JPH0437652A - Ceramics sintered body - Google Patents
Ceramics sintered bodyInfo
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- JPH0437652A JPH0437652A JP2140377A JP14037790A JPH0437652A JP H0437652 A JPH0437652 A JP H0437652A JP 2140377 A JP2140377 A JP 2140377A JP 14037790 A JP14037790 A JP 14037790A JP H0437652 A JPH0437652 A JP H0437652A
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Abstract
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、あるいは酸化アルミニウ
ムと硼酸アルミニウムを含有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特に切削工具
をはじめとする゛各種構造材料として適したセラミック
ス焼結体に関する。Detailed Description of the Invention (Field of Industrial Application) The present invention relates to ceramics containing aluminum oxide or aluminum oxide and aluminum borate,
More specifically, the present invention relates to a ceramic sintered body that has excellent wear resistance and toughness and is suitable as a variety of structural materials, especially cutting tools.
(従来技術及びその問題点)
アルミナ(A I Z O3)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。(Prior art and its problems) Ceramic materials such as alumina (A IZ O3) sintered bodies have traditionally had superior mechanical properties such as wear resistance compared to metal materials. It is used in various structural parts as an alternative to metal materials.
しかしながら、最近に至ってはセラミックスに対してさ
らに高い特性が要求されており、アルミナ質焼結体に対
しても他のセラミックスとの複合化により各種特性の改
善を図ることが提案されている。However, in recent years, ceramics have been required to have even higher properties, and it has been proposed to improve various properties of alumina sintered bodies by combining them with other ceramics.
また、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、硼化チタンや硼化ジルコニウムなどの硼化物の
研究開発も盛んに行われている。In addition, research and development of borides such as titanium boride and zirconium boride is being actively conducted as materials with particularly excellent wear resistance among ceramics.
(発明が解決しようとする問題点)
このような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、強度や靭性が低く応用分野が限られてい
た。(Problems to be Solved by the Invention) Although such boride-based ceramics have high hardness, their strength and toughness are low, and their fields of application are limited.
硼化チタンは硬度が高く、熱伝導性が良いことから切削
工具用材料として有望と考えられていたが、靭性を改善
する方法を見出すことが出来ず実用には到っていない。Titanium boride has high hardness and good thermal conductivity, so it was thought to be a promising material for cutting tools, but it has not been put into practical use because no method has been found to improve its toughness.
硼化ジルコニウムは金属との反応性が低いことから、金
属溶湯用るつぼ等としての応用が期待されているが、強
度が低いことから構造材料としての応用分野は限られて
いる。Since zirconium boride has low reactivity with metals, it is expected to be used as crucibles for molten metal, but its low strength limits its application as a structural material.
また、硼化アルミニウムは酸化アルミニウムに比較して
硬度に優れた材料であるが未知の部分が多く、焼結体と
して優れた特性を有するものは未だ開発されていなかっ
た。Furthermore, although aluminum boride is a material with superior hardness compared to aluminum oxide, there are many unknown aspects, and a sintered body with excellent properties has not yet been developed.
そこで、本発明者等は、先に上記の硼化物中から硼化ア
ルミニウムを選択しその焼結性ならびにその特性の改善
について検討を進めたところ、硼化アルミニウムに対し
て酸化アルニウムを混合し、焼成することにより、硼化
アルミニウムの一部するいは全部を分解せしめ、酸化ア
ルミニウムを生成させることにより高い硬度を維持しつ
つ高い靭性を有するセラミックスが得られることを提案
した(特願平1−312735号)。しかしながら、こ
の材料は焼結中に硼素が揮散しやすいことがら焼結体組
成のコントロールが難しいために特性が安定せず、特に
大型の焼結体を作成する場合に該焼結体内に含まれる各
元素、特に硼素が偏析し焼結体内外で特性のバラツキが
生じるという問題があった。Therefore, the present inventors first selected aluminum boride from among the borides mentioned above and proceeded with studies on improving its sinterability and properties, and found that by mixing aluminum oxide with aluminum boride, He proposed that by firing, a part or all of the aluminum boride is decomposed and aluminum oxide is produced, thereby producing ceramics that maintain high hardness and high toughness (Japanese Patent Application No. No. 312735). However, boron in this material is easily volatilized during sintering, making it difficult to control the composition of the sintered body, resulting in unstable properties, especially when creating a large sintered body. There was a problem in that each element, particularly boron, segregated, resulting in variations in properties inside and outside the sintered body.
(問題点を解決するための手段)
そこで、本発明者等は、先に提案した系の焼結性ならび
にその特性改善についてさらに検討を進めた結果、上記
の系に対して炭素粉末を特定の割合で添加することによ
り大型品においても全体として特性が均質で且つ高い硬
度、靭性を有する焼結体が得られることを知見した。(Means for Solving the Problems) Therefore, the present inventors further investigated the sinterability of the system proposed earlier and the improvement of its characteristics. It has been found that by adding in a certain proportion, a sintered body having homogeneous properties as a whole and high hardness and toughness can be obtained even in a large product.
即ち、本発明の焼結体は、酸化アルミニウム、あるいは
酸化アルミニウムと硼酸アルミニウムを主相とし、少な
くとも硼素、酸素および炭素を含有する副相から構成さ
れるセラミックス焼結体であり、該焼結体全量中アルミ
ニウムが10〜50重景%、硼素が1.5〜67重量%
、炭素が0.05〜8重量%の割合で存在することを特
徴とするものである。また、上記構成において、焼結体
中に針状の粒子を存在させ、これにより焼結体の靭性を
さらに向上させることができる。That is, the sintered body of the present invention is a ceramic sintered body having a main phase of aluminum oxide or aluminum oxide and aluminum borate, and a subphase containing at least boron, oxygen, and carbon; Aluminum is 10 to 50% by weight and boron is 1.5 to 67% by weight.
, carbon is present in a proportion of 0.05 to 8% by weight. Furthermore, in the above configuration, needle-like particles are present in the sintered body, thereby further improving the toughness of the sintered body.
以下、本発明を詳述する。The present invention will be explained in detail below.
本発明におけるセラミックス焼結体は、組織上、主相が
酸化アルミニウム、あるいは酸化アルミニウムと硼酸ア
ルミニウムとからなり、その粒界には、元素としてアル
ミニウム、硼素、酸素および炭素が存在し、組成上、こ
れら焼結体全体を構成する各元素が特定の割合で存在す
ることを大きな特徴とするものである。In the ceramic sintered body of the present invention, the main phase consists of aluminum oxide or aluminum oxide and aluminum borate in terms of structure, and the elements aluminum, boron, oxygen, and carbon exist in the grain boundaries, and in terms of composition, A major feature of these sintered bodies is that each element constituting the entire sintered body exists in a specific proportion.
具体的乙二は、焼結体中アルミニウムが10〜50重量
%、特に20〜40重量%、硼素が1.5〜67重量%
、特に20〜40重景%、炭素が0,05〜8重量%、
特に1〜3重量%、残部が実質的に酸素により構成され
る。各元素の量を上記の範囲に設定することにより大型
品であっても高く、且つ内外ともにバラツキのない強度
、硬度、靭性を有する焼結体が得られる。Specifically, Otsuji contains 10 to 50% by weight of aluminum, especially 20 to 40% by weight, and 1.5 to 67% by weight of boron in the sintered body.
, especially 20-40 weight percent, carbon 0.05-8 weight percent,
In particular, from 1 to 3% by weight, the remainder being substantially constituted by oxygen. By setting the amount of each element within the above range, a sintered body can be obtained that has high strength, hardness, and toughness even if it is a large product, and has consistent strength, hardness, and toughness both inside and outside.
即ち、アルミニウムの量が10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、5
0重量%を越えると硬度が低下し切削工具や耐摩耗材ね
として使用した場合に摩耗性が低下する。硼素の量が1
0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V%
を越えると靭性が低下する。また、炭素が0.05重量
%より少ないと焼結体内に元素の偏在が生しやすく、焼
結体内外において特性のバラツキが発生しやすくなり、
8重量%を下回ると焼結性が低下し緻密体が得られない
からである。That is, if the amount of aluminum is less than 10% by weight, the hardness and toughness will decrease and it will no longer be possible to use it as a structural material.
When it exceeds 0% by weight, the hardness decreases and the abrasion resistance decreases when used as a cutting tool or wear-resistant material. The amount of boron is 1
If it is less than 0% by weight, the hardness will be on the same level as a normal aluminum oxide sintered body, and the addition of boron will have no effect, and 50% by weight.
Exceeding this will reduce toughness. Furthermore, if the carbon content is less than 0.05% by weight, the elements tend to be unevenly distributed within the sintered body, and variations in properties tend to occur inside and outside the sintered body.
This is because if it is less than 8% by weight, the sinterability will deteriorate and a dense body will not be obtained.
また、本発明によれば、上記焼結体中に針状の結晶粒子
を存在させること0二より、焼結体の靭性を大きく向上
することが゛こきる。具体的には、アスペクト比1.5
以上の11状粒子を3〜75体積%、特に10〜50体
積%の割合で存在させることにより、高い硬度を維持し
つつ靭性を向上することができ、後述する実施例によれ
ば、最高10MPa−m””程度の優れた靭性を得るこ
とができ、針状粒子を形成する成分としては酸化アルミ
ニウムあるいは硼酸アルミニウムが好適である。Furthermore, according to the present invention, the presence of acicular crystal grains in the sintered body greatly improves the toughness of the sintered body. Specifically, the aspect ratio is 1.5
By having the above-mentioned 11-shaped particles present in a proportion of 3 to 75% by volume, particularly 10 to 50% by volume, toughness can be improved while maintaining high hardness, and according to the examples described later, the toughness can be increased up to 10 MPa. -m"" excellent toughness can be obtained, and aluminum oxide or aluminum borate is suitable as the component forming the acicular particles.
本発明のセラミックス焼結体を製造するための具体的な
製法の一例について説明すると、まず、その製造工程は
、原料の調製、成形、焼成の三つの工程により構成され
る。An example of a specific manufacturing method for manufacturing the ceramic sintered body of the present invention will be described. First, the manufacturing process includes three steps: preparation of raw materials, molding, and firing.
まず、原料の調製に際して、出発原料としては硼化アル
ミニウム粉末、酸化アルミニウム粉末または焼成によっ
て酸化アルミニウムを生成する化合物粉末および炭素粉
末あるいは焼成により炭素を生成する化合物を用いる。First, in preparing the raw materials, aluminum boride powder, aluminum oxide powder, compound powder that produces aluminum oxide when fired, and carbon powder or a compound that produces carbon when fired are used as starting materials.
硼化アルミニウム粉末としては、平均粒径200メツシ
ユ以下、望ましくは3μm以下、最適には1μm以下の
粉末であり、一般に化学式AIB、2、Al82もしく
は非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AIB+。を含んでいるものも
あるがその場合も問題は生じない。The aluminum boride powder is a powder with an average particle size of 200 mesh or less, preferably 3 μm or less, optimally 1 μm or less, and generally has the chemical formula AIB, 2, Al82, or even aluminum boride with a non-stoichiometric composition. often,
It may also be a mixture of these. Currently commercially available AlB12 is partially AIB+. There are some that include , but there is no problem in that case.
一方、酸化アルミニウム粉末或いは焼成により酸化アル
ミニウムを生成する化合物粉末としては、いすも平均粒
径3μm以下、特に1μm以下の微細な粒子を用いるの
が望ましい。なお、焼成により酸化アルミニウムを生成
する物質としては、金属アルミニウム、硼酸アルミニウ
ムなどが挙げられ、硼酸アルミニウムは9Al□03・
B2O3または2Al□03 ・2B203の化学式で
表される。On the other hand, as the aluminum oxide powder or the compound powder that produces aluminum oxide upon firing, it is desirable to use fine particles with an average particle size of 3 μm or less, particularly 1 μm or less. In addition, examples of substances that generate aluminum oxide by firing include metal aluminum, aluminum borate, etc. Aluminum borate is 9Al□03.
It is represented by the chemical formula B2O3 or 2Al□03.2B203.
また、本発明において、焼結体中に針状粒子を存在させ
る場合には、出発原料として針状晶酸化アルミニウム、
あるいは焼結時の加熱により針状晶酸化アルミニウムを
生成する物質として9A1203 ・2B203の化学
式を有する針状晶硼酸アルミニウムを添加すればよい。In addition, in the present invention, when acicular particles are present in the sintered body, acicular crystal aluminum oxide,
Alternatively, acicular aluminum borate having the chemical formula 9A1203/2B203 may be added as a substance that generates acicular aluminum oxide upon heating during sintering.
なお、これらの針状物質は、平均径(短径)が2μ以下
、特に0.2乃至0.7μmであることが好ましく、ま
た長径/短径で表わされるアスペクト比の平均が3〜1
00、特に10乃至30のものが好適に用いられる。上
記平均径を2μm以下に特定したの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。The average diameter (breadth axis) of these acicular substances is preferably 2 μm or less, particularly 0.2 to 0.7 μm, and the average aspect ratio expressed as major axis/breadth axis is 3 to 1.
00, especially those of 10 to 30 are preferably used. The reason for specifying the above average diameter to be 2 μm or less is that grain growth during sintering does not become excessive and high flexural strength can be maintained.
If it is larger than 2 μm, the grain growth of the crystal grains during sintering will be significant, making it difficult to control the grain size, causing variations in toughness, and also tending to increase boundary wear on the flank when used as a cutting tool. It's for a reason.
一方、アスペクト比の平均が3より小さいと繊維強化の
効果が少ないために靭性の向上効果は小さく、100よ
り大きいと原料の取扱が難しく、均一に分散できないた
めに靭性が低下する傾向にある。しかし、この場合でも
ウィスカーの一部を粉砕しながら混合すれば問題なく使
用できる。On the other hand, if the average aspect ratio is smaller than 3, the effect of improving the toughness is small because the effect of fiber reinforcement is small, and if it is larger than 100, the raw material is difficult to handle and cannot be uniformly dispersed, so the toughness tends to decrease. However, even in this case, it can be used without problems if the whiskers are mixed while being crushed in part.
上述の硼化アルミニウム、酸化アルミニウム成分および
炭素成分は、最終焼結体におけるアルミニウム、硼素、
炭素、酸素量が前述した割合になるように適宜混合され
る。これらの原料粉末によれば、焼成により分解反応を
生しるために出発原料の割合を一部に決定することは難
しいが、好適には硼化アルミニウム粉末を5〜95重量
%、好ましくは30〜80重量%、酸化アルミニウム粉
末あるいは焼成により酸化アルミニウムを生成する物質
が酸化アルミニウムに換算して3〜90重量%、好まし
くは20〜70重量%であり、炭素粉末あるい焼成によ
り炭素粉末を生成しうる化合物を炭素換算で、硼化アル
ミニウムと酸化アルミニウム成分との混合物100重量
部に対して0.05〜8重量部、特に1〜3重量部の割
合で混合する。The above-mentioned aluminum boride, aluminum oxide component and carbon component are the aluminum, boron, and carbon components in the final sintered body.
They are appropriately mixed so that the amounts of carbon and oxygen are in the proportions described above. According to these raw material powders, it is difficult to partially determine the proportion of the starting raw materials because a decomposition reaction occurs during calcination, but it is preferable to contain aluminum boride powder in an amount of 5 to 95% by weight, preferably 30% by weight. ~80% by weight, aluminum oxide powder or a substance that produces aluminum oxide by firing is 3 to 90% by weight, preferably 20 to 70% by weight in terms of aluminum oxide, and carbon powder or a substance that produces carbon powder by firing The compound is mixed in an amount of 0.05 to 8 parts by weight, particularly 1 to 3 parts by weight, in terms of carbon, per 100 parts by weight of the mixture of aluminum boride and aluminum oxide components.
なお、高靭性化を目的に酸化アルミニウム粉末の代わり
に添加される針状粒子はアスペクト比1゜5以上の粒子
として全量中3〜75体積%の割合で含をさせることが
望ましい。The acicular particles added in place of the aluminum oxide powder for the purpose of increasing toughness are desirably contained in a ratio of 3 to 75% by volume of the total amount as particles having an aspect ratio of 1.5 or more.
さらに、焼結性を改善する目的で上記の混合物に酸化硼
素を20重足%以下の割合で添加することもできる。Furthermore, boron oxide can be added to the above mixture at a rate of 20 weight percent or less for the purpose of improving sinterability.
次に、硼化アルミニウム、酸化アルミニウム成分、炭素
成分を混合後、衆知の成形手段で所望の形状に成形する
。成形手段は、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用いられる。成
形性を向上させるため公知のバインダーや分散剤を用い
てもよい。Next, the aluminum boride, aluminum oxide component, and carbon component are mixed and then molded into a desired shape by a well-known molding means. As the shaping means, for example, press molding, extrusion molding, injection molding, cast molding, cold isostatic pressing, etc. are used. Known binders and dispersants may be used to improve moldability.
その後、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脱脂し
たのち焼成を行う。Thereafter, these molded bodies are degreased in vacuum or in an inert gas such as nitrogen gas or argon gas, if desired, and then fired.
焼成は、1200乃至1900°Cの温度で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0.5乃
至6.0時間行えばよい。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、ホン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、さらに熱間静水圧焼成すればよい。Firing is performed at a temperature of 1200 to 1900°C using Ar, He,
The reaction may be carried out for 0.5 to 6.0 hours in a reducing atmosphere in which an inert gas such as carbon or carbon is present, and in a pressurized or reduced pressure atmosphere thereof. Firing methods include normal pressure firing, hot press method, and hot isostatic pressing method (HIP method).
In order to obtain a particularly high-density sintered body, a sintered body with a theoretical density ratio of 96% or more may be prepared by ordinary firing or real press method, and then hot isostatic pressure firing may be performed.
なお、焼成時にカーボン型を用いてホットプレス焼成す
る場合には、カーボン型からの炭素の混入により焼結体
中の炭素成分を構成する場合もあるために、出発原料中
の炭素成分を適宜調整することが必要である。In addition, when hot-press firing is performed using a carbon mold during firing, the carbon component in the sintered body may be composed of carbon from the carbon mold, so the carbon component in the starting material must be adjusted appropriately. It is necessary to.
上記の焼成によれば、原料中の硼化アルミニウムはその
一部またはその殆どがアルミニウムと硼素に分解すると
ともに系中の酸素と反応し酸化アルミニウム、あるいは
硼酸アルミニウムが生成され、さらにアルミニウム、酸
素、硼素からなる副相を生成する。これに対し、原料中
の酸化アルミニウムはそのままの状態で残存し焼結され
る。According to the above firing, a part or most of the aluminum boride in the raw material decomposes into aluminum and boron, and reacts with oxygen in the system to produce aluminum oxide or aluminum borate, and further aluminum, oxygen, Generates a subphase consisting of boron. On the other hand, aluminum oxide in the raw material remains as it is and is sintered.
方、酸化アルミニウムの代わりに硼酸アルミニウムを用
いた場合は、1400°C付近で酸化アルミニウムと酸
化硼素とに一部分離し、それぞれを添加した場合と同様
な効果をもたらす。他方、アルミニウム金属を用いた場
合は、系中の酸素もしくは硼素と反応しAlB2等の硼
化アルミニウムもしくは酸化アルミニウムを生成しそれ
ぞれを添加した場合と同様な効果をもたらす。On the other hand, when aluminum borate is used instead of aluminum oxide, it partially separates into aluminum oxide and boron oxide at around 1400°C, producing the same effect as when each is added. On the other hand, when aluminum metal is used, it reacts with oxygen or boron in the system to produce aluminum boride or aluminum oxide such as AlB2, producing the same effect as when each is added.
上記の焼成過程において各化合物の分離、反応によって
生成した酸化硼素は1500°C以上では1発するが、
いずれも焼結助剤としての効果を示し焼結体の高緻密化
を促進する。しかし、酸化硼素が焼結体中に多く含有さ
れると硬度や強度が低下するので、焼結体中の含有量が
20重量%以下であることが望ましい。In the above firing process, the boron oxide produced by the separation and reaction of each compound is emitted once at temperatures above 1500°C.
Both exhibit the effect of sintering aids and promote high densification of the sintered body. However, if a large amount of boron oxide is contained in the sintered body, the hardness and strength will decrease, so it is desirable that the boron oxide content in the sintered body is 20% by weight or less.
上述した製造方法によれば最終的には第1図や第2図に
示す如く、結晶相として酸化アルミニム、あるいは酸化
アルミニウムと硼酸アルミニウムからなる主相と、アル
ミニウム、硼素、酸素、炭素からなるガラス質あるいは
870等の結晶相からなる副相が形成される。According to the manufacturing method described above, as shown in FIGS. 1 and 2, the crystalline phase is aluminum oxide or a main phase consisting of aluminum oxide and aluminum borate, and glass consisting of aluminum, boron, oxygen, and carbon. A subphase consisting of a crystalline phase such as 870 or 870 is formed.
(作用)
上述した本発明のセラミックス焼結体が高強度、高靭性
且つ高硬度を有する理由についてはおよそ次の3つの要
因が考えられる。(Function) The following three factors are considered to be the reason why the ceramic sintered body of the present invention described above has high strength, high toughness, and high hardness.
■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。■Improvement of particle bonding strength During sintering, part or all of aluminum boride decomposes and active aluminum and boron are generated.
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る。New particles are formed that are strongly bonded to each other by this aluminum and boron, and the bonding force of the particles is improved.
■粒子形状の複雑化
従来の酸化アルミニウムでは結晶粒子は球形に近いもの
が多く、破壊はそれらの粒界から起こっていたが、本発
明の焼結体では■に記述した分解生成反応を伴って焼結
されるため粒子形状は複雑に入り組んだ形状となってい
る。このため新たなりラックの進展が阻止されその結果
破壊靭性が向上する。なお、針状の酸化アルミニウムも
しくは分解により針状の酸化アルミニウムを生成する物
質を添加すると粒子形状の複雑化は更に促進され、針状
結晶が入り組んだ組織を持つようになるため靭性は飛躍
的に向上する。■Complicated particle shape In conventional aluminum oxide, many of the crystal grains were close to spherical, and destruction occurred from the grain boundaries, but in the sintered body of the present invention, the crystal particles were destroyed along with the decomposition and formation reaction described in (■). Because it is sintered, the particles have a complex shape. Therefore, new rack development is prevented, and as a result, fracture toughness is improved. Furthermore, if acicular aluminum oxide or a substance that generates acicular aluminum oxide through decomposition is added, the complexity of the particle shape will be further promoted, and the toughness will be dramatically improved because the acicular crystals will have an intricate structure. improves.
■酸化硼素のガス化の促進
上記の焼成過程において各化合物の分離、反応によって
生成した酸化硼素は1500°C以上では蒸発するが、
いずれも焼結助剤としての効果を示し焼結体の高緻密化
を促進する。しかし、大型品においては構成元素、特に
化合物として酸化硼素が焼結体中に偏在し、特に内部と
外部において硬度や強度の特性にハラフキが生しる。炭
素粉末の存在により還元雰囲気下、酸化硼素のガス化が
促進され、硼酸アルミニウムのA I 20 :1化が
進む。■ Promotion of gasification of boron oxide The boron oxide produced by the separation and reaction of each compound in the above firing process evaporates at temperatures above 1500°C.
Both exhibit the effect of sintering aids and promote high densification of the sintered body. However, in large products, constituent elements, especially boron oxide as a compound, are unevenly distributed in the sintered body, resulting in uneven hardness and strength characteristics, especially between the inside and outside. The presence of carbon powder promotes the gasification of boron oxide in a reducing atmosphere, and the conversion of aluminum borate to A I 20 :1 progresses.
このことにより成分の偏析が少なくなり均一な特性を有
する焼結体が得られる。This reduces the segregation of components and provides a sintered body with uniform properties.
以下、本発明を次の例で説明する。The invention will now be explained with the following examples.
(実施例1)
原料として、酸化アルミニウム粉末(平均粒径1μm以
下、純度99.9%以上)と、AIB+2粉末(粒径2
00メツシユ以下)と、針状酸化アルミニウム(平均粒
径0.7μm、平均アスペクト比15)と、硼酸アルミ
ニウム(平均粒径0.7μm、平均アスペクト比20)
並びに平均粒径カ月、0μmの炭素粉末を用いて第1表
に示す割合に秤量後、回転ミルで12時間混合粉砕した
。混合後のスラリーを乾燥してホントプレス用原料とし
た。 この原料をカーボン型に充填し、1500〜1
800°Cで1時間、300 kg/cm2の圧力でホ
ットプレス焼成した。(Example 1) As raw materials, aluminum oxide powder (average particle size 1 μm or less, purity 99.9% or more) and AIB+2 powder (particle size 2
00 mesh or less), acicular aluminum oxide (average particle size 0.7 μm, average aspect ratio 15), and aluminum borate (average particle size 0.7 μm, average aspect ratio 20)
Carbon powder with an average particle size of 0 μm was weighed in the proportions shown in Table 1, and then mixed and ground in a rotary mill for 12 hours. The slurry after mixing was dried and used as a raw material for Hontopress. Fill a carbon mold with this raw material and
Hot press firing was performed at 800°C for 1 hour at a pressure of 300 kg/cm2.
得られた各試料を研磨して鏡面状態にポリッシングして
焼結体内部および周辺部のIM法でKlcを、さらにビ
ッカース硬度を測定した。Each of the obtained samples was polished to a mirror-like state, and the Klc and Vickers hardness of the inside and surrounding parts of the sintered body were measured by the IM method.
また、焼結体に対しICP分析を行い、A1、B及びC
の量を定量し、さらに電子顕微鏡写真からの面分析によ
りアスペクト比が1.5以上の粒子の含有率を求めた。In addition, ICP analysis was performed on the sintered body, and A1, B and C
The content of particles having an aspect ratio of 1.5 or more was determined by surface analysis from electron micrographs.
結果は第1表に示す。The results are shown in Table 1.
第1表の試料中、No、 2.3についてX線回折パタ
ーンをそれぞれ第1図、第2図に示した。Among the samples in Table 1, the X-ray diffraction patterns of No. 2.3 are shown in FIG. 1 and FIG. 2, respectively.
第1図および第2図からも明らかなように焼結体中には
、酸化アルミニウムの結晶相がみられ、炭素量が増加す
るにつれて第2図に示すようにで酸化アルミニウムおよ
び硼酸アルミニウムの2種の結晶相が主として検出され
た。As is clear from Figures 1 and 2, a crystalline phase of aluminum oxide is observed in the sintered body, and as the carbon content increases, the crystalline phase of aluminum oxide and aluminum borate increases as shown in Figure 2. Seed crystalline phases were mainly detected.
第1表によれば、炭素を添加しなかった試料N。According to Table 1, sample N to which no carbon was added.
1およびNα24、およびA1が多量に含まれる資料N
o、 13では内部と周辺部で特性に差が見られた。Material N containing large amounts of 1, Nα24, and A1
o, 13, there were differences in characteristics between the inside and the periphery.
また、炭素を添加した系でも焼結体組成において試料N
o、 7.20のように炭素量が8重量%を越えて存在
する焼結体では焼結不良により、抗折強度等の特性の劣
化を招いた。In addition, even in the system with carbon added, sample N
In a sintered body in which the carbon content exceeds 8% by weight, such as No. 7.20, poor sintering resulted in deterioration of properties such as bending strength.
本発明の焼結体において針状粒子を全く添加しない試料
No、 8.9では、−C的な酸化アルミニウム焼結体
の特性(硬度17.0MPa以下、靭性3.0MPa
−m””以下)よりも優れた特性を示した。Sample No. 8.9, in which no acicular particles were added to the sintered body of the present invention, had the characteristics of a -C-like aluminum oxide sintered body (hardness of 17.0 MPa or less, toughness of 3.0 MPa).
−m”” or less).
AIB、□単体からなる試料No、 15では、焼結性
が不十分で、特性は低いものであった。Sample No. 15 consisting of AIB, □ alone had insufficient sinterability and poor properties.
針状粒子を含有する系では、いずれも靭性の向上が確認
されたが、アルミニウム量が50重量%を越える試料陥
13では硬度が低いものであった。In the systems containing acicular particles, it was confirmed that the toughness was improved in all cases, but the hardness was low in sample pit 13 where the amount of aluminum exceeded 50% by weight.
また、硼素の量が1.5重量%より少ない試料No、
23では硬度が酸化アルミニウム単体と同程度となり、
67重量%を越える試料No、 18では硬度は高くな
るが、抗折強度、靭性が劣化した。In addition, sample No. in which the amount of boron is less than 1.5% by weight,
At 23, the hardness is comparable to that of aluminum oxide alone,
Sample No. 18, which contained more than 67% by weight, had high hardness but deteriorated flexural strength and toughness.
これらの比較例に対して炭素を添加し且つ各元素が本発
明の範囲内にある本発明の焼結体はいずれも硬度、靭性
とも特性の差を20%以内6二抑えることができた。本
発明の試料は、いずれも内外において特性のバラツキの
ない優れた特性を有する焼結体が得られ、抗折強度60
kg/mm2以上、靭性4. OMPa−m”’以上
、ピンカース硬度1700kg/mm2以上が達成され
、針状粒子を配合することにより靭性5〜10.5 M
Pa −m”2以上が達成された。Compared to these comparative examples, the sintered bodies of the present invention in which carbon was added and each element was within the range of the present invention were able to suppress the difference in properties in both hardness and toughness to within 20%. In the samples of the present invention, sintered bodies with excellent properties with no variation in properties inside and outside were obtained, and the bending strength was 60.
kg/mm2 or more, toughness 4. Achieves OMPa-m"' or higher, Pinkers hardness of 1700 kg/mm2 or higher, and toughness of 5 to 10.5 M by incorporating acicular particles.
Pa-m"2 or more was achieved.
(発明の効果)
以上詳述した通り、本発明によれば、アルミニウム、硼
素、酸素から構成され、酸化アルミニウムを主相として
なる焼結体に対してさらに炭素を含有させることにより
、高い硬度、靭性を維持しつつ焼結体の内外の特性を均
一化することができる。(Effects of the Invention) As detailed above, according to the present invention, by further containing carbon in a sintered body composed of aluminum, boron, and oxygen and having aluminum oxide as the main phase, high hardness The internal and external properties of the sintered body can be made uniform while maintaining toughness.
これにより、工具材料をはじめとする大型形状の各種産
業機械部品用材料としての応用範囲をさらに拡大するこ
とができる。Thereby, the range of application as a material for various large-sized industrial machine parts including tool materials can be further expanded.
第1図および第2図は、いずれも本発明のセラミックス
焼結体のX線回折パターンを示し、第1図は実施例中、
試料No、 2、第2図は試料No、 3のものである
。
第1図
第2図
特許出願人 (663)京セラ株式会社20(°)1 and 2 both show the X-ray diffraction pattern of the ceramic sintered body of the present invention, and FIG. 1 shows the
Sample No. 2 and FIG. 2 are those of sample No. 3. Figure 1 Figure 2 Patent applicant (663) Kyocera Corporation 20 (°)
Claims (2)
硼酸アルミニウムを主相とし、少なくとも硼素、酸素お
よび炭素を含有する副相から構成されるセラミックス焼
結体であり、該焼結体全量中アルミニウムが10〜50
重量%、硼素が1.5〜67重量%、炭素が0.05〜
8重量%の割合で存在することを特徴とするセラミック
ス焼結体。(1) A ceramic sintered body composed of aluminum oxide, or aluminum oxide and aluminum borate as the main phase, and a subphase containing at least boron, oxygen, and carbon, and the total amount of the sintered body contains 10 to 50% aluminum.
% by weight, boron 1.5-67% by weight, carbon 0.05-67% by weight
A ceramic sintered body characterized by being present in a proportion of 8% by weight.
1記載のセラミックス焼結体。(2) The ceramic sintered body according to claim 1, wherein acicular crystal grains are present in the sintered body.
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