JP5079557B2 - Ｂ４ｃ焼結体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、常圧で焼結されるＢ_４Ｃ焼結体の製造方法に関する。

Ｂ_４Ｃ焼結体は、高温強度、耐衝撃性、耐摩耗性など物理的特性に優れ、軽量で高硬度であることから、例えば、サンドブラストノズルなどに利用されている。

しかしながら、Ｂ_４Ｃ焼結体は、共有結合性が高く、難焼結性であることから、Ｂ_４Ｃ単独での焼結は困難である。従って、一般的には、Ｂ_４Ｃに様々な種類の焼結助剤を添加して焼結する技術が用いられる（例えば、特許文献１から４など参照）。
特開平７−９７２６４号公報（請求項１など） 特開平８−１２４３４号公報（請求項１など） 特開平１１−１５７９３５号公報（請求項３など） 特開２００３−１３７６５５号公報（請求項７など）

これらの技術によれば、９５％以上の相対密度、高硬度や、高い曲げ強度を得ることができるＢ_４Ｃ焼結体が開示されているものの、これら３つの効果を同時に有するＢ_４Ｃ焼結体を開示しているものではなかった。

そこで、本発明は、９５％以上の高い相対密度、高硬度及び高い曲げ強度も備えるＢ_４Ｃ焼結体を得ることができるＢ_４Ｃ焼結体の製造方法を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、Ｂ_４Ｃ粉末に、Ａｌ_２Ｏ_３粉末を０．５〜２ｗｔ％、ＺｒＢ_２粉末を０．５〜５ｗｔ％添加し、さらにバインダーとして残炭率が４０％以上のフェノール樹脂を１〜１０ｗｔ％加えて混合した混合物を成形して成形体を形成し、該成形体を、常圧下、非酸化雰囲気中または真空中で、２０００℃以上で加熱することにより、前記成形体を焼結することを特徴とする。

このような構成とすることで、高い相対密度と高硬度を備え、高い曲げ強度も備えるＢ_４Ｃ焼結体を製造することができる。

本発明のＢ_４Ｃ焼結体の製造方法によれば、９５％以上の高い相対密度、高硬度を備えると共に、高い曲げ強度も備えることができるＢ_４Ｃ焼結体を得ることができる。

以下、本発明の実施形態に係るＢ_４Ｃ焼結体の製造方法を説明する。

最初に、Ｂ_４Ｃ粉末、Ａｌ_２Ｏ_３粉末及びＺｒＢ_２粉末を、例えば、ボールミルを用いて混合して、混合物を作製する。

Ｂ_４Ｃ粉末は、平均粒径が０．１μｍ以上２μｍ以下の粉末が好適に用いられる。

なお、前記平均粒径が０．１μｍ未満である場合には、粒子が凝集してしまい十分な成形体密度が得られないために十分に緻密化しないという問題がある。また、前記平均粒径が２μｍを超える場合には、十分な相対密度を有するＢ_４Ｃ焼結体を得ることが難しい。

Ａｌ_２Ｏ_３粉末及びＺｒＢ_２粉末は、Ｂ_４Ｃ粉末の焼結助剤として用いられる。

Ａｌ_２Ｏ_３粉末は、平均粒径が０．１μｍ以上３μｍ以下のものが好適に用いられ、これを、０．５〜２ｗｔ％の範囲で、Ｂ_４Ｃ粉末に添加し、混合する。

なお、本願でいう「ｗｔ％」とは、得られる混合物の全重量に対する重量比である。

なお、前記平均粒径が０．１μｍ未満である場合には、Ａｌ_２Ｏ_３粒子が凝集してしまい十分に分散しないという問題がある。また、前記平均粒径が３μｍを超える場合には、十分に助剤としての役割を果たさないという問題がある。

また、Ｂ_４Ｃ粉末に添加するＡｌ_２Ｏ_３粉末が０．５ｗｔ％未満である場合には、Ｂ_４Ｃ焼結体の緻密化が十分には行われず、また、２，０ｗｔ％を超える場合には、焼結時に未反応Ａｌが消失し、気孔が発生、増加するため好ましくない。

ＺｒＢ_２粉末は、平均粒径が０．１μｍ以上３μｍ以下のものが好適に用いられ、これを、０．５〜５ｗｔ％の範囲で、Ｂ_４Ｃ粉末に添加し、混合する。

なお、前記平均粒径が０．１μｍ未満である場合には、粒子が凝集してしまい十分に分散しないという問題がある。また、前記平均粒径が３μｍを超える場合には、十分に助剤としての役割を果たさないという問題がある。

また、Ｂ_４Ｃ粉末に添加する粉末が０．５ｗｔ％未満である場合には、ＺｒＢ_２の添加効果は現れず、また、５．０ｗｔ％を超える場合には、焼結後、余ったＺｒＢ_２がＢ_４Ｃ焼結体の表面、又は、表層に析出してしまうため好ましくない。

なお、Ｂ_４Ｃ粉末、Ａｌ_２Ｏ_３粉末及びＺｒＢ_２粉末を混合する際、バインダーとして、残炭率が４０％以上のフェノール樹脂を１〜１０ｗｔ％加えて混合することが好ましい。このとき、フェノール樹脂を有機溶媒に溶解させて混合することが好ましい。

このように、バインダーとしてフェノール樹脂を用いて混合体に分散させて焼結させると、フェノール樹脂の残留炭素がカーボンブラックとなり、これが焼結助剤として機能するため、より高硬度を有するＢ_４Ｃ焼結体を得ることができる。

なお、前記残炭率が４０％未満である場合には、上記機能が十分でないため好ましくない。

また、前記フェノール樹脂の添加量が１ｗｔ％未満であると、上記機能が十分でなく、１０ｗｔ％を超えると、剰余カーボンにより緻密化が阻害されるという問題がある。

次に、得られた混合物を、一軸プレス又はＣＩＰ成形、もしくは、その両方を用いて、所望の形状（例えば、板状体）を有する成形体を作製する。

なお、得られた混合物を、必要に応じてエバポレーターなどを用いて乾燥させ、前記混合物の乾燥粉末を形成し、その混合物を、一軸プレス又はＣＩＰ成形、もしくは、その両方を用いて、成形体を作製してもよい。

最後に、前記作製した成形体を、常圧下、非酸化雰囲気中または真空中で、２０００℃以上で加熱する。

なお、ここでいう「非酸化雰囲気」とは、酸化燃焼が起こらない雰囲気ガスを差し、例えば、アルゴン、水素、窒素、ヘリウム等を挙げることができる。

なお、前記成形体を加熱する温度が、２０００℃未満である場合には、十分に緻密化されないという問題がある。

なお、前記温度の上限は、２３００℃以下であることが好ましい。前記温度が２３００℃を超える条件は装置構成上、困難という問題がある。

以上の条件にて、前記作製した成形体を加熱することにより、焼結させることで、高い相対密度と高硬度を有し、かつ、高い曲げ強度も備えるＢ_４Ｃ焼結体を得ることができる。

以下、実施例により本発明を具体的に説明する。

（評価用試料の作製）
（実施例１〜６）
以下の方法にて、Ｂ_４Ｃ焼結体を形成した。

先ず、平均粒径が１μｍのＢ_４Ｃ粉末を主体として、平均粒径が１μｍのＡｌ_２Ｏ_３粉末及びＺｒＢ_２粉末を、表１に示すような配合比となるようにそれぞれ秤量し、更に、有機溶媒（エタノール）に溶解させた残炭率が５０％のフェノール樹脂を、重量比で、５ｗｔ％加えて、ボールミルを用いて混合し、エバポレーターを用いて乾燥粉末とした。

次いで、得られた乾燥粉末を、ＣＩＰにより１．５ｔｏｎ／ｃｍ^２で成形し、成形体を形成した。

最後に、得られた成形体を、常圧下、２２００℃、アルゴン雰囲気中で、３時間して保持して、焼結を行い、実施例１〜６、比較例１〜５に係る評価試料（焼結体）を作製した。

得られた複数の試料について、ＪＩＳに記載されている方法により相対密度、曲げ強さ及びヤング率を測定した。また、得られた焼結体（評価試料）にブレードにより切断加工を施し、加工抵抗にて、加工性を評価した。

測定結果を表１に併せて示す。

表1に示すように、実施例１〜６においては、相対密度９５％以上で、曲げ強さ３００ＭＰａ以上、ヤング率４００ＧＰａ以上と良好な特性が得られた。

一方、比較例３においては、相対密度、曲げ強さ及びヤング率は、実施例１〜６と同レベルの特性が確認されたが、Ａｌ_２Ｏ_３が含まれていないため、加工抵抗が大きく、加工性が悪いことが確認された。

更に、比較例４においては、曲げ強さ及びヤング率は、実施例１〜６と同レベルの特性が確認されたが、相対密度が４％ほど劣っており、高い相対密度のＢ_４Ｃ焼結体を得ることはできなかった。

尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。その他要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

Claims (2)

1. Ｂ_４Ｃ粉末に、Ａｌ_２Ｏ_３粉末を０．５〜２ｗｔ％、ＺｒＢ_２粉末を０．５〜５ｗｔ％添加し、さらにバインダーとして残炭率が４０％以上のフェノール樹脂を１〜１０ｗｔ％加えて混合した混合物を成形して成形体を形成し、
   該成形体を、常圧下、非酸化雰囲気中または真空中で、２０００℃以上で加熱することにより、前記成形体を焼結することを特徴とするＢ_４Ｃ焼結体の製造方法。
2. 前記Ａｌ _２ Ｏ _３ 粉末及び前記ＺｒＢ _２ 粉末の平均粒径が０．１μｍ以上３μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のＢ _４ Ｃ焼結体の製造方法。