JPH05170520A - 繊維強化セラミックス - Google Patents
繊維強化セラミックスInfo
- Publication number
- JPH05170520A JPH05170520A JP3342844A JP34284491A JPH05170520A JP H05170520 A JPH05170520 A JP H05170520A JP 3342844 A JP3342844 A JP 3342844A JP 34284491 A JP34284491 A JP 34284491A JP H05170520 A JPH05170520 A JP H05170520A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- whiskers
- volume
- toughness
- carbide
- nitrides
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- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】高い靱性を有し、かつ、鉄系材料の切削にも充
分適用可能な繊維強化セラミックスを提供する。 【構成】Tiの炭化物,窒化物および炭窒化物のうち1
種または2種以上と、Siの炭化物,窒化物および炭窒
化物のうち1種または2種以上とを合計10〜60体積
%含有し、残部が酸化アルミニウムと不可避不純物から
なり、かつ、上記TiおよびSiの炭化物,窒化物,炭
窒化物のうち10〜95体積%がウイスカーで構成し
た。
分適用可能な繊維強化セラミックスを提供する。 【構成】Tiの炭化物,窒化物および炭窒化物のうち1
種または2種以上と、Siの炭化物,窒化物および炭窒
化物のうち1種または2種以上とを合計10〜60体積
%含有し、残部が酸化アルミニウムと不可避不純物から
なり、かつ、上記TiおよびSiの炭化物,窒化物,炭
窒化物のうち10〜95体積%がウイスカーで構成し
た。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ウイスカー等の繊維状
物質を含有する繊維強化セラミックスに関し、より詳細
には高靱性に優れた特に工具材料として適した繊維強化
セラミックスに関する。
物質を含有する繊維強化セラミックスに関し、より詳細
には高靱性に優れた特に工具材料として適した繊維強化
セラミックスに関する。
【0002】
【従来技術】従来から使用されているアルミナ(以下、
Al2 O3 と称する)質焼結体は耐摩耗性に優れる反
面、靱性に劣るという欠点があるため従来から種々の提
案がなされている。
Al2 O3 と称する)質焼結体は耐摩耗性に優れる反
面、靱性に劣るという欠点があるため従来から種々の提
案がなされている。
【0003】その1つに、Al2 O3 に炭化珪素(以
下、SiCと称する)ウイスカーに代表される繊維状物
質を配合することにより靱性を改善することが、特開昭
61−286271号公報や特開昭62−41776号
公報等に開示されている。
下、SiCと称する)ウイスカーに代表される繊維状物
質を配合することにより靱性を改善することが、特開昭
61−286271号公報や特開昭62−41776号
公報等に開示されている。
【0004】これらの繊維強化セラミックスはいずれも
Al2 O3 を主体とし、これにSiCウイスカーを添加
し、ホットプレス等により焼成したものである。
Al2 O3 を主体とし、これにSiCウイスカーを添加
し、ホットプレス等により焼成したものである。
【0005】このようなSiCウイ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
性が良いため、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
切削性能を示す。
維強化セラミックスはSiC自体の硬度が高く、熱伝導
性が良いため、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
切削性能を示す。
【0006】また、繊維状物質としてSiCウイスカー
以外に炭化チタン(以下、TiCと称する)ウイスカー
を用いることも提案されている(特開平2−13336
9号公報等参照)。
以外に炭化チタン(以下、TiCと称する)ウイスカー
を用いることも提案されている(特開平2−13336
9号公報等参照)。
【0007】
【発明が解決しようとする問題点】しかしながら、Si
Cは鉄、特に酸化鉄と容易に反応するため、Al2 O3
−SiCウイスカー系の工具は多くの場合、他のAl2
O3 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SUS304を切削した場合、従来のA
l2 O3 系工具であれば、十分切削可能な条件であって
もSiCウイスカーを含有する工具では急激に摩耗が進
行し、切削不可能となる場合がある。また、鋳鉄を切削
する場合においてもAl2 O3 系工具よりも摩耗量が多
くなることが確認されている。
Cは鉄、特に酸化鉄と容易に反応するため、Al2 O3
−SiCウイスカー系の工具は多くの場合、他のAl2
O3 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SUS304を切削した場合、従来のA
l2 O3 系工具であれば、十分切削可能な条件であって
もSiCウイスカーを含有する工具では急激に摩耗が進
行し、切削不可能となる場合がある。また、鋳鉄を切削
する場合においてもAl2 O3 系工具よりも摩耗量が多
くなることが確認されている。
【0008】また、Al2 O3 −TiCウイスカー系工
具では靱性の向上は見られるが、それでも充分ではな
く、切削中過大な負荷が生じた場合に欠損し易いという
欠点があった。
具では靱性の向上は見られるが、それでも充分ではな
く、切削中過大な負荷が生じた場合に欠損し易いという
欠点があった。
【0009】
【問題点を解決するための手段】本発明者等は上記の問
題点に対し検討を重ねた結果、Al2 O3 を主成分とす
る複合材料において、焼結体中にTiの炭化物,窒化物
および炭窒化物のうち1種または2種以上と、Siの炭
化物,窒化物および炭窒化物のうち1種または2種以上
とを含有させ、これらのうちの一部をウイスカーとする
と、高い靱性を有し、かつ、鉄系材料の切削にも充分適
用可能な繊維強化セラミックスが得られることを知見し
た。
題点に対し検討を重ねた結果、Al2 O3 を主成分とす
る複合材料において、焼結体中にTiの炭化物,窒化物
および炭窒化物のうち1種または2種以上と、Siの炭
化物,窒化物および炭窒化物のうち1種または2種以上
とを含有させ、これらのうちの一部をウイスカーとする
と、高い靱性を有し、かつ、鉄系材料の切削にも充分適
用可能な繊維強化セラミックスが得られることを知見し
た。
【0010】さらに、本発明者等は、上記Al2 O3 に
Ti及びSiの炭化物,窒化物等と、Ti及びSiの炭
化物,窒化物等のウイスカーを混入したセラミックにお
いて、最適な焼結助剤を見出すことにより、従来のAl
2 O3 −SiCウイスカー添加系よりも優れた靱性等の
機械的特性を有する材料を得ることができることを知見
した。
Ti及びSiの炭化物,窒化物等と、Ti及びSiの炭
化物,窒化物等のウイスカーを混入したセラミックにお
いて、最適な焼結助剤を見出すことにより、従来のAl
2 O3 −SiCウイスカー添加系よりも優れた靱性等の
機械的特性を有する材料を得ることができることを知見
した。
【0011】即ち、本発明は、Tiの炭化物,窒化物お
よび炭窒化物のうち1種または2種以上と、Siの炭化
物,窒化物および炭窒化物のうち1種または2種以上と
を合計10〜60体積%含有し、残部が酸化アルミニウ
ムと不可避不純物からなり、かつ、上記TiおよびSi
の炭化物,窒化物,炭窒化物のうち10〜95体積%が
ウイスカーで構成された組成を有することを特徴とする
繊維強化セラミックスである。この繊維強化セラミック
スには、焼結助剤としてMg,Ti,Si,Zr及び希
土類元素の酸化物のうち1種または2種以上を0.1〜
10重量%含有していることが望ましい。
よび炭窒化物のうち1種または2種以上と、Siの炭化
物,窒化物および炭窒化物のうち1種または2種以上と
を合計10〜60体積%含有し、残部が酸化アルミニウ
ムと不可避不純物からなり、かつ、上記TiおよびSi
の炭化物,窒化物,炭窒化物のうち10〜95体積%が
ウイスカーで構成された組成を有することを特徴とする
繊維強化セラミックスである。この繊維強化セラミック
スには、焼結助剤としてMg,Ti,Si,Zr及び希
土類元素の酸化物のうち1種または2種以上を0.1〜
10重量%含有していることが望ましい。
【0012】以下、本発明を詳述する。
【0013】本発明の繊維強化セラミックスによれば、
Tiの炭化物,窒化物および炭窒化物のうち1種または
2種以上と、Siの炭化物,窒化物および炭窒化物のう
ち1種または2種以上とを10〜60体積%、特に20
〜45体積%の割合で分散含有させ、ウイスカーとして
アスペクト比1.5以上の粒子を、Ti及びSiの炭化
物,窒化物および炭窒化物のうち10〜95体積%、特
に20〜90体積%存在させる。
Tiの炭化物,窒化物および炭窒化物のうち1種または
2種以上と、Siの炭化物,窒化物および炭窒化物のう
ち1種または2種以上とを10〜60体積%、特に20
〜45体積%の割合で分散含有させ、ウイスカーとして
アスペクト比1.5以上の粒子を、Ti及びSiの炭化
物,窒化物および炭窒化物のうち10〜95体積%、特
に20〜90体積%存在させる。
【0014】ここで、Ti及びSiの炭化物,窒化物お
よび炭窒化物の量を上記の範囲に限定した理由は、その
量が10体積%を下回るとAl2 O3 の粒成長を抑制す
る効果が弱くなり、60体積%を越えると焼結性が低下
し、かつ、破壊靱性,抗折強度も低下するからである。
また、ウイスカーの量を、Ti及びSiの炭化物,窒化
物および炭窒化物のうちの10〜95体積%に限定した
のは10体積%未満では焼結体の靱性の向上が認められ
ないからであり、95体積%より多いと、焼結性が低下
し、抗折強度が低下するからである。
よび炭窒化物の量を上記の範囲に限定した理由は、その
量が10体積%を下回るとAl2 O3 の粒成長を抑制す
る効果が弱くなり、60体積%を越えると焼結性が低下
し、かつ、破壊靱性,抗折強度も低下するからである。
また、ウイスカーの量を、Ti及びSiの炭化物,窒化
物および炭窒化物のうちの10〜95体積%に限定した
のは10体積%未満では焼結体の靱性の向上が認められ
ないからであり、95体積%より多いと、焼結性が低下
し、抗折強度が低下するからである。
【0015】また、本発明によれば、上記のAl2 O3
−Ti及びSi系材料における焼結性を改善するために
焼結助剤を配合する。用いる焼結助剤としては、Mg,
Si,Ti,Zrおよび希土類元素の酸化物のうち少な
くとも1種が挙げられ、具体的には、Yb,Nd,E
r,Ce,Sm,Y,Gd,DyおよびLaが挙げられ
る。これらの焼結助剤は全量中0.1乃至10重量%、
特に0.3乃至7重量%の割合で含有される。上記助剤
の量が0.1重量%未満では焼結性が悪く緻密な材料が
得られず、ウイスカー添加系における靱性の改善がなさ
れない。また、10重量%を越えても靱性の向上に寄与
せず、硬度や抗折強度の低下を生ずる。
−Ti及びSi系材料における焼結性を改善するために
焼結助剤を配合する。用いる焼結助剤としては、Mg,
Si,Ti,Zrおよび希土類元素の酸化物のうち少な
くとも1種が挙げられ、具体的には、Yb,Nd,E
r,Ce,Sm,Y,Gd,DyおよびLaが挙げられ
る。これらの焼結助剤は全量中0.1乃至10重量%、
特に0.3乃至7重量%の割合で含有される。上記助剤
の量が0.1重量%未満では焼結性が悪く緻密な材料が
得られず、ウイスカー添加系における靱性の改善がなさ
れない。また、10重量%を越えても靱性の向上に寄与
せず、硬度や抗折強度の低下を生ずる。
【0016】本発明の繊維強化セラミックスの製造に際
しては、原料としてAl2 O3 と、Ti炭化物,窒化物
および炭窒化物のうち1種または2種以上と、Siの炭
化物,窒化物および炭窒化物のうち1種または2種以上
を用い、これに焼結助剤を添加混合する。
しては、原料としてAl2 O3 と、Ti炭化物,窒化物
および炭窒化物のうち1種または2種以上と、Siの炭
化物,窒化物および炭窒化物のうち1種または2種以上
を用い、これに焼結助剤を添加混合する。
【0017】本発明において用いられるウイスカーはそ
れ自体、単結晶あるいは多結晶からなるもので、その平
均径(短軸長)が2μm以下、特に0.2乃至0.7μ
mが好ましく、また、長径/短径で表されるアスペクト
比の平均が3〜100、特に10乃至30のものが用い
られる。平均径が2μm以下では焼結時の粒成長が過度
にならず、高い抗折強度を維持できるのに対し、平均径
が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、強度が低下し
靱性にばらつきが生じる。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。
れ自体、単結晶あるいは多結晶からなるもので、その平
均径(短軸長)が2μm以下、特に0.2乃至0.7μ
mが好ましく、また、長径/短径で表されるアスペクト
比の平均が3〜100、特に10乃至30のものが用い
られる。平均径が2μm以下では焼結時の粒成長が過度
にならず、高い抗折強度を維持できるのに対し、平均径
が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、強度が低下し
靱性にばらつきが生じる。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。
【0018】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くなり靱性が低下し、100よ
り大きいと原料の取扱いが難しく、均一に分散できない
ために靱性が低下する傾向にある。尚、この場合でも一
部を粉砕しながら混合すれば問題なく使用できる。
と繊維強化の効果が少なくなり靱性が低下し、100よ
り大きいと原料の取扱いが難しく、均一に分散できない
ために靱性が低下する傾向にある。尚、この場合でも一
部を粉砕しながら混合すれば問題なく使用できる。
【0019】Ti及びSiの炭化物,窒化物および炭窒
化物としては、その大きさ及び形状は任意に選択できる
が、粒成長抑制効果を大きくするためには平均粒径3μ
m以下が良い。
化物としては、その大きさ及び形状は任意に選択できる
が、粒成長抑制効果を大きくするためには平均粒径3μ
m以下が良い。
【0020】尚、本発明によれば、TiC成分とAl2
O3 成分との混合において、ウイスカーは焼成によりそ
のアスペクト比が小さくなる傾向にあるため、焼結体中
に存在させようとする量より若干多めの量で混合するこ
とが望ましい。
O3 成分との混合において、ウイスカーは焼成によりそ
のアスペクト比が小さくなる傾向にあるため、焼結体中
に存在させようとする量より若干多めの量で混合するこ
とが望ましい。
【0021】上記の各原料の混合物は、造粒及び乾燥に
よりウイスカーを均一に分散させる。また、スラリーを
噴霧乾燥することによりウイスカーを凝集させたりし
て、組織をコントロールとしても良い。そして、この混
合物を、所望の成形手段、例えば、金型プレス,冷間静
水圧プレス,押し出し成形等により成形した後、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
法等が適用される。
よりウイスカーを均一に分散させる。また、スラリーを
噴霧乾燥することによりウイスカーを凝集させたりし
て、組織をコントロールとしても良い。そして、この混
合物を、所望の成形手段、例えば、金型プレス,冷間静
水圧プレス,押し出し成形等により成形した後、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
法等が適用される。
【0022】焼成は温度1450〜1950℃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時間行えば良く、特に高密度の焼結体を得
るためには、普通焼成、ホットプレス法により対理論密
度比96%以上の焼結体を作成し、さらに熱間静水圧焼
成により500〜2000気圧,1450〜1950℃
で焼成すれば良い。
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時間行えば良く、特に高密度の焼結体を得
るためには、普通焼成、ホットプレス法により対理論密
度比96%以上の焼結体を作成し、さらに熱間静水圧焼
成により500〜2000気圧,1450〜1950℃
で焼成すれば良い。
【0023】
【作用】本発明の繊維強化セラミックスでは、ウイスカ
ーの配合により、Al2 O3 自体の有する特性を維持し
つつ、焼結体の靱性及び耐摩耗性を大きく改善するとと
もに、Si,Tiの配合によりAl2 O3 の粒成長を抑
制し、焼結体の強度等の特性を向上することができる。
即ち、高い靱性を有し、かつ、鉄系材料の切削にも充分
適用可能となる。
ーの配合により、Al2 O3 自体の有する特性を維持し
つつ、焼結体の靱性及び耐摩耗性を大きく改善するとと
もに、Si,Tiの配合によりAl2 O3 の粒成長を抑
制し、焼結体の強度等の特性を向上することができる。
即ち、高い靱性を有し、かつ、鉄系材料の切削にも充分
適用可能となる。
【0024】また、最適な焼結助剤を添加することによ
り、焼結性を向上することができるとともに、靱性等の
特性を向上することができる。
り、焼結性を向上することができるとともに、靱性等の
特性を向上することができる。
【0025】
【実施例】平均粒径1μm以下、純度99.9%以上の
Al2 O3 粉末と、平均粒径1μm以下のTiの炭化
物,窒化物,炭窒化物粉末の1種または2種以上と、平
均粒径1μm以下のSiの炭化物,窒化物,炭窒化物粉
末の1種または2種以上と、焼結助剤粉末を組成が表1
および表2となるように秤量した後、アトリッションミ
ルで12時間混合粉砕した。この混合粉末にアスペクト
比が10乃至60のウイスカーを所定量添加し、ナイロ
ンポット中にナイロンボールとともに密封し、回転ミル
で12時間混合を行った。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。
Al2 O3 粉末と、平均粒径1μm以下のTiの炭化
物,窒化物,炭窒化物粉末の1種または2種以上と、平
均粒径1μm以下のSiの炭化物,窒化物,炭窒化物粉
末の1種または2種以上と、焼結助剤粉末を組成が表1
および表2となるように秤量した後、アトリッションミ
ルで12時間混合粉砕した。この混合粉末にアスペクト
比が10乃至60のウイスカーを所定量添加し、ナイロ
ンポット中にナイロンボールとともに密封し、回転ミル
で12時間混合を行った。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。
【0026】
【表1】
【0027】
【表2】
【0028】この原料をカーボン型に充填し、1700
〜1920℃で1時間、300kg/mm 2 の圧力でホット
プレス焼成して、JIS1601に基づく3点曲げ抗折
強度、ビッカース硬度、また鏡面状態にポリッシングし
てIM法でK1cを測定した。尚、焼結体中のアスペク
ト比1.5以上のウイスカーは電子顕微鏡写真からの面
分析により求めた。
〜1920℃で1時間、300kg/mm 2 の圧力でホット
プレス焼成して、JIS1601に基づく3点曲げ抗折
強度、ビッカース硬度、また鏡面状態にポリッシングし
てIM法でK1cを測定した。尚、焼結体中のアスペク
ト比1.5以上のウイスカーは電子顕微鏡写真からの面
分析により求めた。
【0029】工具摩耗寿命を調査するための切削試験を
下記の条件で行った。
下記の条件で行った。
【0030】被削材 :インコネル718 切削速度(V) :300m/min 送り速度(f) :0.1mm/rev 切り込み(t) :2.0mm 切削油 :水溶性 寿命判定(mm):欠損するまでの切削時間 工具形状 :RNGN 120416 試験結果を表3に示す。
【0031】
【表3】
【0032】表3によれば、本発明の焼結材料の試料
(No.3,4,6〜12および14〜19)はいずれも
比較例(No.1,2,5,13,20)と比較して長寿
命であり、さらに、靱性,強度,硬度等に優れており、
長期にわたって優れた切削性能を発揮することが明らか
になった。
(No.3,4,6〜12および14〜19)はいずれも
比較例(No.1,2,5,13,20)と比較して長寿
命であり、さらに、靱性,強度,硬度等に優れており、
長期にわたって優れた切削性能を発揮することが明らか
になった。
【0033】
【発明の効果】本発明の繊維強化セラミックスは、Ti
の炭化物,窒化物および炭窒化物のうち1種または2種
以上と、Siの炭化物,窒化物および炭窒化物のうち1
種または2種以上とを合計10〜60体積%含有し、残
部が酸化アルミニウムと不可避不純物からなり、かつ、
上記TiおよびSiの炭化物,窒化物,炭窒化物のうち
10〜95体積%がウイスカーで構成したので、高い靱
性を有し、かつ、鉄系材料の切削にも充分適用可能な優
れた特性の繊維強化セラミックスを得ることができる。
の炭化物,窒化物および炭窒化物のうち1種または2種
以上と、Siの炭化物,窒化物および炭窒化物のうち1
種または2種以上とを合計10〜60体積%含有し、残
部が酸化アルミニウムと不可避不純物からなり、かつ、
上記TiおよびSiの炭化物,窒化物,炭窒化物のうち
10〜95体積%がウイスカーで構成したので、高い靱
性を有し、かつ、鉄系材料の切削にも充分適用可能な優
れた特性の繊維強化セラミックスを得ることができる。
Claims (2)
- 【請求項1】Tiの炭化物,窒化物および炭窒化物のう
ち1種または2種以上と、Siの炭化物,窒化物および
炭窒化物のうち1種または2種以上とを合計10〜60
体積%含有し、残部が酸化アルミニウムと不可避不純物
からなり、かつ、上記TiおよびSiの炭化物,窒化
物,炭窒化物のうち10〜95体積%がウイスカーで構
成された組成を有することを特徴とする繊維強化セラミ
ックス。 - 【請求項2】焼結助剤として、Mg,Ti,Si,Zr
及び希土類元素の酸化物のうち1種または2種以上を
0.1〜10重量%含有していることを特徴とする請求
項1記載の繊維強化セラミックス。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3342844A JPH05170520A (ja) | 1991-12-25 | 1991-12-25 | 繊維強化セラミックス |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3342844A JPH05170520A (ja) | 1991-12-25 | 1991-12-25 | 繊維強化セラミックス |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05170520A true JPH05170520A (ja) | 1993-07-09 |
Family
ID=18356934
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3342844A Pending JPH05170520A (ja) | 1991-12-25 | 1991-12-25 | 繊維強化セラミックス |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05170520A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104233512A (zh) * | 2014-09-24 | 2014-12-24 | 中国科学院过程工程研究所 | 复相陶瓷纤维及其制备方法 |
-
1991
- 1991-12-25 JP JP3342844A patent/JPH05170520A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104233512A (zh) * | 2014-09-24 | 2014-12-24 | 中国科学院过程工程研究所 | 复相陶瓷纤维及其制备方法 |
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