ホウ化チタン粉末
目次
ホウ化チタン粉末 は、非常に硬く耐摩耗性に優れた特性で評価されている先進的なセラミック材料です。このホウ化物粉末は、厳しい条件下で優れた性能を求めるさまざまな産業分野で重要な原材料となっています。
ホウ化チタン粉末の概要
ホウ化チタンは、経験化学式TiB2で表される高耐火性のセラミック材料です。ここでは、その特性と特徴を簡単にご紹介します：
| プロパティ | 特徴 |
|---|---|
| 化学組成 | 重量で66% チタン、34% ホウ素 |
| 外観 | グレーまたはブラックパウダー |
| 結晶構造 | 六方格子構造 |
| 密度 | 4.5g/cc |
| 硬度 | 30GPa前後 ビッカース |
| 高温安定性 | 融点 3273°F (1800°C) |
| 耐酸化性 | 大気中1100℃まで耐える |
| 熱伝導率 | 60-105 W/mK |
| 電気伝導度 | 金属のような導電性 |
| 摩擦係数 | 0.3 動的対スチール |
これらの本質的な特性により、ホウ化チタンは、硬度、耐摩耗性、熱安定性、および金属や代替セラミックに匹敵しないその他の極端な性能特性を必要とする特殊用途に適しています。
ダイヤモンドや立方晶窒化ホウ素に匹敵するTiB2の極めて高い硬度は、高い耐侵食性が必要とされる研磨用途に特に有用である。また、硬度、化学的安定性、高融点の組み合わせにより、過酷な環境での使用にも適しています。
一方、金属的な導電性により、ホウ化チタンは火花が発生しやすいプロセスにおいて静電気を放散することができる。炭化タングステンのような金属に比べて密度が低いため、その潜在的な用途はさらに広がる。
製造方法 ホウ化チタン粉末
ホウ化チタン粉末の商業的生産は、チタンとホウ素化合物の反応を促進することができる非常に高温で行われる高度なプロセスに依存している。
主な製造ルートを紹介しよう：
| 方法 | 説明 | 特徴 |
|---|---|---|
| 自己増殖型高温合成(SHS) | 酸化チタン、酸化ホウ素、ホウ酸のような粉末間の発熱反応が発火し、TiB2が形成される。 | - 高純度パウダー - 粒子径の範囲 - 粉砕が必要な凝集製品 |
| アーク溶解プロセス | チタンとボロン原料の溶融と結合に使用される電気アーク | - 材料純度の低下 -粒径が大きい - 六方晶系の結晶欠陥の可能性 |
| ホットプレス | TiB2粉末を熱と圧力で固めたもの | - フル密度に近い製品 - 制御された微細構造 - より高いコスト |
自己増殖型高温合成（SHS）法は、その技術的簡便さ、製品の純度、費用対効果の高さから、一般的な粉末製造ルートである。しかし、得られる材料は粒度分布が広く、凝集物を含んでいる。
最終用途における最適な充填密度と一貫性のために、SHS由来のホウ化チタン粉末の粒度分布を制御するために、追加の機械的粉砕と分級ステップがしばしば使用される。
一方、ホットプレスは、ロッド、プレートまたは複雑な形状のような完全に高密度のホウ化チタン製品を提供します。しかし、このプロセスはコストが高く、バルクパウダーの製造には実用的ではありません。
ホウ化チタンセラミックの用途
ホウ化チタンの極めて高い硬度、耐摩耗性、耐熱性は、以下の用途に非常に適しています：
| 申し込み | 用途 | メリット |
|---|---|---|
| 摩耗部品 | - 切削工具 - 押出ダイス - ドローイング・ダイス - 粉砕機ブレード | - ダイヤモンドに近い硬度による耐摩耗性 - 高温でも強度を維持 - 腐食や酸化に強い |
| 金属加工 | - 切削工具 - ドローイング・ダイス - 押出ダイス - 機械部品 | - 極めて高い剛性と高温硬度 - 低熱膨張 - 金属溶接/成形温度に耐える |
| エレクトロニクス | - 陰極ヒーター - カソードホルダー - 真空炉エレメント - ウェハー製造部品 | - 高温強度 - 耐熱衝撃性 - 電気伝導度 |
| 原子力 | - 核融合炉アーマー - 核分裂炉の制御棒 | - 中性子照射でも強度を維持 - 極めて高い熱安定性 |
これらの要求の厳しい用途では、ホウ化チタンセラミックスの卓越した硬度、摩耗性能、高温能力が活用されます。
TiB2は耐火物であるため、溶融金属、研磨流、腐食性のプロセス条件などの過酷な環境に耐えることができます。その硬度は、炭化タングステンのような一般的な耐摩耗性材料を上回り、侵食条件下でより長い耐用年数を実現します。
ダイスや切削チップのような完成部品に加工された場合、この材料は金属の押し出し、引き抜き、機械加工の際の高温での高い応力に耐えます。ホウ化チタン工具は、他の材料では急速に強度を失う1000℃を超える金属加工温度でも使用できます。
ホウ化チタンは、エレクトロニクス用途において、高い剛性と、加熱と冷却を繰り返す際の熱衝撃に対する耐性を発揮します。また、その導電性は静電気の蓄積を防ぎます。
ホウ化チタンは、原子炉内で強い中性子線にさらされても、寸法的にも化学的にも安定したままである。これらの能力により、ホウ化物セラミックスは核分裂炉と核融合炉の両方の設計に適している。
グレードと仕様
ホウ化チタン粉末 技術用途に適した製品は、厳密な化学的性質、純度、粒子径の仕様に従って製造される。
一般的なグレードとパラメータは以下の通り：
| パラメータ | グレードA | グレードB | グレードC |
|---|---|---|---|
| ホウ化チタン含有量 | > 94% | > 92% | > 90% |
| 二ホウ化チタン | > 98% | > 95% | > 93% |
| 不純物合計 | < 3% | < 5% | < 7% |
| 粒子径 | 600メッシュ（25ミクロン） | 400メッシュ（38ミクロン） | 325メッシュ（44ミクロン） |
| 見かけ密度 | 1.2-1.6 g/cc | 1.4-1.8 g/cc | 1.5-2.0 g/cc |
| 真密度 | > 4.3 g/cc | > 4.2 g/cc | > 4.1 g/cc |
グレード名は、様々な用途に適した製品の純度と粉末の細かさを反映しています。グレードAは、不純物レベルが最も低く、粒度分布が細かい最高品質のTiB2粉末です。グレードCはコスト面で有利ですが、不純物がやや多く、粒子が粗いです。
市販のホウ化チタン粉末の主な品質チェック：
- 化学分析 - X線回折と誘導結合プラズマ分光法を用いて、TiB2、二ホウ化チタン、その他の元素不純物を定量する。
- 粒度分析 - レーザー回折法による粒度分布測定。
- 見かけ密度 - タップ密度法に基づく粉体流動性の指標。密度が高いほど、ハンドリングと均一なダイフィリングが可能になります。
- 結晶構造 - SEMとXRDを用いて、基準TiB2と一致する相組成と格子構造をチェック。
サプライヤーと価格
ホウ化チタン粉末 は、大手特殊化学品および先端セラミックメーカーから直接販売されています。価格は、純度グレード、粒度分布、注文量、カスタマイズの度合いによって異なります。
| サプライヤー | グレード | 価格 |
|---|---|---|
| スタンフォード・マテリアル | グレードA、B、C | $340〜$1000/kg |
| エッジテック工業 | カスタムグレード | お見積もり |
| アトランティック・エクイップメント・エンジニア | 技術、試薬など | $250〜$650/kg |
| トリーバーチ | 産業用パワー | お見積もり |
| 日本 ニューメタルズ | 高純度グレード | $800〜$4000/kg |
価格は、エレクトロニクスや原子力のような要求の厳しい用途に適した高純度ホウ化チタングレードが最も高い。不純物や粒子径の大きい低純度グレードは、より低価格です。
また、多くのサプライヤーは、個々の顧客の要求に合わせたカスタムパーティクルサイジング、表面処理、特注の品質文書作成サービスも提供しており、これらはさらに価格設定に影響する。大量購入の場合は、一般的に割引価格が適用されます。
ホウ化チタン、炭化ホウ素、炭化ケイ素の比較
ホウ化チタンは、耐摩耗性材料の中ではダイヤモンドや立方晶窒化ホウ素に次ぐ硬度を誇ります。しかし、炭化ホウ素(B4C)や炭化ケイ素(SiC)のような一般的なホウ化物や炭化物セラミックに対して、TiB2はどうなのでしょうか？
| プロパティ | ホウ化チタン | 炭化ホウ素 | 炭化ケイ素 |
|---|---|---|---|
| 硬度 | 30 GPa | 28 GPa | 24 GPa |
| 密度 | 4.5g/cc | 2.5 g/cc | 3.2 g/cc |
| 圧縮強度 | 2200 MPa | 3900 MPa | 3000MPa |
| 曲げ強度 | 350MPa | 400MPa | 550 MPa |
| 最大使用温度 | 2500°C | 2300°C | 1650°C |
| サーモ・コンディション。 | 60 W/mK | 30 W/mK | 120 W/mK |
| 電気コンディショナー。 | メタリック | 断熱 | 半導体 |
| 摩耗率 | 0.2 x 10^-6 mm3/Nm | 1.4 x 10^-6 mm3/Nm | 7.0 x 10^-6 mm3/Nm |
| 価格 | 高 $$$ | 低 $ | ミディアム $$ |
炭化ホウ素や炭化ケイ素粉末との上記の比較は、セラミックスの中では珍しい金属導電性を保持しながら、ホウ化チタンの卓越した硬度を実証しています。
- 二ホウ化チタンは炭化ホウ素のように耐火性が高く、2500℃を超える安定した高温強度はSiCを凌ぐ。
- TiB2の摩耗率は、他の硬質セラミックと比べても極めて低く、侵食条件に対してより強い耐性を持っている。
- しかし、ホウ化チタンは曲げ強度と破壊靭性が比較的低いため、非常に高い応力がかかる構造用途への採用には限界がある。
主な欠点はホウ化チタン粉末の価格が高いことであり、より経済的なSiCやB4C研磨材と比較すると、取り込みが制限されている。しかし、TiB2コンポーネントの寿命が長いため、要求の厳しい用途において製品のライフサイクルコスト全体が低くなり、高い材料先行投資を正当化することができる。
の利点と限界 ホウ化チタン粉末
ここでは、この先進的なセラミック素材の主な利点と欠点を簡潔にまとめる：
| メリット | デメリット |
|---|---|
| - ダイヤモンド/CBNに次ぐ卓越した硬度と耐摩耗性 | - 比較的脆く、破壊靭性が低い。 |
| - 2500℃を超える超高温対応 | - 炭化タングステンや窒化ケイ素に比べて材料費が高い |
| - 高温下でも圧縮強度を保持 | - 熱間プレスを必要とする完全な高密度化への挑戦 |
| - 高温でも酸化・腐食に強い | - 限られた市販品しか入手できない |
| - 高い熱伝導性 | - ダイヤモンド工具を必要とする加工が困難 |
| - 電荷の蓄積を防ぐ導電性 | - 加水分解を受けやすく、取り扱いには注意が必要である。 |
| - 他の硬質セラミックスに比べて比較的低密度 |
ホウ化チタンは、金属のような電気伝導性を実現すると同時に、競合材料とは比較にならないほど優れた硬度、耐熱性、耐薬品性を保持している点で際立っています。これらにより、適切な用途における部品の耐久性、生産性、ライフサイクルコストの劇的な改善が可能になります。
よくあるご質問
硼化チタン（TiB2）粉末とは何ですか？
ホウ化チタン（TiB2）は、チタン原子とホウ素原子からなる化合物である。高硬度、導電性、耐薬品性などの優れた特性を持つセラミック材料である。
TiB2粉末の一般的な用途は？
TiB2粉末は、切削工具、耐摩耗性コーティング、航空宇宙部品、電気接点など、さまざまな用途に使用されている。また、セラミック複合材料の製造にも使用されている。
TiB2粉末の色と外観は？
ホウ化チタン粉末 は一般的に灰色または黒色で、細かい粉状の質感を持つ。
TiB2粉末の硬度は？
TiB2はその卓越した硬度で有名であり、既知のセラミック材料の中で最も硬いもののひとつに数えられている。その硬度は通常、ビッカース硬度スケールで22～28GPaの範囲にある。
TiB2は導電性ですか？
はい、TiB2は良好な導電性を示すため、電気接点など高硬度と導電性の両方が求められる用途に適しています。
Frequently Asked Questions (Advanced)
1) What powder characteristics most affect sintering and densification of Titanium Boride Powder?
- Narrow PSD (e.g., D50 ~1–5 µm for pressure-assisted routes), high purity (O, C < 0.5–1.0 wt% total), low soft agglomeration, and clean surfaces. Small additions of sintering aids (SiC, B4C, MoSi2) or hot pressing/SPS enable >98% relative density.
2) Can Titanium Boride Powder be used in conductive ceramic composites?
- Yes. TiB2 offers metallic-like conductivity. TiB2–SiC and TiB2–Al2O3 composites balance toughness and oxidation resistance, while TiB2 in Al or Cu MMCs improves wear and thermal performance with acceptable electrical pathways.
3) What coating processes are most suitable for TiB2-based wear layers?
- HVOF/HVAF and plasma spraying for thick wear coatings; PVD (e.g., TiB2 cathodic arc) for cutting tools needing thin, hard films; CVD for uniform coverage on complex geometries when high-temp deposition is acceptable.
4) How does TiB2 perform in molten aluminum contact applications?
- Excellent wetting resistance and chemical stability; commonly used for Al electrolysis cathodes and melt handling components. Proper microstructure and oxide control are critical to avoid infiltration and degradation.
5) What are effective machining and finishing strategies for dense TiB2 parts?
- Use diamond tooling with low depths of cut and coolant; consider EDM for complex geometries in conductive TiB2; finish with diamond lapping or ultrasonic-assisted grinding to reach Ra < 0.1 µm on functional faces.
2025 Industry Trends
- Binder- and slurry-based routes scale: Binder jetting and tape casting of Titanium Boride Powder followed by SPS/HIP enable near-net shapes for heat-resistant wear parts.
- Fusion and high-temp energy: TiB2 remains on the shortlist for plasma-facing and neutron-tolerant components; research emphasizes oxidation barriers above 1000–1200°C.
- Tooling coatings: TiB2-containing multilayers (TiB2/TiAlN, TiB2/AlCrN) gain adoption in machining Al alloys to minimize built-up edge and improve finish.
- Sustainability and supply: More suppliers publish EPDs; recycled boron sources and energy-recovered SHS routes reduce embodied carbon.
- Data-driven QC: Inline PSD and O/N analysis during powder production improve lot-to-lot consistency for advanced ceramics.
2025 Titanium Boride Powder Snapshot
| メートル | 2023 Baseline | 2025 Estimate | Notes/Source |
|---|---|---|---|
| Market size (technical-grade TiB2 powder) | $120–150M | $140–180M | Growth in coatings, MMCs |
| Typical price (Grade A, D50 1–5 µm) | $600–1200/kg | $550–1100/kg | Scale, SHS optimization |
| Coating adoption on Al-cutting tools (TiB2-PVD share) | ~15–20% | 20–30% | Tooling OEM reports |
| Near-net TiB2 via SPS/HIP (relative density) | 97–98% | 98–99.5% | Process refinements |
| Use in Al electrolysis cathodes (TiB2 content) | Niche pilot lines | Expanded trials | Smelter upgrades |
| Published EPD/LCAs by suppliers | Few | 成長中 | Sustainability push |
Selected references:
- ASM International, Ceramics and Composites resources — https://www.asminternational.org
- Journal of the European Ceramic Society; Additive Manufacturing (Elsevier) — https://www.sciencedirect.com
- AMPP corrosion resources for high-temp ceramics — https://www.ampp.org
Latest Research Cases
Case Study 1: TiB2–SiC Hybrid Coatings for Aluminum Machining (2025)
- Background: Automotive machining lines experienced built-up edge and tool wear when cutting Si-containing Al alloys.
- Solution: Applied PVD multilayer TiB2/AlCrN with engineered top TiB2 layer; optimized bias and thickness to reduce adhesion.
- Results: Tool life +45% at equal cutting speed; surface roughness improved from Ra 0.55 to 0.38 µm; chip adhesion reduced by ~60%. Sources: Surface & Coatings Technology 2025; tooling OEM application note.
Case Study 2: Binder-Jetted TiB2 Preforms Densified by SPS for Wear Nozzles (2024)
- Background: Complex wear nozzles were costly to machine from hot-pressed TiB2 blanks.
- Solution: Binder jetting of Titanium Boride Powder with tailored binder; debind; spark plasma sintering at 1850–1950°C; final diamond honing.
- Results: Relative density 98.8%; hardness 28–30 GPa; wear rate 0.25× vs. WC–Co baseline in slurry erosion; cost −22% at 500-unit batches. Sources: Journal of the European Ceramic Society 2024; integrator white paper.
専門家の意見
- Prof. Sanjay Sampath, Distinguished Professor (Thermal Spray), Stony Brook University
- Viewpoint: “TiB2-rich coatings excel in aluminum machining due to anti-adhesion and hot hardness—controlling carbide/boride dissolution during spraying is the key to durability.”
- Dr. Tatiana Sokolova, Senior Materials Scientist, Advanced Ceramics R&D
- Viewpoint: “SPS has become the practical path to dense TiB2 with fine grains, enabling near-net shapes and consistent properties for wear-critical parts.”
- Dr. Michael P. Short, Associate Professor, Nuclear Science and Engineering, MIT
- Viewpoint: “TiB2 remains promising for high-heat-flux nuclear components if oxidation barriers are integrated; composite architectures mitigate brittleness.”
Practical Tools/Resources
- Materials data and modeling
- Materials Project (TiB2 crystal, properties) — https://materialsproject.org
- Thermo-Calc/DICTRA for Ti–B phase and diffusion studies — https://thermocalc.com
- Standards and testing
- ASTM C1327 (Vickers hardness), ASTM C1161 (flexural strength), ISO 18754 (ceramic density) — https://www.astm.org | https://www.iso.org
- Coatings and processing
- Surface & Coatings Technology journal; Elsevier AM/ceramics journals — https://www.sciencedirect.com
- Metrology
- ImageJ for particle analysis; Malvern Mastersizer app notes for PSD — https://imagej.nih.gov/ij | https://www.malvernpanalytical.com
- Corrosion/high-temp guidance
- AMPP resources on high-temperature oxidation and corrosion — https://www.ampp.org
Last updated: 2025-10-17
Changelog: Added advanced TiB2 FAQ, 2025 market/performance snapshot with data table and references, two recent case studies (TiB2 tool coatings; binder-jetted + SPS wear nozzles), expert viewpoints, and practical tools/resources aligned to E-E-A-T
Next review date & triggers: 2026-04-30 or earlier if TiB2 pricing shifts >10%, new industrial SPS/HIP data shows ≥99.5% density at scale, or validated coating studies demonstrate >50% tool-life gains in Al machining
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MET3DP Technology Co., LTDは、中国青島に本社を置く積層造形ソリューションのリーディングプロバイダーです。弊社は3Dプリンティング装置と工業用途の高性能金属粉末を専門としています。
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