JPS6236065A - 耐熱・耐摩耗性セラミツク材料の製造法 - 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、耐熱性及び耐摩耗性に優れたセラミック材料
の製造法に関するものであり、特にダクタイル鋳鉄等の
切削工具として又、電気伝導性があるセラミックとして
の応用例えばセラミックヒータヤ耐摩耗・耐食性を必要
とする電極材料等の材料としても有用であるセラミック
材料の製造法に関するものである。

［従来の技術］ 従来よりＴｉＣは、融点、硬度が高く、又熱膨張が小さ
く熱伝導性も高温で低下しないために優れた耐スポーリ
ング性を有する高温材料として知られている。しかし、
ＴｉＣは難焼結材料のためｃｏ、Ｎｉ等の金属の添加等
によりサーメットとしてのみ緻密な焼結体を得ていた。

［発明が解決しようとする問題点］ しかし上記サーメットは複合体であるために金属相の挙
動に支配されＴｉ　Ｃ自体の前記特性が特に高温特性が
十分に活かされていない。

例えば、ダクタイル鋳鉄の切削において前述のサーメッ
トを用いたサーメットチップは仕上切削に用いられるが
、仕上切削といえども切削速度３００ｍ　／ｍｉｎを超
えるような高速切削では摩耗が早く、クレータ摩耗も大
きく、更にチッピングも生じやすい。逆に切削速度が１
５０〜２００ｍ／ｍｉｎ以下では超硬系等のチップはど
ではないにしても、溶着が起り仕上面が粗くなる。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は上記問題を解決するためになされたものであり
、Ｔｉ　Ｃの特性を活かし、かつ緻密なセラミック材料
の製造方法を提供することを目的とする。

第１の発明は、、Ａｌ２Ｏ３　１〜４０重量％と、焼結
助剤　０．０５〜８重量％と、 Ｚｒ　０２及び／又はＨｆＯ２３〜３５重量％と、　下
記割合の（ａ）及び（ｂ）成分からなるＴｉ　Ｃ成分　
１７〜９５．９５重量％と、からなる配合物を下記（ａ
＞成分の金属が金属相として存在しなくなるまで、非酸
化性雰囲気下で焼結して耐熱・耐摩耗性セラミック材料
を製造することを要旨とする。

（ａ）元素の周期率表で４ａ、５ａ及び６ａ族から選ば
れた１種又は２種以上からなる金属４〜３０重量％ （ｂ）Ｔｉ　０　７０〜９６重量％ 第２の発明は第１の発明に加えて配合物中のＴｉＣ成分
の５〜４０重量％をＺｒ　、　１−１ｆ及び元素の周期
率表で５ａ、６ａ族から選ばれた１種又は２種以上の炭
化物からなる（ｃ）成分としたことを要旨とする。

第１発明及び第２発明の（ａ）成分、即ち元素の周期率
表で４ａ、５ａ及び６ａ族の金属とは、Ｔｉ　、Ｚｒ　
、Ｈｆ　、Ｖ、Ｎｂ　、Ｔａ　、Ｃｒ　、Ｍｏ、Ｗのこ
とである。

第２発明の（ｃ）成分、即ちＺｒ　、＠ｆ及び元素の周
期率表で５ａ、５ａ族の炭化物とは、Ｚｒ。

Ｈｆ　、Ｖ、Ｎｂ　、Ｔａ　、Ｃｒ　、Ｍｏ　、Ｗの炭
化物のことであり、例えばＺｒ　Ｃ５Ｈｆ　Ｃ，ＶＣ，
Ｎ１）Ｃ，ＴａＣ，ＣｒＣ２、ＭＯｚＣ，ＷＣ等をあげ
ることができる。

本発明において金属が金属相として存在しなくなるとは
、少なくともＸ線回折装置によって金属相が検出されな
いことを、好ましくは光学顕微鏡によって金属相が検出
されないことを意味する。

非酸化性雰囲気としては、焼結時に配合物中のＴｉ　Ｃ
及び（ａ）成分の金属が酸化しない雰囲気であれば、特
に制限はなく、例えばＮ２　、Ａｒ　。

Ｈ２等の雰囲気をあげることができる。又、上記配合物
は常圧下のみならず、加圧焼結法や熱間静水圧加圧法で
焼結することができ、その焼結温度は通常用いられる範
囲でよいが、前述の如く、配合物中−の金属相が存在し
なくなるまで焼結する必要がある。

［作用］ 第１の発明の作用について説明する。

ＡΩ２０３は耐酸化性に優れ生成自由エネルギ−が低い
化学的に安定な物質であり、これをＴｔＣ成分中に分散
させることによりセラミック材料全体としての耐酸化性
、化学安定性を向上さすことができる。このことにより
Ｔｉ　Ｃの優れた性質に、ざらに耐酸化性及び化学的安
定性が付加される。

本発明においてＡｇ２Ｏ３は１〜４０重量％用いられる
が、Ａｇ２Ｏ３の量が１重量％未満では上記の効果は十
分にあられれず、４０重１％より多くなるとＴｉＣ自体
の特性がうすれてしまう。

本発明において焼結助剤をＡｇ２Ｏ３と併用するのは、
Ａｇ２Ｏ３の上記有効作用に加えて、、Ａｌ２Ｏｇと焼
結助剤とによるＡＱｚＯ３化合物がセラミック材料の焼
結を助成し、焼結性が向上するためである。本発明にお
いて焼結助剤とは、ＭＱＯ，Ｃａｂ、Ｓｉ　０２、Ｎｉ
　Ｏや、Ｙ２０３、ＤＶ２０ｇ、ＥｒｚＯ３、ＨＯ２０
３等の希土類酸化物等の通常Ａｇ２Ｏ３系、ＡＱ　２０
３−ＴｉＣ系、、Ａｌ２Ｏ３−Ｚｒ　０２系などのＡＱ
ｚＯａ主体セラミックの焼結に用いられるものを指す。

焼結助剤は、本発明において、０．０５重量％〜８重量
％用いられるが、０．０５重量％未満では、上記の効果
は十分にあられれず、逆に８重量％より多いと多量の上
記、Ａｌ２Ｏ３化合物がセラミック材料の高温特性を低
下させる。

Ｚｒ　０２及び／又はＨｆ　０２は、通常セラミック材
料中に正方晶の形で分散している。セラミック材料に大
きな外力が加わるとこれらは正方品から単斜晶への相転
移を起し、この相変化によって外力を吸収することによ
りセラミック材料を強化する。この作用は、無拡散格子
変態として知られているものと同一である。

Ｚｒ　０２及び／又はＨｆ　０２は、本発明において、
３〜３５重量％用いられるが、３重量％未満であると上
記の効果が十分にあられれず、逆に３５重量％を超える
と焼結体の耐摩耗性が低下する。

次にＴｉ　Ｃ中に前述の（ａ＞成分の金属が含まれるが
、この（ａ）成分を焼結過程でＴｉ　Ｃ中に固溶させ、
金属相としてセラミック材料に存在させないことが必要
である。このためにＴｉ　Ｃは非化学量論組成となり、
結晶構造を不完全、不安定とさせることができる。その
ために固相反応等の焼結反応が容易となり、その結果と
して本発明によるセラミック材料の焼結性を向上させる
ことができたと考えられる。又、この現象は、、Ａｌ２
Ｏ３粒とＴｉ　０粒あるいはＴｉ　Ｃ粒同士の界面が強
化される事をも意味する。さらに、まだ十分解明してい
ないが、ＴｉＣ自体の高温強度に関しても結合形態が本
来の共有結合に金属結合の性質を帯びることにより、強
度靭性面が向上すると思われる。

本発明において上記の特性を付与するため（ａ）成分は
Ｔｉ　Ｃ成分の４〜３０重量％用いられるが、（ａ）成
分の量がＴｉ　Ｃ成分の４重量％未満の場合は上記の効
果は不十分であり、（ａ＞成分の吊がＴｉ　Ｃ成分の３
０重量％を超えると（ａ）成分が金属相として残留する
可能性があり、切削性能についてみると耐摩耗性が低下
する。

第２発明の作用について説明する。

第２発明は、第１発明の構成に加えＴｉ　Ｃ成分中に前
述の（ｃ）成分の炭化物を含む。この（ｃ）成分はＴｉ
　Ｃ中に固溶するが、ＴｉＣと（ｃ）成分は含まれる原
子の大きざが異なるためにＴｉ　Ｃの結晶格子が歪みを
有する。このような格子歪みを持った結晶の格子面は同
じ大きざの原子が並んでいる平担な格子面よりも転位が
動くのにより多くのエネルギーを必要とする。即ちセラ
ミック材料を破壊するのにより多くのエネルギーが必要
となるのであり、上記作用によってセラミック材料の強
度がより向上する。

第２の発明において上記特性を付与するため゛（ｃ）成
分はＴｉ　Ｃの５〜４０重山％使用するが、５重量％未
満であると上記特性は表われず、第１の発明と同一とな
ってしまう。逆に４０重量％を超えると、Ｔｉ　Ｃ自体
の優れた特性が劣化してしまう。

［発明の効果］ 本発明のセラミック材料の製造方法を用いることによっ
て、Ｔｉ　Ｃの特性をより活がしかつ緻密な耐摩耗性、
耐熱性を有するセラミック材料を製造することができる
。

第１発明のセラミック材料の製造方法により製造された
セラミック材料は、前述のダクタイル鋳鉄等の鋳鉄、鋼
、高ニッケル、アルミニウム、チタン等や、非金属の切
削工具や、耐摩耗性、耐食性、耐熱性を必要とする機械
部品に有用である。

又、電気伝導性があるので、電気伝導性があるセラミッ
クとしての応用例えばセラミックヒータや、耐摩耗、耐
食性を必要とする電極材料等の材料としても有用である
。

第２発明のセラミツ、り材料の製、進方法により製造さ
れたセラミック材料は、第１発明によりｗ４ｉ造された
セラミック材料の効果に加えて、Ｚｒ、Ｈｆ、、５ａ、
５ａ族炭化物を添加する事により、靭性、硬度、耐熱性
、耐摩耗性等に優れた性質を付加することができる。し
かし、これら全ての性質が第１発明によるセラミック材
料に比べて向上するのではなく、Ｚｒ　Ｃ，Ｈｆ　Ｃあ
るいはＶＣを添加すると硬度、耐摩耗性が、Ｔａ　Ｃあ
るいはＮｂＣを添加すると耐熱性が、ＷＣ，ＭｏｚＣ，
Ｃｒ　Ｃｚを添加すると靭性が各々第１発明のセラミッ
ク材料より向上する。従って用途等に応じてＺｒ、）−
１ｆ　、５ａ、６ａ族炭化物を選択して添加すると第１
発明によるセラミック材料の優れた性質により優れた性
質を加えることができ、各種材料としてより有用なセラ
ミック材料を得ることができる。

（実施例］ 本発明の実施例について説明する。

配合物を第１発明の実施例として第１表の試料Ｎｏ、１
−ａ〜１−ｋに示す割合に、又第２発明の実施例として
試料Ｎｏ、２−ａ〜２−ｋに示す割合に調合し、ステン
レスボールミル中でアセトンと共に３０時時間式粉砕し
た。その後アセトンを乾燥機で揮散させ乳鉢で６０メツ
シユを全量通過するまで微粉砕して素地粉末を調製した
。第１表中のＴｉ　Ｃ成分中の（ａ）、（ｂ）、あるい
は（ｃ）成分の量は、ＴｉＣ成分を１００とした場合の
重量％である。尚、α−ＡΩ２０３としては粒径１μｍ
以下が７０％のものを、焼結助剤として９９．５％以上
の純度のものを、Ｚｒ　０２は平均粒径０．６μｍのも
のを、Ｈｆ　０２は平均粒径１．５μｍのものを、前述
の（ａ）成分は３２５メツシュ通過のものを、（ｂ）成
分であるＴｉ　Ｃとしては平均粒径１．１μ−全炭素量
１９．４％のＴｉ　Ｃを、第２発明の実施例で使用する
前述の（ｃ）成分は３２５メツシュ通過のものを各々使
用した。

この素地粉末を第１表中に示す焼結温度、焼結方法によ
り焼結した。この実施例で用いた焼結方法は、 １　圧力２００ｋｏ／ｄ、加圧焼成時間１５分で加圧焼
結法により黒鉛型内において焼結６　（表中ではＨ−Ｐ
と記した。） ２　減圧アルゴン雰囲気下で１時間の焼結。

（表中では普通焼結と記した。） ３　減圧アルゴン雰囲気下で１時間の１次焼結を行ない
、その後１５００℃、１５００気圧保持時間の条件で熱
間静水圧加圧法で焼結。（表中ではＨＩＰと記した。） であった。

このようにして得られた焼結体をダイヤモンド砥石によ
つ、て５ＮＧＮ４３２ＴＮ、表面３８以下（ＪＩＳによ
る）に研摩し、対理論密度、硬度を測定し、第２表の切
削試験条件により切削試験を行った。尚、被削材は第１
図に示すごとく、長さ４００ｍ＋ａ、直径１５０ｍｍの
棒状であり、長手方向に幅５ｍｍの溝が６本等間隔に設
けられている。ざらにこのように得られた焼結体はＸ線
回折装置及び光学顕微鏡によって（ａ＞成分の状態を調
べられた。

ざらに、配合物を第１発明の比較例として第１表の試料
Ｎｏ、１”、−ａ〜１′−１に示す割合に、又、第２発
明９比較例として第１表の試料Ｎｏ。

２”−ａ〜２−−ｆに示す割合に各々配合し、実施例、
と同様に、焼結、成形して対理論密度、硬度を測定し切
０１［試験を行なった。又実施例と同様にＸ線回折装置
等により（ａ）成分の状態を調べた。

ただしＴｉＣサーメットは通常市販されるものを使用し
た。

第２表 第１表の試料Ｎｏ、１−ａ　〜１−にと試料Ｎｏ。

’ｌ　−−ａ　〜］−−ｉとの比較及び試料ＮＯ，２−
ａ〜２−にと試料Ｎ０．２−−ａ　〜２−−ｆとの比較
によりＴｉ　Ｃの特性を活かし、かつ緻密なセラミック
材料を製造するには、ＡΩ２０３と、焼結助剤と、Ｚｒ
　０２及び／又はＨｆ　０２と、ＴｉＣ成分中の（ａ）
、（ｂ）成分、第２発明の場合は（ａ＞、（ｂ）、（ｃ
）成分量を所定量にすることが必要であり、かつ上記（
ａ）成分が金属相として存在しなくなるように焼結する
ことが必要であることが判った。

又、本発明のセラミック材料の製造法により製造された
セラミック材料の電導度を測定した所、組成により異な
るが、約５０〜１００Ｘ１０−６Ω・ｃｍであった。こ
れは従来の実用セラミック材料の中でも電導性に優れる
ものの一つといってよい。

ざらに、第２発明の効果について測定した所、試料Ｎｏ
、１−ｈと試料Ｎｏ、　２−ｊの如く、第１発明に（ｃ
）成分としてＷＣ，ＭＯ２Ｃあるいは、Ｃｒ　Ｃ２を添
加して製造したセラミック材料は第１発明によるセラミ
ック材料に比べて靭性に優れるため切削試験の衝撃回数
が増加することが確認された。又、第１発明に（ｃ）成
分としてＺｒ　Ｃ，Ｈｆ　ＣあるいはＶＣを添加すると
第１発明によるセラミック材料に比べて硬度が高くなる
ことが確認された。ざらに、第１発明に（ｃ）成分とし
てＴａ　Ｃ，Ｎｂ　Ｃを添加すると第１発明によるセラ
ミック材料に比べて耐熱性、即ち高温における強度の低
下が少ないことが確認された。

尚、第１表に記載しなかった本発明の組成の配合物につ
いても同様に焼結体を作成し、試験した所、同様に欠損
までの衝撃回数が従来のものに比べて大幅に増加してい
ることが確認された。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例に用いられる被削材の斜視図
である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ａｌ＿２Ｏ＿３１〜４０重量％と、 焼結助剤０．０５〜８重量％と、 ＺｒＯ＿２及び／又はＨｆＯ＿２３〜３５重量％と、 下記割合の（ａ）及び（ｂ）成分からなるＴｉＣ成分１
   ７〜９５．９５重量％と、 からなる配合物を下記（ａ）成分の金属が金属相として
   存在しなくなるまで、非酸化性雰囲気下で焼結すること
   を特徴とする耐熱・耐摩耗性セラミック材料の製造法。 （ａ）元素の周期率表で４ａ、５ａ及び６ａ族から選ば
   れた１種又は２種以上からなる金属４〜３０重量％ （ｂ）ＴｉＣ７０〜９６重量％ ２、焼結助剤が、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｉＯ＿２、ＮｉＯ
   及び希土類酸化物から選ばれた１種又は２種以上である
   特許請求の範囲第１項記載の耐熱・耐摩耗性セラミック
   材料の製造法。 ３、Ａｌ＿２Ｏ＿３１〜４０重量％と、 焼結助剤０．０５〜８重量％と、 ＺｒＯ＿２及び／又はＨｆＯ＿２３〜３５重量％と、 下記割合の（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）成分からなるＴｉ
   Ｃ成分１７〜９５．９５重量％と、からなる配合物を下
   記（ａ）成分の金属が金属相として存在しなくなるまで
   、非酸化性雰囲気下で焼結することを特徴とする耐熱・
   耐摩耗性セラミック材料の製造法。 （ａ）元素の周期率表で４ａ、５ａ及び６ａ族から選ば
   れた１種又は２種以上からなる金属４〜３０重量％ （ｂ）ＴｉＣ３０〜９１重量％ （ｃ）Ｚｒ、Ｈｆ及び元素の周期率表で５ａ、６ａ族か
   ら選ばれた１種又は２種以上の炭化物５〜４０重量％。 ４、焼結助剤が、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｉＯ＿２、ＮｉＯ
   及び希土類酸化物から選ばれた１種又は２種以上である
   特許請求の範囲第３項記載の耐熱・耐摩耗性セラミック
   材料の製造法。