JPH0437653A

JPH0437653A - セラミックス焼結体の製造方法

Info

Publication number: JPH0437653A
Application number: JP2140378A
Authority: JP
Inventors: Katsushi Sakagami; 勝伺坂上; Katsura Hayashi; 桂林
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1990-05-30
Filing date: 1990-05-30
Publication date: 1992-02-07
Anticipated expiration: 2014-08-09
Also published as: JP2931917B2

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、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
結体の製造方法に関する。

（従来技術及びその問題点）アルミナ（Ａ１２０３）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
研究開発が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生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、その焼結性や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
ルニウム成分を混合して成形、焼成することにより、硼
化アルミニウムの一部あるいは全部を分解せしめること
により酸化アルミニウムを含有する高い硬度を有し且つ
高い靭性を有する特異的な材料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から焼結体組成
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の各元素、特に
硼素が偏析し焼結体の内部と周辺部で特性のバラツキが
生し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、本発明者等は硼化アルミニウムの焼結性ならび
にその特性改善について検討を進めた結果、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、本発明は、硼化アルミニウムと、酸化アルミニウ
ムあるいは焼成により酸化アルミニウムを生成しうる化
合物からなる組成物１００重量部に対して炭素あるいは
焼成により炭素を生成する化合物を炭素換算で０．０５
〜８重量部を添加した混合物を成形後、１２００〜１９
００　’Ｃの温度で焼成することを特徴とするもので、
さらに上記構成において、酸化アルミニウムあるいは焼
成によって酸化アルミニウムを生成する物質として針状
の結晶粒子からなるものを用いること乙こよって焼結体
中に酸化アルミニウムの針状晶の粒子を存在させ、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。

本発明のセラミックス焼結体の製造方法は、原料の調製
、成形、焼成の三つの工程により構成される。

〔原料の調製］出発原料としては硼化アルミニウム粉末及び酸化アルミ
ニウム粉末あるい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を用いる。

硼化アルミニウム粉末は、平均粒径２００メンシユ以下
、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、□、ＡｌＢ２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Ａｌ
Ｂ１２は部分的にＡＩＢ＋ｏ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物質は、いずれも平均粒径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９Ａ＋□０３・Ｂ　ｚ　Ｏ
］または２Ａ１２０３　　・２Ｂ２０：ｌの化学式で表
される。

また、本発明によれば酸化アルミニウムあるいは焼成に
より酸化アルミニウムを生成する物質として針状形態か
らなるものを用いることにより焼結体の靭性をさらに高
めることができる。具体的には、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９ＡＩ□０３　・２ＢｚＯｉの
化学式を有する針状晶硼酸アルミニウムが用いられる。

なお、これらの針状物質は、平均径（短径）が２μｍ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〜
１００、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
きが生じ、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なく、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。

なお、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粉末および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
の調合は、硼化アルミニウム粉末が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２
０〜７０重量％の割合で混合される。また特に高硬度の
材質を得るためには、硼化アルミニウム５５〜８０重量
％、酸化アルミニウム２０〜４５重量％が最適であり、
特に高靭性の材質を得るためには、硼化アルミニウム３
０〜５５重量％、酸化アルミニウム４５〜７０重量％が
最適である。

混合割合を上記の範囲に設定したのは、硼化アルミニウ
ムが９５重量％を越えると焼結が難しく、また、硼化ア
ルミニウムが５重量％を下回ると焼結体の硬度が低下す
るからである。酸化アルミニウムが３重量％を下回ると
強靭化の効果がなく、９０重量％を越えると硬度が低下
する。

また、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、全量中に３〜７５体積％の割
合で含有することが望ましい。

本発明によれば、系の焼結性および均質化を図る上で、
上記硼化アルミニウムと酸化アルミニウム成分からなる
組成物１００重量部に対して炭素粉末あるいは焼成によ
り炭素を生成する化合物を炭素換算で０．０５〜８重量
部、特に１〜３重量部の割合で混合する。炭素量を上記
の範囲に限定したのは、炭素量が０６０５重量部未満で
は焼結体の硬度および強度の均一化が達成されず、８重
量部を越えると逆に焼結性が低下し緻密体が得られない
からである。

なお、炭素成分としてはフェノール樹脂等の焼成により
炭素を生成する化合物の他、カーボン型を用いたホット
プレス焼成時に型から混入する場合もあるためにこれら
を総合して炭素添加量を調整することが望ましい。

さらに、本発明によれば、焼結性を改善する目的で上記
の混合物に酸化硼素を２０重量％以下の割合で添加する
こともできる。この酸化硼素はその量が２０重量％を越
えると焼結体の硬度および靭性が低下するため好ましく
ない。また、この酸化硼素は、硼化アルミニウム粉末表
面の酸化膜から生成されたものであってもよく、硼化ア
ルミニウムの一部を酸化させてもよい。

Ｃ成形〕硼化アルミニウム、酸化アルミニウム成分、炭素、所望
により酸化硼素を上記の割合で混合後、衆知の成形手段
で所望の形状に成形できる。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。

〔焼成〕

次に、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℃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時間程度行えばよい。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（ＨＩ　Ｐ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、さらに５００〜
２０００気圧の高圧下で１２００〜１９００°Ｃの焼成
温度で熱間静水圧焼成すればよい。焼成温度を上記の範
囲に設定したのは、焼成温度が１２００°Ｃより低いと
焼結が不十分でボイド等が発生するために十分な特性が
得られず、１９００　”Ｃを越えると酸化アルミニウム
が粒成長してボアが発生し強度が低下するためである。

上記の焼成によれば、原料中の硼化アルミニウムは一部
または全部がアルミニウムと硼素に分離するとともに系
中の酸素と反応し酸化アルミニウムや硼酸アルミニウム
と、アルミニウム、酸素、硼素からなるガラス状物質を
生成する。これに対し、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。一方、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
付近で一部または全部が酸化アルミニウムと酸化硼素と
に分離し、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、酸化アルミニウムあるいは硼酸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、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、含有量は２０重量％
以下、望ましくは１０重量％以下にするのがよい。

（作用）上述した本発明の焼結体が高強度、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。本発明
の材料では■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更に向上
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７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やすく、特
に焼結体の内部と外部において硬度や靭性の特性のバラ
ツキが生じる。炭素成分の存在により還元雰囲気中、過
剰な酸化硼素の酸化硼素のガス化が促進されるために成
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＋ｚ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）
並びに平均粒径が１．０μｍ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、１５００〜１８
００′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
焼結体の内部および周辺部をＩＭ法でＫＩＣ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、硼化アルミニウムー酸化アルミニウム
系に対して炭素を全く添加しなかった試料Ｎｏ、　１で
は、硬度については内部が高く、靭性については周辺部
が高くなる傾向を示し、焼結体の特性に内外で差が生じ
た。これに対して炭素を添加した系については内外差は
２０％以内に抑えることができるが、炭素量が８重量％
を越えた試料Ｎｏ、　７については、焼結不良が発生し
、抗折強度等の特性の劣化を招いた。

また、硼化アルミニウム単体からなる試料Ｎｏ、　２０
では、焼成温度を高めても焼結不良を越し特性も低いも
のであった。酸化アルミニウム単体の試料Ｎｏ、　２１
　Ｌこおいては特性上不十分であった。

さらに、焼成温度に関しては、１３００°Ｃより低い試
料Ｎｏ、２３は焼結不良により、また１９００°Ｃより
高い試料階２２は酸化アルミニウムの粒成長によってい
ずれも焼結体中にボイドが発生し、特性が劣化した。

これらの比較例に対して、本発明の試料はいずれも硬度
、靭性とも特性の内外差がなく、抗折強度６０　ｋｇ／
ｍｍ２以上、靭性４．　ＯＭＰａ　−ｍ””以上、ビア
カース硬度１８．　ＯＭＰａ−ｍ””以上が達成された
。

特に、焼結体中に針状の硼酸アルミニウムや酸化アルミ
ニウムを添加したものでは、靭性が最大１０ＭＰａ　　
−ｇ”’の焼結体が得られた。

（発明の効果）以上詳述した通り、本発明によれば硼化アルミニウムに
、酸化アルミニウム成分を添加した系にさらに炭素成分
を適量添加し、成形焼成す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ｆ）としての応用範囲をさらに拡大する
ことができる。

Claims

【特許請求の範囲】

　硼化アルミニウム粉末と、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しうる化合物と
からなる組成物１００重量部に対して炭素粉末あるいは
焼成により炭素を生成する化合物を炭素に換算して０．
０５〜８重量部添加し、これを成形後、１２００〜１９
００℃の温度で焼成することを特徴とするセラミックス
焼結体の製造方法。