JPH03174354A

JPH03174354A - 酸化アルミニウム質焼結体の製法

Info

Publication number: JPH03174354A
Application number: JP1312735A
Authority: JP
Inventors: Katsura Hayashi; 桂林; Masashi Sakagami; 勝伺坂上
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1989-11-30
Filing date: 1989-11-30
Publication date: 1991-07-29
Anticipated expiration: 2013-05-28
Also published as: JP2759290B2

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、酸化アルミニウムを主成分とするセラミック
スに関し、より詳細には耐摩耗性および靭性に優れた特
に切削工具用として適したセラミックスに関する。

（従来技術及びその問題点）アルミナ（ＡＩｚＯｚ）質焼結体をはじめとするセラミ
ック材料は、従来から金属材料などに比較して耐摩耗性
等の機械的特性に優れていることから金属材料に代わる
材料として各種の構造用部品として使用されている。

しかしながら、最近に至ってはセラミ・ンクスに対して
さらに高い特性が要求されており、アルミナ質焼結体に
対しても他のセラミックスと複合化することにより各種
の改善が提案されている。

また、セラミックスの中でも特に耐摩耗性に優れた材料
として、硼化チタンや硼化ジルコニウムなどの硼化物の
研究開発が盛んに行われている。

（発明が解決しようとする問題点）このような硼化物を主体とするセラミックスは高い硬度
を有する反面、強度や靭性が低く応用分野が限られてい
た。

硼化チタンは硬度が高く、熱伝導性が良いことから切削
工具用材料として有望と考えられていたが、靭性を改善
する方法を見出すことが出来ず実用には到っていない。

硼化ジルコニウムは金属との反応性が低いことから、金
属溶湯用るつぼ等としての応用が期待されているが、強
度が低いことから構造材料としての応用分野は限られて
いる。

また、硼化アルミニウムは酸化アルミニウムと比較して
硬度に優れた材料であるが未知の部分が多く、焼結体と
して優れた特性を有するものは未だ開発されていない。

（問題点を解決するための手段）本発明者等は、上記金属硼化物の中でも硼化アルミニウ
ムの焼結性ならびにその特性改善について検討を進めた
結果、硼化アルミニウムに対し、酸化アルミニウムを特
定の割合で混合するとともに、特定の焼結条件で焼成す
ることによって高い硬度を維持しつつ、高い靭性を有す
る特異的な材料が得られることを知見した。

即ち、本発明の焼結体は、酸化アルミニウムを主相とし
、少なくとも硼素と酸素を含有する副相から構成される
酸化アルミニウム質焼結体からなり、該焼結体全量中ア
ルミニウムが１０〜５０％、硼素が１．５〜６７の割合
で存在するもので、その製法としては硼化アルミニウム
１５〜９５重量％と、酸化アルミニウムあるいは焼成に
よって酸化アルミニウムを生成する物質を生成される酸
化アルミニウムに換算して３〜９０重量％の割合で添加
し、さらに所望により酸化硼素を０〜２０重量％の割合
で混合し、これを成形後、■２００〜１９００℃の温度
で焼成することによって得られるもので、特に上記構成
において、酸化アルミニウムあるいは焼成によって酸化
アルミニウムを生成する物質として針状の結晶粒子から
なるものを用いることによって焼結体中に酸化アルミニ
ウムの針状晶の粒子を存在させ、これにより焼結体の靭
性をさらに向上させることができる。

以下、本発明を詳述する。

本発明の酸化アルミニウム質焼結体の製法は、原料の調
製、底形、焼成の三つの工程により構成される。

〔原料の調製〕

出発原料としては硼化アル嵩ニウム粉末及び酸化アルミ
ニウム粉末あるいは焼成によって酸化アルミニウムを生
成する化合物粉末を用いる。

硼化アルミニウム粉末は平均粒径２００メツシユ以下、
望ましくは３μｍ以下、最適には１μｍ以下の粉末であ
り、一般に化学式ＡＩＢ＋ｚ、ＡｔＢ２もしくは非化学
量論組成の硼化アルミニウムであってもよく、またこれ
らの混合物であってもよい。現在市販されているＡＩＢ
＋ｚは部分的にＡＩＢ＋。を含んでいるものもあるがそ
の場合も問題は生じない。

一方、酸化アルミニウム粉末或いは焼成により酸化アル
ミニウムを生成する物質は、いすも平均粒径３μｍ以下
、特に１μｍ以下の微細な粒子を用いるのが望ましい。

なお、焼成により酸化アルミニウムを生成する物質とし
ては、金属アルミニウム、はう酸アルミニウムなどが挙
げられ、はう酸アルごニウムは９Ａ１ｚＯ３・Ｂ２Ｏ３
または２Ａ１２０３　　・２Ｂ２０３の化学式で表され
る。

また、本発明によれば酸化アルごニウムあるいは焼成に
より酸化アルミニウムを生成する物質として針状形態か
らなるものを用いることにより焼結体の靭性をさらに高
めることができる。具体的には、針状晶酸化アルミニウ
ム、あるいは焼結時の加熱により針状晶酸化アル旦ニウ
ムを生成する物質として９Ａ１２０３　　・２ＢｚＯｉ
の化学式を有する針状晶硼酸アルミニウムが用いられる
。なお、これらの針状物質は、平均径（短径）が２μ以
下、特に０．７乃至０．２μ通であることが好ましく、
また長径／短径で表わされるアスペクＩ・比の平均が３
〜１００、特に１０乃至３０のものが好適に用いられる
。上記平均径を２μｍ以下に特定したのは焼結時の粒成
長が過大にならず、高い抗折強度を維持できるからであ
り、２μｍより大きいと焼結時の結晶粒子の粒成長が著
しく、粒子径のコントロールが難しくなり、靭性にばら
つきが生じ、また切削工具として用いた際に逃げ面の境
界摩耗が大きくなる傾向にあるためである。一方、アス
ペクト比の平均が３より小さいと繊維強化の効果が少な
いために靭性の向上効果はなく、１００より大きいと原
料の取扱が難しく、均一に分散できないために靭性が低
下する傾向にある。なお、この場合でもウィスカーの一
部を粉砕しながら混合すれば問題な（使用できる。

上述の各原料粉末は、硼化アルミニウム粉末が１５〜９
５重量％、好ましくは３０〜８０重景％、重量アルミニ
ウム粉末あるいは焼成により酸化アルミニウムを生成す
る物質が酸化アルミニウムに換算して３〜９０重量％、
好ましくは２０〜７０重量％の割合で混合される。また
特に高硬度の材質を得るためには、硼化アルミニウム５
５〜８０重量％、酸化アルミニウム２０〜４５重量％が
最適であり、特に高靭性の材質を得るためには、硼化ア
ルミニウム３０〜５５重量％、酸化アルミニウム４５〜
７０重量％が最適である。

混合割合を上記の範囲に設定したのは硼化アルミニウム
が９５重量％を越えると焼結が難しく、また、硼化アル
ミニウムが１５重量％を下回ると焼結体の硬度が低下し
、所望の特性が得られないからである。酸化アルミニウ
ムが３重量％を下回ると強靭化の効果がなく、９０重量
％を越えると硬度が低下する。

また、高靭性化を目的に酸化アルミニウム粉末の代わり
に添加される針状粒子は、酸化アルミニウム全量に対し
、１０重量％以上の割合で置換することが望ましい。

また、本発明によれば、焼結性を改善する目的で上記の
混合物に酸化硼素を２０重量％以下の割合で添加するこ
ともできる。この酸化硼素はその量が２０重置方を越え
ると焼結体の硬度および靭性が低下するため好ましくな
い。また、この酸化硼素は、硼化アル５ニウム粉末表面
の酸化膜から生成されたものであってもよく、硼化アル
ミニウムの一部を酸化させてもよい。

〔成形〕

硼化アルミニウム、酸化アルミニウム、所望により酸化
硼素を上記の割合で混合後、衆知の成形手段で所望の形
状に成形できる。成形手段は、例えばブレス成形、押し
出し成形、射出成形、鋳込み成形、冷間静水圧成形等が
用いられる。成形性を向上させるため公知のバインダー
や分散剤を用いてもよい。これらの成形体を所望により
真空中もしくは窒素ガスもしくはアルゴンガス等の不活
性ガス中で脱脂したのち焼成を行う。

〔焼成〕

焼成は１２００乃至１９００℃の温度でＡｒ、Ｈｅ等の
不活性ガスもしくはカーボン等の存在する還元性雰囲気
およびそれらの加圧もしくは減圧雰囲気で０．５乃至６
．０時間行えばよい。焼成手段としては、常圧焼成、ホ
ットプレス法および熱間静水圧焼成法（ＨＩＰ法）等が
通用され、特に高密度の焼結体を得るために、普通焼成
、ホットプレス法によって対理論密度比９６％以上の焼
結体を作威し、さらに熱間静水圧焼成すればよい。

上記の焼成によれば、原料中の硼化アルミニウムはその
殆どがアルミニウムと硼素に分離するとともに系中の酸
素と反応し酸化アルミニウムと、アルミニウム、酸素、
硼素からなるガラス状物質を生成する。これに対し、酸
化アルミニウムはそのままの状態で残存し焼結される。

一方、酸化アルミニウムの代わりに硼酸アルミニウムを
用いた場合は、１４００℃付近で酸化アルミニウムと酸
化硼素とに分離し、それぞれを添加した場合と同様な効
果をもたらす。他方、アルミニウム金属を用いた場合は
、系中の酸素もしくは硼素と反応しＡｌＢ２等の硼化ア
ルミニウムもしくは酸化アルミニウムを生成しそれぞれ
を添加した場合と同様な効果をもたらす。

上記の焼成過程において各化合物の分離、反応によって
生成した酸化硼素は１５００℃以上では蒸発するが、い
ずれも焼結助剤としての効果を示し焼結体の高緻密化を
促進する。しかし、酸化硼素が焼結体中に多く含有され
ると硬度や強度が低下するので、含有量は２０重量％以
下、望ましくは１０重量％以下にするのがよい。

〔焼結体特性〕

上記の製造方法によって得られる焼結体は、酸化アルご
ニウムを主相とし、その粒界に副相として酸化硼素或い
は硼酸アルミニウムまたはアルミニウム、硼素、酸素か
らなるガラス状物質などが生成される。本発明によれば
、焼結体としての特性上、各元素を最適な割合について
検討したところ、アルミニウムが全量中１０〜５０重量
％、特に２０〜４０重量％、硼素が１０〜５０重景％、
重量２０〜４０重量％の割合で存在する焼結体が優れた
特性を示した。

即ち、アルごニウムの量が１０重重量を下回ると、硬度
及び靭性が低下し、構造材料として使用できなくなり、
５０重量％を越えると硬度が低下し切削工具や耐摩耗材
料として使用した場合に摩耗性が低下する。硼素の量が
１０重量％を下回ると硬度が通常の酸化アルミニウム焼
結体と同程度となり硼素の添加の効果がなく、５０重重
量を越えると靭性が低下する。

本発明によれば、原料として前記針状物質を用い、焼結
体中にアスペクト比１．５以上の酸化アルミニウム結晶
粒子が焼結体中に５体積％以上、特に２０体積％以上の
割合で存在させることによりさらに高靭性化を図ること
ができる。

（作用）上述した本発明の焼結体が高強度、高靭性かつ高硬度を
有する理由についてはおよそ次の２つの要因が考えられ
る。

■粒子結合力の向上焼結時、硼化アルミニウムの一部または全部が分解し活
性なアルミニウムと硼素が生成される。

このアルミニウムと硼素により強固に結合された新たな
粒子が形成され粒子結合力の向上が図られる。

■粒子形状の複雑化従来のアルミナでは結晶粒子は球形に近いものが多く、
破壊はそれらの粒界から起こっていた。

本発明の材料では■に記述した分解生成反応を伴って焼
結されるため粒子形状は複雑に入り組んだ形状となって
いる。このため新たなりラックの進展が阻止されその結
果破壊靭性が向上する。なお１、針状のアルミナもしく
は分解により針状のアルミナを生成する物質を添加する
と粒子形状の複雑化は更に促進され、針状結晶が入り組
んだ組織を持つようになるため靭性は更に向上する。

以下、本発明を次の例で説明する。

（実施例１）原料として、酸化アルミニウム粉末（平均粒径１μｍ以
下、純度９９．９％以上）と、ＡｌＢ１２粉末（粒径２
００メツシユ以下）と、ＡｌＢ２粉末（粒径２００メツ
シユ以下）と、アルごニウム金属（粒径２００メツシユ
以下）と、硼酸アルミニウム（平均粒径０．５μｍ）と
、針状酸化アルミニウム（平均粒径０．７μｍ、平均ア
スペクト比１５）と、硼酸アルミニウム（平均粒径０．
７μｍ、平均アスペクト比２０）および酸化硼素（粒径
２００メツシユ以下）を用いて第１表に示す割合に秤量
後、回転ξルで１２時時間音粉砕した。混合後のスラリ
ーを乾燥してホットプレス用原料とした。

この原料をカーボン型に充填し、所定の温度で１時間、
３００　Ｋｇ／ｃｍ”の圧力でホットプレス焼成して、
ＪＩＳに基づく抗折試験片を作成した。

得られた各試料を研磨してＪＩＳ１６０１に基づく３点
曲げ抗折強度を、また鏡面状態にポリッシングして１Ｍ
法でＫｌｃを、さらにビッカース硬度を測定した。

また、焼結体に対しＴＣＰ分析を行い、ＡＩ、Ｂの量を
定量し、電子顕微鏡写真から酸化アルミニウム粒子の中
でアスペクト比が１．５以上の粒子の含有率を求めた。

なお、第１表中、Ｎα１３の試料の組織構造を示す電子
顕微鏡写真を第１図に示した。

結果は第１表に示す。

（以下余白）第１表によれば、硼化アルミニウムのみからなる試料ｋ
ｌ、１６はいずれも焼結性に乏しく、特性上にも強度、
靭性、硬度ともに低いものであった。また、この系に単
に酸化硼素を添加した試料Ｎ１１３でも特性は改善され
ない。硼化アルミニウムに酸化アルミニウムを添加した
系において、硼化アルミニウムの量が１５重重量を下回
る試料阻９．１５．２１はいずれも焼結体中の硼素量が
少なくなるとともに粒成長が大きく、特性の向上は認め
これらの比較例に対し、本発明の試料は硼化アルミニウ
ム単体に特性に比較しても優れた特性が得られ、抗折強
度５０　Ｋｇ／ｍ−以上、靭性４．　ＯＭＰａ・１″以
上、ビッカース硬度１７００　ｋｇ／ｍｍ”以上が達成
された。なお、針状粒子を含む焼結体ではさらに特性の
改善がなされることが理解される。

（発明の効果）以上詳述した通り、本発明によれば硼化アルミニウムと
酸化アルミニウムとを複合させることにより、優れた硬
度を維持しつつ、焼結体の靭性を大きく向上させること
ができる。

これにより、工具材料をはじめとする各種産業機械部品
用材料としての応用範囲をさらに拡大することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の酸化アルミニウム質焼結体のａＭｉ
織構造を示す電子顕微鏡写真である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）酸化アルミニウムを主相とし、少なくとも硼素と
酸素を含有する副相から構成される酸化アルミニウム質
焼結体であり、該焼結体全量中アルミニウムが１０〜５
０重量％、硼素が１．５〜６７重量％の割合で存在する
ことを特徴とする酸化アルミニウム質焼結体。
（２）前記焼結体中の酸化アルミニウムの全部または一
部が針状の結晶粒子からなる特許請求の範囲第１項記載
の酸化アルミニウム質焼結体。
（３）硼化アルミニウム１５〜９５重量％と、酸化アル
ミニウムあるいは焼成によって酸化アルミニウムを生成
する物質を生成される酸化アルミニウムに換算して５〜
８５重量％および酸化硼素０〜２０重量％からなる混合
物を成形後、１２００〜１９００℃の温度で焼成するこ
とを特徴とする酸化アルミニウム質焼結体の製法。
（４）前記酸化アルミニウムあるいは焼成によって酸化
アルミニウムを生成する物質の全部または一部が針状の
結晶粒子からなる特許請求の範囲第３項記載の酸化アル
ミニウム質焼結体の製法。