JPS6054266B2 - 強靭セラミック材料の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は酸化アルミニウム（Ａｌ。

Ｏ、）を基質として、炭化チタン（ＴｉＣ）を分散させ
たセラミック組成物において、炭酸化チタン（ＴｉＣＯ
）のＴｉＣとＡ１。Ｏ。界面への介在と微量酸化物の添
化によつて高い靭性を特徴とする強靭セラミック材料の
製造方法に関するものである。従来、セラミック材料は
その高い耐摩耗性により、広く普及すると考えられてい
るが、切削用途に関しては、鋳鉄量産部品の高速度旋削
等限られた用途で使用されているにすぎない。

その最も大きな原因は、靭性の低いことによる突発的欠
損にある。この点から材質的に種々改良がなされている
が、例えばＡｌ。Ｏ。基質中にＴｉＣを分散させた、い
わゆる黒セラミックが代表的なものであり、製造法とし
ては、ホットプレス、熱間静水圧プレスなどの採用があ
げられる。しカルながら、フライス加工あるいは断続要
因の多い切削、湿式切削等においては未だ不十分な性能
しか得られていない。

本発明者らは、従来の黒セラミックをさらに強靭化し、
セラミック工具の用途拡大をはかるために、種々検討を
行つた結果、アルミナ基質相の微・粒化、ＴｉＣ分散相
の微粒化およびアルミナとＴｉＣの粒界強化を同時に達
成することによつて、極めて高い靭性と耐摩耗性を兼ね
備えたセラミック材料の開発に成功したものである。

即ち、本発明の要件はＡ１。

ｏ。基質に対し、ＴｉＣ単独ではなく、あらかじめ合成
したＴｉＣＯと十分に混合粉砕した微細なＴｉＣを分散
させることによるＡｌ２Ｏ３とＴｉＣ界面の強化および
Ａｌ２Ｏ３の０．０５〜１．５重量％の酸化物（ＭｇＯ
，Ｙ２Ｏ３，Ｃ？２０３，Ｎｉ０）および１〜５重量％
のＺｒＯ２を主として，Ａｌ２Ｏ３の粒成長抑制を目的
として添加することにある。従来から、Ａｌ２Ｏ３とＴ
ｉＣの混合物を焼結する方法としてＴｉＯ２を添加する
（日本特許出願公告昭５１−５６９），表面を酸化させ
たＴｉＣなどを使用する（日本特許出願公告昭５３−１
４５６８）などが提案されているが、ＴｉＯ２の添加は
少量では．Ａ］２０３とＴｉＣ界面への分布が不十分で
あり、多量では焼結体の靭性を損う、またＴｌＣ表面を
酸化する方法はＴｌＣの酸化が急激に進行するため、酸
素含有量のコントロールが極めて困難である。

これらの方法は原料ＴｌＣに含まれる遊離炭素を原因と
する一酸化炭酸ガスの発生を抑え、焼結性をアップする
ための目的であれば十分であるが、ＴｌＣ＜５Ａ１２０
３の粒界部分のＴｌＣＯによる強化としては不十分と考
えられる。

これに対し発明者らは、Ｔｉ（ＣｘＯｙ）ｍをあらかじ
め合成し、原料ＴｌＣと十分混合して得た粉末を分散成
分として使用する場合に望ましい性能が得られることを
見出した。

この場合のＴｉ−（ＣｘＯｙ）ｍは、ｘ＋ｙ＝１であり
、酸素の含有率ｙは０．３１）．上でなければ、ＴｉＣ
Ｏを添加する効果が小さすぎるし、０．８１）．上では
ＴｌＣ中の酸素含有量が大きすぎるため靭性が低下する
。またｍ値は種々の条件でＴｉＣＯを製造した結果に基
づく経験！的に秀れた性能を示す範囲に限定する。なお
ＴｉＣＯは単体あるいはＴｌＣ，ＴｉＯ２，Ｔｉ３Ｏ５
，Ｃ等の未反応物を５喧量％以下含むＴｌＣＯであり、
全体の組成が上記規定を満たせば同様の効果を得る。原
料ＴｌＣに対するＴｉＣＯの配合比率を３％以上３０％
以下としたのは、この範囲内でＡｌ。

ｑｌ：．ＴｉＣの結合強化がＴｉＣの特性を劣化させる
ことなく達成されるからである。上記に示したＴｉＣお
よびＴｉＣＯ粉末はボールミ１ル，アトタイター，振動
ミル他で十分に混合粉砕し、平均粒径１μｍ以下として
分散相成分とするが、混合粉砕中に混入するＦｅ，Ｗ，
Ｓｉ，ＣＯ，Ｎｉ他の不純物は３重量％以内に抑えるこ
とが望ましい焼結体を得るに必要である。

ＴｉＣ＜５Ｔｉ（ＣｘＯｙ）ｍの平均１μｍ以下の規定
は破壊の起点となるような欠陥の除去および硬質相の微
細分散による焼結体硬度の上昇のために必要である。一
方基質相としてのＡｌ２Ｏ３の成分には、粒成長抑制を
目的として、ＭｇＯ，Ｙ２Ｏ３，Ｃｒ２Ｏ３，ＮｉＯか
ら選ばれた１種以上の酸化物を０．０５〜１．５重量％
添加する。添加量が０．０５重量％以下では、粒成長抑
制の効果がないし、１．５重量％以上では粒界に・有害
な結晶物が析出し、強度が抵下する。粒成長抑制剤とし
しては、前記酸化物に加え、１〜５重量％のＺｒＯ２を
添加する。発明者らの研究によれば、ＺｒＯ２は１重量
％以下の添加では粒成長抑制効果が小さいし、５重量％
以上の添加ではＺｒＯ２特有の正方晶：単斜晶の転移に
よつて巨視的なりラックが発生するため、かえつて強度
が低下するだけでなく、耐摩耗性の低下が著しい。さら
にこれらの基質相成分粉末は平均１μｍ以下て好ましい
強度を得る。分散相成分の量を５〜５０積パーセントに
規定する理由は、５体積パーセントでは添加が小さく、
添加効果がないし、（４）体積パーセント以上では、耐
摩耗性の抵下が著しいのである。

焼結方法としては、ＴｉＣ，ＴｉＣＯの酸化防止のため
、還元性雰囲気での焼結が必要であるが、それはホット
ブレス，真空焼結，還元性雰囲気ガス（例えばＨ２，Ｃ
Ｏガスなど）焼結，熱間静水圧ブレスなどのいずれでも
よい。

今まで述べたように、Ａｌ２Ｏ３を主成分とした基質相
とＴｌＣを主成分とした分散相から成るセラミック焼結
体において、基質相に粒成長を抑制することを目的とし
て、ＭｇＯ，Ｙ２Ｏ３，Ｃｒ２Ｏ３，ＮｉＯから選ばれ
た１種以上の酸化物を０．０５〜１．５重量％およびＺ
ｒＯ２を１〜５重量％添加し、分散相としてはＴｉＣに
ＴｉＣＯを３〜３鍾量％添加して十分に粉砕混合し、平
均粒径を１μｍ以下とした混合成分を採用することによ
つて、分散相が焼結体において５〜５０積％を占める場
合に極めて高い靭性を兼ね備えたセラミック材料を供給
するものである。

本発明によつて切削工具として使用した場合、その高い
靭性によつて、断続切削，湿式切削等に広く応用が可能
となるものであり、機械加工技術に与える影響も極めて
大きいと考える。

以下実施例について具体的に説明する。

実施例１ 市販のＴｉＣ粉末平均粒径１．５μｍと自家製造のＴｉ
ＣＯ粉末平均粒径３．０μｍ（Ｔｉ（ＣｘＯｙ）ｍとし
てｘ＝０．４，ｙ＝０．６，ｍ＝０．９５）を第１表に
示す割合で配合し、湿式ボールミルで７満間予備粉砕い
、平均粒径０．７μＭ，不純物混入量がＡｌ，Ｏを除き
０．５％の粉末を得た。

この粉末に市販のＡｌ２Ｏ３粉末にＺｒＯ２粉末を３重
量％添加した粉末を焼結体体積の７５％を占める量を加
え、さらに８時間混１合後、１６５０℃，３紛間，３０
０ｋ９／ｄの条件で真空ホットブレスして得た焼結体か
ら１２．７Ｔ！ｒ！ｆｌ刈２．７ＷｒＩ１Ｘ４．７６Ｔ
ｆｒ１１１（７）ＣＩＳ．ＳＮＧ４３２のスローアウエ
イチツプャ実施例２第１表に示した試料番号４と同一組
成の配合を行うに、ＴｉＣ．ｌ５ＴｉＣＯの予備混合粉
砕を行わず、直接．Ａ］２０３，Ｚｒ０２と配合し、８
時間混合後実施例１と同様の工程にて焼結体を得、実施
例１と同様の切削テストおよび硬度測定を行つたところ
、切削可能バス数５Ｐａｓｓ，ヴイツカース硬度（５ｋ
９）１３８９と実施例１に劣る性能を得た。

即ち、ＴｌＣとＴｌＣＯとの予備混合粉砕によつて微粒
なＴｉＣ，ＴｌＣＯを使用した場合の効果が大きいこと
が分る。実施例３ ｒ土ＰＬｊ射ＩｌｌＯ／．；ヤ」λ久 を作製し、切削テストおよびヴイツカース硬度を測定し
た。

その結果を第１表にまとめて示した。

なお切削テスト条件は以下の条件とした。

分散相成分龜おいて、ＴｉＣＯの配合量が３〜３０重量
％の場合に秀れた特性の得られることがわかる。

市販のＴｌＣ粉末（平均粒径１．５μｍ）と２５重量％
の自家製造のＴｉＣＯ粉末の平均粒径３μｍのものを、
〔（Ｔ１（ＣｘＯｙ）ｍとしてｘ＝０．４，ｙ＝０．６
，ｍ＝０．９５〕を湿式ボールミルで７２時間予備粉砕
し、平均粒径０．７μＭ，不純物混入量０．５％の粉末
を得た。

この分散相成分とＡＩ２Ｏ３粉末にＺｒＯ２粉末を３重
量％添加した基質相成分を第２表に示す割合で配合し、
８時間混合後、１７００℃，３０分間，３００ｋｇ／ｄ
の条件で真空ホットブレスして得た焼結体から１２．７
顛×１２．７Ｗ！！Ｌ×４．６７？のＣ■Ｓ．ＳＮＧ４
３２のスローアウエイチツプを作製し、切削テストおよ
びヴイツカース硬度を測定した。その結果をまとめて第
２表に示した。なお、切削テストは実施例１と同一条件
で行つた。

本結果によつて、分散相成分の配合比率が５〜５０ｆｆ
＞積パーセントによつて秀れた特性の得られることがわ
かる。

実施例４ 実施例１に示した方法で試料番号４の組成で焼結体を製
造した。

但し、ＴｉＣＯは第３表に示した組成のものを用いた。
そのうち実施例１に示した。方法で切削テストおよび硬
度測定を行つた。ＴｌＣＯ組成として、Ｃ，Ｏの比率が
Ｔｉ（ＣｘＯｙ）Ｍｘ＋ｙ＝１とすると、０．３くｙ〈
０．８の場合に秀れた性能が得られることがわかる。

実施例５第４表に示した添加成分を含むＡｌ２Ｏ３粉末
を７５体積％，市販のＴｉＣ粉末とその２５重量％の自
家製Ｔｌ（ＣＯ．４ＯＯ．６）。

．９５粉末とをｎ時間予備粉砕して得た混合粉末２Ｕ．
積％を８時間混合後、１７００℃，３０分間，２００ｋ
９／ＣＴｉの条件て真空ホットブレスして得た焼結体が
１２．７ｍ×１２．７顛×４．７６？のＣＩＳ．ＳＮＧ
４３２のスローアウエイチツプを作製し、切削テストお
よびヴイツカース硬度を測定した。その結果をまとめて
第４表に示した。切削テストおよび硬度測定は実施例１
と同様の条件とした。

実施例６ 実施例３で示した試料番号１３の組成物を１５５０℃Ｘ
１時間の条件で１０−２Ｔ０ｒｒの真空焼結を行つたと
ころ切削可能バス数６Ｐａｓｓ，ヴイツカース硬度１９
０５を得た。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ＭｇＯ，Ｙ＿２Ｏ＿３，Ｃｒ＿２Ｏ＿３，ＮｉＯか
   ら選ばれた１種または２種以上を０．０５〜１．５重量
   ％およびＺｒＯ＿２を１〜５重量％含んだ残部酸化アル
   ミニウムから成る平均粒径１μｍ以下の基質相成分粉末
   を（ａ）とし、炭酸化チタン粉末３〜３０重量％を含む
   炭化チタン粉末を粉砕混合し、平均粒径１μｍ以下とし
   た３重量％以下の不可避不純物を含む分散相成分粉末を
   （ｂ）として、上記基質相成分粉末（ａ）と分散相成分
   粉末（ｂ）を焼結体において、分散相が５〜５０体積％
   となるように配合した最終混合物を還元性の雰囲気で焼
   結することを特徴とする強靭セラミック材料の製造方法
   。 但し、炭酸化チタンはＴｉ（Ｃ＿ｘＯ＿ｙ）＿ｍであら
   わすと、０．３≦ｙ≦０．８，ｘ＋ｙ＝１，０．６≦ｍ
   ≦１．１であり、Ｃ，Ｏはそれぞれ炭素、酸素で、ｘ，
   ｙはこれらのモル比，ｍはＴｉのモル量１に対するＣ，
   Ｏのモル量の合計であるが、Ｔｉ（Ｃ＿ｘＯ＿ｙ）＿ｍ
   は単体又は５０重量％以下のＴｉＣ，ＴｉＯ＿２，Ｔｉ
   ＿３Ｏ＿５，Ｃ等の未反応物を含む全体の組成を示す。