JPH03290355A - Ａｌ↓２Ｏ↓３―ＷＣ系高強度・高靭性焼結体 - 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 本発明は高硬度、高強度、高靭性でかつ熱伝導性に優れ
たｕ、ｏ３−ｗｃ系高強度・高靭性焼結体に関するもの
である。

従来の技術 ！’ｊ１２０３は高硬度で耐摩耗性に優れ、またセラミ
ックス材料の中では比較的安価なため、広く摺動耐摩耗
部材として使用されている。

また、Ｍ、０３系セラミツクスの焼結性向上、粒成長抑
制を目的として、ＫｇＯ、ＣａＯ等の焼結助剤を添加し
た焼結体、あるいは靭性向上を目的としてＺｒ０７を添
加した複合焼結体は、一般に白色セラミックスとして知
られ、切削工具チップ（スローアウェイチップ）をはじ
め、種々の工具材料として用いられている。

また、紋２０３セラミックスの強度、靭性さらに硬さ、
熱伝導率を改善するために、ＴｉＣあるいはＴｉ（Ｃ：
Ｎ）を添加した複合焼結体は、いわゆる黒色セラミック
スとして知られ、鋳鉄、鋼等の切削工具チップ、その他
工具材料等に実用化されている。

これらセラミックス工具は、従来の工具鋼、ハイス鋼、
ＷＣ−Ｃｏ系超硬合金、あるいはＴｉＣ（ＴａＣ）　−
Ｎ＋／Ｍａ系サーメーすトとは異なり、金属相を含まな
いため、硬さ、耐熱性に優れ、また被削金属との反応性
も乏しいので、例えば切削工具チップでは、高速加工、
高温加工などの条件の厳しい加工に適している。

このようにセラミ−２クス工具は負荷の大きな条件で使
用されることが多いため、工具寿命向上を目的として材
料の高硬度化、高強度化、高靭化、さらに工具に発生す
る熱を有効に発散させるために熱伝導率のさらなる改善
が望まれている。

Ｍ２Ｏ３セラミックスの特性を向上させるため、ＴｉＣ
、Ｔｉ（ＣＭ）を添加した黒色セラミックス以外に１例
えば特開昭５２−３０８１２号公報では、４８重量％以
下のＡｌ１２０３にＴｉＢ２、ＺｒＢ２及びＨｆＢ２よ
り選ばれた耐火性ニー化物を５〜５０重量％、Ｖ　、　
Ｗｂ、　Ｔａ。

Ｃｒ、　Ｎｏ等のニー化物を２０重量％以下、■族、Ｖ
族、■族耐天性遷移金属の炭化物又は炭窒化物を３５重
量％、さらに３重量％以下のＮｇＯを添加することを開
示している。

ＴｉＢ２、ＺｒＢ２、Ｈｆ１ｈ等の耐熱遷移金属のニー
化物は高融点、高硬度という特性を有し、Ｍ２Ｏ３セラ
ミックスの特性改善には有効である。しかしながら強度
及び靭性の点に関しては、未だ改善の余地がある。

一方、ｌ１ｌＣは、高硬度でありまた被削材との反応性
にも乏しく、工具材として優れた特性を宥しているが、
一方で単体では強度・靭性に劣るという欠点も併せ持っ
ている。そこでＷＣに５〜２０重量％の金属ｃｏを結合
相として加え、サーメット化した、いわゆる超硬合金と
して広く実用化されてきた。

しかしながら、このようなＷＣ−Ｃｏ系硬合金において
は、ＷＣ単体とくらべて強度・靭性は飛躍的に改善され
るものの、前述した様に結合金属相としてのＧｏを多量
に含むため硬さ、耐熱性、さらには被削材との低反応性
といった特性を著しく劣化させてしまう問題点を有して
いた。

発明が解決しようとする課題 Ｍ　２０　ｓ及びｌｌＩＣは、高硬度でかつ被削材との
反応性にも乏しいという特徴を有しているものの、共に
単体では強度及び靭性が低いという欠点を有していた。

本発明の目的は、Ｍ２Ｏ３とｌ１ｌＣとを複合化するこ
とにより、硬さ、被削材との低反応性という特徴を失う
ことなく強度、靭性を向上させ、ざらにＡｌ２Ｏ３の熱
伝導率を改良することにある。

課題を解決するための手段 本発明は賀Ｃが１０〜９０容量％で残部が実質Ａｌ２Ｏ
３より成る相対密度が９０％以上の高密度かつ高強度・
高靭性なＭ２Ｏ３−ｗｃ系焼結体に関するものである。

すなわち、本発明はｗＣが１０〜９０容量％で残部が実
質Ｍ２Ｏ３より威る混合粉末を成形・焼結して得られた
密度が理論値の９０％以上であることを特徴とするＡｌ
２Ｏ，−’ｄＣ系高強度・高靭性焼結体に関するもので
ある。

以下に本発明の内容について詳細に説明する。

本発明のＡｌ１２０．−ｗｃ複合焼結体中においては、
高硬度のＭ２Ｏ３粒子と、同じ〈高硬度のＷＣ粒子とが
互いに分散した構造を威しており、他に低硬度な第３相
を右さないため高硬度という特徴は失われない、また、
複合体中において、いわゆる粒子分散効果等により破壊
源からのクラ−２りの進展は偏向、湾曲し、強度及び靭
性が向上している。

さらにＭ２Ｏ３中に−Ｃを、また逆にｗＣ中にＭ、０３
を添加することにより、互いに焼結体中で粒成長を抑制
するために複合体中での構成相は微細化し１強度の向上
に寄与している。また、Ａｌ１２０３にくらべＷＣは熱
伝導率が高いためＭ２Ｏ３にｗＣを添加することにより
本発明のＮ１２０３−Ｗｅ焼結体の熱伝導車も向上する
。

本発明の焼結体で貿ＣがｌＯ〜８０容量％であるのはＷ
Ｃが１０容量％未満では複合化量が少ないためＭ２Ｏ３
セラミックスの強度・靭性・熱伝導率の向上は小さく、
また同様に％ｌｌＣが８０容量％を超えると−Ｃに対す
るＭ２Ｏ３の複合化量が小くて粒子分散の効果が小さく
なり、強度ｅ靭性の向上も期待できないからである。

本発明において、焼結方法としては常圧焼結法、ホット
プレス焼結法、熱間静水圧加圧（ＨＩＰ）焼結法等既知
の焼結法のいずれも用いることができる。

また本発明において、使用するＭ２Ｏ３粉体としては、
通常はα型Ｍ２Ｏ３であるが、その化β型、γ型等の結
晶でも差支えない、さらに非晶質のＡｌ２Ｏ３、あるい
は加熱中にα−Ａｌ２Ｏ３を生成するＭ（ＯＨ）３．　
Ａ１００Ｈ等でもよい。

またＭ２Ｏ３粒体の粒径として、通常は焼結性の優れる
１０ｐｍ以下のものが好ましく、ＩＩＬｍ以下（サブミ
クロン）の微細なものはさらに望ましい。

Ｍ、０３と複合化するＷＣ粉体も通常は焼結性の優れる
１０ｇ、ｍ以下のものが好ましく、ＩＩＬｍ以下（サブ
ミクロン）の微細なものはさらに望ましい。

以上のようにＭ　２０３にｌＯ〜８０容量％の範囲で−
Ｃを添加した混合材料を酸形・焼結することによって高
密度で高硬度、高強度、高靭性かつ熱伝導性にも優れた
Ｍ２Ｏ３ＷＣ系複合焼結体が製造可能となる。

本発明のような複合セラミックスの理論密度を正確に決
定することは容易ではなく、また一般に焼結体の密度と
しては高い方が好ましいが、少なくとも密度が理論値の
９０％以上の焼結体でなければ前述の好ましい特性は損
われ、望ましいものではない。

作用 本発明における焼結体は、ＷＣが１０〜９０容量％で残
部が実質Ｍ２Ｏ３より成り、焼結体中で高硬度のＷＣ粒
子とＡＱ２０３粒子とが分散した構造を有しているため
、ｌ）高硬度であり、２）粒子分散効果により靭性が向
上し、３）靭性向上に伴って強度も改善され、４）良熱
伝導性のＷＣの添加によりＡｌ２Ｏ３の熱伝導率を改善
する作用を威している。

以下実施例を挙げて説明する。

実施例 実施例１〜７ α型Ｍ２Ｏ３粉末（平均粒径０．２ｇｍ、純度９９．９
９％以上）に実施例１〜７に示す容量比で１ｌｌＣ粉末
（平均粒径１．ＯＩＬｍ、純度９９％以上）を添加し、
ボールミルを用いて充分混合した後、１７００℃の温度
で２時間、アルゴン不活性雰囲気中で、　４００ｋｇｆ
／ｃｍ２の圧力でホットプレス焼結を行った。

焼結体はＪＩＳ　Ｒ１８０１に準拠し、３ｍｍＸ４ｓｍ
Ｘ３８０鳳の試験片に加工し、アルキメデス法により密
度を測定した後、室温で三点曲げ試験を行った。焼結体
の靭性としては、予き裂導入法（Ｓ　Ｅ　ＰＨ法）を用
いて、破壊靭性値；Ｋｘｃを測定した。また、硬さの評
価として、ビッカース硬さを荷重１ｋｇｆ　、保持時間
１５秒で測定した。さらに、熱伝導率についてはレーザ
ーフラッシュ法を用いて測定した。

第１表中、実施例１〜７に各組成について得られた焼結
体の相対密度（理論値に対して百分率で示す）、曲げ強
さ、破壊靭性値、硬さ及び熱伝導率を示す。

また同第１表中、比較例１〜３には１ｌｌＣを添加しな
いＵ２Ｏ５単体を１３５０．１５００及び１７００℃の
各温度でホットプレスした焼結体について、また比較例
４〜６には逆に般、０３を添加しないＷＣ単体を１５０
０．１７００及び１８００℃でホットプレスした焼結体
について同様にその特性を示している。

さらに比較例７及び８にはそれぞれＭ２Ｏ３にＷＣを５
及び９５容量％添加した混合粉体を１７００℃でホット
プレス焼結した場合についても同様にその特性を示して
いる。尚、比較例３　（Ａｉ２０３単体、１７００℃で
ホットプレス）及び比較例６　（ｗｃ単体、１９００℃
でホットプレス）では焼結体中で粒成長が著しく、テス
トピースの加工が不可能であり、従って各特性の測定は
できなかった。

実施例１〜７及び比較例１〜６より、種々の温度でホッ
トプレスしたＭ２Ｏ３単体、ＷＣ単体にくらべ、その両
者を複合化した本発明のｕ、ｏ３−ｗｅ系複合焼結体は
、曲げ強さ、破壊靭性値等において、特性が著しく改善
されていることが明らかである。

また比較例７．８及び実施例１〜７より、Ｍ２Ｏ３に添
加するｗＣの量としてはｌＯ〜８０容量％が特性の改良
の見地から適当であることがわかる。

また、Ｘ線回折の結果から実施例１〜７の焼結体からａ
−Ｍ２Ｏ３とＷｅ　（ｈｅｘａｇｏｎａｌ相）のピーク
が観察され、焼結体はα−Ａｌ　２０３と賀Ｃ粒の分散
した構造より成ることがわかった。

実施例８〜ｌＯ 実施例１〜７で用いたと同様の平均粒径０．２井ｍ、純
度９９．８！３％以上のα型Ｍ２Ｏ３粉末に７０容量％
のＷＣ粉末（平均粒径１．Ｏｇｍ、純度９９％以上）を
添加し、ボールミルを用いて充分、粉体を混合後、１６
００〜１９００℃の温度で２時間、アルゴンガス中で４
００ｋｇｆ／ｃｍ’の圧力でホットプレス焼結した。

得られた焼結体について、実施例１〜７と同様にその相
対密度、曲げ強さ及び破Ｉｓ靭性値について測定し、第
２表中に結果をまとめている。

また比較例９として、実施例８〜１０と全く同じ混合粉
体を１５００℃でホットプレスした場合についても、そ
の特性を第２表に示している。

また比較例９と実施例３及び８〜１０より、ホットプレ
ス条件が適切で、９０％以上の相対密度を有する焼結体
は、曲げ強さと破壊靭性値において優れた特性を示して
いるのに対し、相対密度が８０％を下回る焼結体では著
しく特性が低下することが明らかである。

実施例Ｕ 本発明のＭ２Ｏ３−ｗｃ系複合体の優位性を明らかにす
るため、Ａ１２０３−ＴｉＣ、Ｍ２Ｏ３−ＴｉＢ２等の
黒色セラミックスとの特性の比較を行った。

実施例１〜１０で用いたと同様のα−Ｍ２０３粉末に３
０容量％のＷＣ（実施例１−１０と同じ）粉末を添加し
、さらに比較用として、α−Ａ１２０３に３０容量％の
ＴｉＣ（平均粒径１．２　ｐ−ｍ、純度９９％以上）、
ＴｉＢ２　（平均粒径２〜３１Ｌｍ、純度８８％以上）
、及びＺｒＢ２（平均粒径３ＪＬｍ、純度９８％以上）
粉末を各々添加した。

混合粉末をボールミルにより、充分混練した後、１７５
０℃で２時間ホットプレス焼結し、得られた焼結体につ
いて、密度、曲げ強さ及び破壊靭性値を測定した。

第３表に実施例１１と比較例１０−１２として、その結
果を示している。

実施例１１と比較例１０〜１２より、Ｍ２Ｏ３にＴｉｅ
、ＴｉＢ２あるいはＺｒＢ２を添加するよりも本発明の
ようにＷＣを添加する方がより高強度・高靭性な焼結体
が得られることが明らかである。

実施例１２〜１３ 本発明のＡｌＡｌ１２ｏ３−系焼結体について、常圧焼
結の適応性について検討した。

実施例８〜ｌＯと同様にα型Ｍ２Ｏ３粉末に７０容量％
のＷＣ粉末を添加し、ボールミルを用いて充分混合した
後、５０Ｘ　５ｈａの金型を用いて１００ｋｇｆ／ｃ層
２の圧力で一軸加圧成形した。その後成形体を７０００
ｋｇｆ／ｃｍ２（７）圧力でｃＩＰ（冷間静水圧プレス
）ｒｆｔ。

形し、アルゴン気流中、１８００及び１８５０℃の温度
で１時間常圧焼成した。

この時、サンプル中ＡＱ　２０３相の分解・気化を防止
するため、成形体はＡｎ　２０３粉体（詰め粉）中に埋
めて焼成に供した。

得られた焼結体について実施例８〜ｌＯと同様に密度、
曲げ強さ、及び破壊靭性値を測定し、その結果を第４表
中実施例１２、工３に示している。

実施例１２．１３と比較例１〜６より、本発明のＭ２Ｏ
３ＷＣ系複合焼結体は常圧焼結によっても十分緻密化し
、またその特性もホットプレスで作製したＭ２Ｏ３単体
、貿Ｃ単体よりも優れていることが明らかである。

また実施例３と実施例１２．１３を比較しても、常圧焼
結したＡｌ２Ｏ３７０容量％ＷＣ複合体は密度、曲げ強
さにおいてはホットプレス法で作製した場合には及ばな
いものの、破壊靭性値においては逆にホットプレス材の
特性を凌いでいることがわかる。

茎 実施例８ ３ Ｏ 比較例９ 第 第 表 表 発明の効果 本発明のように、ＭＬ２０３に’ｄＣを複合化すること
により、高密度で機械的性質に優れるＡｌ１２０３−Ｉ
ｄＣ系複合焼結体が得られる。

本発明のＭ２Ｏ５−ＷＣ系高密度焼結体は、Ｍ２Ｏ３セ
ラミックスの強度、靭性及び熱伝導率等の特性を著しく
向上させており、Ａ９！２０３基セラミックス工具の寿
命をより一層延ばすことが可能である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　ＷＣが１０〜９０容量％で残部が実質Ａｌ＿２Ｏ＿３
   より成る、密度が理論値の９０％以上である高強度・高
   靭性なＡｌ＿２Ｏ＿３−ＷＣ系焼結体。