JPH0483753A

JPH0483753A - アルミナ質繊維強化セラミックス

Info

Publication number: JPH0483753A
Application number: JP2196909A
Authority: JP
Inventors: Katsura Hayashi; 桂林; Katsumi Sakagami; 勝伺坂上
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1990-07-25
Filing date: 1990-07-25
Publication date: 1992-03-17

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、ウィスカー等の繊維状物質を含有する繊維強
化セラミックスに関し、詳細には高靭性を有し特に切削
工具や、その他耐摩耗性部品に適したセラミックスに関
する。

（従来技術）アルミナ（Ａ１２０３　）Ｎ焼結体は、耐摩耗性に優れ
た材料として各種の産業機械用部品に応用されている反
面、靭性に劣るという欠点を有するために利用分野の拡
大が阻害されている。

そこで従来から靭性を改善するために各種の改良が提案
されている。

その１つの例に、炭化珪素（Ｓ　ｉ　Ｃ）ウィスカーに
代表される繊維状物質を配合することにより靭性を改善
することが特開昭６１−２８６２７１号や特開昭６２−
４１７７６号等にて提案されている。

このようなＳｉＣウィスカーを含有する繊維強化セラミ
ックスはＳｉＣ自体の硬度が高く、熱伝導性がよいため
に、切削工具として用いた場合、一部の超耐熱合金の切
削（インコネル７１８の荒切削）では優れた性能を示し
ている。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、ＳｉＣは鉄、特に酸化鉄と容易に反応し
やすい性質を有するために、Ａ１□０３−３ｉＣウイス
カー系工具は多くの場合、他のＡ１゜０３を主体とする
工具に比較して摩耗量が多くなる傾向にある。例えば、
５ＵＳ３０４を切削した場合、従来のＡｈ○３系工具で
あれば、十分切削可能な条件であってもＳｉＣウィスカ
ーを含有する工具では急激に摩耗が進展し切削が不可能
となる問題がある。また、鋳鉄の切削においてもＡｈ０
３系工具よりも摩耗量が大きいことが確認されている。

このように、Ａｌ４Ｃｈ　　ＳｉＣウィスカー系工具で
は被削材によってその切削性能が大きく変化するという
問題がある。

ところが、最近に至りこのような被削材との反応性を防
止することを目的として、ＳｉＣウィスカーに代わり、
ＳｉＣよりも鉄との反応性が低い炭化チタン（Ｔｉｃ）
の繊維状物質（ウィスカー）を添加することが提案され
ているが、セラミックスの抗折強度、靭性、硬度等の特
性の点から未だ十分に検討されておらず、実用的なレヘ
ルに達していないのが現状であった。

（問題点を解決するための手段）本発明者等は、上記ＡＩＺＯ＋ｌ　−Ｔ　ＩＣウィスカ
ー系セラミックスに対して、詳細に検討を重ねた結果、
この材料に対して少量の炭素を添加することにより、破
壊靭性をはじめとする機械的特性を向上できることを知
見し本発明に至った。

即ち、本発明はＴｉＣウィスカーを５〜６０体積％の割
合で含有するＡ１□０３質繊維強化セラミックスにおい
て、炭素を０．０５〜２重量％の割合で添加したことを
特徴とするもので、さらに上記の系に対してＭｇ、Ｙ、
希土類元素、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒから選ばれる少なくとも
１種の酸化物を０．１〜３重量％の割合で添加すること
を特徴とするものである。

以下、本発明を詳述する。

本発明において用いられるＴｉＣウィスカーは、それ自
体、単結晶あるいは多結晶質からなるもので、その平均
径は２μｍ以下、特に０．２〜０．７μｍであることが
好ましい。平均径が２μｍ以下では、マトリックス成分
であるＡ１．０３との熱膨張差による応力が過度になら
ず、高い抗折強度を維持できるからであり、平均径が大
きく成り過ぎると均一に分散することも難しくなり、強
度、靭性ともバラツキが生じやすく、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ためである
。

一方、ウィスカーの長径／短径で表されるアスペクト比
が小さすぎると繊維強化の効果が小さく高い靭性が得ら
れにくく、逆に大きすぎると原料としての取扱が難しく
、均一に分散することができないために高い靭性を得る
ことが難しくなる。

よって、アスペクト比の平均は３〜１００、特に１０〜
３０のものが好適に使用される。

このようなＴｉＣウィスカーは、例えば酸化チタンウィ
スカーを炭化処理したり、ＣＶＤ法により合成すること
ができる。

このＴｉＣウィスカーは、アルミナを主成分とするマト
リックス成分中に全量中５〜７０体積％、特に２５〜５
０体積％になるように分散含有させる。ウィスカーの量
を上記の範囲に設定したのは、ウィスカー量が５体積％
未満では、ウィスカー添加による靭性向上効果が小さく
、７０体積％を越えると系全体の焼結性が低下する。な
お、機械的特性および焼結の容易性を考慮すれば、Ｔｉ
Ｃウィスカーの添加量は２５〜４５体積％であり、最適
には３０〜４０体積％がよい。

本発明によれば、上記Ａｌ２Ｏ３−Ｔ　ｉＣウィスカー
系において炭素を０．０５〜２重量％、特に０．５〜１
重量％の割合で添加することが重要である。

この炭素粉末は平均粒径１μｍ以下、特に０．５μｍ以
下の炭素粉末や焼成により炭素を発生しうるフェノール
樹脂等の有機化合物を添加するか、あるいは予めＴｉＣ
ウィスカーの表面に塗布された炭素であってもよい。な
お、炭素の量を上記の範囲に設定したのは、炭素の添加
量が０．０５重量％より少ないと靭性向上効果が小さく
、２重量％を越えると焼結性および焼結体の硬度や強度
が低下する。

またウィスカーを分散するためのマトリックスはＡ　ｌ
　ｚ　０１を主体とするが、焼結助剤としてＭｇ、Ｙ、
希土類元素、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒから選ばれる少なくとも
１種以上の酸化物を添加することによりマトリックス成
分としての焼結性を高め、特性の向上を図ることができ
る。しかしこの助剤量が多すぎると焼結体の靭性が低下
する。よってこれらの焼結助剤は、全量中０．１〜３重
量％、特に０゜５〜２重量％の割合で添加するのがよい
。なお、ここで用いられる希土類元素としてはＹｂ、Ｎ
ｄ、Ｅｒ、Ｃｅ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｄｙ等が挙げられる。

本発明の繊維強化セラミックスを製造するには、まず前
記ＴｉＣウィスカー、アルミナ粉末、炭素粉末、必要に
応じて焼結助剤を前述した割合で混合、粉砕後に所望の
成形手段、金型プレス、押し出し成形、射出成形、冷間
静水圧成形等によって成形後、焼成する。

焼成は、普通焼成、ホットプレス法、熱間静水圧焼成法
等が適用され、１６５０°Ｃ−１８５０°Ｃの温度でＡ
ｒや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中
で０．５〜６時間行う。特に高密度の焼結体を得るため
には、普通焼成あるいは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、この焼結体をさら
に熱間静水圧焼成すればよい。

７・（作用）ＴｉＣウィスカーの表面には通常Ｔｉ０ｚ等の酸化物が
その表面に存在する。このようなウィスカーをＡ　１　
ｚ　Ｏ］マトリックス中に分散すると表面のＴｉＯ□と
Ａ　１　ｔ　Ｏ３が反応し癒着する。繊維強化セラミッ
クスにおいてマトリックス成分とウィスカー成分が反応
するとウィスカー添加により靭性向上を担うウィスカー
の引き抜き効果が低下するために靭性の向上が低下する
。

そこで、炭素粉末を添加することによりＴｉＣウィスカ
ー表面の酸素が還元除去され、マトリックス成分とウィ
スカー成分との反応を抑制しウィスカーの引き抜き効果
を顕著に発揮させるこにより焼結体の靭性を向上するこ
とできる。

また、焼結助剤の添加によりマトリックス成分の焼結性
を高めることにより高密度が図られ、焼結体全体の強度
靭性を高めることができる。

以下、本発明を次の例で説明する。

（実施例）平均粒径１μｍ以下、純度９９．９％以上のＡｈ０３粉
末と、所望により第１表の酸化物および炭素粉末を秤量
後、回転ミルにて１２時間混合粉砕した。この混合粉末
に平均粒径１μｍ、アスペクト比が１０〜３０のＴｉＣ
ウィスカーを所定量添加し、回転ミルで１２時間混合し
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、所定の温度で１時間、
３００ｋｇ／ｃｍ２の圧力でホットプレス焼成してＪＩ
Ｓ規格に基づく抗折試験片を作成した。

また、第１表中試料Ｎα２０〜２６に関しては炭素粉末
を添加する変わりに、ＴｉＣウィスカーとしてその表面
に１重量％相当分の炭素を塗布したものを使用した。

得られた各試料を研磨して３点曲げ抗折強度を、ピンカ
ース硬度、また鏡面にポリッシング加工し１Ｍ法で靭性
（ＫＩＣ）を測定した。

また、顕微鏡写真から組織観察し焼結性について評価し
た。

結果は、第１表に示す。

Ｃ以下余白）第１表のよれば、炭素粉末を全く添加しない試料間１で
は、その靭性値が４．５ＭＰ　ａ　−ｍ””程度と低い
。これに対して、炭素を添加することによって抗折強度
および靭性等を向上することができるが、炭素量が２重
量％を越える試料Ｎα６では焼結性が大きく低下し焼結
体にボイドが発生し抗折強度が低下し靭性は測定するこ
とができなかった。

また、焼結助剤を添加しない試料Ｎα７では焼結温度を
高めることによって優れた特性を得ることができるが、
焼結助剤を適量添加することによって焼成温度を低くす
るとともに特性の安定性を図ることができる。しかし、
焼結助剤量が３重量％を越える試料Ｎ１１１１２では、
抗折強度、靭性ともに低下した。

さらに、ＴｉＣウィスカーの添加量に関しては全く添加
しない試料Ｎα２０では、抗折強度、靭性ともに低い値
であった。また、６０体積％を越える試料陥、２６では
、焼結性が低下し特性は大きく低下した。

第１表において、本発明に基づき作成した試料は、いず
れも抗折強度６０ｋｇ／ｍｍ２以上、靭性５．ＯＭＰ　
ａ　−ｍ””以上、ビッカース硬度１８００ｋｇ／ｍｍ
２以上が達成された。

（発明の効果）以上詳述した通り、本発明のＡ１□Ｏ：ｌ　　Ｔ　ｉＣ
ウィスカー系セラミックスは、これまでのＡ　ｌ　ｚ　
Ｏ３ＳｉＣウイスカー系に比較して酸化鉄との反応性が
低減されるという効果を維持しつつ、その靭性、耐摩耗
性ならびに強度をさらに向上することができるために、
あらゆる被削材に対応しうる工具用材料として、あるい
はその他の機械部品として繊維強化セラミックスの用途
を拡大することができる。

特許出願人（６６３）京セラ株式会社

Claims

【特許請求の範囲】

（１）炭化チタンウイスカーを５〜６０体積％の割合で
含有するアルミナ質繊維強化セラミックスにおいて、炭
素を０．０５〜２重量％の割合で添加したことを特徴と
するアルミナ質繊維強化セラミックス。
（２）炭化チタンウイスカーを５〜６０体積％の割合で
含有するアルミナ質繊維強化セラミックスにおいて、炭
素を０．０５〜２重量％、Ｍｇ、Ｙ、希土類元素、Ｎｉ
、Ｃｏ、Ｃｒから選ばれる少なくとも１種の酸化物を０
．１〜３重量％の割合で添加したことを特徴とするアル
ミナ質繊維強化セラミックス。