JPH09100163A - 球状窒化物 - Google Patents

球状窒化物

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JPH09100163A JP7185351A JP18535195A JPH09100163A JP H09100163 A JPH09100163 A JP H09100163A JP 7185351 A JP7185351 A JP 7185351A JP 18535195 A JP18535195 A JP 18535195A JP H09100163 A JPH09100163 A JP H09100163A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】狭い粒子スペクトル及び>2μmの平均粒子サ
イズを有する球状窒化物及び/又は炭窒化物粉末及びそ
の製造方法を提供する。 【解決手段】該粉末は、チタン金属、その酸化物、炭化
物、窒化物及び/又は炭窒化物から選ばれた少なくとも
1種の物質を反応器内に導入し、反応器内に窒素雰囲気
を達成し、反応器内の物質を800℃ないし2400℃
の温度に熱し、ガス状反応生成物が生成されるまで温度
を1400℃ないし2000℃に維持し、物質を窒素又
は窒素発生性ガスと接触させながら、ガス状反応生成物
をそれらが生成するにつれ除去し、反応器を<10mb
arの圧力まで排気し、ついでこれを50ないし100
0mbarの圧力まで窒素又は窒素発生性ガスでフラッ
ディングし、排気及びフラッディングサイクルを数回繰
り返し、反応器内で得られた反応生成物を冷却すること
によって得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する分野】本発明は、場合に応じて周期律表
第IVa、Va及びVIa族に属する金属を含有する窒
化チタンもしくは炭窒化チタンの球状粉末の製造方法、
及びこのタイプの新規粉末に関する。
【0002】
【従来の技術】窒化チタン、炭窒化チタン(titanium c
arbonitride )及び混合炭窒化チタンは、主に、サーメ
ット切削材料、形削り具、及び耐摩耗性部品の製造に使
用されている。サーメットは、セラミックが埋め込まれ
ている金属にそのセラミックが熱結合された材料であ
る。上記窒化物に加えて、多くのサーメットが周期律表
第Va及びVIa族に属する金属の炭化物をも含有して
いる。鋼の機械加工のような特定の用途に最も望ましい
性質は、これら硬質の材料を適切に組み合わせ、硬質材
料の粒子サイズ及び形状を変化させることにより得られ
る。例えば欧州特許第512,967号は、成形及びミ
ル操作(milling )についての優れた性質が、異なる粒
子サイズの硬質炭窒化チタンにより得られることを開示
している。
【0003】窒化チタン、炭窒化チタン及び混合炭窒化
チタンを製造するための種々の方法が知られている。現
在、場合に応じて他の物質を含んでいてもよい炭窒化チ
タンを製造するための主流となっている方法は、他の炭
化物及び/又は金属を含む炭化チタンと炭素及び窒化チ
タンとの反応混合物を約1500℃の温度で窒素雰囲気
中でアニールすることを含む。他の既知の方法において
は、選択された金属粉末を、場合に応じて炭素を添加し
て、窒素と反応させる。E.フリードリッヒ及びL.ス
ティッヒにより1925年に記述された反応において、
炭素を含有する窒化チタンは、酸化チタンを炭素及び窒
素と反応させることにより得られる。0.3〜1重量%
の酸素を含有する生成物を得るためには、2000℃程
度の温度が要求される。この高い反応温度は、生成物同
士を焼結させるので、所望の粒子サイズを得るために、
これを非常に高価な微粉砕段階で粉砕しなければならな
い。いずれにしろ、得られる生成物は、広い粒子スペク
トルと破砕された多角形状の粉末である。
【0004】オーストリア特許第394,188号は、
球状粒子及び狭い粒子スペクトルを有する微粒子窒化も
しくは炭窒化チタン粉末を酸化物に基づいて製造する方
法を記載している。しかしながら、この方法によって
は、球形状と狭い粒子スペクトルを有する粗大粉末を得
ることはできない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明の主たる課題
は、狭い粒子スペクトル及び>2μmの平均粒子サイズ
を有する球状窒化物及び/又は炭窒化物粉末を提供する
ことである。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記課題は、本発明によ
り、チタン金属、該金属の酸化物、炭化物、窒化物及び
炭窒化物からなる群の中から選ばれた少なくとも1種の
物質及び好ましくは炭素含有物質を反応器内に導入し、
該反応器内に窒素雰囲気を達成し、該反応器内の物質を
800℃ないし2400℃の温度に熱し、ガス状反応生
成物が生成されるまで温度を1400℃ないし2000
℃に維持し、該物質を窒素又は窒素発生性ガスと接触さ
せながら、該ガス状反応生成物をそれらが生成するにつ
れ除去し、該反応器を<10mbarの圧力まで排気し
ついでこれを50ないし1000mbarの圧力まで窒
素又は窒素発生性ガスでフラッディング(flooding)
し、該排気及びフラッディングサイクルを数回繰り返
し、該反応器内で得られた反応生成物を冷却する工程を
包含する方法により達成される。場合に応じて、周期律
表第IVa、Va又はVIa族に属する金属又は酸化
物、炭化物、窒化物もしくは炭窒化物を上記チタン含有
物質に添加することができる。
【0007】本明細書を通じて、「狭い粒子スペクト
ル」とは、D10及びD90ポイント間の粒子サイズファク
ターが20以下であることを意味する。例えば、D10
おける粒子サイズが0.5μmであるなら、D90では1
0μmである。D10及びD90は、それぞれ、10%及び
90%の粒子堆積(grain accumulation)での粒子サイ
ズである。この粒子スペクトルは、粗大粒子サイズ範囲
では電子走査顕微鏡画像における画像分析により、微細
粒子サイズ範囲ではセディグラフ(sedigraph )におけ
る沈降分析により決定することができる。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を詳し
く説明する。
【0009】上記反応器内のスクリーン底及びこのスク
リーン底の下又は上の気密封止チャンバーは、スクリー
ン底の上又は下の反応器チャンバーが約1〜40mba
rの圧力下にある間、窒素流が、加熱されながら、反応
器内の混合物と接触することを許容する。反応器内の混
合物中を流れる窒素流、並びに排気及びフラッディング
サイクルは、本方法の成功に決定的なものである。排気
サイクルは、窒素流が供給される圧力と、排気された反
応器チャンバー内の圧力との圧力差により広く変化され
得る。反応中に連続的に変化する反応混合物の比表面に
基づいて、窒素流が毎時0.1ないし5cm3 /m2
割合で、すなわち、反応混合物の1キログラムに基づい
て0.2ないし5好ましくは0.5ないし2リットル/
分の割合で供給されれば成功は確保される。
【0010】使用する反応器のタイプ、及び反応混合物
が薄層、ペレットもしくはブリケット(briquette )の
形態にあるかどうかに依存して、窒素流は混合物の中又
は上を通過させられ得る。いずれにしろ、CO等のよう
なガス状反応生成物は、迅速に除去しなければならな
い。約1800℃の温度で反応が終了に近づいた後、窒
素流を遮断し、反応器を、好ましくは<1mbarの圧
力まで、排気する。これにより、窒化物、炭窒化物又は
混合炭窒化物が結合窒素の一部を失う。次の窒素又は窒
素発生性ガスによるフラッディングにより、明白な加熱
とともに、窒化が再び生じ、反応生成物の温度のかなり
の上昇に至る。排気及びフラッディングサイクルの繰り
返しにより、高価な粉砕段階を必要とする反応生成物の
焼結をさせることなく、粒子が成長し、これにより。生
成物は、さらなる処理に好影響を及ぼす球状粒子からな
り、粉末は、狭い粒子スペクトルと、>2μm、好まし
くは>3μmの平均粒子サイズを有する。この粉末は、
粗大粒子サーメットに、及び微細及びサブミクロンの硬
質材料粉末との混合物に使用するのに非常に適してい
る。
【0011】本発明の方法を実施するに当り、加熱装置
を備えた反応器から酸素を搬出し、反応混合物を反応器
に導入した後、反応器を窒素で数回フラッディングす
る。1mbar未満の真空が達成された後、加熱を開始
する。温度が約800℃ないし1000℃に達すると、
酸化物の還元が始まる。同時に、窒素流を導入し、ガス
状反応生成物を除去する。窒素流下、1500℃ないし
1600℃の温度での実質的な保持時間により、酸化物
の完全な還元及び窒化物への転化が確保される。酸素含
有率を0.5重量%未満まで減少させるために、約18
00℃の温度上昇が必要であり、この温度を約1ないし
2時間維持すべきである。高温のこの維持は、この指摘
した範囲内において異なる温度レベルにおける段階にお
いて行うこともできる。ついで、反応器を<1mbar
の圧力まで排気し、その直後にまたは同温度を10ない
し20分間保った後に、反応器をフラッディングして1
000mbarを超えない、好ましくは500mbar
を超えない、より好ましくは100ないし200mba
rの圧力を達成する。これら排気及びフラッディングサ
イクルは、粉末粒の所望の平均粒子サイズに応じて、複
数回繰り返される。経験により、4μm程度の粒子サイ
ズを得るためには、3ないし5サイクルが十分であるこ
とが示されている。
【0012】反応混合物は、ペレット又はブリケットの
形態で導入することができ、又はこれをプレス又はスタ
ンプしてコンパクトな塊で反応器に導入することができ
る。後者の場合、塊中に複数のチャンネルを形成する
と、ガス状反応生成物の除去及び窒素による塊のフラッ
ディングがかなり増進される。
【0013】冷却された反応生成物は、2μm、好まし
くは3μmを超える平均粒子サイズと、狭い粒子スペク
トルを有する。その酸素含有率は、0.05ないし0.
5重量%であり、遊離炭素の含有率は、0.1重量%未
満である。凝集を除くために軽い粉砕が必要であり得
る。
【0014】
【実施例】以下本発明を実施例により説明する。すべて
の部は、重量基準である。 実施例1 酸化チタン72.8部及びカーボンブラック27.2部
からなる反応混合物をタービンブレードミキサー中でよ
く混合し、その混合物をプレスしてスクリーン底を有す
るグラファイト製反応器に入れた。反応器内のスタンプ
された塊に複数のチャンネルを形成した後、グラファイ
ト反応器を、抵抗加熱装置内に設置された窒素収容チャ
ンバー上に気密に設置した。この反応器にカバーをし、
密閉反応器の内部をゆっくりと1mbar未満の圧力ま
で排気して酸素を除去し、反応器を窒素で2回フラッシ
ングした。密閉反応器内の圧力が1ないし10mbar
の窒素圧に達したとき、反応器の加熱を開始した。加熱
速度は、10℃ないし20℃/分であった。温度が80
0℃ないし1000℃に達したとき、圧力のゆっくりし
た増加により酸化物の還元が開始したことが示された。
この時点で、1リットル/分の量の窒素流を窒素収容チ
ャンバーから反応混合物に通じながら、吸引によるガス
状反応生成物の除去を開始した。反応器内の圧力は50
mbarに達し、平均圧力は約10mbarであった。
1600℃の温度に達した後、この温度をそのレベルに
5時間維持した。ついで、温度を1800℃に上昇さ
せ、窒素の流れを続けながら、同温度に1.5時間維持
した。
【0015】しかる後、反応器内の圧力を1mbar未
満に減少させた後、窒素でフラッディングして約100
mbarの圧力を達成した。このサイクルを4回繰り返
した。得られた反応生成物を約800mbarの圧力の
窒素雰囲気中反応器内で冷却した。生成物は、以下の化
学的及び物理的性質を持っていた。なお、すべての%は
重量基準である。
【0016】 %結合C 11.7 %遊離C <0.05 %N 9.1 %O 0.12 平均粒子サイズ 4.2μm 凝集を除くために、硬質金属ボールを充填した実験室粉
砕機中ガソリン下で生成物を30分間粉砕した。粉砕
後、液体を真空乾燥器内で除去した後、得られた粉末
は、以下の性質を持っていた。
【0017】 %結合C 11.7 %遊離C <0.05 %N 9.2 %O 0.15 %W 0.2 %Fe <0.01 平均粒子サイズ 4.0μm。
【0018】上記粉末粒子の形態、酸素含有率、及び粒
子サイズ故に、本生成物は、混合粒子サイズ構造を有す
るサーメット又は粗大粒品質のサーメットの製造に優れ
ていることがわかった。なお、元素W及びFeは、上記
硬質ボール及び実験室粉砕機の壁に由来するものであ
る。
【0019】実施例2 酸化チタン52.1部、タングステン金属粉末29.3
部及びカーボンブラック19.5部からなる混合物を用
い、温度を1600℃にわずか4時間維持した以外は、
上記と同じ手法を行った。
【0020】生成物は、以下の化学的及び物理的性質を
持っていた。なお、すべての%は重量基準である。
【0021】 %結合C 9.9 %遊離C 0.05 %N 4.1 %O 0.3 %W 41.3 %Ti 残部 平均粒子サイズ 5.6μm 粉砕後、得られた粉末は、以下の性質を持っていた。
【0022】 %結合C 10.0 %遊離C 0.05 %N 4.2 %O 0.4 %W 41.5 %Fe 0.03 平均粒子サイズ 5.0μm。
【0023】実施例3 実施例1におけるように、酸化チタン60.9部、酸化
タンタル6.66部、酸化タングステン89.7部及び
カーボンブラック25.6部をよく混合し、5トン/c
3 の圧力下でタブレットに成形した。これらタブレッ
トを反応器に入れ、以下実施例1と同様に処理した。最
終生成物は、以下の化学的及び物理的性質を持ってい
た。なお、すべての%は重量基準である。
【0024】 %結合C 9.7 %遊離C 0.05 %N 8.9 %O 0.2 %W 9.5 %Ta 9.4 %Fe 0.01 平均粒子サイズ 4.5μm。
【0025】上記各実施例で得られた生成物は、球状粒
子の形態にあり、ほとんど酸素を含有せず、2μmより
大きい平均粒子サイズを有する、周囲率表第IVa、V
a又はVIa族に属する金属を含むことができる炭窒化
チタンである。なお、実施例2及び3において、元素F
eは、粉砕機の壁に由来する。

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 2μmを超える平均粒子サイズ及び狭い
    粒子スペクトルを有する、窒化チタン及び炭窒化チタン
    からなる群の中から選ばれる球状粉末を製造するための
    方法であって、 (a)チタン金属、該金属の酸化物、炭化物、窒化物及
    び炭窒化物からなる群の中から選ばれた少なくとも1種
    の物質を反応器内に導入し、 (b)該反応器内に窒素雰囲気を達成し、 (c)該反応器内の物質を800℃ないし2400℃の
    温度に熱し、ガス状反応生成物が生成されるまで温度を
    1400℃ないし2000℃に維持し、 (d)該物質を窒素又は窒素発生性ガスと接触させなが
    ら、該ガス状反応生成物をそれらが生成するにつれ除去
    し、 (e)該反応器を<10mbarの圧力まで排気し、つ
    いでこれを50ないし1000mbarの圧力まで窒素
    又は窒素発生性ガスでフラッディングし、 (f)該排気及びフラッディングサイクルを数回繰り返
    し、 (g)該反応器内で得られた反応生成物を冷却する 工程を包含する方法。
  2. 【請求項2】 周期律表第IVa、Va又はVIa族に
    属する他の金属又はその酸化物、炭化物、窒化物もしく
    は炭窒化物を該チタン含有物質に添加する請求項1記載
    の方法。
  3. 【請求項3】 炭素含有物質を該チタン含有物質に添加
    する請求項1記載の方法。
  4. 【請求項4】 該物質を該反応器内において1400℃
    ないし2000℃の温度に加熱する請求項1記載の方
    法。
  5. 【請求項5】 該排気及びフラッディングサイクルを5
    回以下繰り返す請求項1記載の方法。
  6. 【請求項6】 該物質を該温度で加熱し維持しながら該
    反応器を排気し、圧力が200mbarを超えない請求
    項1記載の方法。
  7. 【請求項7】 圧力が100mbarを超えない請求項
    4記載の方法。
  8. 【請求項8】 該物質中又は上に窒素又は窒素発生性ガ
    スの流れを通じることによって該物質を該ガスと接触さ
    せ、該ガス流が該物質1キログラムあたり0.2ないし
    5リットル/分の割合で供給される請求項1記載の方
    法。
  9. 【請求項9】 該ガス流が該物質1キログラムあたり
    0.2ないし2リットル/分の割合で供給される請求項
    8記載の方法。
  10. 【請求項10】 温度を複数レベルの温度で維持する請
    求項1記載の方法。
  11. 【請求項11】 該物質を該温度に維持した後、該反応
    器を少なくとも1回排気し、ついで該ガスでフラッディ
    ングする請求項1記載の方法。
  12. 【請求項12】 該反応器を<1mbarの圧力に排気
    し、ついで500mbarを超えない圧力まで該ガスで
    フラッディングする請求項11記載の方法。
  13. 【請求項13】 該物質を該反応器内でプレスし、その
    プレスされた物質に複数のチャンネルを形成して該ガス
    状反応生成物の除去と該ガスによるフラッディングを用
    意にする請求項1記載の方法。
  14. 【請求項14】 該物質がペレットの形態にある請求項
    1記載の方法。
  15. 【請求項15】 該物質がブリケットの形態にある請求
    項1記載の方法。
  16. 【請求項16】 該冷却された反応生成物を不活性雰囲
    気中で粉砕する請求項1記載の方法。
  17. 【請求項17】 2μmを超える平均粒子サイズ及び狭
    い粒子スペクトルを有し、窒化チタン、炭窒化チタン、
    周期律表第IVa、Va又はVIa族に属する金属を含
    有する窒化チタン及び周期律表第IVa、Va又はVI
    a族に属する金属を含有する炭窒化チタンからなる群の
    中から選ばれる球状粉末。
  18. 【請求項18】 平均粒子サイズが3μmを超える請求
    項17記載の球状粉末。
  19. 【請求項19】 <0.5重量%の残存酸素含有率、及
    び<0.1重量%の遊離炭素含有率を有する請求項17
    記載の球状粉末。
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