JPS6252191A - セラミツクス焼結体の塑性加工方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、セラミックス焼結体の塑性加工方法に関し、
さらに詳しくは、セラミックス焼結体を塑性変形せしめ
ることにより、例えば、プレス加工法、鍛造法などを適
用して複雑形状あるいは大型のセラミックス製品を製造
することを可能にしたセラミックス焼結体の塑性加工方
法に関する。

［従来技術および発明が解決しようとする問題点］ セラミックス焼結体は、耐熱性、耐摩耗性ならびに耐食
性に優れた材料として各種工業分野で注目を集めている
。ところが、このセラミックス焼結体は極めて硬度が高
いため、その加工にあたって１±、例えばダイヤモンド
研磨などにより目的の形状とすることが一般的であった
。

したがって、大型のもの、あるいは複雑形状のものを製
造することは困難であり、また、製造コストの上昇を招
来するなどの加工上の問題がある。とくに、Ａ文２０３
は耐熱性、硬度および耐食性に優れ、しかも安価なセラ
ミックス材料として最も多く使用されているものだけに
、かかる問題は深刻なものとなっている。

本発明は、従来のかかる問題を解消し、セラミックス焼
結体を塑性ダ形せしめることにより、金属と同様のプレ
ス加工法、鍛造法などを適用することが可能となるよう
なセラミックス焼結体の塑性加工方法を提供を目的とす
る。

［問題を解決するための手段］ 本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねる中
で、次のように着想するに到った。すなわち、一般的な
例として金属を塑性変形せしめる場合を考えてみると、
塑性変形は金属の結晶粒の粒界すべりにより起きるもの
で、これは金属結合という金属に特有の原子結合状態に
因るものである。一方、セラミックス焼結体は一般にイ
オン結合と共有結合と一部の金属結合とが混在したかた
ちの原子結合であるが、塑性変形性という点からみると
、上述した金属結合と同様、電子の自由度が高いという
点でイオン結合性が強いものの方が好ましい、ところが
、このようにイオン結合が強いものは、逆に、高温強度
が低下してしまい、結果として、塑性変形せしめるため
の応力に耐えることができない、一方、その反対に、共
有結合性が強いセラミックス焼結体は高温強度に優れて
いるものの塑性変形を起こしにくいという性質を有する
。すなわち、塑性変形せしめることが可能なセラミック
ス焼結体は、ある程度以上の強度を既に備えていること
が必要である。

そこで、本発明者らは、被加工材として、イオン結合性
の高い金属化合物と焼結体に所望の強度を発現せしめる
ための共有結合性の高い金属化合物を所定の体積比で含
有する、すなわち、イオン結合と金属結合と共有結合を
所定の割合で含むセラミックス焼結体を選定し、かつ、
かかるセラミックス焼結体を塑性変形せしめるための諸
条件の最適値を見出して本発明を完成するに到った。

すなわち、本発明のセラミックス焼結体の塑性加工方法
は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムおよび酸窒化
アルミニウムから選ばれる少なくとも　１種のアルミニ
ウム含有化合物；チタン、ジルコニウム、ハフニウム、
バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、
タングステンまたはケイ素の炭化物、窒化物または酸化
物およびこれらの相互固溶体から選ばれる少なくとも　
１種の硬質化合物を必須成分とするセラミックス焼結体
であって、該アルミニウム含有化合物の含有量が５〜８
５体積％であるセラミックス焼結体を、還元性雰囲気も
しくは真空中において、温度１３００”０以上、応力１
０ｋｇ／ａｍ２以下かつ歪速度１ｏ４／秒以下の条件で
塑性変形せしめることを特徴とする。

［具体的説明］ 本発明は、前述したように、被加工材となるセラミック
ス焼結体の組成および塑性変形条件の２点に特徴を有す
るものである。

まず、第１の特徴であるセラミックス焼結体はまず、第
１の必須成分としてイオン結合性の強いアルミナ（ＡＬ
；ＬＰ０１）　、窒化アルミニウム（Ａ立Ｎ）、アルミ
ニウムの酸窒化物（Ａ！；Ｌ（０，Ｎ））のうちから選
ばれる少なくとも　１種のＡｎ含有化合物を含有する。

中でも　Ａｕ２０３はイオン結合性が強く、高硬度で低
比重であることから好ましいものであるといえる。この
Ａｎ含有化合物はセラミックス焼結体において５〜９５
体積％の範囲で含有されることが必要である。この含有
量が上記範囲を逸脱すると前述したイオン結合、金属結
合および共有結合の適正な配分調整が困難となる。好ま
しくは４０〜７０体積％である。

一方、第２の必須成分である硬質化合物としては、上に
列挙したものであればとくに限定されるものではないが
、その組成は、上述したＡＩ含有化合物のイオン結合性
および金属結合性との関係、および、得られた焼結体の
用途に応じて適宜設定することが好ましい。

この硬質化合物の具体例としては５例えば、ＴｉＣ、Ｚ
ｒＣ、ＨｆＣ、ＶＣ，ＮｂＣ、↑ａＣ、Ｃｒ３Ｃ２、Ｎ
ｏ２Ｃ，ＶＣ，ＳｉＣ；　ＴｉＮ　、　ＺｒＮ　、　Ｈ
ｆＮ　、　ＶＬ　ＮｂＮ、ＴａＮ　、　ＣｒＮ　、　５
ｉ３Ｎ（；　ＴｉＯ、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２，ＨｆＯ２、
Ｃｒ２Ｏ３、Ｔａ２０５　　、　５ｉ０２　　；　　Ｔ
ｉ（Ｃ，Ｎ）、　　Ｔｉ（Ｃ，Ｏ）　　、Ｔｉ（Ｎ、０
）　　、　　Ｔｉ（Ｃ，Ｎ、０）　　、　　（Ｔｉ、Ｚ
ｒ）（Ｃ，Ｎ）、　（〒ｉ、Ｔａ）Ｃ。

（Ｔｉ、Ｗｂ）Ｃ１（Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ）Ｃなどをあげる
ことができる。

また、この金属化合物は単独で添加しても２種以上を添
加してもよいが、とくに、２種以上の金属化合物が互い
に固溶してなる固溶体の形で添加すると、焼結時に発生
する気孔が減少するため焼結体の強度の向上という点で
効果的である。

さらに、得られる焼結体に低比重、耐酸化性および高強
度を発現せしめる場合は、Ｔｉを含有する金属化合物を
使用することが、また、強靭性かつ良熱絶縁性のものを
得るためにはＺｒを含有するものをそれぞれ使用するこ
とが好ましい。

本・発明において使用するセラミックス焼結体は、上記
２つの必須成分を含有するものであり、この２成分が存
在することによって、焼結時に相互の結晶粒の粒成長抑
制効果を発揮するが、かかる必須成分のほかに、さらに
０．１〜７体積％の粒成長抑制剤を含有せしめると粒成
長抑制効果が一層増強され極めて微細な結晶の焼結体を
得ることができる。かかる粒成長抑制剤の具体例として
は、例えば、ＭｇＯ、ＣａＯ、５ｃ２０３　、　Ｙ２Ｏ
３，ＮｉＯ。

Ｃｏｏ　、　ＦｅＯ、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４、Ｌａ２
Ｏ３、Ｃｅ２Ｏ３、Ｐｒ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３、Ｓｍ２Ｏ
３、Ｅｕ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３。

Ｅｒ２Ｏ３、Ｔｂ２Ｏ３、Ｍｇ３Ｎ２　、　Ｃａ３Ｎ２
　、　ＳｃＮ　、　ＹＮ、ＧｅＮ　、　０７Ｎ　、　Ｙ
３Ｆｅ５Ｊ２、ＮｉＦｅ２Ｏ４、ＭｇＦｅ２Ｏ４、Ｌａ
ＦｅＯ３などをあげることができる。この粒成長抑制剤
の含有量が０．１体積％未満であると充分な添加効果は
得られず、一方、　７体積％を超えて添加すると、逆に
粒成長を起こし、さらに、粒界に脆弱な化合物が偏析す
るので好ましくない。

以上述べた本発明の被加工体であるセラミックス焼結体
は、前述した各化合物粉末を所定の割合で混合・混練し
たのち、常法を適用して成形、焼結することにより容易
に製造することができる。

このとき、得られるセラミックス焼結体の強度は、各成
分を単独で焼結して得られた焼結体に比べて飛躍的に向
上する。さらに、焼結体の塑性変形の機構は金属の場合
と同様、結晶粒界のすべりによるものである。したがっ
て、焼結体の結晶粒径が小さいほど、結晶粒界が増大し
て塑性変形が容易となる。このことから５焼結体の結晶
粒径は１戸以下であることが好ましい。

ついで１本発明方法の第２の特徴である焼結体の塑性変
形条件、すなわち、雰囲気、変形温度、応力および歪速
度について説明する。まず、焼結体及び使用するモール
ドの酸化を防止するために、Ａｒ、　Ｎ２などの還元性
雰囲気もしくは真空中で行なうことが必要である。また
、変形温度は１３０゜°Ｃ以上であることが必要であり
、この温度が１３００°Ｃ未満である場合には応力印加
状態でクラックが生じたり、破壊が起こるため好ましく
ない、とくに、焼結体およびモールドの酸化防止と後述
するモールドの強度の限界との２点から、　１３００〜
１５００℃の範囲に設定することが好ましい、つぎに、
変形応力は１０ｋｇ／ｍ層２以下に設定する。この応力
が１０ｋｇ／ｍｍ２を超えると高価なモールドが破壊し
たり、焼結体にクラックが生じるという不都合が生ずる
。好ましくは５ｋｇ／■曽２である。さらに、歪速度は
１０−３７秒以下に設定する。１０−３７秒を超えると
、焼結体は変形せずに破壊してしまう、好ましくは１０
　’〜１０−３／秒である。これらの諸条件は゛それぞ
れ・独立した条件ではなく、互いに関連し合うものであ
るため、総括的な最適値にそれぞ紅設定することが好ま
しい。

なお、かかる塑性変形工程に使用するモールドの材料と
しては、耐酸化性、耐摩耗性、耐圧強度に優れているも
のが好ましく、具体的には、黒鉛、Ｓｉ３Ｎ４　、　Ｓ
ｉＣなどがあげられ、なかでもＳｉＣは好適である。

さらに、塑性変形前の焼結体表面を砥粒又は砥石によっ
て研磨したのち、塑性変形させると、変形後の焼結体表
面は変形前と同様の滑らかさを保持するため、とくに複
雑形状品を製造する場合に有用である。

実施例１〜１０および比較例１〜５ 各種のＡｎ含有化合物、゛硬質化合物及び粒成長抑制剤
となる出発原料粉末を用いて、第１表に示した各種試料
を配合した。この各試料を混合、乾燥、成形及び焼結し
て形状寸法３φＸ　１５ｓ■及び３Ｘ　４　Ｘ　３０ｍ
ｍの焼結体を得た。これらの焼結体の諸物件を第１表に
併記した。これらの焼結体の内、３φＸ　１５ｍ層形状
寸法のものを用いて引張り試験により塑性変形させ、一
方、　３Ｘ４Ｘ３ｈｍ形状寸法のものを用いて圧縮試験
により塑性変形させた。引張り試験は、ＪＩＳ　Ｚ　２
２０１の金属材料引張試験に準拠して、破断後の伸び率
（％）を測定し、圧縮試験は、ＪＩＳ　Ｒ１８０１に準
拠して、クラック発生又は破断までの曲げ角度（０）を
測定した。この引張り試験及び圧縮試験における塑性変
形条件及び変形後の焼結体の変形量（伸び率（％）又は
曲げ角度（０））及び変形部分の硬度を測定して第２表
に示した。

［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように、本発明方法においては
、まず、イオン結合および金属結合と共有結合が適当に
混在した組成を有する焼結体を被加工材として使用し、
さらに、このような焼結体に対し、前述の如き特定の塑
性変形条件を設定したので例えば、アルミナのようにイ
オン結合性の強い焼結体を単味で使用する場合に比べて
便性変形前の焼結体自身の強度が向上するとともに、塑
性変形時の粒界すベリに寄与するイオン結合成分も存在
しているので、容易に塑性変形せしめることが可能とな
る。したがって、本発明方法を適用すれば、従来極めて
困難であるとされていたセラミックス焼結体のプレス加
工や鍛造などが可能となり、大型もしくは複雑形状の部
品の製造が極めて容易かつ安価に行なうことができ、し
かも変形後の表面は滑らかな状ｙ息で得ることができる
などその工業的価値は極めて大である。

ｆ−続補正書 昭和６０年１２月２５日 特許庁長官　　宇　賀　道　部　殿 １、事件の表示 昭和６０年特許願第１８８４６０号 ２、発明の名称 セラミックス焼結体の塑性加工方法 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 名称　　東芝タンガロイ株式会社 ４、代理人 ５、補正命令の日付　自発 ７、補正の内容 エ、明細書の特許請求の範囲の欄 別紙のとおり ＩＩ　、明細書の発明の詳細な説明の欄（１）明細書第
５頁、下から５行目に記載の「応力１０ｋｇ／ｍゴ以下
」を「応力１５ｋｇ／電以下」と補正する。

（２）同第９頁、最下行〜第１０頁、４行目に記載の「
つぎに、変形応力は・・・・・・５ｋｇ／Ｉｆである。

」を「つぎに、変形応力は１５ｋｇ／−以下に設定する
。なお、高価なモールドが破壊したり、焼結体にクラ＋
７りが生じるといった不都合を避けるために、この応力
を１０ｋｇ／−以下に設定することが好ましい。」と補
正する。

（３）同第１３頁、第２表のあとに次文を挿入する。

「実施例１Ｉ Ａｎ　、、０３粉末に種々の配合比でＴＩ（Ｇｏ、５．
Ｎｏ、５）粉末を配合して得られた原料粉末を使用し、
上記実施例１と同様の工程により種々の組成の焼結体を
製造した。そして、各焼結体から、　４Ｘ　３Ｘ３５■
の試験片を作製し、ＪＩＳ　Ｋ　１８０１に準拠して、
Ａｒ雰囲気下、１３００℃および１４００℃におけるそ
れぞれの試験片の曲げに対する塑性変形強度を測定し、
結果を図に示した。

図からも明らかなように、１３００°ＣにおいてはＴｉ
（Ｃ８，５，Ｎｏ、５）の含有量が３０〜６０重量％の
ものが塑性変形し、一方、　　１４００℃では同じ＜　
Ｔ　ｉ（Ｇ　ｏ　、　ｓ　。

Ｎｏ、５）の含有量が１０〜８０重量％のものが塑性変
形することを確認した。」 （４）同第１４頁、下から４行目に記載の「複雑形状の
部品」を「複雑形状の部品、例えば、切削用エンドミル
刃、食品用押出フィーダー、油圧ポンプ用スクリュー、
穀物搬送用ポンプスクリュー。

締結用ワッシャー、タービン用プロペラ、紡績用糸道、
自動車ローター、カッター、はさみ、磁気テープ切断用
スリッターなど」と補正する。

■、明細書の図面の簡単な説明の欄 間第１４頁最下行に記載の「極めて大である。」の後に
次文を挿入する。

【図面の簡単な説明】

図は１種々の配合比のＡＪＩ　ｚ０３−ＴＩ（Ｃｃ５．
Ｎｏ、５）系焼結体の１３００℃および１４００℃にお
ける塑性変形強度を示したものである。」 ■２図面 別紙のとおり図面を特徴する 特許請求の範囲 １、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムおよび酸窒化
アルミニウムから選ばれる少なくとも１種のアルミニウ
ム含有化合物；チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バ
ナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タ
ングステンまたはケイ素の炭化物、窒化物または酸化物
およびこれらの相互固溶体から選ばれる少なくとも１種
の硬質化合物を必須成分とするセラミックス焼結体であ
って、該アルミニウム含有化合物の含有量が５〜９５体
積％であるセラミックス焼結体を、還元性雰囲気もしく
は真空中において、温度１３００°Ｃ以上、応力１５ｋ
ｇ／′＠ｉ以下かつ歪速度１０−３７秒以下の条件で塑
性変形せしめることを特徴とするセラミックス焼結体の
塑性加工方法。 ２、　該セラミックス焼結体が、さらに、周期律表のＩ
Ｉａ、Ｉ［Ｉａ、■族元素又は希土類元素の酸化物、窒
化物およびこれらの相互固溶体から選ばれる少なくとも
１種の粒成長抑制剤を０．１〜７体積％含有するもので
ある特許請求の範囲第１項記載の方法。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムおよび酸窒化
   アルミニウムから選ばれる少なくとも１種のアルミニウ
   ム含有化合物；チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バ
   ナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タ
   ングステンまたはケイ素の炭化物、窒化物または酸化物
   およびこれらの相互固溶体から選ばれる少なくとも１種
   の硬質化合物を必須成分とするセラミックス焼結体であ
   って、該アルミニウム含有化合物の含有量が５〜９５体
   積％であるセラミックス焼結体を、還元性雰囲気もしく
   は真空中において、温度１３００℃以上、応力１０ｋｇ
   ／ｍｍ＾２以下かつ歪速度１０＾−＾３／秒以下の条件
   で塑性変形せしめることを特徴とするセラミックス焼結
   体の塑性加工方法。 ２、該セラミックス焼結体が、さらに、周期律表のIIａ
   、IIIａ、VIII族元素又は希土類元素の酸化物、窒化物
   およびこれらの相互固溶体から選ばれる少なくとも１種
   の粒成長抑制剤を０．１〜７体積％含有するものである
   特許請求の範囲第１項記載の方法。