(57)【要約】【課題】高硬度と高靭性とを両立できる複合構造体を提供する。【解決手段】長尺状の芯材４の外周を表皮部材８にて被覆してなり、芯材４および表皮部材８の双方が組成の異なるＡｌ２Ｏ３とＴｉＣおよびまたはＴｉＮとＺｒＯ２との複合セラミックスからなる複合構造体を作製する。【選択図】　図１
2004043254.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長尺状の芯材の外周を、該芯材とは組成の異なる表皮部材にて被覆してなる複合構造体であって、前記芯材および／または表皮部材がＡｌ２Ｏ３とＺｒＯ２の複合マトリックスからなり、前記マトリックス中のＡｌ２Ｏ３の少なくとも一部が板状結晶および／またはウィスカーであることを特徴とする複合構造体。
【請求項２】
前記芯材がＡｌ２Ｏ３を９９〜８０重量％と、ＺｒＯ２を１〜２０重量％の割合で含有するとともに、前記表皮部材が前記芯材とは組成が異なる組成でＡｌ２Ｏ３を１０〜７０重量％と、ＺｒＯ２を３０〜９０重量％の割合で含有することを特徴とする請求項１記載の複合構造体。
【請求項３】
前記芯材がＡｌ２Ｏ３を９９〜８０重量％と、ＺｒＯ２を１〜２０重量％との割合で含有するとともに、前記表皮部材が金属Ｃｏ、金属Ｎｉ、超硬合金およびサーメットのいずれかからなることを特徴とする請求項１記載の複合構造体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、長尺状の芯材の外周を表皮部材にて被覆してなる複合構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、Ａｌ２Ｏ３とＺｒＯ２との複合セラミックスは高硬度および高強度を有する材料として知られ、構造材として広く用いられている。例えば、特開平２−３４５５６号公報では、Ａｌ２Ｏ３に対して微粒のＺｒＯ２を分散せしめた複合セラミックスが破壊を抑制する効果を有すると記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のＡｌ２Ｏ３とＺｒＯ２の複合セラミックスでは、クラック進展の抑制効果が低く、例えば切削工具等として使用すると耐欠損性が劣るという問題があった。
【０００４】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、高硬度と高靭性とを兼ね備えた複合構造体を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は上記課題について検討した結果、長尺状の芯材の外周を表皮部材にて被覆してなる複合構造体において、前記芯材および前記表皮部材の双方を組成が異なるＡｌ２Ｏ３とＺｒＯ２の複合マトリックスからなり、前記マトリックス中のＡｌ２Ｏ３の少なくとも一部を板状結晶および／またはウィスカーとすることによって、高硬度と高靭性を兼ね備えた複合構造体となることを知見した。
【０００６】
すなわち、本発明の複合構造体は、長尺状の芯材の外周を、該芯材とは組成の異なる表皮部材にて被覆してなるものであって、前記芯材および／または表皮部材がＡｌ２Ｏ３とＺｒＯ２の複合マトリックスからなり、前記マトリックス中のＡｌ２Ｏ３の少なくとも一部が板状結晶および／またはウィスカーであることを特徴とするものである。
【０００７】
ここで、前記芯材がＡｌ２Ｏ３を９９〜８０重量％と、ＺｒＯ２を１〜２０重量％の割合で含有するとともに、前記表皮部材が前記芯材とは組成が異なる組成でＡｌ２Ｏ３を１０〜７０重量％と、ＺｒＯ２を３０〜９０重量％の割合で含有すること、前記芯材がＡｌ２Ｏ３を９９〜８０重量％と、ＺｒＯ２を１〜２０重量％との割合で含有するとともに、前記表皮部材が金属Ｃｏ、金属Ｎｉ、超硬合金およびサーメットのいずれかからなることが望ましい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の複合構造体について、その一実施例である図１の概略斜視図を基に説明する。
【０００９】
図１によれば、複合構造体１は長尺状の芯材４の外周を表皮部材（８）にて被覆した構造からなる。
【００１０】
本発明によれば、芯材４および／または表皮部材８をＡｌ２Ｏ３とＺｒＯ２との複合マトリックスからなり、前記マトリックス中のＡｌ２Ｏ３の少なくとも一部を板状結晶および／またはウィスカーとすることが大きな特徴であり、これにより、芯材と表皮部材との特性差、Ａｌ２Ｏ３の板状結晶および／またはウイスカーによるクラック進展の偏向、ブリッジング、ディボンディング、プルアウトの効果がより顕著となり部材の硬度を低下させることなく構造体の靭性を高めることができ、高硬度と高靭性を兼ね備えた複合構造体となる。
【００１１】
なお、本発明における板状結晶またはウイスカーとは、構造体の縦断面（芯材および表皮部材の長手方向に沿った断面）におけるＳＥＭ写真において観察できる粒子の長径／短径の比が２以上であるものを指し、長軸長さは靭性向上の点で２μｍ以上、特に３μｍ以上であることが望ましい。
【００１２】
また、本発明によれば、硬度および耐酸化性を向上させることによって優れた耐摩耗性を発現させ、また靭性を向上させ耐欠損性を向上させるという点で、前記芯材４がＡｌ２Ｏ３を９９〜８０重量％と、ＺｒＯ２を１〜２０重量％の割合で含有するとともに、前記表皮部材８がＡｌ２Ｏ３を１００〜７０重量％と、ＺｒＯ２を３０〜９０重量％の割合で含有することが望ましい。また表皮部材８におけるＡｌ２Ｏ３の板状結晶またはウィスカーの含有量は、芯材４におけるＡｌ２Ｏ３の板状結晶またはウィスカーの含有量よりも２０重量％以上多いことが望ましい。つまり、クラックが進展して表皮部材８に達したときにクラックの進展方向が換えられ靭性向上に寄与するという観点において表皮部材８におけるＡｌ２Ｏ３の板状結晶またはウィスカーの含有量が芯材４のそれに対して２０重量％多いことが望ましい。
【００１３】
また、本発明の他の態様によれば、靭性、強度を向上させ耐欠損性を向上させるためには、前記芯材４がＡｌ２Ｏ３を９９〜８０重量％、特に９５〜８５重量％と、ＺｒＯ２を１〜２０重量％、特に５〜１５重量％との割合で含有するとともに、前記表皮部材８が金属Ｃｏ、金属Ｎｉ、超硬合金およびサーメットのいずれか、特にサーメットからなることが望ましい。
【００１４】
さらに、Ａｌ２Ｏ３とＺｒＯ２との複合セラミックス中には、焼結性を高めて硬度、強度を向上させるために助剤成分として、希土類酸化物、４ａ、５ａ、６ａの酸化物、酸化コバルト、酸化ニッケル、酸化イットリウム、酸化マグネシウム、酸化シリコンを総量で０．１〜５重量％の割合で含有することが望ましい。
【００１５】
また、複合構造体１のクラック進展の抑制のためには、例えば、芯材４の平均直径は５〜５００μｍ以下、特に５〜３００μｍ、表皮部材８の平均厚みは５００μｍ以下、特に０．１〜２００μｍ、さらに０．１〜３０μｍからなり、複合構造体１の直径が０．０１〜５ｍｍであることが望ましいが、高硬度と高靭性の両立のためには、芯材４の平均直径Ｄ１と表皮部材８の平均厚みＤ２との比Ｄ２／Ｄ１が０．０１〜０．５、特に０．０２〜０．２であることが望ましい。
【００１６】
さらに、図１では芯材４が１本、すなわち単体の周囲に表皮部材８が被覆された場合について示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、図３に示すように、図１の構造体１を例えば４本以上の複数本収束したマルチフィラメント構造であっても良い。
【００１７】
また、複合構造体１は、図２に示すように、長尺状のものを所定長さとして並列に配列することによってシート状とすることもでき、さらに、該シートを（ａ）長尺状の複合構造体１が各層とも同じ方向を向くように積層する方法、（ｂ）長尺状の複合構造体１が各層間で直交する（交差角９０°）ように積層する方法、（ｃ）長尺状の複合構造体１が各層間で例えば４５°等の所定角度となるように交差して積層する方法等によって整列された構造体を作製することができ、用途に応じて異方性の度合いの異なる構造体とすることができる。
【００１８】
他方、複合構造体１を、例えば０．０１〜１０ｍｍの所定長さとして、これをランダムにお互いが絡み合った組織とすることもでき、かかる構造体によれば硬度や靭性等の特性の異方性が生じることなく均一な特性を有する構造体となる。
【００１９】
次に、本発明の複合構造体１を製造する方法の一例について図４の模式図をもとに説明する。
【００２０】
まず、例えば、平均粒径０．１〜３μｍのＡｌ２Ｏ３粉末７０〜５０重量％と、平均直径３〜４μｍ、平均厚み０．５〜１μｍのＡｌ２Ｏ３板状結晶粒子２９〜４９重量％と、平均粒径０．５〜５μｍのＴｉＣ粉末（粒状）と、平均粒径０．５〜１μｍのＺｒＯ２１〜２０重量％と、所望により上述した助剤成分粉末を総量で０．１〜５重量％との割合で添加、混合して、これにパラフィンワックス、ポリスチレン、ポリエチレン、エチレン−エチルアクリレ−ト、エチレン−ビニルアセテート、ポリブチルメタクリレート、ポリエチレングリコール、ジブチルフタレート等の有機バインダを添加、混錬した後、プレス成形、押出成形または鋳込成形等の成形方法により芯材用に円柱形状の成形体１２を作製する（工程（ａ））。
【００２１】
一方、上記芯材用の成形体１２とは組成が異なる平均粒径０．１〜３μｍのＡｌ２Ｏ３粉末７０〜５０重量％と、平均直径０．５μｍ、平均厚み２０μｍのＡｌ２Ｏ３板状結晶粒子２９〜４９重量％と、平均粒径０．５〜５μｍのＴｉＣ粉末と、平均粒径０．５〜１μｍのＺｒＯ２粉末１〜２０重量％と、所望により上述した助剤成分粉末を総量で０．１〜５重量％との割合で添加、混合して、これに前述のバインダ等を添加、混錬して、プレス成形、押出成形または鋳込成形等の成形方法により半割円筒形状の２本の表皮部材用成形体１３を作製し、該表皮部材用成形体１３を前記芯材用成形体１２の外周を覆うように配置した複合成形体を作製する（工程（ａ））。
【００２２】
そして、上記複合成形体を共押出成形することにより芯材１２の周囲に表皮部材１３が被覆された細い径に伸延された複合成形体１５を作製する（工程（ｂ））。また、マルチフィラメント構造の構造体を作製するには、上記共押出した長尺状の成形体１５を複数本収束して再度共押出し成形すれば良い（工程（ｃ））。
【００２３】
さらに、上記伸延された長尺状の成形体１６を所望により円柱や三角柱、四角柱、六角柱等の多角形に成形することもできる。また、長尺状の成形体１６を整列させてシートとなし、該シート同士が平行、直交または４５°等の所定の角度をなすように積層させた積層体とすることもできる。また、公知のラピッドプロトダイビング法等の成形方法によって任意の形状に成形することも可能である。さらには、上記整列したシートまたは該シートを断面方向にスライスした複合構造体シートを従来の超硬合金等の硬質合金焼結体（塊状体）の表面に貼り合わせ、または接合することも可能である。
【００２４】
なお、本発明によれば、上記方法以外にも繊維状の芯材用成形体を先に作製し、これを表皮部材用のスラリー中にディッピング（浸漬して引き上げ）することによって上述したような複合構造成形体を作製することも可能である。
【００２５】
その後、前記成形体を脱バインダ処理した後、真空または不活性ガス雰囲気例えばＡｒガス中、１４００〜２０００℃、特に１５００〜１８００℃で焼成することにより本発明の複合構造体１を作製することができる。また、焼成に際しては、所望により、１０００℃〜１９００℃、特に１３００〜１７００℃でＨＩＰ焼成してもよい。
【００２６】
さらに、得られた構造体に対して、ＣＶＤ法やＰＶＤ法等の薄膜形成法により構造体の表面に周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物等の皮膜を形成することも可能である。
【００２７】
【実施例】
（実施例１）
平均粒径０．３μｍのＡｌ２Ｏ３粉末６０重量％と、平均直径３μｍ、平均厚さ１μｍの円板状Ａｌ２Ｏ３を１０重量％、平均粒径１μｍのＴｉＣ粉末２１重量％と、平均粒径１μｍのＺｒＯ２粉末５重量％と、平均粒１μｍのＹ２Ｏ３粉末１重量％と、平均粒径１μｍのＴｉＯ２を２重量％と、平均粒径０．５μｍのＭｇＯＨをＭｇＯ換算で１重量％を秤量し、これに有機バインダおよび溶媒を添加、混練した混練物を押出成形機に充填して直径５００μｍの繊維状に押出し成形し芯材用の成形体とした。
【００２８】
一方、平均直径３μｍ、平均厚さ１μｍの円板状Ａｌ２Ｏ３粉末を６０重量％と、平均粒径１μｍのＴｉＣ粉末２重量％と、平均粒径１μｍのＺｒＯ２粉末３５重量％と、平均粒１μｍのＹ２Ｏ３粉末０．５重量％と、平均粒径１μｍのＴｉＯ２を２重量％と、平均粒径０．５μｍのＭｇＯＨをＭｇＯ換算で０．５重量％を秤量し、これに有機バインダおよび溶媒を添加、混合してスラリー状とし、上記繊維状の芯材用成形体をスラリー内に浸漬、引き上げして芯材用成形体の外周に厚さ５μｍの表皮部材をコーティングし、空気中で２４時間乾燥して複合構造体を作製した。
【００２９】
その後、複合構造体を５０ｍｍ毎にカットし並列に整列させたシートを複数枚作製し、各シート間の複合構造体同士が４５°となるように積層した積層体を作製し、所定形状にカットした。そして、この積層体を６００℃で５時間脱バインダ処理し、１気圧の窒素雰囲気中で熱処理し、１６００℃で３０ＭＰａの圧力を付与してホットプレスを行った。得られた複合構造体は、芯材の平均直径が２００μｍ、表皮部材の厚みが３μｍであり、芯材と表皮部材にＡｌ２Ｏ３の板状結晶を含んでいた。
【００３０】
さらに、上記焼結体をＳＮＧＮ１２０４２０の切削工具形状に切り出し、以下の条件で１０ｋｍ切削した後切刃状態を観察した結果、ノーズ摩耗０．１４ｍｍで欠損は発生しなかった。
（切削条件）
被削材　　ＦＣＤ４５０
切削速度　４００ｍ／ｍｉｎ
送り　　　０．４５ｍｍ／ｒｅｖ．
切り込み　２ｍｍ
乾式切削
（実施例２）
平均粒径０．３μｍのＡｌ２Ｏ３粉末９０重量％と、平均粒径１μｍのＴｉＣ粉末５重量％と、平均粒径１μｍのＺｒＯ２粉末２重量％と、平均粒１μｍのＹ２Ｏ３粉末０．５重量％と、平均粒径１μｍのＴｉＯ２を２重量％と、平均粒径０．５μｍのＭｇＯＨをＭｇＯ換算で０．５重量％を秤量し、これに有機バインダおよび溶媒を添加、混練した混練物をプレス成形により直径２０ｍｍの芯材用成形体を作製した。また、平均直径３μｍ、平均厚さ１μｍの円板状Ａｌ２Ｏ３を６０重量％、平均粒径１μｍのＴｉＣ粉末３重量％と、平均粒径１μｍのＺｒＯ２粉末５重量％と、平均粒１μｍのＹ２Ｏ３粉末０．５重量％と、平均粒径１μｍのＴｉＯ２を２重量％と、平均粒径０．６μｍ、平均長さ２０μｍのＴｉＯ２ウィスカーをＴｉＣ換算で２重量％と、平均粒径０．５μｍのＭｇＯＨをＭｇＯ換算で０．５重量％を秤量し、これにバインダ、滑剤を添加、混錬した後、プレス成形により肉厚１ｍｍで半割円筒状の表皮部材用成形体を２本作製し、前記芯材用成形体の周囲に被覆した複合成形体を作製した。
【００３１】
そして、前記複合成形体を共押出して伸延した後、該伸延された成形体１００本を収束して再度共押出し成形し、マルチフィラメントタイプの成形体を作製した。その後、該成形体に対して脱バインダ処理を行い、１３００℃−２時間、芯空中で熱処理し、続いて超高圧装置内にセットして、アルゴン雰囲気中、圧力５ＧＰａにて、１７００℃で焼成して複合構造体を作製した。構造体の断面を顕微鏡にて観察したところ、平均で芯材の直径１５〜２０μｍ、表皮部材の平均厚み１〜２μｍであり、表皮部材４にＡｌ２Ｏ３の板状血漿を含んでいた。
【００３２】
得られた複合構造体に対して、実施例１と同様にヴィッカース硬度（ＪＩＳＲ１６０１に準じる）およびＩＦ法にて試料の靭性を測定した結果、硬度２０ＧＰａ、破壊靭性９．５ＭＰａ√ｍであり、実施例１と同様に切削特性を評価した結果、ノーズ摩耗０．１４ｍｍ、欠損は発生しなかった。
（▲１▼Ａｌ２Ｏ３のウイスカーを用いた実施例と▲２▼Ａｌ２Ｏ３の板状結晶とウイスカーの双方を用いた実施例を追加してください。）
（比較例）
実施例２の芯材用成形体と同じ混練物を用い、すなわち芯材用成形体と表皮部材用成形体とを同じ組成でウィスカーおよび板状結晶を用いない混練物にて作製する以外は実施例２と同様にして複合構造体を作製し、同様に評価した結果、硬度１８ＧＰａ、破壊靭性４ＭＰａ√ｍ、ノーズ摩耗０．２５ｍｍ、微小欠損が発生した。
【００３３】
【発明の効果】
以上詳述したとおり、本発明の複合構造体によれば、長尺状の芯材の外周を表皮部材にて被覆してなる複合構造体において、前記芯材および前記表皮部材の双方を組成が異なるＡｌ２Ｏ３とＺｒＯ２の複合マトリックスからなり、前記マトリックス中のＡｌ２Ｏ３の少なくとも一部を板状結晶および／またはウィスカーとすることによって、高硬度と高靭性を兼ね備えた複合構造体となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の複合構造体の一例を示す概略斜視図である。
【図２】図１の複合構造体の平板状に組み合わせた例を示す図である。
【図３】本発明の複合構造体のマルチフィラメント状に組み合わせた例を示す図である。
【図４】本発明の複合構造体の製造方法を説明するための概念図である。
【符号の説明】
１　　　複合構造体
４　　　芯材
８　　　表皮部材
【図１】
2004043254.tif 000003
【図２】
2004043254.tif 000004
【図３】
2004043254.tif 000005
【図４】
2004043254.tif 000006