JP4528016B2

JP4528016B2 - 窒化珪素質ディスク

Info

Publication number: JP4528016B2
Application number: JP2004119573A
Authority: JP
Inventors: 泰司俣野; 由樹子橋本; 通洋三嶋; 忠之圓尾
Original assignee: Mitsui Mining and Smelting Co Ltd; Krosaki Harima Corp
Current assignee: Mitsui Mining and Smelting Co Ltd; Krosaki Harima Corp
Priority date: 2004-04-14
Filing date: 2004-04-14
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2024-04-14
Also published as: JP2005298299A

Description

本発明は、遠心噴霧法による金属粉末の製造装置に使用するディスクに関するものであり、特に銅粉末の製造に使用する窒化珪素質ディスクに関するものである。

金属粉末は、粉末冶金等さまざまな分野で使用され、例えば、銅粉末はＰＴＡ溶接用材、ロウ材用、導電ペ−スト、ＭＩＭ、磁気シ−ルド材用（表面処理用）と広い用途が有る。なかでも、サブミクロンクラスの真球の銅粉末は、（１）流動性が良い（２）充填密度が高くなる（３）比表面積が小さいためペ−スト化時の粘性が低くなる等の特性がありニーズが高まっている。

金属粉末の製法は、水アトマイズ法、ガスアトマイズ法、遠心噴霧法、電解法等が一般的である。このうち遠心噴霧法は、１００μｍ以下の粒径を容易に制御することができ、かつ真球になるというメリットがある。この方法では、溶融金属を高速で回転するディスク上へ滴下するとディスクの外周部から、水平に溶融金属が噴霧された後、凝固することで球状の金属粉末を製造することができる。

遠心噴霧法で銅粉末を製造した例としては、特許文献１があり、そこでは金属製（材質ＳＣ３７）でφ８０×４０という大型のディスクを用いている。この場合はディスク回転数が５０００ｒｐｍという低速であり、ディスク重量が大きいため、高速回転ができず、微小粉末の製造は不可能である。

一般的に、金属の溶融温度が低い場合には、ディスクの材質は金属でも良いが、金属の溶融温度が高い場合には、セラミックスが使用されている。また回転数の高速化のためにも比重の小さいセラミックスが適している。

例えば、特許文献２では、遠心噴霧法による熱電材料の製造方法が記載されている。ディスクの材料としてＳｉ_３Ｎ_４を９４．８％含有するβサイアロン９０％にＹ_２Ｏ_３やＳｉＯ_２ガラス等を約１０％混合した窒化珪素質材料が使用されている。窒化珪素を含む材料により作製された回転ディスクを用いることにより、従来よりも平均粒径の小さい粉末熱電材料を歩留り良く製造することができると記載されている。しかしながら、この組成のディスクは溶融温度が１０００℃を超える溶銅の場合には耐用性に問題がある。

さらに、本発明者が溶銅の遠心噴霧法のディスクとしてサイアロンを使用してみたところ、ディスクの中心部から腐食が進行しディスク表面が平滑でなくなるため噴霧が安定せず、長時間（１時間以上）の連続運転ができず、生産性が非常に低いという問題があることがわかった。この原因として、サイアロンの組織中のＡｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３を含む約１０％のガラス相が、溶銅による摩耗あるいは溶銅の酸化による化学反応によって溶損するためであると推定される。
特開昭５８-９１１０１号公報特開２００２-１５１７５２号公報

そこで、本発明が解決しようとする課題は、遠心噴霧法による銅粉末の製造において、溶銅による腐食のない窒化珪素質ディスクを提供することである。

上記課題を解決するため、本発明者は、サイアロンもしくは窒化珪素の焼結時に生成されるアルミナとイットリア起因のガラス成分を極力減少させるために、Ａｌ分を添加することで、ガラス成分を結晶化させることに着目した。その結果、Ａｌ分を添加することで、ガラス相は消滅し、複数の結晶相が生成され、溶銅に対する溶損性が飛躍的に向上することがわかった。この結晶相はＹ_０．５４（Ｓｉ_９．５７Ａｌ_２．４３）（Ｏ_０．８１Ｎ_{１５．１９}）、βＳｉ_３Ｎ_４、Ｓｉ_３Ａｌ_７Ｏ_３Ｎ_９、Ｙ_２Ｓｉ_３Ｎ_４Ｏ_３等であることがＸ線解析より確認された。

ここで、Ａｌ分としては、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）で添加した場合、酸素が過剰となり、ガラス相が増加するので、溶銅に対する耐溶損性は逆に低下する。一方、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で添加した場合、サイアロン（Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ）組成の化合物やαタイプのサイアロンとして結晶中にＡｌやＯが固定化されて、ガラス相は生成されにくくなる。よって溶融状態の反応活性な銅とＯとの反応を抑制する。したがって、Ａｌ分としては、窒化アルミニウムを使用することが重要である。

また、ガラス相が結晶相になることで、熱伝導率が高くなる。このために、ディスク加熱時の表面と内部との温度分布差が解消されて、発生熱応力を軽減できるので加熱時や、溶銅を滴下したときの熱衝撃による割れを回避できる。

本発明は以上の知見に基づきなされたもので、本発明の窒化珪素質ディスクは、窒化珪素６０〜８０質量％、窒化アルミニウム１５〜２４質量％、アルミナ２〜８質量％、及びイットリア２〜８質量％を含む配合物を焼結したものである。

また、本発明の窒化珪素質ディスクにおける結晶相は、結晶相がＹ_０．５４（Ｓｉ_９．５７Ａｌ_２．４３）（Ｏ_０．８１Ｎ_{１５．１９}）およびβＳｉ_３Ｎ_４もしくはβサイアロンを含む。

なお、本発明の窒化珪素質ディスクでは、サイアロンもしくは窒化珪素の単一結晶相に比較して、その中に第２の結晶相が現れることで強度が低下するが、本発明の範囲のものでは、曲げ強さが３００ＭＰａ以上あり、ディスクとしての高速回転の遠心力に十分耐える強度は確保できている。

本発明の窒化珪素質ディスクを、遠心噴霧法による銅粉末の製造用のディスクとして使用することにより、溶銅を滴下、噴霧させる際の溶銅による腐食がなくなるので、長時間の操業が可能となり、１００μｍ以下の粒径で、かつ真球の銅粉末を安定して効率よく、製造することが可能となった。

本発明の窒化珪素質ディスクは、窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナ、及びイットリアを含む配合物を焼結して得られる。

窒化珪素としては、セラミックス原料として一般に市販されているものであれば問題なく使用でき、その配合量は６０〜８０質量％の範囲とする。配合量が６０質量％未満では、窒化珪素特有の高強度、耐熱衝撃性等の特性が損なわれ、８０質量％を超えると、Ａｌ分として添加する窒化アルミニウムの量と、焼結時にガラスの液相を結晶粒界に形成しながら、窒化珪素が焼結する助剤として機能するアルミナ、イットリアの量が相対的に不足し、耐食性に優れた高強度の窒化珪素質ディスクにはならない。

窒化アルミニウムとしては、セラミックス原料として一般に市販されているものであれば問題なく使用でき、その配合量は１５〜２４質量％の範囲とする。配合量が１５質量％未満では、本発明の目的である窒化珪素の粒界に存在するガラス相の結晶化が十分でなく、２４質量％を超えると、焼結体の強度が低下して、本来の窒化珪素の特性が損なわれるので、遠心噴霧機のディスクとしては不適である。

アルミナとしては、セラミックス原料として一般に市販されているものであれば問題なく使用でき、その配合量は２〜８質量％の範囲とする。配合量が２質量％未満では、窒化珪素が焼結する助剤として機能するアルミナの量が不足し、耐食性に優れた高強度の窒化珪素質ディスクにはならない。一方、配合量が８質量％を超えると、ガラス成分が多くなり、耐食性に優れた窒化珪素質ディスクにはならない。

イットリアとしては、セラミックス原料として一般に市販されているものであれば問題なく使用でき、その配合量は２〜８質量％の範囲とする。配合量が２質量％未満では窒化珪素が焼結する助剤として機能するイットリアの量が不足し、耐食性に優れた高強度の窒化珪素質ディスクにはならない。一方、配合量が８質量％を超えるとガラス成分が多くなり、耐食性に優れた窒化珪素質ディスクにはならない。

本発明の窒化珪素質ディスクは、一般的な窒化珪素やサイアロンの製法によって製造することができる。例えば、以下の製法によって製造できる。

まず、所定量の窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナ、及びイットリアからなる配合に水および成形助剤等を添加する。得られたスラリーをスプレードライヤー等で顆粒にしてプレス成形用の配合物を得る。次に、得られた配合物を所定寸法の円筒状のラバーに充填して、シール後、成形圧１ｔｏｎ／ｃｍ^２以上でＣＩＰ処理をする。ここで、ＣＩＰ処理の代わりに所定寸法の形状の金型を用いて一軸プレスによって成形しても何ら差し支えない。得られた成形体を、所定の寸法に、グリーン加工を行った後、脱脂処理し、１６５０〜１８００℃の窒素雰囲気中で焼成することで、窒化珪素やサイアロンの焼結体が得られる。焼結体は所定の寸法精度に研削加工した後、遠心噴霧法に用いるディスクとする。

上記の製法に代えて、鋳込成形法を適用し、石膏型や樹脂型に上記のスラリーを鋳込み、直接的にディスク形状を成形すれば、製造プロセスが簡略化され、グリーン加工を行うことなく、脱脂、焼成が可能である。また鋳込成形法に限らず射出成形法も適用可能である。

表１に示す配合割合で、各種の原料、水、成形助剤を加えて、ボールミルで混合し、スプレードライヤーにて顆粒を作製した。それぞれの顆粒をφ９０×９０のラバーモールドに充填後、ＣＩＰ成形した。成形体はφ４５×Ｌ４０の傘型のディスク状にグリーン加工した。脱脂、焼成後、所定の寸法精度に研削加工し、図１に示すディスク形状とした。

また、製品の一部からサンプリングして、Ｘ線による結晶構造の同定とアルキメデス法による密度測定を行った。その結果を表１に示した。

Ｘ線解析結果において特徴的なことは、βＳｉ_３Ｎ_４もしくはβサイアロンのピーク（表中のＡ）Ｙ_０．５４（Ｓｉ_９．５７Ａｌ_２．４３）（Ｏ_０．８１Ｎ_{１５．１９}）のピーク（表中のＢ）の高さを比較すると、実施例の場合Ａ＜Ｂであり、比較例の場合Ａ＞Ｂとなっていたことである。このことから、Ｙ_０．５４（Ｓｉ_９．５７Ａｌ_２．４３）（Ｏ_０．８１Ｎ_{１５．１９}）の量が窒化珪素質ディスクの特性に有効に寄与しているといえる。また、ＴＥＭ観察の結果では、ガラス相は認められなかった。

なお、ディスク状の製品と同時に製造したサンプルより、ＪＩＳＲ１６０１に準じて、曲げ試験片を加工、曲げ強さを測定した。その結果も表１に示した。

上記の要領で作成した窒化珪素質ディスクを用いて、遠心噴霧機で溶銅を滴下しながら、噴霧安定性、耐用時間の試験をした。

この試験で使用した遠心噴霧機の構成は図２に示すとおりであり、図３に示すフローで銅粉末を製造した。すなわち、銅原料を黒鉛るつぼ２に入れ、高周波誘導加熱により、コイルが巻かれている黒鉛るつぼ２および黒鉛製の出湯ノズル４を１２００℃に加熱し銅原料を溶融させる。なお、測温は出湯ノズル４に接触させている熱電対８で行った。

次に、ディスク７をモーター６で回転させ、ディスク７が出湯ノズル４の輻射により加熱された時点で溶銅３を滴下する。滴下された溶銅３は、ディスク７の外周から飛散し、凝固して球状の銅粉末となり、粉末回収部５で回収される。

本試験では、出湯ノズル４とディスク７の距離は２０ｍｍ、ディスクの回転数は７００００ｒｐｍ、遠心噴霧機のチャンバー１内は０．５ａｔｍの窒素雰囲気とした。

噴霧試験結果を表１に示した。比較例の試料Ｎｏ１，２，３は、ディスク中央部に溶銅を滴下することで、その周辺１ｍｍが溶損しはじめて、平面でなくなり、噴霧の方向が水平方向でなく、上向きに角度がついた状態で噴霧された。この場合は、要求される球状の銅粉末が得られなかったので、その時点で「噴霧不可能」とした（図４参照）。ここで、比較例の試料Ｎｏ１は、先に説明した特許文献２に記載のものと同等のものである。

一方、実施例の試料Ｎｏ４，５，６では、平均粒径５２．３±３０μｍの真球状の銅粉末が得られた。比較例の試料Ｎｏ６は、強度が不足しているために、溶銅を滴下後の熱衝撃により、割れた。

本発明の窒化珪素質ディスクは、遠心噴霧法による銅粉末の製造装置に使用するディスクとして利用可能である。

本発明の窒化珪素質ディスクの一実施例を示す正面図である。遠心噴霧機の構成を示す概略図である。図３の遠心噴霧機による銅粉末の製造プロセスを示すフロー図である。図３の遠心噴霧機における噴霧良否の判定方法を示す説明図である。

符号の説明

１チャンバー
２黒鉛るつぼ
３溶銅
４出湯ノズル
５粉末回収部
６モーター
７ディスク
８熱電対

Claims

窒化珪素６０〜８０質量％、窒化アルミニウム１５〜２４質量％、アルミナ２〜８質量％、及びイットリア２〜８質量％を含む配合物を焼結してなる窒化珪素質ディスク。
結晶相がＹ_０．５４（Ｓｉ_９．５７Ａｌ_２．４３）（Ｏ_０．８１Ｎ_{１５．１９}）およびβＳｉ_３Ｎ_４もしくはβサイアロンを含む請求項１に記載の窒化珪素質ディスク。