JP6901014B2 - セラミック粉末の製造方法及び窒化ホウ素焼結体の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明の実施形態(以下、「本実施形態」ともいう)のセラミック粉末は、金属元素の窒化物及び炭窒化物の少なくとも一方を主成分として含み、前記金属元素は、第4族元素、第5族元素及び第6族元素からなる群より選択される1種以上の元素である。本実施形態の窒化物及び炭窒化物は、これを構成する金属元素が1種である場合に限定されることはなく、2種以上の金属元素を含む固溶体であってもよい。2種以上の金属元素を含む場合、少なくとも1種の金属元素が第4族元素、第5族元素及び第6族元素からなる群より選択される元素であればよい。また、金属元素の炭窒化物とは、炭素と窒素とを構成元素として含むものであれば炭素と窒素の組成比は1:1に限定されることない。例えば、炭素と窒素の組成比が1:0.01〜0.01:1であってもよい。セラミック粉末の平均粒径は5μm以下であり、セラミック粉末の酸素の含有量が0.3質量%以下である。セラミック粉末の平均粒径が5μm以下であり、かつセラミック粉末の酸素の含有量が0.3質量%以下であることにより、硬質材料の原料として用いた場合に、高い強度の焼結体を製造することができる。
本実施形態のセラミック粉末の製造方法を例示する。第1の製造方法としてガス精製装置によって酸素含有量を低減させたガス中で原料セラミック粉末の加熱処理をし、所望の酸素含有量とする方法(以下、「精製ガス中加熱方法」ともいう)、第2の製造方法として酸素分圧制御装置にて低酸素分圧下で原料セラミック粉末を加熱還元することにより所望の酸素含有量とする方法(以下、「低酸素分圧下加熱方法」ともいう)、第3の製造方法として熱プラズマ処理で原料セラミック粉末を還元することにより所望の酸素含有量とする方法(以下、「熱プラズマ方法」ともいう)について説明する。
本製造方法においては、原料として平均粒径5μm以下の原料セラミック粉末を用意する。原料セラミック粉末は、第4族元素、第5族元素、または第6族元素の金属元素を含む窒化物及び炭窒化物の少なくとも一方を主成分として含む粉末である。このような原料セラミック粉末として、例えば、市販の窒化物粉末、市販の炭窒化物粉末、またはこれらの混合物を用いることができる。市販の窒化物粉末の酸素含有量は、通常0.3質量%を超え、炭素含有量は、通常0.5〜2質量%である。市販の炭窒化物粉末の酸素含有量は、通常0.3質量%を超える。
本製造方法においては、原料として平均粒径5μm以下の原料セラミック粉末を用意する。原料セラミック粉末は、第4族元素、第5族元素、または第6族元素の金属元素を含む窒化物及び炭窒化物の少なくとも一方を主成分として含む粉末である。このような原料セラミック粉末として、例えば、市販の窒化物粉末、市販の炭窒化物粉末、またはこれらの混合物を用いることができる。市販の窒化物粉末の酸素含有量は、通常0.3質量%を超え、炭素含有量は、通常0.5〜2質量%である。市販の炭窒化物粉末の酸素含有量は、通常0.3質量%を超える。
本製造方法においては、原料として平均粒径5μm以下の原料セラミック粉末を用意する。原料セラミック粉末は、第4族元素、第5族元素、または第6族元素の金属元素を含む窒化物及び炭窒化物の少なくとも一方を主成分として含む粉末である。このような原料セラミック粉末として、例えば、市販の窒化物粉末、市販の炭窒化物粉末、またはこれらの混合物を用いることができる。市販の窒化物粉末の酸素含有量は、通常0.3質量%を超え、炭素含有量は、通常0.5〜2質量%である。市販の炭窒化物粉末の酸素含有量は、通常0.3質量%を超える。
本実施形態の窒化ホウ素焼結体は、立方晶窒化ホウ素粉末と、上記したセラミック粉末とを含む複合粉末を焼結して形成されたものである。上記したセラミック粉末は、結合材として用いられる。セラミック粉末は、窒化チタン粉末、炭窒化チタン粉末、又は窒化チタン及び炭窒化チタンを含む粉末であることが好ましい。本実施形態の窒化ホウ素焼結体は、切削工具等に好適に用いられる。本実施形態で用いられる立方晶窒化ホウ素粉末は、公知の方法により得られたものを用いることが好ましく、その平均粒径は、例えば1〜5μmである。複合粉末の焼結温度は、例えば1200℃以上とすることができる。複合粉末の焼結時間は、例えば5分間〜30分間とすることができる。複合粉末の焼結時の圧力は、例えば5〜10GPaとすることができる。
上記した第1の製造方法(精製ガス中加熱方法)により窒化チタン粉末を作製した。具体的には、原料として市販の窒化チタン粉末を準備した。かかる窒化チタン粉末をタングステンヒータを備える雰囲気炉に入れ、ガス精製装置(装置名:Puremate1100、大陽日酸株式会社製)を通して精製したN2ガスを3l/分で流しながら、温度1500〜2000℃の範囲で温度調整し12時間の加熱処理を行ない、実施例1の窒化チタン粉末(試料1−1〜1−6)を得た。試料1−1〜1−6の製造時の加熱処理温度は、表1に示す通りとした。
上記した第2の製造方法(低酸素分圧下加熱方法)により窒化チタン粉末を作製した。具体的には、原料として実施例1で用いた原料と同様の市販の窒化チタン粉末を準備した。かかる窒化チタン粉末を、酸素分圧制御装置(装置名:SiOC−200C、エスティー・ラボ株式会社製)を接続した、タングステンヒータを有する雰囲気炉に入れ、酸素分圧が1×10−29atm以下の窒素雰囲気下で、温度1500〜2000℃の範囲で温度調整し12時間加熱処理を行ない、実施例2の窒化チタン粉末(試料2−1〜2−6)を得た。試料2−1〜2−6の製造時の加熱処理温度は、表1に示す通りとした。
上記した第3の製造方法(熱プラズマ方法)により窒化チタン粉末を作製した。具体的には、原料として実施例1で用いた原料と同様の市販の窒化チタン粉末を準備した。熱プラズマ発生装置(装置名:TPシリーズ、日本電子株式会社製)のチャンバー内を圧力30kPaの真空に調整し、プラズマガスとしてArガスを40l/分、H2ガスを10l/分で流しながら、RFコイルに4MHz、25〜35kWの範囲の高周波電力を印加して熱プラズマを発生させたところに、キャリアガスのArガスを5l/分で供給するとともに、原料の窒化チタン粉末を1g/分で供給し熱プラズマ処理を施し、実施例3の窒化チタン粉末(試料3−1〜3−3)を得た。試料3−1〜3−3の製造時の高周波電力は、表1に示す通りとした。
原料粉末として、表2に示す窒化物材料又は炭窒化物材料からなる市販品の粉末を準備した。全ての粉末について、ボールミルによって粉砕し粒度を調整したものを原料粉末として用いた。原料粉末について、表2に示す製造方法(第1〜第3の製造方法のいずれか)により実施例4の窒化物粉末(試料4−1〜4−8)及び炭窒化物粉末(試料4−9〜4−11)を作製した。具体的な製造方法は、同じ製造方法が採用されている上記各実施例1〜3で説明した製造方法と同様である。
高純度チタン粉末にカーボンブラック0.3質量%を加えて混合したものを、タングステンヒーターを備える雰囲気炉で、窒素雰囲気中1800℃で加熱処理を行い、窒化チタンを得た。これをボールミルによって粉砕し粒度を調整したものを原料粉末として用い、表2に示す製造方法(第2または第3の製造方法)により実施例5の窒化物粉末(試料5−1〜5−9)を作製した。具体的な製造方法は、同じ製造方法が採用されている上記各実施例2,3で説明した製造方法と同様である。
高純度チタン粉末にカーボンブラック0.1質量%を加えることを除いては、表2に示す製造方法により、実施例5と同様にして、実施例6の窒化物粉末(試料6−1〜6−9)を作製した。
実施例1とは、原料の窒化チタン粉末について、気流式分級機を用いて微粒をカットし、1μm以下の粒子の割合を全体の10質量%未満に低減する処理を施した後に、加熱処理を施した点のみが異なる。このようにして、実施例7の窒化チタン粉末(試料7−1〜7−6)を得た。試料7−1〜7−6の製造時の加熱処理温度は、表3に示す通りとした。
実施例2とは、原料の窒化チタン粉末について、気流式分級機を用いて微粒をカットし、1μm以下の粒子の割合を全体の10質量%未満に低減する処理を施した後に、加熱処理を施した点のみが異なる。このようにして、実施例8の窒化チタン粉末(試料8−1〜8−6)を得た。試料8−1〜8−6の製造時の加熱処理温度は、表3に示す通りとした。
実施例3とは、原料の窒化チタン粉末について、気流式分級機を用いて微粒をカットし、1μm以下の粒子の割合を全体の10質量%未満に低減する処理を施した後に、熱プラズマ処理を施した点のみが異なる。このようにして、実施例9の窒化チタン粉末(試料9−1〜9−3)を得た。試料9−1〜9−3の製造時の高周波電力は、表3に示す通りとした。
原料として実施例1で用いた原料と同様の市販の窒化チタン粉末を準備した。かかる窒化チタン粉末97質量%と、カーボンブラック3質量%を加えてボールミルに装入し、アセトン添加による湿式混合を24時間行なった。混合物は、乾燥後加圧成形し、N2ガスを流しながら昇温加熱して、表3に示すように1900℃において2時間保持した後、粉砕して窒化チタン粉末(比較試料1)を得た。比較例1での製造方法を炭素還元方法ともいう。
各実施例および比較例1の窒化物粉末について、上記還元処理前後の平均粒径を、レーザ回折式粒度分布測定装置により測定した。また、窒化物粉末及び炭窒化物粉末について、上記還元処理前後の酸素の含有量を酸素分析装置(HORIBA製のEMGA−650W)により測定し、上記還元処理前後の炭素の含有量を炭素分析装置(レコ社製のCS−200)により測定した。さらに、実施例1〜3,5〜9の窒化チタン粉末について、上記還元処理後の1μm未満の粒子の割合を、レーザ回折式粒度分布測定装置により求められた粒度分布より算出した。測定結果を表1〜表3に示す。
超硬合金製ポットおよびボールを用いて、表4に示す各試料のセラミック粉末とAl粉末を80:20の質量比で混合した。この粉末を真空中で1200℃、30分間熱処理をし、得られた化合物を粉砕し、結合材粉末を得た。次にこの結合材粉末と平均粒径1.5μmの立方晶窒化ホウ素粉末とを表4に示す配合比で混合して複合粉末を得て、かかる複合粉末を真空炉で900℃、20分間保持し、脱ガスした。さらに、この複合粉末を圧力5GPa、温度1300℃で20分間焼結して、実施例10の窒化ホウ素焼結体の試料10−1〜10−16と、比較例2の比較試料2を得た。
切削速度V=200m/分、
送りf=0.1mm/rev.、
切り込みd=0.2mm、
乾式切削。
実施例10と同様にして、表5に示す各試料のセラミック粉末を用いて試料11−1〜11−9の工具を作製した。次に、セラミックス粉末中の炭素の含有量の効果を明確にするため、下記の条件にて高速強断続切削するという切削試験を実施し、欠損が0.1mm以上となるまでの工具寿命(断続切削寿命)を求めた。その結果を表5に示す。
被削材:浸炭焼入鋼SCM415H、HRC62
(直径100mm×長さ300mm、被削材の軸方向に5本のV溝あり)
切削速度V=150m/分、
送りf=0.12mm/rev.、
切込みd=0.5mm、
乾式切削。
実施例2,3で作製した窒化チタン粉末(試料2−6及び試料3−3)を、電気炉にて大気中600℃、1時間の熱処理を行った。処理後の粉末は、還元処理前後の、平均粒径、酸素の含有量、炭素の含有量を、上記した測定方法と同様の方法により測定した。測定結果を表6に示す。
Claims (8)
- セラミック粉末の製造方法であって、
原料セラミック粉末を、N 2 ガスを流した雰囲気中で加熱する工程、酸素分圧が1×10 −29 atm以下の窒素雰囲気下で加熱する工程又はプラズマガスとしてArガス及びH 2 ガスを使用して熱プラズマ処理する工程を含み、
前記原料セラミック粉末は、第4族元素、第5族元素及び第6族元素からなる群より選択される1種以上の金属元素を含む窒化物及び炭窒化物の少なくとも一方を主成分として含み、
前記原料セラミック粉末は、平均粒径が5μm以下であり、
前記セラミック粉末は、酸素の含有量が0.3質量%以下である製造方法。 - 前記セラミック粉末は、金属元素の窒化物及び炭窒化物の少なくとも一方を主成分として含み、
前記金属元素は、第4族元素、第5族元素及び第6族元素からなる群より選択される1種以上の元素であり、
平均粒径は5μm以下である、請求項1に記載の製造方法。 - 前記セラミック粉末は、酸素の含有量が0.1質量%以下である、請求項2に記載の製造方法。
- 前記セラミック粉末は、炭素の含有量が0.3質量%以下である、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の製造方法。
- 前記セラミック粉末は、炭素の含有量が0.1質量%以下である、請求項4に記載の製造方法。
- 前記セラミック粉末は、前記金属元素がチタンである、請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の製造方法。
- 前記セラミック粉末は、粒径が1μm以下である粒子の割合が10質量%未満である、請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の製造方法。
- 請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の製造方法によりセラミック粉末を製造する工程と、
立方晶窒化ホウ素と前記セラミック粉末とを含む複合粉末を焼結する工程と、を含む窒化ホウ素焼結体の製造方法。
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