【日經(jīng)BP社報道】

 
圖1：碳化硼陶瓷的成形體。左為燒結(jié)前，右為燒結(jié)后。 

 
圖2：利用新技術(shù)制成的成形體與熱壓材料的機械特性比較 

 
圖3：各種材料的比剛性 

 
圖4：新開發(fā)的燒結(jié)法 

 
圖5：基于熱壓法（上）與常壓燒結(jié)法（下）的制造工藝的比較

　　日本的產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所等開發(fā)出了碳化硼陶瓷的常壓燒結(jié)技術(shù)（圖1，2）。該技術(shù)由產(chǎn)綜研先進制造工藝研究部門高性能部材化工藝研究小組的研究組長長吉澤友一和陶瓷廠商美濃窯業(yè)（總部：名古屋市）共同研發(fā)而成。采用此次開發(fā)的常壓燒結(jié)技術(shù)，可大幅降低復雜形狀部件和燒結(jié)體的價格，更加便于在使用硬質(zhì)且輕量材料時選用碳化硼陶瓷。

　　碳化硼在實用陶瓷中具備硬度高、重量輕的特點。彈性系數(shù)也很高，比剛性（材料比重除以彈性系數(shù)得到的數(shù)值）超過其他的陶瓷、碳纖維復合材料以及鈹合金（圖3）。由于這些特性，使得碳化硼陶瓷有望成為耐磨損構(gòu)件材料，以及比剛性高的輕量構(gòu)件材料。

　　另一方面，碳化硼與碳化硅相比存在不易燒結(jié)的缺點。目前，碳化硼陶瓷的工業(yè)燒結(jié)法采用熱壓等燒結(jié)法，但與常壓下燒結(jié)而成的其他陶瓷相比，制造成本高。這是因為，老方法只能燒結(jié)出單一形狀的成形體，燒結(jié)后必須使用高價的鉆石工具進行研削，才能加工成想要的形狀。為了更大范圍地使用碳化硼陶瓷，與普通陶瓷一樣，需要開發(fā)常壓燒結(jié)法。

　　與常壓燒結(jié)法相關(guān)的研究此前絕大多數(shù)是添加較多的燒結(jié)助劑（促進燒結(jié)的輔助材料）。不過，添加燒結(jié)助劑會導致碳化硼陶瓷具有的高硬度及輕量等優(yōu)點減少。

　　此次的研究表明，不采取加壓及添加燒結(jié)助劑的手段，在含有金屬蒸汽的環(huán)境中燒結(jié)，碳化硼陶瓷即可變得緊密。另外，在金屬蒸汽方面，采用鋁（Al）時的效果尤為明顯。將不添加燒結(jié)助劑的碳化硼成形體在與Al不接觸的條件下放入石墨坩鍋，在常壓氬氣體中以2200℃以下的溫度燒結(jié)后，得到了超過理論密度（95％）的高密度碳化硼陶瓷燒結(jié)體（圖4）。

　　制成的碳化硼陶瓷燒結(jié)體雖然含有Al，但其含量低于1％，因此不會影響碳化硼陶瓷的性能。另外，如果在該成形體中添加1％左右的硅和鎢等燒結(jié)助劑，還可進一步提高密度。

　　常壓燒結(jié)可一次燒結(jié)出大量燒結(jié)體，因此與熱壓燒結(jié)相比，可大幅提高制造效率（圖5）。另外，還可利用現(xiàn)有的成型法制成所要的形狀、進行燒結(jié)，所以可將燒結(jié)后的研削加工減少到最小限度。產(chǎn)綜研表示，常壓燒結(jié)法的制造成本在熱壓燒結(jié)法的2/3以下。

　　采用新技術(shù)可降低目前使用碳化硼的噴砂處理用噴嘴和密封環(huán)等的價格。另外，產(chǎn)綜研等認為，碳化硼還可應用于形狀復雜的機械部件、硬盤底板以及半導體曝光裝置用高速移動工作臺等要求重量輕、耐磨損的領(lǐng)域。

　　產(chǎn)綜研等今后將進一步改進燒結(jié)條件等，繼續(xù)對制造工藝進行研究。另外，為了克服碳化硼的缺點，該公司還考慮在材料中使用碳化硅高韌性化方法。（記者：松田 千穗）