JP5584397B2 - 窒化アルミニウムとアルミニウムの塊状混合物の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、窒化アルミニウムとアルミニウムの塊状混合物の製造方法に関する。

窒化アルミニウムは、熱伝導率が高く、熱膨張係数が低く、化学的にも安定である等、優れた性質を有する材料である。このため、近年、半導体デバイス等やエンジン部材等、様々な分野へ応用されることが期待されている。

従来、窒化アルミニウムを製造する方法としては、非常に高い気圧（例えば１００気圧）の窒素雰囲気中でアルミニウムを高温（例えば１６００°）に加熱する方法がある。この方法によれば、窒化アルミニウムの粉末を得ることができる。非特許文献１には、窒化アルミニウムの製造に関する研究が開示されている。
小橋眞、斎木健蔵ら、日本軽金属学会第１０４回講演概要集（２００３）２．

アルミニウムの中に窒化アルミニウムを混合した複合材料は、優れた特性を示すと考えられる。しかし、上記した方法では、窒化アルミニウムを得るためには非常に高い気圧かつ高温にする必要がある。従って、アルミニウムと窒化アルミニウムの塊状混合物の製造コストが高くなっていた。

本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、製造コストが低いアルミニウムと窒化アルミニウムの塊状混合物の製造方法を提供することにある。

本発明によれば、容器内に挿入されたアルミニウム粉末及びアルミニウム片を窒素雰囲気下でアルミニウムの融点以上に加熱することにより、窒化アルミニウムとアルミニウムの塊状混合物を製造する第１熱処理工程を有する、窒化アルミニウムとアルミニウムの塊状混合物の製造方法が提供される。

本発明によれば、アルミニウムと窒化アルミニウムの製造コストが低くなる。

図１は、第１の実施形態に係る窒化アルミニウムとアルミニウムの塊状混合物の製造方法に用いられる抵抗炉の構成図である。この抵抗炉は、反応チャンバー１０を有している。反応チャンバー１０には排気口１６及びガス導入口１１が設けられている。反応チャンバー１０内には、容器１３を加熱するための抵抗ヒータ１４（例えばシリコンカーバイドヒータ）が設けられている。容器１３には熱電対が取り付けられているため、熱電対のモニター線１５を通じて容器１３の温度を反応チャンバー１０の外部でモニターすることができる。また抵抗ヒータ１４と容器１３の間には、容器１３を均一に加熱するための均熱さや１２が設けられている。ガス導入口１１から導入されるガスは、均熱さや１２の内側から反応チャンバー１０の内部に供給される。容器１３は例えばアルミナ製であり、窒素などの気体を外側から内側に浸透させることができる。

次に、上記の抵抗炉を用いた窒化アルミニウムとアルミニウムの塊状混合物の製造方法について説明する。まず、アルミニウム片２０及びアルミニウム粉末２１を容器１３の内部に配置する。アルミニウム粉末２１は、例えば容器１３の底部に配置され、複数のアルミニウム片２０は、アルミニウム粉末２１の上に配置される。アルミニウム片２０は、長辺が例えば１０ｍｍ〜５００ｍｍであり、厚さが例えば５μm〜1ｍｍである。

アルミニウム粉末２１は粒状であってもよいし、鱗片状であってもよい。アルミニウム粉末２１が粒状である場合、その粒径は例えば１００μｍ以上１０００μｍ以下である。アルミニウム粉末２１が鱗片状である場合、その大きさは、長辺が１μｍ以上５μｍ以下である。アルミニウム粉末２１は、表面に酸化膜が形成されている。この酸化膜は、例えば自然酸化膜である。アルミニウム片２０に対するアルミニウム粉末２１の重量比率は、例えば０．１以下である。

なお、アルミニウム粉末２１には、前処理として、１０気圧以上の高圧窒素雰囲気中でアルミニウムの融点以下の温度で熱処理してもよい。また、機械的加圧プレス機を用いてアルミニウム粉末２１を気孔の多い塊にしてもよい。このときの気孔率は、例えば３０％以上である。

また、アルミニウム粉末２１をアルミン酸アンモニウム溶液に浸した後、乾燥することにより、アルミニウム粉末２１の表面をアルミン酸アンモニウムで被覆してもよい。

ついで、容器１３を均熱さや１２の内側に配置する。次いで、ガス導入口１１から窒素ガス又は窒素ガスと不活性ガスの混合ガスを導入しながら排気口１６から排気を続ける。これにより、反応チャンバー１０の内部が空気から窒素雰囲気に置換される。反応チャンバー１０の内部における窒素ガスの圧力は、例えば排気口１６よりオーバーフローする常圧雰囲気が好ましいが、５０気圧以下の加圧雰囲気であってもよい。またガス導入口１１から導入する窒素ガスにアンモニウムガスを導入してもよい。ガス導入口１１から導入されるガスにおけるアンモニウムガスの含有量は、例えば５％以上３０％以下である。

次に、シリコンカーバイトヒータ１４で容器１３を、アルミニウムの融点以上（例えば６５０℃以上１４００℃以下）まで、例えば２℃/分以上の昇温速度で加熱する。この第１熱処理工程により、容器１３内でアルミニウム２０およびアルミニウム粉末２１が溶融して、アルミニウムの窒化反応が生じ、アルミニウムと窒化アルミニウムの塊状混合物が形成される。処理時間は、例えば５分〜２０分である。

このアルミニウムの窒化反応は、以下のように進むと考えられる。まずアルミニウムが溶融した状態において、アルミニウム粉末２１の表面に位置していた酸化膜は、その内側に溶融アルミニウムを保持した状態でしばらくの間維持される。すなわち溶融したアルミニウム粉末２１と溶融したアルミニウム片２０は、アルミニウム粉末２１の表面に位置していた酸化膜によってしばらく隔離されている。この間に、溶融したアルミニウム粉末２１の中に雰囲気中の窒素が取り込まれ、溶融状態のアルミニウム粉末２１の窒化反応が進む。そしてあるタイミングで酸化膜が破れ、溶融したアルミニウム粉末２１と溶融したアルミニウム片２０が接触する。アルミニウムの窒化反応は発熱反応であるため、この接触面においてアルミニウムの窒化反応が急激に進行する。

なお、アルミニウム粉末２１の表面がアルミン酸アンモニウムで被覆されている場合、アルミン酸アンモニウムからも窒素が供給されるため、アルミニウムの窒化反応が発生しやすくなる。また窒素雰囲気にアンモニウムが含まれる場合、アンモニアから分解発生する発生基の水素により、アルミニウム粉末２１の表面の酸化膜の還元作用が促進されるため、酸化膜が比較的厚い場合でも窒化アルミニウムの生成反応が生じる。また、窒素雰囲気中のアンモニアの濃度を制御することで反応速度を速めることができる。この場合、塊状混合物の量産に好適である。

第１熱処理工程におけるアルミニウムの窒化反応において、窒化反応が進行する速度は、処理温度及び雰囲気窒素の圧力によって制御することができる。また、第１熱処理の処理条件、例えば処理温度、雰囲気窒素の圧力、処理時間、及びアルミニウム片２０に対するアルミニウム粉末２１の割合等を調節することによって、塊状混合物の状態（例えば窒化アルミニウムの含有率）を作り分けることができる。

例えば所定の処理条件では、複数の窒化アルミニウム粒子がアルミニウムによって接合した窒化アルミニウムとアルミニウムの塊状混合物が得られる。得られた塊状混合物は、複数の窒化アルミニウム粒子の相互間にアルミニウムが位置しているか、又はネットワーク状すなわち網目状に成長した窒化アルミニウムの相互間にアルミニウムが位置した状態になっている。そして、塊状混合物の空隙率を１％以下にすることができる。なお、アルミニウムの含有率が５０％以上７０％以下の場合、得られた塊状混合物の加工性が高くなる。また、アルミニウム粉末２１の粒子径を大きくして、かつアルミニウム片２０に対するアルミニウム粉末２１の重量比率を０．２５以上にすると、塊状混合物の中にアルミニウム粉末２１が一部残り、上記ネットワーク内に純アルミニウムの粒子が均質に分散する状態を作ることもできる。この様な状態にすると、塊状混合物は熱間強度が強いにもかかわらず、伸びがアルミニウムのように15％も保持できる。

後述する加工工程で混合物の塊状成型体を得るには、窒化アルミニウムがネットワーク状になるまで成長させることなく、窒化アルミニウムが分散状態にあるのが望ましい。すなわち反応の初期状態で第１熱処理をとどめるのが望ましい。例えば塊状混合物の窒化アルミニウム含有率が５重量％以上３０重量％以下となるように、すなわちアルミニウム含有率が７０重量％以上９５重量％以下となるように、第１熱処理工程を行う。後述する第２熱処理工程の制御因子としては、第１熱処理工程後の塊状混合物の窒化アルミニウム含有率、並びに窒化アルミニウム粒子の形状及びその分散状態などの制御要因があるが、これらは第１熱処理工程で制御が可能である。

塊状混合物に含まれる窒化アルミニウムの粒子の平均粒径は一般に細かく、例えばμｍオーダーとなる。しかもその粒度分布を急峻にすることができる。第１熱処理の条件によりこれを調整することは可能であり、例えば１０μmオーダーや０．１μmオーダーも可能である。

容器１３が大きい場合、内部に窒素が供給できにくく反応が不均質になる。このため、容器１３を浅くて広くするのが好ましい。この場合、アルミニウム粉末２１を複数個所に分散してもよい。また反応チャンバー１０も、浅くて広い平型炉とするのが望ましい。このとき、反応チャンバー１０としてプッシャー式連続炉を用いてもよい。

また、第１熱処理の温度を従来と比較して低くすることができるため、炉材の蒸発による不純物の混入が抑制され、アルミニウム片２０及びアルミニウム粉末２１の純度を高くするほど、純度の高い塊状混合物が得られる。

次いで、塊状混合物を加熱し、その後、所望する形状に対応した上型及び下型の間に挟むことにより、加圧成形する（加工工程）。これにより、塊状混合物が所望の形状に成形される。

この加工工程は、例えば半凝固鍛造又は半溶融鍛造である。半凝固鍛造である場合、まず、塊状混合物のうち溶解可能な成分を溶解させ、その後所定の温度まで冷却してその温度に保持することにより、溶解した成分の一部が固化した状態にする。そしてこの状態で、塊状混合物を上型及び下型の間に配置し、加圧成形する。半凝固鍛造の具体的な手法は、例えば特開２００３−１３６２２３又は特開２００４−３２２１７６に記載の方法がある。

また半溶融鍛造である場合、まず加熱処理により塊状混合物のうち溶解可能な成分を全溶解させ、その後鋳型で鋳込むことにより、規格化された形状を有するビレットに加工する。次いで、ビレットを加熱処理して所定の温度に保持することにより成分の一部を溶融した状態にして、その状態でビレットを上型及び下型の間に挟む。

半溶融鍛造又は半凝固鍛造のいずれの場合においても、上型及び下型の間に挟む段階で、塊状混合物（又はビレット）の固相率は、例えば３０％〜９０％であるのが好ましい。塊状混合物を所定の固相率とするためには、例えば熱処理時間及び温度を調節すればよい。

また、第１熱処理工程の後、加工工程の前に、上型及び下型それぞれを予備加熱し、その後、所定の固相率を有する混合物を上型及び下型の間に挟むのが好ましい。

この加工工程は窒素雰囲気で行われても良い。この場合、加工工程は第２熱処理工程となり、塊状混合物の中でアルミニウムの窒化反応が生じ、塊状混合物の窒化アルミニウム含有率が上昇する。窒素雰囲気の圧力は、常圧でも良いし加圧でも良い。加圧である場合、１０気圧以下であるのが好ましい。

半凝固鍛造により加工処理を行う場合の一例を図２に示す。まず図２（Ａ）に示すように、適切に予備加熱されて半凝固状態になった塊状混合物６を、塊状混合物６より低い温度に加熱されている下型８の中央に設置する。ついで、図２（Ｂ）に示すように、上型７を下型８に接近させることで半凝固状態にある塊状混合物６を圧縮変形させ、さらに図２（Ｃ）に示すように、上型７と下型８で構成される空間部に充填することで、成形体９を完成させる。

塊状混合物６の圧縮変形中の型締め速度は、例えば０．０１から１．０ｍ／ｓが望ましい。また塊状混合物６の型内での移動が動的に変化するため、型締め速度は成形体の形に従って可変とすることが望ましい。また、半凝固状態の組成比やモルフォロジーでこの速度はいろいろ変化させることができる。また、塊状混合物６の余剰部分を排出するように、型の成形体空間より外にその集積部を設けるのが好ましい。また、型にエジェクタピンを設け、型離れを円滑にすることもできる。また型離れを容易にするため、成形体９の温度に対して上型７、下型８の温度を変化させてもよい。

なお、得られた塊状混合物又は成形体９は、窒化アルミニウムの割合によって特性が様々に変化する。例えばアルミニウムの割合が高い場合、塊状混合物又は成形体９のその後の加工性が良くなり、アルミニウムの割合が低い場合、塊状混合物又は成形体９の特性が窒化アルミニウムの特性に近くなる。また、窒化アルミニウムの粒子の表面がアルミニウムによって被覆されているため、良好な耐湿性を得ることができる。

以上、本実施形態によれば、窒化アルミニウムとアルミニウムの塊状混合物及びその成形体９を容易に得ることができる。そして、混合物を得る従来方法と比較して製造条件は低温かつ低圧である。従って、製造コストも従来と比較して低くなる。また、得られた塊状混合物の成形体９は、金属アルミニウム合金に比べて優れた機械的強度、耐摩耗性、靭性を有し、高熱伝導で軽量である。また、アルミニウム粉末２１及びアルミニウム片２０を出発原料としているため、塊状混合物が含有する不純物を少なくすることができる。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。

例えば、加工工程を、溶湯鍛造又は鋳造で行っても良い。この場合、混合物を加熱して一部の成分を溶解させて流動性を持たせ、その後、型に溶湯を流し込んで加圧成形し、又は溶湯を射出成形する。

また、成形体９の窒化アルミニウム含有率を向上させるため、加工工程の前又は後に、塊状混合物又は成形体９を窒素雰囲気下で熱処理してもよい（第２熱処理工程）。このときの熱処理条件の範囲及び窒素雰囲気の圧力範囲は、例えば上記した加工工程と同様であり、塊状混合物又は成形体９の中でアルミニウムの窒化反応が進行する。

第１熱処理工程で用いられる抵抗炉の構成図である。 各図は、加工工程における型の動作を示す断面図である。

符号の説明

６ 混合物
７ 上型
８ 下型
９ 成形体
１０ 反応チャンバー
１１ ガス導入口
１２ 均熱さや
１３ 容器
１４ 抵抗ヒータ
１５ モニター線
１６ 排気口
２０ アルミニウム片
２１ アルミニウム粉末

Claims (9)

1. 容器内に挿入されたアルミニウム粉末及びアルミニウム片を、前記容器の外部に設けられたヒータを熱源として、窒素雰囲気下でアルミニウムの融点以上に加熱することにより、窒化アルミニウムとアルミニウムの塊状混合物を製造する第１熱処理工程を有し、
   前記アルミニウム粉末は、表面がアルミン酸アンモニウムで被覆されている、窒化アルミニウムとアルミニウムの塊状混合物の製造方法。
2. 請求項１に記載の窒化アルミニウムとアルミニウムの塊状混合物の製造方法において、前記アルミニウム粉末の表面には酸化膜が形成されている窒化アルミニウムとアルミニウムの塊状混合物の製造方法。
3. 請求項１に記載の窒化アルミニウムとアルミニウムの塊状混合物の製造方法において、前記アルミニウム片に対する前記アルミニウム粉末の重量比率は、０．１以下である窒化アルミニウムとアルミニウムの塊状混合物の製造方法。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の窒化アルミニウムとアルミニウムの塊状混合物の製造方法において、
   前記第１熱処理工程の後に、加熱された前記塊状混合物を型で成形する加工工程を備える窒化アルミニウムとアルミニウムの塊状混合物の製造方法。
5. 請求項４に記載の窒化アルミニウムとアルミニウムの塊状混合物の製造方法において、
   前記加工工程は、半凝固鍛造又は半溶融鍛造である窒化アルミニウムとアルミニウムの塊状混合物の製造方法。
6. 請求項４に記載の窒化アルミニウムとアルミニウム塊状の混合物の製造方法において、
   前記加工工程は、前記塊状混合物を加熱して一部の成分を溶解させて流動性を持たせ、その後、射出成形又は加圧成形により成形する工程である窒化アルミニウムとアルミニウムの塊状混合物の製造方法。
7. 請求項６に記載の窒化アルミニウムとアルミニウムの塊状混合物の製造方法において、
   前記加工工程は鋳造又は溶湯鍛造である窒化アルミニウムとアルミニウムの塊状混合物の製造方法。
8. 請求項４〜７のいずれか一つに記載の窒化アルミニウムとアルミニウムの塊状混合物の製造方法において、
   前記加工工程の前において、前記塊状混合物はアルミニウムを７０重量％以上９５重量％以下含有する窒化アルミニウムとアルミニウムの塊状混合物の製造方法。
9. 請求項４〜８のいずれか一つに記載の窒化アルミニウムとアルミニウムの塊状混合物の製造方法において、
   前記加工工程の後又は前に、前記塊状混合物を窒素雰囲気下で加熱することにより、前記塊状混合物の中でアルミニウムの窒化反応を生じさせる第２熱処理工程を備える窒化アルミニウムとアルミニウムの塊状混合物の製造方法。

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