JPS60100646A - 高靭性セラミツクス焼結体 - Google Patents

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】 〔発明の利用分野〕 本発明は高靭性セラミックス焼結体に係り、特にジルコ
ニアおよびアルミナの超微粉末にバインダーとして耐酸
化性合金の超微粉末を添加して成形、焼結してなる靭性
に優れたセラミックス焼結体に関するものである。

〔発明の背景〕

高温及び腐蝕性ガス雰囲気中で使用される材料としては
、従来よシ耐熱合金が広ぐ用いられている。耐熱合金は
その使用温度に限度がある。そこで金属材料を使用する
ことができない不可能分野ではセラミックスを使用する
気運が高まっている。

例えばガスタービン用構造部材やエンジン用部品のセラ
ミックス化がある。セラミックスは耐熱。

耐蝕には非常にすぐれた性質を持っている反面、非常に
脆いという大きな欠点がある。そのため、現在ではこの
欠点を克服するため種々の検討がなされている。その方
法の一つとして、耐熱、耐蝕性のセラミックスと靭性の
すぐれた金属とを複合することによって克服することが
考えられる。例えば特公昭５４−８３７１号（金属セラ
ミック）に示されているように高融点酸化物と金属クロ
ムとを含む金属セラミックであって、前記高融点金属酸
化物が金属クロマイトからなる金属セラミックが開示さ
れている。また特公昭５２−４５６４号に示しているよ
うにアルミナに金属モリブデン、タングステンを添加し
て強靭化を図っている。しかしながら、従来の技術では
セラミックスの靭性を十分に克服するに至っていない。

また、ジルコニア及びアルミナ等のセラミックスの欠点
は金属に比較して著しく脆いことと、耐熱衝撃が劣るこ
とである。セラミックスに靭性のある金属を添加して強
化したものとしては従来からサーメットと呼ばれる材料
が一般に知られている。このサーメットは、金属酸化物
、炭化物およびケイ化物などに結合材としてｌ；”ｅ、
Ｃｏ、　Ｎｉ等の金属を添加した一種の複合材料である
。これは機械切削用の工具に用いられている。しかしな
がら、このサーメットではバインダーとしての金属がか
なシ多量に添加されており、セラミックス本来の性質を
失なっているという欠点を有していた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、セラミックスたとえばジルコニアおよ
びアルミナを主体とする焼結体の脆性を改善した強靭性
のセラミックス焼結体を提供するにおる。

〔発明の概要〕

本発明に係るセラミックス焼結体は、特に、ジルコニア
およびアルミナの焼結体中に平均粒径が０．５μｍ以下
である耐酸化性合金が重量比で０．５〜６％分散してい
ることを特徴としている。

特に、本発明はセラミックス焼結体に平均粒径で０．５
μｍ以下の耐酸化性合金の超微粉末をバインダーとして
添加したところに特徴としている。

セラミックスを強靭化する重要因子は重要な出発原料と
なるセラミックスと金属の粉末の大きさでおる。一般に
セラミックスの平均粒径が微細であるほど焼結体の靭性
が改善されることは周知である。これは焼結する際に粉
末同志の接触面積が増加し、焼結し易くなるためである
。このようにして得た焼結体はその結晶粒が微細化され
、かつ相対密度が増加し内部欠陥の少ないものとなる。

一方緻密な焼結体の靭性を改善する方法としては、靭性
のある金属粉末を適量添加する。この方法では金属がク
ラックのアレスターあるいは緩衝材となシ、クラックの
進展度合を低減させて靭性を改善できることは十分に期
待される。

しかし金属粉末の添加量がある程度以上になると、靭性
は改善される反面、強度が低下して、セラミックス本来
の特性が消失する難点がある。また金属粉末同志が接触
して凝集し、かえって靭性を改善する効果が発揮されな
くなる。セラミックス粉末と金属粉末の混合体を成形し
た後、焼結する過程でセラミックス粉子間で金属粒子相
互が凝集するため、セラミックス粒子間に空隙を形成す
るためである。この空隙は応力集中の起点となって靭性
を低下させる。

本発明者らはセラミックス粒と金属粉末の平均粒径を変
化させて混合し、混合粉末を成形、焼結となると共に焼
結体が緻密になることを見い出しプと。さらに、靭性の
向上を図るためには、セラミックス粉末に０．５μｍ以
下の金属粉末を重量比で０．５〜６チ添加させることが
好ましい。平均粒径が数μｍ以上のセラミックスに平均
粒径約０．５μｍ以下の金属粉末を添加した場合には、
セラミック同志が接触した空隙に金属粉末が集合する傾
向になる、このような粉末成形体を焼成すると、集合し
た粉末が焼結あるいは溶融して凝固する際にセラミック
ス粒子境界に微小な空隙が残存し、緻密な焼結体が得ら
れず靭性が劣下することになる。すなわち、セラミック
ス粉末に金属粉末τ添加して靭性を改善するには、微細
化されたセラミックス及び金属粉末を用いて、金属粉末
を微細にかつ均一にマトリックス中に分散させるのがキ
ーポイントである。さらに、本発明はセラミックスとし
てジルコニアおよびアルミナに対して漏れ性の優れた耐
酸化性合金たとえばＣｒを含有する耐酸化性を向上させ
たＮｉ基合金、あるいはＣｏ基合金の超微粉末を添加し
たところに特徴がある。

１’Ｊｉ基合金としては、重量比でＣ：０．１〜０．２
％、Ｃｒ　：　５〜２０％、Ｍｏ　：　３〜１０％、Ｗ
：３〜１０チ、Ｊ、、ｔ：２〜５％、’ｐｉ：２〜５チ
および残部Ｎｉからなるものが好ましい。

またＣｏ基合金としては、Ｃ：０．１〜０．２％。

Ｃｒ　：　５〜２０％、Ｍｏ　：３〜１０％、Ｗ：　３
〜１０％、Ａｔ：２〜５％％ｐｉ：２〜５チおよび残部
ＣＯからなるものが好ましい。このようなＮｉ基合金あ
るいはＣｏ基合金において（ｆま、ジルコニアおよびア
ルミナに対する漏れ性に優れた〇ｒ、ＡｔおよびＴｉあ
るいはこれらの酸化物を含有するため、焼結体の強度を
向上させると共に靭性に寄与するものである。耐酸化性
合金であるＮｉ基合金およびＣｏ基合金の化学組成を上
記のように限定した理由を以下述べる。

Ｃｒ：５〜２０チ ＣｒはＮｉ基およびＣｏ基の耐酸化性を向上させる元素
でちって５係未満ではその効果が小さく一方、２０％を
越えるとその効果が飽和するので、上限を２０％とした
。

Ｃ：０．１〜０．２　ｑｂ Ｃは耐酸化性のちる炭化物を生成させてＮｉ基合金およ
びＣｏ基合金を強化するのに有効な元素であり、その添
加量は０．１〜０．２係が妥当である。

ＭＯ：３〜１０チ、Ｗ：３〜１０ｇ６ Ｍｏ、Ｗは耐酸化性を向上させるのに有効な元素であっ
て、両元素とも３係未満ではその効果が小さい一方、１
０％を越えると、その効果が飽和すると共に、高価な元
素であるので経済上好ましくない。したがって、ＭＯお
よびＷ量は３〜１０チに限定した。

Ａｔ：２〜５頭、　Ｔｉ２〜５％ Ａｔ、Ｔｉはセラミックスとのぬれ性が良く強靭化に有
効であシ２チ未満では効果がなく、５係以上では耐酸化
性が劣化するので、Ａｔ、Ｔｉ共に２〜５％に限定した
。

残部Ｎｌ：残部Ｃ０ なおＮｉ基には３〜１０％のＣｏを、Ｃｏ基には３〜１
０％のＮｉを添加するとよシ耐酸化性を向上させている
。このような化学組成からなるＮｉ基合金およびＣｏ基
合金では蒸発法により超微粉（平均粒径０．０５μｍ）
に製造することが容易でおる。特にＲｅｎｅ’８０　（
Ｃ：０．１７．　Ｃｏ：９．５．Ｍｏ＋Ｗ：　８＋　Ａ
ｔ：　３．Ｔ　ｉ　：　５．Ｃｒ：１４．残部Ｎｉは良
好な耐酸化性を有するのでジルコニアとアルミナの結合
材として有効である。

〔発明の実施例〕 〈実施例１〉 平均粒径０．０３μｍのジルコニア粉末（３ｗｔ／。

Ｙ２Ｏ３で部分安定化したもの）に粒径を０．０５μｍ
〜１０μｍと変化させた各Ｎｉ基耐熱合金（ｌｅｎｅ’
３　Ｑ　）粉末を機械的混合法（たとえばらいかい機お
よび遠心ボールミン）で混合し、各混合粉末からプレス
で中間成形体を成形した。この混合粉末を作製する際に
はジルコニアに対する金属粉末を３ｗ１０と一定とした
。次いで各中間成形体を１０’−’）ル以上の高真空下
で１５００ｃで焼結した。各焼結体より３　ＭＸ　４　
ＭＸ　３０　ｒｅｎｔの試験片を切υ出し、鏡面に研摩
したのち４点曲げ試験に供した。試験は各々３０本につ
いて行い平均値をめた。

その結果は第１図および第２図に示す通シである。

第１図は曲げ強度であシ、第２図はビッカース硬度計で
荷重２０に４の圧痕をつけたのちの曲げ強度である。第
１図から明らかなように、金属平均粒径０．５μ、ｍま
ではわずかの低下であるが、金属平均粒径がさらに増加
すると曲げ強度は劣下する傾向を示した。第２図におい
て平均粒径０．０５μｍの金属粉末を添加した焼結体は
単味のジルコニア（無添加）に比較して約６　ｈ　／　
ｒｔａ　２も高い値を示した。このことは金属微粉末を
添加したジルコニア焼結体は靭性がすぐれていると考え
られる。

すなわち、表面に小さな欠陥が生じていた単味のジルコ
ニア焼結体では、小さな外力によって容易に破断するの
に対し、金属微粉末を添加したジルコニア焼結体では約
２５％高い外力に耐えることができる。これを確認する
ため各焼結体にビッカース硬度計で圧痕をつけて荷重と
削れ長さの関係から応力拡大係数ＫＣを次式よシ算出し
た。

ただし、Ｐはビッカース圧子荷重、φはビッカース圧子
先端の角度、Ｃは割れの長さである。第３図は金属粉末
の粒径と上記から算出したＫＣ値との関係を示す線図で
ある。図に示すように、第２図で示した曲げ強度と同様
な傾向が認められた。

金属粉末の粒径が０．０５μｍのものを添加した焼結体
では単味のジルコニアからなる焼結体に比べて約１５倍
のＫＣを示し、２μｍ以上では著しく減少している。ビ
ッカース硬度計によって焼結体にダイヤモンド圧痕をつ
けた場合の割れの状態を観察した。単味のジルコニアか
らなる焼結体での割れ長さは本発明による平均粒径Ｏ，
ＯＳμｍの金属粉末を添加した焼結体Ｂの縦方向の割れ
長さよシ大きく、本発明の焼結体は、従来の焼結体に比
べて割れ長さが約半分であることが確認された。

ジルコニア焼結体の脆性改善には上記のことがら金属粉
末を平均粒径で０．５μｍ以下が有効である。

次ＫＮｉ基耐熱合金粉末の平均粒径を０．０５μｍと一
定にしてその添加量を種々変えて添加し、金属粉末をジ
ルコニア中に分散させた後、その混合粉末を成形し、次
いで焼結して焼結体を作製した。前述したようなこの焼
結体から試験片を作製し曲げ強度試験に供した。曲げ試
験はビッカース硬度計で圧痕をつけたのち曲げ試聴を行
った。

第４図は金属粉末の添加量と焼結体の曲げ強度との関係
を示している。図から明らかなように金属粉末を、１　
ｗ　ｔ　１０以上添加することにょシ曲げ強度は増加し
、添加量が２．５Ｗｔ１０で最大となシそれ以上添加す
ればかえって、強度は低下する傾向を示した。したがっ
て、金属粉末の添加量は０．５〜６％の範囲にすること
が好ましい。この原因は金属微粉末同志が接触して、金
属微粉末が凝集肥大するためである。

７、５　Ｗ　ｔｌｏの金属粉末を添加した焼結体の光学
顕微鏡写真を観察した結果、マトリックス中に金属粉末
が凝集して肥大化していることが認められる。そのため
、焼結体の曲げ強度は低下することになる。

したがってジルコニアの靭性を高めるためには金属（Ｒ
ｅｎｅ’　１３０　）の超微粉末は０．５〜６Ｗｔ１０
の範囲でジルコニア焼結体のマトリックス中に均一に分
散されることが重要である。

以上のように、ジルコニア中に平均粒径が０．５μｍ以
下である金属超微粉末を０．５〜６Ｗ１０分散させるこ
とによシ靭性を向上させることができることが判明した
。なおアルミナ（ＡＩ４０ｍ　）についても本実施例と
同様に行ったが、本発明はアルミナの脆性改善にも゛効
果が認められた。従ってＳｊＣ，５ｊ３Ｎ４等の他のセ
ラミックスに超微粉を添加しても同様の効果が期待でき
ることは明白である。本発明における超微粉末を製造す
ることは現在の技術水準から可能であシ、本実施例で用
いたＮｉ基耐酸化合金の超微粉末を添加することはよシ
効果的である。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、セラ
ミックスたとえばジルコニアおよびアルミナを主体とす
る焼結体の靭性を向上させることができると共に、耐高
温酸化性および高温強度に優れた焼結体を提供すること
ができ、その効果に犬なるものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図は金属粉末の粒径と曲げ強度との関係を示す線図
、第２図は金属粉末の粒径とビッカース圧痕後の焼結体
の曲げ強度との関係を示した線図、第３図は金属粉末の
粒径に対するＫＣを示したｔ第４図は金属超微粉末の添
加量とダイヤモンド圧痕後の曲げ強度との関係を示した
線図である。 代理人　弁理士　鵜沼辰之 令馳米粒径（Ｊ、ＬＴｎす も３目 令瓢紛未柾径（μ町

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、セラミックスからなる焼結体中に、平均粒径が０，
   ５μｍ以下である耐酸化性合金を重量比で０．５〜６チ
   分散したことを特徴とする高靭性セラミックス焼結体。 ２、特許請求の範囲第１項において、耐酸化性合金が重
   量比でＣ：　０．１〜０．２％、　Ｃｒ　：　５〜２０
   チ、Ｍｏ：３〜１０チ、Ｗ：３〜１０％、Ａ４：２〜ｓ
   ｓ、Ｔｉ：ｚ〜５％および残部Ｎｉからなることを特徴
   とする高靭性セラミックス焼結体。 ３、特許請求の範囲第１項において、耐酸化性合金が重
   量比でＣ：　０．１〜０．３％、　Ｃｒ　：　５〜２０
   チ、Ｍｏ：３〜１０チ、Ｗ：３〜１０％、Ａｔ：２〜ｓ
   ｓ、Ｔｉ：２〜５チおよび残部ＣＯからなることを特徴
   とする高靭性セラミックス焼結体。