JPH03187976A - セラミック固溶体粉末およびその製法並びにセラミック固溶体粉末焼結体 - 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、新規なセラミック固溶体粉末およびその製法
並びに該固溶体粉末の焼結体に関するものであり、この
固溶体粉末は、靭性と耐摩耗性を必要とする切削工具や
ダイス、抽伸プラグ等の治具、工具類の原料、熱伝導性
と耐熱衝撃性を必要とするセラミックヒータ−等の電子
分量類の原料、或は耐食性、耐酸化性、耐摩耗性、破壊
靭性等を必要とするメカニカルシールやポンプ等の機械
部品類の原料として有用である。

［従来の技術］ ＴｉＣやＴｉＮよりなるセラミックは耐食性および耐摩
耗性に優れたものであるところから、各種セラミック部
品やサーメット、超硬材料、Ｃ−ＢＮ焼結体等の主原料
あるいは副原料として多用さ、れている。

しかしながら上記のセラミックは耐酸化性が乏しく且つ
熱伝導性が小さいという欠点がある。そこでこうした欠
点を改善するものとして、ＴｉＮにＡＩＮを固溶させた
（Ｔｉ、ＡＩ）Ｎ系のコーテイング膜が開発された（た
とえば特開昭６２−５６５６５号等）。このＴｉＮ−Ａ
ＩＮ系固溶固溶体なるコーテイング膜は、ＴｉＮに比べ
て耐酸化性や熱伝導性に優れ且つ高い硬度を有している
ところから、切削工具等の表面コーテイング材として優
れた性能を発揮する。

［発明が解決しようとする課題］ ところが従来の（Ｔｉ、ＡＩ）Ｎ系固溶体は、基材表面
にスパッタリング等によりコーテイング膜として形成さ
れているだけであって、粉末状態のものとして提供され
た例はない。その理由は次の様に考えられる。即ちＴｉ
ＮはＮａＣｌ型の結晶構造を有しているのに対し、ＡＩ
Ｎの結晶構造は６方最密構造であるため、通常のセラミ
ック原料溶解法や粉末焼結法では両者を固溶体化するこ
とができなかったからである。

そのため（Ｔｉ、ＡＩ）Ｎ系固溶体は、スパッタリング
法やイオンブレーティング法により薄膜状としてその優
れた特性を享受し得るに留まり、その優れた耐酸化性、
熱伝導性、硬度等の特性を他の分野で有効に生かすこと
がで艶なかった。

本発明はこの様な事情に着目してなされたものであって
、その目的は、高硬度で耐酸化性および熱伝導性等の優
れた（Ｔｉ、ＡＩ）（Ｃ，Ｎ）系の固溶体を粉末状のも
のとして提供しようとするものであり、他の目的はその
様な粉末状固溶体を容易に得る。ことのできる方法を確
立しようとするものであり、更に他の目的は（Ｔｉ、Ａ
Ｉ）（Ｃ，Ｎ）系固溶体の焼結体を提供しようとするも
のである。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決することのできた本発明に係る固溶体粉
末とは、 （Ｔ　１　＋　−ｘ　Ａ　１１１）　（Ｃｙ　Ｎｔ　Ｏ
□−ｙ−ｔ）　ａ［但し、０≦ｘ≦０．７．０≦ｙ≦１
．０≦ｚ≦１　、０．ｆｉ　＜ａ＜１．０　］の化化学
酸を有し、ＮａＣｌ型結晶構造を有するセラミック固溶
体粉末からなるところに要旨を有するものであり、この
セラミック固溶体粉末は、ＴｉＯ２粉末とＡｌ２Ｏ３粉
末よりなる混合粉末またはＡｌ２ＴｉＯ５粉末、あるい
はＡ　１２　Ｔ　ｔ　Ｏ、粉末と、ＴｉＯ２粉末および
／もしくはＡｌ２Ｏ３粉末との混合粉末を、還元性霊囲
気下で窒化および／もしくは炭化する過程で固溶化する
ことによって製造することができ、またこのセラミック
固溶体粉末を圧粉成形して焼結すると、高硬度で耐酸化
性および熱伝導性等の優れた任意形状の焼結体を得るこ
とができる。

［作用］ 前述の如＜ＴｉＮとＡＩＮは結晶構造が全く異なるもの
であるから、これらを混合溶融しあるいは粉末焼結した
としても（ＴｉＡ１）Ｎよりなる固溶体粉末を得ること
ができず、またこの処理系にＣ源を共存させたとしても
（Ｔ　ｉ　、　Ａ　Ｉ）（Ｃ。

Ｎ）よりなる固溶体粉末を得ることはできない。

一方、ＴｉおよびＡ１の酸化物であるＴ　ｉ　Ｏ２とＡ
ｌ２Ｏ３はいずれも結晶構造がＮａＣｌ型で類似してお
り、これらの混合物を加熱処理するとＡｌ２ＴｉＯ５よ
りなる固溶体を容易に得ることができる。そこで本発明
者らは出発原料としてＮａＣ’ｌ型結晶構造のＴｉＯ２
およびＡｌ２Ｏ３を用いてこれをＡ１２ＴｉＯＢ固溶体
に代え、或は出発原料としてＡ１ｚＴｉＯＢ粉末を使用
し、これを還元窒化して窒化物および／もしくは炭化物
に変えれば、粉末状の（Ｔｉ、ＡＩ）（Ｃ。

Ｎ、Ｏ）固溶体が得られるのではないかと考え、研究を
進めた。

その結果、ＴｉＯ２粉末とＡｌ２Ｏ３粉末よりなる混合
粉末またはＡ１２Ｔｉ０６粉末、あるいはＡｌ２ＴｉＯ
５粉末とＴ　ｉ　Ｏ２粉末および／もしくはＡｌ２Ｏ３
粉末との混合粉末を、還元性雰囲気下で窒化および／も
しくは炭化すると共に、該窒化および／もしくは炭化す
る過程で固溶化すれば（Ｔｉ、ＡＩ）（’Ｃ，Ｎ、、Ｏ
）よりなるＮａＣｌ型結晶構造の固溶体が粉末状物とし
て容易に得られることを知った。

尚、本発明においては、固溶体粉末の化学組成を （Ｔ　ｉ　（−８Ａ　Ｉ　＋１）　（Ｃｙ　　Ｎ　ｚ　
　Ｏ＋−ｙ−ｚ）ａ　・・・［１］但し、０＜ｘ≦０．
７ ０≦ｙ≦１ ０≦ｚ≦１ ０．９≦　（ｙ＋ｚ）　　≦１．０ ｏ、６＜　ａ　＜　１．０ に特定するが、上記化学組成の設定理由は次の通りであ
る。

まず［＋１式においてＸがＯであるものは、金属成分中
にＡＩが含まれていないことを意味するものであって、
当然のことながら複合セラミック固溶体としての特性が
発揮されない。しかしＸが０．７を超えると、固溶体中
のＡＩが固溶限界を超えることになり、原料であるＡｌ
２Ｏ３が残留して希望物性が低下する。

次にｙと２は０〜１の全範囲に及び得るものであり、０
．９≦（ｙ＋ｚ）≦１．０の要件を満たす限りあらゆる
組合せが可能である。たとえば（Ｃ１Ｎ、０）の実現可
能な組合せとしては、ＮおよびＯが零でＣが１００％を
占めるものＣおよび０が零でＮが１００％を占めるもの
０が零で（Ｃ＋Ｎ）が１００％を占めるもの０が零以上
０．１以下で（Ｃ＋Ｎ）が０．９〜１．０であるもの が挙げられ、これらのうちどの要件に当てはまるもので
あってもよい。しかしくｙ＋ｚ）が０．９未満であるも
のは必然的に０が０．１を超えるものとなり、固溶体中
にＴｉｏ２．Ａｌ２Ｏ，またはＡｌ２ＴｉＯ５の酸化物
が残留することになるので、（Ｃ＋Ｎ’）は０．９以上
となる様に残留酸素量を抑えなければならない。

またａが０．６以下であるものは、固溶体中にフリーの
ＴｉやＡＩが残存し、一方１．０以上になるとＴｉＯ２
やＡｌ２Ｏ３が残留したりフリーカーボンが析出してく
る。

従って本発明のセラミック固溶体粉末を製造するに当た
っては、上記［１，１式の化学、組成を満たす様にＴｉ
Ｏ２粉末、Ａｌ２Ｏ３粉末もしくはＡ１２ＴｉＯ，粉末
の配合量を設定すると共に、添加するＣ量を設定し、且
つ炭・窒化条件を適正にコントロールしなければならな
い、。尚、炭・窒化の為の炭素源としてはカーボンブラ
ック等が最も一般的であり、窒素源としては窒素ガスが
最も一般的である。従って本発明方法を実施するに当た
っては、上記の酸化物粉末に適量のカーボンブラック等
を配合し、これを窒素ガス雰囲気下で１０００〜２００
０℃程度に加熱して酸化物を炭・窒化物に変換すると共
に固溶化させればよく、該炭・窒化条件（炭素配合量、
加熱温度、窒素圧力等）をうまく制御して残存酸素量を
前述の許容範囲以下に低減することにより、目的とする
セラミック固溶体粉末を得ることができる。このとき前
記［＋１式におけるＣとＮの組成比率は、酸化物粉末中
に混入されるＣ源の添加量によって調整すればよい。　
かくして得られる固溶体はＮａＣｌ型の結晶構造を有す
る粉末であり、この粉末はＴｉＮに比べて耐酸化性、熱
伝導性および硬度の非常に優れたものである。しかもこ
の粉末は圧粉成形後焼結することによって任意の形状に
加工することができるので、その優れた特徴を様々の分
野に亘って幅広く活用することが可能となる。

以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本
発明はもとより下記実施例によって制限を受けるもので
はない。

［実、施例］ ゑ】■１１ ＴｉＯ、粉末とＡ、１２０３粉−末を第１表、に示す比
率で配合し、こガ・にカーボンブラックを２０重量％添
加した後、笹媒中で湿式混合し乾燥した。

得られた混合粉末を、窒素雰囲気下１６００℃で２時間
加熱することにより還元、窒化を行なった。

得られた各粉末の結晶構造をＸ線回折法により調べると
共に、各粉末を窒素雰囲気中１７００℃で３０分ホット
プレスして焼結成形体とし硬度を調べた。結果は第１表
に一括して示す通りであり、いずれもＮａＣｌ型結晶構
造のＢｌ型固溶体単相であって高い硬度を有しているこ
とが分かる。

上記実験Ｎ０１３で得た粉末のＸ線回折チャートを代表
して第１図に示す、また該固溶体粉末の化学分析結果は
第２表に示す通りであり、（Ｔｉｏ、ａ。ＡＩｏ、４゜
）　（ｃ　０．４゜Ｎｏ、６゜）。９８の化学組成を有
するものであった。

１ 夾直■ｌ Ｔｉ０ｚ粉末とＡｌ２Ｏ３粉末を第３表に示す比率で配
合し、溶媒中で湿式混合した後乾燥した。この混合粉末
を大気雰囲気中１３００℃で２時間焼成した。この焼結
粉末は、Ｘ線回折分析の結果Ａ１．ＴｉＯ舊相とＴｉ１
２相の２相であることが確認された。

上記で得た焼結粉末にカーボンブラックを２０重量％配
合して溶媒中で湿式混合した後乾燥し、次いで窒素雰囲
気中１６００℃で２時間加熱して還元窒化を行なりた。

得られた還元窒化粉末をＸ線回折により構成相の同定を
行なうと共に、該粉末を窒素雰囲気下に１７００℃×３
０分でホットプレスして得た焼結体の硬度を測定し、第
３表に示す結果を得た。

比較例１．２ Ｔ　ｉ　０２粉末とＡｌ２Ｏ，粉末を第４表に示す比率
で混合し、これにカーボンブラックを２０重量％添加し
た後、実施例１または実施例２と同様にして還元窒化処
理を行なった。

得られた粉末の構成相同定結果と、実施例１と同様にし
て得た焼結体の硬度を第４．５表に示す。

第４．５表からも明らかである様に、配合原料中のＡ１
成分が多過ぎる場合は、得られる固溶体のＡｌ固溶限界
を超えて系中にＡｌ２Ｏ５が残留し、目的とするＢｌ型
固溶体単相のものが得られなくなる。

５ ［発明の効果］ 本発明は以上の様に構成されており、従来は薄膜状でし
か得ることのできなかった（Ｔｉ。

ＡＩ）（Ｃ，Ｎ）系のセラミック固溶体を粉末状として
得ることができ、圧粉成形後焼結することによって任意
の形状に加工することができるので、ＴｉＮ系セラミッ
クの耐酸化性、熱伝導性および硬度を改善したものとし
て、冒頭で示した様な種々の用途に亘って幅広く活用し
得ることになった。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）（Ｔｉ＿１＿−＿ｘＡｌ＿ｘ）（Ｃ＿ｙＮ＿ｚＯ
   ＿１＿−ｙ＿−＿ｚ）＿ａ［但し、０≦ｘ≦０．７，０
   ≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，０．９＜（ｙ＋ｚ）≦１．０，
   ０．６＜ａ＜１．０］ の化学組成を有し、ＮａＣｌ型結晶構造を有するもので
   あることを特徴とするセラミック固溶体粉末。
2. （２）ＴｉＯ＿２粉末とＡｌ＿２Ｏ＿３粉末よりなる混
   合粉末を、還元性雰囲気下で窒化および／もしくは炭化
   する過程で固溶化し、請求項（１）記載のセラミック固
   溶体粉末を得ることを特徴とするセラミック固溶体粉末
   の製法。
3. （３）Ａｌ＿２ＴｉＯ＿５粉末を、還元性雰囲気下で窒
   化および／もしくは炭化する過程で固溶化し、請求項（
   １）記載のセラミック固溶体粉末を得ることを特徴とす
   るセラミック固溶体粉末の製法。
4. （４）Ａｌ＿２ＴｉＯ＿５粉末とＴｉＯ＿２粉末および
   ／もしくはＡｌ＿２Ｏ＿３粉末との混合粉末を、還元性
   雰囲気下で窒化および／もしくは炭化する過程で固溶化
   し、請求項（１）記載のセラミック固溶体粉末を得るこ
   とを特徴とするセラミック固溶体粉末の製法。
5. （５）請求項（１）に記載の固溶体粉末を焼結してなる
   セラミック固溶体粉末焼結体。