(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【背景技術】
【0002】
炭化ホウ素(例えば、B4C)は、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素(cBN)に次ぐ硬度を有する工業材料として知られ、炭化ホウ素を含む材料を焼結した焼結体は超硬材料などとしてさまざまな用途に用いられている。
上述した炭化ホウ素の焼結体は、高硬度であるが故に切削加工などの機械加工を行うことが困難であり、機械的加工における加工性があまり良くない。それゆえ、炭化ホウ素の焼結体のような材料に対しては、機械加工に代えて放電加工を用いて加工が検討されてきた。
【0003】
なお、炭化ホウ素の焼結体は、アルミナなどの焼結体に比して多少の導電性があるものの、放電加工を満足に行える程の導電性は備えていない。それゆえ、放電加工に際しては、炭化ホウ素の焼結体の導電性をさらに良くする手段を講じる必要がある。
例えば、非特許文献1には、表面に導電性膜を付与して油中で加工を行えば、炭化ホウ素の焼結体のような材料に対しても十分に放電加工が可能なことが記載されている。
【0004】
また、特許文献1、2には、炭化ホウ素の粉末に、二酸化チタン、炭素粉末を加えたものを、1850℃〜2150℃の温度で焼結することで、抵抗率が0.1Ω・cmの炭化ホウ素−二ホウ化チタン焼結体を得る技術が開示されている。これらの文献に記載された焼結体では、導電性を備えた二ホウ化チタンを炭化ホウ素の粒子間に存在させることで、放電加工を可能としている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
ところで、上述した非特許文献1のように、導電性物質を用いて炭化ホウ素の焼結体の表面を被覆する技術では、焼結体が薄い場合には問題はないが、厚みのある焼結体を放電加工する際には放電加工を行うことが困難になる場合がある。
また、特許文献1、2のように放電性物質を混合した上で焼結体を成形する技術では、炭化ホウ素に対して二ホウ化チタンを混合するため、焼結体の物性が本来炭化ホウ素が持つ値に対して劣化してしまう、言い換えれば二ホウ化チタンを混合せずに焼結した場合の物性値よりも二ホウ化チタンを混合して焼結した焼結体の物性値の方が悪くなってしまう可能性がある。
【0008】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、炭化ホウ素の物性、特に密度を可能な限り損なうことなく放電加工性に優れた炭化ホウ素の焼結体を得ることができる炭化ホウ素の焼結体の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記課題を解決するため、本発明の炭化ホウ素の焼結体の製造方法は以下の技術的手段を講じている。
即ち、本発明の炭化ホウ素の焼結体の製造方法は、炭化ホウ素とバインダとを混合し且つ成形した成形体を導電性物質が気化した雰囲気下で焼結して前記炭化ホウ素の焼結体を成形するに際しては、前記成形体を焼結する際の条件を、放電加工が可能な焼結体が得られるような条件として焼結を行うことを特徴とする。
【0010】
なお、好ましくは、炭化ホウ素とバインダとを混合し且つ成形した成形体を導電性物質が気化した雰囲気下で焼結して前記炭化ホウ素の焼結体を成形するに際しては、前記成形体を焼結する際の条件を、焼結後に最高密度が出る条件から未焼結側にシフトした条件としつつ焼結を行うことで、前記焼結体に放電加工が可能となる特性を発現させるとよい。
なお、好ましくは、前記成形体を焼結する際の条件である焼結温度が、焼結後に最高密度が出る焼結温度をT
0℃とした場合に、(T
0−50)℃〜(T
0−20)℃とされているとよい。
【0011】
なお、好ましくは、前記成形体を焼結する際の条件である焼結温度が、前記炭化ホウ素の融点をT
1℃とした場合に、(T
1×0.760)℃〜(T
1×0.771)℃とされているとよい。
なお、好ましくは、前記成形体を焼結する際の条件である焼結時間が、焼結後に最高密度が出る焼結時間をt
0(hr)とした場合に、(t
0−3)〜(t
0−1)とされているとよい。
また、本発明に係る炭化ホウ素の焼結体の製造方法の最も好ましい形態は、炭化ホウ素とバインダとを、炭化ホウ素の混合比率が40vol%〜70 vol%であると共にバインダの混合比率が30vol%〜60 vol%となるように混合し且つ炭化ホウ素とバインダとのみの混合物から成形した成形体を導電性物質が気化した雰囲気下で焼結して前記炭化ホウ素の焼結体を成形するに際しては、前記成形体を焼結する際の条件を、焼結後に最高密度が出る条件から未焼結側にシフトした条件としつつ焼結を行うことで、前記焼結体に放電加工が可能となる特性を発現させることが可能な焼結体を得ることを特徴とする。
【発明の効果】
【0012】
本発明にかかる炭化ホウ素の焼結体の製造方法によれば、炭化ホウ素の物性、特に密度を可能な限り損なうことなく放電加工性に優れた炭化ホウ素の焼結体を得ることができる。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、本発明にかかる炭化ホウ素の焼結体1の製造方法の実施形態を、図面に基づき説明する。
図1は、本実施形態の焼結体1の製造方法を模式的に示したものである。
図1に示すように、本実施形態の焼結体1の製造方法は、炭化ホウ素の粒子2とバインダ3とを混合すると共に成形する「成形工程」と、成形された成形体4を導電性物質5が気化した雰囲気下で焼結して炭化ホウ素の焼結体1を成形する「焼結工程」と、を備えている。
【0015】
次に、本実施形態の焼結体1の製造方法を構成する「成形工程」及び「焼結工程」について説明する。
成形工程の方法としては、例えば粉末射出成形を用いることができるが、他にも金型成形、冷間静水圧成形(CIP)、押し出し成形、鋳込み成形、シート成形、インクジェットプリンタによる成形も用いることができる。ここでは、粉末射出成形を適用する場合の実施形態について説明する。
【0016】
粉末射出成形とは、炭化ホウ素の粒子2と、バインダ3とを混合し、得られた混合物を金型6内に射出成形して、所定の形状の成形体4を成形するものである。
この成形工程に用いられる炭化ホウ素の粒子2は、平均粒径D
50(メジアン径)が0.1μm〜10μm、好ましくは0.1μm〜1.0μmとされている。また、この炭化ホウ素の粒子2には、熱炭素還元反応を用いて合成したものを用いることができる。つまり、熱炭素還元反応を用いて、ホウ素源(ホウ酸(H
3BO
3)や酸化ホウ素(B
2O
3))と炭素源(活性炭や石油コークスなど)を直接混合し、高温加熱を行えば、本実施形態の製造方法に用いることができるような炭化ホウ素の粒子2を得ることが可能となる。なお、炭化ホウ素の粒子2には、熱炭素還元反応以外の方法で合成された粒子を用いても良い。
【0017】
バインダ3は、炭化ホウ素の粒子2同士を結着することにより、成形体4における炭化ホウ素の粒子2の保形性を向上させるものである。具体的には、バインダ3には、アクリル樹脂、ポリスチレン、またはポリプロピレンなどの母材樹脂に、ワックスなどを混合した混合物が用いられる。
このバインダ3の母材樹脂には、上述したアクリル樹脂を10vol%〜40vol%、ポリスチレン樹脂を0vol%〜25vol%、ポリプロピレン樹脂を0vol%〜10vol%を用いるのが好ましい。
【0018】
また、ワックスとしては、脂肪酸エステル、脂肪酸アミド、フタル酸エステル、パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス、ポリエチレンワックス、ポリプロピレンワックス、カルナバワックス、モンタン系ワックス、ウレタン化ワックス、無水マレイン酸変性ワックス、及びポリグリコール系化合物から選ばれる少なくとも1種以上を用いることができる。
【0019】
さらに、これらのワックスに加えて、炭化ホウ素の粒子2と母材樹脂との親和性(結着性)を高めるなどの目的で、ポリエチレン、アモルファスポリオレフィン、エチレン酢酸ビニル共重合体、ポリビニルブチラール樹脂、グリシジルメタクリレート樹脂などを結着補助剤として加えることもできる。
上述した炭化ホウ素の粒子2及びバインダ3を混合する混合比率は、炭化ホウ素の粒子2が40vol%〜70vol%、バインダ3が30vol%〜60vol%とするのが良い。この混合比率で炭化ホウ素の粒子2とバインダ3とを混合すれば、圧粉工程での形状保持が容易となり、さまざまな形状の焼結体1を成形することが可能となる。
【0020】
また、炭化ホウ素の粒子2及びバインダ3の混合には、バッチ式または連続式の混練機(図示略)を用いて混練(混合)を行うのが好ましい。混練機としてバッチ式を用いる場合であれば、混練機の内部で混合物を160℃〜180℃の温度で2時間程度に亘って混練を行えば、炭化ホウ素の粒子とバインダ3とが均質な混合された混合物を得ることができる。このようにして混練が行われた混練物(混合物)はペレタイザを用いて粒径5mm程度のペレットに加工され、ペレットとして成形機(射出成形機)に送られる。
【0021】
成形機は、金型6内に射出された混合物に、50ton〜150tonの圧力を加えて、混合物を所望の形状に成形するものである。圧粉装置の金型6は複数に分割可能となっている。また、金型6の内部には、金型6外の混練物を金型6内に射出する射出部(図示略)が形成されており、射出部を介して混練後の混練物を金型6内に射出できるようになっている。さらに、金型6の内部には、金型6内のガスを金型6外に排出するガス抜き部(図示略)が形成されているのが好ましい。
【0022】
上述した圧粉工程が終了した混練物に対しては、加熱炉7を用いて脱脂を行う。この脱脂は、成形体からバインダを除去するために実施されるが、成形工程で成形された混練物中に入り込んだ空気などのガスや成形体4中に含まれる溶剤などを除く効果も得られる。この脱脂を行うことで、焼結体1の膨れやクラックを防止することができる。
この脱脂を行う雰囲気は、窒素やアルゴンなどの不活性ガスや水素ガスのようなガスを用いて行われ、非酸化性のものとなっている。特に好ましくは、この非酸化性の雰囲気としては、大気圧に対して減圧された不活性ガスの雰囲気、大気圧に保持した不活性ガスの雰囲気、あるいは大気圧に保持した水素ガスの雰囲気を用いるのが良い。
【0023】
また、脱脂は、バッチ式の加熱炉7か、ベルト式、プッシャー式、ウォーキング式などの連続式の加熱炉7を用いて行うことができ、その際の炉内温度は炭化ホウ素の焼結が起きない600℃以下の温度域とされる。このようにして脱脂が行われた混練物に対しては、焼結工程が行われる。
焼結工程は、圧粉工程において金型6により所定の形状に成形された成形体4を高温状態に保持して、成形体4中の炭化ホウ素の粒子2同士を結合させる工程である。この焼結工程は、上述した脱脂と同じ加熱炉7を用いて行われるが、成形体4を処理する温度及び時間が脱脂とは異なっている。
【0024】
焼結工程においては、難焼結性物質である炭化ホウ素の粒子2の焼結を促進するために、焼結時の雰囲気中にアルミニウム(導電性物質5)が気化されて加えられている。このアルミニウムは、加熱炉7の炉内に成形体4から距離をあけて設けられていて、焼結時に加熱炉7の熱により気化するようになっている。つまり、2000℃を超える焼結温度を備えた焼結工程においては、アルミニウムは融点を超える温度で加熱されることになるため、大気圧状態での飽和蒸気圧に達するまではガスとして気化し、気化したアルミニウムガスが加熱炉7内の雰囲気に含まれるようになる。
【0025】
このような気化したアルミニウムガスの雰囲気中で成形体4を焼結すると、気化したアルミニウムが成形体4の表面に存在するホウ素の酸化物に作用して、炭化ホウ素の焼結反応が促進される。
ところで、本発明の焼結体1の製造方法は、成形体4を焼結する際の条件を、放電加工が可能な焼結体1が得られるような条件として焼結を行う、例えば、焼結体1の焼結を未焼結状態または過焼結状態となる側に変更しつつ焼結を行うことで、焼結体1に放電加工が可能となる特性を発現させることを特徴としている。この「焼結体の焼結が未焼結状態となる」とは、焼結が完全に完了していない状態、つまり「半焼け状態」を意味している。例えば、本来ならば焼結が完全に行われて焼結体1として最高密度が得られる焼結温度や焼結時間に対して、この焼結温度や焼結時間を下回る温度や時間で成形体4を焼結することが、「焼結後に最高密度が出る条件から未焼結側にシフトした条件」に他ならない。
【0026】
例えば、焼結体1を焼結する際に最低でも2150℃という焼結温度が必要な場合であれば、2150℃に対して50℃低い2100℃から、2150℃に対して20℃低い2130℃までの範囲で焼結を行うことが「焼結後に最高密度が出る条件から未焼結側にシフトした条件」ということになる。
なお、炭化ホウ素の焼結体を焼結する場合には焼結温度をある程度まで大きくすると焼結体の密度がそれ以上大きくならないようになる。このように焼結体の密度に変化がなくなった温度を最高焼結温度とした場合に、上述した「最高密度が出る焼結温度(条件)」とは、最高焼結温度に対して98%以上となるような温度を選択するとよい。
【0027】
このような条件で焼結体1を焼結すれば、焼結体1の密度を下げて内部に微小な空孔を残留させることにより、焼結後の冷却過程において気化した金属アルミニウムが空孔内で析出して残留する。それによって焼結体の電気的な体積抵抗率が減少し、放電加工に適した状態となる。
具体的には、本発明の焼結体1の製造方法では、成形体4を焼結する際の条件の一つである焼結温度Tに対して、焼結後に最高密度が出る焼結温度をT
0℃とした場合に、焼結温度Tが(T
0−50)℃〜(T
0−20)℃、より好ましくは(T
0−50)℃〜(T
0−30)℃とされている。例えば、本実施形態の組成の焼結体を焼結する場合であれば、焼結後の密度が最大となる焼結温度T
0=2150℃となるので、焼結温度を2130℃(=T
0−20℃)としている。
【0028】
また、本発明の焼結体1の製造方法では、成形体4を焼結する際の条件の一つである焼結温度Tに対して、炭化ホウ素の融点をT
1℃とした場合に、焼結温度Tが(T
1×0.760)℃〜(T
1×0.771)℃、より好ましくは(T
1×0.760)℃〜(T
1×0.767)℃とされている。例えば、本実施形態の組成の焼結体を焼結する場合であれば、炭化ホウ素の融点はT
1=2763℃となり、本実施形態の焼結温度である2130℃は(=T
1×0.771)と示すことができる。つまり、本実施形態の焼結温度は、上述した(T
1×0.760)℃〜(T
1×0.771)℃の範囲に含まれている。
【0029】
上述した焼結温度Tで成形体4の焼結を行えば、焼結温度Tが低い分だけ焼結を促進するために加えられたアルミニウムが焼結体1中に残留しやすくなり、残留したアルミニウムにより焼結体1の導電性が高くなり、焼結体1に対して良好な放電加工性を発現させることが可能となる。
さらに、本発明の焼結体1の製造方法では、成形体4を焼結する際の条件の一つである成形体4を焼結する際の条件である焼結時間tに対して、焼結後の密度が最大となる焼結時間をt
0(hr)とした場合に、焼結時間tが(t
0−3)〜(t
0−1)、より好ましくは(t
0−3)〜(t
0−2)とされている。
【0030】
このように焼結体1の焼結が未焼結状態となる条件、言い換えれば上述した焼結温度Tや焼結時間tで成形体4の焼結を行えば、焼結を促進するために加えられたアルミニウムが焼結体1中に残留しやすくなり、残留したアルミニウムにより焼結体1の導電性を高めて、良好な放電加工性を発現することが可能となる。
なお、「焼結体1の焼結が未焼結状態となる条件」には、焼結温度Tや焼結時間t以外にも、昇温スピードや冷却スピードを用いることもできる。例えば、昇温スピードや冷却スピードを小さくすれば、焼結温度Tや焼結時間tの場合と同様に、焼結体1の焼結が未焼結状態となり、アルミニウム(導電性物質5)が焼結体1中に残留しやすくなって、焼結体1に対して良好な放電加工性を発現させることが可能となる。
【0031】
さらに、焼結体内部に残留させるために気化させる金属として、融点が炭化ホウ素焼結温度よりも低く、気化した気体の蒸気圧を容易に上げることができ、且つ体積抵抗率が炭化ホウ素よりも十分に低い材料、例えば亜鉛、銀、クロム、銅、金も用いることができる。これらの金属を気化材料として用いる場合、焼結を促進させる目的で気化させるアルミニウムと併用される必要がある。
【実施例】
【0032】
次に、実施例及び比較例を用いて、本願発明の作用効果をさらに詳しく説明する。
実施例及び比較例に用いた炭化ホウ素の粒子2は、平均粒径D
50が1.3μmのものである。この炭化ホウ素の粒子2に、バインダ3を加えた。炭化ホウ素の粒子2とバインダ3との混合比率は、混合後のバインダ3及び炭化ホウ素の総量を100vol%とした場合に、炭化ホウ素が56vol%及びバインダ3が44vol%となっている。また、バインダ3中には、アクリル樹脂が28vol%、ポリスチレンが12vol%、脂肪酸アミド、フタル酸エステル、パラフィンワックス、カルナバワックスが合わせて4vol%含まれている。
【0033】
上述した炭化ホウ素の粒子2とバインダ3との混合物については、混練装置を用いて180℃、2時間混練を行い、混練済みの混練物を5mm程度のペレットに加工した。
このようにして得られたペレットを金型6内に射出し、金型6間に50tの圧力を加えて粉末射出成形加工を行い、成形体4を成形した。
成形された成形体4を、不活性ガス(窒素ガス)が充填されたバッチ式の加熱炉7に入れ、減圧状態とされた800℃の炉内で脱脂を行った。次に、同じバッチ式の加熱炉7に対して、不活性ガス(アルゴンガス)を充填して、成形体4の焼結を行った。なお、焼結に際しては、加熱炉7内に金属のアルミニウムを配置し、アルミニウムを気化させながら焼結を行った。
【0034】
表1に示すように、比較例は、焼結温度を2150℃として焼結を行ったものである。上述した組成の焼結体1では、比較例の2150℃という焼結温度で焼結を行った場合に、最高密度が得られる。つまり、比較例は焼結体の密度が最大となる最高焼結温度T
0℃で焼結を行ったものである。また、炭化ホウ素の融点2763℃(T
1)を基準にした場合には、比較例の焼結温度Tは、(T
1×0.778)℃としても示される。
【0035】
一方、実施例は、焼結温度を2130℃として焼結を行ったものである。上述した組成の焼結体では、最高焼結温度T
0は2150℃である。それゆえ、実施例の焼結温度Tは、(T
0−20)℃と示すこともできる。また、炭化ホウ素の融点2763℃(T
1)を基準にした場合には、実施例の焼結温度Tは、(T
1×0.771)℃と示してもよい。
上述のようにして焼結を行った実施例及び比較例の焼結体1に対して、体積抵抗率を計測した。結果を表1に示す。
【0036】
【表1】
【0037】
比較例の焼結体1の体積抵抗率である3.28Ω・cmに比して、実施例の焼結体1の体積抵抗率は、0.33Ω・cmとなっており、導通性については実施例の方が比較例のものより導電しやすくなっており、実施例の焼結体1では導電性物質5のコーティングなどを行わなくても放電加工が十分に可能であることがわかる。
このことから、焼結後に最高密度が得られる最高焼結温度をT
0℃とした場合に、成形体4を実際に焼結する際の焼結温度Tを(T
0−50)℃〜(T
0−20)℃の範囲内として焼結を行うか、あるいは炭化ホウ素の融点をT
1℃とした場合に、成形体4を実際に焼結する際の焼結温度Tを(T
1×0.760)℃〜(T
1×0.771)℃として焼結を行うことで、導電性に優れ、放電加工が可能な焼結体1を得ることが可能になることが分かる。
【0038】
また、成形体4を焼結する際の条件である焼結時間tが、焼結後に最高密度が得られる焼結時間(hr)をt
0した場合に、(t
0−3)〜(t
0−1)として焼結を行うことで、導電性に優れ、放電加工が可能な焼結体1を得ることが可能になることも分かる。
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。