JPH05295352A

JPH05295352A - Ａｌ２Ｏ３複合セラミック研摩材料、工具材料及びその製法

Info

Publication number: JPH05295352A
Application number: JP4125450A
Authority: JP
Inventors: Seiji Shimanoue; 誠司島ノ上; Kenji Oshima; 健司大島; Tsugio Ito; 次男伊藤; Hideyuki Tomita; 秀幸富田; Misao Iwata; 美佐男岩田; Eiichi Hisada; 栄一久田; Koichi Niihara; 晧一新原; Atsushi Nakahira; 敦中平
Original assignee: Noritake Co Ltd
Current assignee: Noritake Co Ltd
Priority date: 1992-04-20
Filing date: 1992-04-20
Publication date: 1993-11-09

Abstract

(57)【要約】【構成】α−Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とするマトリックス８０
vol％〜９９vol％と高耐火性ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ｔｉ
Ｃ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ中の１種以上の分散強化粒子１〜
２０vol％とから本質上なり、該分散強化粒子はα−Ａ
ｌ₂Ｏ₃粒子内に分散し粒子内破壊性であるＡｌ₂Ｏ₃系複
合セラミック研摩材料、工具材料（分散粒子はＳｉＣ、
Ｓｉ₃Ｎ₄）。【効果】分散強化粒子のα−Ａｌ₂Ｏ₃粒子内での分散に
よりマトリックス破損時にα−Ａｌ₂Ｏ₃粒子が粒子内破
壊を起こすため、研摩粒及び工具先端に常に鋭利な切れ
刃を生ずる。破壊靱性値４．５MPam^1/2以上、硬度２０G
Pa以上を有し耐チッピング性、耐摩耗性に優れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高靱性Ａｌ₂Ｏ₃系複合セ
ラミック研摩材料、工具材料（特に切削工具）、特に高
靱性高硬度、高耐摩耗なＡｌ₂Ｏ₃系複合セラミック研摩
材料、工具材料及びその製法に関する。

【０００２】

【従来技術および課題】従来よりＡｌ₂Ｏ₃は電気的性
質、高硬度等の特性的な特徴や寸法安定性、易焼結性、
原料安価等の生産的な特徴により集積回路用の基板やパ
ッケージ、切削工具用チップ、研削工具用砥材、耐摩耗
部品、耐火材料として工業的に広く利用されている。工
具とした場合、その寿命はＡｌ₂Ｏ₃の高硬度による耐摩
耗性のみに依存するだけでなく、実際には工具の欠け及
び割れに左右され、摩耗が非常に少ない状態でも交換し
なければならないことが多く、強度、特に靱性の一層の
向上が望まれる。しかし、Ａｌ₂Ｏ₃は絶対的な靱性が低
く、さらに幅広く高性能なセラミック工具をＡｌ₂Ｏ₃の
みで提供するには限界の状態である。

【０００３】Ａｌ₂Ｏ₃の強度の増加、靱性の向上のため
に第２成分を添加、分散させる試みはなされている。例
えば、特開昭５９−３７６６号公報、同６１−２１９６
４号公報、同６１−１７４１６５号公報、同６３−２８
２１５８号公報等である。これらではＡｌ₂Ｏ₃の強度の
増加、靱性が述べられているが、添加される第２成分は
主に、マトリックスを形成するＡｌ₂Ｏ₃の粒子間、即ち
粒界に存在する。このために、破壊時に粒界破壊を生じ
るＡｌ₂Ｏ₃焼結体にあっては限界があり、これ以上の強
度及び靱性の向上は望めない。さらに、粒界破壊を生じ
るために、粒成長を充分に制御してない焼結体では、チ
ッピングが大きく、工具先端も、粒子の形状の如く丸味
をおび、鋭利な切れ刃は期待できない。

【０００４】一方、Ａｌ₂Ｏ₃質研摩材は溶融法または焼
結法により、製造されている。一般的に、上記の方法に
より製造された研摩材は重研削用である。近年、研摩材
に必要とされる項目の中には、精密研削加工があるが、
これは超砥粒であるダイヤモンド、立方晶窒化ほう素
（ＣＢＮ）が主流であり、Ａｌ₂Ｏ₃質研摩材は適さな
い。

【０００５】しかし、かかる超砥粒はＡｌ₂Ｏ₃質研摩材
に対して１００〜２００倍という高価格であり、大量に
消費される研摩材としては実用的でない。そのため低価
格のＡｌ₂Ｏ₃質研摩材に種々の改良を加え、精密研削加
工に充分使用できるＡｌ₂Ｏ₃質研摩材料の製造が試みら
れている。特開昭５６−３２３６９号公報、同６０−２
３１４６２号公報では、ゾル−ゲル法を用いてなる焼結
体研摩材が提案されているが、一般にゾル−ゲル法は工
程が繁雑であり、大量生産に際しては、不安定な因子が
多い。また精密研削の大半を占める湿式研削においては
充分な効果が得られていない。また、焼結法により製造
された研摩材の破損及び、摩耗時には、前述のように、
Ａｌ₂Ｏ₃の粒界により生じ、焼成の際の粒成長が充分に
抑えられていないと、チッピング量が大きく、さらに研
摩材の先端は粒子の形状の如く、丸味を呈する。このた
めに、研摩材の損傷が著しくかつ、切れ味も悪くなる。

【０００６】さらに一般的構造材料としてのＡｌ₂Ｏ基
焼結体としては、アルミナ結晶粒子内にＴｉＮ、Ｓｉ
Ｃ、ＴｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄等の粒内分散粒子を含むことによ
り、靱性及び強度を向上させることは一般にナノ複合材
料として知られている（特願昭６４−８７５５２、特開
平１−１８８４５４、２−２２９７５６、２−２２９７
５７及び NIKKEI MECHANICAL 1990.6.25号１〜８頁新
原論文等）。しかし構造材としての靱性強化は、従来研
摩材に必要な特殊な特性とは一般には合致しないことが
知られている。

【０００７】本発明の目的は、従来のＡｌ₂Ｏ₃質研摩
材、工具における上述の欠点を克服し、耐摩耗性、耐チ
ッピング性に優れ、常に安定な切れ味を提供可能なＡｌ
₂Ｏ₃系複合セラミック研摩材料及び工具材料と、その製
法を提供することである。

【０００８】

【問題点を解決するための手段】本発明のＡｌ₂Ｏ₃系複
合セラミック研摩材料はα−Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とするマ
トリックス８０vol％〜９９vol％と、Ｓｉ、Ｔｉの炭化
物、窒化物及び炭窒化物中の１種以上の分散強化粒子１
〜２０vol％とから本質上なり、該分散強化粒子はα−
Ａｌ₂Ｏ₃粒子内に分散し粒子内破壊性であることを特徴
とする。本発明の工具材料（特に切削工具として使用可
能）は、上述の「Ｓｉ、Ｔｉ」を「Ｓｉ」としたもので
ある。

【０００９】上記分散強化粒子がマトリックスを形成す
るα−Ａｌ₂Ｏ₃粒子内に分散する効果により、破壊靱性
値が４．５MPam^1/2以上、硬度１７GPa以上（好ましくは
２０GPa以上）を有する、耐チッピング性、耐摩耗性に
優れる。分散強化粒子は典型的にはナノ粒子（粒径１μ
ｍ未満）であるが、本発明の目的にはＡｌ₂Ｏ₃マトリッ
クス結晶粒子の寸法に対応して約２μｍ以下とすること
ができる。

【００１０】すなわち、Ａｌ₂Ｏ₃と（好ましくはある程
度の熱膨張差を持つ）高耐火性分散強化粒子が、α−Ａ
ｌ₂Ｏ₃粒子内に分散することにより、充分に強度、靱性
ともに増大がなされ、材料破損時に、α−Ａｌ₂Ｏ₃粒子
が粒子内破壊を起こすために、工具先端に常に鋭利な切
れ刃を提供することにより、安定な切れ味を提供できる
Ａｌ₂Ｏ₃系複合セラミック研摩材料及び工具材料が提供
される。

【００１１】また、本発明の製造法では粒径１μｍ以下
の上記分散強化粒子を１vol％〜２０vol％含み、残部が
粒径１μｍ以下のＡｌ₂Ｏ₃粉末である調合粉末を調製
し、１４００゜〜１８００℃で焼結して粒子内分散強化
されかつ粒子内破壊性のＡｌ₂Ｏ₃系複合セラミック研摩
材料を得ることを特徴とする。

【００１２】

【好適な実施の態様】本発明でＡｌ₂Ｏ₃結晶粒子内の分
散強化粒子としては、Ａｌ₂Ｏ₃よりも本質上十分高い耐
火度及び硬度を有するセラミック粒子を用いる。この強
化分散粒子としては、研摩材料としては、Ｓｉ、Ｔｉの
炭化物、窒化物、炭窒化物等が挙げられ、ＳｉＣ、Ｓｉ
₃Ｎ₄、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等がある。但し、工具
材料としてはＳｉの炭化物、窒化物、炭窒化物等が挙げ
られる。

【００１３】強化分散粒子の量は好ましくは２〜１０vo
l％とする。強化分散粒子の粒子径は約２μｍ以下と
し、アルミナマトリックス結晶粒子の寸法に比し凡そ５
分の１〜２０分の１とすることが好ましく、典型的には
０．２μｍ〜０．７μｍ程度のものが得られる。アルミ
ナ結晶粒子の寸法は０．５〜１００μｍの範囲にあるこ
とが本発明の目的上好ましい。

【００１４】

【作用】本発明のＡｌ₂Ｏ₃系複合セラミック材料をさら
に詳しく説明する。

【００１５】Ａｌ₂Ｏ₃は本来、異方性粒子であり、焼成
後の冷却時に、熱膨張の異方性により粒界に剪断応力が
発生する。このため、焼結体の破損時に常に粒界破壊を
生じる。この粒界破壊を防ぐために、Ａｌ₂Ｏ₃粒子中に
Ａｌ₂Ｏ₃よりも高耐火性或いは熱膨張の異なる粒子を分
散させ、Ａｌ₂Ｏ₃の焼成後の冷却過程においてＡｌ₂Ｏ₃
粒子内に局所的な残留応力ないしは空隙効果を発生させ
て、これを利用する。この局部応力により、分散させた
粒子の周りに転移が発生する。この転移はＡｌ₂Ｏ₃より
高温まで硬い分散粒子によりピニングされ、サブ粒界を
形成し、マトリックスの粒内を分割、実質的に微細粒化
する。これにより破壊源の寸法が小さくなる。また、Ａ
ｌ₂Ｏ₃粒子内に存在する分散粒子によって、破壊時のク
ラックを偏向させたりトラップする。このような機構に
より、Ａｌ₂Ｏ₃系複合セラミック材料は実質的に大幅に
強度増大、破壊靱性向上が達成される。即ち、高強度か
つ特に高靱性の該Ａｌ₂Ｏ₃系複合セラミック材料を使用
することにより、工具材料の欠け及び割れを低減するこ
とが可能であり、各材料本来の性能を発揮させ、かつ、
長寿命化でき、無用な工具の交換を省くことができる。
また、本発明のＡｌ₂Ｏ₃系複合セラミック材料を研摩粒
子に使用すれば、従来のＡｌ₂Ｏ₃系の研摩粒子に比較し
て、格段に優れた強度かつ特に靱性により研削時の研摩
粒子の破損を激減でき、材料そのものの性能を発揮でき
る。

【００１６】なお、熱膨張係数についてみると、Ａｌ₂
Ｏ₃の８×１０^-6cm／℃に対し、ＳｉＣ４．３〜４．５
×１０^-6、Ｓｉ₃Ｎ₄４．８×１０^-6、ＴｉＣ７．６１×
１０^-6、ＴｉＮ９．３５×１０^-6cm／℃であり、熱膨張
の差はそれほど大きくない場合でも同様の効果がある。

【００１７】これに加え、前述のように分散粒子の添加
によりマトリックスであるＡｌ₂Ｏ₃粒子内に形成された
サブ粒界が本発明のＡｌ₂Ｏ₃系複合セラミック研摩材料
及び工具材料を非常に特徴付けるものとする。これにつ
いて以下に詳細に説明する。

【００１８】Ａｌ₂Ｏ₃質の切削工具や焼結砥粒が摩耗す
る状態を微視的に観察すると、Ａｌ₂Ｏ₃粒子そのものが
削れるように摩耗する場合のみではなく、Ａｌ₂Ｏ₃粒子
が粒界より脱落する場合が多い。これは前述のようにＡ
ｌ₂Ｏ₃が異方性であるために、粒界に残留応力を有する
ためである。このために、Ａｌ₂Ｏ₃が本来有する高硬度
を充分に活かし切っていない場合が多い。粒子の脱落を
軽減するためには焼成時の粒成長を充分に抑制する必要
があるが、これは、不安定な要素が多く大量に生産する
際には不適当であり、確率論的に存在する粗大粒は不可
避である。一方、Ａｌ₂Ｏ₃に何らかの添加物を導入して
複合材を焼成し、添加物により粒成長を抑制する試みも
なされているが、いずれの方法にしても粒界よりの脱落
は不可避であった。粒界よりの脱落が生じると、工具又
は研摩粒子の先端には常に粒界が存在し、粒子の形状の
ままであるため微視的には丸味を帯びた形状を呈する。
一方、本発明によるＡｌ₂Ｏ₃系複合セラミック研摩材料
及び工具材料によれば、分散粒子によりＡｌ₂Ｏ₃の粒界
には残留応力が無くなり、粒界よりの破壊を抑制でき
る。このために、該材料が本来有する硬度を活用可能で
ある。また、サブ粒界を粒子内に形成することから、実
質的に粒成長を抑制した効果がある。破壊はサブ粒界よ
り生じるため、従来のＡｌ₂Ｏ₃質工具に比較して破壊時
の脱落量は圧倒的に少ないものとなる。即ち摩耗量が低
減でき、工具寿命に効果がある。加えてサブ粒界よりの
粒内破壊であるために、工具又は研摩粒子の先端は鋭利
な形状を有し、切れ味を良好にする効果がある。本発明
のＡｌ₂Ｏ₃系複合工具材料又は研摩材料によれば、切れ
味が良好、長寿命であり欠け割れの少ない工具又は、切
れ味が良く、寿命の長い研摩粒子が得られる。

【００１９】本発明のＡｌ₂Ｏ₃系複合セラミック材料に
ついて、さらに説明する。

【００２０】該複合材料のマトリックスは、α−Ａｌ₂
Ｏ₃よりなり、分散粒子はＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＴｉＣ、
ＴｉＮ、およびＴｉＣＮのうちの一種よりなり、切削工
具用材料としては好ましくはＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄の一種以
上よりなる。焼成後のＡｌ₂Ｏ₃の粒子径は０．５〜１０
０μｍであり（但し、平均粒子径は数十μｍのオーダ以
下とすることが好ましい）、分散粒子の粒子径はＡｌ₂
Ｏ₃の粒子径に対応して約２．０μｍ以下の数値をと
り、分散粒子はＡｌ₂Ｏ₃粒子内に分散する。これらの粒
子径および粒子の分散状態は透過型電子顕微鏡により、
観察される。分散粒子の量は１vol％〜２０vol％、好ま
しくは２vol％〜１０vol％である。１vol％以下では、
粒子の粒内分散効果が充分に出ない。２０vol％以上で
は焼結が進行しにくく、焼成温度を高くすると不経済的
なばかりか、異常粒成長の恐れがあるためである。Ａｌ
₂Ｏ₃の粒子径は０．５〜１００μｍにおいて、強度、靱
性の特性が良好な値を示す。（より好ましくは０．５〜
５μｍとする）

【００２１】本発明のＡｌ₂Ｏ₃系複合セラミック材料の
製法についてさらに説明する。

【００２２】該複合材料の出発原料は、１μｍ以下の平
均結晶粒径を有するα−Ａｌ₂Ｏ₃もしくはγ−Ａｌ₂Ｏ₃
粉と、１μｍ以下の平均結晶粒径を有するＳｉＣ、Ｓｉ
₃Ｎ₄、ＴｉＣ、ＴｉＮ、およびＴｉＣＮのうち一種の分
散強化粒子を混合したものよりなる。Ａｌ₂Ｏ₃が１μｍ
以下の平均結晶粒径が好ましいのは、焼結が進行し易
く、焼成中に分散粒子をマトリックス粒子内に取り込む
必要があるためである。分散強化粒子の粒径が１μｍ以
下であるのは、マトリックスのＡｌ₂Ｏ₃粒子に取り込ま
れ易くするためである。原料のＡｌ₂Ｏ₃は焼成後α型に
なるものであればαもしくはγでも構わないが、可能な
限り高純度であることが望ましい。これは、焼結後の特
性に大きく影響を与えるためである。（例えば純度９
９．８％以上、より好ましくは９９．９％以上）高純度
Ａｌ₂Ｏ₃の使用により、複合焼結体のＡｌ₂Ｏ₃結晶粒子
の粒界相成分を最低限に抑えることができる。

【００２３】原料粉末の混合は、湿式または乾式のいず
れかまたは双方により行なえば良いが、充分に混合され
ている必要がある。混合が不充分であると、焼成密度が
向上しないばかりか、焼成温度を高くする必要が生じ、
焼成後の特性を劣化させる原因となる。

【００２４】焼成は分散粒子の酸化を防ぐために、分散
粒子に応じて真空雰囲気、Ｎ₂、Ａｒ等の不活性雰囲
気、Ｈ₂等の還元雰囲気のいずれかが好ましい。焼成が
充分に行なえ、焼結体の緻密化が進行すれば、常圧炉、
ホットプレス炉、ＨＩＰ炉のいずれの方法でも良いが、
緻密化と粒成長の制御のため、焼成温度は１４００゜〜
１８００℃が好ましい。焼結に際しては必要に応じ予成
形を行うことが好ましい。

【００２５】研摩粒子の製法について特に記述する。混
合粉末はＣＩＰ成形により圧粉体とする。圧粉体を圧潰
し、その後、所望の粒径に揃う様に篩分けを行なう。焼
成時の粒子同志の固着を防ぐために耐火性粉末媒体とし
て六方晶窒化ほう素粉末（ｈＢＮ）を予じめ混ぜる。焼
成後はこのｈＢＮを洗浄した後、再篩分けを行ない、所
望の粒径とする。

【００２６】以下本発明をさらに例示的に実施例に基づ
いて説明する。

【００２７】

【実施例】

（実施例１）混合粉体調製市販のγ−Ａｌ₂Ｏ₃（純度９９．９％以上、平均粒径
０．４μｍ以下）とβ−ＳｉＣ（純度９８％以上、平均
粒径０．３μｍ以下）を出発原料に用いた。γ−Ａｌ₂
Ｏ₃ ９５vol％、β−ＳｉＣ５vol％となるように、
全量１００ｇとした。これを５００mlポリエチレン製の
広口びんに、Ａｌ₂Ｏ₃玉石約１００ｇと、エタノールを
共に入れ、湿式混合を１０時間行なった。混合粉体は充
分に乾燥した後、Ａｌ₂Ｏ₃玉石約１００ｇと共に再度、
乾式混合２４時間を行なった。

【００２８】（実施例２）焼成混合粉体をカーボン製のダイス（内寸法直径５０mm）に
充填し、１６００℃、３０MPa Ｎ₂雰囲気中にて１時間
ホットプレス焼成（焼成後厚み５mm）を行なった。これ
を供試材として以下の試験を行なった。

【００２９】（実施例３）特性評価焼結体の密度をアルキメデス法により測定した結果、
３．８９g/cm³であった。これは９５vol％−αＡｌ₂Ｏ₃
および５vol％−βＳｉＣの理論密度より算術的に求め
た理論比重に対して、９９．０％であり、焼結の緻密化
が進行していることが確認できた。微細組織について、
ＴＥＭ観察を行なったところ、α−Ａｌ₂Ｏ₃の平均結晶
粒子径は１０μｍ、β−ＳｉＣについては０．５μｍで
あり、β−ＳｉＣ粒子は、マトリックスであるα−Ａｌ
₂Ｏ₃粒子中に分散していることが確認できた。次に、供
試材よりＪＩＳＲ１６０１に準じて、３点曲げ試験片
を作製した。これについてＪＩＳＲ１６０１に準じ
て、室温における３点曲げ強度を測定した。この結果、
曲げ強度の平均値は９３５．１MPaであり充分に高強度
化されていることが確認できた。破壊靱性値について
は、曲げ強度測定後の試験片を用いて、ＩＭ法により測
定した。

【００３０】その結果、本供試材の破壊靱性値は４．８
MPam^1/2であり、同時に測定したビッカース硬度は２
０．１GPaであった。以上の結果より分散強化粒子がマ
トリックスであるＡｌ₂Ｏ₃粒子中に分散し、これにより
本材料が充分に高強度、高靱性化されたことが確認でき
た。

【００３１】（実施例４）砥石の作製、および評価１．混合粉体の調製にて、作製した混合粉体を、冷間静
水圧成形（ＣＩＰ）用のビニール袋の中に入れ脱気し
て、真空パック処理した。この袋ごと約１．５Ton/cm²
の圧力により、ＣＩＰを行なった後、圧粉体を取り出
し、乳鉢で圧潰した。これを所望の粒径に篩分けし、六
方晶窒化ほう素（ｈＢＮ）粉末２００ｇとビニール袋中
で軽く混合した。この粉体を黒鉛型に充填した後、ホッ
トプレスにて１６００℃ ３０MPa、窒化雰囲気中で１
時間焼成した。焼成物は圧力媒体のｈＢＮ粉と篩分けさ
れその後、超音波洗浄器にて完全に分離、洗浄を繰り返
した。洗浄した本焼結体は乾燥器にて乾燥して充分、水
分を除去し、再び＃６０の篩分けして研摩粒子とした。
これについて、特性を測定したところ、密度：３．８９
g/cm³、ビッカース硬度、２０．０GPaであり、ＴＥＭ観
察結果から、マトリックスであるα−Ａｌ₂Ｏ₃の粒子径
は平均１０μｍであり、このＡｌ₂Ｏ₃の粒子中に平均粒
子径０．５μｍのβ−ＳｉＣ粒子が分散していることが
観察された。以上より、３の特性評価にて評価した試験
片とほぼ同等の特性が、本成形、焼結方法により得るこ
とが確認できた。

【００３２】この研摩粒子を用いて、ビトリファイド砥
石を次の様に作製した。研摩粒子８９．７重量部、ビト
リファイド結合剤１０．３重量部、デキストリン（有機
バインダー）３．１重量部を添加、混合後、加圧して成
形密度２．２０g/cm³に成形することにより、製造し
た。次にこれらの生砥石を電気炉に入れ、５０℃／ｈｒ
の昇温速度で１１００℃まで加熱し、同温で６時間焼成
した。その後加熱を止め、炉内で密閉放冷した。ビトリ
ファイド結合剤としては長石、粘土及びフリットガラス
（ホウケイ酸ガラス）から、成るものを用いた。得られ
た研削砥石は、研摩粒子が４６．９vol％、結合剤８．
１vol％、気孔４５vol％であり、密度は２．０７g/cm³
であった。

【００３３】尚、研削砥石の寸法は、外径２００mm×厚
み１９mm×内径７６．２mmとした。これを試験用砥石と
した。

【００３４】次にこの砥石を用いて研削試験を行なっ
た。この砥石の比較のため、溶融型アルミナ単結晶を使
用研摩粒子を用いた研削砥石を使用した。この比較用砥
石は、試験用砥石と、研摩粒子が異なる以外はすべて試
験砥石と同様に製造した。研削試験の条件は次の通りで
あった。

【００３５】機械：岡本平研ＣＦＧ−５２ＡＮ砥石周速：２０００m/min 切込み：△Ｒ２０μｍ/passの乾式プランジ Down Cut 被削材：ＳＫＤ−１（硬度Ｈ_RC−６０）寸法：長さ１００×高さ５０×幅１０（mm）被削幅：１０mm ドレス：単石ドレッサー

【００３６】

【表１】

【００３７】研削試験の結果を表１に示す。なお、最大
電力値は砥石幅１０mm当りの値である。表１から明らか
なように、本実施例の試験用研削砥石は、溶融型Ａｌ₂
Ｏ₃単結晶を用いた比較用砥石に対して、研削比が約４
倍と極めて優れており、面粗さ、最大電力値はほぼ同等
であり、低騒音である性能を示した。さらに、研削焼け
も少ないことが認められた。

【００３８】（実施例５）切削用バイトの作製及び評価１．混合粉体の調製および２．焼成により得られた、Ｓ
ｉＣ−Ａｌ₂Ｏ₃系複合セラミック工具材料を使用して切
削工具を作製した。工具形状はＳＮＧＮ４３３であり、
これを以下の試験に供した。比較試料として高純度Ａｌ
₂Ｏ₃系の市販のＳＮＧＮ４３３形状のものを、用いた。

【００３９】切削試験には、精密旋盤を、逃げ面摩耗幅
（ＶB）の測定には工具顕微鏡をそれぞれ用いた。切削
試験の条件は次の通りであった。

【００４０】切削速度：４００m/min 送り量：０．２mm/rev 切り込み量：１．５mm 工具付き出し長さ：４０mm 心押し台突き出し量：３５mm 被削材：鋳鉄ＦＣ２０（硬度Ｈ_B２５０）被削材寸法：φ１１０×６００mm丸棒

【００４１】次に逃げ面摩耗幅（ＶB）の測定は、チッ
プホルダーにより５℃の傾きで被削材を削り取っている
ため、工具顕微鏡に対して、チップを５゜傾け、工具逃
げ面が平行となるように取付けて行なった。切削試験は
乾式外周旋削とし、また、工具寿命判定基準として逃げ
面摩耗幅ＶB＝０．２mmを設定して行なった。

【００４２】試験結果を表２に示す。

【００４３】

【表２】

【００４４】表２から明らかなように、本実施例のＳｉ
Ｃ−Ａｌ₂Ｏ₃系複合セラミック工具材料を使用した切削
用バイトは比較用に使用したバイトに対して約１．７倍
の工具寿命を確認することができた。また、工具の摩耗
面を、試験後観察したが、異常摩耗、チッピング等は認
められず、本実施例の工具用バイトの寿命は工具の純粋
な摩耗のみに依存することが確認できた。

【００４５】

【発明の効果】以上の如く本発明のＡｌ₂Ｏ₃基複合セラ
ミック研摩材料によれば、マトリックスであるα−Ａｌ
₂Ｏ₃粒子よりも高い耐火性を有するＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、
ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等のうちの１種以上の分散強
化粒子が、α−Ａｌ₂Ｏ₃粒子内に分散した微細組織を持
ち、粒子内破壊性を有する研摩材料ないし工具材料（但
し、分散強化粒子はＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄等とする）を得る
ことが可能である。この材料は強度、破壊靱性値が従来
のＡｌ₂Ｏ₃質材料に比較して格段に向上すること、破壊
時に粒子内破壊を生じることの特徴を持つ。かかる材料
を切削工具、研摩用粒子に使用すれば、高破壊靱性値の
ため、チッピング異常摩耗の低減による長寿命化（切削
工具）、粒子内破壊のため、脱落粒子の減少による摩耗
の低減（切削工具、研摩粒子）、粒子内破壊による切れ
味の向上（切削工具、研摩粒子）が可能となる。このよ
うに本発明によるＡｌ₂Ｏ₃系複合セラミック研摩材料、
工具材料を使用することにより、切削用工具、研摩粒子
等の種々の工具ばかりでなく一般に耐摩耗用材料の性能
を大幅に向上させるものであり、構造材料としても利用
可能である（以上請求項１〜５、８〜１０について）。
請求項６、７により、上記複合セラミック研摩材料の工
業的製造方法が実現される。

【００４６】又、著しく高価である超高度材料（ダイヤ
モンド、立方晶窒化ほう素ＣＢＮ）に対して格段に安価
であるため、大量に使用する場合の多い、工具に非常に
好適である。

【００４７】即ち、本発明によれば、高性能、長寿命か
つ安価な研摩材料、工具材料が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ａｌ₂Ｏ₃系複合セラミック研摩材料、工具材料
の一実施例の結晶構造を示す写真であり、ＳｉＣ−Ａｌ
₂Ｏ₃系の微細組織を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により
観察したものである。マトリツクスであるＡｌ₂Ｏ₃結晶
粒子中にＳｉＣ粒子が分散している。

【図２】本発明のＡｌ₂Ｏ₃系複合セラミック工具材料を
用いて工具（例えば切削用バイト）を作製し、これを使
用した際に生じる摩耗の様子をモデル的に示す図であ
る。マトリックスであるＡｌ₂Ｏ₃粒子は粒界破壊せず、
本発明の材料の特徴である粒子内のサブ粒界より粒子内
破壊する。このため、通常のＡｌ₂Ｏ₃特有の粒界破壊に
比べ、脱落量が低下し、鋭利な切れ刃が生じる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大島健司愛知県名古屋市西区則武新町三丁目１番36 号株式会社ノリタケカンパニーリミテド内 (72)発明者伊藤次男愛知県名古屋市西区則武新町三丁目１番36 号株式会社ノリタケカンパニーリミテド内 (72)発明者富田秀幸愛知県名古屋市西区則武新町三丁目１番36 号株式会社ノリタケカンパニーリミテド内 (72)発明者岩田美佐男愛知県名古屋市西区則武新町三丁目１番36 号株式会社ノリタケカンパニーリミテド内 (72)発明者久田栄一愛知県名古屋市西区則武新町三丁目１番36 号株式会社ノリタケカンパニーリミテド内 (72)発明者新原晧一大阪府枚方市香里ヶ丘９−７−1142 (72)発明者中平敦大阪府吹田市青山台１−２Ｃ33−307号室

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】α−Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とするマトリックス
８０vol％〜９９vol％とＳｉ及びＴｉの炭化物、窒化物
及び炭窒化物中の１種以上の分散強化粒子１〜２０vol
％とから本質上なり、該分散強化粒子はα−Ａｌ₂Ｏ₃粒
子内に分散し、粒子内破壊性であることを特徴とする、
Ａｌ₂Ｏ₃系複合セラミック研摩材料。
【請求項２】破壊靱性値が４．５MPam^1/2以上、硬度１
７GPa以上を有する、耐チッピング性、耐摩耗性に優れ
た請求項１に記載のＡｌ₂Ｏ₃系複合セラミック研摩材
料。
【請求項３】硬度が２０GPa以上である請求項２に記載
のＡｌ₂Ｏ₃系複合セラミック研摩材料。
【請求項４】請求項１〜３の一に記載の研摩材料を用い
た研削砥石。
【請求項５】請求項１〜３の一に記載の研摩材料を用い
た研摩布紙。
【請求項６】１μｍ以下の平均結晶粒径を有するα−Ａ
ｌ₂Ｏ₃もしくはγ−Ａｌ₂Ｏ₃粉と、１μｍ以下の平均結
晶粒径を有するＳｉ及びＴｉの炭化物、窒化物及び炭窒
化物のうち１種以上の分散強化粒子１vol％〜２０vol％
を混合しこれを１４００〜１８００℃で焼結して粒子内
分散強化されかつ粒子内破壊性のＡｌ₂Ｏ₃系複合セラミ
ック研摩材料をうることを特徴とするＡｌ₂Ｏ₃系複合セ
ラミック研摩材料の製法。
【請求項７】前記混合物を予成形し、耐火性粉末媒体中
で焼結して粒状焼結体を得ることを特徴とする請求項６
に記載のＡｌ₂Ｏ₃系複合セラミック研摩材料の製法。
【請求項８】α−Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とするマトリックス
８０vol％〜９９vol％とＳｉの炭化物、窒化物及び炭窒
化物中の１種以上の分散強化粒子１〜２０vol％とから
本質上なり、該分散強化粒子はα−Ａｌ₂Ｏ₃粒子内に分
散し、粒子内破壊性であることを特徴とする、研削工具
として使用可能なＡｌ₂Ｏ₃系複合セラミック工具材料。
【請求項９】破壊靱性値が４．５MPam^1/2以上、硬度１
７GPa以上を有する耐チッピング性、耐摩耗性に優れた
請求項８に記載の工具材料。
【請求項１０】硬度が２０GPa以上である請求項９に記
載の工具材料。