JPS62143867A - アルミナ−ジルコニア質焼結体及びその製造方法 - 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】 （技術分野） 本発明はアルミナ−ジルコニア質からなる焼結体および
その製造方法に関し、特に靭性に優れた切削工具用焼結
体の改良に関する。

（従来技術） セラミックから成る工具は、高度、耐摩耗性、耐熱性に
優れる等の長所を有する反面、チッピングや欠損を生じ
易いという問題を有し、壱の用途も仕上げ加工等に限ら
れていた。しかしながら工作機械の進歩に伴い、切削速
度を上げ、工具交換のサイクルタイムを長くする必要性
が高まり、セラミック工具も、これらに対応し、安定且
つ高強度のものが求められている。

セラミック工具としては、従来からアルミナ質焼結体が
主流であるが最近に至っては、アルミナに対しジルコニ
アを配合し、抗折強度および靭性を向上させた切削工具
が提案されている。

このようなアルミナ−ジルコニア質焼結体におけるジル
コニアの添加による効果に関してはＮｉ１ｓＣ１ａｕｓ
ｓｅｎ等によって研究が行われている（Ｔｈｅ　Ａｍ。

Ｃｅｒａｍ、Ｓｏｃ、　　ｆｋ、ＡＤν八ＮへＥＳ　　
ＩＮ　　ＣＥＲＡ旧Ｃ５νｏｌ　　３＋Ｐ１３７〜Ｐ１
６３）　　。

しかし、これらの研究ではジルコニアの粒径０゜５μｍ
以下の材料ついてはあまり研究されていない。一方アル
ミナ中に非常に微細なジルコニアを分散させると抗折強
度が向上することが知られている。これは、アルミナ原
料中に粒径０．５μｍ以下の微細なジルコニア粒子を均
一分散させると、焼結時アルミナの粒界中にジルコニア
がとどまり、その焼成過程において、アルミナの粒成長
を抑制し、アルミナを０．５〜１．Ｏ１１ｍ程度の微細
な結晶粒に制御することができ、このアルミナの微粒化
によって焼結体は橿めて優れた抗折強度を示すと考えら
れる。また、アルミナにジルコニアを添加することによ
って靭性が強化される機構はジルコニアの粒子が１μｍ
以下の場合、アルミナ粒界のジルコニア粒子は、そのほ
とんどが正方晶として存在し外部応力に対し正方晶から
単斜晶へ相転位が生じる。また、この相転位によって周
囲にマイクロクランクが発生する。外部からの破壊エネ
ルギーはこの相転位やマイクロクランクによって吸収さ
れ、高い靭性が得られると考えられている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、本発明者の研究によれば、アルミナの粒
成長抑制を目的としてジルコニアを微細化すると逆に靭
性が低下する傾向にある。これは、各ジルコニア粒子が
微細すぎると相転位が起こりにくく体積膨張によるマイ
クロクラックも発生しにくい。それによってエネルギー
吸収が不充分であるためと考えられる。このような焼結
体を切削工具用として用いた場合、抗折強度は高いにも
かかわらず靭性が工具用としては不充分なため刃先のピ
ッチング等が多発するという問題が生じていた。

（問題点を解決するための手段） 本発明者は上記の問題点に対し検討を重ねた結果、焼結
体のアルミナ粒界に微細なジルコニア粒子と、粒径の大
きいジルコニア粒子とを混在させることによって高い抗
折強度を維持しつつ、靭性に優れた焼結体が得られるこ
とを知見した。

即ち、本発明によれば、ジルコニアを５乃至３０重量％
含有するアルミナ−ジルコニア質焼結体ニおいて、該ジ
ルコニア全量のうち２ｏ乃至６０重量％が粒径０．５乃
至２．０μｍ、残部が０．　５μｍ未満の結晶粒子とし
て、アルミナ粒界に均一に混在させることによって優れ
た抗折強度と靭性を得ることができる。

さらに、ジルコニアを５乃至３０重量％、残部カアルミ
ナから成り、該ジルコニア全量のうち２ｏ乃至６０重重
量を粒径０．５乃至２．０μｍの粗粉末として、残部を
粒径０．５μｍ未満の微粉末がもしくはアルミナとの溶
融物として配合して成る混合粉体を均一混合し、成形後
、１３５ｏ乃至１６００’Ｃの温度で焼成することによ
って上記のアルミナ−ジルコニア質焼結体を得ることが
できる。

以下、本発明の詳細な説明する。

本発明によれば、第１図の顕微鏡写真に示す如く、焼結
体のアルミナ粒界に比較的粗な結晶粒子と微細な結晶粒
子とを混在させることが極めて重要である。即ち、粗な
結晶粒子は、正方晶として準安定に存在し、外部からの
応力に対し単斜晶への相変態による体積膨張によってジ
ルコニア結晶粒子の周辺にマイクロクラックを発生させ
、この相変態またはマイクロクランクによって破壊エネ
ルギーが吸収されることによって焼結体自体の靭性が高
められる。一方微細な結晶粒子によって、焼成時のアル
ミナの粒成長を抑制し、焼結体としてアルミナを１．０
μｍ以下の結晶粒子からなる微細構造となすことによっ
て優れた抗折強度が得られる。

粗なジルコニア結晶粒子の粒径は０．５乃至２．０μｍ
、特に０．７乃至１．３μｍの大きさが好ましく、粒径
が０．５μｍより小さいと靭性の向上を達成できず、２
，０μｍよりも大きいと、抗折強度、靭性とも低下する
。

一方、微細なジルコニア焼結粒子のそのアルミナに対す
る粒成長抑制効果は、粒子が微細な程その効果が発揮で
き、０．５μｍ未満、特に０．３μｍ以下が望ましい。

これら２種のジルコニア結晶粒子は、焼結体の抗折強度
および靭性を向上させるため、特定の割合に制御される
。

即ち、全ジルコニア配合量のうち、２０乃至６０重量％
、特に３５乃至５０重量％が粗な粒子、残部が微細な粒
子であることが必要である。粗な粒子の量が２０重量％
を下回ると靭性向上の効果がなり、６０重量％を超える
と微細粒子が少なくなり、アルミナの粒成長が起こり易
く抗折強度の低下を招く。

上記の割合で存在するジルコニアの焼結体中の全量は、
抗折強度および靭性が共に高い値を示す範囲として５乃
至３０重量％、特に１５乃至２２重量％が望ましい。即
ち、ジルコニアの量が５重量％を下回ると、ジルコニア
による靭性向上の効果がなく、３０重量％を超えると抗
折強度、ＫＩＣともに低下するだけでなく工具として使
用した場合に摩耗が大きい。

よって本発明の焼結体は後述する例から明らかなように
７０Ｋｇ／ｍｍ２以上の抗折強度を示すとともに破壊靭
性（Ｋ　＋ｃ）５．０ＭＮ／ｍ””以上の耐摩耗性に優
れた特性を持つ。

本発明によれば、原料粉体中のジルコニア粒子は均一混
合されると、焼結後、０．５〜２．０μｍの粒径のシル
コニ？ＦＪ）末は焼結体中のアルミナ粒界に原料粉体時
の粒径とほぼ同径のジルコニア結晶粒子として存在する
こと、およびジルコニア微粉末の微細な粒子は、焼結時
、それらが凝集して粒成長したとしても、結晶粒径は０
．５　μｍ未満の粒径までしか成長しないことに着目し
て前記の焼結体を得るための製造方法としては、原料粉
末としてのジルコニア粉末を粒径の異なる２種に分けて
用いることが重要である。即ち、初期のアルミナ−ジル
コニア混合粉体におけるジルコニア成分のうち、２０乃
至６０重量％、特に３５乃至５０重量％を粒径０，５乃
至２．０　ｐｍ　、好ましくは０．７乃至１．３μｍの
粗粉末として配合する。そして残部を粒径０゜５μｍ未
満の微粉末か、またはアルミナとの組成物、例えば共沈
法によって得られた粉末または、アルミナ粒子表面をジ
ルコニアで被覆した粉末として配合する。なお、上記の
ジルコニア成分は全体の５乃至３０重量％、特に１５乃
至２２重量％の割合となるように設定する。

上記の割合で配合された粉体は調合後、公知の手段によ
って混合分散される。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ボール
を所定量ポア）に入れて混合を行う。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、泥しよう鋳込法、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。

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。

また、本発明の製造方法によれば、ジルコニア微粉末を
用いる系ではジルコニア微粉末とアルミナ粉末を予め混
合して均一にした後に、粒径の大きいジルコニア粗粉末
を加えて混合する方がジルコニア粗粉末を粗粒結晶とし
て残し易い。さらに、原料粉体としての微粉末であるジ
ルコニアあるいはアルミナには、そ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。そこで、焼成前、即ち、粉体の均
−混合後、もしくは成形後に５００乃至１３００℃特に
７００〜１１００℃の範囲で大気雰囲気あるいは酸素雰
囲気で熱処理することが望ましい。

以下本発明を次の例で説明する。

実施例Ｉ ＢＥＴ比表面積３０ｍ２／ｇのアルミナ粉末と３０ｍ２
／ｇのジルコニア微粉末を第１表に示す所定の割合で混
合した後、粒径０．５乃至２．０　μｍに分級したジル
コニア粗粉末を混合した。これらを均一混合した後、乾
燥し、ホットプレスによって１時間１５００’Ｃ１２５
０１ｇ／ｃｍ”で焼成した。

得られた焼結体を用いて各種の測定を行った。

（抗折試験） ３　Ｘ　４　Ｘ４０ｍｍの試験片を作製し、３０ｍｍス
パンの４点曲げ抗折強度を月Ｓｔ？　１６０１によって
測定した。

（破壊靭性＝ＫＩＣ試験） 本発明では、ノツチビーム法が表面の残留応力の影響に
より測定値にバラツキが生じ易いため、抗折試験片の一
部を１μｍのダイヤモンドペーストでランピングして表
面の残留応力層を取り除きビッカース高度計用ダイヤモ
ンド圧子を２０Ｋｇ荷重で押しつけ圧痕のクラック長さ
よりＫＩＣを求めた。

く切削テスト） 形状５ＮＧＮ　４５４（切削テス目）　、５ＮＧＮ４３
２（切削テスト２）の工具を作成し、第１表に示す条件
で切削テストを行った。

第１表 切削テスト１は同一のサンプルを５コづつ作製し、上記
切削テストによる刃部欠損およびクラックの発生した個
数で性能を表した。

また、切削テスト２においては、フランク摩耗量を測定
した。結果は第２表に示す。

なお、第１表の嵐９の焼結体の表面の電子顕微鏡写真（
Ｘ５０００　）を第１図に示した。

第２表から明らかなように、従来のように微粉のＺｒＯ
２単独から成る焼結体階２では適度の抗折強度を有する
もののに、。値が５．０ＭＮ／ｍ””以下と低いために
切削テスト１ではそのほとんどが欠損を生じた。また粗
粉ＺｒＯ２単独から成る焼結体１に３．１６では特にＫ
ＩＣの向上が目立ったが、抗折強度が低いものであった
。

これらに対し、微粉と粗粉を適度に混合した漱４乃至７
．９．１０．１２．１３．１４はいずれも抗折強度７０
Ｋｇ／ｍｍ”以上、Ｋ　＋ｃ５．ＯＭＮ／１１””以上
、摩耗量０゜５ｍｍ以下を確保し、切削性能も優れてい
た。

これらのうち、ｌ’ｈ４．１２は切削テスト１では、欠
損、クランクの発生があったが適度の抗折強度、ＫＩＣ
を有し、特に耐摩耗性に優れるため仕上げ加工として有
用である。しかし、全ジルコニア量が３０重量％を超え
たＮ１１８．１１は摩耗量が大で欠損が生じ、５重量％
を下回る１ｌｈｌは耐摩耗には優れるが抗折強度、靭性
には劣るものであった。また（ｂ）／　　（（ａ）　＋
（ｂ）　）値が６０を超えた（　Ｎ１１５．１７）は抗
折強度の低下が目立ち、耐摩耗性も低いものであった。

実施例２ 粒径０．５乃至２．０　μｍの分級したジルコニア粗粉
末を１０重量％、残部をジルコニア９．５重量％含有す
る共沈法によって得られたアルミナ−ジルコニア組成物
（ジルコニア粒径Ｏ９ｌ　μｍ以下；透過型電子顕微鏡
による）を均一混合する他は実施例１と同様な方法で実
験を行った。

その結果抗折強度９０Ｋｇ／ｍｍ２、破壊靭性ＫＩＣ＝
６．２ＭＮ／ｍ２．／ｌ、切削テスト１では欠損、クラ
ック発生はなく、切削テスト２におけるクランク摩耗量
は０゜３５ｍｍと実施例１と同様の優れた結果が得られ
た。

（発明の効果） 上述したように、本発明によれば、アルミナ焼結体中の
粒界にジルコニアから成る微粒子と粗粒子を特定の割合
で均一に混在させることにより、特に切削工具用として
要求される抗折強度、破壊靭性、耐摩耗性に優れた性質
を合わせ持つ焼結体が得られ、それによって刃部欠損や
チッピングのない長寿命の切削工具が提供される。

なお、本発明の焼結体は切削工具のみでなく、その他の
耐摩耗材料、高温構造材料等のあらゆる分野にも応用さ
れ得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の焼結体の電子顕微鏡写真（５０００倍
）である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ジルコニアを５乃至３０重量％含有するアルミナ
   −ジルコニア質焼結体において、該ジルコニア全量のう
   ち２０乃至６０重量％が、粒径０．５乃至２．０μｍ、
   残部が０．５μｍ未満の結晶粒子として、アルミナ粒界
   に均一に混在することを特徴とするアルミナ−ジルコニ
   ア質焼結体。
2. （２）ジルコニアを５乃至３０重量％、残部がアルミナ
   から成り、該ジルコニア全量のうち２０乃至６０重量％
   を粒径０．５乃至２．０μｍの粗粉末として、残部を粒
   径０．５μｍ未満の微粉末か、もしくはアルミナとの組
   成物として配合して成る混合粉体を均一混合し、成形後
   、１３５０乃至１６００℃の温度で焼成したことを特徴
   とするアルミナ−ジルコニア質焼結体の製造方法。