JP2721525B2 - 立方晶窒化ほう素焼結体およびその製造方法 - Google Patents

立方晶窒化ほう素焼結体およびその製造方法

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JP2721525B2 JP63318573A JP31857388A JP2721525B2 JP 2721525 B2 JP2721525 B2 JP 2721525B2 JP 63318573 A JP63318573 A JP 63318573A JP 31857388 A JP31857388 A JP 31857388A JP 2721525 B2 JP2721525 B2 JP 2721525B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、マイクロ波素子、半導体レーザー等の電子
装置用ヒートシンクや超精密切削工具として好適な特性
を有する立方晶窒化ほう素焼結体とその製造方法に関す
るものである。
〔従来の技術〕
立方晶窒化ほう素(cBN)はダイヤモンドに近い硬
度、熱伝導率および高い電気絶縁性を有し、さらにダイ
ヤモンドにはない鉄族金属に対する化学的安定性を有す
るため、従来の難削材用砥粒としての利用に加え、マイ
クロ波素子等の電子装置用ヒートシンク、鉄族金属の超
精密切削工具としての利用が種々試みられており、特に
cBN緻密焼結体が注目されている。
従来、cBN焼結体の製造方法としては次の(イ)〜
(ヘ)等が提案されている。
(イ)触媒を使用せずに低結晶性の六方晶窒化ほう素
(hBN)粉末を出発原料として高温高圧条件下に処理す
る方法(温度:1250℃以上、好ましくは1450〜1600℃以
上、圧力:60kbar以上;「マテリアルス・リサーチ・ブ
リチン(Mat.Res.Bull.),999(1972)) (ロ)低結晶性のhBN粉末にAlN等を添加混合したものを
出発原料として高温高圧条件下に処理する方法(温度:1
700〜1800℃、圧力:75kbar:特開昭49−22925号公報) (ハ)気相から析出させたhBNである熱分解窒化ほう素
(パイロリテイツクボロンナイトライド)の成形体を直
接高温高圧下に処理する方法(温度:1800℃以上、好ま
しくは2100〜2500℃、圧力:60kbar以上、好ましくは65k
bar以上;特開昭54−33510号公報) (ニ)hBNのホツトプレス焼結体にMg3B2N4等の触媒を拡
散含浸させたものを高温高圧処理する方法(温度:1510
〜1550℃、圧力:5.2〜5.7GPa:特公昭60−28782号公報) (ホ)市販の熱分解窒化ほう素成形体にMg3BN3等の触媒
を拡散含浸させたものを高温高圧処理する方法(温度:1
300℃以上、圧力:4万気圧以上:特開昭62−108772号公
報) (ヘ)気相合成法を用いて析出させることにより生成す
る金属窒化物を含有する熱分解窒化ほう素成形体を高温
高圧処理する方法(温度:1300℃以上、圧力:4万気圧以
上;特開昭62−108718号公報) しかし、これらの方法には以下に示すような問題があ
り、これらの方法によつて得られる立方晶窒化ほう素焼
結体はヒートシンク用および鉄族金属の超精密切削用工
具用としては十分に満足するものではなかつた。
まず(イ)〜(ヘ)の方法で得られるcBN焼結体の常
温熱伝導率は数〜10W/cm・Kである。cBNの理論熱伝導
率はスラツク(Slack)によれば13W/cm・K(「ジャー
ナル・オブ・フイジカル・ケミストリー・オブ・ソリツ
ズ(J.Phys.Chem.Solids)」,34,321(1973))である
から、これらの方法で得られるcBN焼結体の熱伝導率は
いずれも理論熱伝導率よりかなり低く、ヒートシンクに
要求される高熱伝導性を満たしていなかつた。
一方、鉄族金属の超緻密切削工具には鋭利な切刃が要
求される。(イ)〜(ヘ)の方法で得られるcBN焼結体
を構成するcBN結晶粒子の平均粒径は数10μm以下と小
さいため、切刃上の結晶粒界の位置に凹凸が生じ、鋭利
な切刃を有する工具は作製できない。
〔発明が解決しようとする課題〕
本発明は、cBN焼結体をヒートシンクまたは鉄族金属
の超緻密切削用工具として利用する場合の上述したcBN
焼結体の問題点を改善するものであつて、高熱伝導性で
しかも粒径の大きいcBN焼結体を提供しようとするもの
である。
〔課題を解決するための手段〕
すなわち本発明は、以下を要旨とするcBN焼結体およ
びその製造方法である。
1.平均粒径100μm以上の立方晶窒化ほう素粒子からな
り、10W/cm・K以上の常温熱伝導率を有することを特徴
とする立方晶窒化ほう素焼結体。
2.熱分解窒化ほう素成形体にアルカリ金属もしくはアル
カリ土類金属の窒化物もしくはほう窒化物を0.1〜5モ
ル%の割合で拡散含有させ、これを立方晶窒化ほう素の
熱力学的安定条件下に、5万気圧以上の圧力および1500
℃以上の温度で立方晶窒化ほう素に変換する方法におい
て、 1300℃以上の温度における昇温速度を 500℃/分以上とすることを特徴とする立方晶窒化ほ
う素焼結体の製造方法。
以下、さらに詳しく本発明について説明する。
cBN焼結体の説明 本発明のcBN焼結体の第1の特徴は、平均粒径が100μ
m以上であり、従来のcBN焼結体の平均粒径(数〜数10
μm)よりも大きいことである。平均粒径の上限値につ
いては特に制限を受けることはなく、1mm程度まで可能
である。
平均粒径は以下のように測定される。焼結体を研磨
し、研磨面を顕微鏡で観察すると、平滑な面が不規則な
曲線で区切られた組織像が観察される。この平滑な面が
個々のcBN焼結粒子の断面であり、不規則な曲線が結晶
粒子同士の境界すなわち粒界である。この像より最近接
の粒界間の平均距離を求め、この距離に1.5を乗じた長
さが平均粒径である。(セラミツクプロセシング(技報
堂出版、1985)、p.194参照)。
本発明のcBN焼結体の第2の特徴は、常温における熱
伝導率が10W/cm・K以上であり、従来のcBN焼結体の常
温における熱伝導率よりも高いことである。
絶縁性固体物質中の熱は格子振動(フオノン)により
伝えられる。完全な単結晶ではフオノンは散乱されてい
ないため熱伝導率は理論値になるが、焼結体の場合フオ
ノンの散乱源を有するため、熱伝導率は理論値よりも小
さい。焼結体の粒界はこのフオノンの散乱源の1つであ
る。従つて粒界が少ない焼結体熱伝導率は高くなる。本
発明のcBN焼結体が従来のcBN焼結体よりも熱伝導率が高
いのは、粒径が大きいので粒界の総面積が小さい、すな
わち粒界が少ないためである。
cBN焼結体製造方法の説明 本発明のcBN焼結体の原料である熱分解窒化ほう素
(P−BN)成形体は、化学気相蒸着法(CVD法)によつ
て製造される。CVD法によるP−BNの合成は、例えば米
国特許第3152006号に開示されているように、三塩化ほ
う素(BCl3)等のハロゲン化ほう素ガスとアンモニアガ
スとを原料とし、50Torr以下の減圧下に1400〜2300℃の
温度で、黒鉛等の基材の表面に窒化ほう素を気相から析
出させることにより行われる。
一方、P−BNは、本来酸素不純物や金属不純物をほと
んど含まない高純度の窒化ほう素であるので、それをcB
N焼結体の原料に用いた場合、生成するcBN焼結体は不純
物をほとんど含まず、高い熱伝導性を有することが期待
される。上述の高純度のP−BN成形体は所望の形状・寸
法に加工され、ついでcBNへの変換触媒であるアルカリ
金属もしくはアルカリ土類金属の窒化物もしくはほう窒
化物が拡散含浸される。拡散含浸の方法は、例えば変換
触媒もしくはP−BNと反応して触媒となる物質の粉末中
にP−BN成形体を埋め込んで非酸化性雰囲気中で加熱処
理を行いP−BN成形体中に反応拡散させる方法がある。
変換触媒であるアルカリ金属もしくはアルカリ土類金属
の窒化物もしくはほう窒化物としては、例えばMg3BN3
Ca3BN3、Sr3BN3、Ba3BN3等をあげることができる。触媒
含有量は加熱処理の温度や時間の条件で調節することが
できる。cBN焼結体製造に必要な触媒含有量は0.1〜5モ
ル%程度である。
次いで、触媒が拡散含浸されたP−BN成形体は、例え
ばベルト型のような高温高圧装置内で5万気圧以上の圧
力および1500℃以上の温度で数10分間高温高圧処理が行
われる。高温高圧処理では反応容器に充填された原料に
対し、まず圧力が、続いて熱が加えられて所定の圧力お
よび温度に保持される。加熱時の昇温速度は従来200℃
/分以下であつた。この場合、cBN焼結体の生成速度は1
500℃以上では非常に速く、例えば直径10mm、厚さ1mmの
P−BN原料ならば、5分以内で完全にcBN焼結体に変換
してしまう。一方保持温度は高いほどcBN焼結粒子の成
長速度が大きくなるため、生成するcBN焼結体の粒径は
大きくなる。従来の昇温速度では保持温度をいかに高く
しても昇温途中の低い温度でcBN焼結体の生成がほぼ完
結してしまうために実質的なcBN焼結体生成温度が保持
温度よりも低く、cBN結晶粒子の平均粒径が数10μm以
下でしかなかつた。
これに対し、本発明では、特に1300℃以上の温度にお
いて500℃/分以上とするものである。このため、昇温
途中ではcBN結晶粒子はほとんど成長せず、保持温度に
到達して初めて成長する。従つて、本発明によれば、平
均粒径100μm以上の立方晶窒化ほう素粒子からなり、1
0W/cm・K以上の常温熱伝導率を有する高熱伝導率性cBN
焼結体を製造することができる。
〔実施例〕
以下、実施例および比較例をあげてさらに具体的に説
明する。
実施例1〜5 比較例1〜2 三塩化ほう素とアンモニアを原料ガスとして、圧力3T
orr、温度1940℃、蒸着速度100μm/hrとして1mm厚のP
−BN板を析出させた。このP−BNの格子定数(Co)をX
線回折測定により測定したところ、6.82Åであつた。ま
た金属不純物量を発光分析により測定したところ、Siお
よびMgが1ppmずつ検出された以外はいかなる金属も検出
されなかつた。
このP−BN板から直径12mm、厚さ1.5mmの円板を作製
し、これを窒化マグネシウム(Mg3N2)粉末中に埋め込
み、窒素気流中1250℃で5時間保持し、Mg3BN30.7モル
%を拡散含有させた。これを原料として、ベルト型装置
を用い、表1に示す高温高圧処理条件下で30分間保持し
てcBN焼結体を製造した。得られた焼結体について、外
観観察、X線回折測定による生成相の同定、顕微鏡観察
による粒径の測定、定常法熱伝導率測定装置(理学電機
社製、TS/Lλ−8550型)による常温(25℃)熱伝導率の
測定を実施した。それらの結果を表1に示す。
実施例6〜8 高温高圧処理条件を表2に示す条件にしたこと以外は
実施例1〜5と同様にしてcBN焼結体を製造し、物性を
測定した。それらの結果を表2に示す。
比較例3、4 酸化ほう素(B2O3)粉末とメラミン(C3N6H6)粉末を
モル比で3:1の割合で混合した粉末を、窒素雰囲気下で1
200℃に加熱してhBN粉末を製造した。hBN粉末のc軸方
向の格子定数(C0)を測定したところ、6.95Åで結晶性
の低いhBNであることが判つた。この粉末をMo製カプセ
ルに充填しベルト型装置を用い、表2に示す高温高圧処
理条件下で30分間保持してcBN焼結体を製造した。得ら
れた焼結体について実施例と同様にして物性を測定し
た。それらの結果を表2に示す。
比較例5 比較例3と同じhBN粉末に、AlN粉末をモル比で4:1の
割合で混合した。この粉末をMo製カプセルに充填しベル
ト型装置を用い、表2に示す高温高圧処理条件下で30分
間保持してcBN焼結体を製造した。得られた焼結体につ
いて実施例と同様にして物性を測定した。それらの結果
を表2に示す。
実施例9、比較例6 実施例3のcBN焼結体を1mm×1mm×0.5mmの角板に加工
し、ニツケルと金を500Åずつスパツタリングでコーテ
イングしてヒートシンクとして完成した。このヒートシ
ンク上に半導体レーザ素子をはんだ付けし、リード線を
接続した。この半導体レーザに電流を200mA流し、素子
の表面温度を測定した。比較例6として、比較例1のcB
N焼結体を用いて同様に表面温度を測定したところ、実
施例9のほうが比較例1よりも約20℃低いことが判つ
た。
実施例10、比較例7 実施例1の焼結体を用い、刃先ノーズ半径1.0mm、す
くい角0゜の切削加工用バイトを作製した。これを用い
てステンレス鋼(SUS316)を被削材として、切削速度18
0m/分、送り量5μm/rev、切込み2μm、切削距離100m
の切削条件で切削した。切削後、被削材の表面粗さを測
定したところ、最大粗さ(Rmax)が0.03μmであつた。
比較のため、市販のcBN焼結体工具(粒径3μm)を
用いて同一切削条件で切削した。切削後、被削材のRmax
を測定したところ、0.08μmであつた。
〔発明の効果〕
本発明のcBN焼結体は、平均粒径が大きい。従つて超
精密切削工具に用いると鋭利な切れ刃が得られるので、
高精度の切削性能を長期にわたり持続する。さらに本発
明のcBN焼結体は高熱伝導性である。従つて高出力半導
体レーザ用ヒートシンクに用いると、安定した高い放熱
特性を長期にわたり持続する。
本発明のcBN焼結体の製造方法によれば、穏やかな高
温高圧処理条件下において、平均粒径が大で熱伝導率の
高いcBN焼結体を製造することができる。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】平均粒径100μm以上の立方晶窒化ほう素
    粒子からなり、10W/cm・K以上の常温熱伝導率を有する
    ことを特徴とする立方晶窒化ほう素焼結体。
  2. 【請求項2】熱分解窒化ほう素成形体にアルカリ金属も
    しくはアルカリ土類金属の窒化物もしくはほう窒化物を
    0.1〜5モル%の割合で拡散含有させ、これを立方晶窒
    化ほう素の熱力学的安定条件下に、5万気圧以上の圧力
    および1500℃以上の温度で立方晶窒化ほう素に変換する
    方法において、 1300℃以上の温度における昇温速度を 500℃/分以上とすることを特徴とする立方晶窒化ほう
    素焼結体の製造方法。
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