平成7年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

放電プラズマ焼結法による対称型積層材料の作製
一金属・セラミックス傾斜・複合材料の開発（第二報）−

二宮 信治。吉浦滞之
材料開発部

Fabr壷caせ壷￠m￠†Syme電㌢雇c Layere8Maモe打直a巨 by Spark P萱as悶盈S壷離e㌢壷門g−Deve毛opment of Neta卜Ceram盲cs Graded Composite Nateria［（Part2）−
ShhjiNINOMけA・HiroyukiYOSH川RA

Materiat Development Division
要旨
放電プラズマ焼結法によりA1203／SUS／Å1203系対称型積層材料の作製を試みた．三層焼結体の場合，内層を100％SUSとしてÅ1203が完全に緻密化する温度で焼結すると溶融したSUSの流れ出しやA1203層のクラックが発生したが，A120350v／v％・SUS50v／v％の混合粉末を用いるとクラックの無い健全な焼結体が得られた．そのアルミナ外層には内層との熱膨張率の違いにより残留圧縮応力が発生しており，外層の厚みが薄くなるに従いその値は増加した．残留圧縮応力の増加に伴い外層表面の硬さが増加したが，サンプルの周辺部では中心付近に比べ残留応力が低下しており，硬さの増加も小さかった．

1．緒言

放電プラズマ焼結法は黒鉛製焼結型に原料粉末を充填

一般にセラミックスは金属と比較して硬度や耐熱性，し，圧力をかけながら型に直接通電して加熱・焼結する

耐摩耗性に優れ，その特性を生かして幅広い分野で利用

比較的新しいタイプの近年普及しつつある焼結手法であされているが，さらにその強度を向上させようとする複る．型に流す電流をパルス状にすることにより粉末粒子合化の研究が進められている．

間に放電プラズマを発生させることを特徴とし，それにそのひとつに，異種材料を層状に複合化しセラミックス部分に残留圧縮応力を発生させて強化する手法がある。

より均一・短時間焼結や難焼結材料の焼結を可能としている。

これには，アルミナとムライトの焼結時の収縮率の差を本研究ではこの放電プラズマ焼結法を用いて金属。セ利用するもの1）やジルコニアの相転移を利用するもの2）

ラミックス対称型積層材料を作製し，その特性を調べたなどが試みられているが，これらはセラミックス／セラので幸艮告する．

ミックスの組み合わせである．
近年，金属とセラミックスをセラミックス／金属／セ

2．実験方法ラミックスと対称的に積層することで，表面セラミック

2．1原料

ス層を強化できることが報告されている3）曇このように原料には市販のアルミナ粉末（純度99．99％、平均粒熱膨張率の異なるセラミックスと金属を一体化し，それ径0。22〟m）とステンレス粉末（SUS304L、平均粒径5〟により発生する圧縮応力を利用してセラミックス部分をm）を用いた．混合にはナイロン製のポットとポール，強化するためにはタ 金属を挟み込むように両面に対称的およびステンレス製ボールを用いク エタノール湿式でにセラミックスを配することで強い自己拘束状態を作る

24hr．混合した。

ことが必要であると言われている4）。

2。2 焼結このような構造の焼結体を作製する場合夕 最も問題と原料粉末を焼結型に充填し，放電プラズマ焼結機（住なることの一つが金属とセラミックスの焼結温度の違い

友石炭鉱業SPS−2050）により焼結した。使用した焼結である。

型は黒鉛製でそのサイズは内径20×外径45×高さ40mm

綱45…

平成7年度 研究報告 大分県産業科学技術センター（以後￠20mm）、内径30×外径70×高さ60mm（以後￠一方￠30mmでは￠20mmより500C低い12000CでHV約230030mm）の二種類である．焼結時の温度は黒鉛焼結型の表を示しており，12000Cで完全に緻密化していると思われ面中央部付近を放射温度言十で測定することにより制御しる。この焼結温度の違いの原因は，以下のように考えらた．

れる。
焼結条件は以下の通りである．

玉利ら5）が指摘しているように，これらの温度は型表・雰囲気 真空（0．05Torr）

面のものであるため，焼結の行われている型内部の温度・加圧力 49貯a（焼結温度保持工程終了後直ちにはこれよりも高いものと考えられる。￠30mmの型は￠20解除）

4・冷 却 4000Cまで真空中で、その後は空気中で︹ V︵‖＞っ︼

放冷．

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600「￣2222

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︹Fig，1Tenperature progra皿Of sintering process。

︵ヽしJ25（min．）

nしハ＝U

10 15

3

﹁UTemp。

︹‖ヽSintering3︵；エ︶ss聖P﹂雲S﹂む宅；

（℃）

0O

5︑．⊥

・温 度 （ぎig．1のプログラムにより制御）

1200

1250

1300

Sintering temperat］re（OC）

2．3 評価作製したサンプルについて以下の測定を行った．
・密度：アルキメデス法

・熱膨張率：25〜8000C，N2気流中．
（熟分析装置；セイコー電子丁甑320）

Fig．2 Effec七of sin七ering temperature on

hardness and relative density of monolithicalu皿ina by11Sing ￠20mm graphite die．
（EmVickers hardness・−・＆ Relative derLSisty）

・焼結体断面の組織観察：（走査型電子顕微鏡；
日本電子JSH−840）
・アルミナ層表面部のピッカース硬さ：試料中央部付近の7点の平均値。
力測定。A1203のヤング率を390貯a，ポアソン比を0￠23とした．
（Ⅹ線応力測定装置；リガク習Sぎー2門）

3瞥 結果及び考察︵；エ︶ss空で﹂雲S﹂豊U；・アルミナ層表面部の残留応力：並傾法によるⅩ線応3．1焼結温度の影響￠20，30mmの焼結型で焼結したアルミナ単体の焼結温度と密度及びピッカ岬ス硬さとの関係をぎig．2タFig．3に示す．
￠20mmの焼結型で焼結した場合，アルミナは且2500Cで1200
1250＝50
S川tering temperatureし℃＼

ほぼ川0％の相対密度となって完全に緻密化している一夜さの変化も密度のそれに対応しており，12500Cで完全に緻密化した場合HV2300近くの値を示したサFig。3 Effect of sintering temperature on
har血ess of monolithic alu皿ina byl且Sing￠30mm graphite die．

ー46−

平成7年虔 研究報告 大分県産業科学技術センター

・mよりもサイズ的に大きいため表面と内部との温度差はより大きく，従って内部が同じアルミナが完全に緻密化

帥・︑して焼結する温度の場合は，表面温度は￠30mmの方が低くなるものと考えられる．
3．2 対称型三層焼結体の作製￠20mm焼結型でA1203／SUS／A1203系対称型三層焼結体の作製を試みた．その構造をぎig．4に示す．
放電プラズマ焼結法によるSUSの焼結温度は10000Cでありク12500CではSUSは溶解している．そのため内層をFig．4 Schimatic diagraB10f synnetricSUSlOO％とすると溶解したSUSの一部が型の外まで流れtriplelayered血aterial．

出した．
また得られた焼結体のアルミナ層にはクラックが発生︻H︶したa これはアルミナとSUSの熱膨張率が大きく異なるためで，クラックを防ぎながらアルミナ外層を圧縮応力アルミナとSUS及びそれらの混合焼結体の熱膨張率を低下し，アルミナのそれに近づいていく．これによりアルできることがわかる．

0

そこで内層にアルミナ・SUS混合粉体を用いて焼結を

2

ルミナとSUSを混合することで，熱膨張率をコントロー

AT

Fig．5に示す．アルミナの比率が増すに従い熱膨張率が6ロールする必要がある。

︵？≡エ丘‡SU監益L空L選一で強化するには内・外層の熱膨張率の差を適切にコント試みたところ，内層がSUS50vol％でクラックのない健全Fig．6に示す。

20

40

60

Fig．5 Thermalexpansivity vs SUS co皿pOSitionが形成されているが，個々のSUS粒子を三次元的に完全in A1203・SUS mixt11re。に取り囲んではないと思われる．そのため焼結工程が長（25〜8000C，Purge gas：N2）
2引けば，SUSの流れ出す量も次第に増えていくことが考80 100SUS（％）A7

SUSの流れ出しを防ぐようにアルミナのネットワーク06

めてわずかであった．その断面の電子顕微鏡写真を

8な焼結体が得られた凸 またその際のSUSの流れ出しも極えられる。
放電プラズマ焼結法の際立った特徴の一つである焼結時間の短さも，このSUS流れ出しを微量にとどめることに極めて有効であったと考えられる．

3．3 7ルミナ層の強化￠20mmx5mmのサイズで内層をSUS50％としアルミナ外層の厚さを変えた対称型三層材料を作製し，そのアルミナ層表面のピッカース硬さと残留応力を測定した．その結果をF皇g．7に示す．
外層アルミナ表面には圧縮応力が発生しており，外層の厚みが薄くなるに従いその値が大きくなっている．これは内・外層の熱膨張率の遠いによる外層を圧縮する力が，より狭い範囲に集中したためであると考えられる．
アルミナ表面のピッカース硬さも外層が薄くなるに従い増加している。その変化は残留応力のそれに対応してFig．6 Cross sectionalSE汚photograph at tbe

おり，残留圧縮応力によりアルミナ層が強化ざれている

boundary of A1203。SUS／A1203−47−

平成7年度 研究報告 大分県産業科学技術センターの材料を実用化に向けて研究する瞭には注意を要する点

ことが確認された．

￠30mm焼結型で作成した外層A12030．5mm厚／内層である．
4．緒言

SUS50％4mm厚の試料では，アルミナ層表面中央部から周辺部へ向かい広範囲にわたって硬さの増加がほぼ均一に放電プラズマ焼結法によりA1203／SUS／A1203系対称型認められ，その外側では外に行くに従い増加の割合は低積層材料の作製と評価を行った．得られた結果は以下の下した（Fig．8）．

通りである．

X線応力測定の結果，中央部に比べ周辺部のほうが残（1）．アルミナ焼結体が完全に緻密化する焼結温度は焼結

留圧縮応力は低下している傾向がみられた雷 周辺部では型のサイズによって異なり∂20mmでは12500C芦 ￠30mmで残留応力が開放され，その結果アルミナ層もそれ程強化は12000Cであった．これは温度測定を型表面部で行ったされていないものと考えられる．これはこのような構造ため生じる誤差が，サイズの大きい￠30mmでより大きかったためである．
（2）．内層を100％SUSとすると溶融したSUSの流れ出しやA1203層のクラックが発生したが，A120350v／v％・︵；エ︶ss2P﹂雲S﹂聖ち；︵空∑︶ssPコ∽む＞芯S巴d∈OU

SUS50v／v％の混合粉末を用いるとSUSの流れ出しは極めて微量となりクラックの無い健全な焼結体が得られた。
これはSUS粒子を取り囲むように形成されたアルミナのネットワーク構造と放電プラズマ焼結法の短時間焼結，および熱膨張率の適正化によるものと考えられる．
（3）。得られた焼結体のアルミナ外層には内層との熱膨張率の違いにより残留圧縮応力が発生しており，外層の厚L当P芯豊みが薄くなるに従いその値は増加した．残留圧縮応力の増加に伴い外層表面の硬さも増加したが，サンプルの周辺部では中心付近に比べ残留応力が低下しており，硬さの増加も小さかった．

A21．510．5Thイckness ofÅ12031ayer（mm〉

本研究においてX線応力測定を行うにあたり，ご指導
Fig凸7 Hardnessand residualstress of s）Ⅶ皿etric

ご協力いただいた広島市工業技術センターの山口研二専

triplelayeredmaterial．（A：mOnOlithic A1203）

門員、浅野直弘技師に厚く感謝の意を表します．
参考文献

1）中田有香，濱野健也，岡田繁：日本セラミックス協会1995年会講演予稿集，（1995）246。
05202）YtlichiXOBAYASHI，Ets11rO鼠ÅTO：0423）宮本欽生，突抜思，康燕生，谷畑公昭：

0

粉体および粉末冶金，42．8（1995）933．
︑〇3︹⊥4）宮本欽生：セラミックス，29，3（1994）2ま4．

〇5）Nob11沖kiTÅ朗AR‡，Taka五iro TA対艦Å，監ojiTANメ瓜A，︼︵；エ︶ss讐P﹂雲S﹂心宅；J．Cera皿．Soc．Japan，102，6（1994）609．

‡sao監ONDO，Masakazu KAW服追払，∬asao TO監王TA：
J．Cer乱Soc．Japan．103，7（1995〉740

05

1015

Distance from centerしm）F皇g．8 Distribution of har血ess on alu皿ina

surface of triplelayered material．
−48一