JPS62148367A

JPS62148367A - 耐摩耗性高強度高靭性高硬度セラミツクス焼結体及びその製造方法

Info

Publication number: JPS62148367A
Application number: JP60291770A
Authority: JP
Inventors: 岡田　広; 守賀金丸
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1985-12-23
Filing date: 1985-12-23
Publication date: 1987-07-02

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、耐摩耗性にすくれる高強度高靭性高硬度セラ
ミックス焼結体及びその製造方法に関し、詳しくは、炭
化チタン及び／又は窒化チタンを基質とし、これに酸化
ジルコニウムを分散させてなり、ダイス、切削工具、メ
カニカル・シール等の耐摩耗性治具類に好適である新規
な高強度高靭性高硬度セラミックス焼結体及びその製造
方法に関する。

（従来の技術）従来、例えば、セラミック工具の分野において、Ａｌ２
Ｏ，を９９％以上含むアルミナ系の工具と、２０〜４０
％の炭化チタンを添加した炭化チタン添加アルミナ系の
工具とがアルミナ・セラミック工具として実用化されて
いる。しかし、このセラミック工具は、硬さと耐熱性に
はすぐれるが、超硬工具に比べて靭性（抗折力）に劣る
と共に、熱伝導率が低いので、用途が限定されている。

かかるアルミナ・セラミック工具における問題を解決す
るために、近年、アルミナを基質とし、これに酸化ジル
コニウムを分散させることにより、靭性を向上させた焼
結セラミックス焼結体が種々提案されている。アルミナ
中に酸化ジルコニウムを分散させた焼結原料組成物は、
これを焼結した後、冷却する過程において、アルミナ中
に分散している酸化ジルコニウムが正方品から単斜晶に
相転移し、この際に体積膨張によって焼結体中に微細な
りラックが生じ、この微細なりラックが焼結体に加わる
応力による主クラックの伝播を防止するので、焼結体が
すぐれた靭性を有することとなるとされている。また、
焼結体には、非平衡状態の正方晶も含有されるので、応
力による主クラックがこの酸化ジルコニウムに至ったと
き、酸化ジルコニウムの結晶構造が正方品から単斜晶に
相転移し、クラック先端の応力が緩和されることも、強
靭化の一因であるとされている。

更に、最近においては、特開昭５７−１００９７６号公
報や特開昭５９−１９０２５９号公報に記載されている
ように、酸化ジルコニウムと共に、ある種の元素の酸化
物、例えば、Ｙ２Ｏ３、ＭｇＯ１ＣａＯ等を酸化ジルコ
ニウムに対して適宜量添加し、焼結過程においてこれら
を酸化ジルコニウムに固溶させて、酸化ジルコニウムの
一部又は主体の結晶構造を常温にて準安定相の正方晶と
した部分安定化酸化ジルコニウムを含む焼結体も提案さ
れている。

かかる部分安定化酸化ジルコニウムを含むアルミナ・セ
ラミックス焼結体においては、応力によって正方品酸化
ジルコニウムが単斜晶へ相転移し、その結果としての応
力緩和によって、前述したアルミナ系焼結体に比較して
、高強度高靭性であって、抗折力にもすぐれるが、他方
、酸化ジルコニウムを含むために、硬度が低下してｉ５
ｔ　Ｉ”＆純性がアルミナ系よりも劣ることとなり、例
えば、高硬度鋼材の切削工具としては、使用に適さない
。

他方、−Ｊ’ｌＢに、高硬度焼結体を形成するセラミッ
クス焼結原料として、炭化チタンや窒化チタンかよく知
られている。これらのチタン化合物のみの焼結体は、反
面、強度及び靭性が低いため、チッピングを起こしやす
く、耐摩耗性焼結体としては実用に耐えない。特に、粒
径５μｍ程度のこれらチタン化合物は焼結性に劣るので
、焼結体を得るには、通常、１７００℃以上でのホット
・プレスを必要とするが、尚、得られる焼結体は強度及
び靭性において劣る。他方、粒径２μｍ以下のチタン化
合物を温度１６００℃程度でホット・プレスする場合は
、緻密化と同時に著しい粒成長が生じ、結果として、得
られる焼結体は強度、靭性共に劣る。

（発明の目的）本発明者らは、従来のセラミックス焼結体における上記
した問題を解決するために鋭意研究した結果、微細な炭
化チタン及び／又は窒化チタンに酸化ジルコニウムを分
散させ、これを比較的低い温度にて焼結することによっ
て、均質微細な組繊を有して、耐摩耗性にすぐれる高強
度高靭性高硬度のセラミックス焼結体を得ることができ
ることを見出して、本発明に至ったものである。

従って、本発明は、微細な炭化チタン及び／又は窒化チ
タンに酸化ジルコニウムを分散させてなる耐摩耗性高強
度高靭性高硬度セラミックス焼結体及びその製造方法を
提供することを目的とする。

（発明の構成）本発明による耐摩耗性高強度高靭性高硬度セラミックス
焼結体は、酸化ジルコニウム５〜３０体積％、残部が平
均粒径２μｍ以下である炭化チタン及び窒化チタンより
なる群から選ばれる少なくとも１種及び不可避的不純物
よりなることを特徴とする。

更に、本発明によるセラミックス焼結体は、好ましくは
、酸化ジルコニウムに加えて、Ｙ２Ｏ３，１０及びＣａ
Ｏよりなる群から選ばれる少なくとも１種の酸化物を酸
化ジルコニウムに基づいて０．１〜５モル％の範囲で含
有する。

本発明において用いる炭化チタン及び窒化チタンは、い
ずれもその平均粒径が２μｍ以下であることを必要とす
る。平均粒径が２μｍを越えるときは、１６５０℃以下
での焼結によっては、緻密な焼結体を得ることが困難で
ある。即ち、本発明に従って、平均粒径が２μｍ以下で
ある炭化チタン及び／又は窒化チタンに酸化ジルコニウ
ムを分散させ、これを比較的低い温度で焼結することに
よって、均一微細な組織を有して、高硬度であるうえに
、強度及び靭性に共にすくれるセラミック焼結体を得る
ことができる。特に、かかる観点からは、炭化チタン及
び窒化チタンは、その平均粒径が１．５μｍ以下である
ことが好ましい。

本発明によるセラミックス焼結体においては、酸化ジル
コニウムを５〜３０体積％の範囲で含有する。この量が
５体積％よりも少ないときは、原料組成物の焼結時にお
ける炭化チタン及び窒化チタンの粒成長を抑制する効果
が不十分であり、結果として得られる焼結体が強度及び
靭性に劣ることとなる。他方、３０体積％を越えるとき
は、前述したように、酸化ジルコニウムは硬度が低いた
め、得られる焼結体が満足すべき硬度をもたない。

本発明によるセラミツ、クス焼結体は、上記した炭化チ
タン及び／又は窒化チタンと酸化ジルコニウムに加えて
、好ましくは、Ｙ２Ｏ３、ＭｇＯ及びＣａＯよりなる群
から選ばれる少なくとも１種の酸化物を酸化ジルコニウ
ムに基づいて０．１〜５モル％の範囲で含有する。上記
酸化物は、前述したように、酸化ジルコニウムと共に焼
結されるときに酸化ジルコニウムに固溶して、酸化ジル
コニウムの結晶構造を正方晶とし、応力場において、こ
の正方品を単斜晶に相転移させて、応力緩和を図る。従
って、上記酸化物量が０．１モル％よりも少ないときは
、焼結体中に十分な量の正方品酸化ジルコニウムが生成
しないので、靭性の改善効果に乏しく、他方、５モル％
を越えて過多に加えるときは、酸化ジルコニウムが安定
化されて、前述した正方晶から単斜晶への相転移による
応力緩和の効果が生じないのみならず、焼結時に正方晶
から単斜晶への相転移によって、焼結体中に微細なりラ
ックが分散されないので、応力場でのクラックの伝播防
止効果が発現されず、靭性が改善されない。

本発明によるセラミックス焼結体は、本発明に従って、
酸化ジルコニウム５〜３０体積％と、好ましくは、酸化
ジルコニウムに加えて、Ｙ２Ｏ３、ＭｇＯ及びＣａＯよ
りなる群から選ばれる少な（とも１種の酸化物を酸化ジ
ルコニウムに基づいて０．１〜５モル％の範囲で含有し
、残部が平均粒径２μｍ以下である炭化チタン及び窒化
チタンよりなる群から選ばれる少なくとも１種及び不可
避的不純物よりなる焼結原料組成物を温度１４００〜１
６５０℃、圧力１００　ｋｇ／ｃｄ以上にてホット・プ
レスすることによって得ることができる。

本発明の方法において、上記焼結原料組成物を焼結して
、緻密な焼結体を得るために、ホット・プレス温度は少
なくとも１４００°Ｃ以上が必要である。しかし、１６
５０℃を越える高温とする場合は、炭化チタンや窒化チ
タンが酸化ジルコニウムと反応して、それぞれ炭化ジル
コニウム及び窒化ジルコニウムを生成し、結果として酸
化ジルコニウムが失われて、酸化ジルコニウムによる炭
（ヒチタンや窒化チタンの粒成長抑制効果が発現されな
い。更に、焼結時には、少な（とも１００ｋｇ／ｃｌの
圧力が必要であり、これよりも低い圧力下では緻密な焼
結体を得ることが困難である。圧力の上限は、特に限定
されるものではないか、焼結に用いる黒鉛型の強度上、
通常は、５００　ｋｇ／ｃＩ１１か実用的である。焼結
は、緻密な焼結体を得るためには、上記した温度及び圧
力下に、通常、１０分以上にわたって行なうことが必要
である。しかし、余りに長時間にわたって焼結すること
は、炭化チタンや窒化チタンの粒成長が起こるので、好
ましくない。

（発明の効果）以上のように、本発明によるセラミックス焼結体は、微
細な炭化チタン及び／又は窒化チタンに所定量の酸化ジ
ルコニウムを分散させてなるので、炭化チタン及び／又
は窒化チタンの粒成長が抑制される結果、均質微細な組
織を有して、高硬度で耐摩耗性にすぐれると共に、焼結
体中に含まれる正方品酸化ジルコニウムが応力場におい
て応力を援用し、クラックの伝播を阻止するので、高強
度高靭性である。

特に、窒化チタンを分散させてなる焼結体は、従来のア
ルミナ系材料に比べて高温での熱電導率にすくれ、また
、化学的にも鉄との親和性か低いので、鉄鋼材料との接
触摩耗条件下での凝着による摩耗が少ない。

更に、本発明の方法によれば、かかるセラミックス焼結
体を比較的低い温度による焼結によって得ることができ
る。

（実施例）以下に実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこ
れら実施例により何ら限定されるものではない。

実施例■　（炭化チタンを用いる例）実施例１平均粒径１．０μｍの炭化チタン粉末８５体積％と、酸
化ジルコニウムに対して３モル％のＹ２Ｏ３を含む酸化
ジルコニウム粉末１５体積％とをエタノールを分散媒と
して振動ミルにて５時間湿式混合した後、得られたスラ
リーを噴霧乾燥して、焼結に供する原料組成物を得た。

この原料組成物を黒鉛型（断面積５６Ｘ５６ｍｍ）に充
填し、温度１６００℃、圧力２５０ｋｇ乙ｃｔＡにて３
０分間ホット・プレスした。

このようにして得られた焼結体は、非常に緻密であって
、その相対密度（理論密度に対する実測密度の割合）は
９９．１％であった。また、曲げ強度（３点曲げ、スバ
７３０１＋１）は９２ｋｇ／ｍｍｚ、破壊靭性値に＋ｃ
（ビッカース圧子圧入法）は６．４Ｈｐａｍ１７２、ビ
ッカース硬度は２４６０　ｋｇ／ｍｍ２であって、高強
度高靭性高硬度であることが示された。更に、摩耗試験
材としてインコルネ７５０を用いて、大越式摩耗試験法
によって測定した比摩耗量は１．２　Ｘ　１０−６ｍｍ
２７ｋｇであって、耐摩耗性にもすくれることが示され
た。

実施例２〜９及び比較例１〜６焼結原料組成物として、第１表に示すようにそれぞれ所
定量の平均粒径１．０μｍの炭化チタン粉末と、（Ｙ２
Ｃｈ、門ｇＯ又はＣａＯのいずれかを含む）酸化ジルコ
ニウム粉末とを用い、第１表に示す条件Ｆに焼結した以
外は、実施例１と同イ、良に処理した。このようにして
得られたそれぞれの焼結体の性質を第１表に示す。

実施例１０及び比較例７焼結原料組成物として、第１表に示すようにそれぞれ所
定量の平均粒径２．０μｍの炭化チタン粉末と、Ｙ２Ｏ
，を含む酸化ジルコニウム粉末とを用い、第１表に示す
条件下に焼結した以外は、実施例１と同様に処理した。

このようにして得られたそれ、ぞれの焼結体の性質を第
１表に示す。

比較例８〜１０焼結原料組成物として、第１表に示すようにそれぞれ所
定量の平均粒径５．０μｍの炭化チタン粉末と、Ｙ２Ｏ
３を含む酸化ジルコニウム粉末とを用い、第１表に示す
条件下に焼結した以外は、実施例１と同様に処理した。

このようにして得られたそれぞれの焼結体の性質を第１
表に示す。

実施例■（窒化チタンを用いる例）実施例１平均粒径１．０μｍの窒化チタン粉末８５体積％と、酸
化ジルコニウムに対して３モル％のＹ２Ｏ３粉末を含む
酸化ジルコニウム粉末１５体積％とを実施例１における
と同じ方法にて湿式混合し、噴霧乾燥した後、黒鉛型に
充填し、温度１６００　’ｃ、圧力２５０　ｋｇ／ｃｎ
Ｔにて３０分間ポット・プレスした。

このようにして得られた焼結体は、非常に緻密であって
、その相対密度（理論密度に対する実測密度の割合）は
９９．５％であった。また、曲げ強度（３点曲げ、スパ
ン３０ｍｍ）は１１４　ｋｇ／ｍｍ２、破壊靭性値に１
．（ビッカース圧子圧入法）は６．２ＭＰａｍＩ／ｚ、
ビッカース硬度は１７５０　ｋｇ／ｍｍ２であって、高
強度高靭性高硬度であることが示された。

更に、摩耗試験材としてＳＯ５３０４鋼を用いて、大戦
式摩耗試験法によって測定した比摩耗量は０．８Ｘ　１
０−６ｍｍ２７ｋｇであって、耐摩耗性にもすくれるこ
とが示された。

実施例２〜９及び比較例１〜６焼結原料組成物として、第２表に示すようにそれぞれ所
定量の平均粒径１．０μｍの窒化チタン粉末と、（Ｙｚ
Ｏｉ、ＭｇＯ又はＣａＯのいずれかを含む）酸化ジルコ
ニウム粉末とを用い、第２表に示す条件下に焼結した以
外は、実施例１と同様に処理した。このようにして得ら
れたそれぞれの焼結体の性質を第２表に示す。

実施例１０及び比較例７焼結原料組成物として、第２表に示すようにそれぞれ所
定量の平均粒径２．０μｍの窒化チタン粉末と、Ｙ２Ｏ
３を含む酸化ジルコニウム粉末とを用い、第２表に示す
条件下に焼結した以外は、実施例１と同様に処理した。

このようにして得られたそれぞれの焼結体の性質を第２
表に示す。

比較例８〜１０焼結原料組成物として、第２表に示すようにそれぞれ所
定量の平均粒径５．０μｍの窒化チタン粉末と、Ｙ２Ｏ
３を含む酸化ジルコニウム粉末とを用い、第２表に示す
条件下に焼結した以外は、実施例１と同様に処理した。

比較例１１及び１２本発明によるセラミックス焼結体と比較するために、酸
化ジルコニウムを含むアルミナ焼結体と超硬合金（ＷＣ
−１０％Ｃｏ）の性質を第２表に示す。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）酸化ジルコニウム５〜３０体積％、残部が平均粒
径２μｍ以下である炭化チタン及び窒化チタンよりなる
群から選ばれる少なくとも１種及び不可避的不純物より
なることを特徴とする耐摩耗性高強度高靭性高硬度セラ
ミックス焼結体。
（２）酸化ジルコニウム５〜３０体積％、Ｙ＿２Ｏ＿３
、ＭｇＯ及びＣａＯよりなる群から選ばれる少なくとも
１種の酸化物を酸化ジルコニウムに基づいて０．１〜５
モル％、残部が平均粒径２μｍ以下である炭化チタン及
び窒化チタンよりなる群から選ばれる少なくとも１種及
び不可避的不純物よりなることを特徴とする耐摩耗性高
強度高靭性高硬度セラミックス焼結体。
（３）酸化ジルコニウム５〜３０体積％、残部が平均粒
径２μｍ以下である炭化チタン及び窒化チタンよりなる
群から選ばれる少なくとも１種及び不可避的不純物より
なる組成物を温度１４００〜１６５０℃、圧力１００ｋ
ｇ／ｃｍ＾２以上にてホット・プレスすることを特徴と
する耐摩耗性高強度高靭性高硬度セラミックス焼結体の
製造方法。
（４）酸化ジルコニウム５〜３０体積％、Ｙ＿２Ｏ＿３
、ＭｇＯ及びＣａＯよりなる群から選ばれる少なくとも
１種の酸化物を酸化ジルコニウムに基づいて０．１〜５
モル％、残部が平均粒径２μｍ以下である炭化チタン及
び窒化チタンよりなる群から選ばれる少なくとも１種及
び不可避的不純物よりなる組成物を温度１４００〜１６
５０℃、圧力１００ｋｇ／ｃｍ＾２以上にてホット・プ
レスすることを特徴とする耐摩耗性高強度高靭性高硬度
セラミックス焼結体の製造方法。