JP2614875B2 - 高温耐食性焼結材料の製造方法 - Google Patents

高温耐食性焼結材料の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 <産業上の利用分野> 本発明は、例えば真空中で金属を蒸発させる際に用い
られる高温耐食性焼結材料の製造方法に関するものであ
る。
<従来の技術> 金属の真空蒸着を行なう際には、2ホウ化チタン(Ti
B2)、2ホウ化ジルコニウム(ZrB2)等の如き、導電性
耐食物質と窒化硼素(BN)、窒化アルミニウム(AlN)
等の如き電気絶縁性耐食物質の焼結体からなるボートに
蒸発させる金属を入れ、真空中でボートに電流を流し金
属を真空蒸発させる方法が知られている(特公昭55−16
234号公報)。
またその耐食性焼結体の製造方法については、上記組
成から成る原料をホットプレス焼結することが知られて
いる(特公昭55−8586号公報、特公昭58−2260号公
報)。
ホットプレスは、真空またはアルゴン、窒素などの非
酸化性雰囲気下、1700〜2150℃にて100kg/cm2を超える
圧力をかけて実施するものであるため、大型形状品は得
られず、また、複雑形状品の製造には適さない等の問題
がある。しかも、現在市販されている耐食性焼結体は、
一旦、円柱状にホットプレスされた焼結体を機械加工し
て最終製品形状に仕上げる方法がとられているので高価
格となる。
このような問題を解決するための手段として常圧焼結
法が考えられるが、BNやTiB2は焼結性が悪いため現在ま
でのところ溶融金属に対して高い耐食性を有する焼結体
は得られていない。
これらの理由で、溶融金属に対する優れた耐食性、耐
摩耗性、耐熱衝撃性等を有し、安価に容易にかつ効率良
く製造できる高温耐食性焼結体の出現が待たれている。
<発明が解決しようとする問題点> 本発明は、このような耐食性焼結体の形状制約と生産
性を改善し大型形状品、複数形状品を効率良く製造で
き、しかもホットプレス品と同等以上の溶融金属に対す
る優れた耐食性、耐摩耗性、耐熱衝撃性を有する高温耐
食性焼結材料の提供を目的するものである。
<問題点を解決するための手段> すなわち、本発明は、2ホウ化チタン及び/又は2ホ
ウ化ジルコニウム、窒化硼素並びに窒化アルミニウムが
重量%で図面の三角図に示すA点(40,20,40)、B点
(50,10,40)、C点(70,10,20)、D点(70,20,10)、
E点(40,50,10)で囲まれた範囲の割合の微粉末100重
量部にアルミニウム微粉末1〜7重量部を添加混合し、
次いでこの混合粉末を5ton/cm2以上の圧力にて成形した
後、非酸化性雰囲気下、温度1100〜2100℃で常圧焼結す
ることを特徴とする曲げ強さ530kg/cm2以上、ショア硬
度41以上の高温耐食性焼結材料の製造方法である。
以下本発明についてさらに詳しく説明する。
本発明では、導電性物質としてTiB2及び/又はZrB2
電気絶縁性物質としてBNとAlNを結合材としてAlを用い
ることが特徴である。
本発明で用いるBN粉末は、市販品で良いが望ましくは
結晶性の高い六方晶のBN粉末である。この粉末は、予備
成形時の可塑変形性に優れているため高密度の予備成形
が得られ易い。
AlN粉末は、市販品で良いが望ましくは純度99.0%以
上、平均粒子径4μm以下のものである。AlNの粒度
は、BN、TiB2、ZrB2粉末と同等あるいは微細粒ほど焼結
体密度及び強度が向上する。
TiB2、ZrB2粉末は、市販品で良いが望ましくは純度99
%以上、平均粒子径5μm以下のものである。粒度は、
BN、AlNH粉末と同等あるいは微細粒ほど焼結体密度及び
強度が向上する。
アルミニウム(Al)粉は市販品で良いが、望ましくは
アトマイズ品、純度99.0%以上、粒度250メッシュ下品
である。その理由は、Alは焼成中(1)式に示すように
BNと反応してAlNとホウ素(B)を生成し、さらにこの
Bは(2)式に示すようにAlと反応してAl−B化合物と
なりBNとAlN、TiB2及び/又はZrB2の粒界を強固に結合
させ焼結体強度を向上させる働きがあるので反応性の高
い微粉末が得られるからである。
Al+BN→AlN+B (1) B+Al→Al−B (2) 以上の原料粉末を、TiB2及び/又はZrB2、BN並びにAl
Nが重量%で図面に示す三角図のA点(40,20,40)、B
点(50,10,40)、C点(70,10,20)、D点(70,20,1
0)、E点(40,50,10)で囲まれた範囲の割合の微粉末1
00重量部とAl微粉末1〜7重量部の割合で混合する。A
点、B点、C点、D点、E点で定められた範囲外の割合
では、ホットプレス品と同等以上の溶融金属に対する優
れた耐食性、耐摩耗性、耐熱衝撃性を達成することがで
きない。また、Al微粉末が1重量部未満では焼結体強度
の向上が認められず、一方、7重量部を超えると得られ
た焼結体中に未反応のAl粉が存在し、耐食性、耐熱衝撃
性が低下するばかりでなく、高温下で使用した場合、軟
化変形を起こし易くなる。
本発明は、上記したTiB2及び/又はZrB2、BN、AlN、A
l粉末の混合物を粉砕せずにそのまま成形用混合粉末と
して用いるか、比表面積が入手時の2倍以上なるまで微
粉砕したBN粉末とそれ以外の粉末の混合物を成形用混合
粉末として使用するか、さらにはまた、全ての粉末の混
合物を比表面積が2倍以上になるように破断、せん断、
磨砕等の粉砕を行なって粉末の焼結性を高めた後、それ
を5ton/cm2以上の圧力にて成形し、次いで非酸化性雰囲
気下、温度1100〜2100℃で焼成するものである。
本発明においては、BN、AlN、TiB2、ZrB2、Alの原料
は粉砕することが望ましく、それには一般に良く知られ
ているボールミル、振動ボールミル、アトライター、ラ
イカイ機等が使用される。粉砕は、元の粉末の比表面積
の2倍以上好ましくは10倍以上になるまで行なう。2倍
末満の粉砕では耐摩耗性と耐食性を十分に高めた高温耐
食性焼結体を得ることが困難である。
なお、粉砕を行なう場合、それを酸化雰囲気で行なう
と酸化物の生成がみられ、そのまま焼成すると耐食性、
耐摩耗性、耐熱衝撃性の低下をきたすばかりでなく焼結
体にクラックが発生する。従って、粉砕は、酸化物が生
成しないような例えばN2、Ar等の非酸化性雰囲気下で行
なう必要がある。粉砕を行なったものの方が耐摩耗性、
耐食性に優れる理由は、結晶の格子不整及び部分的な非
晶質化が進むと同時に新たに形成された粒子面が現われ
て所謂メカノケミカル効果により活性化された粉末とな
ったためと考えられる。
本発明で用いる成形装置としては、一般に良く知られ
ている金型成形機、冷間等方圧成形機(CIP)等が挙げ
られる。成形圧力は5ton/cm1以上望ましくは7ton/cm2
上で行なう。5ton/cm2未満の成形圧力では、耐摩耗性と
耐食性に優れた焼結体を得ることができない。
焼成は、1100〜2100℃の非酸化性雰囲気下で行なう。
焼成温度が1100℃未満では、(1)、(2)式に示すよ
うな反応が起こりにくいため高強度の焼結体が得られな
い。一方、2100℃を超えるとBN,AlNの熱分解が起こりそ
の本来の性質を失うことになる。特に高強度、高耐食性
の焼結体を得るには1400〜1700℃の非酸化性雰囲気下で
焼成することが好ましい。非酸化性雰囲気としては、H
e,Ar,N2等の不活性雰囲気かまたは真空中である。酸化
性雰囲気で焼成すると耐食性、熱衝撃性が著しく低下す
るばかでなく焼結体にクラックが発生する。焼成装置と
しては、タンマン炉、抵抗加熱炉、高周波炉等が用いら
れる。
<実施例> 以下本発明を実施例並びに比較例をもってさらに具体
的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものでは
ない。
実施例1 市販のBN粉末(六方晶、純度99.0%、比表面積6m2/
g)30重量部にAlN粉末(純度99%、比表面積4m2/g)15
重量部、TiB3粉末(純度99%、比表面積2m2/g)55重量
部、Al粉末(−250メッシュ、純度99%、比表面積0.5m2
/g)4重量部を添加した後振動ボールミルにて混合し成
形用混合粉末を得た。
この混合粉末を5ton/cm2の圧力で冷間等方圧成形し
た。得られた予備成形体を前記BN粉末の入った黒鉛容器
中に埋め込み高周波炉にて1700℃、60分間、N2雰囲気下
で焼成した。得られた焼結体の気孔率、曲げ強さ、ショ
アー硬度、耐食性の測定結果を表に示す。
実施例2 導電性物質としてTiB2の替りにZrB2粉末(純度99%、
比表面積3m2/g)を用いたこと以外は実施例1と同様の
方法にて実施した。
実施例3 成形圧力を7ton/cm2及び焼成温度を1600℃としたこと
以外は実施例1と同様の方法にて実施した。
実施例4 硼酸とメラミンとを1:1の重量比率で混合し、それを
アンモニアガス気流にて1200℃、4時間、加熱処理して
BN純度90%、比表面積50m2/gのBN粉末を得た。この粉末
をX線回接した結果、非晶質BNであることが判った。こ
の粉末20重量部にAlN30重量部、TiB250重量部、Al2重量
部を添加した後ボールミルにて混合し成形用混合粉末を
得た。この混合粉末を用い成形圧力を7ton/cm2及び焼成
温度を1600℃としたこと以外は実施例1と同様の方法に
て実施した。
実施例5 実施例1で用いたBN粉末をアトライターで比表面積が
50m2/gになるまでN2雰囲気下にて粉砕しBN微粉末を得
た。比表面積はBET法にて測定した。この粉末20重量部
にAlN20重量部、TiB230重量部、ZrB230重量部、Al3重量
部を添加した後ボールミルにて混合し成形用混合粉末を
得た。この混合粉末を用いたこと以外は実施例1と同様
の方法にて実施した。
実施例6 実施例5で得たBN微粉末30重量部にAlN25重量部、TiB
245重量部、Al5重量部を添加した後ボールミルにて混合
し成形用混合粉末を得た。この混合粉末を用い、焼成温
度を1400℃としたこと以外は実施例1と同様の方法にて
実施した。
実施例7 実施例1で用いたBN40重量部にAlN15重量部、ZrB245
重量部、Al7重量部添加した後アトライターで比表面積
が60m2/gになるまでAr雰囲気下にて粉砕し成形用混合粉
末を得た。この混合粉末を用いたこと以外は実施例1と
同様の方法にて実施した。
実施例8 実施例7で得た成形用混合粉末を用い、成形圧力を7t
on/cm2及び焼成温度を1600℃としたこと以外は実施例1
と同様の方法にて実施した。
実施例9〜11 実施例5で用いたBN微粉末、AlN粉末、TiB2粉末及びA
l粉末を表に示す割合で各種配合した後ボールミルにて
混合し成形用混合粉末を得た。これらの混合粉末を用い
たこと以外は実施例1と同様の方法にて実施した。
比較例1〜7 実施例1で用いたBT粉末、AlN粉末、TiB2粉末及びAl
粉末を表に示す割合で配合した後振動ボールミルにて混
合し成形用混合粉末を得た。これらの混合粉末を用いた
こと以外は実施例1と同様の方法にて実施した。
比較例8 実施例1で得た成形用混合粉末を用い、成形方法を2t
on/cm2の金型成形としたこと以外は実施例1と同様の方
法によって実施した。
比較例9 実施例5で得た成形用混合粉末を用い、成形圧力を2t
on/cm2としたここ以外は実施例1と同様の方法にて実施
した。
比較例10〜11 焼成温度を1000℃(比較例10)又は2200℃(比較例1
1)としたこと以外は実施例1と同様の方法にて実施し
た。
尚、表に記載した各物性の測定は、次の方法によっ
た。
(1) 気孔率…JIS R2205に準拠した。
(2) 常温曲げ強さ…JIS R1601に準拠した。
(3) ショアー硬度…JIS R2246に準拠した。
(4) ボート寿命…得られた焼結体より長さ100mm、
幅4mm、厚さ4mmの角材に加工し、この棒にボート状の窪
みを掘り(長さ30mm、幅5mm、深さ3mm)、通常真空蒸着
に使用されているタングステンボートと同様に両端を電
極にクランプし、直接電流を通じてこのボート状容器を
約1500℃に急加熱しAl線0.6gを蒸発させたのち室温まで
急冷した。このテストを繰り返し、反り、割れを生じ、
電流が流れなくなるまでのAl線の蒸発回数をボート寿命
とし、耐食性及び耐衝撃性の指標とした。
<発明の効果> 本発明の方法によれば、従来のホットプレス法で実現
できなかった大型形状品、複雑形状品を安価に効率良く
製造でき、しかも、ホットプレス品と同等以上の溶融金
属に対する優れた耐食性、耐摩耗性、耐熱衝撃性を有す
る高温耐食性焼結材料を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
図面は、本発明で用いるTiB2及び/又はZrB2、BN並びに
AlNからなる微粉末の配合組成(重量%)の範囲を表わ
した三角図である。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】2ホウ化チタン及び/又は2ホウ化ジルコ
    ニウム、窒化硼素並びに窒化アルミニウムが重量%で図
    面の三角図に示すA点(40,20,40)、B点(50,10,4
    0)、C点(70,10,20)、D点(70,20,10)、E点(40,
    50,10)で囲まれた範囲の割合の微粉末100重量部にアル
    ミニウム微粉末1〜7重量部を添加混合し、次いでこの
    混合粉末を5ton/cm2以上の圧力にて成形した後、非酸化
    性雰囲気下、温度1100〜2100℃で常圧焼結することを特
    徴とする曲げ強さ530kg/cm2以上、ショア硬度41以上の
    高温耐食性焼結材料の製造方法。
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