JPH0323278A - ウィスカー強化セラミック焼結体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

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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、セラ主ツタウィスカーにより分散強化した高
密度、高強度ｒｚウィスカー強化焼結体に関するもので
あり、詳しくは、切削［具材料や耐摩耗工具材料をはじ
めとする構造用セラミック材料として好通ｒ４高密度、
高強度でかつ、高靭性を有するウィスカー強化セラミッ
ク焼結体及びその製造方法に間するものである． ［従来の技術］ 近年、セラミック材料は、その優れた耐熱性、耐摩耗性
、化学的安定性によって新しい構造用材料として期待さ
れている． その中でも特に、ガスタービンや自動車エンジン部材な
どの高温構造用材料としての応用は注目を集め、その分
野での研究開発は活発である． しかし、現状では、それらの目的にセラミック材料を広
く応用して行くに際し、大きｔＪ　３つの解決すべき問
題が残されている．その１つは、対象とする材料の焼結
が極めて難しいことであり、これは、対象材料の高温下
での優れたｍｔｉ的性質を反映したものである． もう１つは焼結した材料の加工が難しいことにある． この難加工性も対象とする材料のもつ高い強度と硬度を
反映したものであり、材料の性質とは切り越して扱い得
ない問題である，そしてもう１つの問題は、これもセラ ミック材料の本来の性賀によるものであるが、脆く、突
発的破壊を起こしやすく、材料としての信頼性が低いこ
とにある． 高温構造用を目指した材料の粉末の持つ難焼結性を克服
するための研究は以前より活発になされており、主に、
ＩｌｉＸ料粉末中に焼結を助ける役割を持つ焼結助剤と
呼ばれる第２相を添加する方注が採られてきた． しかし、それら焼結助剤は、焼結中には微量の液相を生
成し、焼結を助けるが、焼結体の高温強度を劣化させる
という問題があり、好ましくない． 現在、出発原料粉末の改良や新しい焼結方１去の探索が
続けられてレ）る． 次に、セラミック材料の持っ雌加工性は、εの潰れたｆ
ｌＡ械的性買に由来するものである． セラミック材料は一般に脆い反面、高強度であり、硬度
も高いものが多く、難加工材が多い。

最近、高純度、高硬度のダイヤモンド焼結体も開発され
、これを用いた切削加工も試みられているが、切削性能
や加工コストの面でまだ満足する結果は得られていない
． 現在、主に、高価なダイヤモンド砥石により加工されて
おり、高い加工コストの一因となっている． 前述のように、高温構造用材料を対象としたセラミック
粉末は一般＆：Ｈ焼結性であり、助剤を用いた場合でも
加圧しながら焼結する方法が採られている． この方法は、平板や円柱状の単純形状の素材の焼結には
適するが、？ｌ雑形状のものの焼結には通さない． このためこの方法で製造した素材から実際の部材を成形
するには加工の取り代が多くなり能率が悪いばかりでな
く、加エコストが異常に高くなってしまう． 従って、製品コストの中で大きな割合を占めている加エ
コストを低減するためには、できるだけ最終部品形状に
近い焼結体の製造技術の開発が強く望まれている． セラミック材料の持つ脆さは、それを構成する原子の化
学結合様式に関係した本質的なものである．この脆さを
改良するための多くの試みがなされ、いくつかの成果が
上がっている． しかし、材料に要虞される特性は刻々と厳しくなってお
り、それに対応していくには新しい材料設計と開発は不
可欠である． セラミック材料強化の１つの方法は，！！Ｉ性変形能を
もつ金属戒分との複合化であり、他は、破壊のエネルギ
ーを増加させたり、分敗させたりするような第２のセラ
ミック相を混合しで用いる分敗強化方法である．前者の
金属成分との複合化法では、確かに材料の脆さは改良さ
れる． しかし、金属は高温での強度低下が大きく、この方法に
よる材料は高温構造用材料としては利用できない． こ看１に対してセラミックーセラ奥ツタの複合では、そ
のような劣化の心配はなく、高温構造用林料の製造には
好ましい方法である、その中でも特に、セラミック材料
に高強度、高弾性のセラ主ツクウイスカーを分散させる
ウィスカー強化方法は複合化の効果がきわめてＢ署であ
り、セラミックの靭性向上方，去の１つとして大いにｒ
主目されている．例えば、米国特許第４，５４３．３４
５号明細書にはｊ２ルＥナ＠粉末中に炭化硅素（以下Ｓ
ｉＣ　）　　ウィスカーを分散させたアルミナ焼結体及
びその製造方法が記載されている．この特許には、アル
ミナ中に２０体積％ＳｉＣウィスカーを分敗させること
により、破壊靭性値（Ｉｔ　ｌ　ｃ）が４．６　〜９．
０ＭＰａＪｍに増加し、顕著な靭性向上の効果があった
ことが述べられている． この方法では、微粒アルミナ粉末レニＳｉＣウィスカー
を均一Ｉ．：混合し、その成形体を２８〜７０１４Ｐａ
の圧力で加圧しながら１６００〜１９５０℃で加熱する
ホッ｝・ブレス３去により焼結する方法が採られている
． アルミナの他、３＾１ｘ（ｈ−２５ＩＯ２やＭｇＯ　−
＾１２１１，をマトリックス材料として用いたウイスカ
一強化焼結体もある． アルミナをはじめとするこれらの１ト ノックス４Ａｆｉ．材料は非酸化物系セラミック材Ｉ１
ｅ比べ焼結の容易な材料であり、ホ・７Ｆ・ブ１ノス法
によりウイスカーとの反応の心配のｌい温度で緻密に焼
結できるという利点がある． し・か１・、その反面１　０００℃以上の温度では、曲
げ強さやクリープ特性が低下してくるという問題がある
． ウィスカー強化セラミック焼結体に期待される１つのｍ
　要ｔｔ特性は，１０００℃以上の高温でも強度の低下
が少なく、機械的及び熱的衝撃に酎λ１る高温特性であ
り、マトリックス材１４をはじめヒしてその焼結方法を
＾゛めた改良が強く望まれている． 上記のようなウィスカー強化セラミック材料は、そのプ
ロセス上、粉宋焼結怯を用いて製造される． この方法においては、収縮を考＋！　Ｌ，た均焼結及び
焼結体の加エコストの低減の面から焼結前の戒形ｆネの
密度はできるだ（→高いことが好ましい． し２かし、ウィスカーを混合し，たセラミック粉末の成
形では、分敗しＣいる高強度、高弾性のウィスカーがセ
ラミック粉末粒子の充填を阻害するため、通常の金型威
形法では、その成形体密度を高くできないという問題が
ある． また、この現象は、焼結における加熱段園でも同梯であ
り、マトリックスであるセラミック粉末の収縮を阻害し
、緻密化を難しくしている． 従って、この種の材料粉末の、圧力を用いない焼結は極
めて難しいのが現、状であり、緻密化した高強度の材料
を得るには高温高圧を用いたホットプレス法が不可欠で
あった．セラミック粉末の緻密化に高い圧力を用いるこ
とは効果的であるが、高温でのポットプレス型の強度ε
の関係もあり数十ＭＰａが限度である． このため、焼結温度を高くする方法が考え．られるが、
この温度についても、この場合次の２つの制約がついて
くる． １つは、分散強化の効果を発揮させるためには、ウィス
カーと７１・リックスであるセラミックとの化学反応が
生じない程度に低い温度であることであり、もう１つは
、マトリックスの粒子が著しい粒成長を起こさない程度
の温度であることである． これらの温度条件を満たしながら、緻密化を達威できる
温度範囲は一般のセラミック材料では、かなり狭＜　ｌ
るという問題がある．また、このため、最適条件で特性
の一定した焼結体を得ることが龍しいという品質管理上
の欠点もあった． また、前述のように従来の製造方法では、その緻密化を
促進するためＣは、数十ＭＰａの圧力が不可欠であり、
このためにはホットブレスＴ去を用いなければならなか
った．この方法では、単純形状のものは、比較的容易に
製造できるが、例えばタービンブｌ，・一トやボルト・
ナットのようなａ雑形状のものをそれらの形状に近い形
で直接焼結することは橿めて難しかった． そのような複雑形状の部品をつくるには、ベレフト状や
円柱状の焼結体を、主にダイヤモンド砥石を用いた研削
加工により時間をかけて加工する以外に方法がｒｚかっ
た．［発明が解決しようとする課題］ 従来の技術で述べたものにあっては、下記のような問題
点を有していた． 加工コストが製品コストの５０％貝上−を占めることも
あり、ウィスカー強化セラミック材料の一層のコスト高
を招き、この種の優れた材料のより広い用途拡大を妨げ
ているという問題があった． この発明は、以上のような事情に鑑みなされたものであ
り、ウィスカー強化セラミック材料のもつ優れた特性を
保持しつつ、前述のような従来の製造方法のもつ欠点を
改良し、切削工具をはじめとする各種構造材料として好
通な高密度，高強度でかつ、高い靭性をもつウィスカー
強化セラミック焼結体の製造方法を攪供することを目的
としている． 〔ａ題を解決するための手段〕 上記目的を連成するために、本発明のものは下記のよう
になるものである． 前述のように従来の酸化物セラミックのみをマトリック
スとして用いたウイスカー強化セラミック焼結体はＩ０
００℃以上の高温下で機械的性質の低下が大きいという
問題があった． 発明者は、そのような問題を解決することを目的として
、酸化物系セラミックより高温特性の優れた非酸化物系
セラミックをマトリックスとして含むウイスカー強化セ
ラミック焼結体の開発を進めてきた． この研究過程で炭化物やほう化物と言った非酸化物系セ
ラミック粉末の焼結助剤なしでの焼結は、数十ＭＰａの
ホットプレス法や数ＧＰａの高圧の発生できる超高圧焼
結法を用いても極めて難しく、これにウイスカーが分散
されると、その焼結は一層難しくなることが分かった． 発明者は、マトリックスを構成する非酸化物セラミック
及び酸化物セラミックをそれらの化合物粉末から直接焼
結するのでなく、発熱性の化学反応を利用して、それら
の化合物を合成し、同時に焼結することにより、簡単な
装置と手段により緻密なウィスカー含有酸化物、非酸化
物セラミック焼結体の得られることを見い出した． また、ここで発熱反応の化学反応として、金属アルミニ
ウムの関与する反応を選ぶことにより、混合粉末の成形
は極めて容易となり、高密度に成形しても割れ等の欠陥
の発生も少ないことが分かった． これら２つの主な知見に基づき、高温特性の優れたウィ
スカー強化セラミック焼結体の開発とその簡便な製造方
法の開発を目指して鋭意研究を簾ねてきた． その結果、まず、発熱性の化学反応によりマトリックス
を構成するための原料である酸化物粉末、アルミニウム
粉末及び非金属粉末を均一に混合し５更に、この混合し
た粉末にセラミックウィスカーを混合、攪拌により均一
に分敗させて、混合粉末を調整し、次にこの混合粉末を
衝撃圧縮することにより、切削加工可能な強度をもつ、
泪対密度９０％以上の成形体を得た後、この成形体を焼
結収縮を考慮して、必要な素材形状に切削加工し、この
加工した素材、つまり、高密度成形体を常圧下焼結ある
いは、必要に応じ熱間静水圧焼Ｍ　ｔＡにより焼結する
ことにより、最終形状に極めて近い高密度で優れた高温
特性をもつウィスカー強化セラミック焼結体の得られる
ことを見い出し、この発明をなすに至った，すなわち、
この発明はセラミックウイスカーを１０〜５０体積％含
有するウイスカー強化セラミック焼結体を製造する方法
において、セラミックウイスカーに周期律表４ａ，５５
ａ，６ａ族金属の酸化物及び酸化ほう素の酸化物群の中
の少なくとも１種及び炭素、ほう素、炭化縫う稟の非金
属群の中の少なくとも１種及びアルミニウムを均一に混
合し、この混合粉末を戒形型に充填し、該混合粉末を衝
撃圧縮することにより、相対密度９０％以上（空！４率
１０％以下）の粉末戊形体とした後、該粉末成形体の一
部または全体を加熱することにより、該酸化物群の中の
少１１　＜とも１種及び非金属群の中の少なくとも１種
及びアルミニウムの間の発熱反応を着火、進行させなが
ら該粉末威形体を焼結させることを特徴とするセラミッ
クウィスカーを１０〜５０体積％含有し、残りマトリッ
クスが周期律表４ａ，５ａ、６ａ族金属の炭化物、ほう
化物、炭はう化物及び炭化ほう素の少なくともＩ　ｆｉ
とアルミナよりなることを特徴とするウィスカー強化セ
ラミック焼結体を提供するものである． ある種のセラミック、特に高融傑セラ ミックの合戊では、その構或元素からの化合物生成熱は
、Ｋｇ当り、１０’ジュールｆＪ）のオーダーにも達す
る． この大きな生成熱が原料粉末中に次々と伝播することに
より次々と反応を励起、開始し、反応は持続する． 例えば、炭化チタン（Ｔｉｃ）　　とアルミナの混合セ
ラミックを合成する場合、酸化チタン（ＴＩＯｚ）．ア
ルミニウム、炭素の各粉末を均一に混合、戊形１・、そ
の一端よりタングステン等の加熱ワイヤーを用いて着火
、反応を開始させると、この反応は成形体全体に及び外
部からの加熱なしに、ＴＩＣとアルミナの混合物が合成
できる． また、場合によっては、この合成と同時に焼結も起こる
． このようなセラミック合成方法は、合戒用の特殊な炉を
必要とせず、経済的である．この反応は、その反応の性
質から自己発熱反応または、自己燃焼反応と呼ばれてお
り、ここでは以下前者の呼び方を採用する．自己発熱反
応で合成できる高融点セラ ミックの例として、多くのものが知られているが、この
発明では、特に，易戊形性及び易焼結性の読点から周期
律表４ｇ，５ｇ，６ａ族金属の酸化物及び酸化ほう素の
中の少なくとも１種及び炭素、ほう素、炭化ほう素の中
の少なくともｔ種及びアルミニウムの間で起こる自己発
熱反応が通する． このような例として次のような原．Ｉ１系成分とその反
応をあげることができる． （１）　３ＴｉＯ，　＋　４＾１　＋　　３Ｃ　→３Ｔ
ｉＣ＋　２ＡＩ，０，（２）３ＣｒＪｓ　＋　８＾１　
＋　　４Ｇ　−”　２（：ｒ３［：２＋　３＾１２０，
（３）ＭｏＯ３＋　２＾１＋８−４ＭｏＢ＋＾１，０，
（４）３ＴａＯ，＋　４＾１　＋　ＢａＣ　＝　２Ｔａ
Ｂ．　＋　ＴａＣ　＋２＾ｌ２０， 自己発熱反応に伴う夙による温度上昇は、生成熱の全て
が生成物の温度上昇に使われると仮定して計算できる． 例えば、上の例（１）の場合の生成熱は約３．５　Ｘ　
ｈｏ５ａ，＋／′Ｋｇであり、計算上３２５０℃程度ま
で反応系の塩度は上がることが分かる．この場合、この
温度は、生戒物であるＴｉＣや＾工２０，の融点以上で
あり、このことは反応中、液相が出現することを示して
おり、この液相出現が木来ｆｉ焼結性であるこの種のセ
ラミックの焼結を助ける！要な役割を果たしている． また、この自己発熱反応の反応速度は、着火するときの
試料温度によるが、数Ｃ重／Ｓ〜数１０ｃｍ／ｓに達す
る相当に速度の速い反応である． ｌＩ従来のウィスカー含有セラミック焼結体の製造方法
においては、マトリックスの焼結の而からは、その部分
で液相が生成される程度の高温焼結が望ましいが、そこ
でのウイスカーとマトリックス材の反応が起き、得られ
る焼結体の機械的な性買が劣化するという問題があった
． この発明においては、従来試みられた温度以上に高い温
度が発生した中での焼結となるが、ここでの反応速度が
速いためその高温持Ｈ．，ｙ時間は極めて短く、劣化を
招くようなウィスカーとマトリックス材との化学反応は
無視できる程度に押さえることができる．方、反応の進
行している部分で生成した液相は固相焼結の場合に比べ
分散されたウィスカーを均一に包囲し、結果的に焼結体
中においてウィスカーを機械的により強固に保持するこ
とができるような組織を生成するｒｔ要な役割を果たす
ものである． この発明では、ウィスカー強化セラミック焼結体のマト
リックスを周期律表４５ａ，５５ａ，６ａ族金属の炭化
物、ほう化物、炭ほう化物及び炭化ほう素の少なくとも
１種とアルミナより構成することを特徴とするが、これ
により、マトリックス材の耐熱性を一層向上させること
ができる． 例えばアルミナの融点は、２０５０℃であるが、Ｔｉｃ
．ＴａＣの融点は各々３２５０℃、３８００℃であり、
高温下の強度の低下も少ない． また、この発明の方法で得られる焼結体の７１−リック
スにおいては、アルミナ中Ｃ高密度に反応生戊物である
炭化物やほう化物が分敗した組織とな１ており、それら
の炭化物、ほう化物は、アルミナより高硬度で弾姓率も
高く、分散強化粒Ｔとして作用することができる． ほう化物、炭はう化物がアルミナとともにマトリックス
を構成することによる上記のようなｉ１熱性の向上や分
敗強化効果は１０００℃以下の場合だけで１　＜、それ
以上の高温でも１Ｉ゛効であり、高温強度の向上と高温
下でのケリーブ特性の改善に顕著に寄与し・ている．金
型を用いた通常の粉末成形方法の場合、セラミックウィ
スカーを均一に混合、分散させたセラミック粉末は、前
述のような理由によりそのセラミック単体粉末の場合に
比べてかなり高密度化が難しい． ２０体積％ＳｉＣウィスカーを含むようなセ’ｊ　’４
　＋／ク粉末を２ｔｏｎ／ｃｍ’程度で金型成形した場
１〕の到達できる成形体密度は高々真密度の５５％（４
５％気孔）程度で少る． 従って、この場合、ｌ！Ｉ密な焼結体を得るには、焼結
中に少１１　＜とも残り４５％の緻密化が必要である． しかし、実際には、前述のように、この焼結中の緻密化
も分散しているセラミックウィスカーにより阻害される
ため、セラくツク粉末単体の場合より高い温度の下で加
圧しながらゆっくり緻密化する方法が採られる．しかし
、通常の数十ＭＰａの圧力下では、充分な緻密化が起き
ずこの場合も焼結を助ける助剤を僅か添加する方法が用
いられている．ここでの焼結助剤も得られた焼結体の高
温強度を低下させる原因となり好ましくない．加工上の
問題点も含めて以上のような難点を解決する１つの方法
は、緻密化を進めるために数ＧＰａという高い圧力の利
用できる静的及び動的超高圧焼結技術を用いる方法であ
り、もう１つは、同じく、それらの超高圧技術を用いて
まず高密度な成形体を作成し、その成形体を加圧なしで
焼結する方法である．前者のあ法の中、静的超高圧技術
を用いる方法は、必要とする装置が大規模で高価な上、
運転操作が難しいという欠点がある．一方、動的方法は
粉末の緻密化と焼結には有効であるが、得られた焼結体
に大小の割れが入るという問題があり実用的ではない．
さらに、これら２つの方法に共通している点は、緻茫化
は容易であるが、？３ｌ雑形状の焼結体の製造が極めて
難しい， このため、最終部品とする上での加工量が多くなり、結
果的にはコストが高くなる．これに対して、後者の方法
は、本焼結する前に、出発原料を切削加工できる程度の
強度をもつ高密度の戒形体とし、そこで必要形状に加工
後、本焼結するため、最ｉ１部品に仕上げる際の加工量
を最小限に留めることができる． この後者の方法においても静的高圧技術を用いることが
できるが、この方法には前述のような問題点があり実用
的ではない． この発明は、動的超高圧力つまり街撃圧縮によりウィス
カー含有のセラ主ツク粉末をまず、高密度に成形し、そ
の戒形体を切削加工して本焼結し、安価な、高密度、高
強度で高い靭性なもつウィスカー強化セラミック焼結体
を得ようとするものである． 爆薬の爆発や高速で飛１ｌ１する物体の衝突に伴い瞬間
的に発生するｆｆｉｌＥ圧力を利用して、緻密な成形体
をつくることができる． この方法により通常の金型成形ｔ去ではｍ密化困ＭなＳ
ＩＣや５１山のような高強度セラミック粉末も比較的容
易に緻密化できる．漬軍圧縮の特徴の１つは、１０−６
秒という短い時間に数ＧＰａ〜数＋ＧＰａという高い圧
力を発生できる点にあり、これにより高強度なセラミッ
クの粉末も瞬時に相対茫度９０％以上まで緻密化が可能
となる． 特に、この発明においては、その出発混合粉末Ｃ必ず金
属アルミニウムを用いることにより、一層粉末の緻密化
が容易であり、低い圧力レベルで高い成形体密度に達す
ることができ、得られる成形体の残留歪や割れの発生を
押さえることができ極めて有利である．［作用］ 効果と共に説明する． ［発明の実施例］ 以下この発明の１実施例を図面を用いて説明する． 衝撃圧縮により高密度な成形体を得る方法には爆薬を使
う方法と高圧ガス等によって発射した高速飛翔体を衝突
させる方法がある．これらのいずれの方法を利用した場
合でも、試料をバラバラに飛敗させることなく１つの塊
として回収することが重要である．幸いこの試料回収技
術は進歩してきている．第１図の１はこの発明方法に利
用できる平面街箪圧縮装置であり、下方部分２と上方部
分３とから構成されている． ２Ａはウィスカーを含有する混合粉末４を充填する試料
室２Ｂをもつ試料容器である．その外側に衝撃処理後の
試料容器２Ａの回収を容易にするための鉄製モーメンタ
ム・トラップ２Ｃを配置し、さらに、その下に同しく鉄
製のモーメンタム・トラップ２Ｄを設置する． なお、試料容器２Ａは、底板２ＡＩと底板２ＡＩに上方
から着脱自在に嵌合する断面下向きコの字状のｉｉ２Ａ
２から構成ざれている． モーメンタム・トラップ２Ｃは主に試料容器の側面方向
、また、モーメンタム・トラップ２Ｄは試料容器下方向
の各々の運動量を吸収し、結果的に衝撃処理後の試料の
回収を容易にするためのものである． マトリックス構成用出発原料粉末にウィスカーをその損
傷をできるだけ少なくして均一に混合するのは容易では
ないが、＄Ｐ戒分をまず別々に湿式ボールミルや攪拌機
Ｃより泥しよう状態とした後配合し、再度ボールミルや
攪拌機により混合する方法により、ウィスカーの破損を
少なくして、比較的均一に混合できる． セラミックウィスカーのマトリックス中での分散状態は
、得られた焼結体の特性を大きく左右するものであり重
要である． この混合粉末の試料容器２Ａへの充填は、できるだけ高
密度に充填することが望ましく、相対密度４０％以上が
好ましい． また、試料容器２Ａの材貿は、対象材料の戊形に必要な
衝撃処理条件により、広範囲の材料を選択できるが、コ
ストの面からは鉄、銅、真ちゅうやステンレスが適当で
ある．第１図の上方部分３は、この装置の爛薬構戊部分
であるが、円錐状の爆薬レンズ３Ａは雷管３Ｂによりそ
の頂点で点火され、爆薬レンズ３Ａでの燃焼は平面的に
下方に伝播されるようになっている． さらに、その平面的燃焼がその下の燭薬３Ｃに伝播され
、爆薬（平面燃焼を起こし下へ伝播し、この燃焼で発生
した爆轟街軍圧力により下の金属板である飛翔板３Ｄが
高速に加速され、下の試料容器２Ａに衝突する．この衝
突により試料容器に平面衝撃波が発生し、これがさらに
混合粉末４に伝播され、混合粉末は衝撃圧縮され、形威
される． 衝撃波の通過により混合粉末の部分で発生する圧力、温
度は、主に使用爆薬量と混合粉末の充填率で制御するこ
とができ、また、持続時間は第１図のような飛翔板を用
いた場合、その厚みにより変えることができるが、３■
の鉄板を２ｋ一八程度で試料容器に衝突させた場合の圧
力持続時間は約　１．５Ｘ　１０−’秒であり、極めて
短い． また、第１図のような方法では試料部分に１５００℃ま
での温度と同時に５０ＧＰａまでの圧力を比較的容易に
発生できる。

″ｉＳ２図はこの発明の方法に利用できる円筒街箪圧縮
装置５の１実施例を示す縦断面図である． ６は爛薬容器であり、外円筒６Ａとこの外円筒の上下に
配置された上方板６Ｂと下方板６Ｃとから構成されてい
る． ７は爆薬容゛器６と同軸的にその中心に位置した円筒状
試料容器であり、その上下には上下のプラグ７Ａ，７Ｂ
が設けられている．４は円筒状試料容器７の内に充填さ
れた混合粉末である． この図では円筒状試料容器７に接して煽薬３Ｃが配置さ
れ雷管３Ｂで爆薬３Ｃが起爆される状態を示している．
その場轟波が下方向へ伝播し、それに伴う爆轟衝撃波に
より、まず、その内側の円筒状試料容器７が軸方向へ衝
撃圧縮され、次にその内側の混合粉末４が同様にして衝
撃圧縮される． 混合粉末４の部分に発生する圧力は使用する爆薬の種類
と量により調節できる． ここで、円筒状試料容器７及び爆薬容器６の外円筒６Ａ
の材質としては、金属、紙、木、プラスチックを利用で
きる．また、円筒状試料容器７の上方に位置する円錐状
のプラグ７Ａは金属や木で作ることができ、この部分は
、雷管３Ｂで起爆され、爆薬３Ｃの中を球面状に広がる
爆轟波が円筒状試料容器７に達する前に、この球面状に
広がる燭轟波を平面状の爆轟波に整える役目をするもの
であり、均一に試料を衝撃圧縮するためには欠かせない
ものである． この発明の方法ではウィスカー含有の成形体の一部また
は、全体を加熱し、発熱反応を着火、開始させることに
より真密度に近い焼結体を得ようとしているが、この目
的のため、及び成形体の切削加工のためには、反応着火
前の成形体の相対密度は９０％以上必要である． マトリックス構成用の出発原料中の金属アルミニウムの
割合にもよるが、相対密度９０％未満の成形体では、焼
結による充分な緻密化が起きず、目的とする焼結体が得
られない．また、このような焼結体の強度は充分高くな
く切削加工は難しい． セラミックウィスカーを１０〜５０体積％含有する混合
粉末を相対密度９０％以−Ｅまでｉａｉ化させるのに必
要ｒｊ衝撃圧力は用いるウィスカーのｆ！類と量の他、
アルミニウムの量により決定されるものであり、各材料
の紐合せ毎にその最適条件を決定する必要がある． 衝撃圧縮により得られた高密度成形体の焼結は、その成
形体の一部または全体を常圧下で加熱し、発熱反応を着
火、開始することにより、達せられるが、より望ましく
は、ガス圧を用いた静水加圧下での反応着火による焼結
である， この発明の方法に用いる発熱反応は、全て体積の減少す
る方向の反応であり、また、液相の生戒があるため、そ
の固化収縮もあり、常圧焼結で追随できない収縮が起き
るような場合じは特に有益である． 衝撃圧力の程度が適当な範囲にある場合、相対密度が９
０％以上で割れのない均一な成形体を得ることができる
． しかし、処理圧力が、各材料の組合せで決まる限界の圧
力を越えると粉末粒子間の焼き付き、つまり焼結による
粒間結合が生じ、その結果、回収される戊形体中に大小
の割れが発生し、好ましくない． この発明の方法に用いる衝箪圧力の範囲は、衝撃処理中
に焼結が生じないか、生じても粒の成長が生じない程度
の中Ｉｌｌな圧力程度に限定されるものである． 一方、圧力が低すぎると混合粉末は相対密度９０％以上
までＭ１密化できず、前述のように、得られる成形体の
強度も低くなり、切削加工できないばかりでなく、本焼
結によっても緻密化が進行せず、結果的に高強度で高い
靭性をもつウィスカー強化セラミック焼結体を得ること
ができない． 以下実施例によりこの発明をさらに詳しく説明する． （実施例１） Ｉｎμ重以下の酸化チタン粉末及び平均粒径１０μ朧の
アルミニウム粉末及び　産μ一以下のカーボンブラック
粉末を各々そル比で３：４３となるように調合し、水を
加えてポールミル混合することによりマトリックス構戊
用原料の泥しようを作った． 次に、このマトリックス構成用原料に対して体積比で２
．１となるように平均ウイスカー径　１μ一、平均長さ
３０μ一の炭化硅素ウィスカ−（以下ＳｉＣウイスカー
）を秤量し、これも同じく水を加えて攪拌、分敗させ、
泥しよう状態とした後、これを上記マトリックス４ｌｌ
成用原料の泥しように加え、さらに、１時間ボールミル
混合した． このボールミル混合した粉末を乾燥後、６００℃で真空
脱ガス如埋し、この実施例の混合粉末を得た． この混合粉末をｉｌ図に示した平面衝撃圧縮装置を用い
て′ａ箪処理した． ここでは混合粉末を第１図の試料Ｎ２Ｂに相対密度約６
０％となるように充填した，試料室２Ｂの材料として鉄
を用い、その試料室２Ｂの大きさは径２５■―、高さｌ
ａｍｍであった．爆薬３Ｃとして爆速７．２ｋ日／Ｓジ
ュボン社製のデータシ一トを使用し飛ｍ仮として厚さ３
．２量冒の鉄板を使用した． ここでは第１表に示した飛ｙｌＩ板速度０．２〜２．０
ｋｍ／ｓでの成形、焼結試験を実施した．衝撃処理後、
試料容器・を回収し、試料外側の鉄部分を切削により取
り除き、試料を取り出した後、その上下面を研磨紙で軽
く研磨した後、外観を観察した． 次に、それらの回収成形体につき、水を用いたアルキメ
デス法によりかさ密度を測定し、成形体の相対密度を算
出した． 各成形体の切削加工試験はバイトとしてダイヤモンド焼
結体を用い、周速約３５＠／ｓｉｎで加工し、そのとき
の割れ発生やチッピング発生具合から切削加工の可、不
可を判定した．ｉ　オ、飛ｙｎＦｉ速度２．０ｋｍ八で
得たｔｔ．Ｉ１は、Ｘ線回折の結果、この時点ですでに
発熱反応がＨ程度進行し、半焼結の状態となっており、
多くの層状割れを起こしていた．このため切削加工も不
可能であった． 次に、各成形体を平板状のジルコニア焼結体の上にｆｉ
き、その一端を着火治具（タングステン線）に通電する
ことにより加熱、着火し、反応を開始させた．反応は３
０〜４０秒で終了し、冷却後焼結体の相対密度を測定し
、さらに、その一端をダイヤモンド回転砥石で、研磨仕
上げした後、鏡面仕上げし、ビッカース圧痕法により、
荷重２０ｋｇを用いて破壊靭性値（以下Ｋｉｃ値）を測
定した．次に、同様にその鏡面仕上げした試料を用いて
、真空下１２００℃の高温下で、荷重１００ｇを用いて
ビッカース微小硬さを測定した．各飛翔板速度の試料に
ついて得られた結果を第１表にまとめて示した． 飛ｍ板速度０．２ｋａ／ｓでは、回収焼結体の外観は割
れの発生もなく良好であったが、成形体密度は低く、切
削できる強度まで達していｒＪかった． この成形体では、タングステン線による加熱で反応は着
火開始できたが、得られた焼結体の相対密度は８９％と
低かった． 飛１！１板速度０．５〜１．５ｋｍ／ｓの範囲で得られ
た成形体は第１表に示したように外観上の割れ等の欠陥
もなく、また、成形体相対密度は９０％以上に達してお
り、切削加工も可能であった． これらの試料の焼結体は相対密度９７％以上に達し、Ｋ
ｉｃ値も約ｓＭｐａＪ■であり、充分高い靭性をもつも
のであることが分かった．また、これらの焼結体の１２
００℃での高４硬度は、１５４０〜１８２０ｋｇ／■１
であった．また、発熱反応終了後得た焼結体のウィスカ
ー以外の構成相は、Ｘ線回折の結果、主にアルミナと炭
化チタン（Ｔｉｃ）であった．比較のため　１μ曽以下
のアルミナ４０体積％及び同じく　１μ馨以下の炭化チ
タン（ＴｉＣ）４０体積％及び本実施例に使用したもの
と同様のＳｉＣウィスカー２０体積％を混合して得た粉
末を３０１１Ｐａ、１９００℃で１時間保持して焼結し
て得た試料について上記と同様の評価を行ｔＪつた． その結果、焼結体相対密度は９２％、Ｋｉｃ値は４．一
Ｐ　ａ　Ｊ　＠であり、１２００℃での高温硬さは１２
１０一ｋｇ／ａｍ２であり、いずれもこの発明方法によ
る焼結体の値よりも劣るものであった． 第１表 （３７Ｉ０２＋　　３Ｇ＋　　４＾１）＋ｌＯ体積奪Ｓ
ＩＣウィスカー＊　Ｏ △ × 欠け、割れなし 外周部の小さい欠け 割れや気孔発生 （実施例２） 平均粒径１０μ園の酸化タンタル粉末及び３２５メッシ
ュ以下の粒径の炭化ほう素粉末及び平均粒径ｌＯμ１以
下のアルミニウム粉末を各々モル比で３：Ｉ：４とｔｊ
るように調合し、実施例１と同様の方法によりマトリッ
クス構威用原料の泥しようを得た． 次に、このマトリックス構成用原料に対して、体積比で
４・１となるようにセラミックウィスカー成分を秤量し
た． ここでは、ウィスカー成分として平均ウィスカー径０，
５μ−５アスベクト比２００窒化ｕｉウィスカ−５０体
積％と平均ウィスカー径　３（ｒｖａ，平均ウィスカー
長さ４０μ麿のアルミナウィスカ−５０体積％よりなる
混合ウィ又カーを用いた． このウィスカー成分も実施例１と同様の方法により泥し
よう状態とした後、これを上記マトリックス橋戒用原料
の泥しように加え、さらに１時間ボールミル混合した後
、乾燥、真空脱ガスｌＡ埋し、この実施例の混合粉末を
得た。

この混＠粉末を実施例１ε同様の装置と方法により飛ｙ
ｎ板速度０．２〜２．４ｋｓ／ｓで成形試験を行ｒｌい
、焼結試験を実施した。

各条件で得られた結果を第２表に示す．街！！処理後、
実施例１と同様の方法により試料を回収し、評価した． 飛翔板速度の低い　０．２ｋａ＋／ｓで得た成形体は相
対密度も９０％に達していず、切削加工は不可能であっ
た． 方、飛ｍ板速度２．４ｋＩｌ／ｓで得た試料は多数の層
状割れを発生しており、Ｘ線回折分析の結果、衝撃処理
の段階ですでに反応が３／４程度進み焼結が起きたこと
が分かった．飛ｍ板速度０６〜１．８ｋｍ／ｓで得た試
料は、いずれも相対密度９０％以上まで緻密化されてお
り、切削加工できる強度をもつものであった． これらの成形体を常圧下でＩ　０００℃に約１時間加熱
し、発熱反応を着火、開始させ、焼結体を得た．得らオ
〕た焼結体のウィスカ成分以外の構成相はＸ線回折の結
果、アルミナ、炭化タンタル（Ｔａ（：）　，ほう化タ
ンタル［ＴａＢ，）であり、いずれも９６％以上まで！
ｌ！密化し、Ｘｉｃ｛ａも７．８　〜８．９ＭＰａＪｓ
に達した．また、１　２００℃での高温微小硬さは、…
０〜１７２０ｋｇ／ｍ■２であり、高い硬度を保持して
いた。

第２表 （３Ｔａ０２＋　　Ｂ，Ｃ　　＋　　４Ａｌｌ＋　　　
（１０体積ＸＳＩ３８４ウィスカ＋　ｌＯ体積１アルミ
ナウィスカー） 外周部の小さい欠け 割れや気孔発生 （実施例３） 平均粒径２０μ■の酸化ニオブ粉末及び平均粒径１５μ
麿の酸化モリブデン粉末及び平均粒径　１μ鰻以下の）
′ルミニウム粉末ルび粒経１μ酪以下のカーボンブラッ
ク及び同じく粒径　ｌμ一以下のほう素粉末を各々モル
比で３＋１＋６＋３：Ｉになるように調合し、天８ａｉ
例１と同様の方法によりマ］・リンクス構成用原料の泥
しようを得た． 次（、このマトリックス構成用原料に対して体積比で１
　１とセるようにウィスカー径３μ謡、アスベクト比２
０のアルミナウィスカーを秤量した． このアルミナウィスカーを実施例１ど同様の方法により
泥しよう状態とした後、これをマトリックス構成用原料
の泥し上う『加え、さらに、ボールミル混合した後、乾
燥、真空脱ガスし、この実施例の混合粉末を得た．この
混合粉末を実施例１と同様に第ｌ図の平面衝撃圧縮装置
を用い、同様の方法で、飛翔板速度０．１〜１　．８ｋ
■／Ｓの範囲で成形試験を行ない、次に焼結試験を実施
した． 衝撃処理稜の試料は実施例１と同様の方法により評価し
た． 各条件で得た結果を第３表に示す． 飛翔板速度０．１ｋｍ／ｓで得た試料は、割れの発生も
なく良好なものであったが、緻密化が不充分で切削加工
できる強度をもたな かった． 一方、飛ｍ板速度１．８ｋｍ／ｓで得た成形体には多数
の割れが発生しており、その破面の観察からすでに発熱
反応が生じ、焼結が起きたことが分かった． 飛ｍ＠速度０．４〜Ｉ．Ｏｋｍ／ｓで得た戒形体は各々
９５％、９７％の相対密度に達しており、良好な成形体
であった．これらの成形体につき、実施例１と同様の方
法で発熱反応を着火、開始させ、焼結体を得た． 得られた焼結体のウィスヵー以外の構成相は炭化ニオブ
、ほう化二オブとアルミナであった．また、相対密度は
いずれも９８％に達し、Ｋｉｃ｛！は各々７．２ＭＰａ
Ｊ　ｍ　，　６．８ＭＰａＪｍであった，１２００℃で
の微小硬さは各々ｌ４δ［ｌｋｇ／ａｍ２、１４２０ｋ
ｇ／中一であった．第　３ （３Ｎｂ０２＋　Ｍｏ０３＋　６Ａｌ ｔアルミナウィスカー） 表 ＋　３Ｃ＋　８１　＋　　（５０体積 ＊　Ｏ △ 欠け、割れなし 外周部の小さい欠け 割れや気孔発生 （実施例４） 粒径２Ｇμ口以下の酸化ジルコニウム粉末及び粒径１０
μ園以下のアルミニウム粉末及び平均粒径５μ一の炭化
ほう素粉末を各々モル比で３・４・１となるように調合
し、実］ｆＭＩと同様の方法Ｃよりマトリックス構成用
原料のイ尼しようを得た． 次に、このマトリックス構成用原料に対して体積比で８
．１となるように平均ウィスカ−４１０．５μ−、平均
ウィスカー長さ３０μ■の窒化硅素ウィスカーを秤量し
、実施例１と同様にして泥しよう状態とした後、これを
上記マトリックス１ａ成用原料の泥しように加え、ボー
ルミル混合した後、乾燥、真空脱ガス処理し、この実施
例の混合粉末を得た． この混合粉末を第２図に示した円筒衝撃圧縮装置を用い
て衝撃処理した．ここでは円筒状試料容器７として、内
径２０ｍｓ、外径２５−嘗の真ちゅう製バイブを用い、
試料部分の長さは、１００■Ｄとした．また、ＯＩ薬と
してアンホ爆薬を使用し、その厚みを　５〜７５ｍｍと
して成形試験を実施した． 衝撃処理後、試料を回収し、外観観察後、その軸方向の
中央部分より厚さ５Ｉ１−の円板状試料を切り出し、密
度を測定した． また、切削加工試験は、実施例ｌと同じくダイヤモンド
工具を用いて成形体の一端を切削してみて、加工の可、
不可を判断した．この結果は、第４表に示すようであり
、爆薬厚み５■では、まだ緻密化が充分ではなく、強度
も低いものであった． 一方、爆薬厚み７５ｍｍでは、試料に割れが発生してお
り、相対密度は８９％と低いものであった．爆薬厚み１
０〜７５ｉｍで得た戊形体の相対密度は９０％に達し、
切削加工は可能であった． これらの成形体について、円板状に切り出した試料をＩ
ＭＰａのアルゴンガス中１０００℃に１時間加熱し、反
応を着火、開始させ、焼結体を得た． 得られた焼結体のウィスカー以外の構成相は、Ｘ線回折
の結果、炭化ジルコニウム、ほう化ジルコニウム及びア
ルミナよりなっており、焼結体相対密度はほぼ１００％
に達していた．また、Ｋｉｃ値は　７．８　〜８．６Ｍ
ＰａＪ＠であり、１２００℃での高温硬さも１５８０〜
１６６０と高い値を示した． 第４表 ｆ３ＺｒＯ，＋　　４ＡＩ　　＋　　Ｂ．Ｃ）＋　　　
（１０体積ｔｓｈＮａウ［カー）×　割れや気孔発生 ［発明の効果］ 以上のようにこの発明の方法によれば、衝撃圧總により
、セラミックウィスヵーを１０〜５０体積％含有するウ
ィスヵー強化セラミック焼結体の出発原料粉末を相対密
度９０％以上まで比較的容易Ｃ緻密化でき、切削加工可
能な程度の強さをもつ戊形体を得ることができる． この発明の方法においては、ウィスカーを除く残りのマ
トリックス構戊用の原料粉末は自己発熱反応を起こし得
る粉末よりなり、上記街＊ｌＡ理で得られた高密度戒形
体の焼結には、特殊な高温炉等必要なく、その一端での
着火により、マトリックスが高温強度の優れた炭化物、
ほう化物及びアルミナよりｆｌる高温強度の改善された
ウィスカー強化セラミック焼結体を得ることができる． また、この発明によるウィスカー強化セラミック焼結体
の製造方法では、高密度成形体の焼結工程での収縮が極
めて少ないため、焼結後の加工コストを大幅に削減でき
るものであり、その工業的意義は大きい．

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のウィスカー強化セラミック焼結体の
製造方法に通用できる 平面衝撃圧縮装置の実施例を示す縦断 面図、 第２図はこの発明のウィスカー強化セラミック焼結体の
製造方法に適用できる 円筒街車圧縮装置の実施例を示す縦断 面図ある． 平面′ａ馨圧縮装置、 下方部分、 試料容器、 試料室、 モーメンタム・トラップ、 モーメンタム・トラップ、 上方部分、 ．爆薬レンズ、 ．ｉｆ管、 ．爆薬、 ．飛ｍ板、 ．混合粉末、 円筒ｉｆｉ！［圧縮装置、 １　． ２　． ２Ａ． ２Ｂ． ２　Ｃ ２　Ｄ ３　． ３Ａ． ３　Ｂ ３Ｃ． ３Ｄ． ４　． ５ ６　． ６Ａ． ６　８ ６Ｃ． ７　． ７　Ａ ７Ｂ ．爆薬容器、 外円筒、 上方板５ 下方板、 円筒状試料容器、 プラグ プラグ． 第 ２ 図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. １．セラミックウィスカーを１０〜５０体積％含有し、
   残りのマトリックスが周期律表 ４ａ，５ａ，６ａ族金属の炭化物、ほう化物及び炭化ほ
   う素の少なくとも１種と酸化アルミニウム（以下アルミ
   ナと呼ぶ）よりなることを特徴とするウィスカー強化セ
   ラミック焼結体。
2. ２．該セラミックウィスカーがアルミナウィスカー、炭
   化硅素ウィスカー、窒化硅素ウイスカーの少なくとも１
   種よりなる請求項１記載のウィスカー強化セラミック焼
   結体。
3. ３．セラミックウィスカーを１０〜５０体積％含有する
   ウィスカー強化セラミック焼結体を製造する方法におい
   て、セラミックウィスカーに周期律表４ａ，５ａ，６ａ
   族金属の酸化物及び酸化ほう素の酸化物群の中の少なく
   とも１種及び炭素、ほう素、炭化ほう素の非金属群の中
   の少なくとも１種及びアルミニウムを均一に混合し、こ
   の混合粉末を成形型に充填し、該混合粉末を衝撃圧縮す
   ることによ り、相対密度９０％以上（空隙率１０％以 下）の粉末成形体とした後、該粉末成形体の一部または
   全体を加熱することにより、該酸化物一群の中の少なく
   とも１種及び非金属群の中の少なくとも１種及びアルミ
   ニウムの間の発熱反応を着火、進行させながら該粉末成
   形体を焼結させることを特徴とするウィスカー強化セラ
   ミック焼結体の製造方法。
4. ４．該セラミックウィスカーがアルミナウィスカー、炭
   化硅素ウィスカー、窒化硅素ウィスカーの少なくとも１
   種よりなる請求項３記載のウィスカー強化セラミック焼
   結体の製造方法。