JPH0891937A - 窒化硼素セラミックス及びその製造方法 - Google Patents
窒化硼素セラミックス及びその製造方法Info
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- JPH0891937A JPH0891937A JP6246797A JP24679794A JPH0891937A JP H0891937 A JPH0891937 A JP H0891937A JP 6246797 A JP6246797 A JP 6246797A JP 24679794 A JP24679794 A JP 24679794A JP H0891937 A JPH0891937 A JP H0891937A
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- Japan
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- boron
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Abstract
(57)【要約】 (修正有)
【目的】 特に高純度、高強度溶融金属用素材あるい
は、高熱伝導性電気絶縁放熱基板の素材として好適な窒
化硼素セラミックス常圧焼結体に関するものであり、従
来技術の問題を解決すべく、機械的強度特に高温強度に
優れ、かつ純度の高い窒化硼素セラミックスを提供す
る。また、上記セラミックスを常圧焼結で製造する方法
を提供する。 【構成】 窒化硼素粉末と金属硼素粉末を混合・成形
し、窒素雰囲気で常圧焼結して得られたものであって、
実質的に窒化硼素からなることを特徴とする高温強度に
優れた高純度窒化硼素セラミックスである。
は、高熱伝導性電気絶縁放熱基板の素材として好適な窒
化硼素セラミックス常圧焼結体に関するものであり、従
来技術の問題を解決すべく、機械的強度特に高温強度に
優れ、かつ純度の高い窒化硼素セラミックスを提供す
る。また、上記セラミックスを常圧焼結で製造する方法
を提供する。 【構成】 窒化硼素粉末と金属硼素粉末を混合・成形
し、窒素雰囲気で常圧焼結して得られたものであって、
実質的に窒化硼素からなることを特徴とする高温強度に
優れた高純度窒化硼素セラミックスである。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、特に高純度、高強度溶
融金属用素材あるいは、高熱伝導性電気絶縁放熱基板の
素材として好適な窒化硼素セラミックス常圧焼結体に関
するものである。
融金属用素材あるいは、高熱伝導性電気絶縁放熱基板の
素材として好適な窒化硼素セラミックス常圧焼結体に関
するものである。
【0002】
【従来の技術】窒化硼素(以下BNという)は、化学的
に不活性、電気絶縁性、熱伝導性、耐食性、耐熱衝撃
性、潤滑性等に優れた特性を有する一方、機械加工の容
易なセラミックスである。
に不活性、電気絶縁性、熱伝導性、耐食性、耐熱衝撃
性、潤滑性等に優れた特性を有する一方、機械加工の容
易なセラミックスである。
【0003】このため上記諸特性が要求される金属溶融
用の各種容器をはじめエレクトロニクス分野での電気絶
縁材料、高温電熱材料等に広く利用されている。
用の各種容器をはじめエレクトロニクス分野での電気絶
縁材料、高温電熱材料等に広く利用されている。
【0004】BN焼結体は、BNが難焼結性であるた
め、一般にはホットプレス法によって製造されている。
め、一般にはホットプレス法によって製造されている。
【0005】それは、1500〜2300℃にて100
kg/cm2を超える圧力をかけて固化しなければなら
ず、黒鉛のダイスや治具を用いる必要があり、大形状の
焼成体を得ることが難しい。また生産能率が低く複雑形
状品の製造に適さないという問題があった。
kg/cm2を超える圧力をかけて固化しなければなら
ず、黒鉛のダイスや治具を用いる必要があり、大形状の
焼成体を得ることが難しい。また生産能率が低く複雑形
状品の製造に適さないという問題があった。
【0006】ホットプレス法においても、酸化カルシウ
ム(CaO)等を焼結助剤として添加する方法が一般的
であるが、その焼結はBN結晶粒が低融点酸化物である
B2O3によって結合されることによって達成される。
ム(CaO)等を焼結助剤として添加する方法が一般的
であるが、その焼結はBN結晶粒が低融点酸化物である
B2O3によって結合されることによって達成される。
【0007】そのような酸化物は焼結体中に残存し、B
N本来の潤滑性や高温時における強度、電気絶縁性、熱
伝導性、耐熱衝撃性等の特性を低下させる要因となる。
N本来の潤滑性や高温時における強度、電気絶縁性、熱
伝導性、耐熱衝撃性等の特性を低下させる要因となる。
【0008】すなわち、結晶粒界に存在する低融点酸化
物によって焼結体の高温強度が低下するとともに、絶縁
抵抗・熱伝導性等が低下し、特にCaO等を焼結助剤と
して用いた場合、その吸湿性にともなう絶縁抵抗の低下
の問題がある。
物によって焼結体の高温強度が低下するとともに、絶縁
抵抗・熱伝導性等が低下し、特にCaO等を焼結助剤と
して用いた場合、その吸湿性にともなう絶縁抵抗の低下
の問題がある。
【0009】さらに、BN結晶は加圧により配向し易い
六方晶構造を有しているため、ホットプレス焼結体は異
方性を示し、使用時に制限を受けることもある。
六方晶構造を有しているため、ホットプレス焼結体は異
方性を示し、使用時に制限を受けることもある。
【0010】等方性の焼結体を製造するため、例えばC
IPで予備成形し、黒鉛モールドに挿入して自由膨張を
制限した条件下での焼結(特開昭61―132563号
公報)が試みられているが、生産性及び焼結助剤に伴う
問題解決も不十分であった。
IPで予備成形し、黒鉛モールドに挿入して自由膨張を
制限した条件下での焼結(特開昭61―132563号
公報)が試みられているが、生産性及び焼結助剤に伴う
問題解決も不十分であった。
【0011】これらの問題を解決するため、各種の常圧
焼結法が試みられているが、現在のところ、BNの特性
を十分発揮できる高純度で高温強度の高い焼結体は得ら
れていない。
焼結法が試みられているが、現在のところ、BNの特性
を十分発揮できる高純度で高温強度の高い焼結体は得ら
れていない。
【0012】例えば特公昭6―17270号公報ではB
N粉末をその表面積が元の2倍以上になるまで粉砕し、
続いてこれを成形し、常圧焼結する技術が示されてい
る。
N粉末をその表面積が元の2倍以上になるまで粉砕し、
続いてこれを成形し、常圧焼結する技術が示されてい
る。
【0013】この場合、室温強度の改善は見られるもの
の、原料BN粉末の表面に形成される不可避成分B2O3
の為に焼結性は向上するものの焼結体の高温強度は何ら
改善されていない状態である。
の、原料BN粉末の表面に形成される不可避成分B2O3
の為に焼結性は向上するものの焼結体の高温強度は何ら
改善されていない状態である。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来技術の
問題を解決すべく、機械的強度特に高温強度に優れ、か
つ純度の高い窒化硼素セラミックスを提供することを目
的とする。また、上記セラミックスを常圧焼結で製造す
る方法を提供することを目的とする。
問題を解決すべく、機械的強度特に高温強度に優れ、か
つ純度の高い窒化硼素セラミックスを提供することを目
的とする。また、上記セラミックスを常圧焼結で製造す
る方法を提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段及び作用】本発明は、窒化
硼素粉末と金属硼素粉末を混合・成形し、窒素雰囲気で
常圧焼結して得られたものであって、実質的に窒化硼素
からなることを特徴とする高温強度に優れた窒化硼素セ
ラミックスを提供することである。
硼素粉末と金属硼素粉末を混合・成形し、窒素雰囲気で
常圧焼結して得られたものであって、実質的に窒化硼素
からなることを特徴とする高温強度に優れた窒化硼素セ
ラミックスを提供することである。
【0016】また、本発明の窒化硼素セラミックスは、
基本的に次の工程で製造される。
基本的に次の工程で製造される。
【0017】原料窒化硼素粉末と金属硼素粉末を所定量
秤量し、混合・成形後、必要によりCIP処理を施し、
窒素雰囲気中で焼成し製造される。
秤量し、混合・成形後、必要によりCIP処理を施し、
窒素雰囲気中で焼成し製造される。
【0018】原料窒化硼素粉末は、工業的に使用される
ものであればよいが、酸素量1%以下、平均粒径0.5
〜5μmの高純度のものが望ましい。
ものであればよいが、酸素量1%以下、平均粒径0.5
〜5μmの高純度のものが望ましい。
【0019】金属硼素粉末も工業的に使用されるもので
あればよいが、粒径1μm以下のものが望ましい。
あればよいが、粒径1μm以下のものが望ましい。
【0020】原料窒化硼素粉末と金属硼素粉末の混合割
合は、金属硼素分として2wt%以上あれば効果を発揮
するが、経済性を考慮し2〜15wt%が望ましい。
合は、金属硼素分として2wt%以上あれば効果を発揮
するが、経済性を考慮し2〜15wt%が望ましい。
【0021】混合方法に関しては、湿式及び乾式に限定
するものではないが、プロセスの簡易性より乾式が望ま
しく、非酸化性雰囲気で行うのが望ましい。
するものではないが、プロセスの簡易性より乾式が望ま
しく、非酸化性雰囲気で行うのが望ましい。
【0022】成形に関しては、通常の一軸プレス成形で
よいが、CIP成形を用いると更に効果があると予想さ
れる。
よいが、CIP成形を用いると更に効果があると予想さ
れる。
【0023】焼成に関しては、温度1600℃以下だと
金属硼素の窒化及び焼結が不十分となり、十分な強度の
焼結体が得られない。
金属硼素の窒化及び焼結が不十分となり、十分な強度の
焼結体が得られない。
【0024】雰囲気は、金属硼素の窒化の面から窒素の
流通が必要であるが、焼結は常圧で可能であり、加圧焼
結により異方性を導入するものの特定の方向の特性が向
上する可能性がある。
流通が必要であるが、焼結は常圧で可能であり、加圧焼
結により異方性を導入するものの特定の方向の特性が向
上する可能性がある。
【0025】効果発揮のメカニズムは、以下のように考
えられる。
えられる。
【0026】原料窒化硼素粉末表面に生成されている酸
化硼素(B2O3)と金属硼素粉末が反応し、BO等の形
で硼素酸化物が生成除去され、活性な窒化硼素結晶面が
生成されるとともに、若干量残存する酸化硼素も耐熱性
の高いB6Oに変化し、未反応の金属硼素は雰囲気酸素
と反応し活性な窒化硼素結晶が生成されるためと考えら
れる。
化硼素(B2O3)と金属硼素粉末が反応し、BO等の形
で硼素酸化物が生成除去され、活性な窒化硼素結晶面が
生成されるとともに、若干量残存する酸化硼素も耐熱性
の高いB6Oに変化し、未反応の金属硼素は雰囲気酸素
と反応し活性な窒化硼素結晶が生成されるためと考えら
れる。
【0027】すなわち、焼成過程において次のような反
応が起こる。
応が起こる。
【0028】
【化1】 B2O3+B→3BO (1300〜1500℃で蒸発)
【0029】
【化2】B2O3+16B→3B6O (湿気に対する安
定性及び耐熱性に優れる)
定性及び耐熱性に優れる)
【0030】
【化3】2B+N2→2BN
【0031】また、本発明の窒化硼素セラミックスは、
酸化物系の焼結助剤を添加しないため、いわゆる粒界相
を構成する成分の中に高温強度の低下を引き起こす要因
がなく、かつ熱伝導率の低下(窒化硼素に比し酸化硼素
等の熱伝導率は大幅に低い)を起こさない。
酸化物系の焼結助剤を添加しないため、いわゆる粒界相
を構成する成分の中に高温強度の低下を引き起こす要因
がなく、かつ熱伝導率の低下(窒化硼素に比し酸化硼素
等の熱伝導率は大幅に低い)を起こさない。
【0032】
【実施例】以下本発明を実施例ならびに比較例をもって
詳細に説明する。
詳細に説明する。
【0033】
【実施例1】窒化硼素原料粉末(結晶質六方晶窒化硼
素、平均粒径4μm、酸素量0.6wt%)57gと、
金属硼素原料(アモルファス金属硼素、粒径0.05μ
m以下)を3gとを秤量し、N2雰囲気中にて乾式ボー
ルミル(Si3N4製ボール、ポリビン500ml)で4
8h混合した。
素、平均粒径4μm、酸素量0.6wt%)57gと、
金属硼素原料(アモルファス金属硼素、粒径0.05μ
m以下)を3gとを秤量し、N2雰囲気中にて乾式ボー
ルミル(Si3N4製ボール、ポリビン500ml)で4
8h混合した。
【0034】該混合粉末を直径40mmの鋼製ダイスを
用い圧力700MPaでCIP処理し成形素地体を得
た。
用い圧力700MPaでCIP処理し成形素地体を得
た。
【0035】該素地体を炭素(黒鉛)炉を用い窒素雰囲
気中で1900℃、2h焼成した。得られた焼成体の特
性を表1に示す。
気中で1900℃、2h焼成した。得られた焼成体の特
性を表1に示す。
【0036】
【実施例2】窒化硼素原料粉末(結晶質六方晶窒化硼
素、平均粒径4μm、酸素量0.6wt%)54gと、
金属硼素原料(アモルファス金属硼素、粒径0.05μ
m以下)を6gとを秤量し、以下実施例1と同様の条件
で焼成した。得られた焼成体の特性を表1に示す。
素、平均粒径4μm、酸素量0.6wt%)54gと、
金属硼素原料(アモルファス金属硼素、粒径0.05μ
m以下)を6gとを秤量し、以下実施例1と同様の条件
で焼成した。得られた焼成体の特性を表1に示す。
【0037】
【実施例3】窒化硼素原料粉末(結晶質六方晶窒化硼
素、平均粒径4μm、酸素量0.6wt%)48gと、
金属硼素原料(アモルファス金属硼素、粒径0.05μ
m以下)を12gとを秤量し、以下実施例1と同様の条
件で焼成した。得られた焼成体の特性を表1に示す。
素、平均粒径4μm、酸素量0.6wt%)48gと、
金属硼素原料(アモルファス金属硼素、粒径0.05μ
m以下)を12gとを秤量し、以下実施例1と同様の条
件で焼成した。得られた焼成体の特性を表1に示す。
【0038】
【比較例】窒化硼素原料粉末(結晶質六方晶窒化硼素、
平均粒径4μm、酸素量0.6wt%)60gを秤量
し、以下実施例1と同様の条件で焼成した。得られた焼
成体の特性を表1に示す。
平均粒径4μm、酸素量0.6wt%)60gを秤量
し、以下実施例1と同様の条件で焼成した。得られた焼
成体の特性を表1に示す。
【0039】また、実施例1及び比較例で得られた焼成
体の微視組織写真及びX線回折による結晶相分析結果を
図2〜3及び図4〜5に示している。
体の微視組織写真及びX線回折による結晶相分析結果を
図2〜3及び図4〜5に示している。
【0040】実施例1で得られた材料の微視組織におい
てはBN相以外に大きさ2〜5μmの第二相がほぼ均一
に分散されているのが特徴的である。
てはBN相以外に大きさ2〜5μmの第二相がほぼ均一
に分散されているのが特徴的である。
【0041】また、同材料のX線回折による分析の結果
を図4〜5に示すが、第二相はB6Oであることが判明
している。
を図4〜5に示すが、第二相はB6Oであることが判明
している。
【0042】従って、焼成中の金属硼素の作用として、
溶融B2O3相との反応により、一部は揮発性の酸化硼素
(B O )を生成し、一部は、耐熱性の高い酸化硼素(B
6O)を生成することによって高温特性を改善すること
にあることがわかる。
溶融B2O3相との反応により、一部は揮発性の酸化硼素
(B O )を生成し、一部は、耐熱性の高い酸化硼素(B
6O)を生成することによって高温特性を改善すること
にあることがわかる。
【0043】なお、実施例及び比較例で得られた焼成体
の特性値は、以下の試験方法により求めた。 (1)BN純度 原料粉末の純度と混合割合等から計算
で求めた値。 (2)密度 焼成体の寸法より体積を求め、その重量よ
り密度(g/cm3)=重量(g)/体積(cm3)で算
出した。 (3)強度 焼成体より図1に示す如く採取したサンプ
ルをJIS R1601に準拠して室温及び高温(10
50℃)にて三点曲げ強さを測定した。 (4)熱伝導率(室温のみ) 図1に示した寸法の円盤
状試験片を用いたレーザーフラッシュ法で測定。 (5)硬さ 加重1kgfでのビッカース法で測定。
の特性値は、以下の試験方法により求めた。 (1)BN純度 原料粉末の純度と混合割合等から計算
で求めた値。 (2)密度 焼成体の寸法より体積を求め、その重量よ
り密度(g/cm3)=重量(g)/体積(cm3)で算
出した。 (3)強度 焼成体より図1に示す如く採取したサンプ
ルをJIS R1601に準拠して室温及び高温(10
50℃)にて三点曲げ強さを測定した。 (4)熱伝導率(室温のみ) 図1に示した寸法の円盤
状試験片を用いたレーザーフラッシュ法で測定。 (5)硬さ 加重1kgfでのビッカース法で測定。
【0044】
【表1】
【0045】
【発明の効果】以上述べたように本発明により、焼結助
剤として酸化物を用いることなく常圧焼結により、高B
N純度、高温強度、高熱伝導製に優れた窒化硼素セラミ
ックスが得られ、電気絶縁性、熱伝導性、耐蝕性、耐熱
衝撃性、潤滑性等のBN本来の特性を発揮する用途に供
する部材を、高純度かつ高強度(高温度で)でなおかつ
安価に提供することができる。
剤として酸化物を用いることなく常圧焼結により、高B
N純度、高温強度、高熱伝導製に優れた窒化硼素セラミ
ックスが得られ、電気絶縁性、熱伝導性、耐蝕性、耐熱
衝撃性、潤滑性等のBN本来の特性を発揮する用途に供
する部材を、高純度かつ高強度(高温度で)でなおかつ
安価に提供することができる。
【図1】焼成体からの曲げ強度及び熱伝導率測定用サン
プルの採取方法を示した説明図である。
プルの採取方法を示した説明図である。
【図2】実施例1及び比較例で得られた焼成体(95%
HBN+5%B)の微視組織写真である。
HBN+5%B)の微視組織写真である。
【図3】実施例1及び比較例で得られた焼成体(Pur
e HBN)の微視組織写真である。
e HBN)の微視組織写真である。
【図4】実施例1及び比較例で得られた焼成体のX線回
折パターンである。
折パターンである。
【図5】実施例1及び比較例で得られた焼成体のX線回
折パターンである。
折パターンである。
Claims (2)
- 【請求項1】 窒化硼素粉末と金属硼素粉末を混合・成
形し、窒素雰囲気で常圧焼結して得られたものであっ
て、実質的に窒化硼素からなることを特徴とする高温強
度に優れた高純度窒化硼素セラミックス。 - 【請求項2】 窒化硼素粉末と金属硼素粉末を所定量秤
量し、混合・成形した後、必要により冷間静水圧プレス
(CIP)処理を施し、窒素雰囲気で常圧焼結すること
を特徴とする高温強度に優れた高純度窒化硼素セラミッ
クスの製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6246797A JPH0891937A (ja) | 1994-09-16 | 1994-09-16 | 窒化硼素セラミックス及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6246797A JPH0891937A (ja) | 1994-09-16 | 1994-09-16 | 窒化硼素セラミックス及びその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0891937A true JPH0891937A (ja) | 1996-04-09 |
Family
ID=17153824
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6246797A Withdrawn JPH0891937A (ja) | 1994-09-16 | 1994-09-16 | 窒化硼素セラミックス及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0891937A (ja) |
-
1994
- 1994-09-16 JP JP6246797A patent/JPH0891937A/ja not_active Withdrawn
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20011120 |