JPS63170274A - 高密度焼結体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、炭化チタン、硼化チタン、炭化チタン−アル
ミナ等のセラミックス又はサーメットの高密度焼結体の
製造方法に関するものである。

従来の技術 炭化チタン、硼化チタン等のセラミックスは一般に高融
点・高硬度を有し、過酷な条件下での使用に適している
。近年は、研摩材や切削工具のみならず構造材としても
注目されている。

従来、これらのセラミックスを得るには原料粉末を成形
し１６００〜２２００　℃　という高温で長時間焼成す
る方法がとられてきた。この方法では多大なエネルギー
を消費するため、各種添加物を焼結助剤として添加し、
高密度化するのに必要な温度を下げるための努力がなさ
れている。最近、新しいセラミックの焼結方法として、
金属と非金属元素（炭素や硼素等）の粉末を混合した後
、成形し、高圧下で成形体の一部に着火して反応を開始
させ、反応は着火点から全体に順次伝播し、その反応が
伝播する過程で炭化物や硼化物の合成と焼結体の作成を
同時に行う加圧自己燃焼焼結法（ハイブレッシャーセル
フーコンパスションシンタリングメソッド　（Ｈｉｇｈ
　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｓｅｌｆ−Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ
　Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ　Ｍｅｔｈｏｄ）　；　ＨＰ　Ｃ
Ｓ法と略す）が注目を集めている。この方法によれば、
高純度のセラミックスが、省エネルギーのプロセスで、
かつ短時間に得ることができる。着火方法としては、フ
ィラメントやあるいはレーザー光を用いて成形体の一点
を強熱するのが一般的である（Ｐ。

Ｄ、ザビツァノス　アンド　Ｊ、Ｒ，モリス　ジュニア
（Ｐ、Ｄ、　Ｚａｖｉｔｓａｎｏｓ　ａｎｄ　Ｊ、Ｒ，
Ｍｏｒｒｉｓ＊　Ｊｒ、　）、セラミックエンジニアリ
ングサイエンスプロシーディング（Ｃｅｒａｓ、Ｅｎｇ
、Ｓｃｉ、Ｐｒｏｃ、　）　＊４＊［７−８Ｌ６２４（
１９８３））　　。この他に成形体の外周をヒーターで
囲い、周囲から反応を伝播させる方法や成形体に直接通
電する方法がある。（０，ヤマダ、Ｙ。

ミャモトアンドＭ、コイズミ（０，Ｙａｍａｄａ、　Ｙ
。

Ｍｉｙａｓｏｔｏ　ａｎｄ　Ｍ、　　Ｋｏｉｚｕｓｉ）
　、アメリカンセラ゛ミック　ソサイエティーブリテン
（Ａｍ、Ｃｅｒａｓ＋、Ｓ。

ｃ、ＢｕＩｌ、　）　、６４［２］３１９−２１（１９
８５））自己燃焼反応による焼結は、現在一般に広く行
われている外部からの加熱による通常焼結に比べ、非常
に短時間に終了する。また、前記燃焼反応によって生成
した熱は絶えず周辺へ逃散する。

このため、燃焼反応によって生成した化合物の焼結体中
から気孔を消滅させ高密度焼結体を得るには、超高圧（
ＧＰａ　　オーダー）のような特異な条件を必要として
いた。

発明が解決しようとする問題点 原料成形体は理想的には気孔のない緻密なものが良いが
、現実的には多くの気孔を含んでいる。

気孔中には気体が存在し、原料中の揮発成分の蒸発や原
料成分の蒸発を低（抑えている。気孔を含んだ前記原料
成形体を自己燃焼させ緻密な焼結体にするには、気孔中
にある気体および原料中の揮発成分を反応系外へ逃がす
必要がある。しかし、加圧下で自己燃焼反応を行わなけ
れば緻密化は行われない。そこで、いかに気体を逃がし
ながら加圧するかが問題点とされている。本発明はこの
問題点を解決しようとするものである。

問題点を解決するための手段　　　　　′原料成形体に
通気性を有する物体を接触させ、加圧下で前記原料成形
体の一箇所以上に着火し燃焼反応を開始させ、その燃焼
過程の結果発生する熱によって合成同時焼結を行う。

作用 自己燃焼反応後の生成物を圧縮するとともに、−前記原
料成形体中に含まれている揮発成分や気孔中に存在した
気体を反応系外へ逃がし、より緻密な焼結体を得ること
ができる。

実施例。

通気性を有する物体としては、開気孔を有する多孔質材
料、ガス抜き用の穴を設けた緻密な材料あるいは粉末成
形体等を用いることができる。

多孔質材料を用いる場合、気孔は気体が逃げる空間とな
るため開気孔でなければならない。また、気孔径が原料
に比べ大きすぎると原料が気孔の中に入り開気孔が塞が
ってしまうので注意を要する。ガス抜き用の穴を設けた
緻密な材料を使用する場合にも、穴が大きすぎると原料
が穴の中に゛入り込む恐れがある。粉末の成形体を用い
る場合にも、粒径が大きすぎると原料が粒と粒との隙間
に入り込み、得られる焼結体の表面は数百μ−１場合に
よっては数−曽の厚みで接触させた粉末と目的物との複
合層となってしまうので注意を要する。つまり、設ける
気孔の大きさは、原料成形体と印加する圧力によって適
正化する必要がある。

原料成形体に接触する通気性を有する物体としては”、
目的物と反応せず、かつ化合物生成時に発生する熱を反
応系外へ逃がさないために高融点・低熱伝導度を有する
ものが望ましい。

原料成形体中に存在する気体をあらかじめ排気した後加
圧下で自己燃焼反応を行ったところ、得られた焼結体の
密度は、アルゴン雰囲気中で行った場合と比べ低（なっ
た。これは、真空雰囲気にしたことにより原料成分の蒸
気圧が高くなり緻密化に悪影響を与えたものと考えられ
るが、詳しい反応のメカニズム等は不明である。緻密化
に最適な雰囲気の圧力は原料によって異なるが、実施の
容易性も考慮にいれると　１　気圧以上とするのが良い
。また、不活性雰囲気とすることにより副成分の生成を
避けることができる。ガスの種類としては小さな孔でも
通れるという観点から、原子半径が小さなヘリウムを用
いるのが良い。

前記燃焼反応は　１　気圧以上の不活性雰囲気−中で行
なう。また前記通気性を有する物体がアルミナ、ジルコ
ニア、シリカのうち一つ以上を含むものとすることが好
ましい。

実施例１ チタンと炭素の粉末から炭化チタンの製造を試みた。粒
径ｌＯμ−の金属チタン粉末と、粒径４２止の炭素粉末
とをｌ　：　０．９のモル比で乾式混合し、成型体を作
製した。成型には金型を用い、１ｔｏｎ／ｃ−の圧力で
一軸加圧成型を行った。成形体を平均粒径　５０ｕＩ１
１　　のジルコニア粉末の中に埋め、クロムレンガ製の
ビンおよびモールドで一軸加圧した。アルゴン雰囲気中
　２００　℃で２時間保持した後、圧力３００　　ｋｇ
　／　ｃｄ　　の下でタングステン製のフィラメントを
用い前記原料成形体の一部を強熱着火し燃焼反応を開始
させた。得られた焼結体は、粉末Ｘ線回折の結果による
と炭化チタンの単−相からなり、アルキメデス法により
測定した密度は理論密度の９７．９　零であった。

実施例２ チタンと硼素の粉末から硼化チタンの製造を試みた。粒
径３　ｕ＋の金属チタン粉末と粒径１ｔＩＩ１１以下の
非晶質硼素とをｌ　：　２　のモル比で乾式混合した。

・次に、実施例１の場合と同様にしてアルミナ粉末中に
埋め込まれた原料成型体をクロムレンガで一軸加圧した
。ヘリウム雰囲気中１５０℃で３時間保持した後、圧力
３００　ｋｔ／ｃｄの下でタングステン製のフィラメン
トを用い前記原料成形体の一点を強熱着火し燃焼反応を
開始させた。得られた焼結体１は硼化チタンの単−相か
らなり、密度は理論密度の９５．１＊であった。

実施例３ チタンと炭素の粉末から炭化チタン−チタンサーメット
の製造を試みた。粒径　１０　ｕｔｓ　の金属チタン粉
末と粒径４２　ｎｓの炭素粉末とを１．２７０゜９のモ
ル比で乾式混合した。次に、実施例１の場合と同様にし
てアルミナ粉末中に埋め込まれた原料成型体をクロムレ
ンガで一軸加圧した。アルゴン雰囲気中２００℃で２時
間保持した後、圧力３００　ｋｇ／−の下でタングステ
ン製のフィラメントを用い前記原料成形体の一部を強熱
着火し燃焼反応を開始させた。得られた焼結体は、粉末
Ｘ線回折の結果によると炭化チタンおよびチタンの二相
からなり１、他の副成分は認められなかった。アルキメ
デス法により測定した密度は理論密度の９９．０零であ
った。

実施例４ アルミニウムとジルコニウム、酸化チタン、炭素の粉末
からアルミナ−ジルコニア−炭化チタン複合セラミック
スの製造を試みた。粒径ｌＯμｍの金属アルミニウム粉
末と粒径ｌＯμｍの金属ジルコニウム粉末粒径、１．２
　ｕｗｌの酸化チタン（Ｔｉ０２）、粒径４２　ｎｍの
炭素粉末とを８　：　ｌ　：　７　：　６．３のモル比
で配合し、エタノール中で湿式混合した。

ジルコニア粉末中に原料成形体を埋め込み、ガス抜き用
の穴を設けたジルコニア製のビンおよびモールドで一軸
加圧した。ヘリウム雰囲気中　１５０℃　で３時間保持
した後、圧力５６０　ｋｇ／ｃｄ　の下でタングステン
製のフィラメントを用い前記原料成形体の一点を強熱着
火し燃焼反応を開始させた。得られた焼結体はアルミナ
、ジルコニアおよび炭化チタンの三相からなり、他の副
成分は認められなかった。密度は理論密度の９８．６　
零であった。

比較実施例１ チタンと炭素の粉末から炭化チタンの製造を試みた。粒
径１０μ−の金属チタン粉末と粒径４２　ｎｓの炭素粉
末とを　ｌ　　：　　０．９　　のモル比で乾式混合し
、成型体を作製した。成型には金型を用い、ｌｔ　ｏ　
ｎ　／　ｃｄ　　の圧力で一軸加圧成型を行った。成形
体を平均粒径　５０　　μ−のジルコニア粉末の中に埋
め゛、緻密な炭化珪素製のビンおよびモールドで一軸加
圧した。アルゴン雰囲気中２００　℃で２時間保持した
後、圧力３００　　ｂ／ｃ＋ｊ　の下でタングステン製
のフィラメントを用い前記原料成形体の一部を強熱着火
し燃焼反応を開始させた。得られた焼結体は、粉末Ｘ線
回折の結果によると炭化チタンの単−相からなり、アル
キメデス法により測定した密度は理論密度の９３．２　
零であった。

比較実施例２ チタンと炭素の粉末から炭化チタンの製造を試みた。粒
径ｌＯμ會の金属チタン粉末と粒径４２　ｎ謡　の炭素
粉末とをｌ　　：　　０．９　のモル比で乾式混合し、
成型体を作製した。成型には金型を用い、１ｔａｎ／−
の圧力で一軸加圧成型を行った。成形体を平均粒径　５
０　　ｕｓ　　のジルコニア粉末の中に埋め、クロムレ
ンガ製のビンおよびモールドで一軸加圧した。真空中２
００　℃で２時間保持した後、圧力３００　ｋｇ／−の
下でタングステン製のフィラメントを用い前記原料成形
体の一部を強熱着火し燃焼反応を開始させた。得られた
焼結体は、粉末Ｘ線回折の結果によると炭化チタンの単
−相からなり、アルキメデス法により測定した密度は理
論密度の８９．３　ｔであった。

発明の効果 以上実施例に示したように、本発明によれば、原料成形
体に通気性を有する物体を接触させ、加圧下で前記原料
成形体の一箇所以上に着火し燃焼反応を開始させ、その
燃焼過程の結果発生する熱によって合成同時焼結を行う
ことにより、高密度の焼結体が得られる。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）化合物生成に伴う発熱を利用して焼結体を製造す
   る方法において、原料成形体に通気性を有する物体を接
   触させ、加圧下で前記原料成形体の一箇所以上に着火し
   燃焼反応を開始させ、その燃焼過程の結果発生する熱に
   よって合成同時焼結を行う高密度焼結体の製造方法。
2. （２）通気性を有する物体が開気孔を有する多孔質材料
   である特許請求の範囲第１項記載の高密度焼結体の製造
   方法。
3. （３）通気性を有する物体がガス抜き用の穴を設けた緻
   密な材料である特許請求の範囲第１項記載の高密度焼結
   体の製造方法。
4. （４）通気性を有する物体が粉末成形体である特許請求
   の範囲第１項記載の高密度焼結体の製造方法。
5. （５）燃焼反応を１気圧以上の不活性雰囲気中で行なう
   特許請求の範囲第１項記載の高密度焼結体の製造方法。
6. （６）通気性を有する物体がアルミナ、ジルコニア、シ
   リカのうち一つ以上を含む特許請求の範囲第１項記載の
   高密度焼結体の製造方法。