JPS5833187B2 - 工具用セラミック材料の製造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 セラミック及びサーメット材料の硬さを向上させる事は
耐摩耗性の向上に連がる事は多くの場合に於て裏付けら
れている。

しかしながら一般に、総ての材料に略共通の現象として
、材料の硬度の上昇に伴い所謂靭性（ねばさ）の低下を
招き、従って亀裂の伝播の速い脆い材料となる結果に陥
るのが通例である。

サーメット材料を例にとれば、この傾向は顕著である。

即ちサーメットを構成するセラミック相と結合相である
金属相の両者の相の組成物を固定した場合を考えれば、
硬度が不足すれば金属相の全体に占める割合を少なくし
、靭性が不足すればセラミック相の全体に占める割合を
少なくする事により適当な硬度と靭性のバランスを保つ
様に用途に応じて調整され実用に共して来たのが過去の
手法であった。

即ち靭性は出たとこ勝負であり、靭性が不足すれば硬度
を少し悟性する事によって補って来た過去の手法には材
料を強靭化しようという積極的姿勢に乏しかったと云え
る。

しかし近年になってスピノーダル分解で代表される組織
の微細化による積極的な強化手段によるサーメット材料
の開発も始められて来た。

サーメット材料に代表される金属相を含む材料はセラミ
ック相の脆さを金属相でカバーする事が出来る長所を有
する反面、金属相を含むが故に耐熱限度が低く、多くの
場合金属相を含まぬセラミック材料に比べ高温域での硬
度の低下、従って耐摩耗性の低下が著しい短所を有して
いる。

この様に併結性に富むセラミック材料は、硬度も靭性も
セラミック相自身で満足させる必要があり、単−相のセ
ラミック材質では固溶強化（例えばｃｒ２０３添加によ
るＡｔ２０３の固溶強化）や組織の微粒化と密度の向上
（焼結体の場合）により、又、複合相を含むセラミック
材質では分散強化や又結果として生ずる組織の微細化に
より硬く且つ靭い材料にしようとする試みが成されてい
る。

しかしながらセラミック材料は例え単−相のものであれ
、複合相のものであれ、一般の金属に比べ塑性変形性は
悪く、従って一旦亀裂が発生し進展するに到れば亀裂先
端は鋭利な切欠状態の１１で存在し、「気に破壊に到っ
てし昔う。

この様なセラミック材質の欠点はイオン結合や共有結合
で代表されるイオンや原子の結合状態自体に依存するも
のである為、硬度が低く又ヤング率の低いセラミック材
料を用いてみても充分に解決されないばかりでなく、む
しろ、耐摩耗性を低Ｆさせるだけの結果を招いてし１つ
。

本発明は耐摩耗性と靭性の両特性が要求される工具用セ
ラミック材料の改良に関するものであり上記の通りのセ
ラミック材料の弱点である脆さの改良を基本的立場から
積極的に行なう手段を提供する。

本発明のセラミック材料はＺｒＯ２並びにＡｔ２０３を
主成分とし、粒成長抑制剤あるいは焼結剤としてＭｇ０
ｐ Ｎｉｏ、Ｃｒ２０３ｔｙ２ｏ３の１種又は２種以上
を含む組成物であり、従来のＡＩ、２０３を主成分とす
るセラミック工具材料の耐摩耗性を低下せしめる事なく
、靭性を大巾に改良したセラミック材料であり、粉末冶
金法によりその目的を達成する事を前提とする。

即ち本発明では、「粒成長抑制剤あるいは焼結助剤とし
て０．０５乃至３．００重量パーセントのＭｇＯ１Ｎｉ
Ｏ９Ｃｒ２０３ 。

Ｙ２Ｏ３の１種又は２種以上を添加したＡｔ２０３粉末
」もしくはｒＭｇＯ，Ｎｉ Ｏ，Ｃｒ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３
粉末の１種又は２種以上を０．０５乃至３．００重量バ
ーセントを含み、残部がアルミナ粉末から成る混合粉末
」に対しＺｒＯ２粉末を全体に占める割合が体積比率で
５乃至２０パーセントである様に配合し、この全体を混
合した後焼結する事を製法の基本とする。

ＭｇＯ，Ｎｉｐ、Ｃｒ２Ｏ３，Ｙ２Ｏ３のＡ４０３粉末
に対する添加量はそれ等の添加効果を、あらしめる為に
０．０５屯量パーセントを羽根としＡ４０３結晶の粒界
結合強度を低下させない為に３．００重量パーセントを
上限とする。

ＺｒＯ２粉末は全体に対して体積比率で５乃至２０パー
セントを加えられるが、その目的は混合粉末の焼結過程
に於ける冷却時にｔｅｔｒａｇｏｎａｌ ５ｔｒｕｃｔ
ｕｒｅ （正方晶）からｍｏｎｏｃｌｉｎｉｃ ５ｔ
ｒｕｃｔｕｒｅ （単斜方晶）に変態させる事により微
細な亀裂を母相を構成するＡｔ２０３結晶粒子に発生且
つ残留せしめ、これ等の残留亀裂の存在によりＡ４０３
（７Ｊ耐亀裂伝播性を高める事にある。

残留亀裂ばＺｒＯ２とＡｔ２０３の粒界近傍に発生する
ので、単位体積当りの亀裂の数は焼結体の単位体積当り
のＺｒＯ２とＡｔ２０３粒子の接触面積に依存する。

従って残留亀裂密度はＺｒＯ２粉末の粒度と添加量に依
存する事になるが、実験の結果平均粒径２μ以ｆのＺｒ
Ｏ２粉末を最終焼結体の全体積に対して５乃至２０パ一
セント添加混合する事により目的とする残留亀裂密度が
得られる事力羽った。

即ち一般に入手或いは製造しうるＡｔ２０３粉末は平均
粒径が０．０５〜３μ程度であり、又安定した結晶粒度
を最終焼結体に与えるα・Ａｔ２０３粉末のそれは０．
２〜３μ程度である為、上記限定下のＺｒＯ２粉末の添
加により必要充分なる残留亀裂密度をアルミナ結晶から
成る焼結体の母相に発生せしめ得る事が判った。

ＺｒＯ２粉末の添加量が５パーセントより少ないと、残
留亀裂密度が小さすぎる為焼結体の耐亀裂伝播性の向上
に効果がなく、又２０パーセントより大きいと残留亀裂
密度が大きくなり過ぎる為に焼結体強度そのものが低下
する事によりかえって靭性が損われてし１Ｆ）。

ＺｒＯ２の変態（正方晶→単斜方晶）は焼結時の冷却過
程に於て生ずるが、その温度は１０００℃近傍である。

ところで以上のようなＺｒＯ２の効果を引出し、本発明
の組成の焼結体を本発明のセラミック材料の目的とする
用途即ち工具材料として実用的なものとする為には焼結
体の密度を９８係以上に限定する必要がある。

９８係より低い密度では所謂引張強度や圧潰強度そのも
のが低く工具材料として使用する事が困難となる事が判
った。

ところでＺ ｒ０２の添加は焼結性を悪化させるので組
成、製造法に工夫がいる。

さらに焼結温度はＺ ｒ０２の変態温度（即ち１０００
℃近傍）より高い事が必要であり、従って１０００℃以
上好筐しくは１１００℃以上にする必要がある。

又Ａ４０３の粒成長に伴う焼結体の強度低下を抑制する
為に焼結温度を１８００℃以下にする事が望ましい。

このような要求を満すためにはＡＩ、２０３−２ｒＯ２
系にＭｇＯ。

Ｙ２Ｏ３等を添加する必要があり焼結法も従来のコール
ドプレス法を用いても、又ホットプレス法を用いても良
いが、前者は密度が十分出ないし後者は経済的でない。

そこで一旦コールド？°レス法により気密質に予備締焼
した後にＨＩＰ装置内にて再焼結させる手段を採用する
方法はより一層車重しい。

この方法によれば適当な予備焼成条件とＨＩＰ条件を選
択する事により微細高密度且つ結晶配向性の少ない焼結
体が得られ、本発明による組成物の特長を一層効果的に
引き出せる利点があり、それ故に切削工具用セラミック
材料としての上記製造法の採用は極めて有効である。

ところで上記の焼結法とともにＭｇ０２Ｙ２０３゜Ｃｒ
２Ｏ３ｐ ＮｉＯ等のいわゆる焼結助剤や粒成長抑制剤
を０．０５〜３．００重量饅含オせるとさらに微粒高密
度のセラミックが作成でき、ＺｒＯ２の効果が顕著とな
る。

本組成範囲内のＡｔ２０３粉末もしくは本発明の配合比
率限定範囲を満足するＡｔ２０３粉末と他添加剤酸化物
粉末との混合粉末、との共存によってはＺｒＯ２の変態
は抑制される事はなく、又その変態温度も１０００℃近
傍に維持される事が実験の結果判明した。

即ちＺｒＯ２の添加効果とＡｔ２０３多結晶体強度の向
上を併せ持たせる事により強靭なる切削工具用材料が得
られる。

切削工具としての実用性を検討した結果、粒成長抑制剤
としてのＭｇＯ粉末、焼結助剤としてのＹ２Ｏ３粉末を
夫々０，０５乃至１．５重量パーセントを添加した残部
が平均粒径３μ以下のアルミナ粉末とから成る混合粉末
を最終焼結体の９５乃至８０体積パーセント、残部５乃
至２０体積パーセントの平均粒径２μ以下のＺｒＯ２粉
末を配合し特許請求範囲３に記載通りの限定条件下で得
た平均粒径３ミクロン以下、密度９８係以上の微粒高密
度の焼結体は、切削工具として特に優れた耐摩耗性と耐
欠損性を有するセラミック材料である事が伴った。

） なお以下に実施例を示し本発明の説明を加えるっ実
施例 Ｍｇ０＝０．２重量部、Ｙ２Ｏ３＝ ０．１重量部、残
部アルミナからなる混合粉末９０重量部にＺ ｒ０２粉
末１０重量部を混合し更にパラフィンを結合剤つとして
混合したる後１．８ｔ／−の圧力で室温でコールドプレ
スし、この成型体を大気中で１４２０’ＣＸ２ｈｒ焼威
した。

該焼成体の密度は９６，２φであり非通気性である事が
確認された。

次いで焼成体をＨＩＰ装置内でＡｒガスを圧力媒体とし
１４００Ｊ ’ＣＸ１．５ｈｒ、 １３００気圧で圧
密化処理し、密度９９．５％の高密度焼結体を得た。

焼結体のアルミナ粒子は平均径で１．６μｍと小さかっ
た。

この焼結体から５ＮＧ４３２型のスローアウェイ工具形
状のチップを加工し、被削材はＳＣＭＢ長手方向１溝付
きの鋼丸材を切削速度２００ ｍ／ｍｉ ｎ切込み１．
５ｒＩｒｒＩＬ、送り０．２ｍｍ／ｒｅｖの乾式断続旋
削を行った。

その結果本発明品の寿命は市販セラミック工具の約５倍
であった。

又本発明品をｚｒＯ２粉末２０重量部とＡ／！２０３粉
末８０重量部からなる混合粉）末をホットプレス（１５
００℃Ｘ １／ ２ｈｒ 、 １．２０ｋｙ／ｃｒａ
）焼結した焼結体から作成した５ＮＧ４３２型スローア
ウエイ・チップとの性能を比較した処、同上の切削条件
で前者は後者の約２倍の工具寿命を示した。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 Ｉ ＭｇＯ粉末、ＮｉＯ粉末、Ｃｒ２Ｏ３粉末Ｙ２Ｏ
   ３扮末の１種又は２種以上を０．０５乃至３．ＯＯ重量
   パーセント含む残部Ａｔ２０３粉末から成る粉末の５乃
   至２０体積部をＺｒＯ２粉末で置換させたＺｒＯ２、粉
   末とＡｔ２０３粉末を主成分とする混合粉末をツー／ｌ
   ／ドブレス焼結法により一旦焼結した後、熱間静圧成型
   装置（ＨＩＰ）内にて１１００℃以上１８００℃以下で
   再焼結させることを特徴とする工具用セラミック材料の
   製造法。 ２、特許請求の範囲第１項記載の製造法は於て、該Ａ４
   ０３粉末の平均粒径が３ミクロン以下であって、該混合
   粉末は常温で成型され、一旦１３５０℃以上１５７５℃
   以下の温度範囲で吸着水分又はその信教着物によって発
   生するガスを充分駆除し得る雰囲気中で予備焼成を行い
   、平均粒径３ミクロン以下、密度９５％以」Ｑ非通気質
   焼結体を得、次いで該焼結体を熱間静圧装置内で１３５
   ０℃以上１５７５℃以下、２００気圧以上の圧力の不活
   性ガスにより加圧焼成を行うことを特徴とする平均粒径
   ３ミクロン以下の微粒高密度且つ強靭なる工具用セラミ
   ック材料の製造法。