JPS6241776A - 工具用ウイスカー強化複合材料 - 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、鋼および鋳鉄の高速切削に使用するのに適し
又構造用セラミック材料として使用し得Δ る高密度で靭性の強いアルミナ−ジルコニア系のセラミ
ックス材料特にＳｉＣウィスカーで強化された工具を製
造するためのセラミックス材料組成物に関する。

（従来の技術） アルミナはセラミックス材料の代表的なもので、高速切
削用工具としては、高速切削時における優れた耐酸化性
を示すこと、かつ鉄との化学反応性が低く、摩擦係数が
小さいなどの理由で、現在酸化アルミニウム基切削工具
が主流となっている。

しかしながら、酸化アルミニウムは、耐熱衝撃性および
高温での機械的特性が充分でないため、酸化アルミニウ
ム基切削工具では高速切削速度で安定し７て鋼を切削す
ることはきわめて困難である。

そして、アルミナ中にジルコニアを分散させて焼結した
複合セラミックスはジルコニアの結晶変態挙動により靭
性が向上することがしられているが、その靭性向上機構
は焼結体を冷却中にジルコニアが正方晶から単斜晶へ変
態する無拡散格子変態とマトリックスとの相互反応を利
用したものであり、室温での靭性の向上には極めて有効
な方法である。

しかし、この方法はＺｒＯ，の変態を利用しているため
、高温（二おいて充分にこの機構が生かされず、従って
高温状態で使用される工具としては使用範囲が限定され
るものであった。

近時、セラミックスの強化手段として繊維強化（ＦＲＣ
）が有望視され特に高温における靭性劣化に対し有効な
手段ではないかと考えられているが、Ａ１．　ＯＳ−Ｚ
ｒＯ，系のセラミックスζ；対し、例えばＳｊ、Ｃウィ
スカーを用いて強化しようとしても満足すべき成果は得
られていない。

即ち、ＧｉＯ自体はもともとＡｌ、　Ｏｍ−ＺｒＯ，と
の親和性が悪く、さらにウィスカーは焼結の駆動力とな
る格子欠陥が極めて少ないので−、腎両者の親和性は悪
化されている。

従って、　Ａｌ□Ｏ，−ＺｒＱ、にウィスカーを添加す
る場合、焼結助剤を多くしたり、焼結温度を上げたり、
さらには加圧焼結法をもちいたりして、マトリックスを
過焼結させねばならないものと考えられていた。

酸化アルミニウム単純系の工具を使用する場合、その靭
性の低さより、使用範囲がかなり限定されていた。これ
を改良すべく、種々の研究がなされ。

ＡｌｔＯ，−ＺｒＱ、系セラミックスに金属の酸化物、
窒化物、炭化物、はう化物を添加すると靭性および硬度
が一段と向上することが知られており、税在ＡＮ、　Ｑ
、　−ＴｉＣ系工具が、実用化されている。しかしなが
ら、これら複合体の靭性はかなりの同一ヒがみとめられ
ているものの未だ充分（−市場の要求を満足しうるもの
ではなかった。

その原因について種々検討したところＡ１オｃ３−Ｚｒ
Ｏ，と８１０ウイスカーの分散強化効果が生かされてい
ないためと思われた。

従って、従来は通常のＡｍ、　Ｑ、焼結体に比ベライス
カーを添加する場合、焼結助剤を多くしたり、焼結温度
をあげたり、さらに加圧焼結法を用いたりしていたのが
現状である。

本発明は、上記欠点を改良し、高速切削でも、耐玲耗性
および耐熱衝撃性に優れ寿命の長いセラミックス切削工
具を提供することを゛目的とするものである。

（発明が解決しようとする問題点） 上記の従来法によるときは、Ａ１，０ｓ−ＺｒＯ□母相
自体の強度を低下させ、更にＡＩ、　Ｏ，−２ｒＯ，母
相とｓｉｃウィスカーとが充分に密着していないので、
最終焼結体は充分な靭性強度を得ることができなかった
。

（問題点を解決しようとするための手段）本発明は上記
の問題点を種々検討の結果、Ａ１．○。

−ＺｒＯ，母相形成成分とＳｉ、Ｃウィスカーの親和性
を改善すれば、セラミックスの靭性を改善し得るとの着
想に基づきなされたもので、特に両者の親和性はｓｉｃ
ウィスカーの表面を改質することにより、Ａｌｘ　Ｏｓ
　−”Ｏｘ母相形成成分との密着性を向上させ得るとい
う知見に基づくものである。

即ち本発明はｓｉｃウィスカー５〜５０重量％、ＭｇＯ
、Ｃａ○＊　ｙ、Ｑ　ｊランタノイドの酸化物から選ば
れた一種以上０．５〜７重量係１周期律表Ｎａ。

ｖＩ！Ｌ、■ａ族の遷移金属及びその酸化物、窒化物、
炭化物から選ばれた一種以上０．５〜４０］ｉ量壬又は
同遷移金属の硼化物から選ばれた一種以上０．０５〜４
０重量％、Ｚｒ０．５〜４０重１１［、ｈ１＊ｏｓ　３
０〜８０重量慢からなる複合材料及びこの組成物にＡｌ
　、　ＡＩＮ　、　Ｂ　、　Ｏ、Ｂ、Ｏ及び（Ｓｉ　、
　Ａｌ　、　Ｙ　。

ランタノイド、アクチノイド）の硼化物から選ばれた一
種以上０゜０５〜５重量幅を添加してなる複合材料であ
る。

（作用） 上記においては靭性を向上させるべく研究した結果、第
１の発明、第２の発明に於て示したようにＡ／ｌ、　Ｏ
ｓ−ＺｒＱ、母相形成成分に分散させるものに、特定の
金属及び酸化物、窒化物、炭化物、硼化物を第１の分散
相形成４分とし、これに更に高強度セラミックスである
Ｓｊ、Ｃウィスカーを第２の分散相形成４分と１．て、
上述の分散相にからませることが有効であることを見出
した。ここで第１の分静和は靭性の向上に有効であるこ
とは勿論、硬度の向上の手段としても欠くことのできな
いものである。

又特に第２の発明で示した特定の元素、化合物、硼化物
は前記第１の分散相の効果を一層高める第５の分散相と
（〜て価値あることを見出（−だ。

次に本発明の焼結月料に於ける各成分範囲を前述の如く
限定した理由を説明する。

母相形成４分である訂、０．が６０重ｊ＆チ未満では母
相形成の効果がなく、８０重量％を超えると、ＺｒＱ、
及び各分散相形成４分の効果が弱くなってしまう。

又ＺｒＯ，が３重量幅未満では変態による強化機構が期
待できず％４０重！１係を超えると耐摩耗性の低下を招
く。

第１の分数相形酸々分として添加されるところの周期律
表ＩＶａ、Ｖａ、ｌａ族の遷移金属及びその酸化物、窒
化物、炭化物は０゜５重Ｑ％未満では所望の効果はなく
、又、４００重量を超えると靭性が低下するので好まし
くない。又、同遷移金属の硼化物の場合には０．０５５
重量未満では所望の効果が得られず、又４０重量％を超
えると靭性が低下するので好ましくない。

又焼結助剤としてＭｇＱ　、　ＣａＱ　、　Ｙ、Ｏ，ｒ
　　ランタノイドの酸化物はＡＩ、　Ｑ、　−ＺｒＯ，
を焼結させるのに有効であるが添加量が０．５重ｆｉＬ
１１未満では所望の効果が無く、７重ｆｆ１％を超える
と靭性が低下するので好ましくない。

第２の分散相形成４分でちるＳｉＯウィスカーは５重量
％未満では分散強化効果がなく、５０重量％を超えると
焼結性が低下するので好ま］−＜ない。

更に第２の発明に於ける第６の分散相形成４分Ａｌ　、
　ＡｉＮ　、　Ｂ　、　Ｃ！　、　Ｂ４Ｃ及び（Ｓｉ　
、　Ａｌ　、　Ｙ　。

ランタノイド、アクチノイド）の硼化物は一層Ｓ１Ｃの
分散効果を助長するけれども、その添加量は０，０５重
量％未満ではさ程明らかな効果は認められず、５重量％
な超えると８１　　との化合物が出来やすくなりマトリ
ックスとウィスカーの界面の強度を低下し良好な結果が
得られない。

（実施例） 実施例１ 原料粉末として平均粒径０．７声を有するＡｌ、　Ｏ。

粉末と、平均粒径０．６μｍを有するＺｒＱ、粉末と。

ＥＥｉＣウィスカー（直径０．１　ｐｔｍ　〜１，０１
ｍｓ主体粒径０．２〜０，５　μｙｘ　、長さ５０〜２
００１Ｂ、アスペクト比５０〜５００、密度５ｉ　９　
ｉ　／ｃＭ３）および、平均粒径２μ隅以下の焼結助剤
（ＭｇＱ　、　ＣａＯ、Ｙ□０゜ランタノイドの酸化物
）と、平均粒径０．５〜２μを有する「周期律表ＩＶａ
、Ｖａ、ＶＩａ族の遷移金属」の酸化物、窒化物、炭化
物、硼化物（添加物）Ａｌ　、　ＡＩＮ　、　Ｂ　、　
Ｃ、Ｂ４Ｃ及び（Ｓｉ　、　Ａｌ　、　Ｙ　。

ランタノイド、アクチノイド）の硼化物等を用意し、こ
れら原料粉末をそれぞれ表１の配合に示される組成割合
で配合し、ボールミルの中で、１２時間混合したのち、
乾燥して素地粉末を調整し得た。

この調整して得られた素地粉末を、引き続いて次の２つ
のいずれかの方法で成型体を得た。

（−）ホットプレス法 この素地粉末を表１に示す焼結温度で、圧力２００　ｋ
ｇ　／ａｘ”　、加圧時間１５分で加圧焼結法により、
黒鉛型内において焼結した。

（ｂ）熱間静水圧加圧法 この素地粉末にパラフィンを４重量幅添加し、６０メツ
シニふるいを全通させた後、圧力？　１／ｉで加圧成型
し、減圧アルゴン雰囲気下で、表１の焼結温度で１時間
焼成した。この焼結体を１５５０°Ｃ，１５００気圧、
保持時間１時間の条件で熱間静水圧加圧法により焼成し
た。

これにより、実質的に配合組成と同一の成分組成をもっ
た本発明焼結材料の例１〜例１５および比較焼結材料の
例１６〜例２１をそれぞれ製造した。なお、比較焼結材
料の例 １６〜例２１は、いずれも構成成分のうちのいずれかの
成分含有ｆ１１（表１に※印を付したもの）がこの発明
の範囲から外れた組成をもつものである。

このようにして得られた焼結体をダイヤモンド砥石を用
いて５ＮＧＮ　ＩＶＩ２ＴＮ　、表面５Ｓ以下（、ＴＩ
ｓによる）に研厚し、硬さ測定および以下に示す条件の
切削テストを行なった。その結果は、表１に示すとおり
である。

※切削テストの条件 杖削材　　　　　：６０Ｍ４２０浸炭焼入れ材（ＨＶ７
２０）切削速度（ｖ）　　　：　１２０　ｍ　／ｍｉｎ
送り速度（ｆ）　　　：　ｏ、１ｒＸＭ／ｒｅｖ切り込
み（ｔ）：ｏ。５ｍｍ 切削油　　　　：水溶性 寿命判定（ｍｌ、ｎ）　：欠損までの切削時間表１に示
されるように、本発明の焼結材料の例１〜例１５は、い
ずれも比較焼結材料の例１６〜例２１に出して優れた耐
摩耗性を示めし、長期に亘って優れた切削性能を発揮す
ることが明らかである。

（発明の効果） 上述のよう１；、この発明の焼結材料は、優れた耐摩耗
性と耐熱衝撃性とを備えているので、これらの特性が要
求される切削工具、特に鋼および鋳鉄の高速切削に切削
工具として使用した場合に著しく長期（二亘って優れた
切削性能を示すほか、熱間耐摩耗工具、さらには各種部
品の製造に用いた場合にも優れた性能を発揮するもので
ある。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ＳｉＣウィスカー５〜５０重量％、ＭｇＯ、Ｃａ
   Ｏ、Ｙ＿２Ｏ＿３、ランタノイドの酸化物から選ばれた
   一種以上０．５〜７重量％、周期律表IVａ、Ｖａ、VIａ
   族の遷移金属及びその酸化物、窒化物、炭化物から選ば
   れた一種以上０．５〜４０重量％又は同金属の硼化物か
   ら選ばれた一種以上０．０５〜４０重量％、ＺｒＯ＿２
   ３〜４０重量％、Ａｌ＿２Ｏ＿３３０〜８０重量％から
   なることを特徴とする工具用繊維強化複合材料
2. （２）ＳｉＣウィスカー５〜５０重量％、ＭｇＯ、Ｃａ
   Ｏ、Ｙ＿２Ｏ＿３、ランタノイドの酸化物から選ばれた
   一種以上０．５〜７重量％、周期律表IVａ、Ｖａ、VIａ
   族の遷移金属及びその酸化物、窒化物、炭化物から選ば
   れた一種以上０．５〜４０重量％又は同金属の硼化物か
   ら選ばれた一種以上０．０５〜４０重量％、Ａｌ、Ａｌ
   Ｎ、Ｂ、Ｃ、Ｂ＿４Ｃ及び（Ｓｉ、Ａｌ、Ｙ、ランタノ
   イド、アクチノイド）の硼化物から選ばれた一種以上０
   ．０５〜５重量％、ＺｒＯ＿２３〜４０重量％、Ａｌ＿
   ２Ｏ＿３３０〜８０重量％からなることを特徴とする工
   具用繊維強化複合材料