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JP2681602B2 - 炭窒化チタン焼結体の製造方法 - Google Patents

炭窒化チタン焼結体の製造方法

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JP2681602B2
JP2681602B2 JP5274791A JP27479193A JP2681602B2 JP 2681602 B2 JP2681602 B2 JP 2681602B2 JP 5274791 A JP5274791 A JP 5274791A JP 27479193 A JP27479193 A JP 27479193A JP 2681602 B2 JP2681602 B2 JP 2681602B2
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JP
Japan
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sintered body
titanium carbonitride
powder
sintered
weight
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JP5274791A
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JPH07109534A (ja
Inventor
秀典 山岡
信久 黒野
啓章 小鷹
肇 斎藤
Original Assignee
東芝セラミックス株式会社
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Publication date
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  • Powder Metallurgy (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、高強度、高靭性、電気
伝導性に優れた炭窒化チタン焼結体の製造方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】炭窒化チタン{Ti(C,N)}は、炭
化チタン(TiC)と窒化チタン(TiN)の全率型の
固溶体であり、高硬度、高融点、耐熱衝撃性を有し、か
つ電気の良導体である。
【0003】従来、導電性セラミックス素材を母材とす
る焼結体が、例えば加熱炉用圧延ロールに使用されてい
る。このような焼結体の代表的なものは、硼化チタン
(TiB2 ),硼化ジルコニウム(ZrB2 ),Ti
(C,N)などを母材とするものである。
【0004】Ti(C,N)を母材とする焼結体に関し
ては、Ti(C,N)−Mo2 C−Ni系,−WC−N
i系などのサーメットとして、「粉体および粉末冶金、
第38巻第2号」などの技術文献に記載されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】前述のTi(C,N)
系サーメットにおいては、Ti(C,N)粒を取りまく
金属相の層が厚いので、それらの熱膨張差によるTi
(C,N)粒に対する破壊応力が大きくなり、焼結体の
機械的強度が低下するという問題が生じる。 本発明
は、高強度かつ高靭性であり、しかも電気伝導性に優れ
た炭窒化チタン焼結体の製造方法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】前述の課題を解決するた
めに、本発明は、炭窒化チタン粉70〜95重量%にス
テンレス鋼粉5〜30重量%を湿式混合して得られたス
ラリーを乾燥してから、造粒し、その造粒粉を加圧成形
して得られた圧粉体を1400〜1700℃の焼成温度
で無加圧焼成することを特徴とする炭窒化チタン焼結体
の製造方法を要旨とする。
【0007】
【実施例】本発明の好適な実施例による炭窒化チタン焼
結体の製造方法について説明する。
【0008】炭窒化チタン{Ti(Cx ,N1-x )}の
粉体70〜95重量%に助剤としてSUS316L等の
ステンレス鋼の粉体5〜30重量%を添加し、それらを
結合剤添加のトルエン溶液中で湿式混合して、スラリー
を得る。そのスラリーを乾燥してから、造粒した後、3
00MPaの圧力でCIP成形(冷間静水圧成形)して
圧粉体を得る。その圧粉体を水素ガス(H2 )あるいは
窒素ガス(N2 )の雰囲気で1400℃〜1700℃の
範囲内の焼成温度で1時間常圧焼結し、炭窒化チタンの
焼結体を得る。
【0009】前述のように助剤添加率は5〜30重量%
の範囲内であり、好ましくは10〜20重量%の範囲内
である。それによって、焼結体の機械的強度、破壊靭性
が良好になる。助剤添加率が5重量%未満の場合は、焼
結性が悪く、30重量%より多い場合は、機械的強度が
低下する。
【0010】焼成温度が1400℃未満の場合は焼結せ
ず、1700℃より高い場合は機械的強度、破壊靭性が
低下する。
【0011】結合剤添加のトルエン溶液は、結合剤とし
てステアリン酸およびパラフィンをトルエン溶液に添加
したものである。ステアリン酸およびパラフィンのそれ
ぞれの量は、混合粉に対して外率0.5〜5重量%であ
る。
【0012】炭窒化チタン{Ti(Cx ,N1-x )}に
おいては、炭化チタン(TiC)に窒素(N)が固溶し
ているので、炭化チタン焼結体(TiC焼結体)、窒化
チタン焼結体(TiN焼結体)と比較して、焼結時にお
けるTi(C,N)の粒成長が抑制されるとともに、焼
結性が向上する。したがって、常圧焼結に最適なTi
(Cx ,N1-x )(0<x<1)の組成、つまりCおよ
びNの固溶量を選択することによって、炭窒化チタン焼
結体の焼結性、機械的特性を改善できる。Ti(Cx
1-x )は、CとNの固溶量の比がX:1−Xであるこ
とを示す。xの値は0<x<1の範囲であり、好ましく
は0.5〜0.7である。
【0013】このように、焼結性の良い組成を選定し、
この組成のTi(C,N)粉体に対する濡れ性の良好な
液相助剤としてSUS316Lの粉体を添加することに
より、粒成長を抑制し、焼成後の焼結体において、Ti
(C,N)とSUS316Lの粒界にそれらの固溶体を
形成して、Ti(C,N)と金属相の熱膨張差を緩和さ
せる。それによって、焼結体における粒子間の接合強
度、機械的強度、破壊靭性が向上できる。
【0014】Ti(C,N)とSUS316Lの固溶体
の形成の有無は、X線回折において焼結後Ti(C,
N)とSUS316Lの回折角がずれることで判断でき
る。
【0015】SUS316Lは、太平洋金属株式会社製
のステンレス鋼である。
【0016】このような製造方法において、炭窒化チタ
ンをTi(C0.7 ,N0.3 )とし、助剤をSUS316
Lとし、助剤添加率を10重量%、20重量%、30重
量%の3通りに設定し、焼成温度を1500℃、155
0℃、1600℃の3通りに設定し、焼成の雰囲気を水
素ガス、窒素ガスの2通りに設定して、これらの設定の
組合せによって18個の炭窒化チタン焼結体を得た。T
i(C0.7 ,N0.3 )は、炭素(C)と窒素(N)の固
溶量の比が0.7:0.3であることを示す。
【0017】これらの焼結体について、それぞれ相対密
度、4点曲げ強度および破壊靱性を測定した。
【0018】図1および図2に、相対密度と助剤添加率
の関係を示す。図3および図4に、曲げ強度と助剤添加
率の関係を示す。図5および図6に、破壊靭性と助剤添
加率の関係を示す。ただし、図1、図3、図5は、雰囲
気を水素ガスにした場合を示し、図2、図4、図6は、
雰囲気を窒素ガスにした場合を示す。図1ないし図6の
それぞれにおいて、記号△、□、○は、焼成温度150
0℃、1550℃、1600℃の場合をそれぞれプロッ
トしたものである。
【0019】比較例 TiC,Ti(C0.7 ,N0.3 ),TiNそれぞれの単
味の粉体を、それぞれ前述の実施例と同様に湿式混合、
乾燥、造粒、CIP成形(300MPa)して、圧粉体
を得た。それらの圧粉体を焼成温度1900℃でアルゴ
ンの(Ar)雰囲気で常圧焼結して、TiC焼結体、T
i(C0.7 ,N0.3 )焼結体、TiN焼結体を得た。そ
れらの焼結体の特性(相対密度、曲げ強度、破壊靭性)
を表1に示す。さらに、図1ないし図6に、Ti(C
0.7 ,N0.3 )焼結体の特性を記号▽でプロットして示
す。また、これらの焼結体の破面についての走査型電子
顕微鏡(SEM)による観察結果を、図7ないし図9に
示す。
【0020】
【表1】 表1より明らかなように、TiCにNが固溶することに
よって、焼結体の相対密度、焼結性、強度、破壊靭性が
それぞれ向上する。図7ないし図9より明らかなよう
に、TiCにNが固溶することによって、Ti(C,
N)粒子の粒成長が抑制される。
【0021】前述の実施例による焼結性、機械的特性の
良い組成の炭窒化チタンTi(C0. 7 ,N0.3 )粉体に
助剤SUS316Lを添加した場合の焼結体において
は、比較例によるTi(C0.7 ,N0.3 )単味の焼結体
と比較して、曲げ強度や破壊靭性が大幅に向上した。例
えば、前述の実施例によれば、図3および図6に示すよ
うに、曲げ強度1100MPaの焼結体や、破壊靭性1
3.4MNm-3/2の焼結体を製造することができた。こ
の強度向上は、Ti(C,N)と金属相の粒界に固溶相
を形成することによると考察される。
【0022】要するに、助剤SUS316Lに対して濡
れ性の良い母剤{Ti(Cx ,N1- x )}の組成をコン
トロールして、母剤粒の粒成長を制御し、Ti(C,
N)と金属相の粒界に固溶相を作り、さらに、助剤添加
率を制御することによって、金属相の厚みをコントロー
ルする。それによって、機械的特性の優れた焼結体を得
る。
【0023】助剤SUS316Lの作用効果をより具体
的に示すために、鉄粉末との比較データを得たので、そ
れを図10〜図14に示す。その際の助剤SUS316
Lの成分はNi12.55wt%、Cr17.42wt
%、Mo2.53wt%、残部Feからなるものであっ
て、鉄粉末は99.99wt%のものを使用した。焼成
条件は、Ti(C,N)−Fe系が1600℃、1時間
であり、Ti(C,N)−SUS316L系が1550
℃、1時間であった。図10〜図14より明らかなよう
に、それぞれ相対密度、曲げ強度、破壊靭性、硬度及び
耐酸性に関して、助材としてSUS316Lが鉄よりも
優れている。
【0024】本発明は、以上説明した実施例に限定され
るものではない。例をあげると、SUS304L、SU
S317L、SUS410L、SUS416L、SUS
430Lである。
【0025】また、トルエン溶液による湿式混合に限ら
ず、その他の溶液による湿式混合を採用できる。
【0026】また、結合剤は、パラフィンおよびステア
リン酸に限らず、その他の結合剤を採用できる。
【0027】
【発明の効果】本発明によれば、高強度かつ高靭性であ
り、しかも電気伝導性に優れた炭窒化チタン焼結体を製
造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】水素ガスの雰囲気中で焼結した本発明の実施例
による炭窒化チタン焼結体の相対密度と助剤添加率の関
係を示すグラフ。
【図2】窒素ガスの雰囲気中で焼結した本発明の実施例
による炭窒化チタン焼結体の相対密度と助剤添加率の関
係を示すグラフ。
【図3】水素ガスの雰囲気中で焼結した本発明の実施例
による炭窒化チタン焼結体の曲げ強度と助剤添加率の関
係を示すグラフ。
【図4】窒素ガスの雰囲気中で焼結した本発明の実施例
による炭窒化チタン焼結体の曲げ強度と助剤添加率の関
係を示すグラフ。
【図5】水素ガスの雰囲気中で焼結した本発明の実施例
による炭窒化チタン焼結体の破壊靭性と助剤添加率の関
係を示すグラフ。
【図6】窒素ガスの雰囲気中で焼結した本発明の実施例
による炭窒化チタン焼結体の破壊靭性と助剤添加率の関
係を示すグラフ。
【図7】炭化チタン焼結体の破面を1500倍に拡大し
て示す図。
【図8】炭窒化チタン焼結体の破面を1500倍に拡大
して示す図。
【図9】窒化チタン焼結体の破面を1500倍に拡大し
て示す図。
【図10】SUS316Lおよび鉄の粉末を助剤とした
Ti(C,N)焼結体の相対密度と助剤添加量の関係を
示すグラフ。
【図11】SUS316Lおよび鉄の粉末を助剤とした
Ti(C,N)焼結体の曲げ強度と助剤添加量の関係を
示すグラフ。
【図12】SUS316Lおよび鉄の粉末を助剤とした
Ti(C,N)焼結体の破壊靭性と助剤添加量の関係を
示すグラフ。
【図13】SUS316Lおよび鉄の粉末を助剤とした
Ti(C,N)焼結体の硬度と助剤添加量の関係を示す
グラフ。
【図14】耐酸性とくに重量減少率と浸漬時間の関係を
示すグラフ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小鷹 啓章 愛知県名古屋市港区築三町1丁目11番地 株式会社エス・ティー・ケー・セラミ ックス研究所内 (72)発明者 斎藤 肇 愛知県名古屋市港区築三町1丁目11番地 株式会社エス・ティー・ケー・セラミ ックス研究所内

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 炭窒化チタン粉70〜95重量%にステ
    ンレス鋼粉5〜30重量%を湿式混合して得られたスラ
    リーを乾燥してから、造粒し、その造粒粉を加圧成形し
    て得られた圧粉体を1400〜1700℃の焼成温度で
    無加圧焼成することを特徴とする炭窒化チタン焼結体の
    製造方法。
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