JPH11268965A - ホイスカ―強化セラミック及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 改良された構造の均一性を持つホイスカー強
化セラミック切削工具スローアウェイチップの製造法を
提供する。 【解決手段】 通常の焼結助剤及び／又は粒子成長抑制
剤を含有する１０〜６０体積％のセラミック粉末混合物
を水又は有機溶媒中に分散させ、分散液に１〜１５重量
％のスターチを加え、前記分散液を所望の形状の型に注
ぎ入れ、凝結の間の水の蒸発を避けるために前記型を蓋
で覆いながら５０〜１００℃で２〜４時間にわたってに
この懸濁液を加熱し、蓋を外して更に加熱して、乾燥を
完了させ、前記型からプレフォームを取りだし、そして
約６００℃の最大温度で１０時間空気中においてプレフ
ォームを予備焼結させる各工程によってプレフォームを
調製するホイスカー強化セラミック体を製造する方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は改良された構造的均
一性を持つホイスカー強化セラミック切削工具スローア
ウェイチップを製造する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】単結
晶のひげ結晶（ホイスカー）及び／又は小板（platele
t）の添加によってセラミック材料の破壊強さが増加す
ることは当該技術分野で良く知られている。アルミナマ
トリックス内のＳｉＣホイスカーは米国特許第４，５４
３，３４５号明細書で開示されている。米国特許第４，
８６７，７６１号明細書は、アルミナマトリックス内で
のＴｉ及び／又はＺｒの炭化物、窒化物又はホウ化物の
使用を開示する。米国特許第４，８４９，３８１号明細
書はホイスカー及び小板の混合物を含む切削工具スロー
アウェイチップを開示する。

【０００３】ＳｉＣホイスカー強化アルミナで作られた
切削工具スローアウェイチップは、主に耐熱材料の機械
加工のための、及びある程度鋳鉄の機械加工のための切
削工具市場の確立した製品である。

【０００４】ホイスカー強化セラミックスローアウェイ
チップは一般に、一軸加圧焼結によって製造される。そ
のようなスローアウェイチップを製造するもう１つの他
の可能な方法は、工具加圧及びガラス封入熱間静水圧プ
レス法（hot isostatic pressing）による。この後者の
製法方法は、主により複雑な外形を持つスローアウェイ
チップに使用される。両方の場合において加圧工具に満
たす粉末は、必要な流動性を得るために粒状化されてい
なければならない。そのような粉末を粒状化する最も一
般的な方法は噴霧乾燥技術による。噴霧乾燥は、最終的
な組成物の粉末状成分を含むスラリーを同一の処理段階
で高温ガス中において乾燥及び粒状化することである。
しかしながら噴霧乾燥の間にホイスカーは顆粒の中央に
引き込まれて、顆粒縁（granule border）はホイスカー
が貧化する。結果として顆粒はホイスカーで防護された
コアを持ち、従って続く加圧工程の間に完全に破壊され
ることができない。これは焼結された材料中において可
視的な顆粒縁を持つ不均一な構造を導く。

【０００５】従来の噴霧乾燥の代替案はヨーロッパ特許
出願公開第５７９，５８７号明細書で開示される。この
場合粒状化は、凍結粒状化及びそれに続く凍結乾燥によ
って行われる。結果として、本質的に顆粒縁を持たない
均一な構造のセラミック体（body）が得られる。

【０００６】イギリス特許第２２１４１７８号明細書
は、ホイスカー／粉末懸濁液の凍結乾燥によるホイスカ
ー強化セラミックの製造を開示する。結果として得られ
る「ケーク」をその後振盪して、１ｍｍ櫛を通して篩い
分けられる凝集体に粉砕する。前記粉末をその後加圧し
て焼結させる。篩い分けした後で得られる粉末は流動性
が非常に低く、その後研削して最終的な形状及び寸法に
する円柱、円板の様な単純な形状のボディの製造にのみ
前記方法は使用できる。

【０００７】射出成形によって本質的に顆粒縁がなく及
び本質的に１次元のホイスカー配向の構造を持つホイス
カー強化セラミック体を得る方法は米国特許第５，６４
８，０２９号明細書で開示される。

【０００８】米国特許第５，３４０，５３２号明細書で
は、温度誘発フロキュレーションによってセラミック体
を成形する方法が開示されており、これをホイスカー強
化セラミック体に適用すると本質的に顆粒縁がなく及び
等方性のホイスカー配向を持つ構造を与える。

【０００９】ホイスカー含有量が１０〜１５重量％を超
える場合、ホイスカー強化アルミナ材料にはホットプレ
ス又は熱間静水圧プレス法のような加圧焼結技術が通常
必要とされる。ホットプレスは単純な外形の形状の製品
に好ましい作業である。加圧しない焼結を使用すると独
立した気孔が得られないので、熱間静水圧プレス法は密
封（ガスが透過しない囲い）を必要とする。ガラス封入
は複雑な形状に好ましい方法である。

【００１０】粉末及びホイスカー構成要素の液体中の分
散液を使用して、ホイスカー強化セラミックを製造す
る。スラリーの処理の更なる段階は、噴霧乾燥、凍結乾
燥又はミキサー内での単純な粒状化等を使用する粒状化
の段階を通常は含む。得られる粉末は２５〜２００μｍ
の大きさの範囲のほぼ球状の凝集体を含有しており、ダ
イを均一に満たすのに必要な凝集していない粉末よりも
良い流動性を提供する。

【００１１】積重ね高さを最小化し及びホットプレス操
作で製造することができる部品の数を増加させるため
に、緻密化する粉末は通常グラファイトダイで予備緻密
化する。ダイの壁の摩擦のために、及び特にホイスカー
強化材料ではホイスカーに起因する粉末自身の大きな流
動抵抗のためにホットプレスでの粉末の流動性は制限さ
れるので、緩すぎる粉末は焼結された部品で不均一な密
度を導くことがある。

【００１２】グラファイトダイを満たす粒状化した粉末
を製造することの選択肢は、非透過性の型での凝結（co
nsolidation ）を使用する所望の形状（すなわち、ディ
スク）の予備成形でもよい。

【００１３】いくつかの技術が知られており、及び技術
的に可能である。それらは例えば重合反応（ゲルキャス
ティング）、不安定化（直接凝結凝結、ＤＣＣ）、重縮
合反応（加水分解補助凝固、ＨＡＳ）又は凍結による凝
結である。

【００１４】しかしながら、現存する方法のそれぞれは
不利な点を持つ。例えば水に基づくゲルキャスティング
では毒性の防止剤の使用、水に基づく系での膨張及び氷
の結晶、又は凍結成形で有機溶媒を使用する場合の収縮
又はＤＣＣ及びＨＡＳでの湿ったセラミック体の低い強
さである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】制御された多孔性を持つ
材料を製造するために様々なセラミック材料においてス
ターチ粒子は既に充填材料として使用されている。潜在
的な応用は、セラミック膜、フィルター、ガスバーナ及
びバイオセラミックのための支持体を含む。セラミック
材料の気孔サイズはスターチ粒子の元々のサイズに関係
する。

【００１６】スターチ凝結はホイスカー強化セラミック
のホットプレスのためのプレフォームを製造するために
使用することができることが予想外に見出された。スタ
ーチ粒子を凝結剤／バインダーとして使用して、気孔の
ない高強度ホイスカー強化セラミックのホットプレスの
ためのプレフォームを成形することができる。

【００１７】本発明は特に、好ましくはスローアウェイ
チップ上のチップブレーカを必要としない、耐熱合金の
機械加工のためのホイスカー強化スローアウェイチップ
の製造に関する。これは単純な外形の形状への凝結、す
なわちホットプレスが好ましい態様であるためである。
チップブレーカを必要とする鋼の機械加工のためのスロ
ーアウェイチップには、封入ＨＩＰ焼結での凝結が必要
である。

【００１８】本発明において、粉末冶金法、すなわち適
切な液体中での分散、凝結、緻密化そして焼結によるホ
イスカー強化セラミック体の製造方法をここで提供す
る。結果として本質的に顆粒縁を持たない均一な構造の
セラミック体が得られる。

【００１９】本発明の方法では、従来の焼結補助剤及び
／又は粒子成長防止剤を含有するセラミック粉末を、好
ましくは水又は有機溶媒中での分散によって完全に混合
する。前記分散は有機添加剤の添加によって、及び／又
は水に分散させるときのｐＨ値の調節によって促進／改
良することができる。分散液の乾燥物量は１０〜６０体
積％、好ましくは４５〜６０体積％の範囲であるべきで
ある。前記分散液に１〜１５重量％、好ましくは１〜４
重量％のスターチを更に加える。より高い乾燥物量はよ
り少ないスターチ含有量を必要とする。ここでスターチ
は、穀類の穀粒の種又は様々な植物の根から抽出した天
然の高分子化合物又はその改質したものを顆粒に粉砕し
たものを意味する。顆粒の形状と大きさは多様で、元々
の植物に依存する。スターチは化学的に改質された形で
あってもよい。例えばそれはエーテル化によって、機械
的処理及び酸性条件に対してより安定にしたものでもよ
い。スターチを適切に分散させた後で、結果として得ら
れる懸濁液をプレフォームの形状（直径及び高さ）を持
つプラスチック又は金属の型に注ぐ。凝結、流動性から
剛性への懸濁液の変質は、水の蒸発を防ぐために型を蓋
で覆いながら５０〜１００℃、好ましくは７０〜９０℃
に２〜４時間加熱して達成する。凝結段階の後で、蓋を
取り外して型の中を完全に乾燥させる。乾燥が完了した
後で、有機材料の除去及びプレフォームの予備焼結を空
気中において約１０時間、１℃／分の加熱速度で最大温
度約６００℃にして行う。その後、プレフォームを１８
５０℃、約２５ＭＰａでホットプレスする。ホットプレ
スの結果としてディスクが得られ、これを鋸引きしてブ
ランクにし、そして所望の形状及び寸法のスローアウェ
イチップに研削する。

【００２０】本発明の方法は、従来の焼結補助剤及び／
又は粒子成長防止剤に加えて、２〜５０、好ましくは１
５〜３５体積％のＳｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、及び
／又はＮｂの炭化物、窒化物及び／又はホウ化物又はそ
れらの固溶体の単結晶ホイスカー及び／又はファイバー
及び／又は小板及び／又はミクロン以下の粒子を含むあ
らゆる種類のホイスカー強化セラミック材料に適用でき
る。ホイスカー／ファイバー材料は、直径０．２〜１０
μｍ及び長さ２．５〜１００μｍ及び長さ／直径の比が
好ましくは５〜１０である髪の毛状の単−／多−結晶か
らなる。小板は直径０．５〜４０μｍ及び直径／厚さの
比が５〜５０、好ましくは１０〜２０である単結晶プレ
ートである。ミクロン以下の粒子は一般に＜５００ｎｍ
の寸法を持つ。

【００２１】セラミックマトリックスの粒度は＜１０μ
ｍ、好ましくは＜４μｍであるべきである。マトリック
スは酸化物セラミック、好ましくはＡｌ₂ Ｏ₃ 、又は窒
化物セラミック、好ましくはＳｉ₃ Ｎ₄ に基づいてお
り、場合によっては硬質の炭化物及び／又は窒化物及び
／又はホウ化物及び／又はバインダー金属を更に含んで
いる。セラミックマトリックスは好ましくは＜２０体積
％のＺｒＯ₂ を含んでいるべきである。相対密度は少な
くとも９５％、好ましくは９８％、最も好ましくは９９
％であるべきである。

【００２２】既知の方法と比較すると、本発明の方法は
いくつかの利点を持つ。

【００２３】粉末混合物の操作が完全に排除され、この
ことは製造段階を減らし製造費用を節約する。それは健
康を害する可能性のある空気によって運ばれるホイスカ
ー発生の危険性も最小化し、結果として人間の保護に必
要な装置の必要を減少させる。

【００２４】（緻密化する前の）緩い凝集体粉末よりも
より高い焼結前の密度を持つ凝結させたプレフォームの
使用は、完成した製品により均一な焼結密度をもたらす
（例えばスローアウェイチップの性能のより少ない偏
差）。

【００２５】噴霧乾燥した粉末と対照的に、かなりより
均一な微細構造が得られる。均一な微細構造を与える噴
霧凍結（ヨーロッパ特許出願公開第５７９５８７号明細
書）と対照的に、かなりより高い焼結前の密度が得ら
れ、これは焼結された材料中において少ないのホイスカ
ーのテキスチャーを与える。

【００２６】焼結された材料のホイスカーのテキスチャ
ー（Ｔ）（配向の程度）はＸ線回析で測定することがで
きる。ＳｉＣ相が９５％より多く立方晶β−ＳｉＣホイ
スカーとして存在し、 Ｔ＝［（ＳｉＣ₁ ／ＳｉＣ₂ ）_p ／（ＳｉＣ₁ ／ＳｉＣ
₂ ）_c ］^0.5 （ここで、ＳｉＣ₁ ＝六方晶α−ＳｉＣの｛１０１０｝
ピークからの強度、ＳｉＣ₂ ＝立方晶β−ＳｉＣの｛１
１１｝ピーク及び六方晶α−ＳｉＣの｛０００２｝ピー
クからの強度の合計、ｐは緻密化の方向に垂直な面より
測定、及びｃは緻密化の方向に平衡な面より測定）

【００２７】噴霧乾燥した材料に典型的な値はＴ＝２．
５〜３．０、及び凍結乾燥した材料にはより大きい値
（Ｔ＝４．０〜５．０）でさえある。

【００２８】本発明の材料はＴの値が１．０〜２．５、
好ましくは１．０〜２．０である。これは特性が配向に
あまり依存しないことを意味する。特に、すくい面に平
行に走るクラックは伸張に対するより大きい抵抗を受け
る。これはフレーキング又は上端がスライスされる破損
をしにくい傾向を意味する。

【００２９】

【実施例】例１ 焼結補助剤として少量のマグネシア及びイットリアを含
むアルミナ（Ｃｅｒａｌｏｘ ＡＰＡ ０．５）−２５
重量％炭化ケイ素ホイスカー（ＡＣＭＣ ＳＣ−９）混
合物を、ＤＩＳＰＥＸを分散剤として使用して水に分散
させた。粉末の配合量は４０体積％であった。６重量％
の２μｍライススターチ顆粒（改質ライススターチ、Ｓ
ｔａｒｃｈ Ｒｅｍｙｌｉｎｅ ＤＲ、ＡＢ Ｒ．Ｌｕ
ｎｄｂｅｒｇ）を加え、そしてテフロンフィルムで覆わ
れた円筒状プラスチック型に懸濁液を注いだ。

【００３０】７５℃で空気中において３時間加熱すると
プレフォームは凝結し、更に乾燥させた後で型から取り
外すことができた。

【００３１】その後プレフォームを６００℃で空気中に
おいて１０時間予備焼結し、続いて１８５０℃、２８Ｍ
Ｐａでホットプレスした。

【００３２】比較のために同じ公称組成の噴霧乾燥粉末
を同じ加圧条件下でホットプレスしてディスクにした。

【００３３】焼結されたディスクをダイヤモンド鋸引き
してスローアウェイチップ（ＩＳＯ指定のＲＮＧＮ １
２０７００ Ｔ０１０２０）を製造するためのブランク
にした。

【００３４】例２ Ｉｎｃｏｎｅｌ ７１８の冷却剤で前記の例からの見本
を溝掘り及び広げる操作について試験した。

【００３５】以下の切削条件を使用した。 切削速度：２５０ｍ／分 送り：０．１５ｍｍ／回転 切削深さ：６ｍｍ 切削油剤：有り

【００３６】１つの切削は２つの段階で、溝を掘る操作
及びそれに続いて３０％広げる操作として定義する。

【００３７】逃げ面摩耗（ＶＢ_max ）が＞０．５０ｍｍ
になるまでのサイクル数、加えて工具寿命（ＶＢ_max ）
＞１ｍｍ及び／又は上部が大きくスライスされる破損を
受けるまでのサイクル数を測定した。

【００３８】結果を表１（逃げ面摩耗）及び表２（工具
寿命）示す。

【００３９】表１ ＶＢ_max ＝０．５ｍｍになるサイク
ル数

【表１】

【００４０】表２ 工具寿命のサイクル数

【表２】

【００４１】耐摩耗性の２０％の増加を得るが、主にす
くい面のフレーキングする傾向の減少（ホイスカーの配
向に依存する）及びより小さい性能の偏差（微細構造の
均一性に依存する）のために工具寿命の増加は４０％で
あることが観察できる。

【００４２】例３ 焼結補助剤として少量のマグネシア及びイットリアを含
むアルミナ（Ｃｅｒａｌｏｘ ＡＰＡ−０．５）及び２
５重量％の炭化ケイ素ホイスカー（ＡＣＭＣＳＣ−９）
混合物を、ＤＩＳＰＥＸを分散剤として使用して水に分
散させた。粉末の配合量は５７体積％であった。２重量
％（乾燥粉末として測定）の２０μｍライススターチ顆
粒（改質ライススターチ、Ｍｉｋｒｏｌｙｓ ５４、Ｌ
ｙｃｋｅｂｙ Ｓｔａｅｒｋｅｌｓｅ ＡＢ、Ｓｗｅｄ
ｅｎ）を加え、そしてテフロンフィルムで表面を覆われ
た円筒状アルミニウム型に懸濁液を注いだ。

【００４３】７５℃で空気中において３時間加熱すると
プレフォームは凝結し、更に乾燥させた後で型から取り
外すことができた。

【００４４】その後、空気中において１０時間、室温か
ら１℃／分の温度上昇速度を使用して最高温度６００℃
でプレフォームを予備焼結した。

【００４５】その後、比較のために同じ公称組成の凍結
粒状化した粉末と共に１８５０℃、２８ＭＰａでプレフ
ォームをホットプレスした。

【００４６】テキスチャー係数Ｔはスターチ凝結させた
材料には１．６、凍結粒状化させた材料には３．２であ
った。

【００４７】焼結されたディスクをダイヤモンド鋸引き
してスローアウェイチップ（ＩＳＯ指定のＲＮＧＮ １
２０７００ Ｔ０１０２０）を製造するためのブランク
にした。

【００４８】例４ Ｉｎｃｏｎｅｌ ７１８の冷却剤で例３からの見本を溝
掘り及び広げる操作について試験した。

【００４９】以下の切削条件を使用した。 切削速度：２５０ｍ／分 送り：０．１５及び０．２５ｍｍ／回転 切削深さ：６．０ｍｍ 切削油剤：有り

【００５０】１つの切削は２つの段階で、溝を掘る操作
及びそれに続いて３０％広げる操作として定義する。

【００５１】「逃げ面摩耗」（ＶＢ_max ）が＞０．５ｍ
ｍになるまでのサイクル数を測定した。

【００５２】ＶＢ_max は純粋な逃げ面摩耗と並んで刃先
線の破損も含む逃げ面の摩耗の合計量である。

【００５３】結果を表３（０．１５ｍｍ／回転）及び表
４（０．２５ｍｍ／回転）示す。

【００５４】表３ ０．１５ｍｍ／回転でＶＢ_max ＝
０．５ｍｍになるサイクル数

【表３】

【００５５】表４ ０．２５ｍｍ／回転でＶＢ_max ＝
０．５ｍｍになるサイクル数

【表４】

【００５６】より刃先破損が起こりにくい傾向のため
に、速い送り速度での工具寿命の増加は特に著しい。

【図面の簡単な説明】

【図１】噴霧乾燥した粉末を使用するアルミナ−２５重
量％炭化ケイ素ホイスカーの微細構造を１００倍で表す
図である。

【図２】ライススターチ凝結を使用するアルミナ−２５
重量％炭化ケイ素ホイスカーの微細構造を１００倍で表
す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 オーラ リックフェルト スウェーデン国，エス−416 81 ゴーテ ボルイ，ステュディゴーンゲン 15−101

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プレフォームをホットプレスしてディス
   クにし、このディスクを切削してブランクにし、そして
   このブランクを研削して所望の形状及び寸法のセラミッ
   ク体にすることによってホイスカー強化セラミック体を
   製造する方法であって、 通常の焼結助剤及び／又は粒子成長抑制剤を含有する１
   ０〜６０体積％のセラミック粉末混合物を水又は有機溶
   媒中に分散させ、 分散液に１〜１５重量％のスターチを加え、 前記分散液を所望の形状の型に注ぎ入れ、 凝結の間の水の蒸発を避けるために前記型を蓋で覆いな
   がら５０〜１００℃で２〜４時間にわたってにこの懸濁
   液を加熱し、 蓋を外して更に加熱して、乾燥を完了させ、 前記型からプレフォームを取りだし、そして約６００℃
   の最大温度で１０時間空気中においてプレフォームを予
   備焼結させる、 各工程によってプレフォームを調製する、ことを特徴と
   するホイスカー強化セラミック体を製造する方法。
2. 【請求項２】 ＳｉＣ相が９５％を上回る立方晶β−Ｓ
   ｉＣとして存在するＳｉＣホイスカーをセラミックマト
   リックス中に２〜５０体積％含み、構造と組成が均一
   で、顆粒縁がなく、ホイスカーが均一に分布し、かつホ
   イスカーの配向が三次元的であるセラミック体であっ
   て、 Ｔ＝［（ＳｉＣ₁ ／ＳｉＣ₂ ）_p ／（ＳｉＣ₁ ／ＳｉＣ
   ₂ ）_c ］^0.5 （ここで、ＳｉＣ₁ ＝六方晶α−ＳｉＣの｛１０１０｝
   ピークからの強度、 ＳｉＣ₂ ＝立方晶β−ＳｉＣの｛１１１｝ピークと六方
   晶α−ＳｉＣの｛０００２｝ピークからの強度の合計、 ｐは緻密化の方向に垂直な面より測定、及びｃは緻密化
   の方向に平衡な面より測定）と規定するＸ線回析で測定
   したホイスカーの配向（テキスチャー）の程度が１．０
   ＜Ｔ＜２．５であることを特徴とするセラミック体。
3. 【請求項３】 Ｔ＜２．０であることを特徴とする請求
   項２に記載のセラミック体。
4. 【請求項４】 前記セラミックマトリックスが酸化物セ
   ラミック、好ましくはＡｌ₂ Ｏ₃ に基づくことを特徴と
   する請求項２〜３のいずれか１項に記載のセラミック
   体。
5. 【請求項５】 前記セラミックマトリックスが硬質の炭
   化物及び／又は窒化物及び／又はホウ化物及び／又はバ
   インダー金属を更に含有することを特徴とする請求項２
   〜４のいずれか１項に記載のセラミック体。
6. 【請求項６】 前記マトリックスが＜２０体積％のＺｒ
   Ｏ₂ を更に含有することを特徴とする請求項２〜５のい
   ずれか１項に記載のセラミック体。
7. 【請求項７】 前記セラミック体が単純な外形、すなわ
   ちチップブレーカーを持たない切削工具であることを特
   徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載のセラミッ
   ク体。