JP2006290637A

JP2006290637A - セラミックス焼結体

Info

Publication number: JP2006290637A
Application number: JP2005110020A
Authority: JP
Inventors: Junichi Matsushita; 純一松下; Takumi Takao; 匠高尾; Kenji Shimao; 憲治島尾
Original assignee: Tokai University
Current assignee: Tokai University
Priority date: 2005-04-06
Filing date: 2005-04-06
Publication date: 2006-10-26
Anticipated expiration: 2025-04-06
Also published as: JP5093993B2

Abstract

【課題】
高い硬度を有するセラミックス焼結体を提供すること。
【解決手段】
ＣｒＢ₂粉末と、Ｃｒ₃Ｃ₂粉末とを含有する原料混合物を焼結して得られることを特徴
とするセラミックス焼結体、およびその製造方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、高い硬度を有するセラミックス焼結体に関する。

硬度が高く、高温においても応力に耐え得る材料の需要が高まっている。特に近年は、宇宙空間への進出に対する国際的な取り組みがなされているため、この傾向はますます顕著となっている。

高い硬度を有するなど、機械的特性に優れた材料として、従来より金属炭化物や金属硼化物が知られており、たとえば特開平１０−３１０８３２号公報（特許文献１）、特開平１０−２６３７８３号公報（特許文献２）および特開２００４−２９２２２９号公報（特許文献３）には、炭化クロム（Ｃｒ₃Ｃ₂）や硼化クロム（ＣｒＢ）が高い硬度を有することが記載されている。

しかしながら、これらの材料よりもさらに硬度が高く、機械的強度に優れた材料が求められている。
特開平１０−３１０８３２号公報特開平１０−２６３７８３号公報特開２００４−２９２２２９号公報

本発明は、上記のような従来技術に伴う問題点を解決しようとするものであり、硬度が高く機械的特性に優れたセラミックス焼結体を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究した結果、特定の原料を組み合わせた混合物を焼結することにより、硬度が高く機械的特性に優れたセラミックス焼結体が得られることを見出し、本発明を完成させた。

本発明のセラミックス焼結体は、ＣｒＢ₂粉末と、Ｃｒ₃Ｃ₂粉末とを含有する原料混合
物を焼結して得られることを特徴としている。
また、本発明のセラミックス焼結体の製造方法は、ＣｒＢ₂粉末と、Ｃｒ₃Ｃ₂粉末とを
含有する原料混合物を焼結することを特徴としている。

前記原料混合物中には、前記Ｃｒ₃Ｃ₂粉末が好ましくは２〜２０質量％含まれる。
前記焼結は、非酸化雰囲気または真空下で行われることが好ましく、１４００〜１７００℃で行われることが好ましい。

上記の特許文献１〜３には、炭化クロムと硼化クロムとを混合、焼結させてより高い硬度を有する材料を得るという思想は示唆すらされてなく、また、ＣｒＢについての記載はあるがＣｒＢ₂については記載されていない。

本発明のセラミックス焼結体、および本発明の製造方法により得られたセラミックス焼結体は、硬度が高く、酸化耐性に優れている。

以下に、本発明に係るセラミックス焼結体について、より詳細に説明する。
本発明のセラミックス焼結体は、ＣｒＢ₂粉末と、Ｃｒ₃Ｃ₂粉末とを含有する原料混合
物を焼結して得られることを特徴としている。

前記原料混合物中には、原料混合物１００質量％に対して、Ｃｒ₃Ｃ₂粉末が好ましくは２〜２０質量％、さらに好ましくは５〜１５質量％含まれる。原料混合物中にＣｒ₃Ｃ₂粉末が上記の範囲で含まれていると、原料混合物の焼結体の硬度が特に高くなる。換言すると、ＣｒＢ₂の硬度は、ＣｒＢ₂粉末に上記のように少量のＣｒ₃Ｃ₂粉末を添加して焼結することによって高められる。

本発明で用いられるＣｒＢ₂粉末およびＣｒ₃Ｃ₂粉末は、できるだけ細粒径に紛砕して
から焼結することが望ましく、その粒径はそれぞれ好ましくは１０μｍ以下、さらに好ましくは１μｍであることが望ましく、また、その下限値はたとえば０．０１μｍとすることができる。

なお本発明においては、粒径とはレーザー回折式粒度分析計（マイクロトラックＳＰＡ粒度分析計）を用いて測定された球相当径をいう。
混合操作には特に制限はなく、従来公知の方法、たとえば乳鉢および乳棒、ライカイ機を用いた乾式混合法や、ボールミル、アトリッションミルを用いた湿式混合法などにより混合操作を行うことができる。

本発明のセラミックス焼結体は、一軸加圧でのホットプレス法、常圧焼結法、熱間等方圧（ＨＩＰ）焼結法などの方法で、以下のような条件を適用して製造することができる。
焼結温度は、好ましくは１４００〜１７００℃、さらに好ましくは１４５０〜１５５０℃である。焼結温度が前記範囲にあれば、十分に緻密な焼結体を製造コストを高騰させることなく製造できる。

室温から上記の焼結温度までは、０．１〜１Ｋ／秒、好ましくは０．３〜０．６Ｋ／秒の速度で反応系を昇温させることが望ましい。
焼結後は、焼結温度から室温までを０．０１〜１Ｋ／秒、好ましくは０．０５〜０．６Ｋ／秒、より好ましくは０．１〜０．３Ｋ／秒の速度で反応系を降温することが望ましい。

焼結時間は、好ましくは０．５〜１０時間、さらに好ましくは１〜３時間である。
焼結は、真空または非酸化雰囲気の下で行うことが好ましい。
非酸化雰囲気で焼結を行う場合、雰囲気ガスとしてはＡｒガスなどの希ガス（不活性ガス）を例示することができる。この雰囲気ガスの供給源や供給方法は特に限定されず、原料混合物が存在する反応系に雰囲気ガスを導入することができればよい。たとえば、雰囲気ガスの供給源としてボンベガスを用いることができる。

一軸加圧でのホットプレス法により本発明のセラミックス焼結体を製造するのであれば、プレス圧は、好ましくは２０〜５０ＭＰａ、さらに好ましくは２５〜４０ＭＰａである。プレス圧が前記範囲にあれば、十分に緻密な焼結体を製造コストを高騰させることなく製造できる。
［実施例］
以下，実施例を用いてさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
＜原料＞
実施例および比較例で使用した原料のグレードは、以下のとおりである。

ＣｒＢ₂ ・・・純度９９％
Ｃｒ₃Ｃ₂ ・・・純度９９％
［評価方法］
＜緻密性＞
アルキメデス法を用いて測定した嵩密度（実測密度）と理論密度との比である相対密度（実測密度／理論密度）（％）を、緻密性の指標とした。相対密度が大きいほど、緻密性に優れる。
＜硬度＞
ビッカース硬度針を用いて硬度を測定した。圧子としてダイヤモンド圧子を使用し、荷重１０ｋｇｆ（９８Ｎ）、荷重時間１５秒とした。
＜結晶構造＞
Ｘ線回折装置（フィリップス社製ＡＰＤ１７００）を使用して、Ｘ線回折分析を行った。
［実施例１］
ＣｒＢ₂ ９．５ｇとＣｒ₃Ｃ₂ ０．５ｇとを、容量が５００ｃｃのボールミルを用いて
エタノール中で１２時間湿式混合し、乾燥させ、混合粉末を調製した。図１に示したホットプレス機のカーボン治具２にこの混合粉末１を入れ、真空中（真空度１．３３×１０^-2Ｐａ）で、０．３３Ｋ／秒で昇温した後、１５００℃で１時間、一軸加圧装置３を用いて３０ＭＰａの一軸加圧下にホットプレス焼結させた。得られた焼結体４の相対密度およびビッカース硬度を測定し、その値をＣｒ₃Ｃ₂添加量（％）との関係として、それぞれ図２および図３に示した。またこの焼結体のＸ線回折図を図４に示した。
［実施例２〜４］
ＣｒＢ₂ ９．５ｇおよびＣｒ₃Ｃ₂ ０．５ｇに代えて、それぞれ
ＣｒＢ₂ ９．０ｇおよびＣｒ₃Ｃ₂ １．０ｇ（Ｃｒ₃Ｃ₂：１０質量％）、
ＣｒＢ₂ ８．５ｇおよびＣｒ₃Ｃ₂ １．５ｇ（Ｃｒ₃Ｃ₂：１５質量％）、
ＣｒＢ₂ ８．０ｇおよびＣｒ₃Ｃ₂ ２．０ｇ（Ｃｒ₃Ｃ₂：２０質量％）
を用いた以外は実施例１と同様にして焼結体を得た。得られた焼結体の相対密度およびビッカース硬度を、それぞれ図２および図３に示した。さらに、各焼結体のＸ線回折図を図５〜７に示した。
［比較例１］
ＣｒＢ₂ ９．５ｇおよびＣｒ₃Ｃ₂ ０．５ｇに代えて、ＣｒＢ₂ １０．０ｇを用いた以
外は実施例１と同様にして焼結体を得た。得られた焼結体の相対密度およびビッカース硬度を、図２および図３に示した。また、焼結体のＸ線回折図を図８に示した。

図２から理解されるように、実施例１〜４で得られたセラミックス焼結体は、相対密度が９０％前後であり、いずれも緻密質であった。
また、図３から理解されるように、実施例１〜４で得られたセラミックス焼結体は、いずれも比較例１と比べてビッカース硬度が高く、機械的特性に優れていた。

本発明のセラミック焼結体は、緻密質であり、硬度が高いため、スペースシャトルの先端および下面、核融合炉の壁などの用途に適用することができる。

図１は、本発明のセラミックス焼結体の製造方法の一例を示す。図２は、各セラミックス焼結体のＣｒ₃Ｃ₂濃度と相対密度との関係を示す。図３は、各セラミックス焼結体のＣｒ₃Ｃ₂濃度とビッカース硬度との関係を示す。図４は、実施例１（Ｃｒ₃Ｃ₂：５質量％）で得られたセラミックス焼結体のＸＲＤパターンを示す。図５は、実施例２（Ｃｒ₃Ｃ₂：１０質量％）で得られたセラミックス焼結体のＸＲＤパターンを示す。図６は、実施例３（Ｃｒ₃Ｃ₂：１５質量％）で得られたセラミックス焼結体のＸＲＤパターンを示す。図７は、実施例４（Ｃｒ₃Ｃ₂：２０質量％）で得られたセラミックス焼結体のＸＲＤパターンを示す。図８は、比較例１（ＣｒＢ₂ のみ）で得られたセラミックス焼結体のＸＲＤパターンを示す。

符号の説明

１…ＣｒＢ₂粉末とＣｒ₃Ｃ₂粉末との混合粉末
２…ホットプレス用カーボン治具
３…一軸加圧装置
４…ＣｒＢ₂−Ｃｒ₃Ｃ₂系セラミックス焼結体

Claims

ＣｒＢ₂粉末と、Ｃｒ₃Ｃ₂粉末とを含有する原料混合物を焼結して得られることを特徴
とするセラミックス焼結体。
前記原料混合物中に前記Ｃｒ₃Ｃ₂粉末が２〜２０質量％含まれることを特徴とする請求項１に記載のセラミックス焼結体。
ＣｒＢ₂粉末と、Ｃｒ₃Ｃ₂粉末とを含有する原料混合物を焼結することを特徴とするセ
ラミックス焼結体の製造方法。
前記原料混合物中に前記Ｃｒ₃Ｃ₂粉末が２〜２０質量％含まれることを特徴とする請求項３に記載のセラミックス焼結体の製造方法。
前記焼結が、非酸化雰囲気または真空下で行われることを特徴とする請求項３または４に記載のセラミックス焼結体の製造方法。
前記焼結が、１４００〜１７００℃で行われることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載のセラミックス焼結体の製造方法。