JPH04108664A - アルミナ質繊維強化セラミックス及びその製造方法 - 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、ウィスカー等の繊維状物質を含有する繊維強
化セラミックスに関し、詳細には高靭性を有し特に切削
工具や、その他耐摩耗性部品に適したセラミックスおよ
びその製造方法に関する。

（従来技術） アルミナ（Ａ　１２０３　）質焼結体は、耐摩耗性に優
れた材料として各種の産業機械用部品に応用されている
反面、靭性に劣るという欠点を有するために利用分野の
拡大が阻害されている。

そこで従来から靭性を改善するために各種の改良が提案
されている。

その１つの例に、炭化珪素（ＳｉＣ）ウィスカーに代表
される繊維状物質を配合することにより靭性を改善する
ことが特開昭６１−２８６２７１号や特開昭６２−４１
７７６号等にて提案されている。

このようなＳｉＣウィ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。

しかしながら、ＳｉＣは鉄、特に酸化鉄と容易に反応し
やすい性質を有するために、Ａｌ２Ｏ３−３ｉＣウイス
カー系工具は多くの場合、他のＡｌ２Ｏ３を主体とする
工具に比較して摩耗量が多くなる傾向にある。例えば、
５ＩＪＳ３０４を切削した場合、従来のＡＩｚＣｈ系工
具であれば、十分切削可能な条件であってもＳｉＣウィ
スカーを含有する工具では急激に摩耗が進展し切削が不
可能となる問題がある。また、鋳鉄の切削においてもＡ
ｌ２Ｏ３系工具よりも摩耗量が大きいことが確認されて
いる。

このように、Ａ１□０３　　ＳｔＣウィスカー系工具で
は被削材によってその切削性能が大きく変化するという
問題がある。

ところが、最近に至りこのような被削材との反応性を防
止することを目的として、ＳｉＣウィスカーに代わり、
ＳｉＣよりも鉄との反応性が低い炭化チタン（ＴｉＣ）
の繊維状物質（ウィスカー）を添加することが提案され
ている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、従来のＡ１□０３−ＴｉＣウィスカー系
材料は、その特性がいまだ実用的なレヘルまでは至って
いないのが現状である。

通常、アルミナ質焼結体の機械的特性は焼結体中のアル
ミナ結晶粒径に依存することが多く、その粒径が小さい
ほど強度が高いと言われる。

ところが、Ａｌ２Ｏ３−Ｔ　ｉＣ系材料では、焼結時の
アルミナの粒成長が過大なためにアルミナの結晶粒が大
きくなり強度が低くなる傾向にある。

この焼結時のＡｌ２Ｏ２の粒成長が過大である原因とし
て、第１に粒子径が小さく均一なＴｉＣウィスカーの製
造が困難なために、ウィスカーによるアルミナの粒成長
を抑制する効果が小さいこと、第２にＴｉＣウィスカー
の表面の酸化により生成されたＴｉＯ２がＡ１□ｏ３の
粒成長を促進するためと考えられる。

（問題点を解決するための手段） そこで、本発明者等は、ＡｌｚＣｈ　　ＴｉＣウィスカ
ー系における上記の問題点に対して検討を重ねた結果、
原料として用いるＡ　Ｉ　ｚ　Ｏ３粉末を製造工程中に
乾式粉砕して活性化してＡ　ｌ　ｚ　Ｏ３の焼結性を高
め、この活性化されたＡ１．Ｃｈ粉末にウィスカーを添
加し、比較的低温で焼成することによりアルミナの粒成
長が抑制され焼結体の特性を大きく向上できることを知
見した。

即ち、本発明は、乾式粉砕により活性化されたアルミナ
粉末にチタンの炭化物、窒化物および炭窒化物から選ば
れるいずれかのウィスカーを５〜７０体積％の割合で添
加した混合物を成形、焼成することを特徴とするもので
、これによりＡ１□０２の平均結晶粒径を３μ履以下に
制御した微細な構造からなるアルミナ質繊維強化セラミ
ックスを得ることを特徴とするものである。

以下、本発明を詳述する。

本発明において用いられるアルミナ粉末は、純度９９％
、特に９９．５％以上で、平均粒径が３μｍ以下である
ことが望まれるが、本発明によれば、このアルミナ粉末
は焼結体の製造過程において活性化処理されることが重
要である。この活性化処理は乾式で粉砕処理することに
より行うことができ、具体的には回転ミル、振動ミル、
ジェットミル、アトリソジョンミル等の常法が用いられ
るが高能率の粉砕を行うほど活性化の効果が高い。なお
、この粉砕処理はアルミナ粉末単独、あるいはその他の
添加物とともに行うこともできる。このような活性化処
理によりアルミナ粉末自体の焼結性を高めることができ
る。

一方、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物から選ばれるい
ずれかのウィスカーは、それ自体、単結晶あるいは多結
晶質からなるもので、その平均粒径は１０μｍ以下、特
に０．５〜２．０μｍであることが好ましい。これは、
ウィスカーの平均径が１０μｍを越えると、太いウィス
カーを起点として破壊が進行し、焼結体の強度が著しく
低下し、製造工程上もウィスカーをマトリックス中に均
一に混合することが難しくなり、強度、靭性ともバラツ
キが生じやすく、また切削工具として用いた際に逃げ面
の境界摩耗が大きくなるためである。

一方、ウィスカーの長径／短径で表されるアスペクト比
は、その値が小さすぎると繊維強化の効果が小さくなる
ために高い靭性が得られにくく、逆に大きすぎても原料
としての取扱が難しく、均−ｌ二分散することができな
いために高い靭性を得ることが難しくなる。よって、ウ
ィスカーとしては平均アスペクト比が３〜１００、特に
１０〜３０のものが好適に使用される。

また、このＴｉ系ウィスカー中に不純物的に酸素が含ま
れるが、この酸素量は３重量％以下であることが望まし
い。この酸素量は多いほど焼結性が向上するが、この酸
素の存在によりアルミナの粒成長が促進されるために焼
結体の硬度および焼結性は低下する。望ましい酸素量は
焼結体に求める特性により異なるが、高い破壊靭性を望
む場合には０〜０．３重量％がよく、高い硬度を望む場
合には０．２〜２重量％、製造の容易性を望む場合には
２〜３重量％がよい。なお、強度、硬度、靭性の全体的
バランスを考慮すると酸素量は０．１〜１゜５重量％が
良い。また、切削工具用としては０．０５〜０．２重量
％が適している。

このようなＴｉ系ウィスカーは、例えば酸化チタンウィ
スカーを炭化、あるいは窒化処理したり、ＣＶＤ法によ
り合成することができる。

このウィスカーは、アルミナを主成分とするマトリック
ス成分中に全量中５〜７０体積％、特に２５〜５０体積
％になるように分散含有させる。

ウィスカーの量を上記の範囲に設定したのは、ウィスカ
ー量が５体積％未満では、ウィスカー添加による靭性向
上効果が小さく、７０体積％を越えると系全体の焼結性
が低下するからである。なお、機械的特性および焼結の
容易性を考慮すれば、ウィスカーの添加量は２５〜４５
体積％がよく、最適には３０〜４０体積％がよい。

また本発明によれば、この系に対し焼結助剤としてＭｇ
５Ｙ、希土類元素、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒから選ばれる少な
くとも１種以上の酸化物を添加することにより、特にマ
トリックス成分の焼結性を高め、特性の向上を図ること
ができる。しかしこの助剤量が多すぎると焼結体の靭性
が低下する。

よってこれらの焼結助剤は、全量中０．１〜３重量％、
特に０．５〜２重量％の割合で添加するのがよい。なお
、ここで用いられる希土類元素としてはＹｂ、Ｎｄ、Ｅ
ｒ、Ｃｅ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｄｙ等が挙げられる。

本発明の繊維強化セラミックスを製造するには、まずア
ルミナ粉末、必要に応じて上述の焼結助剤とともに前述
したように乾式粉砕を行いアルミナ粉末の活性化処理し
、その後ウィスカーを混合し、所望の成形手段、金型ブ
レス、押し出し成形、射出成形、冷間静水圧成形等によ
って成形後、焼成する。

焼成は、普通焼成、ホットプレス法、熱間静水圧焼成法
等が適用され、１６５０℃〜１８５０°Ｃの温度でＡｒ
や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中で
０．５〜６時間行う。特に高密度の焼結体を得るために
は、普通焼成あるいはホットプレス法によって対理論密
度比９６％以上の焼結体を作成し、この焼結体をさらに
熱間静水圧焼成すればよい。

この焼成によれば、アルミナ粉末が活性化処理されたこ
とによりアルミナ自体の焼結性が向上することに起因し
てその焼成温度を通常よりも五十〜１００℃程度低温で
焼成することができる。よって最終的に得られる焼結体
中のアルミナ結晶粒子を小さく制御することができる。

このようにして得られる焼結体は、その特性上アルミナ
の平均結晶粒径を３μ環以下、特に１．５μｍ以下とな
るように制御することが重要で、これにより焼結体の特
性、特に抗折強度を大きく向上することができ、具体的
には後述する実施例がら３点曲げ抗折強度において７０
ｋｇ／ｍｍ２以上が達成される。なお、焼結体中のウィ
スカー０粒径は原料の粒径からほとんど変化しないため
に１０１！ｍ以下のレベルで残存する。

（作用） 本発明によれば、アルミナ粉末自体を乾式粉砕すると粉
末同士の接触、衝突によりエネルギーが粉末に蓄積され
、粉末の活性化が図られる。この粉末を用いて焼成する
と、焼成温度を比較的低温に設定することができ、これ
によりＡ　ｌ　ｚ　Ｏ３の焼結時にアルミナの粒成長が
抑制されつつ焼結が進行するために、ウィスカーによる
粒成長抑制効果が認められない場合にも最終焼結体にお
けるＡｈＯ３の結晶粒子径を小さくすることができる。

このように本発明によれば焼結体中でのＡｌｚＯ：＋の
結晶粒径を細かく制御できることから、ウィスカー添加
による靭性向上効果を阻害することなく、焼結体の抗折
強度および靭性を高めることができる。

以下、本発明を次の例で説明する。

（実施例） 平均粒径１μ厘以下、純度９９．９％以上のＡ１□０３
粉末と、必要に応じ第１表の焼結助剤粉末を秤量後、回
転ミル、振動ミル、アトリツションミル、ジェットミル
のいずれかを用いて１２時時間式粉砕した。この混合粉
末に平均粒径（短径）１μ臘、アスペクト比が１０〜３
０で酸素量が０．３重量％のＴｉＣウィスカーを所定量
添加し、ナイロンポット中にナイロンボールとともに密
封し、回転ミルで１２時間混合した。混合後のスラリー
を乾燥してホントブレス用原料とした。

この原料をカーボン型に充填し、所定の温度で１時間、
３００ｋｇ／ｃｍ２の圧力でホットプレス焼成してＪＩ
Ｓ規格に基づく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、ピンカ
ース硬度、また鏡面にポリッシング加工し１Ｍ法で靭性
（Ｋ＋ｃ）を測定した。

また、顕微鏡写真から組織観察しアルミナの平均結晶粒
径を測定した。

結果は、第１表に示す。

また、ＴｉＣウィスカーの代わりに酸素含有量０、３重
量％、平均粒径（短径）１．５μ臘、アスペクト比２０
のＴｉＮウィスカーおよびＴ１ＣＮウィスカーを用いる
以外は上記と全く同様にして試料を作成し、同様に特性
の測定を行い、結果は第１表に示した。

υχ下系ら） 第１表によれば、アルミナ粉末に対して湿式混合を行っ
た試料Ｎα１では、焼成温度は１８５０°Ｃと高温に設
定する必要があり、しかも焼結体のアルミナの粒成長に
よりその粒径は５μｍと大きくなった。そのために抗折
強度が３５ｋｇ／ｍｍ２と低い。

これに対して、本発明に基づき乾式粉砕を施した本発明
の試料はいずれも焼成温度を１６００°Ｃ〜１８５０°
Ｃの低温で焼成可能で、これによりアルミナ結晶粒子の
平均粒径が３μｍ以下と微細な組織を有し、且つ抗折強
度７０ｋｇ／ｍｍ”以上の焼結体が得られ、さらに靭性
については４．ＯＭｐａ、ｍＩ／２以上、ビッカース硬
度１７５０ｋｇ／　ｍ　ｍ　”以上が達成された。

また、ウィスカー無添加の試料Ｎα９では、乾式粉砕を
施すことにより抗折強度は高くなるが靭性の向上が全く
望めない。さらにウィスカーの添加量が７０体積％を越
える試料Ｎｏ、　１５では焼結性が大きく低下し、各特
性の測定ができなかった。

（発明の効果） 以上詳述した通り、本発明のＡｌ２Ｏ：ｌ　　Ｔ　ｉ　
Ｃウィスカー系セラミンクスは、アルミナ粉末に活性化
処理を施すことにより焼結体中のＡｌ２Ｏ３結晶粒径を
小さく制御することができ、これによりそれまでのＡ１
２０３−３ｉＣウイスカー系に比較して酸化鉄との反応
性が低減されるという効果を維持しつつ、その靭性、耐
摩耗性ならびに強度をさらに向上することができるため
に、あらゆる被削材に対応しうる工具用材料として、あ
るいはその他の機械部品として繊維強化セラミックスの
用途を拡大することができる。

特許出願人（６６３）京セラ株式会社

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）アルミナを主成分とするマトリックス中にチタン
   の炭化物、窒化物および炭窒化物から選ばれるいずれか
   のウイスカーを５〜７０体積％の割合で含有してなるア
   ルミナ質繊維強化セラミックスにおいて、前記アルミナ
   の平均結晶粒径が３μｍ以下であり、且つ抗折強度が７
   ０ｋｇ／ｍｍ＾２以上であることを特徴とするアルミナ
   質繊維強化セラミックス。
2. （２）乾式粉砕により活性化された平均粒径３μｍ以下
   のアルミナ粉末にチタンの炭化物、窒化物および炭窒化
   物のウイスカーを５〜７０体積％の割合で添加した混合
   物を成形、焼成することを特徴とするアルミナ質繊維強
   化セラミックスの製造方法。