JPS62128962A - アルミナ質焼結体の製造方法 - 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】 （発明の分野） 本発明はアルミナ質焼結体の製造方法に関し、より詳細
には、高強度、高靭性の特に切削工具に適したアルミナ
質焼結体の製造方法に関する。

（従来技術） 近時、セラミック材料は構造材料として注目され、その
高い強度を利用して各種の分野でその応用が進められて
いる。

それらセラミック材料の中でも、アルミナ質焼結体は薬
品に対する耐蝕性が高く、しかも他のセラミック材料と
比較しても安価であることから、さらに高強度化が求め
られている。

アルミナ質焼結体の高強度化としては添加剤として酸化
ジルコニウム（以下単にジルコニアと称す）を用いるこ
とが知られている。これはジルコニアの相転位を利用し
たものであって、ジルコニア周辺のマイクロクランクに
よって靭性を向上させたものである。これは、アルミナ
中のジルコニアが単斜晶型であり、破壊靭性値は向上す
るものの抗折強度は改善されないという問題点がある。

これに対し、ジルコニア相転位によって破壊エネルギー
を吸収させるという強化方法が注目されている。これは
、ジルコニアが正方晶型として存在するものであるが、
焼結体中にジルコニアの結晶粒子を微細に且つ均一に分
散させる必要がある。

実験的には酢酸ジルコニウムと酢酸アルミニウムを混合
し、アンモニア等を加え、ジルコニウムとアルミニウム
の水酸化物を沈降させる、いわゆる、共沈法によって得
られた原料粉末が用いられているが製造条件が難しく原
料価格が高いため、実用化は困難であった。

また、添加剤の点からアルミナ−ジルコニアの系に他の
添加剤としてＹｚＯｚ＋ＣａＱ等を加え、高強度、高靭
性を達成しようとする試みもなされている。

しかしながら、このような他の添加剤を加えた場合、切
削工具として耐摩耗性が低下するといった問題が生じる
傾向にあった。

（発明の目的） 本発明は上記問題点に対し鋭意研究の結果、実質的にア
ルミナとジルコニアの２元系成分と成し、それぞれ超微
粉の原料粉末を用いて混合し、特定の熱処理工程を原料
粉末の混合粉砕後、もしくは成形後に施すことによって
正方晶が５０％以上の含有率を占めるジルコニアを含む
アルミナ質焼結体が得られることを知見した。

本発明によれば、（ａ）　ＢＥＴ比表面積１５ｍ２／ｇ
以上の酸化ジルコニウム微粉末とＢＥＴ比表面積１５ｍ
”／ｇ以上の酸化アルミニウム微粉末を配合した原料粉
末を混合粉砕する工程と、（ｂ）得られた混合粉体を成
形する工程と、（ａ）の工程後、もしくは（ａ）（ｂ）
工程後に、（ｃ）５００〜１３００℃の範囲で熱処理を
行う工程と、（ｄ）得られた成形体を１３５０乃至１６
００℃の温度で焼成する工程とを具備したアルミナ質焼
結体の製造方法が提供される。

以下、本発明の詳細な説明する。

アルミナ−ジルコニア系焼結体において、ジルコニアは
焼結体内に均一かつ微細化して分散するとアルミナに対
し、粒成長を抑制するとともに最終的に正方晶ジルコニ
アとして残存することが知られている。この均−一分散
化された正方晶ジルコニアは、外部から応力が加えられ
ると単斜晶に相変態する（いわゆる５ｔｒｅｓｓ　Ｉｎ
ｄｕｃｅｄ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ−ａｔｉｏｎ）。この
時クラック先端での破壊エネルギーが吸収される。また
このような焼結体は、研磨などの加工によって表面に残
留圧縮応力が生成する。

このクラック先端でのエネルギー吸収と、残留応力のた
めに優れた高度を示すものである。

本発明によれば、原料粉末としてＢＥＴ比表面積が共に
１５ｍ”／ｇ以上の超微粉の酸化アルミニウムおよび酸
化ジルコニウムを用いることが重要である。

即ち、比表面積が１５ｍ”／ｇ以下の粉末では、調合後
、混合粉砕を行う際、原料中の凝集粒子が粉砕されにく
く不均一となり易く、強度の劣化バラツキ等が生じ易く
なる。しかも正方晶ジルコニアの残存率も低下する。こ
の比表面積は、１５ｍ”／ｇ以上で均一な分散は可能で
あるが１００ｍ”／ｇ以上では原料のかさ密度が低下し
、取扱が難しくなるが、特性上は問題はない。なお、ア
ルミナはα−アルミナ、Ｔ−アルミナ等のいずれでも使
用できる。好ましい比表面積は３０乃至５０ｍ２／ｇで
ある。

上述の原料粉末は調合後、公知の手段によって混合粉砕
される。例えば、原料と、水、油等の液体およびジルコ
ニアまたはアルミナから成る混合用ホールを所定量にポ
ットに入れて混合粉砕を行う。次に均一に分散混合され
た原料粉末は、所望によりバインダを加え、公知の成形
手段、例えば金型成形法、泥しょう鋳込法、ラバープレ
ス法、射出成形法などによって任意の形に成形される。

本発明によれば、混合粉砕工程後、もしくは混合粉砕工
程、成形工程終了後、に５００〜１３００℃特に、７０
０乃至１１００℃の範囲で熱処理を行うことが極めて重
要である。即ち、本発明によれば、用いられる原料粉末
が超微粉であることがら、粉末の製造工程上、各種ガス
やアンモニア等の吸着物質が含まれ、また、水酸化物等
の未反応物質が含まれており、焼成した場合、特性を劣
化させる要因となる。上記の熱処理によれば、このよう
な吸着物質、未反応物質等を除去することができる。

また、混合粉砕工程後であれば、粉体の流動性が改善さ
れプレス成形等を行う場合の粉体の充填性を向上させる
ことができる。さらにもう１つの利点は、粉体の粒度分
布をシャープにすることができる。

これは、広い粒度分布を存する粉体のうち、微粉側の粒
子が熱によって凝集体となるためと考えられる。それに
よって焼結体としての各粒子を均一分散化することが可
能となる。

本発明における熱処理工程は大気雰囲気、酸素雰囲気等
の酸化雰囲気で行うことができる。なお、処理温度は５
００℃より低いと、未反応物質や吸着物質等の除去が困
難となり、１３００℃より高いと粒成長が起こり強度が
低下する。

上述したようにして得られた成形体は焼成工程に移され
る。焼成は公知の方法によって行うことができ、たとえ
ば、大気あるいは水素雰囲気焼成法、真空焼成法、ホッ
トプレス及び熱間静水圧法等が挙げられ焼成温度は１３
５０乃至１６００℃が適当である。

本発明の製造方法において、ジルコニアと、アルミナ組
成比は、焼結体の物性を決定する大きな要因である。

本発明によれば、ジルコニアを５乃至３０重量％より好
ましくは１５乃至２０重量％とじ、残部を実質的にアル
ミナから成る組成が望ましい。ジルコニアの量が５重量
％より小さいと耐摩耗性は向上するが焼結体の靭性、強
度が低下し、３０重量％を超えると耐摩耗性が低下する
とともに強度も低下する。

なお、切削工具として耐摩耗性を重視すれば５乃至１５
重量％に設定するのが望ましい。

本発明の製造方法によって得られる焼結体は、０．５乃
至１．０μのアルミナ粒子の粒界に０゜２乃至０．５μ
のジルコニア粒子が分散した焼結体で、ジルコニア粒子
の５０％以上が正方晶型である。なお抗折強度８００Ｍ
Ｐａ以上、破壊靭性５゜５．５ＭＮ／ｍ””以上の強度
が得られる。

本発明を次の例で説明する。

実施例１ 第１表に示す比表面積のアルミナおよびジルコニアをＡ
ｌｚ０３８２ＷｔＸ　Ｚｒ０ｚ　１８ｗｔＸの組成にて
調合しポリエチレン製の容器にアルミナポール、アルコ
ールとともに原料を密封する。振動ミルにて４８時間粉
砕混合を行った後、原料を取り出し乾燥後、４０ｍｅｓ
ｈのふるいにかけ、アルミナ製るつぼに入れ、空気雰囲
気で１０００℃２時間熱処理を行った。熱処理後の原料
をカーボン型に入れ、１５５０℃で１時間ホットプレス
焼成を行った。ホラ１〜プレス終了後、焼結体を取出し
、所定の形状に研磨し試料とした。

なお研磨は加工による変質層が消えるまで行った。

得られた試料に対し、次の物性測定を行った。

（抗折強度） ＪＩＳＲ１６０１による４点曲げを試験を行う。

（破壊靭性）＝に、ｃ ビッカース硬度測定用ダイヤモンド圧子を荷重２０Ｋｇ
で試料に加圧した場合の圧痕周辺のクラックの粗さを測
定して求める（Ｖｌ法）。なお、試料表面は、ダイヤモ
ンド砥粉で仕上げを行った。

（正方晶ジルコニアの量） Ｘ線回折装置により、単斜晶ジルコニアとしてｍ−Ｚｒ
０ｚ（１１１）　、ｍ−Ｚｒ０ｚ（１１１）正方晶ジル
コニア、ｔ　　Ｚｒ０ｚ（１１１）のピークの高さをそ
れぞれＨｍＩＨｍ＋１１ｔとし、Ｈｔ／　（１ｍ　＋　
Ｈｍ　＋　Ｈｔ）によって求めた。

結果は第１表に示す。

第１表の１ｌｈｌ〜阻８はアルミナの比表面積を変えた
ものであるがアルミナ比表面積が１５ｍ”／ｇより小さ
い１１１１１１．２は抗折強度が低く、しかもバラツキ
が大であった。比表面積が１５ｍｚ／ｇ以上では抗折強
度、Ｋ、ｃともに高＜　、ｔ−Ｚｒ０□の量も増加する
。

比表面積が１００ｍ２／ｇ　、　２００ｍ”／ｇでは、
ＡＩＺＯ：Ｉがγ−ＡＩＪｚとなっており、抗折強度、
Ｋ＋ｃともに高い値を示したが、かさ密度が低く原料の
取扱が難しかった。

阻９〜阻１２はジルコニアの比表面積を変えたものであ
るが５　ｍ２／ｇの阻９は抗折強度が低く、ｔ−Ｚｒ０
２も少ない。１０ｍ”／ｇの１１ｈｌｏは抗折強度ｔ−
Ｚｒ０□も量も増加するがバラツキが大きい。

ＩＩｋＬｌｌ、１２の本発明のサンプルはいずれも高い
抗折強度、靭性、ｔ−Ｚｒ０□含有量を示した。

実施例２ 比表面積４０ｍ”／ｇのアルミナと、比表面積３０ｍ２
７ｇのジルコニアを実施例１と同一組成にて調合し、同
様の方法で混合粉砕しその後第２表に示す条件で熱処理
を行った。その後、実施例１と同様にホットプレス焼成
を行い、各種物性を測定した。

結果は第２表に示す。

なお、隘２１は、成形後に熱処理を行ったものである。

第２表からも明らかなように従来の熱処理を施さなかっ
た１１ｈ２０は強度、靭性ともに低いものであった。こ
れに対し、本発明の焼結体階１４乃至１８はいずれも高
い強度、靭性を示した。しかしながら処理温度が低くす
ぎるＮｌ１１３では特に靭性が低く、温度が高い１１ｈ
１９では粒子が凝集し、測定不可能であった。

なお、この熱処理を成形後に行った隘２１でも優れた強
度、靭性が得られた。

実施例３ 前述したサンプルのうち、１ｌｈｌ、５．９．１２．１
３．１５．１７．２１に関して、同様な条件で成形した
後、ホットプレス法によって１５００℃で１時間焼成を
行い、形状５ＮＧＮ４５４の切削用チップ各々５個ずつ
作成した。

得られたチップを用いて下記条件で１分間の切削テスト
を行った。

被削材　　３４５Ｃ 切削速度　１５０　（ｍ／ｍ１ｎ） 切り込み　　　５　（ｍｍ） 送り　　　　１　、　１　（ｍ／５ｅｃ）テストの結果
、Ａ１．０３の比表面積が小さい１ｌｈｌ熱処理熱処理
像い１１ｈ１３は作製した５個のサンプル中、全て欠損
した。また、ＺｒＯ２の比表面積が小さい患９の場合は
、４個の欠損が生じた。これら以外の患５．１２．１５
．１７．２１はいずれも欠損は生じることなく優れた切
削性能を示した。

（発明の効果） 本発明のアルミナ質焼結体の製造方法は、共沈法の原料
を用いることなく、特定の比表面積を有する原料を用い
て熱処理工程を含めることによってｔ−Ｚｒ０□が多量
に析出した高靭性、高強度の焼結体を得ることができる
ことから量産性に優れ、しかも切削工具用として特に有
用である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）（ａ）ＢＥＴ比表面積１５ｍ＾２／ｇ以上の酸化
   ジルコニウム微粉末とＢＥＴ比表面積１５ｍ＾２／ｇ以
   上の酸化アルミニウム微粉末を配合した原料粉末を混合
   粉砕する工程と、 （ｂ）得られた混合粉体を成形する工程と、（ａ）の工
   程後、もしくは（ａ）（ｂ）工程後に、 （ｃ）５００〜１３００℃で熱処理を行う工程と、（ｄ
   ）得られた成形体を１３５０乃至１６００℃の温度で焼
   成する工程と、 からなるアルミナ質焼結体の製造方法。