(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、この芯材４とは組成の異なる表皮部材８で被覆してなる複合構造体であって、上記芯材４および／または表皮部材８がＡｌ２Ｏ３マトリックス中に、ＴｉＣウイスカ、ＴｉＮウイスカおよびＳｉＣウイスカのうちの１種以上を分散した。【選択図】　図１
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【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で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マトリックス中に、ＴｉＣウイスカ、ＴｉＮウイスカおよびＳｉＣウイスカのうちの１種以上が分散してなることを特徴とする複合構造体。
【請求項２】
前記ウイスカの少なくとも一部が、金属ウイスカまたは酸化物ウイスカ原料を炭化または窒化したものであ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】
前記芯材および／または表皮部材中に分散されるＴｉＣウイスカまたはＴｉＮウイスカの含有量が１〜５０体積％であることを特徴とする請求項１記載の複合構造体。
【請求項４】
前記芯材がＡｌ２Ｏ３を９０〜５５重量％と、前記ウイスカ成分を１０〜４５重量％と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Ａｌ２Ｏ３を１０〜６０重量％と、ＴｉＣおよび／またはＴｉＮを９０〜４０重量％と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５】
前記芯材がＡｌ２Ｏ３を９５〜５５重量％と、前記ウイスカ成分を５〜４５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うち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で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系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２−２２９７５７号公報では、Ａｌ２Ｏ３に対して微粒のＴｉＣを分散せしめた複合セラミックスがクラックの進展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ＴｉＣ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。また、ＴｉＣウイスカは製造上作製が難しく、コスト高になるという問題もあった。
【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芯材とは異なる組成の表皮部材で被覆してなる複合構造体において、前記芯材および／または表皮部材をＡｌ２Ｏ３マトリックス中に、ＴｉＣウイスカ、ＴｉＮウイスカおよびＳｉＣウイスカのうちの１種以上が分散してなる組成で構成することにより、芯材と表皮部材との特性差に起因してクラック進展の方向を偏向することができ部材の靭性を向上するとともに、ウイスカ分散によりクラック進展の偏向、部材の靭性が向上することから、複合構造体全体の靭性をより効率よく向上させることができ、高硬度と高靭性を兼ね備えた複合構造体となることを知見した。
【０００６】
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で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マトリックス中に、ＴｉＣウイスカ、ＴｉＮウイスカおよびＳｉＣウイスカのうちの１種以上が分散してなることを特徴とするものである。
【０００７】
ここで、前記ウイスカの少なくとも一部が、金属ウイスカまたは酸化物ウイスカ原料を炭化または窒化したものであること、前記芯材および／または表皮部材中に分散されるＴｉＣウイスカまたはＴｉＮウイスカの含有量が１〜５０体積％であることが望ましい。
【０００８】
また、前記芯材がＡｌ２Ｏ３を９０〜５５重量％と、前記ウイスカ成分を１０〜４５重量％と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Ａｌ２Ｏ３を１０〜６０重量％と、ＴｉＣおよび／またはＴｉＮを９０〜４０重量％との割合で含有すること、前記芯材がＡｌ２Ｏ３を９５〜５５重量％と、前記ウイスカ成分を５〜４５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うちのいずれかからなることが望ましい。
【０００９】
【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。
【００１０】
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で被覆した構造からなる。
【００１１】
本発明によれば、芯材４および／または表皮部材８をＡｌ２Ｏ３マトリックス中に、ＴｉＣウイスカ、ＴｉＮウイスカおよびＳｉＣウイスカのうちの１種以上が分散してなる組成で構成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、ウイスカ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。
【００１２】
なお、本発明におけるウイスカとは、構造体の縦断面（芯材、表皮部材の長手方向に沿った断面）のＳＥＭ写真において観察できる粒子の長径／短径の比の平均値が２以上のものを指し、さらに、特に靭性向上の点で、ウイスカ粒子の長径は２μｍ以上、特に３μｍ以上、さらに５μｍ以上であることが望ましい。
【００１３】
また、本発明によれば、上記ウイスカの少なくとも一部が、金属ウイスカまたは酸化物ウイスカ原料を炭化または窒化したものであることが望ましく、これによって、原料である金属ウイスカや酸化物ウイスカが焼成中に構造体中に多量に含まれる有機バインダ成分と反応して焼結体中に残存する残留炭素成分を効率よく低減できるとともに、特にＴｉＣウイスカやＴｉＮウイスカのように工業的に作製が難しくコスト高の原因となる高価な原料を使用することなくＴｉＯ２ウイスカのように安価な原料を使用して高硬度、高靭性の構造体を作製することができる。
【００１４】
さらに、芯材および／または表皮部材の靭性を向上させる目的では、Ａｌ２Ｏ３マトリックス中に分散させるウイスカは１〜５０体積％、特に１０〜３５体積％の割合で含有することが望ましい。
【００１５】
また、本発明によれば、硬度、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、芯材４がＡｌ２Ｏ３を９０〜５５重量％、特に８５〜６０重量％と、ＴｉＣを１０〜４５重量％、特に１５〜４０重量％との割合で含有するとともに、表皮部材８がＡｌ２Ｏ３を１０〜６０重量％、特に２０〜５０重量％と、ＴｉＣを９０〜４０重量％、特に８０〜３０重量％との割合で含有することが望ましい。また、芯材と表皮部材との界面においてクラックの偏向、ディボンディング、ブリッジングを発生させやすくする観点で、芯材のＡｌ２Ｏ３の含有量は、表皮部材のＡｌ２Ｏ３の含有量よりも３０重量％以上多いことが望ましい。
【００１６】
さらに、本発明の他の態様によれば、表皮部材に金属成分を用いて複合体の強度と破壊靭性値を向上させるためには、芯材４がＡｌ２Ｏ３を９５〜５５重量％、特に９０〜６０重量％と、ウイスカ成分を５〜４５重量％、特に１５〜４０重量％との割合で含有するとともに、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、特に超硬合金またはサーメットからなることが望ましい。
【００１７】
なお、Ａｌ２Ｏ３マトリックス中には、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０．１〜１０重量％の割合で含有することが部材の焼結性を高めて高硬度、高靭性を達成する上で望ましい。
【００１８】
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。
【００１９】
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よい。
【００２０】
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、このシートを（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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
まず、例えば、平均粒径０．１〜３μｍのＡｌ２Ｏ３粉末９０〜５５重量％と、平均粒径０．５〜５μｍのＴｉＣ粉末１０〜２０重量％と、平均直径０．３〜０．８μｍ、平均長さ１０〜３０μｍのＴｉＯ２ウイスカ１０〜４５重量％と、所望により平均粒径２μｍのカーボン粉末と、さらに所望により、上述した助剤成分粉末の総量０．１〜１０重量％とを添加、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−エチルアクリレート、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））。
【００２４】
一方、平均粒径０．１〜３μｍのＡｌ２Ｏ３粉末１０〜６０重量％と、平均直径０．３〜０．８μｍ、平均長さ５〜３０μｍのＴｉＯ２ウイスカ９０〜１０重量％、特に２０〜４０重量％と、所望により平均粒径０．５〜５μｍのＴｉＣ粉末８０〜４０重量％と、平均粒径２μｍのカーボン粉末と、さらに所望により、上述した助剤成分粉末の総量０．１〜４５重量％とを添加、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、この表皮部材用成形体１３を芯材用成形体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））。
【００２５】
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よい（工程（ｃ））。
【００２６】
さらに、伸延された長尺状の成形体１５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１５を整列させてシートとなし、このシート同士が平行、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。
【００２７】
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。
【００２８】
その後、上記成形体を脱バインダ処理した後、真空または窒素ガス雰囲気で１０００〜１４００℃、特に１１００〜１４００℃で２時間熱処理しウイスカをＴｉＣウイスカまたはＴｉＮウイスカに変換させた後、真空または不活性ガス雰囲気例えばＡｒガス中、１４００〜２０００℃、特に１４００〜１８００℃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。
【００２９】
さらに、得られた構造体１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。
【００３０】
【実施例】
（実施例１）
平均粒径０．３μｍのＡｌ２Ｏ３粉末８０重量％と、平均直径０．５μｍ、平均長さ１５μｍのＴｉＯ２ウイスカをＴｉＮ換算で１９重量％と、平均粒径１μｍのＹ２Ｏ３粉末１重量％とを秤量し、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て芯材用の成形体とした。
【００３１】
一方、平均粒径１μｍのＡｌ２Ｏ３粉末２０重量％と、平均粒径１μｍのＴｉＣ粉末５８重量％と、平均直径０．５μｍ、平均長さ１５μｍのＳｉＣウイスカ２０重量％と、平均粒径１μｍのＹ２Ｏ３粉末２重量％とを秤量し、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１５μｍ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。
【００３２】
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、１３００℃で２時間、１気圧の窒素雰囲気中で熱処理しＴｉＯ２ウィスカをＴｉＮウィスカに変化させた後、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４００μｍ、表皮部材の厚みが１０μｍであった。
【００３３】
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８０００ｍ切削した後の切刃状態を顕微鏡で観察した結果、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　　　０．４ｍｍ／ｒｅｖ．
切り込み　２ｍｍ
乾式切削
（実施例２）
平均粒径２μｍのＡｌ２Ｏ３粉末９０重量％とＴｉＣ粉末８重量％に対し、平均粒径２μｍのＣｏ３Ｏ４粉末を２重量％添加し、これに有機バインダ、滑剤を添加、混錬した後、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、平均粒径２μｍのＡｌ２Ｏ３粉末４０重量％とＴｉＣ粉末２５重量％、平均直径０．５μｍ、平均長さ１５μｍのＴｉＣウイスカを３０重量％に対し、平均粒径２μｍのＣｏＯ粉末を２重量％、Ｙ２Ｏ３粉末を２重量％、ＭｇＯを１重量％添加し、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本作製して上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。
【００３４】
そして、前記複合成形体を共押出して伸延した後、この伸延された成形体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、この成形体に対して脱バインダ処理を行い、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で、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で観察したところ、平均で芯材の直径１４０〜１６０μｍ、表皮部材の平均厚み８〜１２μｍであった。
【００３５】
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法で試料の靭性を測定した結果、硬度２０ＧＰａ、破壊靭性９ＭＰａ√ｍであり、実施例と同じ条件で切削特性を評価した結果、ノーズ摩耗０．１４ｍｍで欠損は発生しなかった。
【００３６】
（比較例）
実施例２の複合構造体に対して、表皮部材用成形体を実施例２と同じ組成でウイスカを用いないで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イスカを用いない混練物で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で微小欠損が発生した。
【００３７】
（実施例３）
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、平均粒径１μｍのＹ２Ｏ３粉末１重量％と、平均直径０．５μｍ、平均長さ１５μｍのＴｉＯ２ウイスカをＴｉＮ換算で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。
【００３８】
一方、平均粒径１μｍのＮｉ粉末１００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。
【００３９】
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の１２５０℃で１時間熱処理し、ＴｉＯ２ウィスカをＴｉＮウィスカに変化させた後、１２５０℃で１時間３０ＭＰａでホットプレス焼成し、その後さらに１５００℃で圧力を付与しないで焼成を行った。
【００４０】
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であった。
【００４１】
さらに、上記焼結体をＳＮＧＮ１２０４２０の切削工具形状に切り出し、実施例１と同じ条件で（以下の条件で１０ｋｍ）切削した結果、ノーズ摩耗０．１４ｍｍで欠損は発生しなかった。
【００４２】
（実施例４）
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、平均粒径１μｍのＹ２Ｏ３粉末０．５重量％と、平均粒径１μｍのＴｉＯ２粉末を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、平均粒径１μｍのＷＣを９０．８重量％、平均粒径１μｍのＣｏを６重量％、平均粒径１μｍのＴｉＣ粉末１．２重量％、平均直径０．５μｍ、平均長さ１５μｍのＴｉＯ２ウイスカをＴｉＮ換算で２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、上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。
【００４３】
そして、この複合成形体を共押出して伸延した後、さらに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、この成形体に対して脱バインダ処理を行い、１３００℃で２時間、窒素雰囲気中で熱処理してＴｉＯ２ウィスカをＴｉＮウィスカに変化させた後、１７００℃で無加圧焼成して複合構造体を作製した。構造体の断面を顕微鏡で観察したところ、平均で芯材の直径１５〜２０μｍ、表皮部材の平均厚み１〜２μｍであった。
【００４４】
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法で試料の靭性を測定した結果、硬度１９ＧＰａ、破壊靭性１０ＭＰａ√ｍであり、実施例１と同じ条件で切削特性を評価した結果、ノーズ摩耗０．１４ｍｍで欠損は発生しなかった。
【００４５】
【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、芯材および／または表皮部材をＡｌ２Ｏ３マトリックス中に、ＴｉＣウイスカ、ＴｉＮウイスカおよびＳｉＣウイスカのうちの１種以上が分散してなる組成で構成することにより、芯材と表皮部材との特性差に起因してクラック進展の方向を偏向することができ、部材の靭性が向上するとともに、ウイスカ分散によるクラック進展の偏向と部材の靭性の向上により、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】
2004043255.tif 000003
【図２】
2004043255.tif 000004
【図３】
2004043255.tif 000005
【図４】
2004043255.tif 000006