JPS63185869A - ウイスカ−強化複合焼結体 - 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、切削工具又は耐摩耗１具などの工具用部品か
ら摺動用部品、耐蝕性用部品、耐熱性用部品もしくは装
飾用部品などに適用できるウィスカー強化複合焼結体に
関する。

（従来の技術） 一般に、セラミックスは高硬度性、＃摩耗性、耐酸化性
、耐蝕性及び＃熱性にすぐれていることから切削工具又
は耐摩耗工具などの工具用部品、ベアリング用ポールな
どの摺動用部品・　メカニカルシール、ノズル、パルプ
又はペンポールなどの耐蝕性用部品、エンジン用部品、
ボイラー用部品２発熱体又は燃焼管などの＃熱性用部品
、Ｉ）計ケース、タイピン又はリール用ガイドなどの装
飾用部品に利用されている。このような用途に用いられ
ているセラミックスの欠点は、金属又は合金に比較して
強度が低いことである。そこで、セラミックスの強度を
高める方法が種々検討されており、その方法の１つとし
て、酸化物、炭化物。

窒化物の中の少なくとも１種のマトリックス中に炭化ケ
イ素、アルミナ、窒化アルミニウム、炭化ホウ素、グラ
ファイト又は窒化ケイ素でなるウィスカーを分散強化さ
せることにより強度を高めることが行われている。これ
らの代表的なものとして、特開昭５９−２６９８２号公
報及び特開昭６１−２７４８０３号公報がある。

（発明が解決しようとする問題点） 特開昭５９−２６９８２号公報は、 Ａｌｚ　　Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｓｉ　３　Ｎａ　　、Ａｉ
Ｎ。

ＭｇＯ，ＳｉＯ２から選ばれる１種又は２種以上をし成
分とするマトリックスと焼結体の５〜５０体積％がＡｌ
ｚ　０３　　、Ｚ　ｒｏ２　、Ｓ　ｉａ　Ｎａ　　。

ＳｉＣ，ＭｇＯ，５ｉ０２　　、Ｃから選ばれた１種又
は２種以上の繊維で構成された複合セラミックス焼結体
である。また、特開昭６１− ２７４８０３号公報は、２〜４０容量％のセラミックス
のウィスカーをセラミックス・マトリックス内に分散強
化させたセラミックス切削工具であり、セラミックス・
ウィスカーとしては、炭化ケイ素、アルミナ、窒化アル
ミニウム、ベリリア。

炭化ホウ素、グラファイトもしくは窒化ケイ素であるこ
とが開示されている。これらの従来のウィスカーを含有
した焼結体は、最初に開発され、現在実用化されている
ｔａ維強化プラスチック（ＦＲＰ）に用いられているウ
ィスカーをそのままセラミックスのマトリックス内に分
散強化させて応用しようと試みたものであるために、セ
ラミックスのマトリックスとセラミックスのウィスカー
との相互適合性についての検討を殆んどしないで用いら
れてきたために、強度が充分でなく実用化に至っていな
いという問題がある。すなわち、ＦＲＰで用いられてい
るセラミックスのウィスカーをセラミックスマトリック
ス内に分散強化させてなるウィスカー強化セラミックス
焼結体は、マトリックスとウィスカーとの密着性が低く
て、ウィスカーを分散強化させた効果が充分に発揮され
てないという問題がある。実際に、特開昭５９−２６９
８２号公報の複合セラミックス焼結体は、最高の曲げ強
度で１３０　ｋｇ／ａｍ２と非常に低く、特開昭６１−
２７４８０３号公報のセラミックス切削工具は、最高の
曲げ強度が常温で１１０ｋｇ／■２　、１３００℃テ８
０　ｋｇ／ｃｍ２と割合高い強度ではあるが、高価なウ
ィスカーを用いて得ることができる強度としては、まだ
満足でさないという問題がある。また、これらの従来の
ウィスカー強化セラミックス焼結体は、電気伝導性の非
常に悪いウィスカーで分散強化されているために放電加
工ができず、成形加工をするのが困難であるという問題
もある。

本発明は、上述のような問題点を解決したもので、具体
的には酸化物、窒化物、炭化物及びこれらの相互固溶体
の中の少なくとも１種でなるのマトリックス中に、炭化
チタン、窒化チタン、酸化チタン及びこれらの相互固溶
体の中の少なくとも１種でなるウィスカーを分散強化さ
せた高強度及び電気伝導性にすぐれたウィスカー強化複
合焼結体の提供を目的とするものである。

（＋５１題点を解決するための手段） 本発明者らは、セラミックスの強度を高めるのに、セラ
ミックスのマトリックス中にセラミックスのウィスカー
を分散強化させて強度を高めることを検討していた所、
マトリックスとウィスカーとには相互適合性があり、ウ
ィスカーとして用いるセラミックスの材種、形状及び分
散量が焼結体の強度に影響を及ぼし、特に、セラミック
スのマトリックス中にチタンの化合物からなるウィスカ
ーで分散強化すると焼結体の強度が著しく向上し、しか
も電気伝導性にもすぐれるという知見を得て未発ＩＩＩ
を完成するに至ったものである。

本発明のウィスカー強化複合焼結体は、酸化アルミニウ
ム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化マグネシ
ウム、ｍ化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、炭
化ケイ素及びこれらの相ヴ固溶体の中の少なくとも１種
を主成分とするマトリックス６０〜９５体積％と、残り
炭化チタン、窒化チタン、ｍ化チタン及びこれらの相互
固溶体の中の少なくとも１種のウィスカーと不可避不純
物とでなることを特徴とするものである。

本発明のウィスカー強化複合焼結体におけるでトリ・ノ
クスは、具体的には、例えば、α−Ａ立２０３　、β−
Ａ見２０３　、単斜晶系のＺ　ｒ　Ｏ２１立方品系のＺ
ｒＯ２又はＭｇＯ。

ＣａＯ，Ｙ２Ｏ３などを含有した正方品系の安定化Ｚｒ
Ｏ２，部分安定化Ｚｒ０ｚ　　、ＨｆＯ２。

ＭｇＯ、Ｓ　ｉｏ２　、Ａ文Ｎ、α−５ｉ３Ｎａ。

β−５ｉｚＮａ、α−３ｉＣ，β−３ｉＣ並びに（Ｚｒ
、Ｈｆ）０２　、ＺｒＯ＠５ｉＯａ　　（ジルコン）、
Ｍｇ０−Ａ交２０３　（スピネル）。

３Ａ１２０３　　・２Ｓ　ｉｏ　（ムライ））。

２Ｍｇ０・２Ａｉ２０３　　・５３　ｉｏ２　　（：ｌ
−シライト）、（Ｓｔ、Ａ文）　　（０，Ｎ）（サイア
ロ７）などの固溶体の中の少なくとも１種を主成分とす
るものである。これらのマトリックスは、用途に適した
ものを選定して用い、この選定したマトリックスとウィ
スカーとの結合強度を高めるために５例えば同期律表４
ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、酸化物及びこ
れらの相互固溶体の中の少なくとも１種でなる第１強化
補助相をマトリックス中に５体積％以丁含有させること
も好ましいことである。また１マトリツクス内の結合強
化及びマトリックスの粒成長抑制、さらには焼結促進を
行なって緻密な焼結体にし、焼結体の強度を高めるため
に５例えばＭｇの窒化物、Ｓｃ。

Ｙを含めた６土類金属の酸化物、窒化物又はＮｉ、Ｃｏ
の酸化物及びこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種
でなる第２強化補助相をマトリックス中に２０体積％以
下含有させることも好ましいひとである。これらのマト
リックスが９５体積％を超えて多くなると、相対的にウ
ィスカーの贋が５体積％未満となり、そのために焼結体
内にクラックが伝播したときにウィスカーによって阻止
される効果が少なくなって焼結体の強度低下を生ずる。

また、−ｙ）リックスが６０体積％未満になると、相対
的にウィスカーの量が４０体体積を超えて多くなるため
に、難焼結性になり、緻密な焼結体を１１）るのが困難
となる。

本発明のウィスカー強化複合焼結体におけるウィスカー
は、具体的には、例えば、ＴｉＣ。

ＴｉＮ、ＴｉＯ，ＴｉＯ２、Ｔｉ　　（Ｃ，Ｎ）。

Ｔｉ　（Ｃ，Ｏ）、Ｔｉ　（Ｎ、Ｏ）。

Ｔｉ（Ｃ，Ｎ、Ｏ）の中の少なくとも１種からなり、特
にウィスカーの界面に存在するマトリックスの種類によ
ってはウィスカーの芯部と表面層とが異なる複合体のウ
ィスカーになっているものである。これらのウィスカー
は、化学量論組成又は非化学量論組成からなっているも
のでもよい、また、これらのウィスカーは、長ｔａｍ状
のもの又は短Ｈ＆維状のもの、もしくはこれらの混合物
であってもよいが、特に製造の容易性及び焼結体の強度
特性上から平均の径が０．３〜１．５ｐｍで、好ましく
は１．０ｇｍ以下で１かつ平均のアスペクト比が３〜３
０、好ましくは５〜２０である短繊維状のものが好まし
い。

本発明のウィスカー強化複合焼結体は、次のような製造
方法により得ることができる。マトリックスを形成させ
るための出発原料は、モ均粒径２ｇｏｎ以下、好ましく
は平均粒径１ｇｍ以下のものを用い、ウィスカーは、焼
結体中に存在させるものよりも平均の７スペクト比が２
〜５倍高いものを出発原料とするのが好ましい、また、
出発原料としてのウィスカーは、従来の方法で製造され
るウィスカーを用いることができるが、特に化学気相ノ
ベ着法（ＣＶＤ法）により作成されたウィスカーが形状
的に好ましいものである。これらのマトリックスとウィ
スカーをそれぞれ選定した後、まずマトリックスを形成
させるための出発原料を混合粉砕し、次いで出来るだけ
粉砕作用を生じない、例えばＶブレングー中で、前述の
混合粉砕粉末とウィスカーをアセトン、メタノール・”
キサンなどの有機溶媒と共に混合し、その後、従来の粉
末冶金法で用いられている方法の内、ウィスカーを出来
るだけ損傷させないような方法で乾燥。

成形及び焼結し、必聾に応じて焼結後、さらに熱間静水
圧（ＨＩＰ）処理を施して強度を高めることもできる。

上述のような、従来の粉末冶金法による混合成形方法の
他に、従来のウィスカー含有焼結体の製造方法、例えば
マトリックスを形成するための粉末とウィスカーを交互
に配設する積層方法又はマトリックスを形成するための
粉末中にウィスカーを埋設する方法などにより成形する
こともできる。ウィスカーのマトリックス中での分散を
良好にするためにはＶブレンダーのような粉末冶金法に
よる混合方法が好ましい、焼結雰囲気は、非酸化性雰囲
気中で行い、焼結温度は、加圧焼結の場合が１６００℃
以上、減圧又は無加圧焼結の場合が１７００℃以上で行
うことができる。

（作用） 本発明のウィスカー強化複合焼結体は、マトリックスと
ウィスカーとの界面、特にウィスカーの表面部に薄い反
応層が生じてマトリックスとウィスカーとの結合性を著
しく高める作用をし、そのために焼結体の強度が著しく
高くなっている。

例えば、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム。

Ｍ化ハフニウム、酸化マグネシウム、＃化ケイ素又はこ
れらの相互固溶体の中の少なくとも１種の酸化物系化合
物を主成分とするマトリックスの場合は、ウィスカーの
表面層が酸化物であり、ウィスカーの芯部が炭化物、窒
化物又は炭窒化物であり１表面層と芯部との間の中間層
が炭酸化物、窒酸化物又は炭窒耐化物であるような複合
のウィスカーが形成されている。このように、ウィスカ
ーの表面部にマトリ−、ケス中の主として非金属元素の
拡散により生じる表面層や中間層の薄い反応層がウィス
カーの強度を向上する役割をし、しかもウィスカーとマ
トリックスとの結合性を高めているものである。

（実施例） 実施例１ 平均の径が０．５〜Ｉｇｍ、平均のアスペクト比が１０
〜２０でなる炭化チタン、空化チタン、炭窒化チタンの
ウィスカーとモ均粒径１．０牌ｍ以下の各極出発原料粉
末を用いて、第１表に示した各試料を配合した。混合方
法は、第１表に示した各試料の配合組成に、それぞれヘ
キサンを加えてＶブレングー中に入れて同時混合した０
次いで、乾燥、成形及び焼結し、さらに焼結後１部の試
料はＨＩＰ処理して焼結体を得た。これらの各試料の焼
結条件及び１（ＩＰ処理条件を第２表に示した。こうし
て得た各焼結体の諸特性値を求めて、得られた結果を第
３表に示した。尚、酸及びアルカリに対するｌ１ｉ１＃
蝕性は、本発明品及び比較品共に殆んど差がなく、良好
であった。

以下余白 実施例２ 実施例１で得た本発明品２，４．８及び比較量１．３を
用いて、大越式摩耗試験機により耐摩耗性試験を行った
。

試験条件は、相手材５４５Ｃ，初期荷重１９ｋｇ、大気
中、室温の乾式状態で行い、１０００ｍの摩耗試験距離
における各試料の摩耗速度と比摩耗Ｊ、ｌとの関係を求
めて、その結果を第１図に示した。

実施例３ 実施例１で得た本発明品１，２．１０及び比較量ｌを用
いて、下記の条件によりＮｉ、ｉ耐熱合金を旋削し、各
試料の摩耗量を求めた。この結果を第４表に示した。

Ｎｉ基耐熱合金の旋削条件 被削材　　ワスバロイ（ＨＲＣ４２） 切削速度　　１５０　　ｍ／ｗｉｎ ９Ｊ　込　量　　　　０　、５　　履Ｉ送り速度　　０
．２　履謬／ｒｅｖ 湿式切削　　エマルジョン力ｙト（Ｗｌ−３）の切削油 切削時間　　２　　ｓｉｎ 第　　　４　　　表 実施例４ 実施例１で得た本発明品２，１０及び比較量ｌを用いて
、下記の条件により鋼を旋削し、各試料の摩耗量を求め
た。この結果を第５表に示した。

鋼の旋削条件 被削材　５４８Ｃ（ＨＢ２４４） 切削速度　　２５０　　ｓ／ｓｉｎ 切込量　２．０１ 送り速度　　０　、３５　　ＩＩｍ／ｒｅｖ湿式切削 以下余白 実施例５ 実施例１で得た本発明品１，７．１１及び比較品１を用
いて、下記の条件によりフライス切削を行い、各試料の
耐欠損性を求めた。この結果を第６表に示した。

フライスによる切削条件 被削材　ＦＣＤ６０　（ＨＢ３２０） ２００Ｘ１５０ｍ層面 切削速度　　１３０　　ｍ／ｓｉｎ 切込量　１．５ｍｍ 送り速度　　０．２２ｍｍ／刃から１　ｐａｓｓ毎に切
刃がチッピング又は欠損まで送 り速度ｕｐ 以下余白 （発明の効果） 本願発明のウィスカー強化複合焼結体は、曲げ強度がす
ぐれており、特に１４００℃の高温における曲げ強度が
従来のウィスカー含有焼結体の約２，５倍から４倍の強
度を有するものである。

また、本発明のウィスカー強化複合焼結体は、電気伝導
性がすぐれているので放電加工などの電気伝導性を利用
した加工又はそれを利用して電子部品などに応用するこ
とができる。さらに１本発明のウィスカー強化複合焼結
体は、実施例２から実施例５でＩＩＩらかなように耐摩
耗性、耐欠損性及び耐熱衝撃性に著しくすぐれているも
のである。

以上の結果、本発明のウィスカー強化複合焼結体は１例
えば旋削工具部品、プライス工具部品。

ドリル、エンドミルなどの切削工具部品、スリッターナ
イフ、裁断刃、ガイドブツシュ、ゲージ。

金型などの耐摩耗工具、ベアリング用ポール、軸受など
の摺動用部品、メカニカルシール、ノズル、バルブ、ペ
ンポールなどの耐蝕性用部品９発熱体、燃焼管、炉用部
品、エンジン用部品、ボイラー用部品などの１８性用部
品、時計ケース、タイピン又はリール用ガイドなどの製
筒用部品又は電気部品もしくは電子部品関係にと利用で
きる産業上有用な焼結体である。

【図面の簡単な説明】

ｆＳ１図は、実施例２の大越式摩耗試験機で求めた本発
明品と比較量の摩耗速度と比摩耗量との関係を示したも
のである。 図中、実線１は本発明品２、実線２は本発明品４、実線
３は木受１１品８、点線ｌは比較量１、点線２は比較量
３を表わす。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフ
   ニウム、酸化マグネシウム、酸化ケイ素。 酸化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素及びこれら
   の相互固溶体の中の少なくとも１種を主成分とするマト
   リックス６０〜９５体積％と、残り炭化チタン、窒化チ
   タン、酸化チタン及びこれらの相互固溶体の中の少なく
   とも１種のウィスカーと不可避不純物とでなることを特
   徴とするウィスカー強化複合焼結体。
2. （２）上記マトリックスは、周期律表４ａ、５ａ、６ａ
   族金属の炭化物、窒化物、酸化物及びこれらの相互固溶
   体の中の少なくとも１種でなる第１強化補助相が５体積
   ％以下含有していることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載のウィスカー強化複合焼結体。
3. （３）上記マトリックスは、Ｍｇの窒化物又は希土類金
   属の酸化物、窒化物もしくはＮｉ、Ｃｏの酸化物あるい
   はこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種でなる第２
   強化補助相が２０体積％以下含有していることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項又は第２項記載のウィスカー
   強化複合焼結体。
4. （４）上記ウィスカーは、平均の径が０．３〜１．５μ
   ｍで、かつ平均のアスペクト比が３〜３０であることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項、第２項又は第３項記
   載のウィスカー強化複合焼結体。