[go: up one dir, main page]

JP6344844B2 - Boron carbide / titanium boride composite ceramics and method for producing the same - Google Patents

Boron carbide / titanium boride composite ceramics and method for producing the same Download PDF

Info

Publication number
JP6344844B2
JP6344844B2 JP2014028174A JP2014028174A JP6344844B2 JP 6344844 B2 JP6344844 B2 JP 6344844B2 JP 2014028174 A JP2014028174 A JP 2014028174A JP 2014028174 A JP2014028174 A JP 2014028174A JP 6344844 B2 JP6344844 B2 JP 6344844B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
boron carbide
boron
titanium boride
vol
titanium
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2014028174A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2015151323A (en
Inventor
健 廣田
健 廣田
将樹 加藤
将樹 加藤
直希 後藤
直希 後藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Doshisha Co Ltd
Original Assignee
Doshisha Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Doshisha Co Ltd filed Critical Doshisha Co Ltd
Priority to JP2014028174A priority Critical patent/JP6344844B2/en
Publication of JP2015151323A publication Critical patent/JP2015151323A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6344844B2 publication Critical patent/JP6344844B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Ceramic Products (AREA)

Description

本発明は、高硬度セラミックス、特に炭化ホウ素/ホウ化チタン(B4C/ TiB2)コンポジットセラミックス及びその作製法に関する。 The present invention relates to high-hardness ceramics, particularly boron carbide / titanium boride (B 4 C / TiB 2 ) composite ceramics and a method for producing the same.

炭化ホウ素(B4C)は、軽量(理論密度Dx=2.515 Mg・m-3)で、高融点(Tm=2450℃)の物質として知られており、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素(c-BN)に次ぐ硬度(ビッカース硬度Hv:29〜33 GPa)を有し、その熱伝導率λは27〜28.9 W/mKで、電気抵抗率ρは0. 3〜0.8Ω・cmである。このような炭化ホウ素は、工業的には酸化ホウ素と炭素の混合物を強熱して製造されるが、例えば下記の特許文献1には、非晶質前駆体を用いて低温合成する方法が開示されている。しかしながら、上記の物性を有する炭化ホウ素は、靭性値が小さく、これを切削工具として使用した際、被加工物が硬いときには、その硬度や熱伝導率が十分であるとは言えない。 Boron carbide (B 4 C) is a lightweight (theoretical density Dx = 2.515 Mg · m -3 ) and known as a material with a high melting point (Tm = 2450 ° C). Diamond, cubic boron nitride (c-BN) ) (Vickers hardness Hv: 29 to 33 GPa), the thermal conductivity λ is 27 to 28.9 W / mK, and the electrical resistivity ρ is 0.3 to 0.8 Ω · cm. Such boron carbide is industrially produced by igniting a mixture of boron oxide and carbon. For example, Patent Document 1 below discloses a method of low-temperature synthesis using an amorphous precursor. ing. However, boron carbide having the above-mentioned physical properties has a small toughness value, and when it is used as a cutting tool, it cannot be said that the hardness and thermal conductivity are sufficient when the workpiece is hard.

一方、金属ホウ化物では、最も硬いホウ化チタンTiB2 (Tm=3220℃,Dx= 4.495 Mg・m-3) のHvは35 GPaとB4Cよりも硬く、かつ熱伝導率λは36〜69.8 W/mKと高く、例えば下記の非特許文献1には、ホットプレスによる焼結法が開示されている。しかしながら、ホウ化チタンの電気抵抗率ρは8.7〜14.1×106Ω・cmで、絶縁性であるために、精密な部品を作製する手法である放電加工を行うことができない。
そして、B4CもTiB2 も高融点の共有結合性化合物であり、難焼結性のため、緻密なセラミックスを作製することが困難である、といった問題点があった。
On the other hand, in the metal boride, Hv of the hardest titanium boride TiB 2 (Tm = 3220 ° C, Dx = 4.495 Mg · m -3 ) is harder than 35 GPa and B 4 C, and the thermal conductivity λ is 36 ~ As high as 69.8 W / mK, for example, the following Non-Patent Document 1 discloses a sintering method by hot pressing. However, since the electrical resistivity ρ of titanium boride is 8.7 to 14.1 × 10 6 Ω · cm and is insulative, electrical discharge machining, which is a technique for producing precise parts, cannot be performed.
Both B 4 C and TiB 2 are high melting point covalently bonded compounds, and there is a problem that it is difficult to produce dense ceramics due to the difficulty of sintering.

特開2003-277039号公報JP 2003-277039 A

Ronald G. Munro, J.Res.Inst.Stand.Technol.105,709-720(2000)Ronald G. Munro, J. Res. Inst. Stand. Technol. 105, 709-720 (2000)

本発明は、硬度Hv 40 GPa以上、相対密度が95%以上で導電性を有する炭化ホウ素/ホウ化チタンコンポジットセラミックスを作製可能な方法を提供することを課題とする。
本発明者等は、種々検討を行った結果、非晶質微粒子(粒子径Ps約30 nm)のホウ素B、 炭素C、及び微粒子のTiN(Ps約20 nm)を所定のモル比に均質混合し、圧粉体を作製し、これを1900℃/30MPa/10minの条件で、パルス通電加圧焼結(Pulsed Electric-current Pressure Sintering:PECPS)すると、PECPS熱処理時に自己燃焼合成反応(SHS)が誘起されて、外部加熱温度以上に試料内部の温度が上昇し、これによって、緻密なB4C/TiB2のコンポジットセラミックスが作製でき、最初に配合したTiNの添加量が0.5〜1.5 vol% (TiB2としては0.67〜2.0vol%) の時に、硬度Hvは40 GPa以上、相対密度95%以上で導電性の高密度セラミックス(炭化ホウ素/ホウ化チタンコンポジットセラミックス)が得られることを見出して、本発明を完成した。
An object of the present invention is to provide a method capable of producing a conductive boron carbide / titanium boride composite ceramic having a hardness of Hv 40 GPa or more and a relative density of 95% or more.
As a result of various studies, the present inventors have uniformly mixed boron B, carbon C of amorphous fine particles (particle diameter Ps about 30 nm), and TiN (Ps about 20 nm) of fine particles in a predetermined molar ratio. When a green compact is produced and this is subjected to pulsed electric-current pressure sintering (PECPS) under the conditions of 1900 ° C / 30MPa / 10min, the self-combustion synthesis reaction (SHS) occurs during PECPS heat treatment. When induced, the temperature inside the sample rises above the external heating temperature, which makes it possible to produce dense B 4 C / TiB 2 composite ceramics, and the amount of TiN added initially is 0.5-1.5 vol% ( When TiB 2 is 0.67 to 2.0 vol%), it has been found that conductive high density ceramics (boron carbide / titanium boride composite ceramics) can be obtained with a hardness Hv of 40 GPa or more and a relative density of 95% or more. The present invention has been completed.

上記課題を解決可能な本発明の炭化ホウ素/ホウ化チタンコンポジットセラミックスの作製法は、
非晶質ホウ素と非晶質炭素をB:C=4:1のモル比となるように秤量し、湿式混合を行ない、非晶質ホウ素と非晶質炭素とから成る出発原料を調製する工程と、
前記出発原料から合成される炭化ホウ素に対して内割りで0.5〜1.5 vol.%のチッ化チタンを準備し、当該チッ化チタンを前記出発原料に添加して、水及びアルコールから選択される溶媒中にて分散処理し、乾燥を行なって混合粉を得る工程と、
前記混合粉を用いて金型成形を行い、所望の形状を有した成形体を得、得られた成形体を冷間静水圧プレス処理した後、パルス通電加圧焼結して炭化ホウ素/ホウ化チタンコンポジットセラミックスを合成同時焼結する工程
を含む。
The method for producing the boron carbide / titanium boride composite ceramic of the present invention capable of solving the above problems is as follows.
A step of weighing amorphous boron and amorphous carbon to a molar ratio of B: C = 4: 1 and performing wet mixing to prepare a starting material composed of amorphous boron and amorphous carbon When,
Prepare 0.5 to 1.5 vol.% Titanium nitride internally divided into boron carbide synthesized from the starting material, add the titanium nitride to the starting material, and a solvent selected from water and alcohol A dispersion treatment in the interior and drying to obtain a mixed powder;
Molding is performed using the mixed powder to obtain a molded body having a desired shape, and the obtained molded body is subjected to cold isostatic pressing, followed by pulsed current pressure sintering to boron carbide / boron. A step of synthesizing and simultaneously sintering titanium composite ceramics.

又、本発明は、上記の特徴を有した炭化ホウ素/ホウ化チタンコンポジットセラミックスの作製法において、前記のパルス通電加圧焼結が、10 Pa以下の真空中で、10〜100 MPaの加圧力、1800〜2000℃の焼結温度、および5〜30分の保持時間の条件にて行なわれることを特徴とするものでもある。   The present invention is also directed to a method for producing a boron carbide / titanium boride composite ceramic having the above-mentioned characteristics, wherein the pulsed current pressure sintering is a pressure of 10 to 100 MPa in a vacuum of 10 Pa or less. , 1800 to 2000 ° C. sintering temperature, and 5 to 30 minutes holding time.

更に、上記の作製法を用いて製造される本発明の炭化ホウ素/ホウ化チタンコンポジットセラミックスは、炭化ホウ素/ホウ化チタンの体積比が99.33/0.67〜98.0/2.0であり、相対密度が95%以上、ビッカース硬度40 GPa以上で、しかも破壊靭性値が5 MPa・m 1/2 以上であることを特徴とする。 Moreover, boron carbide / titanium boride composite ceramic of the present invention produced by the manufacturing method described above, the volume ratio of boron carbide / titanium boride 99.33 / 0.67 to 98.0 / 2.0 der is, a relative density of 95 % or more, Vickers hardness of 40 GPa or more, yet fracture toughness value, characterized in der Rukoto 5 MPa · m 1/2 or more.

本発明の作製法により得られる炭化ホウ素/ホウ化チタンコンポジットセラミックスは相対密度が高く、しかも、優れた機械的特性(特に高硬度)を有しているので、例えば立方晶窒化ホウ素に代わる新しい超硬材料工具として好適である。   The boron carbide / titanium boride composite ceramics obtained by the production method of the present invention have a high relative density and excellent mechanical properties (particularly high hardness). Suitable as a hard material tool.

炭化ホウ素/ホウ化チタンコンポジットセラミックスを作製するための本発明の方法における好ましい一例の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of a preferable example in the method of this invention for producing a boron carbide / titanium boride composite ceramics. B4C /TiNの配合割合を変化させ、1900℃/10分/30MPaの条件にて焼結されたセラミックスのXRDパターンであり、BC/TiN=(a)100/0, (b)99.9/0.1, (c)99.5/0.5, (d)99/1及び(e)98/2 vol%である。B 4 C / TiN changing the mixing ratio of a XRD pattern of the sintered ceramic at 1900 ° C. / 10 min / 30 MPa conditions, B 4 C / TiN = ( a) 100/0, (b) 99.9 / 0.1, (c) 99.5 / 0.5, (d) 99/1 and (e) 98/2 vol%. (4B:1C)/2vol% TiN混合粉をPECPS処理して作製したBC/2.69vol% TiBコンポジットの破断表面についてのSEM写真であり、(a)と(d)はSEI画像、(b)と(c)はBEI画像である。(4B: 1C) / a 2 vol% TiN powder mixture is an SEM photograph of the PECPS treated B 4 was produced C / 2.69vol% TiB 2 composite fracture surface, and (a) (d) is SEI image, ( b) and (c) are BEI images. B4C/2vol% TiN組成焼結体のエネルギー分散型X線分析(EDS分析)結果が示されており、(a)は白い部分の分析結果で、(b)はマトリックス部分の分析結果である。The energy dispersive X-ray analysis (EDS analysis) results of the B 4 C / 2vol% TiN composition sintered body are shown. (A) is the analysis result of the white part, (b) is the analysis result of the matrix part. is there. B4C/2vol% TiN組成焼結体の針状粒子部分のEDS分析結果である。B is a 4 EDS analysis results of acicular particles portion of the C / 2 vol% TiN composition sintered body. TiN添加量の関数としてのB4C/TiB2コンポジットの機械的特性を示すグラフであり、(a)がビッカース硬度Hv、(b)が破壊靭性値KICである。 2 is a graph showing mechanical properties of a B 4 C / TiB 2 composite as a function of TiN addition amount, where (a) is a Vickers hardness Hv and (b) is a fracture toughness value K IC .

まず、本発明の炭化ホウ素/ホウ化チタンコンポジットセラミックスの作製法における各工程について説明する。図1は、本発明の作製法における好ましい一例の手順を示すフローチャートである。
最初の工程では、非晶質ホウ素と非晶質炭素をモル比がB:C=4:1となるように秤量し、湿式混合を行なって、非晶質ホウ素と非晶質炭素とが均質に混合された出発原料を調製するが、この際、非晶質ホウ素及び非晶質炭素としては市販品をそのまま使用することができ、粒子径としては平均粒径10 nm〜60 nm(BET法で測定した比表面積から求めた平均粒径)程度のものを使用することが好ましい。
非晶質ホウ素と非晶質炭素との湿式混合においては、アルミナ製の乳鉢と乳棒を用いてアルコール(例えばエタノール)中で一定時間混合を行なうのが好ましいが、これに限定されるものではない。
First, each step in the method for producing a boron carbide / titanium boride composite ceramic of the present invention will be described. FIG. 1 is a flowchart showing a preferred example procedure in the production method of the present invention.
In the first step, amorphous boron and amorphous carbon are weighed so that the molar ratio is B: C = 4: 1 and wet-mixed, so that amorphous boron and amorphous carbon are homogeneous. In this case, commercially available products can be used as they are as amorphous boron and amorphous carbon, and the average particle size is 10 nm to 60 nm (BET method). It is preferable to use those having an average particle diameter (determined from the specific surface area measured in step 1).
In the wet mixing of amorphous boron and amorphous carbon, it is preferable to mix in an alcohol (for example, ethanol) for a certain period of time using an alumina mortar and pestle, but the invention is not limited to this. .

次の工程においては、前記の非晶質ホウ素と非晶質炭素の混合物から合成される炭化ホウ素の理論上の体積に基づいて内割りで0.5〜1.5 vol.% (より好ましくは0.8〜1.2 vol.%)となる量のチッ化チタン(平均粒径10 nm〜40 nm(BET法で測定した比表面積から求めた平均粒径)を準備し、このチッ化チタンを前記出発原料に添加して、水及びアルコールから選択される溶媒中で、例えば超音波ホモジナイザーを用いて分散処理し、チッ化チタンを均一に分散させ、その後、乾燥を行って混合粉を得る。   In the next step, 0.5 to 1.5 vol.% (More preferably 0.8 to 1.2 vol.) Is calculated based on the theoretical volume of boron carbide synthesized from the mixture of amorphous boron and amorphous carbon. %) Of titanium nitride (average particle size 10 nm to 40 nm (average particle size determined from the specific surface area measured by the BET method)), and adding this titanium nitride to the starting material In a solvent selected from water and alcohol, for example, an ultrasonic homogenizer is used for dispersion treatment to uniformly disperse titanium nitride, followed by drying to obtain a mixed powder.

最終の工程においては、前記工程で得られた混合粉を用いて成形を行い、所望の形状の成形体を得、得られた成形体を冷間静水圧プレス(CIP)処理した後、パルス通電加圧焼結により炭化ホウ素/ホウ化チタンコンポジットセラミックスを合成同時焼結する。
この工程における成形体の形成手段としては一軸金型成形が一般的であるが、これに限定されるものではない。又、本発明では、パルス通電加圧焼結する前の成形体を真空中で加熱して、成形体を構成する微粒子表面の水分や吸着ガスを除去することが好ましい。
本明細書中で「合成同時焼結」とは、出発原料の均質な混合物(特定量のチッ化チタンを含むホウ素と炭素の混合物)から緻密な焼結体(炭化ホウ素/ホウ化チタンコンポジットセラミックス)を作製することを指し示すものとする。
In the final step, molding is performed using the mixed powder obtained in the above step to obtain a molded body having a desired shape, and the obtained molded body is subjected to cold isostatic pressing (CIP) treatment, followed by pulse energization. A boron carbide / titanium boride composite ceramic is synthesized and sintered simultaneously by pressure sintering.
As a means for forming a molded body in this step, uniaxial mold molding is generally used, but is not limited thereto. Further, in the present invention, it is preferable to remove the moisture and adsorbed gas from the surface of the fine particles constituting the compact by heating the compact before being subjected to pulsed current pressure sintering in a vacuum.
In this specification, “synthetic co-sintering” refers to a dense sintered body (boron carbide / titanium boride composite ceramics) from a homogeneous mixture of starting materials (a mixture of boron and carbon containing a specific amount of titanium nitride). ) Shall be indicated.

本発明の作製法におけるパルス通電加圧焼結(PECPS)は、市販のパルス通電加圧焼結装置を用いて実施することができる。
パルス通電加圧焼結の場合、一軸加圧下(10〜100 MPa)において、低電圧(数V)でパルス状直流大電流(数10〜数100 A:この電流値は試料の大きさによって変化する)をカーボンプランジャー・モールドに流し、成形体中に火花放電現象を誘起し、瞬時に粒子間に高エネルギーを発生させて試料を焼結することができ、急激なジュール加熱により溶解と高速拡散、及び自己燃焼合成(SHS: Self-propagating High-temperature Synthesis)が生じる。そして、高圧下、高速昇温(50〜100℃/min)、短時間焼結(5〜30min)により、粒成長を抑えた緻密な焼結体(高密度、微細結晶粒径)を得ることができる。
本発明では、非晶質のホウ素Bと炭素Cとチッ化チタンTiNの混合粉体をパルス通電加圧焼結することにより、加熱昇温時に元素混合粉体から自己燃焼合成によりB4Cを生成させることができ、さらにTiN+3B→TiB2+BNとなり、TiB2粒子とB4C及びBNが生成し、その時の生成熱により外部加熱温度よりも試料内部の温度が高くなることも誘因として緻密な焼結体が得られる。
Pulse electric pressure sintering (PECPS) in the production method of the present invention can be carried out using a commercially available pulse electric pressure sintering.
In the case of pulsed current pressure sintering, pulsed DC large current (several tens to several hundreds A) with low voltage (several V) under uniaxial pressure (10 to 100 MPa): this current value varies depending on the size of the sample To the carbon plunger mold to induce a spark discharge phenomenon in the compact, instantly generate high energy between the particles and sinter the sample. Diffusion and self-propagating high-temperature synthesis (SHS) occurs. And to obtain a dense sintered body (high density, fine crystal grain size) with suppressed grain growth by high-speed heating (50-100 ° C / min) and short-time sintering (5-30 min) under high pressure Can do.
In the present invention, a mixed powder of amorphous boron B, carbon C, and titanium nitride TiN is subjected to pulsed current pressure sintering, so that B 4 C is formed from the element mixed powder by self-combustion synthesis at the time of heating and heating. In addition, TiN + 3B → TiB 2 + BN, TiB 2 particles and B 4 C and BN are generated, and the generated heat at that time causes the internal temperature of the sample to be higher than the external heating temperature. As a result, a dense sintered body can be obtained.

本発明の作製法におけるパルス通電加圧焼結は、10 Pa以下の真空中で、10〜100 MPaの加圧力、1800〜2000℃の焼結温度、および5〜30分の保持時間の条件にて行なわれることが好ましく、より好ましいパルス通電加圧焼結の条件は、10 Pa以下の真空下、焼結温度1850〜1950℃、保持時間7〜15分、加圧力25〜35 MPaであり、1900℃/30MPa/10minの条件が特に好ましい。この際、加圧力が10 MPa未満では焼結密度が低くなり、逆に100 MPaを超えるとパルス通電加圧焼結に使用する金型の強度に上限があり使用出来なくなる。又、焼結温度が1800℃未満になると、低密度となり、逆に2000℃を超えると粒成長しやすくなるので好ましくない。尚、保持時間については5〜30分で充分緻密化する。   The pulse current pressure sintering in the production method of the present invention is performed under the conditions of a pressure of 10 to 100 MPa, a sintering temperature of 1800 to 2000 ° C., and a holding time of 5 to 30 minutes in a vacuum of 10 Pa or less. More preferably, the conditions of pulsed current pressure sintering are under a pressure of 10 Pa or less, a sintering temperature of 1850 to 1950 ° C., a holding time of 7 to 15 minutes, a pressing force of 25 to 35 MPa, The condition of 1900 ° C./30 MPa / 10 min is particularly preferred. At this time, if the applied pressure is less than 10 MPa, the sintering density becomes low. Conversely, if the applied pressure exceeds 100 MPa, the strength of the mold used for pulse current compression sintering has an upper limit and cannot be used. On the other hand, if the sintering temperature is less than 1800 ° C., the density is low, and if it exceeds 2000 ° C., grain growth tends to occur, which is not preferable. The holding time is sufficiently densified in 5 to 30 minutes.

本発明における、非晶質ホウ素と非晶質炭素の混合物から合成される炭化ホウ素に対するTiNの添加量は、内割りで0.5〜1.5 vol% (TiB2としては0.67〜2.0vol%) であり、この場合に、硬度Hv40 GPa以上、相対密度95%以上で、導電性の高密度炭化ホウ素/ホウ化チタンコンポジットセラミックスが得られる。
これに対し、難焼結性のB4CおよびTiB2の市販の粉体の混合物を用いて上記と同様の低温短時間焼結を行っても、相対密度が95%以上という高密度セラミックスを作製することはできず、また、硬度も40 GPa以上に達しない。
以下、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は実施例により限定されるものではない。
In the present invention, the addition amount of TiN for boron carbide synthesized from a mixture of amorphous boron and amorphous carbon is 0.5 to 1.5 vol% at the inner split (0.67~2.0vol% as TiB 2), In this case, a conductive high-density boron carbide / titanium boride composite ceramic having a hardness of Hv 40 GPa or more and a relative density of 95% or more is obtained.
On the other hand, high-density ceramics with a relative density of 95% or more can be obtained even when low-temperature and short-time sintering similar to the above is performed using a mixture of non-sinterable B 4 C and TiB 2 commercial powders. It cannot be produced and the hardness does not reach 40 GPa or more.
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely based on an Example, this invention is not limited by an Example.

[高硬度炭化ホウ素/ホウ化チタンコンポジットセラミックスの作製例]
市販の非晶質ホウ素(平均粒径:30 nm)と非晶質炭素(平均粒径:30 nm)を、モル比がB:C=4:1となるように秤量し、アルミナ製の乳鉢と乳棒を用いてエタノール中30分間湿式混合を行ない、出発原料を調製した。
一方、市販のチッ化チタン(平均粒径:20 nm)を、前記の非晶質ホウ素と非晶質炭素の混合物から合成される炭化ホウ素B4Cに対して内割りで0.5 vol.%、1.0 vol.%となるように秤量し、これを前記出発原料に添加して、エタノール中で超音波ホモジナイザー(周波数20 kHz、出力300 W)を用いて30分間分散処理を行い、乾燥を行うことにより混合粉末を得た。そして、このようにして得られた混合粉末を整粒した後、一軸金型成形し(16.0 mmφ, 140 MPa)、ついで冷間静水圧(245 MPa)プレス処理を行った。その後、得られた成形体を熱処理(950℃/2h/真空)し、さらに、市販のパルス通電加圧焼結装置(SPSシンテックス(株)/SPS-510Aを使用)を用いて、10 Pa以下の真空下、焼結温度1900℃、保持時間10分、加圧力30 MPa、昇温速度100℃/分の条件でパルス通電加圧焼結を行い、焼結体(B4C/TiB2コンポジットセラミックス)を得た。
尚、比較品として、チッ化チタンの添加量を0 vol.%、 0.1 vol.%、2 vol.%、3 vol.%とする以外は、上記と同様の方法を用いて焼結体を製造した。
[Production example of high-hardness boron carbide / titanium boride composite ceramics]
Commercially available amorphous boron (average particle size: 30 nm) and amorphous carbon (average particle size: 30 nm) were weighed so that the molar ratio was B: C = 4: 1, and the mortar made of alumina And a pestle were used for 30 minutes in ethanol to prepare a starting material.
On the other hand, a commercially available titanium nitride (average particle size: 20 nm) is divided into 0.5 vol.% By an internal ratio with respect to boron carbide B 4 C synthesized from the mixture of amorphous boron and amorphous carbon. Weigh to 1.0 vol.%, Add this to the starting material, perform dispersion treatment in ethanol using an ultrasonic homogenizer (frequency 20 kHz, output 300 W) for 30 minutes, and dry To obtain a mixed powder. The mixed powder thus obtained was sized, then uniaxially molded (16.0 mmφ, 140 MPa), and then subjected to cold isostatic pressing (245 MPa). Thereafter, the obtained molded body was heat-treated (950 ° C./2 h / vacuum), and further, 10 Pa using a commercially available pulsed electric current pressure sintering apparatus (using SPS Syntex Co., Ltd./SPS-510A). Under the following vacuum, pulsed current pressure sintering was performed under the conditions of sintering temperature 1900 ° C, holding time 10 minutes, pressurization pressure 30 MPa, heating rate 100 ° C / min, and sintered body (B 4 C / TiB 2 Composite ceramic).
As a comparative product, a sintered body was manufactured using the same method as above except that the amount of titanium nitride added was 0 vol.%, 0.1 vol.%, 2 vol.%, 3 vol.%. did.

図2には、B4C/TiNの配合割合を変化させ、1900℃/10分/30MPaの条件にて焼結されたセラミックスのXRDパターンが示されており、(a)はBC/TiN=100/0 vol%, (b)はBC/TiN=99.9/0.1 vol%, (c)はBC/TiN=99.5/0.5 vol%, (d)は BC/TiN=99/1 vol%、(e)は BC/TiN=98/2 vol%の組成により得られたセラミックスのXRDパターンである。
図2のXRDパターンから、窒化チタンを添加した場合には、炭化ホウ素の生成の他に、ホウ化チタンと窒化ホウ素が生成していることが確認され、これは、窒化チタンが非晶質のホウ素と反応し、ホウ化チタンと窒化ホウ素が合成されたものと考えられる。又、合成反応により拡散が促されたことで緻密化が進行し、特性が上昇したものと考えられる。
FIG. 2 shows an XRD pattern of ceramics sintered under the conditions of 1900 ° C./10 minutes / 30 MPa while changing the blending ratio of B 4 C / TiN, (a) shows B 4 C / TiN = 100/0 vol%, (b) is B 4 C / TiN = 99.9 / 0.1 vol%, (c) is B 4 C / TiN = 99.5 / 0.5 vol%, (d) is B 4 C / TiN = 99/1 vol% and (e) are XRD patterns of ceramics obtained with a composition of B 4 C / TiN = 98/2 vol%.
From the XRD pattern of FIG. 2, it was confirmed that when titanium nitride was added, in addition to the formation of boron carbide, titanium boride and boron nitride were generated. This is because the titanium nitride is amorphous. It is considered that titanium boride and boron nitride were synthesized by reacting with boron. In addition, it is considered that the diffusion has been promoted by the synthesis reaction, so that the densification has progressed and the characteristics have been improved.

図3は、(4B:1C)/2vol% TiN混合粉をPECPS処理して作製したBC/2.69vol% TiBコンポジットの破断表面についての走査型電子顕微鏡(SEM)写真(FE-SEM、日本電子製、JSM 7000にて測定)であり、(a)と(d)は二次電子像(SEI)画像、(b)と(c)は反射電子像(BEI)画像である。倍率は、(a)が500倍、(b)が2,700倍、(c)が10,000倍、(d)が20,000倍で撮影している。
この図3のSEM写真から、(a)の低倍率の画像よりセラミックスの組織が均質で緻密であること、(b)の反射電子像から他の元素と比較して原子番号の大きい元素を含む粒子が白く見え、この白い粒径の揃った粒子が均一に分散していること(この白い粒子は,XRD解析と後述する図4のSEM画像の元素分析から,TiB2であると推定される)がわかる。(c)および(d)から、それぞれ白い粒子の直径が約0.3?1.0μmであり、表面に見える空洞には板状または針状の粒子が観察された。
FIG. 3 shows a scanning electron microscope (SEM) photograph (FE-SEM, B4 C / 2.69 vol% TiB 2 composite) of a fractured surface of B 4 C / 2.69 vol% TiB 2 composite prepared by (4B: 1C) / 2 vol% TiN mixed powder. (Measured with JSM 7000 manufactured by JEOL), (a) and (d) are secondary electron image (SEI) images, and (b) and (c) are backscattered electron image (BEI) images. (A) 500 times, (b) 2,700 times, (c) 10,000 times, (d) 20,000 times.
From the SEM photograph of FIG. 3, (a) the ceramic structure is more homogeneous and dense than the low magnification image, and (b) the backscattered electron image contains an element with a higher atomic number than other elements. The particles appear white and the particles with the same white particle size are uniformly dispersed (this white particle is estimated to be TiB 2 from the XRD analysis and the elemental analysis of the SEM image in Fig. 4 described later) ) From (c) and (d), the diameter of white particles was about 0.3 to 1.0 μm, and plate-like or needle-like particles were observed in the cavities visible on the surface.

図4には、B4C/2vol% TiN組成焼結体の破断表面についてのSEM写真及び、当該SEM写真における白く写っている箇所(a)と、黒く写っているマトリックス部分(b)を、エネルギー分散型X線分析装置(Energy Dispersive X-ray Spectrometer)を用いて分析(EDS分析)した際の結果が示されており、EDS分析の結果から、白い箇所(a)はTiB微粒子で、マトリックス部分(b)はBCであることが確認された。
又、図5には、B4C/2vol% TiN組成焼結体の破断表面についてのSEM写真及び、当該SEM写真における針状粒子の部分のEDS分析結果が示されており、EDS分析の結果から、針状粒子はBNであることが確認された。
In FIG. 4, a SEM photograph of the fracture surface of the B 4 C / 2 vol% TiN composition sintered body, a white portion (a) in the SEM photograph, and a matrix portion (b) in black, The result of analysis (EDS analysis) using an energy dispersive X-ray spectrometer (EDS analysis) is shown. From the result of EDS analysis, the white part (a) is TiB 2 fine particles, Matrix portion (b) was confirmed to be B 4 C.
FIG. 5 shows an SEM photograph of the fracture surface of the B 4 C / 2 vol% TiN composition sintered body, and an EDS analysis result of the acicular particle portion in the SEM photograph. From this, it was confirmed that the acicular particles were BN.

以下の表1には、真空中で1900℃/10分/30MPaにて焼結された種々のB4C/ TiB2コンポジットセラミックス(TiN添加量:0, 0.1, 0.5, 1.0, 2.0, 3.0 vol.%)のいくつかの特性が示されている。
この表1において、Dobsは嵩密度、Dxは理論密度、Dobs/Dxは相対密度、Hvはビッカース硬度、KICは破壊靭性値である。
Table 1 below shows various B 4 C / TiB 2 composite ceramics (TiN additions: 0, 0.1, 0.5, 1.0, 2.0, 3.0 vol.) Sintered at 1900 ° C / 10 min / 30 MPa in vacuum. .%) Some characteristics are shown.
In Table 1, D obs is a bulk density, D x is a theoretical density, D obs / D x is a relative density, H v is a Vickers hardness, and K IC is a fracture toughness value.

上記表1の結果は、TiNの添加量が2.0 vol.%以下の場合に、相対密度(Dobs/Dx)95.7%以上のB4C/ TiB2コンポジットセラミックスが製造できることを示している。そして、TiN添加量が0.5 vol.%と1.0 vol.%の場合においては、B4C単体のビッカース硬度Hv=34.4 GPaを上回るHv=40 GPa以上のB4C/ TiB2コンポジットセラミックスが得られ、しかもTiN添加量が1.0 vol.%の場合には破壊靭性値が5 MPa・m1/2を超えることを示している。 The results in Table 1 above show that B 4 C / TiB 2 composite ceramics having a relative density (D obs / D x ) of 95.7% or more can be produced when the amount of TiN added is 2.0 vol.% Or less. In addition, when the amount of TiN added is 0.5 vol.% And 1.0 vol.%, B 4 C / TiB 2 composite ceramics with Hv = 40 GPa or higher exceeding the Vickers hardness Hv = 34.4 GPa of B 4 C alone can be obtained. Moreover, when the TiN addition amount is 1.0 vol.%, The fracture toughness value exceeds 5 MPa · m 1/2 .

図6は、図5の実験データを基に、TiN添加量に対するB4C/TiB2コンポジットセラミックスの機械的特性を示すグラフであり、(a)がビッカース硬度Hv、(b)が破壊靭性値KICである。
図6のグラフから、TiN添加量を0.5 vol.%〜1.5 vol.%(TiB2としては0.67〜2.0vol%)の範囲とすることにより40 GPa以上のビッカース硬度を有し、かつ約5 MPa・m1/2以上の破壊靭性値を有するB4C/TiB2コンポジットセラミックスが作製できることがわかる。尚、前記表1の結果から、TiN添加量が0.5〜1.5 vol.%の時の相対密度は95%以上である。
本発明では、より好ましいTiN添加量の範囲は0.8 vol.%〜1.2 vol.%であり、この範囲においては42 GPa以上のビッカース硬度を有し、かつ5.5 MPa・m1/2以上の破壊靭性値を有するB4C/TiB2コンポジットセラミックスが作製できる。
FIG. 6 is a graph showing the mechanical properties of B 4 C / TiB 2 composite ceramics with respect to TiN addition based on the experimental data of FIG. 5, where (a) is Vickers hardness Hv and (b) is fracture toughness value. K IC .
From the graph of FIG. 6, it is possible to have a Vickers hardness of 40 GPa or more by setting the amount of TiN added in the range of 0.5 vol.% To 1.5 vol.% (0.67 to 2.0 vol% for TiB 2 ), and about 5 MPa. It can be seen that B 4 C / TiB 2 composite ceramics having fracture toughness values of m 1/2 or more can be produced. From the results shown in Table 1, the relative density when the TiN addition amount is 0.5 to 1.5 vol.% Is 95% or more.
In the present invention, a more preferable range of TiN addition amount is 0.8 vol.% To 1.2 vol.%, And in this range, it has a Vickers hardness of 42 GPa or more and a fracture toughness of 5.5 MPa · m 1/2 or more. B 4 C / TiB 2 composite ceramics with values can be produced.

このことから、本発明の作製法を用いることによって、相対密度が95%以上、ビッカース硬度40 GPa以上で、しかも破壊靭性値が約5 MPa・m1/2以上のB4C/TiB2コンポジットセラミックスを製造することができ、TiN添加量が1.0 vol.%の組成において、ビッカース硬度及び破壊靭性値が最も大きくなることがわかった。
尚、上記の本発明の作製法を用いて作製されたB4C/TiB2コンポジットセラミックスの電気抵抗率ρは0.3〜0.8Ω・cmであり、このセラミックスが導電性を有するものであることが確認された。
Therefore, by using the production method of the present invention, a B 4 C / TiB 2 composite having a relative density of 95% or more, a Vickers hardness of 40 GPa or more, and a fracture toughness value of about 5 MPa · m 1/2 or more. It was found that ceramics can be produced, and that the Vickers hardness and fracture toughness values are the largest in the composition where the amount of TiN added is 1.0 vol.%.
Note that the electrical resistivity ρ of the B 4 C / TiB 2 composite ceramics produced using the production method of the present invention described above is 0.3 to 0.8 Ω · cm, and that the ceramics have conductivity. confirmed.

本発明の作製法により得られる炭化ホウ素/ホウ化チタンコンポジットセラミックスは相対密度が高く、しかも、高硬度を有しているので超硬材料工具として有用である。   The boron carbide / titanium boride composite ceramics obtained by the production method of the present invention has high relative density and high hardness, and is useful as a superhard material tool.

Claims (3)

炭化ホウ素/ホウ化チタンコンポジットセラミックスを作製するための方法であって、
非晶質ホウ素と非晶質炭素をB:C=4:1のモル比となるように秤量し、湿式混合を行ない、非晶質ホウ素と非晶質炭素とから成る出発原料を調製する工程と、
前記出発原料から合成される炭化ホウ素に対して内割りで0.5〜1.5 vol.%のチッ化チタンを準備し、当該チッ化チタンを前記出発原料に添加して、さらに水及びアルコールから選択される溶媒中にて分散処理し、乾燥を行なって混合粉を得る工程と、
前記混合粉を用いて金型成形を行い、所望の形状を有した成形体を得、得られた成形体を冷間静水圧プレス処理した後、パルス通電加圧焼結して炭化ホウ素/ホウ化チタンコンポジットセラミックスを合成同時焼結する工程
を含むことを特徴とする炭化ホウ素/ホウ化チタンコンポジットセラミックスの作製法。
A method for making a boron carbide / titanium boride composite ceramic comprising:
A step of weighing amorphous boron and amorphous carbon to a molar ratio of B: C = 4: 1 and performing wet mixing to prepare a starting material composed of amorphous boron and amorphous carbon When,
Prepare 0.5 to 1.5 vol.% Titanium nitride internally divided from boron carbide synthesized from the starting material, add the titanium nitride to the starting material, and further selected from water and alcohol A step of dispersing in a solvent and drying to obtain a mixed powder;
Molding is performed using the mixed powder to obtain a molded body having a desired shape, and the obtained molded body is subjected to cold isostatic pressing, followed by pulsed current pressure sintering to boron carbide / boron. A method for producing a boron carbide / titanium boride composite ceramic, comprising a step of synthesizing and simultaneously sintering a titanium carbide composite ceramic.
前記のパルス通電加圧焼結が、10 Pa以下の真空中で、10〜100 MPaの加圧力、1800〜2000℃の焼結温度、および5〜30分の保持時間の条件にて行なわれることを特徴とする請求項1に記載の炭化ホウ素/ホウ化チタンコンポジットセラミックスの作製法。   The pulsed current pressure sintering is performed in a vacuum of 10 Pa or less under a pressure of 10 to 100 MPa, a sintering temperature of 1800 to 2000 ° C., and a holding time of 5 to 30 minutes. A process for producing a boron carbide / titanium boride composite ceramic according to claim 1. 炭化ホウ素/ホウ化チタンの体積比が99.33/0.67〜98.0/2.0であり、相対密度が95%以上、ビッカース硬度40 GPa以上で、しかも破壊靭性値が5 MPa・m 1/2 以上であることを特徴とする炭化ホウ素/ホウ化チタンコンポジットセラミックス。 The volume ratio of the boron carbide / titanium boride 99.33 / 0.67 to 98.0 / 2.0 der is, a relative density of 95% or more, Vickers hardness of 40 GPa or more, yet fracture toughness is 5 MPa · m 1/2 or more der Boron carbide / titanium boride composite ceramics.
JP2014028174A 2014-02-18 2014-02-18 Boron carbide / titanium boride composite ceramics and method for producing the same Expired - Fee Related JP6344844B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014028174A JP6344844B2 (en) 2014-02-18 2014-02-18 Boron carbide / titanium boride composite ceramics and method for producing the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014028174A JP6344844B2 (en) 2014-02-18 2014-02-18 Boron carbide / titanium boride composite ceramics and method for producing the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2015151323A JP2015151323A (en) 2015-08-24
JP6344844B2 true JP6344844B2 (en) 2018-06-20

Family

ID=53893960

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2014028174A Expired - Fee Related JP6344844B2 (en) 2014-02-18 2014-02-18 Boron carbide / titanium boride composite ceramics and method for producing the same

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6344844B2 (en)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB201609672D0 (en) * 2016-06-02 2016-07-20 Element Six Uk Ltd Sintered polycrystalline cubic boron nitride material
WO2020202878A1 (en) * 2019-04-02 2020-10-08 学校法人同志社 Zirconium boride/boron carbide composite and method for manufacturing same
CN111484331B (en) * 2020-04-02 2021-08-24 武汉理工大学 A fine-grained boron-rich boron carbide-based composite ceramic material and preparation method thereof
CN113264778B (en) * 2021-05-17 2022-10-14 厦门理工学院 A kind of boron nitride composite ceramic and its preparation method and use
CN113387704B (en) * 2021-06-24 2023-01-03 武汉理工大学 Boron carbide-titanium boride light high-strength composite ceramic material and preparation method thereof
CN114133250B (en) * 2021-11-19 2022-09-02 武汉理工大学 Preparation method of BN-containing multiphase ceramic with adjustable components by reactive sintering
CN114292107A (en) * 2022-01-20 2022-04-08 山东东大新材料研究院有限公司 Ceramic conductive block for wire cut electrical discharge machining equipment and preparation method thereof
CN114751752B (en) * 2022-05-27 2023-06-16 中国科学院合肥物质科学研究院 High-purity TiB 2 Ceramic nano-sheet and preparation method thereof
CN115677351B (en) * 2022-11-08 2023-06-09 长沙湘锐赛特新材料有限公司 Multi-lamination boron carbide composite ceramic with strong bonding interface and preparation method thereof
CN115991606B (en) * 2023-02-22 2023-05-26 中南大学 A kind of TiB2-SiC-B4C ternary superhard ceramic material and preparation method thereof

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3686029B2 (en) * 2001-11-06 2005-08-24 独立行政法人産業技術総合研究所 Boron carbide-titanium diboride sintered body and manufacturing method thereof

Also Published As

Publication number Publication date
JP2015151323A (en) 2015-08-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6344844B2 (en) Boron carbide / titanium boride composite ceramics and method for producing the same
JP5444384B2 (en) High thermal conductivity aluminum nitride sintered body
Gupta et al. Spark plasma sintering of novel ZrB2–SiC–TiSi2 composites with better mechanical properties
Sun et al. Alumina ceramics with uniform grains prepared from Al2O3 nanospheres
JP5930317B2 (en) Fabrication method of high strength toughness ZrO2-Al2O3 solid solution ceramics
WO2018110564A1 (en) Silicon nitride powder and method for producing silicon nitride sintered body
JP6436905B2 (en) Boron carbide ceramics and manufacturing method thereof
JP6720053B2 (en) Method for manufacturing silicon nitride sintered body
KR101659823B1 (en) A HfC Composites and A Manufacturing method of the same
JP2011063487A (en) Lanthanum boride sintered compact, target using sintered compact and method for producing sintered compact
WO2020133585A1 (en) Hard transition metal boride material and preparation method therefor
JP7414300B2 (en) Zirconium boride/boron carbide composite and its manufacturing method
JP2003221280A (en) Conductive silicon nitride-based composite sintered body and method for producing the same
JP2017135159A (en) Thermoelectric element made of boron carbide ceramics and method for producing the same
Apak et al. B₄C-CNT Produced by Spark Plasma Sintering
JP5728684B2 (en) Free-cutting ceramics and manufacturing method thereof
JP2016147780A (en) Conductive high strength and high hardness composite ceramic and method of making the same
JP5245081B2 (en) High hardness high density cubic boron nitride sintered body and method for producing the same
KR101789300B1 (en) Method for preparing silver-diamond composites using spark plasma sintering process and silver-diamond composites prepared thereby
JP2014141359A (en) Sialon-base sintered compact
JP7116234B1 (en) Manufacturing method of composite ceramics
JP5408591B2 (en) Method for producing high-density metal boride
Sivkov et al. Spark plasma sintering of ceramics based on silicon nitride and titanium nitride
JP4564257B2 (en) High thermal conductivity aluminum nitride sintered body
JP2021181384A (en) Zirconium carbide/zirconium boride/carbon composite and method for producing the same

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20170215

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20180221

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20180316

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20180425

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20180521

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6344844

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees