JPS6355165A

JPS6355165A - ＴｉＢ↓２系焼結材およびその製法

Info

Publication number: JPS6355165A
Application number: JP61198181A
Authority: JP
Inventors: 優瀬川; 音次郎木田; 和夫万波
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1986-08-26
Filing date: 1986-08-26
Publication date: 1988-03-09

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ＴｉＢｚ、Ｂ４Ｃを硬質相として含み、ＳｉＣ
及び／又はＴｉ、　Ｃを結合相として含むＴｉＢ２系高
強度超硬質材料に関するものである。

［従来の技術］ＴｉＢ２は高硬度、高強度、高融点の化合物であるため
に、切削工具材料や熱機関部材などの高硬度、耐摩耗部
材としての用途が期待される材料である。しかし、Ｔｉ
Ｂ２単体の焼結体は難焼結で抗折強度が低いという欠点
がある。そこで、ＴｉＢ２の焼結助剤としテ、　Ｆｅ、
Ｔｉ、Ｚｒ、旧などの金属を結合材として添加したり、
ＴａＢ２　、ＣｏＨなどの硼化物やＭｏ２ＦｅＢ２　Ｊ
ｏ２ＣｏＢ２　といった複硼化物の添加により焼結性を
向上させている。

さらにＢ４ＣやＴｉＣなどの炭化物や５ｉ３Ｎａなどの
窒化物が助剤として知られている。

例えば、ＢＩＩＣとＴｉＢ２の二成分系にＳｉ３Ｎ４　
を添加し硬度と強度の両方を向上させた特許が開示され
ているが（特開昭６Ｏ−２６４３６８）、これでは最高
強度が９０ｋｇ／ｍｍ２程度でるために、さらに高強度
が要求される用途に対して十分対応し得ない面がある。

又、特開昭６０−１０３１４８によるとＴｉＢ２粉末に
Ｍｏ２ＦｅＢｚ　、８０２　Ｃ０Ｂ２及びＭｏ２Ｎ１Ｂ
ｚ　などの複硼化物とＴｉＨ２を添加することで焼結性
を上げ、硬度を落さずに強度を向上させた特許が開示さ
れているが、最高硬度がマイクロビッカース硬度Ｈマで
２８００ｋｇ／ｌｌ１ｍ２程度であるために、さらに高
硬度が要求される用途に対して不十分である。

［発明が解決しようとする問題点］このような点に鑑み、優れた特質を備えていながらその
特質を生かしきれず極めて限られた用途にしか実験に使
われていないＴｉＢｚ系複合焼結体について、従来の問
題点を克服すべく研究を進めた結果、優れた高密度、高
硬度、さらに高強度などの諸性能を兼ね備えかついくつ
かについてはその特質を著しく向上せしめた焼結体の開
発に成功したのである。

［問題点を解決するための手段］即ち、本発明は、基本成分として、Ｔ　ｉＢ２を主成分
とし重量％でＢ４Ｃを２０〜５０％、　ＳｉＧを０．５
〜１５％それぞれ含み、組織的にほＴｉＢ２とＢ４Ｃの
両結晶が均一に分布し、それらの間にＳｉＣが介在して
緻密かつ強固に結合してなる焼結材であって、特にほ室
温の曲げ強度が１００ｋｇ／ｒａ１１２以上のものを要
旨とするものである。

このような本発明焼結材を製法するための原料について
は次のようなものが好ましく使用される。

まず、ＴｉＢ２は例えば酸化チタン、酸化硼素及びカー
ボンの混合物を高温で反応させることにより得られ、本
焼結体の製造にほ可及的に純度の高いものを用いるのが
好ましく、また粒径も可及的に小さい粉末が好ましい。

具体的にほ純度８９％以上、平均粒径ｌＯμｍ特に５μ
ｍ以下のものがそれである。

他の８４Ｃ、ＳｉＣ成分ならびに好ましい補助成分とし
て使用するＴｉｅ、　ＴｉＨ２などの複合材料に関して
も可及的に純度の高いものが好ましく通常３９％以上の
ものがよく、平均粒径も１０ｐｍ以下のものがよい、ま
た、他の好ましい補助成分の１つであるＣ（カーボン）
としては、コークスやカーボンブラックなど無定形のも
のを使用することが望ましく、これは、グラファイトの
ような結晶層のものでは爾後の成形がしにくいことがあ
りＷｋ密のものが得られにくいためである。

原料混合物は、これらの原料微粉末を均一に混合するこ
とにより調整するが、粉砕混合を目的として超微粉砕し
ても同様である。一般に混合原料の粒度は１０μｍ以下
がよく好ましくは平均粒径１μｍ以下にまで十分調整し
てくおくことである。

本発明焼結材（体）を得るにほ、これらの原料の所定割
合を例えば黒鉛型に充填し、アルゴンやヘリウムなどの
不活性ガス雰囲気下あるいは真空下でホットプレスをす
るか常圧焼結後熱間静水圧プレス（ＨＩ　Ｐ）すること
での製造条件をコントロールすることで可能であるが、
望ましい条件は次の通りである。

即ち、ホットプレス温度でいえば１７００〜１９００℃
下で０．５〜３時間であり、常圧焼結の場合その温度は
１８００〜２１５０℃下で０．５〜５時間、ＨＩＰ条件
は温度１６００〜１３００℃、圧力１０００〜２０００
ｋｇ／ｃｍ２下である。尚、常圧焼結の場合焼結前に予
備成形しておくことがよく、その成形圧は１０００ｋｇ
／ｃｍ２以上が望ましい。

このような温度条件は補助成分によっても幾分具なるが
、１７００℃未満では緻密質焼結体が得られず、また１
７００〜１９００で０．５時間未満の短時間焼成では十
分焼結しないため硬度や強度の点で不十分である。一方
、１８００℃より高い温度あるいは１７００〜１９００
℃で３時間より長く焼結すると粒成長を導き、高強度化
が達成しにくい。

ＨＩＰ条件においては１６００℃未満だと高密度化が得
られず逆に１８００℃より高温で処理すると粒成長を促
進するための強度低下を引き起こす。

また、ｌ０００ｋｇ／ｃｍ２未満の圧力では、ＨＩＰ効
果が得られず高密度化が達成しにくい。

ここで、このようにして得られる本発明焼結材について
説明すると、まず主成分はＴｉＢ２からなっているが、
このＴｉＢ２は８４Ｇとともに主結晶即ち硬質相を構成
するもので、焼結材においてＢ４ＣとＳｉＣとの含量中
重量％（以下同じ）で少なくとも２０％以上必要である
。これはＢ４Ｃが２０％未満では高硬度化が困難となる
からであり、又Ｅ４Ｃが多すぎると強度が低下するので
好ましくなく上限は５０％以下とすることが必要であり
、望ましい範囲は２５〜４５％である。

１３４０とともに必須の成分であるＳｉＣは、ＴｉＢ２
と８４Ｇに対して主として結合部を構成するものである
が、これはこれらの合最中少なくとも０．５％以上必要
である。これはＳｉＣが０，５％未満では焼結性が十分
でなく緻密なものが得られにくいためであり、又ＳｉＣ
は多すぎると硬度が十分でなくなるなどのため最大１５
％にとどめることが必要であり、望ましい範囲は３〜ｌ
Ｏ％である。

このＴｉＢ２及びＳｉＣ以外は実質的にＴｉＢ２である
が、ＴｉＢ２は主成分として好ましくはＢ４ＣとＳｉＣ
との合量中５５％より多いことが望ましい。

このような本発明焼結材は、前述の如き焼結条件の調整
で得ることが可能であるが、望ましくは補助成分をさら
に配合しておくとより容易に得られることが分った。

この場合の望ましい補助成分は、ＴｉＨ２、Ｔ：Ｃ，Ｃ
：などであり、これらは焼結材中におい結合相を構成す
る成分として作用するもので、配合量としては０．５〜
１５％の範囲とするのが適当である。これは主として０
．５％以上配合することで機械的強度を十分かつ容易に
向上できるからであり、一方、１５％以上とすると強度
の低下傾向をもたらすからである。このような本発明の
焼結材は組織的にほ基本的にＴｉＢ２　、８４Ｇの両結
晶が均一に分布しており、その間をＳｉＧが強固に結合
している緻密なものである。

補助成分としてのＴｉＨ２やＴｉＣは焼結に際し、分解
し活性Ｔ１金属を生じ主成分であるＴｉＢ２と包晶反応
を起しＴｉＢ２やＴｉ３Ｂ４　としてＴｉ１ｈやＢ４Ｃ
やＳｉＣの粒界に存在しており、又ＣはＴｉＢ２やＢ４
Ｃなどの結晶粒の回りに分布し高強度超硬質特性を存分
に発揮せしめるに至っている。具体的に言えば、本発明
焼結材におけるＴｉ１ｌ１２、Ｂ４Ｃ１ＳｉＣ結晶はそ
の大部分が粒径５μ麿以下であり、望ましくは粒径２μ
ｍ以下として存在しているのである。このようなＴｉＢ
２、Ｂ４Ｃ、ＳｉＣの所定量を基本成分とし、組織的に
ほＴｉＢ２とＢ４Ｃの微細結晶が均一に分布し、それら
の間に多くともＳｉＣが介在して緻密かつ強固に結合し
ているものであるため、優れた物性をもたらすことが可
能であり、その特性は高密度、高強度かつ高硬度を兼ね
備えたものとなる。

具体的にほ、室温（常温）曲げ強度として１００　ｋｇ
／ｍｍ２以上のものが容易で特に１２０　ｋｇ／ｍｍ２
以上のものも容易であり、硬質性としては室温のビッカ
ース硬度で３０００ｋｇ／ａｍ２のものが容易である。

そしてこれらをもたらす基礎となる相対密度としては９
８．５％以上は勿論のことその殆どが９８．８％以上の
ものとして得ることも可能である。

［実施例］実施例ｌＴｉ８２粉末（純度９９％以上）　、　８４Ｇ粉末（純
度８９％以上）　、　ＳｉＣ粉末（純度９９％以上）及
びＴ　ｉＨ２粉末（純度９９％以上）の所定量を十分に
混合粉砕すべく、ボットミルを使用しエタノール溶媒中
でＳｉＣポールを用い３日間粉砕混合した。得られた粉
末をエバポレータでアルコール除去して十分乾燥し、平
均粒径０　、１５ｕ＋＋の粉末を得た。この粉末を黒鉛
型に充填し、アルゴン雰囲気下３５０　ｋｇ／ｃｍ２に
加圧しながら１８５０℃で６０分間加熱して焼結体を得
た。得られた焼結体の物性を表１に試料Ｎｏ、１として
示す。

また、この焼結体の組織は良好で、大きさは殆どが粒径
５μ層以下の主成分であるＴｉＢ２微細結晶が均一に分
散しており、そのＴｉＢ２結晶のまわりに副成分として
のＢ４Ｃがそしてこれらの両結晶間にＳｉＣ結晶が存在
し強固に結合している極めて緻密な微細組織を有してい
た。

実施例２乃至１２ならびに比較例１７乃至２２所定の配
合原料を実施例１とほぼ同様の方法で調整し所定の焼成
条件で処理して得た各試料についての結果を第１表に示
す、得られた焼結体の組織は実施例１とほぼ同様であっ
たが、実施例５については、カーボンはＴｉＢ２、Ｂ４
Ｃ及びＳｉＣの粒のまわりに存在していることが組織観
察より分った。

実施例１３Ｔ　ｉＢ２粉末（純度９８％以上）　、　Ｂ４Ｃ粉末（
純度９９％以上）　、　ＳｉＣ粉末（純度９９％以上）
及びＴｉ）１２粉末（純度９９％以上）を十分に混合粉
砕すべく、ボットミルを使用しエタノール溶媒中でＳｉ
Ｃポールを用い３日間粉砕混合した。得られた粉末をエ
バポレータでアルコール除去して十分乾燥し、平均粒径
０．１５μｍの粉末を得た。この粉末をあらかじめ２０
００ｋｇ／ｃｍ２の圧力で圧縮成形したものを、アルゴ
ン中において２１２５℃の温度で１時間ＨＩＰ処理を行
なった。このようにして得た焼結体の特性を表１に示す
。尚、得られた焼結材の組織は実施例１とほぼ同様であ
った。

実施例１４乃至１６所定の配合原料を実施例１３とほぼ同様の方法で調整し
所定の焼成条件で処理して得た各試料についての結果を
第１表に示す。

［発明の効果］このようにして得られた本発明超耐熱焼結体は高密度、
高強度、高硬度かつ耐摩耗性に優れた焼結材であるため
、高温構造部材、産業用機械部材、耐摩耗部材などに最
適である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）基本的組成として、ＴｉＢ＿２を主成分とし重量
％でＢ＿４Ｃを２０〜５０％、ＳｉＣを０．５〜１５％
それぞれ含み、組織的にほＴｉＢ＿２とＢ＿４Ｃの再結
晶が均一に分布し、それらの間にＳｉＣが介在して緻密
かつ強固に結合してなるＴｉＢ＿２系焼結材。
（２）ＳｉＣが３〜１０％、Ｂ＿４Ｃが２５〜４５％で
ある特許請求の範囲第１項記載の焼結材。
（３）ＴｉＢ＿２が重量％で５５％より多く含む特許請
求の範囲第１項又は第２項記載の焼結材。
（４）ＴｉＢ＿２、Ｂ＿４Ｃ、ＳｉＣ結晶の大部分が粒
径５μ以下である特許請求の範囲第１項乃至第３項いず
れか１項記載の焼結材。
（５）ＴｉＢ＿２、ＳｉＣ、Ｂ＿４Ｃは２μ以下である
特許請求の範囲第４項記載の焼結材。
（６）ＣがＴｉＢ＿２、Ｂ＿４Ｃ粒間に分布存在してな
る特許請求の範囲第１項又は第４項いずれか記載の焼結
材。
（７）室温曲げ強度が１００ｋｇ／ｍｍ＾２以上である
特許請求の範囲第１項乃至第６項いずれか記載の焼結材
。
（８）室温曲げ強度が１２０ｋｇ／ｍｍ＾２以上である
特許請求の範囲第７項記載の焼結材。
（９）室温のビッカース硬度が３０００ｋｇ／ｍｍ＾２
以上である特許請求の範囲第１項又は第８項記載の焼結
材。
（１０）ＴｉＢ＿２粉末を主原料としＢ＿４Ｃ粉末を重
量％で２０〜５０％、ＳｉＣ粉末０．５〜１５％、Ｔｉ
Ｃ、Ｃ、ＴｉＨ＿２から選ばれた少なくとも１以上の粉
末１５％以下配合してなる原料混合物を、不活性ガス中
は真空下において１７００〜１９００℃の温度でホット
プレスか、１９００〜２１５０℃の温度で常圧焼結した
後に熱間静水圧プレスすることを特徴とするＴｉＢ＿２
系焼結材の製法。