JP3078314B2

JP3078314B2 - 繊維強化セラミックス

Info

Publication number: JP3078314B2
Application number: JP02339321A
Authority: JP
Inventors: 勝伺坂上; 桂林
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1990-11-30
Filing date: 1990-11-30
Publication date: 2000-08-21
Anticipated expiration: 2015-08-21
Also published as: JPH04209752A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、ウイスカー等の繊維状物質を含有する靱性
および耐摩耗性に優れた工具用材料や摺動部材、その他
耐摩耗構造材料として適したセラミックスに関する。

（従来の技術）酸化アルミニウム（以下、単にAl₂O₃という）質焼結
体は、従来から耐摩耗性に優れた材料として多用されて
いるが、靱性に劣るという欠点からその強靱化に対して
各種の提案がなされている。

例えば、Al₂O₃に炭化珪素（以下、単にSiCという）ウ
イスカーに代表される繊維状物質を配合することにより
靱性を改善することが特開昭61−286271号や特開昭62−
41776号等にて提案されている。

このようなSiCウイスカーを含有する繊維強化セラミ
ックスはSiC自体の硬度が高く、熱伝導性がよいため
に、切削工具として用いた場合、一部の超耐熱合金の切
削（インコネル718の荒切削）では優れた性能を示して
いる。

また、Al₂O₃にSiC粉末を添加することも提案されてい
るが、破壊靱性の改善には至っていない。

（発明が解決しようとする問題点） Al₂O₃へのSiCウイスカーの添加による靱性の改善は、
通常SiCウイスカーを30〜40体積％程度添加することに
より効果を発揮することが知られている。

しかしながら、SiCは、本来鉄（Fe）との反応性が高
いために、Al₂O₃−SiCウイスカー系材料では鉄族金属を
切削する場合、他のAl₂O₃系工具に比較して摩耗量が多
くなる傾向にある。例えば、SUS304を切削した場合、従
来のAl₂O₃系工具では充分に切削可能な条件であって
も、SiCウイスカーを含有する工具では急激に摩耗が進
行し、切削不可能となる。また鋳鉄の切削においてもAl
₂O₃系工具よりも摩耗量が大きいことが確認されてい
る。

このようなAl₂O₃−SiCウイスカー系工具の問題に対し
て、当然SiCウイスカー自体の含有量を摩耗が進行しな
い程度に減少させることが考えられるが、靱性が低下し
てしまい、SiCウイスカー添加の本来の目的が達成され
ないという問題があった。

（問題点を解決するための手段）本発明者等は、上記の問題点に対して検討を重ねた結
果、SiCウイスカーを分散含有させるためのマトリック
ス成分としてこれまで用いているAl₂O₃に代わり、アル
ミニウム、硼素、酸素からなる成分を用い、且つこのマ
トリックス成分中に酸素とアルミニウム、あるいは酸素
と硼素とアルミニウムからなる針状の結晶を存在させる
ことにより、SiCウイスカーの量を低減しても靱性の低
下を招くことなく、高い抗折強度および破壊靱性を有す
る鉄系材料の切削にも充分適応可能なセラミックスが得
られることを知見した。

即ち、本発明の繊維強化セラミックスは、アルミニウ
ム、硼素、酸素を含有するマトリックス中に針状晶炭化
珪素を５乃至20重量％の割合で分散含有するもので、そ
のマトリックス中にアルミニウムと酸素、あるいはアル
ミニウムと硼素と酸素からなるアスペクト比1.5以上の
針状結晶粒子を分散含有したことを特徴とするもので、
さらにはこのセラミックス中にMgO、CaO、SiO₂及び周期
律表第III a族元素酸化物の群から選ばれる少なくとも
１種を含有することを特徴とするものである。

以下、本発明を詳述する。

本発明における繊維強化セラミックスは、まず第１に
SiCウイスカーを分散含有するマトリックスがアルミニ
ウム、硼素、酸素を含有する点を大きな特徴とするもの
である。このマトリックスは、具体的には酸化アルミニ
ウムや硼酸アルミニウム、あるいはこれに酸化硼素を含
有する複合酸化物からなるものである。また本発明によ
れば、このマトリックス中に酸素とアルミニウム、ある
いは酸素と硼素とアルミニウムからなるアスペクト比1.
5以上の針状結晶粒子を分散含有することを特徴とす
る。

このマトリックス成分の組成は、マトリックス中のア
ルミニウム、硼素、酸素の３成分を基準としてアルミニ
ウムを25〜50重量％、特に35〜45重量％、硼素を８〜64
重量％、特に10〜30重量％、残部が酸素からなることが
望ましい。組成を上記の範囲に限定したのは、アルミニ
ウム量が25重量％より少なく、硼素の量が64重量％より
多いと、焼結性が低下し、緻密体が得られず、アルミニ
ウムの量が50重量％より多く、硼素の量が８重量％より
少ないと抗折強度、硬度、靱性等の向上がみられなくな
るからである。

また、マトリックス中に含まれる針状の結晶は、アス
ペクト比1.5以上の粒子をセラミックス全量中に３重量
％以上、特に10重量％以上含有させることが望ましく、
針状結晶の量が３重量％より少ないと、靱性の向上効果
が不十分となる。

一方、SiC成分は、針状の粒子から構成されるもので
例えばSiCウイスカーからなる。この針状粒子は、平均
アスペクト比10以上で、直径が0.3〜1.0μｍのものが望
ましい。かかるSiC成分は、セラミックス全量中５〜20
重量％、特に10〜20重量％の割合で分散含有させる。こ
のSiC成分量が５重量％未満では、マトリックス成分の
粒成長抑制の効果が少なく、焼結体の強度が低下すると
ともに、靱性の劣化も生じる。20重量％と越えると、鉄
系材料の切削工具用として用いる場合に耐摩耗性が低下
する。また、この時焼結性も低下するが、後述するよう
に適当な焼結助剤を添加することにより緻密化すること
ができる。特に切削工具の耐摩耗性の点からは15重量％
以下が望ましい。

また、本発明によれば、上記の系に対して、焼結性を
改善するために焼結助剤を添加することが望ましい。好
適な焼結助剤としては一般にAl₂O₃の焼結助剤として公
知のものが用いられ、例えば、MgO、CaO、SiO₂の他、周
期律表第III a族元素酸化物が挙げられる。これらの焼
結助剤量は前述したマトリックス成分およびSiC成分の
合量100重量部に対して10重量％以下、特に0.5〜８重量
部、特に１〜５重量部の割合で添加することが望まし
い。なお、周期律表第III a族元素としては、Ｙ、Yb、N
d、Er、Ce、Sm、Gd、Dy、La等が好適に用いられる。

本発明の繊維強化セラミックスの製造に際しては、原
料粉末として、酸化アルミニウム、硼化アルミニウム、
硼酸アルミニウム、酸化硼素等を用いる。また、マトリ
ックス中の針状粒子成分としては、針状の酸化アルミニ
ウムや針状の硼酸アルミニウムを添加する。この時に配
合される針状粒子はそれ自体、単結晶あるいは多結晶質
からなるもので、その粒子の平均径は２μｍ以下、時に
0.2〜0.7μｍが望ましく、また、長径／短径で表される
アスペクト比の平均が３〜100、特に10〜50のものが用
いられる。平均径が２μｍ以下で焼成時における粒成長
が過度にならず、高い抗折強度を維持できるのに対し、
平均粒径が２μｍより大きいと、焼成時の粒成長の制御
が困難となり、強度、靱性ともに低下しやすく、また切
削工具として用いた場合に逃げ面の境界摩耗が大きくな
る傾向にある。また、アスペクト比が３より小さいと繊
維強化の効果が少なく、靱性が低下し、100より大きい
と原料の取扱が難しく、均一に分散できないために靱性
が低下する傾向にある。

一方、SiC成分としては、その大きさおよび形状は任
意に選択できるが、粒成長抑制効果を大きくするために
は、平均粒径３μｍ以下の粉末がよい。

上記のマトリックス成分およびSiC成分、場合によっ
て焼結助剤を適宜混合するが、特に酸化アルミニウムあ
るいは硼酸アルミニウムの針状粒子は焼成時にそのアス
ペクト比が小さくなる傾向にあるために焼結体中に存在
させようとする量よりも若干多めの量で混合することが
望ましい。

上記の各原料の混合物は、所望の成形手段、例えば、
金型プレス、冷間静水圧成形、押し出し成形、射出成形
等により任意の形状に成形後、焼成する。

焼成は、普通焼成、ホットプレス、熱間静水圧焼成等
の方法が適用される。焼成は1450℃〜1850℃の温度でA
r、He等の不活性ガスもしくはカーボン等の存在する還
元性雰囲気およびそれらの加圧もしくは減圧雰囲気で２
〜６時間行えばよく、特に高密度の焼結体を得るために
は普通焼成、ホットプレス法により相対密度96％以上の
焼結体を作成し、さらに500気圧以上の不活性ガス高圧
下で熱間静水圧焼成すればよい。

（作用）以下、本発明を次の例で説明する。

（実施例）平均粒径１μｍ以下、純度99.9％以上のAl₂O₃粉末な
らびに硼化アルミニウムと所望の焼結助剤を所定量秤量
後、アトリッションミルで12時間混合粉砕した。この混
合粉末に平均粒径0.8μｍアスペクト比30〜50のSiCウイ
スカー並びにアスペクト比30〜50の針状ホウ酸アルミニ
ウムを第１表に示す量で添加し、ナイロンポット中でナ
イロンボールとともに密封し回転ミルで12時間混合を行
った。混合後のスラリーを乾燥してホットプレス用原料
とした。

この原料をカーボン型に充填し、第１表に示す条件で
１時間、300〜500Kg/cm²の圧力でホットプレス焼成し、
JISR1601に基づき抗折試験片を作成した。

得られた各試料を研磨して３点曲げ抗折強度を、また
ビッカース硬度、鏡面状態にポリッシングしてIM法でK1
cを測定した。なお、焼結体中のアスペクト比1.5以上の
粒子のAl₂O₃量は焼結体の電子顕微鏡写真の画像解析に
より測定した。

結果は第１表に示した。

第１表において、試料No.1〜12によれば、マトリック
ス中に針状粒子を含まない試料No.1に対して針状粒子を
３重量％以上含む試料No.5〜12は、破壊靱性、抗折強度
ともに大きく向上している。また、針状のSiCが５重量
％より少ない試料No.2ではクラックの偏向およびプルア
ウト効果がなく抗折強度および破壊靱性の向上が認めら
れない。試料No.5〜10及びNo.18〜20によれば、SiCの添
加量が増すにつれて靱性が向上するがその量が20重量％
を越える試料No.20では焼結性が低下し特性も低下し
た。

試料No.5,10及び13〜17では、種々の焼結助剤を用い
た例であるが、Al量が多く、Si量が５〜10重量％と少な
い試料では、試料No.5のように助剤無添加でも焼結し、
破壊靱性は向上する。これより焼結助剤の添加量は10重
量％以下がよい。また、希土類酸化物を添加した試料N
o.14〜16はMgOを添加した試料No.13に比較して高い破壊
靱性を有している。試料のNo.24、25からAl₂O₃が未添加
でもAl−Ｂ−Ｏ系でAl25〜50重量％、B8〜64重量％、残
部が酸素の範囲であり、針状Al−Ｂ−Ｏが３重量％以上
有することにより破壊靱性を向上させることができる。
以上の結果より本発明の試料はいずれも優れた特性を示
していることがわかる。

（発明の効果）以上詳述した通り、本発明によれば、マトリックス中
に針状のSiC粒子以外にアルミニウムと酸素、あるいは
アルミニウムと酸素と硼素からなる針状結晶の粒子を分
散させることにより、マトリックス成分の持つ耐摩耗
性、鉄との非反応性を維持しつつ焼結体の靱性を大きく
改善することができる。

よって、鉄系の材料を被削材とする切削工具用材料と
して非常に適するほか、各種の産業用の構造用材料とし
ての有用性を有するものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭61−232267（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−74978（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−172273（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−270350（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−235266（ＪＰ，Ａ) 実開平１−138170（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C04B 35/00 - 35/22 C04B 35/622 - 35/636

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミニウム、硼素、酸素とからなり、３
成分基準でA125乃至50重量％、硼素８乃至64重量％、残
部酸素からなるとともにアルミニウムと酸素および／ま
たはアルミニウム、硼素、酸素からなるアスペクト比1.
5以上の針状結晶粒子を分散含有するマトリックス中
に、針状晶炭化珪素を５乃至20重量％の割合で分散含有
することを特徴とする繊維強化セラミックス。
【請求項２】アルミニウム、硼素、酸素を含有し、３成
分基準でA125乃至50重量％、硼素８乃至64重量％、残部
酸素からなるとともにアルミニウムと酸素および／また
はアルミニウム、硼素、酸素からなるアスペクト比1.5
以上の針状結晶粒子を分散含有するマトリックス中に、
針状晶炭化珪素を５乃至20重量％の割合で含む系100重
量部に対して、MgO、CaO、SiO₂及び周期律表第III a族
元素酸化物の群から選ばれる少なくとも１種を10重量部
以下の割合で含有することを特徴とする繊維強化セラミ
ックス。