JPH04243959A - 強靭性セラミックス - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はアルミナマトリックス中
に炭化珪素ウィスカー及び窒化チタンと炭化チタンを主
とする固溶体粒子を分散させてなる高強度と高靱性を備
えたセラミックス材料に関する。

【０００２】

【従来の技術】セラミックス材料の最大の欠点として脆
さが挙げられる。この脆さを克服する為に、これまで種
々の材質の選定や改善が試みられたが、脆さを改善する
と、すなわち靱性が高くなるに従い強度が低下する傾向
があった。そこで強度を高めた上で靱性を高めた材料の
開発が求められている。このような強度及び靱性の高い
材料を開発することにより、セラミックス材料に対する
信頼性が向上し、利用用途の大幅な拡大が見込まれる。

【０００３】強度と靱性を同時に向上させるためには、
複数の異種セラミックスの複合が考えられる。すなわち
、個々のセラミックスの長所を生かして複数の異種セラ
ミックスのうち一方を基材に、他方を分散材として基材
組織にとどめて複合化を形成させる分散強化法である。

【０００４】このような分散強化法には、マトリックス
中に異種の強い粒子を分散させることにより亀裂のピン
止めや湾曲等の効果が生じて靱性が向上し、同時に粒界
に異粒子が存在することによりマトリックスの粒成長が
抑制されて強度も向上する粒子分散強化法がある。この
方法の代表的なものとして炭化チタン粒子をアルミナマ
トリックスに分散させたものが切削工具等に広く活用さ
れている。更に、セラミックス基材中にファイバーやウ
ィスカー等の繊維状セラミックスを分散させることによ
り亀裂の偏向や繊維によるマトリックス架橋とか界面よ
りの引き抜き効果によって靱性を大幅に向上させると共
に強度の上昇が達成される繊維分散強化法がある。繊維
分散強化法の代表的なものとして炭化珪素ウィスカーを
アルミナや窒化珪素マトリックス中に分散させたものが
あり、実用に供されつつあるが、高強度、高靱性を共に
備えるというまでは行かず、十分に満足できるものでは
ない。

【０００５】このように、粒子分散強化法では強度面の
向上は期待できるが靱性値は数十％程度の増加しか期待
できないし、繊維分散強化法では靱性は飛躍的に上昇す
るが緻密化の進展が容易でなく、その度合や分散繊維の
配向状態に大きく左右される他、粒子分散型に比べると
粒成長抑制効果が乏しく、その結果、強度の向上効果が
低くなり、又コスト的にもかなり高価である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】靱性と強度とを共に大
幅に向上させた強靱性セラミックスを得るためには、前
記繊維分散強化法に粒子分散強化法を組み合わせること
により、繊維分散化による靱性の改善効果に粒子分散化
による強度向上が加味され、繊維分散化に近い靱性と粒
子分散化に匹敵する強度が得られる可能性が考えられて
いる。しかし、これまでのところ、繊維状セラミックス
を使用する限りは緻密化の進展が困難であることには変
わりなく、マトリックス構成粒子及びとりわけ分散粒子
の粒成長が生じやすいため強度面で所望の効果が得られ
難い等の問題点があった。

【０００７】本発明は、このような問題点を克服し、靱
性と強度とを同時に大幅に向上させたアルミナ系の強靱
性セラミックスを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者は高い靱性と強
度とを合わせもつアルミナ系の強靱性セラミックスを得
るため鋭意研究を重ねた結果、本発明を完成したもので
ある。

【０００９】本発明は窒化チタンと炭化チタンの固溶体
１０〜２０体積％と炭化珪素ウィスカー６〜２５体積％
とを酸化マグネシウム０．０６〜１．０体積％を含むア
ルミナ中に均一に分散させて成る強靱性セラミックスで
ある。

【００１０】

【作用】本発明において、強靱性セラミックスの分散層
を構成する成分のうち炭化珪素ウィスカーは、高温での
機械的性質に優れ、マトリックス基材に分散させると靱
性を大幅に向上させる。このような炭化珪素ウィスカー
は、β型で、基材として用いるアルミナの結晶径以下の
太さを持ち長さはその１０倍以上のものがとくに好まし
い。６〜２５体積％を均一に分散させる。６体積％未満
では靱性改善の効果が乏しく、２５体積％を越える添加
は焼結が困難に成り易く、強度のそれ以上の向上が望め
ないので好ましくない。

【００１１】本発明では、炭化珪素ウィスカーと共に粒
子状ＴｉＮ−ＴｉＣ固溶体をマトリックス基材に分散さ
せる。ＴｉＮあるいはＴｉＣを単独に分散させた場合は
、粒子分散強化作用は顕著なものがあるが、粒成長は避
けることができなかった。これに対し、ＴｉＮとＴｉＣ
とを固溶体として使用した場合は、意外にも著しい粒成
長抑制効果があることを本発明者は見出したのである。 ＴｉＮ−ＴｉＣ固溶体粒子を使用することにより、分散
種及びマトリックスいずれの粒成長も抑制される。 このため、焼結体の結晶径が小さく、強度の大幅な向上
を達成することができる。しかもＴｉＮ−ＴｉＣ固溶体
分散種は、ＴｉＣを単独で分散させた場合と比較し同程
度の粒子分散強化作用を示し、靱性の向上が見られる。

【００１２】ＴｉＮ−ＴｉＣ固溶体は、ほぼ１：１のモ
ル比、もしくはＴｉＣ過多のモル比でＴｉＮがＴｉＣに
完全に固溶したものから成るＴｉＮ，ＴｉＣの同質置換
固溶体が望ましい。できる限り小さな粒径の固溶体粉末
をマトリックス原料に混合し、均一に分散させて焼結す
るのが最適であるが、加熱時の焼結に先立つ固相反応過
程中で同様の固溶体を形成せしめる出発原料と反応条件
を選定して行っても良い。ＴｉＮ−ＴｉＣ固溶体の分散
添加量は、１０体積％以上２０体積％以下とする。１０
体積％未満では分散強化による強靱効果が乏しく、２０
体積％を越えるとマトリックス種に対する分散相の相対
割合が過多となり分散粒どうしの焼結が発生する割合が
増えたり基材の性状低下を招くので好ましくない。

【００１３】ＴｉＮ−ＴｉＣ固溶体の半量以下を周期率
表第ＩＶａ及びＶａ族遷移金属炭化物の何れか１種又は
それ以上と置換することができる。この金属炭化物中、
立方晶系構造のものを用いると置換固溶体を形成するの
で、立方晶系構造の炭化物を用いるのが好ましい。この
ような金属炭化物はＴｉＮ−ＴｉＣ固溶体中に一部が入
り込み同じような構造を持つ固溶体を形成し同様の分散
強化の効果を示すことが認められる。又、各金属炭化物
の有する固有の熱的化学的性質をセラミックスにもたせ
ることができる。例えば切削工具等に利用した場合被削
材種に応じた濡性、摩擦係数等を選択でき性状の多様化
を図ることができる。しかし、これらの金属炭化物をＴ
ｉＮ−ＴｉＣ固溶体の体積量の半量を越えて添加すると
、固溶体を形成しない割合が増加し、焼結が困難となっ
たり強度低下を招き易くなるので避けなければならない
。

【００１４】本発明のマトリックスを構成するアルミナ
は、高硬質で耐摩耗性に優れ、熱伝導性、耐熱、及び耐
食性とも良好で、又比較的安価である等の理由で機械部
品、耐摩耗部品、理化学磁器や炉材の他、幅広く活用さ
れている。このマトリックス中には、酸化マグネシウム
はアルミナに対する焼結助剤として使用する。その作用
は主にアルミナマトリックスの粒成長を抑制する。すな
わち酸化マグネシウムはアルミナと反応しその界面にス
ピネル相等の固溶体を形成してアルミナの粒成長を抑制
する。酸化マグネシウム添加量は０．０６〜１．０％（
体積）とする。０．０６％未満では焼結助剤としての効
果が殆んど見られず、一方１．０％を越える添加量では
機械的、熱的性質が劣化するので好ましくない。

【００１５】本発明の強靱性セラミックス焼結体は、前
記の活成分を十分に混合し均一に分散させたのち成形し
、理論密度の９５％程度の緻密化を行ったものを熱間等
方加圧（ＨＩＰ）処理するか、乾燥した原料を直接熱間
加圧（ＨＰもしくはＨＩＰ）することにより製造するこ
とができる。

【００１６】

【実施例】平均直径０．５μｍ．長さ５〜４０μｍ．の
β型炭化珪素ウィスカー及び平均粒径１．２μｍ．のＴ
ｉＮ−ＴｉＣの等モル固溶体を含む各成分を第１表に示
す調合割合でボールミルに入れエチルアルコール系溶媒
中にて２４時間混合・分散を行った後乾燥して組成物原
料を得た。この原料を黒鉛筆型内に充填し、ホットプレ
ス炉により圧力３００ｋｇｆ／ｃｍ２　、温度１６５０
℃、真空中６０分保持することにより焼結体を作製した
。

【００１７】このような方法で得た強靱性セラミックス
焼結体について、以下のようにして諸特性を評価した。 結果を第２表に示した。なお、第１表と第２表には本発
明の範囲外の比較例をあわせて示した。 特性評価項目　　　　　　　　　　　　　　測定方法（
１）　４点曲げ強度　　　　　　ＪＩＳ　　Ｒ１６０１
準拠（２）　破壊靱性（Ｋ１ｃ）　　Ｉｎｄｅｎｔａｔ
ｉｏｎ　　Ｆｒａｃｔｕｒｅ法による臨界応力拡大係数
（３）　硬度（Ｈｖ）　　　　　　荷重１０ｋｇｆ下で
のＶｉｃｋｅｒｓ硬度 （４）　平均粒子径　　　　　　　　焼結体破断面に於
けるＳＥＭ像より計測

【００１８】

【表１】

【００１９】

【表２】

【００２０】

【発明の効果】本発明により、強度と靱性の両者を共に
向上させた強靱性のアルミナ径セラミックス焼結体を提
供することが出来る。本発明が与える強靱性セラミック
スは、これまでのセラミックスでは不可能であった高速
切削や重切削用工具部材として、更には難削材、とりわ
け耐熱合金の切削用工具部材として活用できる他、より
信頼性を要求される各種機械部品、耐熱耐摩耗部材など
に広く適用できる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　窒化チタンと炭化チタンの固溶体１０
   〜２０体積％と、炭化珪素ウィスカー６〜２５体積％と
   を酸化マグネシウム０．０６〜１．０体積％を含むアル
   ミナマトリックスに均一に分散させて成ることを特徴と
   する強靱性セラミックス。
2. 【請求項２】　　窒化チタンと炭化チタンの固溶体の半
   量以下を周期律表第ＩＶａ及びＶａ族の遷移金属炭化物
   から選ばれる１種又はそれ以上で置換して成る請求項１
   記載の強靱性セラミックス。