JP2001058873A - 二硼化チタンセラミックス焼結体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】難焼結材である二硼化チタンセラミックスを焼
結原料とし、効率良く焼結反応を達成し、構造部材，工
具材等として有用な高緻密質の焼結体を得る。 【解決手段】 この焼結体は、ＴｉＢ₂粉末に、遷移金
属粉末と遷移金属炭化物の粉末を焼結助剤とし、該金
属：３〜１２重量％、該炭化物：０．５〜１０重量％、
金属／炭化物：４５／５５(重量)以上の量比で配合した
混合物の成形体に、不活性雰囲気中、マイクロ波照射し
誘電加熱により焼結反応を行わせることにより製造され
る。焼結反応は、１５００〜１８００℃の温度域に約５
〜６０分保持する低温・短時間の処理で完結する。助剤
成分である遷移金属は、Ｎｉ,Ｆｅ,Ｃｏ,Ｖ,Ｍｏ,Ｎｉ
−Ｚｒ合金等、炭化物は、ＴｉＣ,ＷＣ,ＺｒＣ,Ｃｒ_３
Ｃ_２等である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、各種構造部材，切
削工具材等として好適な二硼化チタンセラミックス焼結
体及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】二硼化チタン（ＴｉＢ_２）は、耐摩耗
性，耐熱性，耐酸化性，高温強度，耐食性（耐溶融金属
腐食抵抗性）などに優れ、また導電性を有するセラミッ
クス材料であり、しかも資源的に豊富なことから、耐摩
耗材，切削工具材，耐熱材，溶湯用部材，導電性を必要
とする部材など多方面の工業材料として注目されてい
る。

【０００３】二硼化チタンセラミックスは難焼結性の材
料であり、焼結体の製造には、焼結反応を促進するため
の助剤成分が配合される。その焼結助剤として、硼化ニ
ッケル，硼化コバルト，硼化鉄等の鉄属金属硼化物（特
公昭５６−４１６９０号公報，特公昭５６−４９５８９
号公報）、Ｎｉ−Ｚｒ合金粉末とＷＣ粉末の混合物（特
開平９−３５８６号公報）などが提案されている。ま
た、焼結体の緻密化のために、焼結手法としてホットプ
レスなどの加圧焼結法が適用される。焼結処理は、約１
８００〜２０００℃の温度域に加熱保持することにより
行われている。

【０００４】昨今、セラミックスの焼結にマイクロ波を
応用することが試みられている。これは、マイクロ波照
射により生じるセラミックスの誘電損失（発熱）を利用
して焼結反応を行わせるものである。この方式は、従来
の抵抗加熱，高周波加熱等の発熱部からの放射熱で焼結
を行う外部加熱方式と異なって、自己発熱による内部加
熱であり、熱効率が高く、低温・短時間の処理を可能と
し、結晶粒の粗大化を低減しつつ均質な焼結体を形成し
得る有効な焼結法として期待される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】セラミックスは一般に
誘電損率の温度依存性が高く、二硼化チタンセラミック
スのマイクロ波照射による焼結処理において、成形体を
室温から反応温度まで効率的に加熱昇温することは困難
である。これに対する方策として、誘電損失の温度依存
性が小さく、室温域でのマイクロ波吸収性の高い物質を
助剤として配合し、その選択的な誘電加熱を利用するこ
とが有効である。この助剤の配合は、マイクロ波による
選択的な誘電加熱の効果を得るためのものであるから、
その成分選択は、従来の外部加熱方式におけるそれとは
全く異なる観点からなされることを要する。しかし、二
硼化チタンセラミックスについては、未だ効果的な助剤
成分及びマイクロ波加熱焼結に関する報告例は見当たら
ない。本発明は上記に鑑みてなされたものであり、マイ
クロ波照射による改良された二硼化チタンセラミックス
焼結体およびその焼結方法を提供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の二硼化チタンセ
ラミックス焼結体は、ＴｉＢ₂ 粉末に、遷移金属粉末お
よび遷移金属の炭化物粉末を焼結助剤とし、遷移金属：
３〜１２重量％、遷移金属炭化物：０．５〜１０重量
％、遷移金属／遷移金属炭化物：４５／５５(重量)以上
の量比で配合された粉末混合物の成形体をマイクロ波加
熱により焼結してなるものである。

【０００７】上記二硼化チタンセラミックス焼結体は、
ＴｉＢ₂ 粉末と、遷移金属粉末および遷移金属炭化物粉
末からなる所定組成に調整された粉末混合物を焼結原料
とし、その成形体を、不活性雰囲気中、マイクロ波加熱
により、１５００〜１８００℃の温度域で焼結すること
により製造される。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の二硼化チタンセラミック
ス焼結体の焼結助剤は、上記のように金属粉末と炭化物
粉末とで構成されている。その一方の構成成分である金
属は、導電性物質であるから、それ自体ではマイクロ波
吸収性に乏しく、従ってマイクロ波照射を熱源とする焼
結処理での加熱昇温を促進させるという点からは、助剤
成分としての有効性は期待し得ないと予想される物質で
ある。しかるに、遷移金属と遷移金属炭化物とを特定の
量比で組み合わせて二硼化チタンセラミックスに配合す
ることにより、マイクロ波による室温からの加熱昇温を
効果的に生起させ、低温・短時間で焼結反応を完結する
ことが可能となる。

【０００９】遷移金属粉末と炭化物粉末とは、その複合
配合に基づく助剤効果を良好ならしめるために、ＴｉＢ
₂ との混合物中に占める量比を、遷移金属：３〜１２重
量％、炭化物：０．５〜１０重量％、および遷移金属／
炭化物の重量比：４５／５５以上となるように調整する
ことを要する。配合量がこれに満たないと、その選択的
誘電加熱による昇温促進効果が不足し、他方これより多
量に配合しても効果の増加は少なく、むしろ増量に伴っ
て二硼化チタンセラミックスの相対量比が減少し、二硼
化チタンの物性が希釈されることになるからである。

【００１０】焼結助剤を構成する遷移金属粉末は、例え
ばＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｍｏ，Ｗ
等の単体元素の粉末もしくは複数種の粉末からなる混合
粉末、あるいは複数種の元素の相互合金（例えば、Ｎｉ
−Ｚｒ合金）からなる粉末等であり、また遷移金属炭化
物は、例えばＴｉＣ，ＶＣ，Ｃｒ_３Ｃ_２，ＷＣ等の粉末
であり、また複数種の粉末の混合物、あるいは複炭化物
等が使用される。粉末粒径は限定されないが、微細粒径
（サブミクロン・オーダー）を使用することは、助剤効
果をより高めるのに有効である。

【００１１】主剤であるＴｉＢ_２粉末に上記焼結助剤の
所定量を配合し、必要に応じて、成形助剤、例えばメチ
ルセルロース希釈液等を常法に従って適量混和して焼結
原料を調製する。これを、ボールミル等で均一に混合し
たうえ、適宜の成形手段、例えば一軸加圧プレス、冷間
静水圧加圧成形等により所望形状の成形体に成形する。
加圧成形の手法は任意であり、製品焼結体の形状によ
り、例えば原料粉末混合物のスラリーを遠心力泥しょう
鋳込み成形法を適用して中空円筒形状を有する成形体を
得る。セラミックス成形体は、マイクロ波吸収性の点か
ら、相対密度の高いことが有利（好ましくは、６０％以
上）である。例えば、一軸プレスと冷間静水圧加圧成形
の２段階の成形工程を併用実施することは成形体の高密
度化に有効である。

【００１２】上記セラミックス成形体を、脱脂処理の
後、マイクロ波加熱処理に付す。図１は、マイクロ波装
置の空洞共振器内における成形体の設置態様の例を示し
ている。(１)は被処理物であるセラミックス成形体（図
は比較的薄肉の円盤形状を有する例を示している）、
(２)は被処理物の載置台である。載置台（２）は、マイ
クロ波吸収性が低くかつ断熱性を有する部材（例えば、
マグネシア系多孔質セラミックス焼結体）からなる。

【００１３】セラミックス成形体(１)は、その上下の表
面に板状部材(３)をあてがわれている。この板状部材
(３)は、被処理物（１）に比し誘電損率が小さく、かつ
熱伝導率のよい材料で形成されている。従って部材
（３）は、被処理物（１）のマイクロ波加熱の妨げとな
らず、かつ被処理物（１）の表面からの熱放射を抑制
し、また良好な熱伝導性を有することによる伝導伝熱の
効果として被処理物（１）の温度分布の均一化に奏効す
る。この部材（３）は、例えば窒化硼素セラミックス焼
結体を用いて形成される。なお、被処理物（１）の周囲
は、壁部材（４）で包囲されている。これは、被処理物
（１）の表面からの熱放射を抑制防止する部材であり、
マイクロ波吸収性が低く、かつ断熱性を有する材料、例
えばアルミナ系セラミックスからなる多孔質焼結体等が
用いられる。

【００１４】被処理物（１）に対するマイクロ波照射
は、実用的な装置設計および誘電損率の温度依存性等の
点から、短い波長域に属するミリ波帯を適用するのが好
ましい。加熱途上における被処理物内の温度分布の一様
性を保ち、局所的な急速過熱（サーマル・ランナウェ
イ）を抑制防止するには、共振容器内の電界強度が均一
に分布していることが必要であり、それにはマイクロ波
の波長の１００倍程度の容器寸法を要することが経験的
に知られている。従来一般に適用されている周波数２．
４５ＧＨｚ（周波数１２ｃｍ）のマイクロ波に必要な容
器寸法は約１２ｍと著しく長大であるが、短い波長域に
属するミリ波帯（２０〜３００ＧＨｚ）、例えば周波数
２８ＧＨｚ（周波数１．１ｃｍ）を適用することによ
り、１ｍ程度の実用的なサイズの容器設計が可能とな
る。また、周波数の増加に伴って、誘電損率の温度依存
性が低減することも、加熱途上のサーマル・ランナウェ
イの抑制回避に有利である。

【００１５】加熱炉内は、被処理物（二硼化チタンセラ
ミックス）の高温域での酸化，窒化等の化学変化を防止
するために、Ａｒガス等の不活性雰囲気、あるいは
Ｈ_２，ＣＯガス等の還元性雰囲気に保持される。被処理
物の昇温速度は、約５〜５０℃／分に調節するのが好ま
しい。５０℃／分を超える急速な昇温を行うと、熱応力
による割れ発生などの不具合をきたすおそれがある。他
方、５℃／分より緩徐の加熱を行う利益はなく、処理効
率の低下、および被処理物からの放射熱量の増加による
エネルギー損失を招くことになる。この昇温速度は、マ
イクロ波の発振出力等により調節される。

【００１６】焼結温度は、１５００〜１８００℃の範囲
が適当である。これを超える高温度を適用する必要はな
いからであり、またその処理時間は約５〜６０ｍｉｎ程
度で十分である。従来の外部加熱方式による二硼化チタ
ンセラミックス焼結体の製造においては、約１８００〜
２０００℃の高温度と、約０．５〜１０Ｈｒの長時間の
処理を必要としているが、本発明によれば、低温・短時
間で所要の焼結反応を完結することができる。

【００１７】本発明の二硼化チタンセラミックス焼結体
は、後記実施例に示すように、相対密度は比較的低くて
も、従来の外部加熱による焼結体に比し、高い機械強度
を示す。そのメカニズムの詳細は明らかでないが、二硼
化チタンに配合される助剤成分の化学組成とその選択的
誘電加熱によるミクロ構造の制御効果に基づくものと考
えられる。本発明によれば、無加圧焼結条件下に良好な
機械強度を有する二硼化チタンセラミックス焼結体を得
ることができ、従って二硼化チタンの一般的な焼結手法
であるホットプレス等の加圧焼結では製造困難な複雑形
状の製造も容易化される。

【００１８】なお、本発明は、加圧焼結の手法を適用す
ることを排除するものではない。例えば、モールドとし
て低誘電損率と所要の強度を有する材料（例えば，窒化
珪素焼結体）からなるものを使用し、これに前述の二硼
化チタン粉末と助剤粉末の均一な混合物を充填し、パン
チ棒による加圧力（例えば１〜５０ＭＰａ）の作用下に
マイクロ波加熱による焼結処理を行う方法等が適宜採用
され、加圧焼結の効果として、製品焼結体の緻密性や物
性の一層の向上を図ることも可能である。

【００１９】

【実施例】ＴｉＢ_２粉末（粒度：１．０〜２．０μｍ）
に、Ｎｉ粉末（粒度：０．５〜１．０μｍ）およびＷＣ
粉末（粒度：０．５０〜０．７５μｍ）を配合すると共
に、これに成形助剤（有機バインダー）を適量添加し、
ボールミルで均一に混合する。混合粉末を一軸プレス
（加圧力：２０ＭＰａ）、および冷間静水圧成形（加圧
力：１２０ＭＰａ）による加圧成形に付し後、脱脂処理
（５００℃）して円盤形状の成形体（φ６０×１０ｔ，
ｍｍ、見掛け密度：６０％）を得る。

【００２０】上記成形体を、図１に示したマイクロ波加
熱炉の円筒状空洞共振器内に設置し、マイクロ波加熱に
よる焼結処理を行う。 マイクロ波発振器：ジャイロトロン 出 力：１０ＫＷ 周波数：２８ＧＨｚ 炉内雰囲気 ：Ａｒガス（０．１ＭＰａ） 昇温速度 ：マイクロ波出力により制御

【００２１】各供試材のマイクロ波焼結条件および得ら
れた焼結体の物性を表１に示す。表中、比較例Ｎｏ．１
１は、焼結原料の調製において焼結助剤の配合を省略し
した成形体（加圧成形条件は発明例と同じ）をマイクロ
波加熱焼結した例である。比較例Ｎｏ．１２は、従来の
外部加熱方式（電気炉）による常圧焼結体（焼結原料の
配合組成および成形体の加圧成形条件は発明例のそれと
同一に設定）である。なお、マイクロ波加熱における被
処理物の温度測定は、載置台（２）および下側の当て部
材（３）を貫通して被処理物（１）の下側表面に接触さ
せたサーモカップル（５）により行った。

【００２２】表１に示したように、比較例Ｎｏ．１１
（本発明の焼結助剤の配合を省略されている）では、マ
イクロ波照射による焼結反応は極めて不完全であり、結
果として焼結体の相対密度および機械強度は著しく低
い。これに対し、発明例の焼結体は、良好な相対密度，
硬度を有すると共に、従来の外部加熱による常圧焼結品
を大きく上回る機械強度を有している。発明例の焼結体
が、比較例に比し相対密度が低いにも拘わらず、高い強
度を有しているのは、助剤成分とマイクロ波加熱とによ
るミクロ構造の制御効果として、粒子間結合が強化され
ていることによるものと考えられる。

【００２３】

【表１】

【００２４】

【発明の効果】本発明の二硼化チタンセラミックス焼結
体は、従来の外部加熱方式による焼結体に比し改良され
た機械強度を有している。しかも、その焼結処理は、従
来法に比し低温・短時間で達成することができる。従っ
て、高エネルギー効率のもとに、材料特性の優れた焼結
体をコスト的に有利に製造でき、二硼化チタンセラミッ
クス焼結体の工業的価値を大きく高めるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】マイクロ波加熱炉内の被処理物の設置態様の例
を示す説明図である。

【符号の説明】

１：被処理物 ２：載置台 ３：当て部材 ４：壁部材 ５：サーモカップル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 黒石 農士 兵庫県尼崎市浜１丁目１番１号 株式会社 クボタ技術開発研究所内 (72)発明者 三宅 正司 大阪府吹田市青葉丘南８番Ｐ−505 (72)発明者 巻野 勇喜雄 兵庫県西宮市豊楽町６−５ Ｆターム(参考） 3C046 FF40 FF55 4G001 BA24 BA44 BA61 BB24 BB44 BB61 BC11 BC13 BC52 BC63 BD12 BD14

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＴｉＢ₂ 粉末に、遷移金属粉末および遷
   移金属の炭化物粉末を焼結助剤とし、遷移金属：３〜１
   ２重量％、遷移金属炭化物：０．５〜１０重量％、遷移
   金属／遷移金属炭化物：４５／５５(重量)以上の量比で
   配合された粉末混合物の成形体をマイクロ波加熱により
   焼結してなる二硼化チタンセラミックス焼結体。
2. 【請求項２】 ＴｉＢ₂ 粉末に、遷移金属粉末および遷
   移金属の炭化物粉末を焼結助剤とし、遷移金属：３〜１
   ２重量％、遷移金属炭化物：０．５〜１０重量％、遷移
   金属／遷移金属炭化物：４５／５５(重量)以上の量比で
   配合された粉末混合物を成形し、不活性雰囲気中、マイ
   クロ波加熱により、１５００〜１８００℃の温度域で焼
   結することからなる二硼化チタンセラミックス焼結体の
   製造方法。