JPS6364973A - 窒化硼素焼結体およびその製造方法 - Google Patents

窒化硼素焼結体およびその製造方法

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JPS6364973A
JPS6364973A JP61209424A JP20942486A JPS6364973A JP S6364973 A JPS6364973 A JP S6364973A JP 61209424 A JP61209424 A JP 61209424A JP 20942486 A JP20942486 A JP 20942486A JP S6364973 A JPS6364973 A JP S6364973A
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JP
Japan
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sintered body
glass
sio2
boron nitride
molded body
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JP61209424A
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小板橋 寿光
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JFE Steel Corp
Original Assignee
Kawasaki Steel Corp
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、高純度な六方晶窒化硼素焼結体およびその製
造方法に関する。
〔従来の技術〕
六方晶窒化硼素(以下BNと記載)は耐熱性、電気絶縁
性、熱伝導性、耐熱衝撃性、溶融金属に対する耐食性な
どに優れ、また機械加工の可能なセラミックスである。
これらの特性を利用して高温絶縁材料、放熱板、溶融金
属の処理用治具−容器をはじめ、複雑形状を有する部品
など、産業の多方面への応用が期待されている。
上記のような優れた特性を発揮するためには、高純度な
りN焼結体はど望ましいが、 ■ BN粉末が極めて難焼結性の物質で、自己焼結性に
欠けること、 ■ 結晶構造が黒鉛類似の六角板状であり、C軸方向の
結合がファンデルワールス結合のために結合が弱いとい
う異方性を有すること、 に起因し、高純度なりN焼結体を製造することは難しい
。
従って、BN焼結体の製造には結晶粒子間を結合する焼
結助剤が必要であり、硼素酸化物、なかでもB20Bが
用いられる。この焼結助剤を含む焼結体は耐湿性に劣る
欠点を有する。つまり成形体表面に水分が吸着した場合
、湿分が微小な気孔に入り込んだり、成形体表面に存在
する結合剤のB2O3と反応して水和物を生成する。そ
の結果、絶縁特性や機械的強度が大幅に低下する。
従って、BN焼結体が電気絶縁材料として実用性を有す
るためには、吸湿に対する十分な対策が必要である。
従来よりBN焼結体の耐吸湿性の改善方法として、Si
O2を添加することが公知である。このSiO2を添加
する効果としては、SiO2が焼結助剤のB2O3と結
合して硼珪酸ガラス相を生成し、この生成物が耐湿性を
有するからである。
SiO2添加の例としては、 l)特公昭42−19241 再結晶したBNを30〜70%含むことを特徴とした耐
熱衝撃性のシリカガラス−BN[酸物。
2)特公昭47−38O47 BN30〜70部と、S i02  : B203=1
0:(10〜2)の組合わせの結合剤70〜30部とか
らなるBN成形体。
3)特公昭48−24483 硼珪酸質結合剤4.8〜40%の組成で耐水性に優れた
BN熱圧成形体。
が知られている。これらは焼結助剤のB2O3が多いた
めに、SiO2含有量の多い組成である。SiO2含有
量が多すぎると、高温下で軟化あるいは溶融したSiO
2が焼結体の表面に浸み出し、発汗状態になり、電気抵
抗が低下するという欠点がある。
一方、高純度BN焼結体を熱間静水圧プレス法で製造す
る技術には特開昭58−130168がある。これは高
純度のBNを用い、B203 Mの割合が少ないが、S
iO2を用いるものではない。
本発明は高純度なりNを用いるものであるがその場合で
も不純物の硼素酸化物(B203.B2O2、BNO中
間生成物など)の吸湿性により特性が低下する。この耐
吸湿性の改善にはSiO2が効果的であるが、その際に
、SiO2量は少量なので、原料で添加する場合は均一
混合が難しく、また混合工程が増え、煩雑になる。
従来、SiO2によって硼素酸化物を安定化する効果に
ついては公知であったが、少量のSiO2を均一に添加
する技術がなかった。
BNは難焼結性物質のために、ホットプレス法や熱間静
水圧プレス(HIP)法のような加圧力によって製造す
るのが一般的である。
本発明のHI P法でBN焼結体を製造する場合は、従
来のホットプレス法に比べて焼結中の加圧力を10倍多
くかけることができる。従って、ホットプレス法よりも
、焼結助剤が少なくて良く、その方晶純度BN焼結体を
得ることができる。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかし、BN100%の焼結体は不可能であり、少量の
B203が必要である。このB2O3を安定にするため
には、SiO2は少量で良いのであるが、少量のSiO
2を均一に分散させることは難しく、混合に時間を要す
る0本発明では焼結過程でSiOガスが焼結体中に侵入
し、残留0と反応してSiO2となるので、均一に分散
したSiO2の組織を作ることができる。
本発明は、焼結の進行中にSiO2を添加することによ
り混合の問題を解決しようとするものである。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は、BN含有量98.5〜99.5重量%、Si
O2含有量0.5〜0.05重量%、硼素酸化物含有量
1.5〜0.5重量%から成る高純度六方晶窒化硼素焼
結体である。
このような焼結体は次の方法によって製造することがで
きる。
すなわち、窒化硼素粉末を冷間静水圧成形し、ガラスフ
ィルムを用いた熱間静水圧プレス法によってこの成形体
から焼結体を製造する方法において、SiO2を含むガ
ラスカプセルまたはガラス粒と炭素質物質とを接触させ
て成形体を包囲しておき、このガラスにより成形体外面
にガラスフィルムを形成し、熱間加圧する。
〔作用〕
熱間静水圧プレス法(HI P)でBN焼結体を製造す
る場合、成形体の加圧用カプセルとして、ガラスカプセ
ルが使用される。焼結過程で、徐々に温度が上がるに従
って、ガラスが軟化溶融し、成形体の表面一体を包み、
高圧ガスで加圧されながら、BN成形体は緻密化する。
BN成形体とガラスとの濡れ性が悪いために、溶融ガラ
スが成形体の内部に侵入することはないし、また溶融ガ
ラスのガス化も起こらない。
ところが溶融ガラスと炭素質物質例えば黒鉛とを接触さ
せると、ガラス中の5f02の一部がSiOガスになり
、このガスがBN成形体の内部に拡散し、残留Oと反応
してSiO2となり均一に分散するようになる。
BN純度98.5%以上、望ましくは99%以上のBN
焼結体は絶縁抵抗、特に高温での絶縁抵抗に優れ、高温
ヒータの絶縁材に用いられる。このような高純度BNの
焼結にはHIP装置のような高い圧力を発生できる焼結
炉において、初めて可能である。しかし、さらに高純度
のBN焼結体を作ることは難しく、B N 99.5%
を超えると、焼結助剤が少なく液相生成量が少ないため
に十分な密度が得られない。
一方、BN含有量が98.5%未満では、B2O3量が
多くなり、高温特性が著しく悪化する。
これに対し、SiO2含有量は、0.05%以下ではB
2O3の耐湿性、安定化剤としての効果がなく、一方、
0.5%以上ではSiO2源として、焼結中に成形体内
に侵入するSiOガス量が多く、焼結体の緻密化が十分
に達せられない、また。
BN粉末はB2O3を原料として合成されるので、純度
98.5〜99.5%のBNには残部にB2O3あるい
は細酸化物が含まれる。
次にこのような組成を有するBN焼結体の製造方法につ
いて説明する。原料のBN粉末は純度98.5〜99.
5%、平均粒径が例えば5gmのものを用いる。このB
N粉末を金型成形機にて成形体を作り、さらに静水圧(
IP)成形により1.4〜1.6g/crrr’の密度
の成形体を作るか、あるいはBN粉末を直接にIP底成
形用ゴム形充填し、IP成形を行い、1.4〜16g/
cゴ密度の成形体を作る。なお、予備成形体は以上に示
した方法以外でもよく、例えばスリップキャスティング
等で成形したものも用いられる。この成形体をHIP焼
結を行う際に、第1図あるいは第2図のようなガラスの
圧力媒体を用いる。第1図はBN成形体lの周囲にガラ
ス粒子2および炭素質物質粒子3の混合物を充填し、カ
ーボンるっぽ6の中に納まっている。第2図はBN成形
体lの周囲に炭素質物質粒子3とBN粒子5を充填し、
ガラスカプセル4内に真空封入し、これらをカーボンる
つぼ6の中に納めている。
HIP焼成中にガラスが溶融し、成形体lの周囲を包む
と共に、不活性ガスの加圧によりガラスを媒体として成
形体に等方的に圧力が加えられる。高温になると、溶融
ガラス中の一部のSio2が炭素質物質粒子3やカーボ
ンるっぽ6と反応し、SiOガスとなり、成形体内に侵
入し、残留Oと反応し、SiO2となる。
焼成終了後の焼結体中には全面に亘って均一にSiO2
が分布している。均一に分布した様子は、本来、白色の
BNが灰黒色に変色し、全面に同一色になっているので
、これを目視観察することにより確認することができる
。
焼結体中のSiO2量はHIP焼成温度で異なり、焼成
温度が高いほどSiO2量は多くなる。
本請求範囲(7) S i O2量0−05〜0.5%
はHIP焼成温度を1300−1800℃にコントロー
ルすることにより達成できる。
使用するガラス粒子あるいはカプセル用ガラスとしては
パイレックスガラス、バイコールガラスや石英ガラスが
適している。ガラス粒およびガラスカプセルの種類とし
てはHIP温度が1500℃以下ではパイレックス、1
500〜1700℃ではパイレックスおよびバイコール
が好適である。
これらのガラスが適している理由としては以下の点が挙
げられる。
1つには、軟化温度がHIP処理温度に近く、処理時に
液相を形成し高圧の圧力媒体(ArまたはN2)のシー
ル効果が十分あることである。
2番目には、S i 02以外の成分が他の低軟化点ガ
ラスに比較して少ないため、それらの成分が焼結体中に
侵入しないことである。この点は焼結体中のSiO2含
有量、B2O3含有量を制御する上に重要であり、特に
他の成分を増加させずにSiO2含有量を0.05〜0
.5重量%にするには高SiO2含有量のガラスを用い
るのが好ましい、パイレックスガラス、バイコールガラ
スではB2O3を3〜10%含み、これがBN焼結体の
B2O3量を増すことが懸念されるが、分析結果ではこ
れら成分の増加は認められず、影響が少ない。
〔実施例〕
実施例1 純度99.5%のBN粉末にポリビニルアルコール(P
VA)1%を添加して顆粒状にし、ゴム型に充填し、1
500kg/am’でIPl&形を行い、50φX60
J1の成形体を得た。この成形体の密度は1.5g/c
m′であった。この成形体を600℃にて脱脂後、第1
図に示すようにパイレックスガラス粒と炭素質物質粒の
内部に充填した。
この充填物をHIP炉内に装入し、以下の条件でHIP
焼成を行った。
850℃まで真空(0,ITorr)で加熱し、パイレ
ックスガラスが軟化し、成形体の表面を密閉した後、加
圧および加熱を行い、1500℃到達時に、2000k
g/cm’に保持した。30分間保持後、冷却および除
圧を行った。
得られた焼結体の特性を第1表に示す。
実施例2 実施例1と同様な方法で成形体を作成し、第2図に示す
ようにパイレックスガラスカプセル4に入れ、400℃
にて10″″2Torrまで真空脱気の後、封入した。
HIP条件は実施例1と同様であり、焼結体特性を第1
表に示す。
比較例l SiO2粉末を0.3%添加し、HIP焼成を行った。
実施例1に比べて曲げ強度が低い、理由としてSiO2
の分散が均一でないためと思われる。また、SiO2が
高いために、密度も低くなっている。
比較例2 Si02粉末をo、 i%添加し、HIP焼成を行った
。実施例2に比べて曲げ強度が低い。
5f02の分散が不均一のためと考える。
〔発明の効果〕
本発明の焼結体は吸湿性が低く、電気絶縁抵抗の低下が
なく、安定で高純度なりN焼結体である。
このような焼結体は本発明方法によって容易に製造する
ことが可爺となった。
【図面の簡単な説明】
第1図、第2図は本発明方法の実施例を示す説明図であ
る。 l・・・BN成形体 2・・・パイレックスガラス粒子 3・・・炭素質物質粒子 4・・・パイレックスガラスカプセル 5・・・BN粒子 6・・・カーボンるつぼ

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 BN含有量98.5〜99.5重量%、SiO_2
    含有量0.5〜0.05重量%、硼素酸化物含有量1.
    5〜0.5重量%から成る高純度六方晶窒化硼素焼結体
    。 2 窒化硼素粉末を冷間静水圧成形し、該成形体から、
    ガラスフィルムを用いた熱間静水圧プレス法で焼結体を
    製造する方法において、SiO_2を含むガラスと炭素
    質物質とを接触させて成形体を包囲しておき、該ガラス
    により成形体外面にガラスフィルムを形成し、熱間加圧
    することを特徴とする高純度六方晶窒化硼素焼結体の製
    造方法。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005145737A (ja) * 2003-11-12 2005-06-09 Denki Kagaku Kogyo Kk 六方晶窒化硼素質成形体、その製造方法及び用途
JPWO2022163650A1 (ja) * 2021-01-26 2022-08-04

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