JPS63210064A - 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〕 本発明は機械加工性の改良された複合焼結体に関するも
のである。

〔従来技術及び発明が解決しようとする問題点〕従来、
セラミック製品の製造は、原料粉体を混合し、所望の形
状に成形した後に焼成することによって行なわれている
。しかし、この方法では、焼成時の収縮のために寸法精
度の高い製品を得ることはできないため、通常は焼成後
に仕上は加工を施すが、一般に焼結体は硬く脆いので、
これを加工することは非常に困麹であった。

これに対し、本発明者らはセラミックスの被加工性を改
良する目的で鋭意研究した結果、特定の組成及び組織を
有する複合焼結体が優れた機械加工性を有することを見
出し、本発明を完成するに至った。

〔問題を解決するための手段〕

本発明は、ジルコニア、又はジルコニアとアルミナを主
成分とし、六方晶もしくは無定形の窒化ホウ素を分散相
として３〜５０容量％含有させてなることを特徴とする
複合焼結体である。

本発明の複合焼結体の主成分であるジルコニア、又は、
ジルコニアとアルミナのみからなる、即ち窒化ホウ素を
含まない焼結体は、従来難削材として知られており、こ
れを超硬工具で切ハ１加工するなどという事は到底考え
られなかった。ところが、これに３〜５０容量襲の六方
晶もしくは無定形の窒化ホウ素を分散せしめることによ
って得られる本発明の複合焼結体は高強度、高靭性のみ
ならず、機械加工性が飛躍的に改良され、例えば超硬工
具を用いて旋盤などで切削加工を施すことが可能である
。又、従来アルミナ、又はムライトと窒化ホウ素とから
なる焼結体が知られているが靭性の点で未だ不ｆ分であ
った。

本発明では、複合焼結体中において、六方晶又は無定形
の窒化ホウ素が分散相として存在することが必須である
。即ち、該複合焼結体中に、窒化ホウ素は１個の粒子あ
るいはそれらの凝集粒子として存在するが、その存在単
位の大きさの平均は一般に５０ミクロン以下、好ましく
は１０ミクロン以下、更に好ましくは２ミクロン以下で
あることが良い。重化ホウ素が分数していても、その存
在単位の大きさが１０ミクロンより大きくなると複合焼
結体の強度低下、加工精度の低下が起こるので好１しく
ない。更に又、窒化ホウ素の分散が不均一で、例えは複
合焼結体の局部に偏在していると、複合焼結体の機械的
信頼性が低下するので好ましくない。一方、窒化ホウ素
の含有社は３〜５０容Ｍ％、好ましくは１０〜４０容量
襲の範囲であることが良い。３容に１弧より窒化ホ９素
が少ないと、機械加工性を改良する効果が充分に発揮で
きず、逆に５０容ｉｔ％より多いと複合焼結体の強度が
著しく低くなるので実用的でなくなる。尚、窒化ホウ素
のｔ有鰍は生地した焼結体の全容態を自弧とした場合の
容置百分率で示す。

本発明で規定される上記窒化ホウ素の結晶形、平均粒子
径、及びその容置はあく１でも焼結後の＠ｌ！曾焼結体
中のものをいい、焼結前の原料となる雪化ホウ素は特に
限定されないが、好ましくは純度９９．０％以上、平均
粒子径が５ミクロン以下、更に好ましくは２ミクーン以
下の六方晶、又は無定形の窒化ホウ素が用いられる。

本発明の複合焼結体の原料として朗いるジルコニアの平
均粒径、純度、結晶形は抛々のものが使用可能であるが
、平均粒径１ミクロン以下のものが好ましい。又、ジル
コニア単独にけでなく２〜４モル％のイツトリア、あ゛
るいは９〜１４モル外のセリアを固溶または均一に混合
したジルコニアや、８〜１０＋Ａ／％のマグネシア、又
はカルシアを固溶または、均一に混合したジルコニアな
どのように他の成分を含んだものも用いられる。特に平
均粒嫌が０．１　ミクロン以下でイツトリア、又はセリ
アが均一に固溶または混合されているものが非常に効果
的である。

本発明の他の原料として用いるアルミナも特に限定され
ないが、平均粒径１ミクロン以下、純度９９５％以上、
好ましくは９９９９襲以上のものが使用される。またア
ルミナ単独だけではなく、シリカとの塩組成物であるム
ライトも同様に用いられる。

本発明の複合焼結体中にはジルコニア、又はジルコニア
とアルミナが主成分として含まれる。即ち、ジルコニア
単独、又はジルコニアとアルミナとの混合物を主成分と
するものである。尚、本発明で貰うジルコニアとは、前
記したように２〜４モル％のイツトリア或いは９〜１４
モル幅のセリアを固溶させた正方晶ジルコニア、８〜１
０モル外のマグネシア或いはカルシアを固溶させた部分
安定化ジルコニアなど、固溶成分ｌ＠むものであっても
良い。とりわけアルミナとシルコニフケ１０〜１５容敏
％分散させたものは高靭性の焼結体が得られ、主成分と
して好適である。該複合焼結体の上記主成分以外の化合
物として、例えば窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化アルミ
ニウムなどを含む場合も、その含社が前述した主成分の
量より少なければ本発明の複合焼結体とみなすことがで
きる。一般に、高靭性を要求される場合には、ジルコニ
アを耐熱性を要求される場合にはアルミナを主とするな
ど要求される特性に応じて適宜選択すれはよい。

本発明の複合焼結体の製造方法は特に限定されないか、
例を挙げれば次の様な方法が採用できる。先ず主成分と
なろジルコニア、又は、ジルコニアとアルミナとの粉末
と窒化ホウ素粉末、および焼結助剤等のその他成分とな
る粉末を所定の割合に秤量し、これにアルコール等の溶
鉱と、必要に応じ分散剤を加えて均一な混合スラリーと
な　、しかる後にスプレードライヤー等で乾燥して原料
粉末を得る。この原料粉末をプレス地形等により所望の
形状に成形し、１１００〜１８００℃の温良で数時間な
いし数十時間焼成して焼結する。

或いは、原料粉末を黒鉛型やアルミナ製に充填し、ホッ
トプレス焼結してもよい。焼成雰囲気は、窒化ホウ素の
酸化分解を避けるため、アルゴン、窒素、ヘリウム、水
素等の非酸化゛性雰囲気もしくは真窒が望ましい。また
、上記非酸化性雰囲気の圧力を高めるいわゆるガス圧焼
結をすることも有効である。

〔作用及び効果〕

本発明の複合焼結体の特徴は、ジルコニア。

又は、ジルコニアとアルミナよりなる焼結体が本来持っ
ている高強度、高靭性、耐熱性等の特性を維持しつつ、
しかも超硬工具などを用いて切削加工できることにある
。

本発明の複合焼結体が、セラミックの常識に反して切削
加工できる理由は不明であるが、本発明者らは、次の様
に推測している。即ち。

機械加工の際、工具の先端部分に割れが発生するが、そ
の割れは分散相である窒化ホウ素によって内部への進行
を阻まれ、工具先端の微小領域のみ！を細かく割り乍も
工具が進んでいく形になるので、切削加工できるものと
考えら゛れる。

なお、加工性の定量的表現方法は未だ殆立されていない
が、例えばＪＩＳ　　Ｂ−４１０４に定めるＫＩＯの超
硬チップを用い、切り込み深さ０，０５〜２藤、切削速
度３〜５０ｍ／履で旋削が可能であれは、良好な加工性
′ｌｋ：有すると言える。

また、別の表現方法としては１例えは０．８ｗｘｌの超
硬ソリッドドリルを用い、トルク２〜６ゆｆ−鵡、アラ
スト５〜１０ｋｌｌｔ、送り３〜３０μ＠／ｒｅマ　で
穿孔が可能であれは、良好な加工性Ｙ４ｉすると言える
。　　　　　　　　１不発明の実施例中に於いては、厚
さ３ｍの試料に対し、上述の条件で穿孔が可能な場合を
切削加工住良、穿孔不可能ではないが、刃先の摩耗が著
しい場合を可とした。

本発明の複合焼結体は、専ら主成分によって与えられる
優れた物性に加えて、易加工性を有するため、従来の焼
結体がダイヤモンド砥石などで研削加工しなければなら
なかったのに対し、遥かに安価にかつ迅速に製品を作る
ことができる。

従って、本発明の複合焼結体は従来公知のジルコニア、
又はジルコニアとアルミナよりなる焼結体の用途分野に
於いて有用であるのみならず、複雑形状、精密寸法、短
納期などを要求される分野などで広い利用が可能である
。例を挙げれば、軸受、治具、線引ダイス。

／Ｘル、保護管、メカニカルシール等を始め、エンジン
部品、燃焼機器部品、炉材料等に利用できる。

］実施例及び比較例〕 以下、実施例によって本発明を更に詳細に説明するが、
本発明はこれに限定されるものではない。尚、以下の実
施例の複合焼結体の各成分の容量％は焼成前の各原料の
混合容社襲の数値をもってしたが、焼成前後の各成分の
量的な変化は無視できることを確認した。

実施例１〜５．比較例１〜２ オ千シ墳化ジルコニウムの水溶液と硝酸イツトリウムの
水溶液を、ジルコニアとイツトリアのモル比に換算して
９７：３となる様に混合し、これを１００℃で６０時間
加熱して加水分解した。加水分解によって生成したゾル
を蒸発乾固して得た粉末を、８５０℃で１時間煉焼した
。

これに、走査電子顕微鏡で測定した一次粒子の長径の平
均が１．５ミクロンである六方晶窒化ホウ素粉末を第１
表に示す所定置加え、エタノールを用いて、４８時時間
式ホーＡＴ　ｔル粉砕混合を行なった。

こうして得られた原料粉末を、アルコンガス中、１４０
０℃で２時間、圧力２００りでホットプレス焼結し、本
発明の複合焼結体を得た。

この様にして作製したｔＮＭ体について、アルキメデス
法による密度、　Ｊ　Ｉ　Ｓ　Ｒ−１６０１に基づく３
点曲げ強度、および加工性を調べた。また、破面の走査
電子顕微鏡観察によって、六方晶窒化ホウ素粒子の存在
単位の大きさの平均を求めた。結果を第１表に示す。

比較例３，４ 実施例１で用いたイツトリア含有ジルコニアのかわりに
、アルミナ、ムライトを第２表に示す所定社を用いた以
外は実施例１と同様に行ないその結果をあわせて第２表
に示した。

実施例６ オ千シ塩化ジルコニウムの水溶液と硝酸イツトリウムの
水溶液を、ジルコニアとイツトリアのモル比に換算して
９７：３となる像に混合し、これにアンモニア水を加え
て溶層のＰＨを８とすることによって沈澱ヲ得、次いで
篩別、乾燥し、更に８００℃で１時間■焼した後にボー
ルミル粉砕した。

慢られたイツトリア含有ジルコニア粉末と、平均粒子径
０．５μｍのアルミナ粉末、および実施例１で市いたと
同じ六方晶窒化ホウ素粉末を、容置で３０：４５：２５
となる様に調整し、エタノールを用いて２４時時間式ボ
ールミル混合を行なった。こうして得られた原料粉末を
、アルゴンガス中、１５００℃で２時間、圧力２００り
でホットプレス焼結し、本発明の複合焼結体を得た。

この焼結体の密度は３．ｇＩＪｉｌ／ｄ、曲げ強度は４
６に！Ｊ／ｍｍ’、破壊靭性は７．５　ＭＮｍ　−３／
２−ＢＮ粒子の存在単位の大きさの平均は２０μｍで、
加工性も良好であった。

実施例７ ジルコニア粉末とカルシア粉末を、モル比で９２＝８と
なるように混合した後、これを１０００℃、２時間■焼
し、更にボールミルで２４時間粉砕した。

得られたカルシア含有ジルコニア粉末ト、実施ｆ１１１
で用いたと同じ六方晶窒化ホウ素粉末を、容置で７０：
３０となる様に調整し、エタノールを用いて２４時時間
式ボールミル混曾を行なった。

こうして得られた原料粉末を、２０００％の圧力で静水
圧プレス成形した後、Ｎ２ガス中、１７００℃で３時間
焼成し、更に１４５０℃で３０時間アニールした。

得られた複合焼結体の密度は４７５，９／ｄ。

曲げ強度は４２ｋｇ／ｒＩＬＩ＋！′、破壊靭性は６．
５ＭＮｆｆ１−３／２　、　８Ｎ粒子の存在単位の大き
さの平均は１８μｍで、加工性も良好であった。

実施例８ 実施例３に於いて、窒化ホウ素粉末として走査電子顕微
鏡で油室した一次粒子の長径の平均が７，８μ風　であ
る六方晶窒化ホウ素粉末を用いた以外は実施例３と同様
にして、複合焼結体を得た。

この焼結体の密度はｔ９ｚ、ｓ’／ｉ　　、曲げ強度は
３２　ｋｇ／ｒＩＬｍ’　　＋　（＆壊籾性は４．８　
ＭＮ　ｍ　−３／’２であった。また、加工性は良好で
あったが、実り例３のものに較べると、精密な加工を施
すことが録しかった。六方晶窒化ホウ素粒子の存在単位
の大きさの平均は、１８．４μｍであった。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　ジルコニア、又はジルコニアとアルミナを 主成分とし、六方晶もしくは無定形の窒化ホウ素を分散
   相として３〜５０容量％含有させてなることを特徴とす
   る複合焼結体。