CN101981221A - 氮化铝与铝的块状混合物的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种氮化铝与铝的混合物的制造方法，其包括第1热处理工序，该第1热处理工序，通过在氮气环境下将容器(13)内所装入的铝粉末(21)和铝片(20)加热至铝的熔点以上，制造氮化铝与铝的块状混合物。在铝粉末(21)的表面上形成有氧化膜。该氧化膜，例如是自然氧化膜。相对于铝片(20)的铝粉末(21)的重量比率，例如是0.1以下。

Description

氮化铝与铝的块状混合物的制造方法

技术领域

本发明涉及一种氮化铝与铝的块状混合物的制造方法。

背景技术

氮化铝是具有热导率高、热膨胀系数低、化学性稳定等优良性质的材料。因此，对氮化铝在半导体器件等、发动机部件材料等各种领域中的应用，近年来为人们所期待。

以往，作为制造氮化铝的方法，有在非常高的气压(例如，100个大气压)的氮气环境中将铝加热至高温(例如，1600℃)的方法。通过该方法，能够获得氮化铝的粉末。在非专利文献1中，公开了涉及氮化铝的制造的研究。

非专利文献1：小橋、斎木健蔵ら、日本軽金属学会第104回講演概要集(2003)2.(小桥真、斋木健藏等，日本轻金属学会第104次讲演概要集(2003)2.)

发明内容

在铝中混合氮化铝的复合材料被认为显示有优良特性。但是，在上述的方法中，要获得氮化铝，就需要设定非常高的气压且高温。因此，制造铝与氮化铝的块状混合物的成本变高。

本发明是基于对上述情况的考虑而做出的发明，其目的在于，提供一种制造成本低的铝与氮化铝的块状混合物的制造方法。

根据本发明，提供一种氮化铝与铝的块状混合物的制造方法，其包括第1热处理工序：在氮气环境下，将容器内所装入的铝粉末和铝片加热至铝的熔点以上，由此制造氮化铝与铝的块状混合物。

根据本发明，铝与氮化铝的制造成本变低

附图说明

对于上述的目的及其它目的、特征和优点，通过下述合适的实施方式及其所附带的下面的附图进一步进行明确化。

图1是第1热处理工序所使用的电阻炉的结构图。

图2中各图是表示加工工序之中的模具的操作的剖面图。

具体实施方式

图1是第1实施方式所涉及的氮化铝与铝的块状混合物的制造方法中使用的电阻炉的结构图。该电阻炉具有反应腔室10。反应腔室10中设有排气口16和气体导入口11。反应腔室10内设有用于加热容器13的电阻加热器14(例如，碳化硅加热器)。容器13中安装有热电偶，因此，通过热电偶的监控线15，可从反应腔室10的外部对容器13的温度进行监控。另外，电阻加热器14与容器13之间，设有用于均匀加热容器13的均热匣钵12。由气体导入口11导入的气体，从均热匣钵12的内侧供给反应腔室10的内部。容器13例如为氧化铝制，能够使氮气等气体从外侧向内侧渗透。

接着，针对采用上述电阻炉的氮化铝与铝的块状混合物的制造方法进行说明。首先，将铝片20和铝粉末21配置于容器13的内部。铝粉末21，例如配置于容器13的底部，多块铝片20配置于铝粉末21之上。铝片20的长边，例如为10mm～500mm，厚度例如为5μm～1mm。

铝粉末21可以为粒状，也可以为鳞片状。当铝粉末21为粒状的情况下，其粒径，例如为100μm以上、1000μm以下。当铝粉末21为鳞片状的情况下，其大小，长边为1μm以上、5μm以下。在铝粉末21的表面上形成有氧化膜。该氧化膜，例如为自然氧化膜。铝粉末21相对于铝片20的重量比率，例如是0.1以下。

另外，作为对铝粉末21的前处理，可以在10个大气压以上的高压氮气环境中，以铝的熔点以下的温度进行热处理。还可以采用机械式加压的挤压机将铝粉末21制成多气孔的块。此时的气孔率，例如为30％以上。

另外，也可以将铝粉末21浸于铝酸铵溶液中，然后，通过干燥，将铝粉末21的表面用铝酸铵包覆。

接着，将容器13配置于均热匣钵12的内侧。接着，一边从气体导入口11导入氮气或者氮气与非活性气体的混合气体，一边从排气口16持续排气。由此，反应腔室10内部的空气被氮气环境所取代。反应腔室10内部中的氮气压力，例如，优选为从排气口16进行外溢的常压环境，但是，也可采用50个大气压以下的加压环境。另外，也可以将氨气导进于从气体导入口11导入的氮气中。从气体导入口11所导入的气体中的氨气的含量，例如为5％以上、30％以下。

接着，采用碳化硅加热器14，例如，以2℃/分钟以上的升温速度对容器13加热至铝的熔点以上(例如，650℃以上、1400℃以下)。基于该第1热处理工序，使容器13内的铝20和铝粉末21熔融，发生铝的氮化反应，形成铝与氮化铝的块状混合物。处理时间，例如为5分钟～20分钟。

对于该铝的氮化反应，认为是按如下所述进行。首先，在铝熔融的状态下，存在于铝粉末21表面的氧化膜，使熔融铝短时间内维持保持于其内侧的状态。即，熔融的铝粉末21与熔融的铝片20，通过存在于铝粉末21表面的氧化膜得到片刻隔离。该时间内，在熔融的铝粉末21内，进入环境中的氮，熔融状态的铝粉末21的氮化反应发生。并且，在某时间点氧化膜破裂、熔融的铝粉末21与熔融的铝片20进行接触。由于铝的氮化反应是发热反应，在该接触面上铝的氮化反应剧烈进行。

另外，当铝粉末21的表面由铝酸铵进行包覆的情况下，也由铝酸铵提供氮，因此铝的氮化反应变得易于发生。另外，当氮气环境中还含有氨的情况下，通过由氨进行分解产生的发生基(generating group)的氢，促进铝粉末21表面的氧化膜的还原作用，因此，即使在氧化膜比较厚的情况下也会发生氮化铝的生成反应。另外，通过控制氮气环境中的氨浓度，能够加快反应速度。这种情况下，适于块状混合物的批量生产。

在第1热处理工序中的铝的氮化反应中，氮化反应的进行速度能够根据处理温度和环境中氮的压力进行控制。另外，通过调节诸如处理温度、环境中氮的压力、处理时间以及铝粉末21相对于铝片20的比率等第1热处理的处理条件，能够分别形成不同的块状混合物的状态(例如，氮化铝的含量比率)。

例如，在设定的处理条件下，能够获得多个的氮化铝粒子通过铝进行接合的氮化铝与铝的块状混合物。对于所得到的块状混合物所形成的状态而言，铝位于多个的氮化铝粒子的相互之间，或者，铝位于成长为网络状即网眼状的氮化铝的相互之间。并且，能够将块状混合物的空隙率设定为1％以下。另外，当铝的含量比率为50％以上、70％以下的情况下，所得到的块状混合物的可加工性变高。另外，当使铝粉末21的粒径变大并且使铝粉末21相对于铝片20的重量比率为0.25以上时，能够制作成在块状混合物中残留部分铝粉末21的、纯铝的粒子均质地分散于上述网络内的状态。当制成所述状态时，尽管块状混合物的热强度高，但是其延展率也能够如铝地保持为15％。

在通过后述的加工工序获得混合物的块状成型体时，期望不使氮化铝生长至网络状，而使氮化铝处于分散状态。即，期望在反应的初期状态下使第1热处理停止。例如，进行第1热处理工序，使块状混合物的氮化铝含量比率成为5重量％以上、30重量％以下，即：使铝含量比率成为70重量％以上、95重量％以下。作为后述的第2热处理工序的控制因素，有第1热处理工序之后的块状混合物的氮化铝含量比率、还有氮化铝粒子的形状及其分散状态等控制要素，但是，它们这些能够通过第1热处理工序控制。

块状混合物中所含的氮化铝的粒子的平均粒径，一般形成为细小的例如为μm级。并且，能够使该粒度分布陡峭。根据第1热处理的条件，能够对此进行调整，例如也可为10μm级、0.1μm级。

当容器13为大型容器的情况下，向内部提供氮变得困难，反应变得不均匀。因此，优选将容器13设定为浅而宽大的容器。在此情况下，可以将铝粉末21分散于多个位置上。对于反应腔室10也是期望设定为浅而宽大的平型炉。此时，作为反应腔室10可以采用推送式连续炉。

另外，因为与以前相比能够降低第1热处理的温度，能够抑制炉材蒸发引起的杂质的混入，使铝片20和铝粉末21的纯度越高，就越能获得纯度高的块状混合物。

接着，对块状混合物进行加热，然后，将块状混合物夹持于对应所需形状的模具上型(又称“上箱”)和模具下型(又称“下箱”)之间，由此使其加压成型(加工工序)。基于此，使块状混合物成型为所需的形状。

该加工工序，例如是半凝固锻造或者半熔融锻造。当是半凝固锻造的情况下，首先，使块状混合物中的可熔化成分进行熔化，然后冷却至所设定的温度并保持于该温度，由此使熔化成分的一部分形成凝固状态。并且，在该状态下，将块状混合物配置于模具上型和模具下型之间，进行加压成型。半凝固锻造的具体方法，例如有日本特开2003-136223或者日本特开2004-322176中所记载的方法。

另外，当在半熔融锻造的情况下，首先，通过加热处理使块状混合物中的可熔化成分进行完全熔化，然后，基于铸模进行浇铸，由此加工成具有标准化形状的坯料(billet)。接着，对坯料进行加热处理后保持于设定的温度，由此使成分的一部分处于熔融状态，在该状态下，将坯料在模具上型和模具下型之间夹持。

在半熔融锻造或者半凝固锻造的任意情况下，在模具上型和模具下型之间所夹持的阶段中，块状混合物(或者坯料)的固相率，例如，优选为30％～90％。为了使块状混合物形成为所设定的固相率，例如，可以调整热处理时间和温度。

另外，在第1热处理工序之后、加工工序之前，优选分别对模具上型和模具下型进行预加热，然后，将具有所设定的固相率的混合物在模具上型和模具下型之间夹持。

该加工工序可以通过氮气环境来进行。在此情况下，加工工序成为第2热处理工序，在块状混合物中发生铝的氮化反应，使块状混合物的氮化铝含量比率升高。氮气环境的压力，可以是常压也可以是加压。当是加压的情况下，优选为10个大气压以下。

图2显示一个通过半凝固锻造进行加工处理时的例子。首先，如图2(A)所示，将经过适当预加热而形成半凝固状态的块状混合物6设置于模具下型8的中央，其中，所述模具下型8被加热至比块状混合物6的温度低的温度。接着，如图2(B)所示，通过使模具上型7接近于模具下型8，使处于半凝固状态的块状混合物6得以压缩变形，进而，如图2(C)所示，通过在模具上型7与模具下型8所构成的空隙部中进行填充，得以完成成型体9。

在块状混合物6的压缩变形中的模具夹紧速度，例如期望为0.01～1.0m/s。另外，块状混合物6在模具内的移动是动态变化的，因此，期望模具夹紧速度随着成型体的形状是可变的。另外，根据半凝固状态的组成比率和形态，能够使该速度发生各种改变。另外，优选在模具的成型体空间之外设有其集积部，以使排出块状混合物6的剩余部分。另外，也可在模具上设置起模杆(ejector pin)，能够顺利地进行脱模。另外，为了易于脱模，也可以使模具上型7、模具下型8的温度相对于成型体9的温度发生改变。

另外，所得到的块状混合物或者成型体9，根据氮化铝的比率的不同，其特性有各种变化。例如，当铝的比率高的情况下，块状混合物或者成型体9，在其后的加工性变得良好；当铝的比率低的情况下，块状混合物或者成型体9的特性变得接近氮化铝的特性。另外，氮化铝的粒子表面由铝进行包覆，因此，能够获得良好的耐湿性。

由此，基于本实施方式，能够容易地获得氮化铝与铝的块状混合物及其成型体9。并且，与获得混合物的以往的方法相比，制造条件为低温并且低压。因此，制造成本也比以往降低。另外，所得到的块状混合物的成型体9与金属铝合金相比，具有优良的机械强度、耐磨损性、韧性、高导热性且轻质。另外，因为以铝粉末21和铝片20作为起始原料，所以能够使块状混合物含有的杂质变少。

另外，本发明并不局限于上述实施方式，在不超出本发明的主旨的范围内，能够进行各种变更而进行实施。

例如，也可以通过液态模锻或者铸造来进行加工工序。在此情况下，将混合物进行加热，使得一部分成分熔化而具有流动性，然后，将熔化金属注入模具中进行加压成型，或者将熔化金属进行注射成型。

另外，为了提高成型体9的氮化铝的含量比率，在加工工序之前或者之后，也可以在氮气环境下对块状混合物或者成型体9进行热处理(第2热处理工序)。此时的热处理条件的范围和氮气环境的压力范围，例如，与上述加工工序相同，由此，在块状混合物或者成型体9中，进行铝的氮化反应。

Claims (10)

1.一种氮化铝与铝的块状混合物的制造方法，其包括第1热处理工序，该第1热处理工序，通过在氮气环境下将容器内所装入的铝粉末和铝片加热至铝的熔点以上，制造氮化铝与铝的块状混合物。

2.如权利要求1所述的氮化铝与铝的块状混合物的制造方法，其中，在上述铝粉末的表面上形成有氧化膜。

3.如权利要求1所述的氮化铝与铝的块状混合物的制造方法，其中，上述铝粉末相对于上述铝片的重量比率是0.1以下。

4.如权利要求1所述的氮化铝与铝的块状混合物的制造方法，其中，上述铝粉末的表面由铝酸铵包覆。

5.如权利要求1所述的氮化铝与铝的块状混合物的制造方法，其中，在上述第1热处理工序之后，具有采用模具使所加热的上述块状混合物成型的加工工序。

6.如权利要求5所述的氮化铝与铝的块状混合物的制造方法，其中，上述加工工序是半凝固锻造或者半熔融锻造。

7.如权利要求5所述的氮化铝与铝的块状混合物的制造方法，其中，上述加工工序，是对上述块状混合物加热，使一部分成分熔化而具有流动性，然后，采用注射成型或者加压成型来进行成型的工序。

8.如权利要求7所述的氮化铝与铝的块状混合物的制造方法，其中，上述加工工序是铸造或者液态模锻。

9.如权利要求5～8中的任一项所述的氮化铝与铝的块状混合物的制造方法，其中，在上述加工工序之前，上述块状混合物中含有70重量％以上、95重量％以下的铝。

10.如权利要求5～9中的任一项所述的氮化铝与铝的块状混合物的制造方法，其中，在上述加工工序之后或之前，包括第2热处理工序，该第2热处理工序，通过将上述块状混合物在氮气环境下加热，使得上述块状混合物中发生铝的氮化反应。

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