JPS62108765A - 強靭セラミツク材料の製造方法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は強靭セラミックス材料、例えばエンジニアリン
グセラミックス分野、特に耐摩耗、耐欠損性にすぐれ重
切削及びフライスのような断続切削用チップ等の切削工
具材料に用いて好適なセラミックス材料の製造方法に関
するものである。

（従来の技術） 加工工具、特に切削工具の分野では焼結技術の向上によ
って従来用いることのできなかった種々の物質が活用で
きるようになり、セラミックス工具が近年、注目されて
いる。

セラミックス工具は大別すると、純アルミナセラミック
ス（Ａｚｚｏｚ９９％以上）とＴｉＣ添加セラミックス
（ＴｉＣ２０〜４０Ｗ％）の２種類であり、このうち、
前者の純アルミナセラミックスは大量生産ができること
、耐摩耗性が高いことが長所である反面、靭性に乏しい
欠点があり、主として仕上連続旋削に用いられている。

一方、これに対し八で２０３焼結体中Ｔｉｃ　ｍ粒子を
分散された後者のセラミックスは純Ａ　Ａ　ｚｏｉに比
べて靭性１強度にすぐれ、特にフライス加工のような断
続切削工具材料として利用されている。

又、近時、ｌＩ２０．にＺｒＯ□を分散させた材料が同
様にＡ　ｌ　２０．の機械的特性を改善させるものとし
て公知であり、その利用が試みられている。

（発明が解決しようとする問題点） ところで、Ａ　１２０３　　Ｚｒ０ｚ　（Ｙ２Ｏ３）の
ような分散強化型材料の作製上、必要なことは分散粒子
を微細化すること、Ａｎ２０１マトリックス中に均一に
分散させることであるが、従来においてはかがる粒子の
分散は主として原料酸化物粒子の機械的混合によるもの
であり、分散粒子は必ずしも均質に分散しているものと
は言えなかった。

本発明はかかる実状に鑑み、ＺｒＯ□粒子を理想的に微
細化し、かつこれをマトリックス中に均一に分散させる
方法を提供するものである。

（問題点を解決するための手段） 即ち、本発明の特徴とすることろは、原料としてｉ及び
Ｚｒのアルコキシドを用い、溶液中で原子レベルで完全
に均質混合状態を作り、これを加水分解するごとにより
＾６２０３−ＺｒＯ□の完全均質混合原料を得ることで
あり、かつ、これを用い仮焼処理を行うことにより焼結
用原料粉末とし、以後は通常のセラミックス製造プロセ
スにより成形焼成して最終の強靭セラミックス焼結体と
することにある。

これをより具体的に説明すると、金属アルコキシドの均
一混合溶液の加水分解によってＺｒ０ｚ　５〜３Ｑｖｏ
ｌ　％と、Ｙ２Ｏ２＋　ＭｇＯ＋　ＣａＯから選ばれた
１種以上を前記ＺｒＯ□に対して５ｍｏｌ％以下と、残
部が八！２０３及び不可避不純物とから構成される組成
の共沈澱物を作り、これを９００〜１３００℃で仮焼し
てセラミックス原籾扮末を得、これを通常のセラミック
ス製造過程に従って成形後、１４００〜１６５０°ｃＴ
：普通焼結又は／及び高圧焼結することからなる方法で
ある。

以下、更にこれを順次詳述する。

先ず、本発明は原料として八１　（ｉ　　０Ｃ３１ｈ）
：＋（アルミニウムイソプロポキシド）およびＺｒ　（
ＯＣ４１１９）　４（ジルコニウムブトキシド）　、　
Ｙ（ＯＣ４Ｈ９）３　　（イツトリウムブトキシド）を
エタノール中に所定量溶解させる。

この場合、原料に用いたアルコキシドは例えば八β　（
ｉ　　０ＣＪｔ）ｓ以外の＾！ｌ　（ＯＣｔＨ７）３で
もよく、要は溶媒に完全に溶解し加水分解できるもので
あれば可能であるが、通常はＡｌ　（４０Ｃ３Ｈ７）３
　。

Ｚｒ　（ＯＣ４Ｈ９）　４＋　Ｙ　（ＯＣ４Ｈ９）　３
が一般的であって入手し易いので使用される。

そして、上記の如く溶解させた溶液を、次いで攪拌しな
がら水を滴下し、加水分解を行い、Ｚｒ０２５〜３０ｖ
ｏｌ　％と、Ｙ２Ｏ３＋　ＭｇＯ、ＣａＯから選ばれた
１種以上、ここではＹ２Ｏ３を前記ＺｒＯ２に対し５ｍ
ｏｌ％以下と残部がＡ　ｌ　２０３及び不可避的不純物
からなる組成の沈澱物を作る。

このときＺｒＯ□Ｏ量を５〜３０νｏｌ　％としたのは
５％未満ではＡ　Ｉ！ＺＯ：ｌマトリックス粒子の粒界
点をすべて満たすことが出来ず、八ρｚ０３の粒成長を
抑制できないため焼結中にＡｌ２Ｏ２の異常粒成長が発
生し組成が不均一になって機械的強度を低下させ、一方
３０％以上になるとＺｒＯ□の特性が顕在化し硬度の低
下が著しく耐摩耗性が悪くなるからである。

又、Ｙ２Ｏ２、ＭｇＯ＋　ＣａＯの一種以上をＺｒ０ｚ
に対して５ｍｏｌ　％以下添加するのは、焼結体中の分
散ＺｒＯ□粒子を正方品の状態で安定又は単安定状態に
させておくためである。

正方晶Ｚｒ粒子はクラック先端で単斜晶に相転移し、破
壊圧力を吸収することによりクラックの伝播を阻止する
転移強化効果を有する。

しかし、Ｙ２Ｏ３等を５ｍｏｌ％以上にすると、立方晶
ＺｒＯ□として完全安定化する割合が増し、上記転移強
化の効果がなくなるため靭性９強度の増加が顕著でな（
なる。

従って、Ｙ２Ｏ３等は５ｍｏｌ％以下に止めることが好
ましい。

ところで、加水分解物はそのままでは数１０Ａの非常に
ｉ故細粒であり、嵩密度が低く、成形困珪である。この
ため引き続き適当な温度で仮焼処理を行うこが効果的で
ある。勿論、仮焼処理には外にＡｊ２　（ＯＣ３Ｈ７）
加水分解生成物は八！００Ｈのような水を含んだ状態に
なっているのでこれを脱水するという意味もある。

そこで、前記得られた沈澱物をろ過し乾燥した後、仮焼
処理を行い焼結川原！′４粉末とする。

この場合、仮焼温度として９００〜１３００℃の範囲が
適用される。

これは例えば仮焼温度と比表面積値の関係は第１図の通
りであり、八６ｚＯｘ　　　２０％Ｚｒ０ｚ　（ｙｚｏ
ｉ）の９００〜１３００℃，ｌｈｒの仮焼時に６５ｍ／
ｇ〜１５ｎ？、／ｇの比表面積値となり、後の成形操作
に使える状態の原料粉末が得られることより推測される
。

なお、９００″Ｃ以下ではＢＥＴ値が太き（（粒径小）
成形困難であり、一方、１３００℃を越えると粒子同志
の焼結が顕著となり、仮焼後の解砕が困難となる。

従って、９００〜１３００℃が好ましく、更には１１０
０〜１３００℃が好ましい。

かくして、叙上のようにして得た粉末を以後、通常のセ
ラミックス製造プロセスによりバインダー添加、成形、
焼成を経て最終焼結体に形成するが、焼成に際しては普
通焼結、普通焼結と熱間静水圧プレス（ＨＩ　Ｐ）の併
用、ホントプレス等、既知の各手段の単独又は併用が適
宜採用可能である。

第２図にかかる焼結時における焼結温度と密度の関係を
示す。

同図においてその焼結体組成は、 Ａｆｆｚ（ｈ　　２０％Ｚｒ０ｚ　（３ｍｏ１％ＹＺＯ
３）であり、焼結時間は２時間、そしてＨＩ　Ｐ条件は
１４５０’Ｃ，１５０ＭＰａ　、　　ｌｈｒである。

図より明らかなように普通焼結の場合（図中の白丸）は
１４００℃以上で９２％ＴＤとなり、実用に耐えるが好
ましくは９７％以上の密度が得られる１４５０℃以上が
必要である。

一方、ＨＩＰ処理により９９％以上に緻密化するために
はＨＩ　Ｐ以前の焼結で９５％以上になっていることが
好ましく、焼結温度１４２５℃以上の焼成体をＨＩＰ用
とする。

そのため、原料粉末成形体を１４５０〜１６５０℃で普
通焼結した後、該焼結体を直接ＨＩＰ処理することが存
効である。

ここで、焼成温度上限を１６５０℃とするのはこの温度
で充分緻密化しており、これ以上の温度は不要であるの
みならず、粒成長による機械的特性の低下を招くからで
ある。

以下、更に具体的な実施例を掲げる。

（実施例） Ａ　Ｎ　２０３及びＺｒＯ２に換算して夫々８０ｖｏ１
％及び２０ｖｏｌ　％のＡ　Ｅ　（ｉ　　０ＣＪｔ）　
：＋　とＺｒ　（ＯＣｄ＋、）４＋更に、ＺｒＯ□に対
して３ｍｏ１　％のＹ２Ｏ３に相当するＹ（ＯＣ４１１
９）３を三つロフラスコ中にてエタノールを）容媒とし
てアルコキシドの濃度で２０訂％を溶解した。次いでス
ターラーで上記溶液を撹拌しながら蒸留水を滴下し、ア
ルコキシドを加水分解した。

得られた加水分解生成物は比表面積値で１００１／ｇの
非常に緻細で嵩密度の低い粉体であった。

この粉体を引き続き大気炉で１２００℃，ｌｈｒで仮焼
処理し比表面積値３０ｍ／ｇの原料粉末を得た。（第１
図参照） 上記原料粉末にパラフィンワックスを混合後、サイズ５
０Ｘ５０Ｘ８’−に１０００　ｋｇ／ｃｎｆで金型成形
した。この成形体の嵩密度は４５％であった。

かくして、上記得られた成形体を更に大気中、１５００
℃、２ｈｒ焼成したところ、焼成後の焼結体密度は９８
．５％であり、抗折強度（３点曲げ）は第３図より９０
　ｋｇ／ａ＋ｆ、　　Ｋ　Ｉ　Ｃ（ビッカース圧子圧入
法）１０ＭＮ／ｍ””、ビッカース硬度（Ｉｌｖ）１６
８０　ｋｇ　７ｍｍ２と従来材に比べて優れた特性を有
していた。（第２図及び第３図参照）そこで、上記焼結
体を更に１４５０℃，１５ＭＰａ、・１　ｈｒの条件で
ＨＩＰ処理したところ、第２図。

第３図の各黒丸で示すように抗折強度１４２　ｋｇ／ｍ
ｍ２゜ＫＴＣ１２ＭＮ　７ｍ””、ビッカース硬度（Ｈ
ｖ）　１７４０ｋｇ／ｍｍ”という従来材に比べ大幅に
優れた特性を示した。

以下、上記実施例を実施例１とし実施例２〜６゜比較例
１〜７をまとめて第１表に表記する。

表中、組成のその他はＺｒ０ｚ比ｍｏ１％であり、■］
ＩＰ処理条件は１４５０℃，１５０ＭＰａ　、　　ｌｈ
ｒ。

ホットプレスは圧力２５０　ｋｇ／　ｃｒ＆、　　１　
ｈｒである。

（以下　余白） なお、上表において、比較例１は実施例１と同様にして
得た加水分解生成物を用い、仮焼温度を９００℃とした
場合で、ＢＥＴ比表面積値は６０ｒｄ／ｇである。（第
１図参照） これは金型プレス成形１０００ｋｇ／ｃＪでラミネーシ
ョンを越して成形できなかった。

５００　ｋｇ／ｃｔＡに圧力を下げたところ、成形する
ことはできたが嵩高密度は３２％であり、この成形体は
１６５０℃までで９５％以上に焼結しなかったＯ 又、比較例２に見られる如く仮焼温度８５０℃では粉体
の圧縮性が極めて悪く成形不可能であった。

一方、１３５０℃で仮焼処理した比較例３では粉体間の
焼結が起こり、２次粒子の解砕が困難であった・ このため、焼結体中に大きな欠陥（ボア）が残留し易く
、従って強度は６２ｋｇ／ｍｍ”と比較的低く、分散強
化の効果は殆ど認められない。またＨＩＰ処理によって
も大径ボアは除去できず、強度改善も望めない。

次に上記各実施例における試料焼結体を抽出しシリンダ
ーブロック上面のフライス加工用の切削工具に用いた使
用例を第２表に掲げる。

被削材；シリンダーブロック上面（２００Ｘ５００）材
質・・・ＦＣ−２５ 切削速度　Ｖ−５００ｍ　／ｍｉｎ 切込み　　ｔ＝０．５ｍｍ 送り　　　　ｆ　＝　０．　１５ｍｍ／を工具　　　Ｓ
　Ｎ　Ｇ　Ｎ　５４５　　（１５，８７５Ｘ　１５．８
７５　Ｘ６．３５ｍｎ＋　　、コーナーＲ２，Ｏｍｍ切
れ刃チャンファ−０，１３＋ｎｍＸ２０なお、表中、試
料隘は第１表における試料寛を示す。

（以下　余白） 上記表より分かる如く、本発明方法による材料（ｌａ）
、　　（３ａ）、　　（４ａ）は他のものに比べ強靭性
をもつため耐欠損性にすぐれ、フライス加工のような断
続切削用工具材として最適である。

（発明の効果） 以上の如く本発明方法によればアルコキシド法によりＡ
ｌ２Ｏ，とＺｒＯ２の理想的な均一分散が達成できたた
め、均一微細組織が得られ、その結果、従来のセラミッ
クス材料に比較して著しく高密度かつ高靭性の材料を得
ることができると共に、仮焼処理の最適化により従来、
取扱いに難があるとされていたアルコキシド加水分解原
料の成形を容易となし、しかも近時、高速加工化と共に
その性能向上が求められていた切削工具に本材料を使用
し、かつフライス加工のような断続切削やＮＣ加工で切
削油を用いなければならない場合においてもす（れた切
削性能（耐欠損性）がＪ、こめられ、重切削及び１ｙｒ
続切削用チツプ材等として本発明方法はその材料特性の
改善、該材料の応用の拡大に顕著な効用が期待される。

【図面の簡単な説明】

第１図は比表面積値に及ぼす仮焼温度の影響を表す図表
、第２図は焼結温度に対する焼結体密度の関係を示す図
表、第３図は普通焼結体（白丸）及びＨＩＰ処理体（黒
丸）の焼結温度に対する抗折強度を示す図表である。 芋を図 ａＬ順’ｊ＆”ＬじＣう 竿２図 燻鉛工屓（０Ｃ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、金属アルコキシドの均一混合溶液を加水分解するこ
   とによって得られたＺｒＯ＿２５〜３０ｖｏｌ％と、Ｙ
   ＿２Ｏ＿３、ＭｇＯ、ＣａＯ、から選ばれた一種以上を
   ＺｒＯ＿２に対して５ｍｏｌ％以下と残部がＡｌ＿２Ｏ
   ＿３及び不可避不純物から構成される組成の共沈澱物を
   ９００〜１３００℃で仮焼して得たセラミックス原料粉
   末を用い、これを通常のセラミックス製造過程に従って
   成形した後、１４００〜１６５０℃で普通焼結又は／及
   び加圧焼結せしめることを特徴とする強靭セラミック材
   料の製造方法。 ２、仮焼温度が１１００〜１３００℃である特許請求の
   範囲第１項記載の強靭セラミック材料の製造方法。 ３、原料粉末成形体を１４５０℃〜１６５０℃で普通焼
   結した後、該焼結体を引き続き直接熱間静水圧加圧処理
   する特許請求の範囲第１項又は第２項記載の強靭セラミ
   ック材料の製造方法。