JPH04132658A - セラミック焼結体およびそのの製法 - 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、酸化アルミニウムあるいは硼酸アルミニウム
を主成分とするセラミックスに関し、より詳細には耐摩
耗性および靭性に優れた耐摩耗材料および切削工具用材
料として適したセラミックス焼結体およびその製造方法
に関する。

（従来技術及びその問題点） 酸化アルミニウム（Ａ　Ｉ　２０３　）質焼結体をはじ
めとするセラミック材料は、従来から金属材料などに比
較して耐摩耗性等の機械的特性に優れていることから金
属材料に代わる材料として各種の構造用部品として使用
されている。また、Ａ　ｌ　２０　］質焼結体に対して
も他のセラミックスと複合化することにより各種の改善
が提案されている。

しかしながら、最近に至ってはセラミックスに対しさら
に高い特性が要求されており、特に靭性を高めることが
要求されている。

一方、Ａ　ｌ　２０　：１質焼結体に耐摩耗性や高温特
性の改善を求める要求もあるが、この要求に対してはセ
ラミックスの中でも特に耐摩耗性に優れた材料として知
られる硼化チタンや硼化ジルコニウムなどの硼化物をＡ
１□０３に添加する等、各種の研究開発が盛んに行われ
ている。

なお、硼化物を主体とするセラミックスは高い硬度を有
する反面、強度や靭性が低くその応用分野が限られでい
る。

（発明が解決しようとする問題点） そこで、本発明者等は先に、硼化アルミニウムに対して
酸化アルミニウム粉末あるいはうイスカーおよび硼酸ア
ルミニウムウィスカーを特定の割合で混合し、焼成する
ごとにより、酸化アルミニウムウィスカーを焼結体中に
残存せしめることによって高い硬度を維持しつつ、高い
靭性を有する特異的な材料が得られることを知見した（
特願平１−３１２７３５号）。

しかし、原料に硼酸アルミニウムウィスカーを混合する
と、原料中のウィスカーが相互に絡まり、原料の成形性
が著しく低下する問題があった。また、最近ではウィス
カーの人体に与える影響が問題となっており、製造工程
の防塵対策を厳重に行う必要が生じている。これらは何
れも具体的に製品を製造するうえで大きな問題となって
いた。

（問題点を解決するための手段） そこで、本発明者等はこれらの問題に対しさらに検討を
加えたところ、硼化アルミニウム、酸化アルミニウムお
よび硼酸アルミニウムの粉末を混合した成形体に対して
特定の焼成条件を選定することにより原料中にウィスカ
ーを添加しなくても、焼結体中にアルミニウム、硼素お
よび酸素より成る化合物の針状粒子が生成されることを
知見した。

即ち、本発明は酸化アルミニウム粉末、硼化アルミニウ
ム粉末、硼酸アルミニウム粉末を特定の量比で、また場
合により炭素粉末あるいは周期律表第１１１ａ族元素酸
化物を特定の割合で混合した成形体を焼成し、アルミニ
ウム、硼素および酸素よりなるアスペクト比１．５以上
の針状粒子を生成せしめることによって高い硬度を維持
しつつ、高い靭性を有する特異的な材料を得ることを特
徴とするもので、さらに焼結体としては、全量中にアル
ミニウムが３０〜４５重量％、硼素が３．０〜５０重量
％の割合で含まれる焼結体であって、前記焼結体中に少
なくともアルミニウム、硼素、酸素よりなるアスペクト
比が１．５以上の針状粒子が存在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。

本発明のセラミック焼結体の製造方法は次に詳述する原
料の調製、成形、焼成の工程により構成される。

（原料の調製） 出発原料としては酸化アルミニウム粉末、硼化アルミニ
ウム４５）末及び硼酸アルミニウド粉末を用いる。

酸化アルミニウム粉末は平均粒径３μｍ以下、特にｌｌ
ｔｍ以下の微細なわｊ子を用いるのが望ましく、硼化ア
ルミニウム粉末は平均粒径２００メツシユ以下、望まし
くは３μｍ以下、Ｈ適には１μｍ以十−の粉末がよい。

硼化アルミニウムは一般に化学式ＡｌＢ１□、ＡｌＢ２
の存在が認められているが本発明ではいずれも用いるこ
とができ、またＪｌ−化学量論組成の硼化アルミニウム
であってもよく、またこれらの混合物であってもよい。

現在市販されているＡｌＢ１２は部分的にＡＩＢｌｏを
含んでいるものもあるがその場合も問題は生じない。

しかし、ＡＩＢｚはＡ　Ｉ　Ｂ　＋。よりも不安定で混
合中に酸化や発熱がおこるのでＡｌＢ１２を使用するこ
とが望ましい。また、必要に応し硼素粉末を添加して焼
結体中の硼素量の調整を行うこともできる。

方、硼酸アルミニウム粉末としては９Ａ＋、。

０３・２　Ｂ２Ｏ３（ＡＩ＋ａＢ４０３：＋）または２
ＡＩ２０３　　・Ｂ２Ｏ３（ＡＩ４Ｂ２０９）の化学式
を有するものが用いられる。なお、これらの粉末は平均
粒径２μｍ以下、特にＯ０２乃至０．７μｍであるもの
が好適に用いられる。ごれは、平均粒径が２μｍ以下で
は焼結時の粒成長が過大にならず、高い抗折強度を維持
できるからであり、２μｍより大きいと焼結時の結晶粒
子の粒成長が著しく、粒子径のコントロールが難しくな
り、靭性にばらつきが生し、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傾向にあるためであ
る。

上述の各原料粉末は、酸化アルミニウム、硼化アルミニ
ラｌ１、硼酸アルミニウムの３元図を示す第１図中の点
Ａ−Ｂ　−Ｃ−Ｄ　−Ｅ　−Ｆ　−Ａの線分で囲まれる
範囲内で調合することが重要である。

なお、各点における組成は、重量比率で酸化アルミニウ
ム量をＸ、硼化アルミニウム量をｙ、硼酸アルミニウム
品をｌとし、各点を（ｘ、　ｙ、　ｚ　）で表した時、
Ａ　（９０，１０，０）　、Ｂ　（９０，０，１０）、
Ｃ（２００８０）、Ｄ　Ｃ０，１０，９０）　、Ｅ（０
，６０４０）　、Ｆ　（４０，６０，０）である。

なお、混合割合を上記の範囲に設定したのは、線分ＡＢ
より酸化アルミニウムが多いと焼結体の靭性が低下し、
所望の特性が得られないからである。またさらに線分Ｃ
Ｄより硼酸アルミニウムが多いと、焼結体の硬度が低下
するからである。線分ＥＦより硼化アルミニウムが多い
と緻密な焼結体を得るために必要な焼成温度が高くなり
、剣状粒子を生成させることが難しくなる。

なお、硼化アルミニウム、硼酸アルミニウムおよび酸化
アルミニウムの配合比は、第１図中ＡＢＣＤＥＦＡの線
分で囲まれる範囲内で任意に設定できるが、さらに好ま
しくは第１図中Ｃ；　ＨＩ　Ｊ　Ｇの線分で囲まれる範
囲内で調合するのがよい。なお、この各点はＧ　（８０
１０，１０）　、Ｈ（１０，１０，８０）、１　　（１
０，５０，４０）　、Ｊ　（４０，５０，１０）である
。

また、本発明によれば、上記混合粉末に対して焼結性を
高めることを目的として、周期律表第１ＩＩａ族元素酸
化物を酸化物換算で０．１乃至８重量％、特に０．３乃
至５重量％の割合で、さらに焼結体の粒成長を抑制し強
度を向上させることを目的として炭素粉末を２重量％以
下の割合で混合するごとができる。

１−記添加物の量を限定したのは、上記酸化物量が０．
１重量％未満では焼結を充分に向トさ・口るには不十分
であり、８重量％を越えると焼結体中にボイドが発生し
望ましくない。なお、周期律表第１１１ａ族元素として
は特にＹｂ、Ｎｄ、Ｅｒ、Ｃｅ、ＳｍＸＹ、Ｇｄ、Ｄｙ
およびＬａが挙げられ、特に、Ｄｙ、Ｙ、Ｎｄの添加が
効果的である。

また炭素粉末はその添加量が２重量％を越えると焼結体
中にボイドが残存し強度が低下する。

（成形） 次に、前記硼化アルミニウム粉末、酸化アルミニウム粉
末および硼酸アルミニウム粉末、場合により炭素粉末や
焼結助剤を所定の割合で混合後、周知の成形手段で所望
の形状に成形する。成形手段としては例えばプレス成形
、押し出し成形、射出成形、鋳込み成形、冷間静水圧成
形等が採用される。なお成形に際し、成形性を向上さゼ
るため公知のバインダーや分散剤を用いてもよい。これ
らの成形体を所望により真空中もしくは窒素ガスもしく
はアルゴンガス等の不活性ガス中でバインダー除去した
のち焼成を行う。

（焼成） 焼成は、後述する温度条件でＡｒ、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行えばよい。焼成手段と
しては、常圧焼成、ホットプレス法および熱間静水圧焼
成法（ＨＩＰ法）等が適用され、特に高密度の焼結体を
得るために、普通焼成、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た後、さらに１００
気圧以上の高圧下で熱間静水圧焼成すればよい。

焼成時の最高保持温度は１３００乃至１９００°Ｃが適
当であるが、最適には１５００乃至１７５０°Ｃの範囲
がよい。

本発明によれば、この焼成により焼結体中に硼素、酸素
およびアルミニウムからなるウィスカーを生成させるこ
とを特徴とするが、ウィスカーの生成を促すためには、
１０００°Ｃから最高保持温度の間で、少なくとも１回
、昇温中もしくは冷却中に２５°Ｃ／分以下の昇温速度
もしくは冷却速度とする部分を設定するか、もしくは１
０００°Ｃから最高保持温度までの温度において昇温中
もしくは冷却中に５分以上の中間保持を少なくとも１回
行う。このような操作によれば、原料中の硼化アルミニ
ウムはその一部または全部がアルミニウムと硼素に分離
し、アルミニウムは系中の酸素と反応して新たに硼酸ア
ルミニウムや酸化アルミニウムを生成する。新たに生成
した硼酸アルミニウムや添加した硼酸アルミニウムは前
述した条件での昇温過程あるいは冷却過程において針状
に成長しウィスカーが生成されるのである。

上記の製造方法によって得られる焼結体は、構成元素と
してはアルミニウム、硼素、酸素、場合により炭素、周
期律表第ｍａ族元素からなるが、結晶構造としては、酸
化アルミニウムあるいは硼酸アルミニウム結晶相を主体
とするもので、この結晶相聞にアルミニウム、硼素、酸
素からなる針状粒子が分散しており、さらに酸化硼素或
いは硼酸アルミニウムまたはそれらによって生したガラ
ス状物質などが結晶相の粒界に存在する複雑な複合体で
ある。

本発明によれば、焼結体としての特性上アルミニウムお
よび硼素の最適な割合について検討したところ、アルミ
ニウムが全量中３０〜４５重景％、重量３５〜４０重量
％、硼素が３．０〜５０重量％、特に２０〜４０重量％
の割合で存在する焼結体が優れた特性を示し、さらに炭
素を含む場合には２重足％以下、周期律表第［［１ａ族
元素を含む場合にはその酸化物換算量が０．２〜８重量
％以下であることがよい。

即ち、アルミニウムの量カ月０重量％を下回ると、硬度
及び靭性が低下し、構造材料として使用できなくなり、
５０重量％を越えると硬度が低下し切削工具や耐摩耗材
料として使用した場合に摩耗性が低下する。硼素の量が
１０重量％を下回ると硬度が通常の酸化アルミニウム焼
結体と同程度となり硼素の添加の効果がなく、５０重量
％を越えると靭性が低下する。

なお、炭素ならびに周期律表第１１１ａ族元素の酸化物
換算量に関しては、前述と同様な理由によるものである
。

（作用） ■述した本発明の焼結体が高強度、高靭性かつ高硬度を
有する理由についてはおよそ次の２つの要因が考えられ
る。

■粒子結合力の向上 焼結時、硼化アルミニウムの一部または全部が分解し活
性なアルミニウムと硼素が生成される。

このアルミニウムと硼素により強固に結合された新たな
粒子が形成され粒子結合力の向上が図られ■ｉ４状ネ′
◇子による複合強化 焼結工程において生成された針状の硼酸アルミニウムは
酸化アルミニウムと同程度の高いヤング率をイボしてお
り、理論強度はアルミナと同等である。このため針状の
アルミナを複合化し５た場合と同様４（レヘルで靭性を
高めることができる。

また、周期律表第１１１ａ族元素、特にｏｙ、ｙ、Ｎｃ
ｌの添加により、硼酸アルミニウムウィスカの分解を抑
制することができる。

以下、本発明を次の例で説明する。

（実施例１） 原料として、Ａ１□０３粉末（平均粒径１１１ｍ以下、
純度９９．９％以上）と、ＡＩＢ＋□粉末（平均粒径２
１１ｍ）と、硼酸アルミニウム（平均粒径０７μｍ）、
下均ｉ力径が１〜２μｍの周期律表第■ａ族元素酸化物
粉末ならびに平均粒径が０．３７１ｍの炭素粉末を用い
て、第１表の割合で秤量後回転ミルで１２時間混合粉砕
した。混合後のスラリを乾燥してボ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、焼成条件として第２図
に示ずＮｏ■の条件でボッＩ・プレス焼成して、ＪＩＳ
に基づく抗折試験片を作成した。

また第１表中、試料Ｎｏ、３５〜４Ｉについてはその焼
成条件を第２図および第３図に示したＮｏ■〜■の条件
で焼成した。

また試料Ｎｏ、／１１〜４３に対しては炭素粉末を、試
料Ｎｏ、４４．４５に対しては周期律表第１１１ａ族元
素酸化物を添加し上記と同様に焼成した。

得られた各焼結体に対しＩＣＰ分析を行い、アルミニラ
Ｊ１、硼素および酸素の量を定量し、電子顕微鏡写真か
らアスペクト比１．５以上のウィスカーの生成の有無に
ついて観察した。

また、特性評価として、各焼結体を研磨してＪＩＳ］６
０１に基づく３点曲げ抗折強度を、また鏡面状態にポリ
ッシングしてＩＭ法でＫｌｃを、さらにビッカース硬度
を測定した。

結果は第１表に示す。

（以下余白） 第１表によれば、組成が第１図において点ＡＢ−Ｃ−Ｄ
−Ｅ−Ｆ−Ａの範囲にあるものは、いずれも優れた特性
を示し、特に組成が点Ｇ　−Ｈｌ−Ｊ−Ｇの範囲にある
ものは、抗折強度が７０ｋｇ／ｍｍ２以上、靭性６ＭＰ
ａ−ｍ””以上が達成された。

また、試料Ｎｏ、１２．３５．３６．３７の比較におい
て、焼成時の冷却速度が緩やかな程、高い特性を示すこ
とが認められた。また冷却過程において試料Ｎｏ、３８
．３９．４０のように焼成温度より低い温度で保持する
ことによっても同様に高い特性が得られることがわかっ
た。

（発明の効果） 以上詳述した通り、本発明の焼結体によれば、酸化アル
ミニウムを主体とする複合焼結体であって、高い硬度を
維持しつつ高い靭性を付与することができ、これにより
工具をはしめとする各種体摩耗部品や構造部品等として
その応用分野を拡げることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、酸化アルミニウム、硼化アルミニウムおよび
硼酸アルミニウムの各粉末の配合組成を示すだめの３元
図であり、第２図および第３図は温度と時間による焼成
条件を示す図である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）全量中にアルミニウムが３０〜４５重量％、硼素
   が３．０〜５０重量％、残部が酸素および不可避不純物
   よりなる焼結体であって、該焼結体中に少なくともアル
   ミニウム、硼素および酸素からなるアスペクト比が１．
   ５以上の針状粒子が存在することを特徴とするセラミッ
   ク焼結体。
2. （２）全量中にアルミニウムが３０〜４５重量％、硼素
   が３．０〜５０重量％、周期律表第IIIａ族元素が酸化
   物換算で０．１〜８重量％、炭素が２重量％以下、残部
   が酸素および不可避不純物からなる焼結体であって、該
   焼結体中に少なくともアルミニウム、硼素および酸素か
   らなるアスペクト比が１．５以上の針状粒子が存在する
   ことを特徴とするセラミック焼結体。
3. （３）酸化アルミニウム粉末、硼化アルミニウム粉末、
   硼酸アルミニウム粉末の各粉末の重量比率をそれぞれｘ
   、ｙおよびｚとした時、各粉末が第１図の３元図におけ
   る下記点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ 　　　ｘ　　ｙ　　ｚ Ａ（９０，１０，　０） Ｂ（９０，　０，１０） Ｃ（２０，　０，８０） Ｄ（　０，１０，９０） Ｅ（　０，６０，４０） Ｆ（４０，６０，　０） を結ぶ線分Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ−Ｆ−Ａで囲まれた範囲
   内に混合された成形体を不活性もしくは還元性雰囲気下
   で焼成し、焼結体中に少なくともアルミニウム、硼素お
   よび酸素からなるアスペクト比１．５以上の針状粒子を
   成長せしめることを特徴とするセラミック焼結体の製法
   。
4. （４）酸化アルミニウム粉末、硼化アルミニウム粉末、
   硼酸アルミニウム粉末の各粉末の重量比率をそれぞれｘ
   、ｙおよびｚとした時、各粉末が第１図の３元図におけ
   る下記点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ 　　　ｘ　　ｙ　　ｚ Ａ（９０，１０，　０） Ｂ（９０，　０，１０） Ｃ（２０，　０，８０） Ｄ（　０，１０，９０） Ｅ（　０，６０，４０） Ｆ（４０，６０，　０） を結ぶ線分Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ−Ｆ−Ａで囲まれた範囲
   内であり、且つ周期律表第IIIａ族元素酸化物粉末が０
   ．１乃至８重量％、炭素粉末が２重量％以下の範囲で混
   合された成形体を不活性もしくは還元性雰囲気下で焼成
   し、焼結体中に少なくともアルミニウム、硼素、酸素よ
   りなる、アスペクト比１．５以上の針状粒子を成長せし
   めることを特徴とするセラミック焼結体の製法。