JP5028244B2 - 炭化硼素−二ホウ化チタン焼結体の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、炭化ホウ素−二ホウ化チタン焼結体及びその製造方法に関する。
一般に炭化ホウ素焼結体は、軽量で高い硬度を有し、耐摩耗性や耐食性に優れた材料として、その幅広い用途が期待されている物であり、例えば、サンドブラストノズル、引き出しダイス、押し出しダイス等に使用されている。しかしながら、この炭化ホウ素は、強度が低く、加工が困難である欠点を有している。
特許文献１では、炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）粉末と二酸化チタン（ＴｉＯ２）粉末と炭素（Ｃ）粉末との混合物をホットプレス法を用いた加圧条件下で、炭化ホウ素−二ホウ化チタン焼結体を製作し高強度品を得ている。しかし、抵抗率が高く、放電加工性が不十分であり、加工性に劣るものであった。放電加工は、電極と被加工物との間に短い周期で繰り返されるア−ク放電により被加工物の一部を除去する機械加工の方法であり、従来の機械加工技術では加工出来なかったきわめて硬い材料に適用可能である。しかしながら、放電加工は、被加工物が電気を通す材質である必要がある。放電加工の方法として、形彫り放電加工とワイヤ−放電加工の二つの方法がある。形彫り放電加工は、被加工物に形成したい形状に対応する形に作られた電極を被加工物に近づけ、ア−ク放電により電極と同様の形状を加工する。ワイヤ−放電加工は、黄銅、銅、タングステン、モリブデン等の細いワイヤ−を電極とし、巻き取りながら二次元的に送りを行い、糸鋸式に輪郭のくり抜き加工等に使用される。
特開２００３−１３７６５６号公報
特許文献１では、炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）粉末と二酸化チタン（ＴｉＯ２）粉末と炭素（Ｃ）粉末との混合物をホットプレス法を用いた加圧条件下で、炭化ホウ素−二ホウ化チタン焼結体を製作し高強度品を得ている。しかし、抵抗率が高く、放電加工性が不十分であり、加工性に劣るものであった。放電加工は、電極と被加工物との間に短い周期で繰り返されるア−ク放電により被加工物の一部を除去する機械加工の方法であり、従来の機械加工技術では加工出来なかったきわめて硬い材料に適用可能である。しかしながら、放電加工は、被加工物が電気を通す材質である必要がある。放電加工の方法として、形彫り放電加工とワイヤ−放電加工の二つの方法がある。形彫り放電加工は、被加工物に形成したい形状に対応する形に作られた電極を被加工物に近づけ、ア−ク放電により電極と同様の形状を加工する。ワイヤ−放電加工は、黄銅、銅、タングステン、モリブデン等の細いワイヤ−を電極とし、巻き取りながら二次元的に送りを行い、糸鋸式に輪郭のくり抜き加工等に使用される。
本発明は、曲げ強さが高く、かつ放電加工が可能な炭化ホウ素−二ホウ化チタン焼結体を提供するものである。
本発明は、上記課題を解決するために、以下の手段を採用する。
（１）平均粒径１．３μｍ〜２．５μｍの炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）粉末、平均粒径１μｍ未満の二酸化チタン（ＴｉＯ２）粉末及び平均粒径１μｍ未満の炭素（Ｃ）粉末の混合粉末を１８５０℃〜２０５０℃の温度で２０ＭＰａ〜６０ＭＰａの加圧条件下で焼結して得られる炭化ホウ素９０〜７０ｍｏｌ％と二ホウ化チタン１０〜３０ｍｏｌ％とからなり、抵抗率が０．１Ω・ｃｍ以下であることを特徴とする炭化ホウ素−二ホウ化チタン焼結体の製造方法。
（２）３点曲げ強さが６５０ＭＰａ以上、弾性率が４５０ＧＰａ以上である前記（１）に記載の二ホウ化チタン焼結体の製造方法。
（１）平均粒径１．３μｍ〜２．５μｍの炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）粉末、平均粒径１μｍ未満の二酸化チタン（ＴｉＯ２）粉末及び平均粒径１μｍ未満の炭素（Ｃ）粉末の混合粉末を１８５０℃〜２０５０℃の温度で２０ＭＰａ〜６０ＭＰａの加圧条件下で焼結して得られる炭化ホウ素９０〜７０ｍｏｌ％と二ホウ化チタン１０〜３０ｍｏｌ％とからなり、抵抗率が０．１Ω・ｃｍ以下であることを特徴とする炭化ホウ素−二ホウ化チタン焼結体の製造方法。
（２）３点曲げ強さが６５０ＭＰａ以上、弾性率が４５０ＧＰａ以上である前記（１）に記載の二ホウ化チタン焼結体の製造方法。
本発明の炭化ホウ素−二ホウ化チタン焼結体は、曲げ強さが高く、かつ放電加工が可能であり、摺動部材、切削工具、防弾板や新しい耐摩耗材、型材等幅広い用途に使用可能である。
以下、本発明を更に詳しく説明する。
特定の原料を、特定の組成で、かつ特定の焼結条件でＢ４Ｃ＋２ＴｉＯ２＋３Ｃ → ２ＴｉＢ２＋４ＣＯの反応を利用しながら焼結処理することにより、目的とする高い強度と放電加工が可能な抵抗率を有する炭化ホウ素−二ホウ化チタン焼結体を得ることが可能となる。即ち、平均粒径１．０μｍ〜２．５μｍの炭化ホウ素粉末、平均粒径１μｍ未満の二酸化チタン粉末及び平均粒径１μｍ未満の炭素粉末を反応焼結後、炭化ホウ素９０〜７０ｍｏｌ％と二ホウ化チタン１０〜３０ｍｏｌ％となる様に混合し、ホットプレス法にて加圧条件下で反応させながら焼結することにより、３点曲げ強さが６５０ＭＰａ以上、弾性率が４５０ＧＰａ以上、かつ抵抗率０．１Ω・ｃｍ以下である炭化ホウ素−二ホウ化チタン焼結体を得ることができた。本発明の炭化ホウ素−二ホウ化チタン焼結体は、放電加工が可能であり、従来適用できなかった幅広い用途への適用が可能となる。
特定の原料を、特定の組成で、かつ特定の焼結条件でＢ４Ｃ＋２ＴｉＯ２＋３Ｃ → ２ＴｉＢ２＋４ＣＯの反応を利用しながら焼結処理することにより、目的とする高い強度と放電加工が可能な抵抗率を有する炭化ホウ素−二ホウ化チタン焼結体を得ることが可能となる。即ち、平均粒径１．０μｍ〜２．５μｍの炭化ホウ素粉末、平均粒径１μｍ未満の二酸化チタン粉末及び平均粒径１μｍ未満の炭素粉末を反応焼結後、炭化ホウ素９０〜７０ｍｏｌ％と二ホウ化チタン１０〜３０ｍｏｌ％となる様に混合し、ホットプレス法にて加圧条件下で反応させながら焼結することにより、３点曲げ強さが６５０ＭＰａ以上、弾性率が４５０ＧＰａ以上、かつ抵抗率０．１Ω・ｃｍ以下である炭化ホウ素−二ホウ化チタン焼結体を得ることができた。本発明の炭化ホウ素−二ホウ化チタン焼結体は、放電加工が可能であり、従来適用できなかった幅広い用途への適用が可能となる。
本発明で用いる平均粒径（Ｄ５０）は、レ−ザ−回折散乱分析計（マイクロトラック）の測定値を示す。
本発明で用いる炭化ホウ素粉末は、平均粒径が１．０μｍ〜２．５μｍである。好ましくは、１．１〜２．０μｍである。平均粒径が１．０μｍ未満では、焼結体の抵抗率が０．１Ω・ｃｍ以上となり放電加工が困難となる。平均粒径が２．５μｍを超えた場合には、焼結体の３点曲げ強さが６５０ＭＰａ以下となり、高い３点曲げ強さが得られない。
本発明で用いる炭化ホウ素粉末は、平均粒径が１．０μｍ〜２．５μｍである。好ましくは、１．１〜２．０μｍである。平均粒径が１．０μｍ未満では、焼結体の抵抗率が０．１Ω・ｃｍ以上となり放電加工が困難となる。平均粒径が２．５μｍを超えた場合には、焼結体の３点曲げ強さが６５０ＭＰａ以下となり、高い３点曲げ強さが得られない。
本発明で用いる二酸化チタン粉末は、平均粒径が１μｍ〜０．０１μmを用いる。平均粒径が１μｍ以上では、高い３点曲げ強さが得られない。平均粒径が０．０１μm未満では、製造が難しく高価となる。二酸化チタン粉末には、アナタ−ゼ型、ルチル型、及びブルツカイト型の結晶系が存在するが、いずれも平均粒径が１μｍ〜０．０１μmであれば使用可能である。
本発明で用いる炭素粉末は、平均粒径が１μｍ〜０．０１μmを用いる。平均粒径が１μｍ以上では、高い３点曲げ強さが得られない。平均粒径が０．０１μm未満では、製造が難しく高価となる。平均粒径が小さいカ−ボンブラック又はアセチレンブラックが好ましい。
本発明の炭化ホウ素−二ホウ化チタン焼結体の組成は、炭化ホウ素９０〜７０ｍｏｌ％と二ホウ化チタン１０〜３０ｍｏｌ％である。炭化ホウ素が９０ｍｏｌ％を超えると焼結体の抵抗率が０．１Ω・ｃｍ以上となり放電加工が困難となる。また、焼結体の３点曲げ強さが６５０ＭＰａ以下となり、高い３点曲げ強さが得られない。炭化ホウ素が７０ｍｏｌ％未満では、焼結体の３点曲げ強さが６５０ＭＰａ以下となり、高い３点曲げ強さが得られない。
焼結条件については、１８５０℃〜２０５０℃の温度で２０ＭＰａ〜６０ＭＰａの圧力で加圧しながら焼結させるのが好ましい。焼結温度が１８５０℃未満であると十分に緻密な焼結体が得られず、２０５０℃を超えると、異常な粒成長をして、３点曲げ強さが６５０ＭＰａ以下となり、高い３点曲げ強さが得られない。
焼結時の圧力が２０ＭＰａ未満の場合には、緻密な焼結体が得られにくく、６０ＭＰａを超えた場合には、焼結体とカ−ボンダイスの付着が起きやすくなり、カ−ボンダイスから焼結体を離形させる際に、焼結体にカケ等が発生する恐れがある。
焼結条件については、１８５０℃〜２０５０℃の温度で２０ＭＰａ〜６０ＭＰａの圧力で加圧しながら焼結させるのが好ましい。焼結温度が１８５０℃未満であると十分に緻密な焼結体が得られず、２０５０℃を超えると、異常な粒成長をして、３点曲げ強さが６５０ＭＰａ以下となり、高い３点曲げ強さが得られない。
焼結時の圧力が２０ＭＰａ未満の場合には、緻密な焼結体が得られにくく、６０ＭＰａを超えた場合には、焼結体とカ−ボンダイスの付着が起きやすくなり、カ−ボンダイスから焼結体を離形させる際に、焼結体にカケ等が発生する恐れがある。
以下、実施例をあげて更に具体的に本発明を説明する。
（実施例１〜１２、比較例１〜４）
炭化ホウ素には、表１に示すＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ，Ｆを用いた。二酸化チタンには、平均粒径０．１５μｍ、比表面積１０．１ｍ２／ｇのルチル型を用いた。炭素には、平均粒径０．０３μｍ、比表面積６０ｍ２／ｇのアセチレンブラック用いた。Ｂ４Ｃ＋２ＴｉＯ２＋３Ｃ→２ＴｉＢ２＋４ＣＯの反応を利用し、反応焼結後の二ホウ化チタンが表２に示す割合になる様に、炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）粉末と二酸化チタン粉末と炭素粉末とを配合した。（Ｂ４Ｃ＋２ＴｉＯ２＋３Ｃ → ２ＴｉＢ２＋４ＣＯの反応は全て反応するものとし、反応生成したＴｉＢ２と過剰のＢ４Ｃとから、表２に示す割合になる様に配合した。）炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）粉末と二酸化チタン粉末と炭素粉末の配合品をエタノ−ル溶液を用いて、固形分４３質量％のスラリ−とし、ポリエチレン製の容器に充填し、直径１０mmのＺｒＯ２ボ−ルを用いて、２時間混合した。この混合品を真空乾燥機を用いて、７０℃減圧下で４８時間乾燥した後、開き目０．５ｍｍのふるいに通して、混合品の粉末を調整した。次に、混合品の粉末を黒鉛ダイスに充填し、圧力５ＭＰａを保ちながら、１５００℃まで昇温速度２００℃／ｈで加熱し、１５００℃〜最高温度まで１００℃／ｈの昇温速度で加熱した。表２に示す最高温度に達した後、最高圧力まで上げて２時間保持し、縦１００ｍｍ、横１００ｍｍ、高さ６ｍｍの炭化ホウ素−二ホウ化チタン焼結体を作製した。焼結体の結晶相は、全てＸ線回折法により測定した結果、炭化ホウ素と二ホウ化チタンのみ検出され、未反応の二酸化チタンは、検出されなかった。作製した焼結体は、３点曲げ強さをＪＩＳ Ｒ−１６０１に準じて、弾性率をＪＩＳ Ｒ−１６０２に準じて（超音波法パルス法）、抵抗率をＪＩＳ Ｈ−０６０２に準じて測定した。焼結体の密度をＪＩＳ Ｒ−１６３４に準じて測定した。また、焼結体を縦６０ｍｍ、横６０ｍｍ、高さ５ｍｍに加工し、高さ５ｍｍで長さ６０ｍｍを放電加工し、その加工時間を測定した。評価結果を表２に示す。
なお、放電加工条件を下記に示す。
放電加工機 ソディツク製 ＡＱ３２５Ｌ（ＬＱ３３Ｗ）
ワイヤ−線径 φ０．２ ＣＴＷ−２０ＳＨ チバテクノ製
電圧設定 ５
テ−ブル送り設定 （ＳＦ） ０９０
ワイヤ−テンション設定 １２００ｇ
（実施例１〜１２、比較例１〜４）
炭化ホウ素には、表１に示すＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ，Ｆを用いた。二酸化チタンには、平均粒径０．１５μｍ、比表面積１０．１ｍ２／ｇのルチル型を用いた。炭素には、平均粒径０．０３μｍ、比表面積６０ｍ２／ｇのアセチレンブラック用いた。Ｂ４Ｃ＋２ＴｉＯ２＋３Ｃ→２ＴｉＢ２＋４ＣＯの反応を利用し、反応焼結後の二ホウ化チタンが表２に示す割合になる様に、炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）粉末と二酸化チタン粉末と炭素粉末とを配合した。（Ｂ４Ｃ＋２ＴｉＯ２＋３Ｃ → ２ＴｉＢ２＋４ＣＯの反応は全て反応するものとし、反応生成したＴｉＢ２と過剰のＢ４Ｃとから、表２に示す割合になる様に配合した。）炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）粉末と二酸化チタン粉末と炭素粉末の配合品をエタノ−ル溶液を用いて、固形分４３質量％のスラリ−とし、ポリエチレン製の容器に充填し、直径１０mmのＺｒＯ２ボ−ルを用いて、２時間混合した。この混合品を真空乾燥機を用いて、７０℃減圧下で４８時間乾燥した後、開き目０．５ｍｍのふるいに通して、混合品の粉末を調整した。次に、混合品の粉末を黒鉛ダイスに充填し、圧力５ＭＰａを保ちながら、１５００℃まで昇温速度２００℃／ｈで加熱し、１５００℃〜最高温度まで１００℃／ｈの昇温速度で加熱した。表２に示す最高温度に達した後、最高圧力まで上げて２時間保持し、縦１００ｍｍ、横１００ｍｍ、高さ６ｍｍの炭化ホウ素−二ホウ化チタン焼結体を作製した。焼結体の結晶相は、全てＸ線回折法により測定した結果、炭化ホウ素と二ホウ化チタンのみ検出され、未反応の二酸化チタンは、検出されなかった。作製した焼結体は、３点曲げ強さをＪＩＳ Ｒ−１６０１に準じて、弾性率をＪＩＳ Ｒ−１６０２に準じて（超音波法パルス法）、抵抗率をＪＩＳ Ｈ−０６０２に準じて測定した。焼結体の密度をＪＩＳ Ｒ−１６３４に準じて測定した。また、焼結体を縦６０ｍｍ、横６０ｍｍ、高さ５ｍｍに加工し、高さ５ｍｍで長さ６０ｍｍを放電加工し、その加工時間を測定した。評価結果を表２に示す。
なお、放電加工条件を下記に示す。
放電加工機 ソディツク製 ＡＱ３２５Ｌ（ＬＱ３３Ｗ）
ワイヤ−線径 φ０．２ ＣＴＷ−２０ＳＨ チバテクノ製
電圧設定 ５
テ−ブル送り設定 （ＳＦ） ０９０
ワイヤ−テンション設定 １２００ｇ
本発明の実施例１〜１２により作製した炭化ホウ素−二ホウ化チタン焼結体は、いずれも、抵抗率は０．１Ω・ｃｍ以下であり、放電加工が可能であった。次に、比較例１に示す様に、炭化ホウ素粉末の平均粒径が１μｍ未満の粉末を用いた場合、３点曲げ強さ、弾性率の高い焼結体が得られるが、抵抗率が高くなり、放電加工が困難であった。また、比較例２に示す様に、炭化ホウ素粉末の平均粒径が２．５μｍ以上の粉末を用いた場合、３点曲げ強さ、弾性率の低い焼結体となった。比較例３に示す様に、焼結後の二ホウ化チタンの割合が１０ｍｏｌ％以下である焼結体の抵抗率は０．１Ω・ｃｍ以上となり、放電加工が困難であった。また、焼結体の３点曲げ強さが６５０ＭＰａ以下となり、高い３点曲げ強さが得られない。焼結後の二ホウ化チタンの割合が３０ｍｏｌ％を越えると焼結体の３点曲げ強さが６５０ＭＰａ以下となり、高い３点曲げ強さが得られない。
実施例に示されるように、本発明の炭化ホウ素−二ホウ化チタン焼結体は、曲げ強さが高く、かつ放電加工性に優れている。
Claims (2)
- 平均粒径１．３μｍ〜２．５μｍの炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）粉末、平均粒径１μｍ未満の二酸化チタン（ＴｉＯ２）粉末及び平均粒径１μｍ未満の炭素（Ｃ）粉末の混合粉末を１８５０℃〜２０５０℃の温度で２０ＭＰａ〜６０ＭＰａの加圧条件下で焼結して得られる炭化ホウ素９０〜７０ｍｏｌ％と二ホウ化チタン１０〜３０ｍｏｌ％とからなり、抵抗率が０．１Ω・ｃｍ以下であることを特徴とする炭化ホウ素−二ホウ化チタン焼結体の製造方法。
- ３点曲げ強さが６５０ＭＰａ以上、弾性率が４５０ＧＰａ以上である請求項１に記載の二ホウ化チタン焼結体の製造方法。
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