JPH0437652A - セラミックス焼結体 - 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、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。

（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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

以下、本発明を詳述する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

■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る。

■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。

■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。

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。

以下、本発明を次の例で説明する。

（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。

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。

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。

結果は第１表に示す。

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。

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。

第１表によれば、炭素を添加しなかった試料Ｎ。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

【図面の簡単な説明】

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（°）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）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。
2. （２）前記焼結体中に針状の結晶粒子が存在する請求項
   １記載のセラミックス焼結体。