JPS6041020B2 - 高強度および高硬度を有するアルミナ系セラミツク - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は高強度と高硬度とを合せもったアルミナ系セ
ラミックに関するものである。

一般に、アルミナ系セラミックは、高硬度を有し、かつ
耐摩耗性、耐食性、および電気絶縁性にもすぐれている
ことから、切削工具をはじめ、各種ノズルなどの耐食耐
摩部品や、絶縁基板などの製造に用いられている。

しかし、この従来アルミナ系セラミックは、上記のよう
に高硬度をもつものの鋤性に乏しく、３０〜５０ｋ９／
磯程度の低い抗新強度しか有さないものであるため、将
来性はあるものの、現実に引張応力や衝撃力のあまり加
わらない分野で使用されているにすぎないものである。
そこで、上記アルミナ系セラミックの轍性を改善して強
度を向上させ、もって広範囲にわたる使用分野での適用
を可能とすべ〈、炭化チタンを添加含有させた針２０３
一ＴＩＣ系セラミックが提案され、確かに、このＡＩ２
０３−ＴＩＣ系セラミックは、６０〜９０ｋ９／桝程度
の高い抗折強度をもつことから、例えばフライス切削の
刃先などの衝撃力の加わる用途にも使用可能となるなど
、その適用分野に１つの転機をもたらすものであった。

しかしながら、このＡＩ２Ｑ−ＴＩＣ系セラミックは、
例えば切削工具とした場合、刃先の欠損に対する信頼性
がやや不足しており、したがって、自動運転される工作
機械において切削工具として使用する場合には問題のあ
るものであった。本発明者等は、上述のような観点から
、従来アルミナ系セラミックのもつ問題点を解決し、も
って高硬度、高強度、および高級性を有するアルミナ系
セラミックを得べく研究を行なった結果、【ａー アル
ミナ質セラミックに、Ｔｉ，Ｚｒ、およびＨｆの炭化物
、窒化物、および炭窒化物のうちの１種または２種以上
（以下、これらを総称してＴｊ，Ｚｒ、およびＨｆの炭
・室化物という）を添加含有させると、鰯性が改善され
て強度が向上するようになること。

【ｂー 上記‘ａ’項のセラミックに、Ｃａ，Ｙ、およ
び希士類元素の酸化物のうちの１樋または２種以上を含
有させると、これらの成分は競縞を促進．し、かつ粒成
長を抑制するという擁縞助剤として作用することから、
鰯性および強度が向上するようになること。

‘ｃ）上記‘ｂ｝項のセラミックに、酸化ジルコニウム
（以下Ｚの２で示す）を添加含有させると、されに轍性
が一段と改善されるようになるが、一方硬さが低下する
ようになり、したがって、これを例えば切削工具として
用いた場合、チルドロールなどの硬い被削材の切削では
、刃先にチッピングを生じるようになること。

【ｄー しかし、上記【ｃー項のセラミックに、窒化ア
ルミニウム（以下、山Ｎで示す）を添加含有させると、
靭性が損なわれることなく、硬さが上昇するようになり
、この結果、これを硬い被削材の切削に切削工具として
使用しても、その刃先にチッピングの発生はなく、きわ
めて安定した切削が可能となること。

【ｅー 上記【ｄ’項のセラミックに、さらにＶ，Ｎｂ
、およびＴａの炭化物、窒化物、および炭室化物、並び
にＣｒおよびＷの炭化物からなる群のうちの１種または
２種以上（以下、これらを総称してＶ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃ
ｒ、およびＷの炭・窒化物という）を添加含有させると
、一段と鋤性と硬さが向上するようになること。

‘ｆ’また、さらに上記‘ｄ｝項および【ｅ’項に示さ
れるそれぞれのセラミックに、Ｍｏおよび炭化モリブデ
ン（以下Ｍｏ２Ｃで示す）のうちの１種または２種と、
Ｎｉを添加含有させると、さらに籾性が一段と改善され
るようになること。

以上‘ａ｝〜【ｆ｝項に示される知見を得たのである。

この発明は、上記知見にもとづいてなされてものであっ
て、山Ｎ：０．５〜５％、 Ｚｒ０２：１〜２０％、 Ｃａ，Ｙ、および希士類元素の酸化物のうち１種または
２種以上（以下、これらを総称して焼結助剤成分という
）：０．１〜３％、Ｔｉ、Ｚｒ、およびＨｆの炭・窒化
物：２〜３０％、を含有し、さらに必要に応じて、Ｖ，
Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ、およびＷの炭・窒化物：０．０２〜
１５％、を含有し、さらに、また必要に応じて、Ｍｏお
よびＭＱＣのうちの１種または２種：０．１〜３％と、
Ｎｉ：０．５〜３％、を含有し、 残りが酸化アルミニウム（以下山２０３で示す）と不可
避不純物からなる組成（以上容量％、以下％の表示はす
べて容量％を意味する）を有し、かつ高硬度、高強度、
および高籾性を有するアルミナ系セラミックに特徴を有
するものである。

つぎに、この発明のセラミックにおいて、成分組成範囲
を上記の通りに限定した理由を説明する。‘ａー ＮＮ ＮＮ成分には、Ｎ２０３の表面エネルギーを低下させて
粒成長を抑制し、Ｚｒ０２添加含有によってもたらされ
る硬度低下を阻止し、かつ籾性を向上させる作用がある
が、その含有量が０．５％未満では前記作用に所望の効
果が得られず、一方５％を越えて含有させると、競結体
中に巣が発生しやすくなって、強度低下の原因となるこ
とから、その含有量を０．５〜５％と定めた。

‘ｂ）Ｚｒ○２ Ｚぬ２成分には、競結後の冷却過程で、Ｚｒ０２自体が
正方晶から単斜晶へ変態し、この時の体積変化によって
山２０３の粒界部に微細な亀裂を生ぜしめ、もって使用
時にセラミックに大きな亀裂が発生しても、その先端部
が前記の微細な亀裂によって応力緩和されるため、前記
大きな亀裂の伝播が阻止されるようになる作用をもつが
、その含有量が１％未満では前記作用に所望の効果が得
られず、一方２０％を越えて含有させると、セラミック
中に微細な亀裂が多く存在するようになり、かえって級
性の低下をまねくようになるばかりでなく、硬度低下も
著しくなることから、その含有量を１〜２０％と定めた
。

‘ｃ’暁結助剤成分 これらの成分には、ＡＩ２０３の暁給を促進し、かつＮ
２０３の粒成長を抑制し、もって靭性および強度を向上
させる均等的作用があるが、その含有土が０．１％未満
では前記作用に所望の効果が得られず、一方３％を越え
て含有させると、、ＡＩ２０３粒の粒界部に生成する脆
いガラス相あるいはスピネル相の量が増加して強度低下
をきたすようになることから、その含有量を０．１〜３
％と定めた。

‘ｄ’ Ｔｉ，Ｚｒ、およびＨｆの炭・窒化物これらの
成分には、ＡＩ２０３の粒成長を著しく抑制し、もって
強度と硬さを向上させる均等的作用があるが、その含有
量が２％未満では前記作用に所望の効果が得られず、一
方３０％を越えて含有させると、凝結性が低下して繊密
な暁結体を得るのが困難になることから、その含有量を
２〜３０％と定めた。｛ｃー Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ、
およびＷの炭・窒化物これらの成分には、強度と硬さを
一段と上昇させせる均等作用があるので、これらの特性
が強く要求に応じて添加含有されるが、その含有量が０
．０２％未満では前記作用に所望の向上効果が得られず
、一方１５％を越えて含有させると、暁絹性が劣化する
ようになることから、その含有量を０．０２〜１５％と
定めた。

｛ｆ’ Ｍｏ，Ｍｏ２Ｃ、およびＮｉ ＭｏおよびＭｏ２Ｃ成分は、Ｎｉとの共存においてセラ
ミック中にＮｉを均一に分散させて鱗結性を改善すると
共に、セラミックの強度を向上させ、一方Ｎｉ成分はＺ
の２による籾性改善作用を補助し、脆性体であるセラミ
ックの級性改善に寄与し、しかもこの級性改善効果はＭ
ｏおよびＭｏ２Ｃとの共存において相剰的に向上する作
用をもつので、特に高強度および高軸性を一段と要求さ
れる場合に添加含有されるが、それぞれＭｏおよびＭｏ
２Ｃ：０．１％未満、Ｎｉ：０．５％未満の含有では前
記作用に所望の向上効果が得られず、一方それぞれＭｏ
およびＭｏ２Ｃ：３％、Ｎｊ：３％を越えて含有させる
と、暁結性が劣化するようになることから、それぞれの
含有量を、ＭｏおよびＭｏ２Ｃ：０．１〜３％、Ｎｉ：
０．５〜３％と定めた。

なお、この発明のセラミックは、通常の粉末冶金的手法
にしたがい、特にＴｉ，Ｚｒ、およびＨｆの炭・窒化物
、並びにＶ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ、およびＷの炭・窒化物
のうちの２種以上を含有させる場合には、これらの固溶
体粉末を原料粉末として使用してもよく、所定の配合組
成の混合粉末より成形した圧粉体を非酸化性雰囲気中ま
たは真空中で晋通焼結して非通気性焼絹体とした後、熱
間静水圧焼給を施すことによって製造するのがよく、ま
た上記の混合粉末を同様の雰囲気中でホットプレスする
ことによっても製造することができる。

つぎに、この発明のアルミナ系セラミックを実施例によ
り比較例と対比しながら説明する。原料粉末として、平
均粒径：０．４ムｍを有するＱ−山２０３粉末、同１．
１ムｍの針Ｎ粉末、同０．８ぷｍのＺの２粉末、いずれ
も同０．３〃ｍを有するＣａ○，Ｙ２０３，Ｌａ２０３
、およびＣｅ２０３の粉末、同じくいずれも１．３〜１
．８仏ｍの範囲内の平均粒径を有するＴＩＣ，ＺｒＣ，
ＨｆＣ，ＴＩＮ，ＺｒＮ，日掛，ＴＩＣＮ，ＺｎＯＮ，
ＨＩＣＮ，ＶＣ，ＮｂＣ，ＴａＣ，ＶＮ，ＮｂＮ，Ｔａ
Ｎ，ＴａＣＮ，ＶＣＮ，ＮｂＣＮ，ＴａＣＮ，Ｃｒ３Ｃ
２，ＷＣ、およびＭｏ２Ｃの粉末、同１．５山ｍのＭｏ
粉末、同２．１一ｍのＮｉ粉末を用意し、これら原料粉
末をそれぞれ第１表に示される配合組成に配合し、溶媒
としてメチルアルコールを加えてボールミルにて３日間
混合し、乾燥した後、これに滋元性雰囲気中、温度：１
７００℃、圧力：２００ｋ９／仇、保持時間：３０分の
条件でホットプレスを施すことによって、実質的に配合
組成と同一の技終成分組成をもった本発明セラミック１
〜１＆比較セラミック１〜８、および従釆セラミック１
，２をそれぞれ製造した。なお、比較セラミック１〜８
は、いずれも構成成分のうちのいずれかの成分（第１表
に※印を付第１表第２表 したもの）の含有量がこの発明の範囲から外れた組成を
もつものである。

この結果得られた本発明セラミック１〜１８比較セラミ
ック１〜８、および従来セラミック１，２について、理
論密度比、ロックウェル硬さ（Ａスケール）、および強
度を評価する目的で抗折力を測定したところ、第２表に
示される結果を示した。

第２表に示されるように、本発明セラミック１〜１８は
、いずれもきわめて高い密度、硬さ、および強度を具備
するのに対して、比較セラミック１〜８では、これらの
特性のうち少なくともいずれかの特性の劣ったものにな
っており、また本発明セラミック１〜１８はいずれも従
来セラミックに比して一段とすぐれた強度をもつことが
明らかである。

ついで、本発明セラミック１〜１８および従来セラミッ
ク１，２について、被削材：チルドロール（ショア硬さ
８４）、チップ形状：ＳＮＧ４３２（チヤンフアーホー
ニング：０．１肌×一２５ｏ）、切削速度：５仇ｈ／ｍ
ｉｎ、 送 り：０．２肌／ｒｅｖ、 切込み：０．５肌、 切削時間：Ｓｈｉｎ の条件で切削試験を行ない、謎験切刃数：５個のうちの
チッピング発生数を測定した。

これらの結果を第２表に示した。第２表に示される結果
から明らかなように、本発明セラミックは、チッピング
の発生が全くなく、すぐれた切削性能を示すのに対して
、従来セラミックにおいては、ほとんどのものにチツピ
ングが発生し、信頼性の劣るものであった。

上述のように、この発明のアルミナ系セラミックは、高
硬度、高強度、および高級性を兼ね備えるので、切削工
具はじめ、各種ノズルなどの耐食耐摩部品や、絶縁基板
など広範囲に亘る分野での適用が可能であり、しかもそ
の使用に際しては、きわめてすぐれた性能を発輝するな
ど工業上有用な特性を有するのである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 窒化アルミニウム：０．５〜５％、 酸化ジルコニウム：１〜２０％、 Ｃａ，Ｙ、および希土類元素の酸化物のうちの１種また
   は２種以上：０．１〜３％、Ｔｉ，Ｚｒ、およびＨｒの
   炭化物、窒化物、および炭窒化物のうちの１種または２
   種以上：２〜３０％、酸化アルミニウムおよび不可避不
   純物：残り、（以上容量％）からなる組成を有すること
   を特徴とする高強度および高硬度を有するアルミナ系セ
   ラミツク。 ２ 窒化アルミニウム：０．５〜５％、 酸化ジルコニウム：１〜２０％、 Ｃａ，Ｙ、および希土類元素の酸化物のうちの１種また
   は２種以上：０．１〜３％、Ｔｉ，Ｚｒ、およびＨｆの
   炭化物、窒化物、および炭窒化物のうちの１種または２
   種上：２〜３０％、Ｖ，Ｎｂ、およびＴａの炭化物、窒
   化物、および炭窒化物、並びにＣｒおよびＷの炭化物か
   らなる群のうちの１種または２種以上：０．０２〜１５
   ％、酸化アルミニウムおよび不可避不純物：残り、（以
   上容量％）からなる組成を有することを特徴とする高強
   度を有するアルミナ系セラミツク。 ３ 窒化アルミニウム：０．５〜５％、 酸化ジルコニウム：１〜２０％、 Ｃａ，Ｙ、および希土類元素を酸化物のうちの１種また
   は２種以上：０．１〜３％、Ｔｉ，Ｚｒ、およびＨｆの
   炭化物、窒化物、および炭窒化物のうちの１種または２
   種以上：２〜３０％、Ｍｏおよび炭化モリブデンのうち
   の１種または２種：０．１〜３％、Ｎｉ：０．５〜３％
   、 酸化アルミニウムおよび不可避不純物：残り、（以上容
   量％）からなる組成を有することを特徴とする高強度お
   よび高硬度を有するアルミナ系セラミツク。 ４ 窒化アルミニウム：０．５〜５％、 酸化ジルコニウム：１〜２０％、 Ｃａ，Ｙ、および希土類元素の酸化物のうちの１種また
   は２種以上：０．１〜３％、Ｔｉ，Ｚｒ、およびＨｆの
   炭化物、窒化物、および炭窒化物のうちの１種または２
   種以上：２〜３０％、Ｖ，Ｎｂ、およびＴａの炭化物、
   窒化物、および炭窒化物、並びにＣｒおよびＷの炭化物
   からなる群のうち１種または２種以上：０．０２〜１５
   ％、Ｍｏおよび炭化モリブデンのうちの１種または２種
   ：０．１〜３％、Ｎｉ：０．５〜３％、 酸化アルミニウムおよび不可避不純物：残り、（以上容
   量％）からなる組成を有することを特徴とする高強度お
   よび高硬度を有するアルミナ系セラミツク。