JPH03208865A - 耐火物複合物品の製造方法 - Google Patents

耐火物複合物品の製造方法

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JPH03208865A
JPH03208865A JP2313017A JP31301790A JPH03208865A JP H03208865 A JPH03208865 A JP H03208865A JP 2313017 A JP2313017 A JP 2313017A JP 31301790 A JP31301790 A JP 31301790A JP H03208865 A JPH03208865 A JP H03208865A
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sintering
composition
sintered product
sintering agent
boron nitride
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JP2313017A
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English (en)
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Geoffrey Kenneth Creffield
ジョフリ・ケネス・クレフィールド
Raymond Thompson
レイモンド・トムプソン
W Mostyn Woodfield
ダブリュー・モスティン・ウッドフィールド
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Kennametal Sintec Keramik UK Ltd
Original Assignee
Boride Ceramics and Composites Ltd
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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、真空蒸着及び関連産業においてアルミニウム
及び他の金属の封じ込め及び蒸発に用いられるセラミッ
クまたは金属間化合物の複合物品の製造方法に関する。
[従来の技術及び発明が解決しようとする課題]150
0℃の領域温度で溶融アルミニウムの封じ込めに化学的
に耐えるいくつかの材料が知られている。これらの温度
においてアルミニウムが真空容器中に含まれるとき、ア
ルミニウムは円滑に蒸発し始めそして近傍のより低温度
の表面に堆積することかできる。この方法でプラスチッ
クシートをアルミニウムの薄層で連続的にコーティング
することはパッケージング産業の重要な役割を構成しそ
して蒸着フィルムは電子及び関連業界用に同様に製造さ
れる。
いわゆる蒸発源またはるつぼの製造に用いるのに一般的
に好ましい材料は、窒化アルミニウムを加えた二硼化チ
タン及び窒化硼素の単独物または混合物である。これら
の材料の各々は真空中または不活性雰囲気中で1500
℃にてアルミニウムからの攻撃に数時間耐える。
これらのるつぼからの金属の蒸発に必要な高い温度は、
通常、それらに電流を適用して抵抗性のある直接加熱を
することによって達成する。二硼化チタンは良好な導電
体であり、その導電率は鉄の導電率と同様であり、そし
て窒化アルミニウム及び窒化硼素は共に電気絶縁体であ
り、これらの材料の混合物はかかる抵抗性のある加熱る
つぼを形成するのに用いられる。用いられる材料の比と
圧縮度の程度に依存して、125〜l 200μΩca
lの所望領域の抵抗率を得ることができる。二次加工ま
たは二次成型は粉末金属学的技術を用いて微粒子から行
われる。二硼化チタンは3000℃を超える温度で融解
しそして両方の窒化物は融解せずに昇華または分解する
という理由から、他の方法を用いることができない。
これらのるつぼの製造に確立された慣行は、粉末混合物
をグラファイト製グイ中で2000℃の領域温度で約4
000 lb/in”の一方向の圧力をかけて圧縮する
ことである。この操作は熱間圧縮(ホットプレス)とし
て知られている。単独で圧縮したとき、サブミクロンの
二硼化チタンを除き、例え、別々にあるいはいずれかの
混合物として圧縮しても、それらの材料はいずれも自己
焼結(self−sinter) Ltないことがわか
っている。理論密度の90%に等しいまたはそれ以上の
圧縮度を達成するには、熱及び圧力を同時に適用する必
要があり、これは明らかに高価な操作である。
経済的に実行可能な熱間圧縮法のためは、大きなスラブ
を形成し次いで冷却時に必要なるつぼの適当な寸法、形
及び数に切断する必要がある。二硼化チタン及び窒化ア
ルミニウムの硬度はダイヤモンド器具をこの操作に必要
とする程であり、その硬度はまた通常存在する窒化硼素
が比較的高い(およそ25%)割合で存在することによ
り促進される。かかる機械加工操作は、時間、エネルギ
ー及び形状化の間のちり及び切り(ずとして失われる材
料の浪費である0寸法は、約3インチから10インチ長
に渡り、幅及び厚さは約1.1八インチ〜174インチ
に渡る。るつぼ長さが長いためにキャビティーの加工は
−または二の相対する側に機械加工される。
確立されたセラミック製造技術に従い、粉末混合物を、
直接、スリップキャスト、成型、プレスまたは型押しし
て個々の最終製品の形状にするのが好ましいことが長年
知られていた。かかる方法は、粉末混合物のダスト圧縮
(dust pressingl及び冷間等圧圧縮を含
む0次いで形状化した物体を高温で焼結した後、硬質の
不浸透な物質をもたらす、この技術は、材料を圧力をか
けないで焼結することができないことから、従来、前述
の二硼化チタン、窒化アルミニウム及び窒化硼素の混合
物には適用していなかった。
ここに、我々は、少なくともひとつの焼結剤の存在下で
、二硼化チタン、窒化アルミニウム及び窒化硼素の特定
の組み合わせを選択することによって、はぼ最終形状の
るつぼの二次加工が等圧圧縮及び押出後の焼結(加圧な
しで)のような技術により可能になることを見出した。
従って、本発明は、真空蒸着及び関連産業で用いるため
の二次加工複合材料に好適な組成物であって、合計重量
%が少なくとも85%である二硼化チタン及び窒化アル
ミニウムを各々30〜70重量%、それらのための少な
くとも一種の焼結剤及び窒化硼素を含む上記組成物を提
供する。また、本発明はかかる組成物から焼結した物体
を製造する方法であって、粉末上の組成物を圧縮しそし
て圧縮組成物を1300〜2100℃の温度で焼結する
ことを含む上記方法を提供するものである。二硼化チタ
ン及び窒化アルミニウムの全重量%は少なくとも85%
であり、すなわち焼結剤及び窒化硼素を含む他の成分は
最大15重量%の量になる。二硼化チタン対窒化アルミ
ニウムの重量比は、3ニア〜7:3、特に約4=6〜6
:4であり、−層特に約4:5であり、窒化硼素の重量
%は10%までであり、そして焼結剤の重量%は5%ま
で、一般的には1〜5%である。
焼結剤は窒化アルミニウム粒子を互いにそして二硼化チ
タンの粒子と焼結することを援助する。
焼結剤の注意深い選択によって、またはそのような焼結
剤を組み合わせて用いることによって、二硼化チタン粒
子はまた互いに焼結することができる。
かかる窒化アルミニウム用焼結剤は十分に知られており
、特にアルカリ土類金属及び稀土類金属の駿化物、特に
酸化セリウム及び酸化イツトリウムを含む。
挙動の機構は、酸化アルミニウムの薄いフィルムを具備
する窒化アルミニウム粒子の表面との反応によりガラス
質相を形成することである。代わりにまたは付加的に、
所定の金属、一般的には粉末の原子状の、元素の周期律
表第IV〜VIII族の金属は窒化アルミニウムの焼結
を援助する。例えば、ニッケル粉末を含むと、1100
℃で30分間で理論値の90%を超える密度を得ること
が可能とし、一方、窒化アルミニウムはいずれの温度で
も単独で焼結しない、けれども、いくつかの例において
、かかる金属を用いることは、複合材料中のそれらの存
在は溶融アルミニウムとの反応を起こし得るので有害で
ある。その代わりに、種々の硼化物またはカーバイドを
用いることができ、好ましくは、硼化クロム、炭化クロ
ム、硼化タングステン、炭化モリブデン、二硼化もしく
は四硼化イツトリウムまたは硼化ランタンもしくは硼化
カルシウムのような他の稀土類金属若しくはアルカリ土
類金属の硼化物またはタングステンカーバイドを含む。
二硼化チタン粉末は、少なくともサブミクロンの粒子寸
法ならば、1500℃から加圧しないで焼結に導くこと
ができる。粗い粒子はまた自己焼結するが、それほど高
密度ではない、温度が増加すると、また得られる焼結及
び収縮の程度は増加するが、多孔質構造はそのままであ
る。二硼化チタンは、周期律表のほとんどの金属、−層
特には第■及び■族の金属との反応により第3級の硼化
物を形成することができる。コバルト及びニッケルを含
む鉄属の金属はこの方法で容易に反応し。
一方、二硼化チタンに加えられたそれらの少量の部分は
十分に高温に加熱されたときに焼結剤として作用する。
従って、焼結剤が窒化アルミニウム及び二硼化チタンの
両方を焼結することを援助して、従って両方に同じよう
にして有効に作用するのが本発明の好ましい態様である
。典型的には組成物は、0.5〜2%の稀土類酸化物及
び1〜3%の金属または金属炭化物または硼化物を含む
、カルシウム水素化物及びカーボンブラックのような還
元剤もまた焼結を向上する。
組成物中に窒化硼素が幾分存在するが、これは得られる
複合材料の機械加工性及び耐熱衝撃性を助長するので少
なくとも約2%の窒化硼素が存在するのが好ましい、窒
化硼素の好ましい量は2〜10重量%である。
これらの金属間化合物の蒸発るつぼの主な構成成分の粒
子構造は六角小板状であり、それは慣用の一方向圧縮に
より二次加工したときに異方性の物体の形成を導く、こ
れはるつぼが使用の際に薄片に裂ける傾向を持つという
不利益を有し、一方で電気抵抗特性の異方性は単一方向
にプレスしたスラブを薄切りにすることを最適化するこ
とができないことを意味することになる。
更に本発明の利点は、冷間等圧圧縮による個々のるつぼ
の形成は焼結後にすべての物理的特性に関してかなり等
方性である物体を生じる。
本発明の特徴において、バインダーが粉末混合物中に含
まれ、そこで混合粉末はペーストを構成して、後に所望
るつぼ断面を持つ矩形のロッドに押し出される。かかる
ロッドは、るつぼを十分な焼結温度に加熱する前にバイ
ンダーを熱分解するために炉に移す前に、るつぼを必要
な長さに切断しそして金属含有キャビティー用に機械加
工することを可能にする十分な生強度を有する。
かかるバインダーの使用はよ(知られており、適当なバ
インダーはポリビニルアルコール、ワックス及び保護コ
ロイドを含む、必要なバインダーの量はバインダーの性
質に依存する。保護コロイドに関して、組成物の全重量
を基準にして0.1〜2重量%が一般的に好適である。
保護コロイドの例はメチルセルロース、カルボキシメチ
ルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキ
シエチルセルロース、エチルヒドロキシエチルセルロー
ス、メチルセルロースまたはフタレートエステルで可塑
化したポリビニルブチラールを含む。
典型的な具体例において、粉末成分は比表面積3〜7謹
”/gを有しており、ヘプタンのような不活性な液体中
で、例えば2.5時間、バインダーとともにボールミル
で粉砕される。その後、混合物を粒状化してそして液体
は一般に機械式攪拌により蒸発する。好ましくは、ふる
い分け、典型的には200ミクロンのふるいにかけた後
、粒状の混合物を冷間圧縮のグイまたは冷間等圧圧縮の
バッグに移す、その後、冷間圧縮を行い、典型的にはダ
イ圧縮を50〜400MPa 、特に約200 MPa
で実行し、一方、等圧圧縮は100〜400MPa 。
特に約190MPaで実施する。もし必要ならば、得ら
れる未処理複合材料を機械加工して所望の形状にする。
その後、バインダーを、例えば、500〜575℃、例
えば550℃で数時間例えば6時間で窒素下で加熱して
除去すべきである。その後、複合材料を焼結することが
できる。初期の焼結は、減圧下で実施してすべての放出
ガスを除去し、その後窒素の過剰圧を適用して物体の焼
結収縮を援助する。焼結は最初、例えば、1300℃〜
1500℃の低温度で数時間行い、その後、層高い温度
、すなわち1800℃〜2100℃で同様の時間で行う
、最良の結果は、それぞれ、約1400℃及び約200
0℃の温度を用いて得られる。典型的な焼結操作は以下
の通りである。
・3時間で20℃から1400℃に ・1400℃で30分間維持 ・1400℃から2000℃に1〜2時間で・2000
℃で3時間維持 圧力のない焼結の代わりとして、本発明に従い製造した
るつぼを熱間等圧圧縮、あるいはHIPとして知られる
方法により高密度に焼結することができる′。この方法
は各々のるつぼを、加圧窒素の下で、収縮を起こすため
に、独立にガラスまたは金属フォイルの不浸透層で被包
する必要がある。別の且つ廉価な方法として、焼結−H
IPとして知られる操作もまた適用し得る。これはるつ
ぼ表面に融和して必要な不浸透膜を自己提供するるつぼ
組成物にすがっている。
従って、本発明はまた本発明の組成物から製造した焼結
物、好ましくは理論密度の少なくとも90%の密度を有
する焼結物を提供することにある。特に、焼結物は、バ
インダーを除いて、本発明の組成物と同じ元素を、特に
、焼結剤とまたは焼結をもたらすその反応生成物と同じ
割合で含む。
以下、本発明を実施例により詳細に説明する。
[実施例] K血■ユ 平均粒子径4〜6ミクロンの二硼化チタン粉末(450
g)を、窒化硼素粉末(25g)及び酸化カルシウム(
20g)が添加されたサブミクロンの窒化アルミニウム
のブレンド(400g)を混合した。得られる混合物を
、エタノールに溶解したメチルセルロースの1%溶液で
スラリーにして、ボールミルで30分間粉砕してそして
アルコールを蒸発させた。得られた粉を250ミクロン
のふるいにかけた後、長四角形金属のダイ中で390 
MPa/in”の圧力で等軸方向に圧縮した。バーを窒
素雰囲気下で炉に入れそして温度をゆっくりと上げて1
750℃に達する前に分解した有機材料を除去してそし
て1750℃で2時間維持した。
冷却のすぐ後に、バーは収縮したことがわかり、そして
理論値の93%の測定密度を有していたことがわかった
。ダイヤモンドで容易に機械加工できることがわかった
衷11硼l 実施例1と同一の割合の二硼化チタン、窒化アルミニウ
ム及び窒化硼素を、酸化カルシウムの代わりに0.5ミ
クロンより小さい粒径の酸化イツトリウム(25g)と
−緒に同様にして粉砕した。
乾燥した混合物を冷間等圧圧縮の形状化したシリコーン
ゴムバッグに充填しそして理論値の74%の密度に圧縮
した。
同様の熱処理に際して、バーは均一に収縮したことがわ
かりそして理論値の94%の測定密度を示した。
叉1d糺旦 二硼化チタン(400g)及び窒化アルミニウム(45
0g)を窒化硼素(20g)及びサブミクロンのニッケ
ル粉末(20g)と−緒に混合した。if合物をカルボ
キシメチルセルロースの水溶液でスラリー化して、30
分間ボールミルで粉砕しそしてその後、噴霧乾燥した。
生成物を実施例2におけるようにして冷間等圧圧縮を用
いて圧縮してそして同様の加熱スケジュールに従った。
収縮はわずかに多いことが観測され、モして二硼化チタ
ンの粒子の合体の程度が一層大きいことにより、製品は
より硬質でありそして一層電気導電性である。製品密度
は理論値の94%である。
11亘A 二硼化チタン(400g)、窒化アルミニウム(500
g)及び窒化硼素(20g)を1%のメチルセルロース
を含有する無水アルコール中でスラリー化してそして無
水ニッケル窒化物(15g)の懸濁物が分散した。ボー
ルミルを行った後、アルコールを蒸発させてそして実施
例1におけるようにして粉を処理した。焼結を1550
℃で90分間した。冷却すると、理論値の95%の密度
を有する同様の硬質且つ伝導性の物体が得られた。
叉」U引旦 粉末を正方形の断面のダイを通じて手動で押し出す前に
ポリビニルブチラール及びエチルフタレートで固いペー
ストに混線する以外は実施例3の組成及び混合方法を繰
り返した。得られるロッドを乾燥させて、軽(削って仕
上げ、その後、同じ炉で焼結した。
製品はわずかに低密度であることがわかった(91%)
見立■玉 二硼化チタン(375g)及び窒化アルミニウム(45
0g)を酸化マグネシウム(22,5g)及びカーボン
ブラック(10g)と混合した。混合物をボールミルで
1時間乾燥粉末して、実施例1におけるようにして25
トン/in’で冷間圧縮した。圧縮した物体を注意深く
焼結炉に充填しそして酸化炭素が放出した後、アルゴン
雰囲気中で1750℃で2時間加熱した。
製品は実施例1の製品と同様であるが、その抵抗は幾分
高かった。
叉1目乱ユ ニ硼化チタン(500g)を、窒化アルミニウム(40
0g)、窒化硼素(40g)及び酸化カルシウム(Lo
g)と混合した。乾燥混合物を水素化カルシウムの無水
エタノール分散液に注意深く加えそして通気孔付きボー
ルミル中で30分間軽度に粉砕した。エタノールを蒸発
した後、粉末を、圧縮した物体を炉に入れる前に水分の
侵入を回避しながら、実施例1におけるようにして処理
した。
最終的な焼結した製品はより硬質でありそしてわずかに
高密度であった(93%)。
K五ヨ上 ニッケルの代わりにサブミクロンの海面状鉄の粉末を用
いた以外は実施例3を繰り返した。同様に焼結した生成
物が得られた。密度は理論値の94%であった。
夾1ユ 窒化アルミニウム用の酸化物焼結剤及び二硼化チタン用
の金属の組合せた効果を評価するために、ニッケル粉末
(25g)及びサブミクロンの酸化セリウム(25g)
を、混合物中の主要構成成分の各々500gに加えた。
混合物を、実施例3におけるようにして処理してそして
焼結した。
1700℃に90分間維持した後、冷却後のバーは理論
値の96%の密度を有しかつアルミニウムによって容易
に濡れることがわかった。
及五■ユヱ TiBz (400g) 、 AIN (500g)及
びBN (70g)に酸化イツトリウム(10g)を加
えたものならびにニッケル(20g)粉末に0.4%の
バインダー(ワックスを基質としてかつ潤滑剤として作
用するオレイン酸を含む)を加えたものをヘプタン中で
ボールミルで2.5時間混合した。混合物を橋械式に攪
拌しながら、溶媒を蒸発して除去した。乾燥粒状混合物
を200ミクロンのふるいにかけそして冷間圧縮のダイ
に移した。
混合物を200 MPsの圧力を用いて室温で圧縮した
。圧縮した複合材料を、窒素雰囲気下で6時間550℃
に加熱して脱蝋した。
未処理圧縮物の密度は2.08g/Cm”  (理論密
度の57.7%に等価)であることがわかった。
未処理圧縮物を炉に移して、以下の条件下で窒素中で加
熱した。
3時間で20℃から1400℃に 1400℃で30分間維持 1400℃から2000℃に2時間で 2000℃で3時間維持 冷却後の焼結圧縮物の密度は3.34g/cm″(理論
密度の93%に等価)であることがわかった。
東1」LLl タングステンカーバイド粉末(20g)をニッケルの代
わりに用いた以外は、実施例10で記載した操作に従っ
た。ダイ圧力は150 MPaであり、未処理密度は2
.03g/c+a”  (理論密度の56゜1%)であ
ることがわかった、同一の焼結条件を用いて密度3.4
2 g / c■S (理論値の95%)の焼結圧縮物
が得られた。
!1」虹12 T i B z  (400g )  ; A I N
  (500g )  ;B N (70g )  ;
 Y x Os  (10g )及びWC(20g)を
ヘプタン中でワックスバインダーと一緒に2.5時間ボ
ールミルで粉砕した。溶媒を除去した後、実施例1Oに
記載したのと同様の実験質粒状化操作を行なった。圧縮
物を焼結炉に移してそして実施例1Oに記載した条件下
で2000℃に加熱した。
冷却後、焼結複合材料は3.42g/c+a”  (理
論密度の95%等価)の密度を有していた。
K1五ユニ TiBffi  (400g);AIN (500g)
:BN (70g):Yx Os  (log) 、N
i (20g)に66gのワックスバインダーを加えた
ものを実施例10のようにして調製した。それを実施例
12に記載したように190MPaで等圧的に冷間圧縮
した。その後、これを上記のように脱蝋した。
未処理複合材料(密度2.O1g/c■1 (理論密度
の55.7%等価))をブライファイトるつぼ中に置き
、AIN粉末粉末性めた。それをアルゴン雰囲気中で1
900℃で焼結した。炉から取り出した際、焼結複合材
料は3.34g/cm”  (理論密度の91%等価)
の密度を有することがわかった。

Claims (24)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)各々30〜70重量%であって合計が少なくとも
    85重量%である二硼化チタン及び窒化アルミニウムと
    、それらのための少なくとも一つの焼結剤と、窒化硼素
    とを含む組成物。
  2. (2)窒化硼素を全重量の10重量%まで含む請求項1
    の組成物。
  3. (3)焼結剤として5%までのアルカリ土類または稀土
    類酸化物が存在する請求項1または2の組成物。
  4. (4)上記酸化物が酸化セリウムまたは酸化イットリウ
    ムである請求項3の組成物。
  5. (5)焼結剤として5%までの元素の周期律表第IV〜V
    III族金属が存在する請求項1〜4のいずれか一項の組
    成物。
  6. (6)焼結剤として5%までの硼化物または炭化物が存
    在する請求項1〜4のいずれか一項の組成物。
  7. (7)焼結剤が炭化タングステンである請求項6の組成
    物。
  8. (8)請求項3に定義するような酸化物及び炭化物若し
    くは硼化物を含む請求項4〜7のいずれか一項の組成物
  9. (9)さらにカルシウム水素化物またはカーボンブラッ
    クを含む前記請求項のいずれか一項の組成物。
  10. (10)さらにバインダーを含む前記請求項のいずれか
    一項の組成物。
  11. (11)前記請求項のいずれか一項に記載する組成物か
    ら焼結物を製造する方法であつて、 粉末状組成物を圧縮し、該圧縮した組成物を1300〜
    2100℃の温度で焼結することを含む上記方法。
  12. (12)焼結を、機械的圧力を適用しないで実施する請
    求項11の方法。
  13. (13)圧縮を冷間等圧圧縮により実施する請求項11
    または12の方法。
  14. (14)圧縮を機械式押し出しにより実施する請求項1
    1または12の方法。
  15. (15)初期焼結を、減圧下で実施してすべての放出ガ
    スを除去し、窒素の過剰圧を適用する請求項11〜14
    のいずれか一項の方法。
  16. (16)焼結物がるつぼの形態である請求項11〜15
    のいずれか一項の方法。
  17. (17)請求項1〜10のいずれか一項に記載した組成
    物からできた焼結物。
  18. (18)各々30〜70重量%であって合計が少なくと
    も85重量%である二硼化チタン及び窒化アルミニウム
    と、それらのための少なくとも一つの焼結剤と、窒化硼
    素とを含む焼結物。
  19. (19)理論密度の少なくとも90%の密度を有する請
    求項17または18の焼結物。
  20. (20)アルカリ土類または稀土類酸化物、元素の周期
    律表第IV〜VIII族の金属、硼化物、炭化物を含む群から
    選ばれる少なくとも一種の焼結剤を含む請求項18また
    は19の焼結物。
  21. (21)窒化硼素を全重量の10重量%まで含む請求項
    18〜20のいずれか一項の焼結物。
  22. (22)少なくとも一種の焼結剤を5%まで含む請求項
    18〜21のいずれか一項の焼結物。
  23. (23)るつぼの形態である請求項17〜22のいずれ
    か一項の焼結物。
  24. (24)請求項12〜16のいずれか一項に記載した方
    法により製造したるつぼまたは請求項23に記載したる
    つぼを用いるプラスチックフィルムの真空蒸着方法。
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