JP3735397B2 - 窒化チタン焼結体及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化チタン焼結体及びその製造方法に関し、特に低温で常圧焼結できる窒化チタン焼結体及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化チタンは、高硬度、高電導性、色調が金色である等の特徴を有し、切削工具等の耐摩耗部材、導電性部品、金メッキの代用等に利用されている。この窒化チタンは焼結が極めて難しいため、これら窒化チタンの特徴を活かした利用については、ＣＶＤ法、イオンプレーティング法等により金属あるいはセラミックスの母材に窒化チタンをコーティングして用いられているのが一般的である。しかし、コーティングしたものはコーティング膜の摩耗、はがれ等の問題があるため、部材全体が窒化チタン質の焼結体であることが望まれている。
【０００３】
その焼結体を製造する方法としては、窒化チタン粉末が極めて難焼結性であるため、単体ではホットプレス法を用いても緻密な焼結体を得ることは困難であることから、焼結助剤を添加してホットプレスで焼結するという方法が採られている。例えば、日本セラミックス協会学術論文誌１０１［３］２７９−２８４（１９９３）では、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃、Ｂ₄Ｃが焼結助剤として有効であり、これらの助剤を用いてホットプレスを行った場合に相対密度９６〜９８％の緻密体が得られたと述べられている。
【０００４】
また、他の方法として最近では特開平６−５６５３１によると、六方晶窒化ホウ素を焼結助剤として添加し焼結すれば、常圧焼結でも相対密度９６〜９９．９％の緻密体が得られたと述べられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記前者の例では焼結方法がホットプレス法であるため、任意形状を工業的に製造する方法としては適しておらず、また後者の例では常圧焼結の方法であってもその焼結温度が１９００℃以上と非常に高温が必要であるという問題があった。
【０００６】
本発明は、上述した従来の窒化チタン焼結体及びその製造方法が有する課題に鑑みなされたものであって、その目的は、常圧焼結することができ、しかもその焼結温度を極めて低くすることができる窒化チタン焼結体及びその製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記目的を達成するため鋭意研究した結果、窒化チタンにＹ₂Ｏ₃、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄及び窒化けい素の焼結助剤を加えた組成とすれば、常圧でしかも極めて低い温度で焼結しても緻密で高強度の窒化チタンが得られるとの知見を得、本発明を完成した。
【０００８】
即ち本発明は、（１）窒素ガス雰囲気中で１５００〜１７００℃の温度で常圧焼結により得られる窒化チタン焼結体であって、窒化チタンに焼結助剤としてＹ₂ Ｏ₃ ／ＭｇＡｌ₂ Ｏ₄ が重量比で１／４〜２／１にあるＹ₂ Ｏ₃ 及びＭｇＡｌ₂ Ｏ₄ を３〜２０重量％含み、さらに窒化けい素を５〜３０重量％含んだ組成であり、かつ、相対密度が９５％を超えると共に曲げ強度も５００ＭＰａ以上であることを特徴とする窒化チタン焼結体（請求項１）とし、また本発明は、（２）窒化チタン粉末にＹ₂ Ｏ₃ ／ＭｇＡｌ₂ Ｏ₄が重量比で１／４〜２／１にあるＹ₂ Ｏ₃ 及びＭｇＡｌ₂Ｏ₄ の粉末を３〜２０重量％、窒化けい素粉末を５〜３０重量％添加して混合し、その混合物を成形して窒素ガス雰囲気中で１５００〜１７００℃の温度で常圧焼結することを特徴とする相対密度が９５％を超えると共に曲げ強度も５００ＭＰａ以上の窒化チタン焼結体の製造方法（請求項２）とすることを要旨とする。以下にさらに詳細に説明する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
上記（１）の焼結助剤のうちＹ₂Ｏ₃及びＭｇＡｌ₂Ｏ₄については、そのＹ₂Ｏ₃／ＭｇＡｌ₂Ｏ₄が重量比で１／４〜２／１であるとし、その含有量が３〜２０重量％であるとした。Ｙ₂Ｏ₃及びＭｇＡｌ₂Ｏ₄の含有量とともにＹ₂Ｏ₃／ＭｇＡｌ₂Ｏ₄の比率も極めて重要であり、これら含有量及び比率がこの範囲にないと常圧でしかも低い温度での焼結は難しく、緻密な焼結体にならない。
【００１０】
また、窒化けい素については、５〜３０重量％とした。５重量％より少ないとやはり緻密な焼結体にならない。含有量が多いのは緻密な焼結体になるという点では問題ないが、その量が多すぎると窒化チタン本来の特徴、例えば導電性等の性能が低下するので３０重量％以下が好ましい。
【００１１】
上記（２）の製造方法については、窒化チタン粉末に（１）の組成となるようにＹ₂ Ｏ₃ 、ＭｇＡｌ₂ Ｏ₄ 及び窒化けい素粉末を添加して配合、混合、成形し、その成形体を窒素ガス雰囲気中で１５００〜１７００℃の温度で常圧焼結することとした。使用する原料はいずれも市販の工業用粉末を用いることができ、その粉末の粒径としては細かい方が望ましく、窒化チタン、Ｙ₂ Ｏ₃ 及びＭｇＡｌ₂ Ｏ₄ 粉末においては、２μｍ以下が、窒化けい素粉末においては１μｍ以下が好ましい。これより粗くても焼結体の相対密度や強度が急激には低下しないが、粗ければ粗いほど相対密度や強度の低下が大きくなるので好ましくない。
【００１２】
また、これら原料はいずれかが欠けても緻密な焼結体は得られず、これら原料の配合が本発明の規定範囲内にあれば、常圧で焼結でき、しかも１５００℃以上の低い温度でも緻密に焼結できる。１５００℃より低すぎると緻密に焼結できない。上限は２０００℃程度まで差し支えないが、あまり温度が高すぎると低温焼結できる効果が薄れてしまうので１７００℃以下が好ましい。焼結時間については、成形体の大きさ等により異なるが通常は１〜３時間程度で緻密化は完了する。
【００１３】
本発明の窒化チタン焼結体の製造方法をさらに詳細に述べると、平均粒径が２μｍ以下の窒化チタン粉末に、焼結助剤として２μｍ以下のＹ₂Ｏ₃及びＭｇＡｌ₂Ｏ₄粉末をＹ₂Ｏ₃／ＭｇＡｌ₂Ｏ₄の比が重量比で１／４〜２／１となるように、またその含有量が３〜２０重量となるように添加し、さらに１μｍ以下の窒化けい素粉末を５〜３０重量％添加して、これら原料をボールミル等の慣用の方法で混合する。その混合物をプレス等の慣用の方法で成形し、Ｎ₂ガス雰囲気中で１５００〜１７００℃の温度で常圧焼結することで極めて緻密な窒化チタン焼結体が得られる。
【００１４】
以上述べた通りの方法で製造すれば、常圧焼結でしかも極めて低温の焼結によって十分に緻密で高密度な窒化チタン焼結体を得ることができる。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明の実施例を比較例と共に挙げ、本発明をより詳細に説明する。
【００１６】
（実施例１〜８）
（１）焼結体の作製
原料として平均粒径が０．７μｍの窒化チタン粉末に、平均粒径が１．５μｍのＹ₂Ｏ₃粉末、平均粒径が０．８μｍのＭｇＡｌ₂Ｏ₄粉末及び平均粒径が０．６μｍのα型窒化けい素粉末を表１に示す組成となるように添加し、メタノールを分散媒としてポットミルで混合後乾燥した。この粉末をプレス成形して縦５０ｍｍ、横３５ｍｍ、厚さ７ｍｍの成形体を作製した。この成形体をＮ₂ガス雰囲気下で表１に示す温度で３時間常圧焼結した。
【００１７】
（２）評価
得られた焼結体の相対密度は、アルキメデス法により嵩密度を測定して求めた。また曲げ強度は、ＪＩＳ−Ｒ１６０１による３点曲げ強度試験により求めた。それらの結果を表１に示す。
【００１８】
（比較例１〜５）
比較のために、実施例と同じ原料を用い、表１に示す組成となるように焼結助剤を添加し、実施例と同様に焼結体を作製し、この焼結体を実施例と同じく評価した。その結果を表１に示す。
【００１９】
表１からわかるように、実施例においては、本発明で規定した方法で製造しているので、相対密度が９５％を超える緻密体となっていると共に曲げ強度も５００ＭＰａ以上の高強度体となっている。
【００２０】
これに対して比較例１では、窒化けい素の含有量が本発明の範囲外の３重量％と少ないため、比較例２では、Ｙ₂Ｏ₃／ＭｇＡｌ₂Ｏ₄の比が同様４／１と大きいため、比較例３では、Ｙ₂Ｏ₃及びＭｇＡｌ₂Ｏ₄の含有量が同様２重量％と少ないため、比較例４では、Ｙ₂Ｏ₃／ＭｇＡｌ₂Ｏ₄の比が同様１／９と小さいため、比較例５では、Ｙ₂Ｏ₃及びＭｇＡｌ₂Ｏ₄の含有量が同様２５重量％と多いため相対密度、曲げ強度のいずれも低かった。
【００２１】
【発明の効果】
以上の通り、本発明の方法で製造することにより、常圧焼結でしかも極めて低温の焼結によって、相対密度が９５％を超えると共に曲げ強度も５００ＭＰａ以上と緻密で高強度の窒化チタン焼結体を得ることができるようになった。これにより、コーティングによらない部材全体が高強度の焼結体による窒化チタンの作製が極めて容易となった。

Claims (2)

1. 窒素ガス雰囲気中で１５００〜１７００℃の温度で常圧焼結により得られる窒化チタン焼結体であって、窒化チタンに焼結助剤としてＹ₂ Ｏ₃ ／ＭｇＡｌ₂ Ｏ₄ が重量比で１／４〜２／１にあるＹ₂ Ｏ₃ 及びＭｇＡｌ₂ Ｏ₄ を３〜２０重量％含み、さらに窒化けい素を５〜３０重量％含んだ組成であり、かつ、相対密度が９５％を超えると共に曲げ強度も５００ＭＰａ以上であることを特徴とする窒化チタン焼結体。
2. 窒化チタン粉末にＹ₂ Ｏ₃ ／ＭｇＡｌ₂ Ｏ₄が重量比で１／４〜２／１にあるＹ₂ Ｏ₃ 及びＭｇＡｌ₂Ｏ₄ の粉末を３〜２０重量％、窒化けい素粉末を５〜３０重量％添加して混合し、その混合物を成形して窒素ガス雰囲気中で１５００〜１７００℃の温度で常圧焼結することを特徴とする相対密度が９５％を超えると共に曲げ強度も５００ＭＰａ以上の窒化チタン焼結体の製造方法。