JP3213903B2 - 炭化タンタル基焼結体及びその製造方法 - Google Patents

炭化タンタル基焼結体及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、炭化タンタルを主成分
として含む炭化タンタル基焼結体に関し、特に超高温用
炉治具,高温装置用部品,加熱用ヒーター,フィラメン
ト等に最適な炭化タンタル基焼結体に関する。
【0002】
【従来の技術】炭化タンタルは、約3400℃〜390
0℃の高融点を有し、強度,靭性及び耐食性に優れてお
り、かつ黄褐色系の有色物質である。そこで、これらの
諸特性値を応用した炭化タンタル焼結体又は炭化タンタ
ル焼結合金が提案されており、その代表的なものとし
て、特開昭50−80303号公報,特開昭47−37
670号公報及び特開昭55−107751号公報があ
る。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】特開昭50−8030
3号公報には、炭化タンタル粉末にポリビニールアルコ
ールを加えた後成形した粉末成形体を不活性雰囲気中、
約1800℃で予備焼結し、次いで0.1〜0.3容積
%のプロパンを含んだアルゴンガス雰囲気中、約300
0℃で焼結して炭化タンタル焼結体を得る方法、及び白
熱電灯用フィラメントとしての炭化タンタル焼結体の製
造方法が記載されている。
【0004】この同公報に記載の炭化タンタル焼結体
は、約3000℃という高温で焼結されていることから
炭化タンタル結晶が粒成長し、強度が低く、破損しやす
いという問題がある。
【0005】また、特開昭47−37670号公報に
は、Ni,Co,Feの1種以上を30%以下と、M
o,Ti,Cr,V,Nb,Ta,W,Zrの1種以上
を5%以下と、残り炭化タンタルからなる腕時計ケース
用の炭化タンタル基焼結合金について記載されており、
特開昭55−107751号公報には、Ni,Mo及び
Crを含み、残り炭化タンタルを主成分とする濃い黄金
色を有する炭化タンタル基焼結合金が記載されている。
【0006】これら両公報に記載の炭化タンタル基焼結
合金は、前述した炭化タンタルの有色性を利用した装飾
部品を目的としているものであり、ヒーターやフィラメ
ント等の高温用材料として用いる場合には、焼結合金中
に含まれている金属又は合金の軟化により実用できない
という問題がある。
【0007】本発明は、上述のような問題点を解決した
もので、具体的には、炭化タンタルの粒成長を、抑制
し、しかも高温での軟化が生じない分散相を存在させ
た、緻密で高強度の炭化タンタル基焼結体及びその製造
方法の提供を目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、フィラメ
ントに用いられている従来の炭化タンタル焼結体は、強
度が低く、所定の形状に加工成形するとき、または実用
のためのセッティングや実用後に破損しやすいという問
題があること、そこでこの問題を解決するための検討を
行っていた所、炭化タンタル焼結体の強度低下は、気孔
と炭化タンタル自体の粒成長に起因していること、これ
を解決するには、特定金属を少量添加し、焼結時に飛散
させれば緻密な焼結体が得られること、及び炭化タンタ
ルの粒成長を抑制する特定物質を焼結体中に存在させる
ことであるという知見を得て、本発明を完成するに至っ
たものである。
【0009】 すなわち、本発明の炭化タンタル基焼結
体は、炭素,黒鉛,または周期律表の4a,5a族金属
のホウ化物,ケイ化物,MoB,WB,W25,CrS
2,MoSi2,WSi2及びこれらの相互固溶体、ホ
ウ素の炭化物,窒化物,もしくはReの中の1種以上の
分散相2〜50体積%と、残り炭化タンタルと不可避不
純物からなる焼結体である。
【0010】本発明の焼結体における分散相は、具体的
には、例えば各種の炭素,黒鉛,TiB2,ZrB2,H
fB2,TaB2,NbB2,VB2,CrB2,MoB,
WB,W25,TiSi2,ZrSi2,HfSi2,V
Si2,NbSi2,TaSi2,CrSi2,MoS
2,WSi2,B4C,BN,Re,(Ti,Mo)S
2,(Ti,W)Si2,(Ti,Mo,W)Si2
挙げることができる。これらの分散相の内、炭素,黒
鉛,TiB2,ZrB2,HfB2,TaB2は、高融点で
あること、炭化タンタルの粒成長抑制効果が高いこと及
び緻密な焼結体が得られやすいことから、特に好まし
い。分散相の含有量が2体積%未満になると、炭化タン
タルの粒成長抑制効果が望めず、かつ緻密な焼結体を得
るのも困難となり、逆に50体積%を超えて多くなると
強度及び靭性の低下が顕著となる。
【0011】本発明の焼結体における炭化タンタルは、
立方晶構造の炭化タンタル,六方晶構造の炭化タンタ
ル、または非化学量論組成,化学量論組成の炭化タンタ
ルであってもよく、もしくはこれらの混在している場合
でもよいが、特に、融点の高い立方晶構造の炭化タンタ
ルを主成分とすることが好ましい。
【0012】本発明の焼結体を作製するには、従来の粉
末冶金法でもって、焼結工程にホットプレス法またはカ
プセルによる熱間静水圧(HIP)法を行っても良好な
焼結体が得られるが、特に次の方法で行うと、複雑形状
品,線形状等の成形性の困難な形状においても寸法精度
が優れ、安価で容易に得ることができるので好ましい。
【0013】すなわち、本発明の炭化タンタル基焼結体
の製造方法は、炭素,黒鉛,または周期律表の4a,5
a,6a族金属のホウ化物,ケイ化物及びこれらの相互
固溶体、ホウ素の炭化物,窒化物、もしくはReの中の
1種以上の分散相形成粉末と炭化タンタルの粉末の合計
が100体積%に対し、Fe,Ni,Co,Cr及びこ
れらを含む合金の中の1種以上の焼結促進用金属を外掛
で0.01〜3.0体積%添加、または混合粉砕媒介物
から混入させて混合粉末とする第1工程と、該混合粉末
を所定形状の粉末成形体にする第2工程と、該粉末成形
体を1Torr以下の真空中で1600℃以上に加熱
し、該焼結促進用金属を飛散させて請求項1記載の焼結
体とする第3工程とからなる方法である。
【0014】本発明の製造方法における第1工程で使用
する出発原料としての分散相形成粉末は、前述した本発
明の焼結体中の分散相または分散相の前駆体物質であれ
ばよく、例えば炭素や黒鉛を選定する場合は、炭素や黒
鉛の前駆体としての樹脂等の有機化合物、炭化ホウ素を
選定する場合は、炭化ホウ素の前駆体としての金属ホウ
素と、黒鉛や炭素との組合わせである。この分散相形成
粉末は、分散性をよくするためにサブミクロンの微粉末
を用いることが好ましい。
【0015】また、第1工程で使用する出発原料として
の炭化タンタル粉末は、立方晶炭化タンタルまたは六方
晶炭化タンタルに黒鉛や炭素を加えて第3工程の加熱時
に反応焼結を行わせて立方晶炭化タンタルとすることも
好ましい。
【0016】分散相形成粉末と炭化タンタル粉末の出発
原料に、焼結促進用金属を添加する場合、焼結促進用金
属の粉末を添加することも勿論好ましいが、出発原料の
混合時に、混合粉砕するために用いる、例えばボールミ
ルの混合容器やボールミル用ボール等の混合粉砕媒介
物、具体的には、ステンレス製混合容器や超硬合金で内
張した混合容器の内壁から混入する焼結促進用金属及び
超硬合金製ボール等のボールの表面から混入する焼結促
進用金属であってもよい。この焼結促進用金属は、最終
的には、飛散させて焼結体中に残存させないようにする
ことが好ましく、特にフィラメントやヒーターのように
高温用の用途には、特に焼結促進用金属の残存量が0.
5体積%以下と少ないことが好ましい。焼結促進用金属
が外掛で0.01体積%未満になると、焼結の促進効果
及び緻密な焼結体にする効果が著しく弱く、逆に3体積
%を超えて多くなると、炭化タンタルの粒成長が顕著に
なること、飛散時に粗大な巣孔が生じ強度の低下が顕著
になる。焼結促進用金属の含有量は、外掛で0.1〜
0.5体積%が特に好ましい。
【0017】本発明の製造方法における第2工程は、従
来の粉末冶金における粉末成形体の作製方法、具体的に
は、例えば押出し成形法,遠心成形法,鋳込成形法,射
出成形法,によって行うことができる。
【0018】また、本発明の製造方法における第3工程
での真空度は、10-2Torr以下、温度は1800〜
2000℃で行うと、焼結促進用金属が飛散しやすく、
かつ炭化タンタルの粗大化も抑制されやすくて、特に好
ましいことである。
【0019】
【作用】本発明の焼結体は、分散相が炭化タンタルの粒
成長抑制作用をし、分散相と炭化タンタルの両方でもっ
て焼結体の緻密化、強度向上及び靭性の向上作用をし、
炭化タンタルが高温における耐熱性の向上作用をしてい
るものである。
【0020】また、本発明の製造方法は、焼結促進用金
属が焼結の促進作用と緻密化を高める作用をし、焼結後
には、焼結促進用金属が飛散されて、焼結体の高温での
強度低下及び耐熱性の低下の防止作用となっている。
【0021】
【実施例】平均粒径1.0μmのTaC粉末、平均粒径
1〜2μm内の黒鉛,TiB2,ZrB2,B4C,W
B,BN,Re、Niの粉末及び平均粒径2〜5μm内
のHfB2,TaSi2の粉末を用いて表1に示す組成成
分に配合し、本発明品1〜9及び比較品1〜4は、ステ
ンレス製ポットにステンレス製ボールの混合粉砕媒介物
を用いて、本発明品10,11は、ステンレス製ポット
に超硬合金製ボールの混合粉砕媒介物を用いて、それぞ
れ2時間、遊星ボールミルによる混合粉砕を行い、混合
粉末を得た。
【0022】こうして得た混合粉末を金型に充填し、1
ton/cm2 で加圧し、粉末成形体を得た。この粉末
成形体をカーボンヒーターでなる真空焼結炉に装入し、
約10-2Torrの真空中で2000℃、1時間保持の
条件で焼結し、本発明品1〜11及び比較品1〜4の各
焼結体を得た。
【0023】各焼結体をJIS規格の抗折力試験片
(3.0×4.0×35mm)に切断及び研削加工し、
抗折強度を測定した後、ダイヤモンドベーストでラップ
仕上げした表面を組織観察及びビッカース硬さ(1kg
f荷重)測定し、その結果を表1に併記した。また、X
線回折により各焼結体の組成成分を調べた所、ほぼ配合
組成成分からなっていることが確認された。
【0024】尚、混合粉砕後の混合粉末中に混入してい
る焼結促進用金属を測定した所、ステンレス製ボールを
使用した場合は、約0.3体積%のステンレス(Fe−
18Cr−8Ni)が混入し、超硬合金製ボールを使用
した場合は、約0.1体積%のステンレス(Fe−18
Cr−8Ni)と約2体積%の超硬合金(WC−10%
Co)が混入していた。
【0025】
【表1】
【0026】
【発明の効果】本発明の炭化タンタル基焼結体は、従来
の炭化タンタル100%からなる焼結体及びNi含有の
炭化タンタル焼結合金に比べて、微粒で緻密な焼結体で
あること、強度においては、前者に比べて約35〜12
6%も向上し、後者に比べて、3〜5倍も向上するとい
う顕著な効果がある。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 炭素,黒鉛,または周期律表の4a,5
    a族金属のホウ化物,ケイ化物,MoB,WB,W
    25,CrSi2,MoSi2,WSi2及びこれらの相
    互固溶体、ホウ素の炭化物,窒化物,もしくはReの中
    の1種以上の分散相2〜50体積%と、残り炭化タンタ
    ルと不可避不純物からなることを特徴とする炭化タンタ
    ル基焼結体。
  2. 【請求項2】 炭素,黒鉛,または周期律表の4a,5
    a族金属のホウ化物,ケイ化物,MoB,WB,W
    25,CrSi2,MoSi2,WSi2及びこれらの相
    互固溶体、ホウ素の炭化物,窒化物,もしくはReの中
    の1種以上の分散相形成粉末2〜50体積%と残り炭化
    タンタルの粉末の合計が100体積%に対し、Fe,N
    i,Co,Cr及びこれらを含む合金の中の1種以上の
    焼結促進用金属を外掛けで0.01〜3.0体積%添
    加、または混合粉砕媒介物から混入させて混合粉末とす
    る第1工程と、該混合粉末を所定形状の粉末成形体にす
    る第2工程と、該粉末成形体を1Torr以下の真空中
    で1800℃以上に加熱し、該焼結促進用金属を飛散さ
    せて請求項1に記載の焼結体とする第3工程とからなる
    ことを特徴とする炭化タンタル基焼結体の製造方法。
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