JPH10167833A - 硼化物セラミックス及びその製造方法 - Google Patents

硼化物セラミックス及びその製造方法

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JPH10167833A
JPH10167833A JP8324058A JP32405896A JPH10167833A JP H10167833 A JPH10167833 A JP H10167833A JP 8324058 A JP8324058 A JP 8324058A JP 32405896 A JP32405896 A JP 32405896A JP H10167833 A JPH10167833 A JP H10167833A
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JP
Japan
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boride
zirconium
powder
nickel
sintering
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JP8324058A
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Inventor
Takeyoshi Takenouchi
武義 竹之内
Koichi Takayama
孝一 高山
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Mitsubishi Materials Corp
Original Assignee
Mitsubishi Materials Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高性能硼化物セラミックス材料を提供する。 【解決手段】 TiB2 、ZrB2 又はHfB2 に、N
i−Zrを0.01〜3体積%添加してなり、硼化物の
結晶粒子形状が柱状又は針状である硼化物セラミック
ス。硼化物とNi−Zr粉末とを混合成形した後、真空
又は不活性雰囲気中1600℃以上で焼結する。 【効果】 少量のNi−Zrの添加で、常圧焼結でも緻
密化が可能な上に、硼化物の結晶粒子を柱状又は針状に
制御でき、破壊靭性値、硬度などの機械的特性が著しく
向上する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、特殊な組織構造を
有した硼化物セラミックス及びその製造法方法に係り、
詳しくは、アルミニウム缶製造治具用材料、耐摩耗部
材、工具用材料、金属の熱間押出治具及び溶湯治具など
として有用な高強度、高靭性の硼化物セラミックス及び
その製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】硼化物セラミックスは高融点、高硬度、
高電気伝導度といった優れた特性を有しており、高耐摩
耗材料、高耐蝕材料、工具材料などの工業用材料として
有望視されている。しかし、硼化物セラミックスは共有
結合性が強く、単相焼結では緻密かつ高特性の焼結体を
得ることは難しい。このために、焼結助剤の添加、或い
は、硼化物セラミックスのサーメット化といった改良が
施され、焼結性と強度についてはある程度改善されてい
る。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、この場合に
は、硼化物セラミックス本来の高硬度の特性は生かされ
ず、破壊靭性値も低く、アルミニウム用溶湯治具の一部
の用途にしか使用されていないのが現状である。
【0004】従って、より一層の特性向上のためには、
従来とは異なる材料設計と焼結方法の開発が必要にな
る。
【0005】本発明は、上記従来の実状に鑑みてなされ
たものであって、硼化物セラミックス材料を製造するに
当たり、特殊な焼結助剤を採用することにより、硼化物
の特性改善を図り、高性能の硼化物セラミックス材料、
即ち、例えば構造部材においては、使用中の破壊特性を
大幅に改善した材料を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】請求項1の硼化物セラミ
ックスは、硼化チタン、硼化ジルコニウム又は硼化ハフ
ニウムに、ニッケル及びジルコニウムを合計で0.01
〜3体積%添加してなり、硼化物の結晶粒子形状が柱状
又は針状であることを特徴とする。
【0007】請求項2の硼化物セラミックスは、請求項
1に記載のセラミックスにおいて、ニッケルとジルコニ
ウムの出発原料は、ニッケル粉末及びジルコニウム粉
末、或いは、ニッケル−ジルコニウム合金粉末であり、
ニッケルとジルコニウムとの割合(重量%)が、Ni:
Zr=10〜90:90〜10であることを特徴とす
る。
【0008】請求項3の硼化物セラミックスは、請求項
1に記載のセラミックスにおいて、硼化物の結晶粒子の
アスペクト比が2〜30であることを特徴とする。
【0009】請求項4の硼化物セラミックスの製造方法
は、請求項1に記載のセラミックスを製造する方法であ
って、硼化チタン、硼化ジルコニウム又は硼化ハフニウ
ムと、ニッケル及びジルコニウムの粉末とを混合して成
形した後、真空又は不活性雰囲気中で1600℃以上の
温度で焼結することを特徴とする。
【0010】請求項5の硼化物セラミックスの製造方法
は、請求項4に記載の方法において、成形後、水素雰囲
気中700〜800℃で還元処理した後、焼結すること
を特徴とする。
【0011】なお、本発明において、ニッケル(Ni)
及びジルコニウム(Zr)の割合は、硼化チタン、硼化
ジルコニウム又は硼化ハフニウムに対する外割の体積%
である。
【0012】また、本発明において、Ni及びZrの出
発原料はNi粉末及びZr粉末であっても良く、Ni−
Zr合金粉末であっても良く、更には、Ni−Zr合金
粉末及び/又はZr粉末とであっても良い。以下に、こ
れらを「Ni−Zr」と記載する。
【0013】本発明においては、硼化チタン、硼化ジル
コニウム又は硼化ハフニウムセラミックスの製造に当
り、Ni−Zrを少量添加することにより、構造材料と
しての問題点を克服した。
【0014】本発明に係るNi−Zrの役割は次の通り
である。
【0015】即ち、Ni−Zrは、焼結中に合金相を形
成しながらマトリックスである硼化物との粒界での濡れ
性を改善し、焼結性を向上させる。また、少量添加した
Ni−Zrは硼化物が粒成長する時の成長核の役割を果
たし、柱状又は針状の硼化物の成長を促進する。この硼
化物結晶粒子は、Ni−Zrを核にして成長するため
に、各硼化物結晶粒子の径とアスペクト比は制御されて
均一になる。そのために、破壊靭性値は向上し、硼化物
粒子が成長しても破壊源は増大しないので、破壊強度も
向上する。また、硼化物セラミックスの持つ高硬度も維
持される。ただし、Ni−Zrの割合がある値以上にな
ると、硼化物結晶粒子の柱状化又は針状化を阻害する。
この領域では破壊靭性値は低下し始め、それにつれて破
壊強度も減少する。
【0016】このようなことから、Ni−Zr粉末を本
発明の範囲で少量添加することにより、硼化物結晶粒子
の形状を柱状ないし針状に制御でき、高硬度を損なわな
いで、高靭性の硼化物セラミックスを得ることができ
る。
【0017】
【発明の実施の形態】以下に本発明を詳細に説明する。
【0018】本発明の硼化物セラミックスは、硼化チタ
ン(TiB2 )、硼化ジルコニウム(ZrB2 )又は硼
化ハフニウム(HfB2 )に、Ni−Zrの微粒子0.
01〜3体積%が均一に分散してなる、柱状又は針状組
織を有する硼化物セラミックスである。
【0019】本発明において、Ni−Zrの添加量を
0.01〜3体積%とする理由は、この添加量であれ
ば、焼結性が向上し、焼結時におけるマトリックス粒子
の寸法、形状の制御に効果があり、焼結体の組織を均質
化して、破壊強度、破壊靭性、硬度及び高温特性を高め
る効果が十分に得られるためである。Ni−Zrの添加
量が3体積%を超えると、焼結性は向上するが、組織の
制御が困難となり、硬度も低下する。
【0020】このNi−ZrのNiとZrとの割合(重
量%)は、Ni:Zr=10〜90:90〜10とする
のが好ましい。この範囲外の割合では、硼化物セラミッ
クスの良好な特性が得られない。なお、Ni−Zrとし
ては、Ni粉末及びZr粉末よりなるものであっても良
く、Ni−Zr合金粉末であっても良い。更に、Ni−
Zr合金粉末と、Ni粉末及び/又はZr粉末とを併用
しても良い。
【0021】本発明において、硼化チタン、硼化ジルコ
ニウム又は硼化ハフニウムの結晶粒子のアスペクト比は
2〜30であることが好ましく、このようなアスペクト
比であれば、得られる材料の特性が高くなる。
【0022】このような本発明の硼化物セラミックス
は、本発明の方法に従って、好ましくは次のようにして
製造される。
【0023】即ち、まず、平均粒径2μm以下、好まし
くは1μm以下の硼化チタン、硼化ジルコニウム又は硼
化ハフニウムの粉末と、平均粒径10μm以下のNi−
Zrの粉末(Ni粉末及びZr粉末、Ni−Zr合金粉
末、或いは、Ni−Zr合金粉末とNi粉末及び/又は
Zr粉末等)とを所定割合で混合して、所定形状に成形
する。得られた成形体は、好ましくは水素雰囲気中70
0〜800℃で還元処理した後、不活性雰囲気又は真空
中で1600℃以上で焼結する。焼結温度が1600℃
未満であると十分な緻密化が図れず、高特性の焼結体が
得られない。
【0024】焼結は、真空又は不活性雰囲気で常圧焼
結、常圧焼結+HIP(熱間等方圧プレス)処理、或い
は、ホットプレス焼結にて行うのが好ましい。HIPを
採用する場合、ガス圧は広範囲に用いられるが、特に1
000〜2000Kg/cm2の範囲が好ましい。
【0025】この焼結に先立ち、所定条件で還元処理す
ることにより、粉末表面の酸化物を除去し、焼結性を高
めるという効果が奏される。
【0026】
【実施例】以下に実施例及び比較例を挙げて、本発明を
更に詳しく説明するが、本発明はその要旨を超えない限
り、以下の実施例に限定されるものではない。
【0027】なお、実施例及び比較例において用いた各
原料粉末は次の通りである。
【0028】マトリックス硼化物原料 TiB2 :出光マテリアル社製(平均粒径0.8μm) ZrB2 :日本新金属社製(平均粒径1.5μm) HfB2 :日本新金属社製(平均粒径1.5μm)Ni−Zrの粉末 Ni:インコ社製(平均粒径0.8μm) Zr:ニラコ社製(平均粒径10μm)の粉砕品 Ni7 Zr2 :CHEMETALL GMBH社製(平
均粒径10μm)の粉砕品 実施例1〜30,比較例1〜9 硼化物粉末にNi−Zrの粉末を表1〜3に示す配合割
合で加え、分散媒としてエタノールを用いて撹拌ミルで
1時間湿式混合した。この混合スラリーを十分乾燥した
後、乾式ボールミルで解砕混合して原料粉末とした。
【0029】この原料粉末を成形(内径φ60mm)し
た後、該成形体を焼結炉(富士電波工業社製)で焼結し
た。焼結条件は、焼結温度1800℃まで昇温させた
後、1時間保持するものとした。ただし、比較例では、
焼結温度1700℃で1時間焼結した。また、実施例の
一部のものについては、焼結前に成形体を水素雰囲気中
にて750℃で1時間還元処理した。
【0030】得られた各種の焼結体は、切り出し、研削
・研摩加工して、JIS R1601に準じた3×4×
40mmの3点曲げ試験片の大きさとし、密度及び破壊
靭性値を調べ、結果を表1〜3に示した。また、硼化物
の結晶粒子の形状及びそのアスペクト化を電子顕微鏡の
撮影像より測定し、結果を表1〜3に示した。実施例及
び比較例の一部については、硬度も測定し、結果を表1
〜3に示した。
【0031】なお、密度はトルエン中、アルキメデス法
で測定した。破壊靭性値は、5kg重、保持時間10秒
で、IF法により測定した。硬度は荷重1kg重、保持
時間10秒で測定した。
【0032】表1〜3から明らかなように、本発明によ
れば、少量のNi−Zrを添加することにより、常圧焼
結で緻密な焼結体が得られる。また、硼化物の結晶粒子
を柱状又は針状に制御でき、比較例に比べて、硼化物セ
ラミックスの持つ高硬度が損なわれずに特性が改善され
ている。
【0033】
【表1】
【0034】
【表2】
【0035】
【表3】
【0036】
【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の硼化物セラ
ミックスは、少量のNi−Zrの添加により、常圧焼結
でも緻密化が可能となる上に、硼化物の結晶粒子が柱状
又は針状に制御され、破壊靭性値、硬度などの機械的特
性が著しく高い。従って、本発明によれば、工業用材料
に応用可能な高特性のセラミックス材料が提供される。
本発明によれば、加工が困難な硼化物セラミックスを常
圧焼結で緻密化できることから、安価に製造することが
可能となる。
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI // B21D 37/01 C04B 35/65

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 硼化チタン、硼化ジルコニウム又は硼化
    ハフニウムに、ニッケル及びジルコニウムを合計で0.
    01〜3体積%添加してなり、硼化物の結晶粒子形状が
    柱状又は針状であることを特徴とする硼化物セラミック
    ス。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載のセラミックスにおい
    て、ニッケルとジルコニウムの出発原料は、ニッケル粉
    末及びジルコニウム粉末、或いは、ニッケル−ジルコニ
    ウム合金粉末であり、ニッケルとジルコニウムとの割合
    (重量%)が、Ni:Zr=10〜90:90〜10で
    あることを特徴とする硼化物セラミックス。
  3. 【請求項3】 請求項1に記載のセラミックスにおい
    て、硼化物の結晶粒子のアスペクト比が2〜30である
    ことを特徴とする硼化物セラミックス。
  4. 【請求項4】 請求項1に記載のセラミックスを製造す
    る方法であって、硼化チタン、硼化ジルコニウム又は硼
    化ハフニウムと、ニッケル及びジルコニウムの粉末とを
    混合して成形した後、真空又は不活性雰囲気中で160
    0℃以上の温度で焼結することを特徴とする硼化物セラ
    ミックスの製造方法。
  5. 【請求項5】 請求項4に記載の方法において、成形
    後、水素雰囲気中700〜800℃で還元処理した後、
    焼結することを特徴とする硼化物セラミックスの製造方
    法。
JP8324058A 1996-12-04 1996-12-04 硼化物セラミックス及びその製造方法 Withdrawn JPH10167833A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019522619A (ja) * 2016-06-23 2019-08-15 アルコア ユーエスエイ コーポレイション セラミック粉末及びセラミック製品を製造するためのシステム及び方法
CN117466648A (zh) * 2023-09-26 2024-01-30 中国科学院合肥物质科学研究院 一种高纯棒状硼化铪粉体及其制备方法
CN118459227A (zh) * 2024-05-10 2024-08-09 东北大学 一种硼化钛复合陶瓷材料及其制备方法

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Effective date: 20040302