JPS6245194B2 - - Google Patents

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JPS6245194B2
JPS6245194B2 JP52087776A JP8777677A JPS6245194B2 JP S6245194 B2 JPS6245194 B2 JP S6245194B2 JP 52087776 A JP52087776 A JP 52087776A JP 8777677 A JP8777677 A JP 8777677A JP S6245194 B2 JPS6245194 B2 JP S6245194B2
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JP
Japan
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metal
carbonitride
sintered body
volume
carbon
Prior art date
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Application number
JP52087776A
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English (en)
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JPS5422417A (en
Inventor
Akira Doi
Takeshi Asai
Takaharu Yamamoto
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】
低温から高温域に渡る広い温度範囲で高い化学
的安定性と高硬度を維持する特長を利してAl2O3
は頻々に摺動部品として、又高速度切削工具材料
として用いられて来た。Al2O3は上記特色を有す
るにもかかわらず、又反面靭性が不足し且つ熱衝
撃に弱い欠点があり、その為応用範囲も自ずと制
約されている。 上記のAl2O3固有の欠点を改善する目的で、
Al2O3に種々の金属炭化物、金属窒化物或いは金
属炭窒化物を数10重量%加えて、所謂、複合セラ
ミツク材料が試作され、又一部のものは実用化さ
れている。こうした複合セラミツク材料は所謂95
重量%以上がAl2O3であるAl2O3主成分の材料に
比べて、その改善の目的から明らかな通り、強度
も大きく、又熱伝導性も大で、従つて又耐熱衝撃
性(耐スポール性)にも優れている。 しかしこの様な複合セラミツク材料は粉末冶金
法を用いて作成する以上種々の問題を未解決の
まゝ残している。即ち、上記複合セラミツク材
料、もしくは上記複合セラミツク組成物を主成分
とするセラミツク材料は、Al2O3主成分の材料に
比較して焼結性に劣り、多くの場合高温且つ高圧
力下でホツトプレス焼成する事を余儀なくされる
ばかりでなく、焼結性の悪さに起因して生ずるピ
ンホールの存在や、Al2O3と他金属炭化物、窒化
物、炭窒化物との界面の整合性の不完全さ等で代
表される材質の微細構造上の欠陥を有している事
が多い。この事実は、上記複合セラミツク組成物
を主成分とするセラミツク焼結体の製造上、安定
した強度特性を有する製品を得る事の困難さを示
唆するものである。 本発明はこうした複合セラミツク材料の短所で
あつた焼結性の改善方法を提供し、微細構造上の
欠陥が少ない、安定した強度特性を有する複合セ
ラミツク材料を得る手段を提供する事を目的とす
る。本発明は、複合セラミツク材料の内で、特に
Al2O3とTi又はTiを主成分としTiの50原子%以下
をa、a、a族の遷移金属の1種又は2種
以上で置換した金属の炭窒化物もしくは炭窒酸化
物との複合組成物が全体の90体積%以上を占める
セラミツク材料に対象を限定する。従つて、本発
明法は公知組成物であり工具材料として実用化さ
れているAl2O3−TiC系複合セラミツク材料の焼
結性の改善にも関連する。即ち本発明法によれば
上記材料の焼結性の改善と微細構造上の改善を、
Al2O3と共存する炭化物相を非化学量論的炭窒化
物相、もしくは非化学量論的炭窒酸化物相で置換
し存在せしめる事により達成される。 次に本発明法の基本的考え方を示す。 一般にAl2O3と炭化物、窒化物及び炭窒化物の
共存下で焼成を行うとCO、CO2及びN2等のガス
の発生を伴う。従つて該複合組成物の焼結性は上
記発生ガスの分圧に左右される。即ち上記の発生
ガスの分圧が焼結時に低い程焼結性は改善される
と考えられる。例えばCOガスを例にとれば、CO
ガスの構成要素たる炭素元素は炭化物又は炭窒化
物より供給され、酸素元素は粉末に吸着せる酸素
原子は分子或いは水分又は炭化物、炭窒化物表面
に形成された酸化物やAl2O3から供給される事が
予想される。今COガスの構成要素たる酸素が上
記の如き酸化物から供給されると考えれば、次式
より明らかに焼成時に発生するCOガスの分圧は
炭化物又は炭窒化物に固溶している炭素の炭素ポ
テンシヤル従つて炭素の活量に依存し、炭素活量
が小さい程COガス分圧は低くなる。 1/yMexOy+C(炭化物又は炭窒化物)=x/yMe+C
O 上式の平衡定数をKpとすると Kp=Pco/ac ∴Pco=Kp・a∞a こゝにMexOyは金属Meの酸化物、は炭化物
又は炭窒化物中に固溶している炭素、Pcoは平衡
Coガス分圧、aは固溶炭素の活量である。次
にN2ガスを例にとれば、次式より明らかに焼成
時に発生するN2ガス分圧は窒化物又は炭窒化物
に固溶している窒素の活量に依存し、窒素活量が
小さい程N2ガス分圧は低くなると考えられる。 2(窒化物又は炭窒化物)=N2 上式の平衡定数をKp′とすると Kp′=PN/aN ∴PN2=Kp′・a ∞a こゝには窒化物又は炭窒化物に固溶している
窒素、PN2は平衡N2ガス分圧、aは固溶窒素の
活量である。 一般にチタン炭窒化物(以后炭化物、窒化物、
炭窒化物を総称して炭窒化物と呼ぶ)に固溶して
いる炭素及び窒素の活量は下記の通り、炭窒化物
組成への依存性を示す事が知られている。(T・
Grieveson.Proc。British Ceram・Soc・
(1967)137.) (1) 炭素活量、窒素活量共に該金属炭窒化物を構
成する金属原子の原子比率が増大する程小さく
なる傾向がある。 (2) 固溶炭素量と固溶窒素量の原子比率に於いて
前者が後者より小さい程炭素活量は小さくな
り、その反面窒素活量は大きくなり、又逆に前
者が後者より大きい程窒素活量は小さくなりそ
の反面炭素活量は大となる傾向がある。 上記の傾向は、Tiの50原子%以下をa、
a、a族の遷移金属の1種又は2種以上で置換
した、Tiを主成分とする金属炭窒化物に於いて
も保持される事が該金属炭窒化物と平衡する窒素
ガス分圧の測定結果により確認された。即ち本発
明はTi又はTiを主成分としTiの50原子%以下を
a、a、a族の遷移金属の1種又は2種以
上で置換した金属の炭窒化物の特徴を利用し、従
来より焼結の困難であり、又かなり高密度(例え
ば気孔率1%内外)に焼結してもピンホールの存
在や焼結体中の異相間界面の結合不完全性等に起
因する微細構造上の欠陥の除去が困難であつた、
Al2O3と該金属炭窒化物を主構成要素とするセラ
ミツク焼結体の製造上の諸問題を、該金属炭窒化
物を非化学量論的金属炭窒化物としてAl2O3と共
存させる事により解決した点に新規性を有する。 またさらに、Al、Ti、Ni、Mg、Yから選ばれ
た2種以上(但しNiとMgの組み合わせは除く)
の元素の複合酸化物が10体積%以下含まれる。こ
れは、これらの金属元素が金属状態あるいは単独
酸化物で存在した場合、機械強度への悪影響が大
きいためである。 更に本発明は、該非化学量論的金属炭窒化物の
炭素、窒素の単独又は両者の原子比率の50%以下
を酸素原子で置換してなる金属炭窒酸化物と
Al2O3の複合組成物が主構成要素たる焼結体をも
包含する。即ち上記置換による複合組成がが主構
成要素たる焼結体の焼結挙動は置換しない場合と
類似である事が判つた。 なお本発明法によれば特許請求の範囲2に記載
の通りの組成物は、ホツトポレス法によらずとも
1600℃以上の温度で焼成するならば通常焼結法
(非加工焼結法)によつても90%以上の密度を有
する焼結体が得られる。この焼結体の内で非通気
質の焼結体を例えば1500℃×1/2hr、ガス圧力500
Kg/cm2以上の条件下で熱間静圧成型装置内で再緻
密化処理を行えば密度100%の焼結体となる事が
判つた。 本発明法のセラミツク焼結体組成物の範囲で、
切削工具材料として適当な組成範囲は、特許請求
の範囲3に記載の通りであるが、更に切削工具材
料として耐欠損性の向上を付与するにはNi又は
Ni化合物をNi元素に換算して0.1〜2.0重量%を添
加する事が有効である。0.1重量%以下では添加
の効果は少なく2.0重量%より多くすれば最終焼
結体の高温硬度を低下させるばかりでなくアルミ
ナ結晶粒界でのスピネル生成物の析出量が増大
し、高速切削時の耐摩耗性並びに靭性を損つてし
まう。 なお特許請求の範囲及び添付第1図に記すA、
B、C、Dの組成物は以下に記す通りである。 A……Me(C0.950.050.60 B……Me(C0.050.950.60 C……Me(C0.050.950.95 D……Me(C0.950.050.95 (但し、MeはTi又はTiの50原子%以下をa、
a、a族の遷移金属の1種又は2種以上で置
換した金属固溶体もしくは金属混合物を意味す
る)以下実施例を示し、本発明の限定範囲につい
ての詳細な説明を加える。 実施例 1 平均粒径0.6ミクロンのα・Ai2O3粉末に
MgO、TiO2、NiOを添加し、この全体にTi、Zr
の1種又は2種を金属元素として含む炭窒化物を
配合し、ボールミル粉砕した後、1580℃×
50min、加圧=70Kg/cm2の条件下で、10-2Torrの
真空中にてホツトプレス焼成した。その結果第1
表に示す様な結果を得た。本発明法により作成し
た焼結体は、本発明法の適用範囲外の焼結体に比
べ明らかに緻密性が良好で、又抗折強度も大きい
事が判る。 次いで第1表1〜3の焼結体を熱間静圧装置内
で緻密化処理を行なつた。処理条件は1550℃×
1hr、1500気圧(Ar gas)である。その結果総て
100%密度となり、抗折力は最低値で80Kg/mm2
高値98Kg/mm2を示した。
【表】
【表】 実施例 2 平均粒径0.5ミクロンのα・Al2O3粉末に0.05重
量%のMgOと2.0重量%のY2O3を添加し、この全
体にTi、Zrの1種又は2種を含む金属炭窒化物
を配合し、更にパラフインを配合粉末全重量の2
重量%を加え、24hr湿式ボールミル混合した。溶
媒はヘキサンを使用した。乾燥した后、上記混合
粉末を常温で2t/cm2の加圧で成型し、水素炉内
で、1660℃×2hr焼成した。気孔率測定の結果を
第2表に示す。得られた焼結体には3Y2O3
5Al2O3相が2重量%含まれていた。 第2表より明らかに添付第1図に示すABCDで
囲まれる帯域内で規定される金属炭窒化物組成物
が最終焼結体中の金属炭窒化物相である場合は焼
結性が良い事が判る。 実施例 3 実施例1に示した第1表の2及び実施例2に示
す第2表の2、5の焼結体をSNP432のチツツプ
に成型し、切削テストを行つた。
【表】
【表】 切削条件は被削材FC25、V=450m/min、d
=2mm、f=0.2mm/tooth24枚刃乾式フライス切
削である。市販のセラミツク工具(TiC−
Al2O3)との寿命比較を行つた結果、上記の焼結
体で代表される本発明品は、いずれのものも、市
販品より耐欠損性、耐熱亀裂性、耐チツピング性
に優れ、2乃至3倍の寿命を示した。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明焼結体の組成を説明するための
3元系状態図である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 Al2O3と金属炭窒化物との複合組成物の全体
    に占める比率が90〜100体積%(100体積%を除
    く)で、残部がAl、Ti、Ni、Mg、Yのグループ
    から選ばれた2種以上(但しNiとMgの組み合わ
    せは除く)よりなる金属の複合酸化物10体積%未
    満からなるセラミツク焼結体で、該複合組成物に
    占めるAl2O3の比率が10体積%以上90体積%以下
    である様な、セラミツク焼結体に於いて該複合組
    成物中の金属炭窒化物の金属元素がTiもしくは
    Tiの50原子%以下をa、a、a族の遷移
    金属の1種又は2種以上で置換した金属からな
    り、該金属炭窒化物の固溶炭素量、固溶窒素量、
    及び固溶炭素量と固溶窒素量の夫々が該金属窒化
    物に占める原子比率の割合が第1図の3元系状態
    図のABCDで囲まれる帯域内で規定される金属炭
    窒化物とAl2O3の複合組成物が主構成要素である
    ことを特徴とするセラミツク焼結体。 2 特許請求の範囲第1項で規定した金属炭窒化
    物の炭素、窒素の単独又は両者の原子比率の50%
    以下を酸素原子で置換してなる金属炭窒酸化物と
    Al2O3の複合組成物とが主構成要素であることを
    特徴とするセラミツク焼結体。
JP8777677A 1977-07-20 1977-07-20 Ceramic sintered body and method of making same Granted JPS5422417A (en)

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