JPS6153155A - 高靭性セラミツクの製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は高密度で靭性の大きいセラミック材料の製造法
に関するものであり、特に切削工具用材料として有用な
Ａ立ｚｏａ−ＴｉＣ系の高靭性セラミックの製造法に関
するものである。

［従来の技術］ 工具材料のうち、特に刃先部に過酷な力やだ１を受ける
切削工具では、次のような材料特性が要求される。

１　高温硬度が大きいこと。

２　靭性、特に高温での靭性を有すること。

３　化学的に安定で、刃先において被切削材と反応しな
いこと。

切削工具材料としてのアルミナ系工具では、これらの要
求特性のうちの１と３とについては申し分ないが、２に
ついては問題がある。この限界を乗り超えるべく開発さ
れたのが、Ａｌ２０３−ＴｉＣ系のセラミックである。

この系のセラミックは、Ａ文２０３基材料の改良として
は画期的なもので、複合化セラミックの典型的な成功例
である。ところが酸化物と炭化物との複合化であるため
、単純に熱を加えるだけの製法では緻密化することが困
難である。そこでへ立２０３粒子と分散粒子（ＴｉＣ＞
との間のガス発生を極力抑制する工夫が必要になるが、
工業的な製造技術としては、熱とともに別械的な力を加
えるホットプレスの適用、更には全周囲方向から均等で
大きな力を加えることのできる熱間静水圧プレス（以後
ＨＩＰと略す）の適用が、安定して高性能な製品製造に
使われている。このようなＡｉｚＯｓ−Ｔｉ　Ｃ系のセ
ラミックは、耐摩耗性が優れ、鉄との親和性が低いとい
う特徴をもつために、鋳鉄の精密仕上げや高速切削にお
いて広く使用されている。

［発明が解決しようとする問題点１ 種々の業界例えば、自動車や航空機産業などでは生産性
向上のために、切削速度が極度に速くなりつつあり、一
方ではこうした高速切削に耐えろる工作機械の発展もあ
る。

又、生産現場の無人化が進むにしたがって切削工具特に
セラミック工具の信頼性を高めることが必要となってき
た。

高速切削および切削工具の信頼性を向上させるためには
、現在のへ立２０３−ＴｉＣ系セラミックの性能、特に
靭性面を更に向上させることが必要である。

この靭性の改善の一手段としてＴｉＣ粒同士、ＡｉｚＯ
ｓ粒同士あるいはＴｉ０粒とＡｌ２Ｏ３粒間の界面の強
化が考えられ、過去にＴｉ　Ｏｚ（特公昭５ｌ−５６９
）やＴｉ　　（特公昭５０−２０９６３及び持分［５Ｏ
−３９４４５）（７）添加により試みられたことがある
が十分な成果は得られていない。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので
より靭性の大きいＡｌ２Ｏ３−Ｔｉ　（：系セラミック
の製造法を提供することを目的とする。

［発明の構成］ 一般式Ｔｉ　Ｃｘ　　（ただしＸは０．６５〜０．９３
）で表わされる炭化チタン２０〜５０重杏％と、Ｉ　Ｉ
Ｉ又は２８以上からなる希土類酸化物０．０５〜３．０
！１１！ｍ％ト、 Ａ１２０ａ４７〜７９．９５重ｊｉｉ％か’３なる配合
物を成形後、不活性ガス中で一次焼結を行ない、対理論
密度を９５〜９９％とし、次いで熱間静水圧プレス法に
より焼結することを特徴とする高靭性セラミックの製造
法を要旨とする。

本発明においてＴｉ　ＣＸ　　（ただしＸは０．６５〜
０．９３）が２０〜５０Ｉｆｆｉ％用いられることが必
要である。

上記のＴ１ＣｘはＴｉが過剰の非化学量論的効果チタン
であり、ＴｉＣで表わされる化学量論的炭化チタンに比
べて、結晶構造が不完全かつ不安定である。そのため固
相反応等の焼結反応が容易となり、ＡｊＬｚＯｓ粒と７
ｉ　Ｃｘ粒及び７ｉＱｘ粒同士の界面がＡ文２０ａ粒と
Ｔｉ０粒及びＴｉＣ粒同士の界面に比較して強化される
。又、ＴＩＣ×の原子間の結合形態は共有結合に金属結
合的性質を帯びたものとなり靭性が向上する。

Ｔ１ＣｘにおけるＸが０．６５より小さい場合には、焼
結体の性能特に耐摩耗性が低下し、又Ｘが０．９３より
大きくなるとＴ１Ｃｘにおける非化学量論的効果が弱く
なり、十分な靭性が得られなくなる。

上記ＴｉＣ×は２０〜５０重量％用いられることが必要
であるがＴ１Ｃｘが２０重徂％未満の場合は、７ｉ　Ｃ
ｘを用いＩＣ効果が十分に表われず、５０重重量を超え
る場合は焼結性が悪くなり、十分な靭性が１ｑられなく
なる。

更に１種又は２８以上からなる希土類酸化物例えハＹ　
２０　ａ　、Ｄ　Ｖ　ｚ　Ｏａ等が０．０５〜３．０重
量％用いることが必要である。

希土類酸化物は１次焼結において比較的低い温度例えば
１７５０℃以下で配合物の対理論密度を後述のＨＩＰ処
理に必要な９５％以上とするために用いる。

希土類酸化物が０．０５重量％未満の場合には、１次焼
結において比較的高い温度で焼結しないと対理論密度が
９５％以上とならない。この場合にはへ立２０３が粒成
長を起こし焼結体の強度が低くなり好ましくない。

逆に希土類酸化物が３重量％を超える場合には、焼結体
は得られるが靭性に劣り工具としての特性に欠ける。

希土類酸化物の中でもＤＶ　ｚｏａ、Ｙ２Ｏ３、Ｔｂ　
４０？、Ｈｏ　２０ａ、Ｅｒ　２０３およびＧｄＺＯａ
は特に上記の１次焼結における比較的低温で所定の対理
論密度を与える効果が大きい。

さらに、ＭＯ０ＳＣａ　Ｏ，Ｓｉ　０２　、Ｚｒ　Ｏｚ
およびＮｉＯ答の通常Ａ１２０３系、Ａｌ２Ｏ３−Ｔｉ
　Ｃ系、ＡｉｚＯａ−Ｚｒ　Ｏｚ系ナトＩ）　Ａ　１２
０３主体のセラミックの焼結に用いられる焼結助剤から
遍ばれｆｃ　１種又は２種以上を全配合物に対して２重
量％以下添加してもよい。この場合には、焼結時の粒成
長抑制の効果が更に大きく、より強度のセラミックとな
って好ましい。

本発明は、上記配合物を成形助剤を用いるプレス成形等
の通常用いられる成形方法によって所望の形状に成形し
た後、ＴｌＣｘの酸化を防ぐため不活性ガス中で対理論
密度が９５〜９９％となるまで１次焼結を行なう。

１次焼結後の対理論密度が９５％より小さいとＨＩＰ処
理において緻密化せず、又対理論密度が９９％より大き
いとＡｌｚＯｉが粒成長を起こし、どちらの場合も焼結
体の強度が低下する。

ＨＩＰ処理は、１４００〜１５８０℃、２００気圧以上
の条件等の通常用いられる条件下で行なねれる。実用上
の強度を得るためにＨＩＰ処理後の対理論密度が９９．
５％以上となることが好ましい。

以上のような本発明方法によって得られるセラ　　。

ミック工具は耐摩耗性及び靭性に優れたものとなる。そ
の理由はＡｌ２Ｏ３とＴ１Ｃｘの接着強度が高く、かつ
ＡｉｚＯａの結晶粒子が微細なためである。

［実施例］ 本発明の一実施例について述べる。　　　　　　　　　
　５純度９９．９％平均粒径０．４μｍのα−Ａ文２０
３、第１表の内容に調整されたＴｌＣｘ、希土類酸化物
、及び場合によって焼結助剤を第２表のように各種配合
し、ボールミルにて４０ｈｒ湿式混合を行った後乾燥し
、混合粉を１９だ。この混合粉にパラフィン４ｆｌｉｆ
ｆｉ％を加えて１　、０ｔｏｎ　／（、ｉの圧力で焼結
後の寸法が１３Ｘ１３Ｘ５ｍｍになるようプレス成型し
、その後不活性ガス雰囲気で対理論密度が９５〜９９％
になるよう１次焼結した。

焼結後Ｈ［Ｐ炉を用いて１４５０℃テ１ｈｒ、１５００
、ｋ（］／ｃｒＡの圧力で焼結した。ガスはアルゴ、ン
を用いた。得られた焼結体はダイヤモンド砥石を用いて
ＳＮＧ’Ｎ４３２の形状（ＪＩＳ）に仕上げた。

チャンフン７−４よ０．１ｍｍＸ２５°とした。−のも
のについて次の工、■の条件にて切削テストを行ったと
ころ第２表のような結果が得られた。

切削テストの条件 工　被削Ｕ　　：Ｆｅ１２（ＨＢ２００〜２２０＞切削
条件：切削速度（Ｖ）−９００ｍ／ｍｉｎ、切り込み（
ｔ　）　−０，５ｍｍ。

送り速度（ｆ　）　−０’、　２５ｍｍ／ｅｖ　　１ 寿命判定：１２０＋１１１１１φｘ１５ｍｍ立の外周部
を１００回切削した後の摩耗幅Ｖ。

（ｍｍ）を測定 ■　被削材　：５ＫＤ１１　（ＨＲＣ６０）切削条件：
切削速度（Ｖ’）　＝　１２０ｍ　／ｍｉｎ　。

切り込み（ｔ　）　＝０．５ｍｍ、 送り速ｔｉ　（ｆ　）　−０，１ｍｍ／ｒｅｖ寿命判定
：１２０φｍｍの棒材を２０分間切削した後の摩耗幅Ｖ
Ｂ（ｍｍ）を測定 第１表 第２表の結果により次の（１）〜（８）の場合には、セ
ラミックの摩耗幅が大きくなり、場合によっては欠損す
ることが判った。

＜１）Ｎｏ、１９のようにＴｉＯｘが５０重社％よりも
多く配合された場合。

（２）Ｎｏ、２０のようにＴ１Ｃｘが２０虫邑％よりも
少なく配合された場合。

（３）Ｎｏ、２１のようにＴｉＣｘｆ、：Ｊ３けるＸの
（直が０．９３を超える場合。

（４）Ｎｏ、２２のようにＴ１ＣｘにおけるＸの値が０
．６５よりも小さい場合。

（５）Ｎｏ、２３のように１８又は２稲以上からなる希
土類酸化物が０．０５ｆｆ）ｆｆｉ％にりも少ない場合
。

（６）Ｎｏ、２４のように１種又は２種以上からなる希
土類酸化物が３重量％よりも多い場合。

（７）Ｎｏ、２５のように１次焼結後の対理論密度が９
５％未満の場合。

（８）Ｎｏ、２６のように１次焼結後の対理論密度が９
９％を超える場合。

これらより高靭性セラミックを１ηるには、本発明のよ
うに７ｉ　ＣｘにおけるＸの値、Ｔ１Ｃｘの配合量、１
種又は２種以上からなる湖上ｍ酸化物の配合量を所定に
することがどうしても必要であることがわかった。

又Ｎｏ、１〜Ｎｏ、１５より配合物にＭｇＯ１ＣａＯＮ
　Ｓ　ｉ○２　、Ｚ　’０２およびＮｉＯ等の通常ＡＪ
ＩＬｚ　Ｏｓ主体のセラミックの焼結に用いられる焼結
助剤を添加す６ると耐摩耗性が更に向上することが判っ
た。

［発明の効果］ 本発明のセラミックの製造法を用いることによって靭性
の大きいＡｉｚＯａ　−Ｔｉ　Ｃ系セラミックを製造す
ることができ製造されたセラミックは鋳鉄、鋼、高ニッ
ケル、アルミニウム、チタン等や、非金属の切削工具と
して、又振動が激しくかかるあるいは高熱のかかる椴械
部品等に有用である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　一般式ＴｉＣ＿ｘ（ただしｘは０．６５〜０．９３
   ）で表わされる炭化チタン２０〜５０重量％と、 １種又は２種以上からなる希土類酸化物０．０５〜３．
   ０重量％と、 Ａｌ＿２Ｏ＿３４７〜７９．９５重量％と、からなる配
   合物を成形後、不活性ガス中で一次焼結を行ない、対理
   論密度を９５〜９９％とし、次いで熱間静水圧プレス法
   により焼結することを特徴とする高靭性セラミツクの製
   造法。 ２　熱間静水圧プレス法により対理論密度を９９．５％
   以上とする特許請求の範囲第１項記載の高靭性セラミツ
   クの製造法。 ３　希土類酸化物がＤｙ＿２Ｏ＿３、Ｙ＿２Ｏ＿３、Ｔ
   ｂ＿４Ｏ＿７、ＨＯ＿２Ｏ＿３、Ｅｒ＿２Ｏ＿３および
   Ｇｄ＿２Ｏ＿３から選ばれる１種又は２種以上である特
   許請求の範囲第１項又は第２項記載の高靭性セラミツク
   の製造法。