JPH10291860A

JPH10291860A - ＡｌＮウイスカー強化ＴｉＢ２−ＢＮ系導電性複合セラミックス及びその製造方法

Info

Publication number: JPH10291860A
Application number: JP9103283A
Authority: JP
Inventors: Fuberchek Milan; フバーチェクミラン; Masanori Ueki; 正憲植木; Hiroaki Sakamoto; 広明坂本; Yuichi Sato; 有一佐藤
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1997-04-21
Filing date: 1997-04-21
Publication date: 1998-11-04

Abstract

(57)【要約】【課題】金属の蒸着に用いる直接通電抵抗加熱用蒸着
ボートあるいは溶融金属中に浸漬して用いられる電極等
を構成する導電性セラミックスとそれを安価に提供する
製造方法を提供すること。【解決手段】二硼化チタン（ＴｉＢ₂）粉末２０〜３
０wt％、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末４０〜６０wt
％と、金属アルミニウム（Ａｌ）を１〜５wt％、そして
金属硼素（Ｂ）を１〜５wt％混合し、冷間一軸加圧そし
て冷間等方圧加圧（１０〜２００MPa ）で圧密し、窒素
雰囲気中で１５００〜２３００℃で焼成することよりな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属の蒸着に用い
る直接通電抵抗加熱用蒸着ボートあるいは溶融金属中に
浸漬して用いられる電極等を構成する導電性セラミック
ス、及びそれを安価に提供する製造方法に関するもので
ある。つまり、本発明による焼結体は、その最も重要な
特性である、室温機械的強度、電気伝導度そして熱伝導
度において、従来当該分野で用いられてきたセラミック
スに比べて著しく優れていることから、それらの主な利
用分野を、現在あるもののみに限定されるものでなく、
新しい用途にも対応可能である。

【０００２】

【従来の技術】アルミニウムそしてその他の金属類を蒸
着するためのセラミックス製ボートは、導電性成分とし
ての二硼化チタン（ＴｉＢ₂）、セラミックスに加工性
を付与（柔らかく）するために六方晶窒化硼素（ｈ−Ｂ
Ｎ）がそして電気的特性を安定化するために、窒化アル
ミニウム（ＡｌＮ）などが添加された成分によって構成
されている。これらは難焼結性のため、製造にはホット
プレスあるいは熱間等方圧プレス（ＨＩＰ）等の加圧焼
結を用いるのが一般的である。従って、製品の形状選択
に自由度が奪われ、製造コストの上昇も招いている。ま
た、強度的にも充分なものが得られていない。

【０００３】また、これらのボートの製造に用いる原料
粉末中における酸化物の存在は焼結中の結晶粒成長を促
進するばかりでなく、ボートとして使用時には、それら
の酸化物は溶融アルミニウムと反応し、蒸着ボートの溶
損・損耗を加速する。また、さらに、反応生成物である
揮発性酸化物は、真空蒸着用のチャンバーを著しく汚染
するなどの問題があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】蒸着用ボートのような
高温度で使用される素材の製造に用いられる化合物はほ
とんどが高融点であり、これらの素材を焼成・製造する
際に溶融相の存在は期待できない。従って、通常のセラ
ミックスのような常圧焼成はできず、ホットプレスや熱
間等方圧プレス（ＨＩＰ）のような高価な方法を使わな
ければ、満足のゆく機械的性能を有する素材を得ること
ができない。この問題に加えて、その蒸着ボートの主要
成分である二硼化チタンそして特に、六方晶窒化硼素
は、結晶構造と物理的諸特性の顕著な異方性を持つ物質
である。これらの物質へのホットプレス圧力の一軸作用
は、焼成される素材に、圧力に強く依存する優先（選
択）方位を与え、特に、強度と導電性が加圧方向に強く
依存して変化する等の素材使用上の限定条件を生むこと
になる。

【０００５】従って、本発明の解決すべき課題として
は、まず高価なホットプレスに依らない常圧焼成による
製造方法を開発することと強度の向上を目指すことであ
る。また、本発明は所望の特性を有する導電性複合セラ
ミックスを得ることも目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、ＡｌＮ等
の焼結に際して、金属Ａｌを焼結助剤としてある適正範
囲量添加することによりＡｌＮのウイスカーを含む焼結
体が得られることを知見し本発明に至った。即ち、重量
割合で２０〜３０％の二硼化チタン（ＴｉＢ₂）、４０
〜６０％の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、１〜１０％の
炭化チタン（ＴｉＣ）、０〜５％の酸化アルミニウム
（Ａｌ₂Ｏ₃）そして元素状態でのアルミニウム（Ａ
ｌ）及び硼素（Ｂ）をそれぞれ１〜５％混合後、冷間で
１０〜２００MPa の圧力（望ましくは、３０〜２００MP
a ）で一軸加圧及び冷間等方圧加圧で圧密し、窒素雰囲
気中で１５００〜２３００℃（望ましくは、１８００〜
２１００℃）で焼成することにより、二硼化チタン（Ｔ
ｉＢ₂）を２０〜３０wt％、炭化チタン（ＴｉＣ）を１
〜１０wt％、六方晶窒化硼素（ｈ−ＢＮ）を５〜１０wt
％、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を４０〜６０wt％でな
お且つ、窒化アルミニウム分の５〜１０％がウイスカー
の形態として存在する導電性複合材料を製造可能であ
る。

【０００７】製造条件としての冷間成形圧力は、１０MP
a 未満ではその効果を発揮せず、２００MPa を超えると
圧力は装置の制約上実現不可能であるためこれを上限と
し、１０〜２００MPa の圧力に範囲を限定した。次に、
焼成温度であるが、１５００℃未満では充分な焼結・緻
密化が起こらず、２３００℃超では、結晶粒の異常成長
が起こり、焼結体性能を低下させるため、１５００〜２
３００℃の範囲に限定した。

【０００８】尚、ここでＴｉＢ₂量が２０％未満では充
分な導電性が得られず、３０％超では、焼結体の硬さが
増大し、被加工性を低下させるため、２０〜３０％の範
囲とした。ＴｉＣは同様に１％未満では充分な導電性を
与えず１０％を超えて添加すると焼結体の硬さを増大
し、被加工性を低下させるため１〜１０％の範囲とし
た。次に、ｈ−ＢＮは、５％未満では被加工性の向上に
寄与せず１０％超では、逆に焼結体の強度を下げるため
５〜１０％の範囲とした。ＡｌＮは焼結体の電気的特性
を安定化させるための適当量４０〜６０％とした。４０
％未満では、その電気的特性安定化に効果がなく、逆に
６０％を超えて添加すると焼成体に充分な導電性を与え
ることが出来ない。また、原料粉末に添加するＡｌ₂Ｏ
₃量は同時に添加する金属Ａｌとのバランスで決められ
るが、５％超ではＡｌ₂Ｏ₃のまま残存する可能性があ
るため５％以下とした。金属Ａｌ量は、ＡｌＮ量とのバ
ランスで決められるが、ＡｌＮの一部をウイスカーにす
る適量として５〜１０％とした。次に、金属Ｂの添加量
は、形成させるｈ−ＢＮの量との兼ね合いで５〜１０％
の範囲とした。

【０００９】また、このようなセラミックスの製造には
通常のプロセスとしての、スプレードライ、鋳込み成
形、押し出し成形あるいは射出成形等の方法も適用可能
である。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明は、導電性成分（ＴｉＢ₂
あるいはそれと同様な化合物）、と原料粉末として混合
する硼素及び窒化アルミニウムが反応により生成するＢ
ＮとＡｌＮが混在するところの一連の（組成の）複合材
に関するものである。さらに、本発明による複合材は、
導電性を持ちそして高温用途に特に適した耐火度を持つ
ものである。

【００１１】上述した方法によると、焼結活性に乏しい
原料粉末であっても、その粉末の加圧成形体の焼成に際
して、元素状物質（金属硼素及びアルミニウム）が窒素
と反応し、ＢＮ及びＡｌＮを生成してその成形体のポア
を埋めるといった反応によって焼結が促進される。ま
た、望ましくない硼酸は、Ｂ₆Ｏなる化学式をもつ耐火
度の高い酸化物に転換される。ホットプレスと異なり、
焼結中に外部圧力を加えないので、最終的な焼結体は、
ホットプレス焼成体と比して、機械的強度及び電気伝導
度のようなバルク諸特性の高い等方性を有している。

【００１２】

【実施例】

（実施例１）５０ｇの二硼化チタン、１００ｇの窒化ア
ルミニウム、１７ｇの炭化チタン、５ｇの金属アルミニ
ウム、そして５ｇの金属硼素をボールミルで混合し、圧
力５０MPa で鋼製型内で冷間加圧し、その後圧力２００
MPa で冷間静水圧加圧した。得られた素地は、１２０×
２０×１０mmのサイズであり、２０８０℃での窒素雰囲
気中で焼成した。焼成体は切断し、３×４×４０mm試片
を得るために加工し、アルキメデス法により密度、室温
三点曲げ（ＪＩＳＲ１６０１）により強度そして四探
針法により電気抵抗を測定した。尚、焼結体中のウイス
カー分の割合算出に際しては、図１に示すような走査型
電子顕微鏡写真におけるウイスカー分の面積割合の計算
を行った。

【００１３】（実施例２）５０ｇの二硼化チタン、１０
０ｇの窒化アルミニウム、１６ｇの炭化チタン、８ｇの
酸化アルミニウム、５ｇの金属アルミニウムそして５ｇ
の金属硼素をボールミルで混合し、圧力１００MPa で鋼
製型内で冷間加圧し、その後圧力２００MPa で冷間静水
圧加圧した。その後、得られた素地は、１２０×２０×
１０mmのサイズであり、２０８０℃での窒素雰囲気中で
焼成した。焼成体は切断し、３×４×４０mm試片を得る
ために加工し、アルキメデス法により密度、室温三点曲
げ（ＪＩＳＲ１６０１）により強度そして四探針法に
より電気抵抗を測定した。尚、焼結体中のウイスカー分
の割合算出に際しては、図１に示すような走査型電子顕
微鏡写真におけるウイスカー分の面積割合の計算を行っ
た。

【００１４】（比較例１）１００ｇの二硼化チタン、７
０ｇの窒化アルミニウムそして１０ｇの窒化硼素をボー
ルミルで混合し、圧力１００MPa で鋼製型内で冷間加圧
し、そして、圧力２００MPa で冷間静水圧加圧した。そ
の後、得られた素地は、１２０×２０×１０mmのサイズ
であり、２０８０℃での窒素雰囲気中で焼成した。焼成
体は切断し、３×４×４０mm試片を得るために加工し、
アルキメデス法により密度、室温三点曲げ（ＪＩＳＲ
１６０１）により強度そして四探針法により電気抵抗を
測定した。

【００１５】（比較例２）１００ｇの二硼化チタン、２
９ｇの窒化アルミニウム、１５ｇの窒化硼素、７ｇの金
属アルミニウムそして７ｇの金属硼素をボールミルで混
合し、圧力１００MPa で鋼製型内で冷間加圧し、そし
て、圧力２００MPa で冷間静水圧加圧した。その後、得
られた素地は、１２０×２０×１０mmのサイズであり、
２０００℃の窒素雰囲気中で焼成した。焼成体は切断
し、３×４×４０mm試片を得るために加工し、アルキメ
デス法により密度、室温三点曲げ（ＪＩＳＲ１６０
１）により強度そして四探針法により電気抵抗を測定し
た。

【００１６】（比較例３）１００ｇの二硼化チタン、１
５ｇの窒化アルミニウム、２９ｇの窒化硼素、７ｇの金
属アルミニウムそして７ｇの金属硼素をボールミルで混
合し、圧力１００MPa で鋼製型内で冷間加圧し、そし
て、圧力２００MPa で冷間静水圧加圧した。その後、得
られた素地は、１２０×２０×１０mmのサイズであり、
２０００℃の窒素雰囲気中で焼成した。焼成体は切断
し、３×４×４０mm試片を得るために加工し、アルキメ
デス法により密度、室温三点曲げ（ＪＩＳＲ１６０
１）により強度そして四探針法により電気抵抗を測定し
た。

【００１７】上記した実施例１，２及び比較例１〜３の
製造条件と測定された諸特性については下記表１にそれ
ぞれ示す。表１から、本発明による複合材は、広範囲で
制御可能な導電度を持ち、高い機械的強度、耐火度そし
て測定の方向に依存しない諸特性を持つことがわかる。

【００１８】

【表１】

【００１９】

【発明の効果】以上説明した本発明による複合材は、優
れた特性を持つものであるが、この諸特性を達成するた
め、導電性複合材の新しい製造方法の原理は、反応に促
進される焼結にある。つまり、ＢＮ、ＡｌＮ、ＴｉＢ₂
（あるいは他の導電性要素）のような化合物が金属アル
ミニウムあるいは金属硼素のような元素状の物質と混在
している。それらの粉末を、まず圧密し成形体を形成す
る、次に、それの窒素中で焼成の間に、それらの元素状
物質は、窒素と化学反応を起こし、各々相当した窒化物
に転換される。これらの二次窒化物（特にＡｌＮウイス
カー）は、図１に示すように焼成中に形成され、焼結体
の高強度化に寄与する。（図１のＳＥＭ写真参照）

【図面の簡単な説明】

【図１】ＡｌＮウイスカーの形成を示す焼結体の走査型
電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真に基づく図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐藤有一千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】二硼化チタン（ＴｉＢ₂）を２０〜３０
wt％、炭化チタン（ＴｉＣ）１〜１０wt％、六方晶窒化
硼素（ｈ−ＢＮ）を５〜１０wt％、そして窒化アルミニ
ウム（ＡｌＮ）４０〜６０wt％を含み、窒化アルミニウ
ム分の５〜１０％がウイスカーの形態であることを特徴
とする高強度導電性複合セラミック材料。
【請求項２】二硼化チタン（ＴｉＢ₂）２０〜３０wt
％、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）４０〜６０wt％に、１
〜１０wt％の炭化チタン（ＴｉＣ）、０を含む０〜５wt
％の酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、１〜５wt％の金
属アルミニウム（Ａｌ）、そして１〜５wt％の金属硼素
（Ｂ）を混合し、冷間で一軸加圧及び冷間等方圧加圧
（１０〜２００MPa ）で圧密成形し、窒素雰囲気中で１
５００〜２３００℃で焼成することを特徴とする導電性
複合材の製造方法。