で用いる場合
には、焼結助剤である酸化物の単独相あるいはAl2O3
との複合化合物相が発生することになり、これらの存在
が、強度や硬度、耐摩耗性を低下させることになる。
結助剤を用いないため、この焼結助剤が原因で生じる諸
特性の劣化を招かないことも大きな特徴であり、このよ
うな焼結性のみを改善するような助剤は一切使用せず、
Al2O3、WCおよびTi(C,N)の3相により構成
される。しかしながら、超硬材料の製造方法とは異な
り、カーボンのコントロールをしていないため、W2C
のようなわずかな量で不可避構成相を生成することもあ
る。このような構成相はわずかであるため、切削性能や
機械的性質に支障をきたすことはない。
ンは焼結体中に数μmから数十μmの大きさの異物とし
て存在することになり、曲げ強度の低下、ひいては、切
削中の欠損の原因となる。このフリーカーボンの影響を
低減するために、1.0容量%までの金属W、Tiなど
のカーボンとの化合物を形成し易く、焼結体の特性に悪
影響を与えない金属の添加は許容される。この場合に金
属WまたはTiを添加することによって、焼結中にこの
CをWまたはTiと結合させてWCまたはTiCとする
ことによって残存カーボンを除去することも信頼性の向
上につながる。この発明のAl2O3基セラミックス焼結
体は、所定の組成となるよう配合した粉末を十分混合
し、1600℃〜1900℃で0.5〜5時間、不活性
ガス雰囲気中50〜300kgf/cm2の圧力でホッ
トプレスすることによって製造される。
成形や冷間静水圧成形、またはその両者を用いて成形
し、その後、1600〜1900℃で不活性ガス雰囲気
中0.5〜5時間焼結し、場合によってはさらに140
0℃〜1700℃、不活性雰囲気、500〜2000気
圧の圧力で熱間静水圧焼結を施し製造してもよい。
の発明の実施の形態を説明する。
を示す。同表において、No.1からNo.14はこの
発明の組成範囲内にある実施例を示し、他は比較例であ
る。
範囲外の例を、さらに、No.26からNo.29は従
来のセラミック工具の例を示す。
の原料粉末を所定量秤量し、ボールミルに投入してメタ
ノール溶媒で20時間混合し、乾燥造粒した調製粉末を
カーボンダイスに入れて1700℃の温度でプレス圧力
20〜25MPaに60分保持して焼結した。この焼結
体を切断研削加工して3×4×40mmの曲げ試験片と
JIS規格SNGN432の切削チップに加工して、各
種のテストに供した。同表において、耐摩耗テストは、
被削材として、FCD450のΦ250×500mm
で、切削速度200m/min、切り込み1.5mm、
送り0.2mm/revで行い、逃げ面が0.5mmと
なる時間を切削可能時間とし、これによって耐摩耗性を
評価した。
性を調べるためのもので、4個所の切り欠きを入れて衝
撃を付加した被削材(Φ250×500mm)を用い
て、切削速度200m/min、切り込み1.5mmを
一定とし、送りを変化させて行ったものである。
0mmの被削材を用い、切削速度70m/min、切り
込み1.5mm、送り0.2mm/revで、耐摩耗テ
ストを行った。その評価は逃げ面摩耗が1.0mmとな
って切削不可能となる時間を切削可能時間とし、切削可
能な時間を従来工具と比較したものである。
た。
しないいわゆる乾式切削では、WCは耐酸化性が低いた
めに耐摩耗性は低下する。耐摩耗性の低下率はWCの添
加量に比例しており、40vol%以下、好ましくは3
0vol%以下で工具としての性能が発揮される。しか
しながら、冷却水を使用する湿式切削においては、切削
中の刃先温度の上昇がないためにWCの酸化が抑制され
て摩耗は進行せず、むしろ、強靭化効果による耐粒子脱
落性に起因する耐欠損性や耐チッピング性の大幅な向上
が認められた。
添加することで、WCのもつ靭性強化効果と同時にTi
(C,N)のもつ耐摩耗性向上の効果が発揮され、従来
工具ではできなかった難削材の高能率切削での長時間切
削が可能となった。
0容量%以上で効果が出はじめるが、顕著な効果は50
〜80容量%で発揮される。50容量%以下では、アル
ミナの比率が高く、靭性が低下することになり、また、
80容量%以上では、焼結性が低下し、焼結体中に気孔
が存在して硬さ、強度、靭性が低下する結果、工具とし
ての性能が低下することとなる。
0容量%、Ti(C,N)が5〜70容量%であって、
残部はα率が90容量%以上のアルミナ、及び、不可避
不純物からなる焼結体であれば、優れた耐摩耗性と靭性
を兼ね備えた材料を得ることができる。
晶粒子間の結合力が強化され、さらに、Ti(C,N)
により耐摩耗性が改善され、凝着摩耗が低減し、チルド
鋳鋼切削の例に見られるように、難削材の高能率切削が
可能となった。
1:9〜9:1の間で所望の性能が得られたが、No.
15のようにTiNが多すぎる場合にはTiN添加効果
が現れ、低硬度で早期欠損が認められた。また、No.
16のようにTiCが多すぎる場合には、TiCの添加
効果が現れ、やや焼結性が低下して気孔が残りやすく、
チルド鋳鋼切削で早期摩耗を生じた。
見られる従来のセラミック工具は、靭性が低く、チルド
鋳鋼や鍛鋼などの難削材と呼ばれる金属材料には使用す
ることができなかった。
ているものの、材料強度が低いために断続切削や難削材
のような工具靭性の必要な用途では早期欠損で使用でき
ない。超硬工具では強度や靭性が高いので耐欠損性は高
いが、切削時の切削熱で早期に摩耗する傾向にある。と
くに、高速切削では顕著に現れる。Si3N4系工具は金
属成分を含まないセラミックスであるため、高速切削が
可能となり、セラミックスのなかでも高強度/高靭性で
あるために耐欠損は高いが、被削材中の鉄成分との反応
により凝着/脱落摩耗が進行して早期に摩耗し、チルド
鋳鋼切削のような難削材に適さない。さらに、黒セラミ
ック、超硬コーティング等は、欠損やチッピングの他
に、結晶粒子の脱落が摩耗や微少チッピングになって現
れた結果、低寿命であった。
焼結体は靭性と耐摩耗性が必要とされる幅広い部材に使
用することができ、例えば、鋳鉄や鋼の高速粗切削のよ
うな高温で高負荷のかかる過酷な状況にも十分耐え得る
ものである。
Claims (7)
- 【請求項1】 WCを5〜70容量%と、Ti(C,
N)を5〜70容量%を含有し、残部がAl2O3からな
る高強度かつ高靭性のアルミナ基セラミックス焼結体。 - 【請求項2】 Al2O3、WCおよびTi(C,N)の
3相および/または不可避構成相により構成される請求
項1に記載のアルミナ基セラミックス焼結体。 - 【請求項3】 Al2O3の結晶中のα相の割合が90容
量%以上である請求項1に記載のアルミナ基セラミック
ス焼結体。 - 【請求項4】 Ti(C,N)におけるCとNとのモル
比率が、1:9〜9:1の範囲である請求項1または請
求項2に記載のアルミナ基セラミックス焼結体。 - 【請求項5】 Al2O3、WCおよびTi(C,N)の
平均結晶粒径がそれぞれ5μm以下である請求項1に記
載のアルミナ基セラミックス。 - 【請求項6】 用途が、切削工具あるいは耐摩耗部材用
である請求項1から請求項5の何れかに記載のアルミナ
基セラミックス。 - 【請求項7】 それぞれの平均粒径が2μm以下のAl
2O3、WC、Ti(C,N)粉末を、WC粉末が5〜7
0容量%、Ti(C,N)粉末が5〜70容量%、残り
がAl2O3粉末となるよう配合して十分混合した粉末
を、常圧焼結、ホットプレス、熱間静水圧焼結の何れ
か、または、それらを組み合わせて焼結するアルミナ基
セラミックスの製造方法。
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