JPS61117106A - 立方晶窒化ホウ素の合成法 - Google Patents

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】 皇」巳り二男」し辷」 本発明は研削、切削工具等に使用される立方晶窒化ホウ
素（以下ＣＢＮという）の合成法に関する。

ｉｓ茨！ 立方晶窒化ホウ素はダイヤモンドに次ぐ硬さを有し、特
に鉄に対してはダイヤモンドより安定なことから、鉄鋼
の研削等に重要視されている。

一般にＣＢＮは六方晶窒化ホウ素（以下ＨＢＮという）
を原料とし、触媒を使用してＣＢＮの安定領域下に保持
して合成される。この際、ＣＢＮの種子を原料中に混合
し、種子を成長させることも行なわれている。

研削等に使用されるＣＢＮは粒度が揃ったしかもある程
度以上の大きさを持ったブロッキーなものが望ましい。

これらの要請のため従来触媒の改良、例えばＬｉ３ＢＮ
２．　Ｃａ３Ｂ２Ｎ３のような複合触媒の使用が提案さ
れている。また合成方法にも温度差法、膜成長法等の工
夫がなされている。前者は合成反応室においてＨＢＮの
溶解域とＣＢＮの析出域に温度差を設ける方法であり、
後者はＣＢＮの種子の周囲に触媒の薄い膜を設け、その
膜を通してＨＢＮの溶解、ＣＯＮの析出を行なう方法で
ある。

触媒の改良によってかなりブロッキーなものが得られる
が、未だ十分でなく、また大きな粒子は得難い。温度差
法は合成の時間がかかること、多量に出来ないことが難
点である。膜成長法は粒成長とともに膜が薄くなり、や
がて切れるので粒径に限界がある。

五ｉ五亘亘ｍ 本発明はブロッキーで粒度の揃ったしかも大きなＣＢＮ
粒子を多量に合成することを目的とする。

ＬＬ１（ＬＬ 本発明はＣＢＮの種子を使用すると共に原料となるＨＢ
Ｎ成形体を触媒物質中で加熱することにより、該成形体
中に触媒物質を拡散させ、これを出発材料としてＣＢＮ
の合成を行ない、種子を成長させる方法である。この場
合望ましくは種子を成形体に規則的に分散配置する。

ＨＢＮ成形体は触媒を拡散させるため０．５〜１０ｗ程
度の薄板状にすることが望ましい。この成形体に種子を
配置すると共に触媒物質を拡散させる。

この頭外は種子を配置後触媒を拡散させてもよく、また
その逆でもよい。種子の配置はＨＢＮの成形体の表面に
多数の小孔を開け、この中に種子を装入する方法、成形
体表面に種子を分散付着する方法、さらにＨＢＮの成形
体をつくる際この中に種子を含める方法でもよい。種子
は望ましくは等間隔で規則的に配置することが望ましい
。これによって各種子が等しく成長し、粒度の揃りたも
のが得られるからである。種子を規則的に配置するには
ＨＢＮ成型体の表面に所定間隔で規則的に小孔を開け、
多数の種子をこの表面に載せ、揺動すればよく、これに
より簡単に夫々の小孔に一個づつの種子を装入すること
ができる。

ＣＢＮの合成においては成長の量には限界があるが種子
の成長倍率は高い方がよいので、種子はあまり大きいの
は望ましくなく、また小さ過ぎても　　。。

大きなＣＢＮ粒子は得られないので２０〜５００μｍ程
度が適当である。これらの種子を見かけ上大きくして、
取扱易くするため、金属、セラミック等でコートしてか
ら用いることも出来る。

さらにＣＢＮ種子をＨＢＮ成形体に配置する方法として
ＣＢＮの微粉を接着剤例えば電気回路形成等に用いられ
る印刷インクに混合し、これをＨＢＮ成形成形体表面間
等間隔ロットする方法を用いることもできる。この場合
は微粉の粒度は上記のものより小さくてもよく、一つの
プロットの中に一つ以上の種子があってもよい。この種
子の成長はいずれかの種子が優先的に成長して他を排斥
したり、あるいは全体を集合したような形の粒子が得ら
れる。

種子の成長は周囲ＶＣ６る池の種子の影響を受げないよ
うにする必要があり、このためにはある程度の間隔を設
けて配置する。一方間隔が大き過ぎることは生産性が低
下する。これらのことより種子の間隔（表面間の間隔）
は、種子の大きさにもよるが、０．１１ＩＩＩＩ〜３簡
の範囲とすることが好ましい。この間隔は、前記の種子
を配置した成形体を多数積層して使用する場合は各成形
体の平面における間隔及び各成形体間の種子の間隔であ
る。従って本発明において種子の規則的分散配置とは平
面又は立体的な配置を意味する。

ＨＢＮ成形体の表面に種子を配置する場合は、種子を触
媒作用の妨げとならないような金属、例えばＣｏ　、　
Ｃｕ等の薄い板に配置し、これをＨＢＮ成形体に重ね、
多数使用する場合はこれらを交互に積層して使用するこ
ともできる。

ＨＢＮ成形体にＣＢＮ合成触媒を拡散させるには、後者
の粉末中に前者を埋没して加熱する方法などの通常の固
体拡散による方法、触媒融液中にＨＢＮ成形体を浸漬す
る方法、触媒蒸気中にＥ（ＢＮ成形体を置く方法などが
あり、いずれの場合に於ても、触媒が必要量、成形体中
へ取りこまれれば良い。

使用される触媒としてはアルカリ金属、アルカリ土類金
属、これらの窒化物、該窒化物とＨＢＮとの複合化物、
　ｋｌの合金、窒化物などＣＢＮ合成に有効なすべての
触媒を使用することができる。この場合触媒物質が拡散
し、そこでＨＢＮと反応し、新たな触媒が形成されるの
も本発明に含まれることは当然である。拡散される触媒
の量はＨＢＮ　１モルに対し、０．０１〜０．５モルが
適当である。

本発明は触媒物質をＨＢＮ成形体中に拡散したものを使
用することが一つの特徴でちる。公知の方法であるこれ
ら両者の混合、成形法に較べて本発明が前記目的達成て
有効な理由は以下のように考えられる。

（１）反応表面の純化性 混合粉末ではＦＩＢＮや触媒粒子表面が外部雰囲気にさ
らされることが多くなる。そのためにこれら粒子表面の
活性が失われ易い。

（２）拡散の場合は混合が均一 混合粉末では粒子オーダーの混合であるのに対し、拡散
では原子オーダーの混合になるため、非常に均一な混合
になる。従って種子に対し常に均等な触媒補給が行われ
、ＣＢＮの良品生成に必要な等方的原料供給が達成され
る。

本発明の池の利点はＴ（ＢＮ成形体を薄板にして用いる
ことが可能なことである。ＨＢＮは焼結し難いため成形
体にする場合は高温に焼成しなければならない。そして
薄板は通常この成形体を切削加工することによってつく
られる。

ところが触媒はこのような高温で焼成することはできな
いため、触媒を混合したＨＢＮは低温で焼成せざるを得
す、成形体の強度が不十分であるため、薄板に切削加工
することは困難であるし、また最初から薄板に成形する
こともむずかしい＠これに対し、触媒拡散法ではこのよ
うな制限がないのでＨＢＮの薄板が容易に得られる。こ
のことはＣＢＮ種子を成形体に等間隔で配置する場合極
めて有利である。等間隔配置ではＣＢＮ種子は事実上成
形体の表面配置に限られる。その場合薄板であればこれ
を多数重ねて使用でき、生産性が大巾に向上する。

ＣＢＮの合成はベルト型、が−ドル型等の超高圧装置を
用い、ＣＢＮの安定領域下で行なわれるが、この中で特
に４０〜６０Ｋｂ、１３００〜１８００℃の範囲が好ま
しい。合成時間は最終的に得られる３００μ以下の粒に
対しては１０〜６０分それ以上　　゛では１０時間程度
必要とするものもある。

合成後の生成物は公知の方法、例えば酸洗及びアルカＩ
）　ｆ８融法等の処理により、触媒、未反応ＨＢＮの除
去により、ＣＢＮが分離抽出される。

実施例Ｉ ＨＢＮ成形体を薄い円板状に加工した（直径２５瓢、厚
さ１．０　ｍ−）。この円板を予じめ合成したＬｉＣａ
ＢＮ２触媒粉末に埋め、Ｎ２雰囲気中、８５０℃で２４
時間加熱した。ＬｉＣａＢＮ２が約５モルチ拡散含有し
ていた。（付着分を除き重量増加より一定）これに剣山
を用いて前後左右の間隔（中心間）ＩＩＩＩＩ１１１穴
の直径１３０μｆｆＬＳ深さ８０μｍの小孔を開け、こ
の小孔に約１００μｍのＣＢＮ種子を１粒づつ装入し、
この円板を３５枚重ねてベルト型高圧装置に装填した。

合成条件は先ず圧力を５０Ｋｂ迄上げ、次いで温度を１
５００℃にし、２分保持した後３ｏ分間で５７　Ｋｂ迄
昇圧した。温度を下げてから圧力を大気圧に戻した。・ 生成物を高圧装置から取出し、まず塩酸処理により触媒
を除去した後、アルカリ溶融法によりＨＢＮを除去し、
ＣＢＮ粒子を抽出した。なお、生成物の断面を顕微鏡観
察すると種子が成長したＣＢＮのみであり、新たな発生
はみられなかった。生成粒子は平均径３００μの黄橙色
のブロッキーな粒子が得られた。

比較のため前記触媒を拡散量に相当する量をＨＢＮに混
合し、成形して種子を用い同様にしてＣＢＮの合成を行
なった。ただし、粉末成形では厚さｌ■の薄板の成形は
困難なので、厚さを５■とじて成形し、これに実施例１
と同様にＣＢＮ種子を配置した。この比較ではＣＢＮの
種子は実施ｇＡＪ１より少ないので生成するＣＢＮの収
量は当然少ない。

粒子の粒度のバラツキ１．形状等を本発明のと比較する
ための実験である。これらの結果を以下に示すＯ 寒施列　　比較例 粒子の大きさ　　　半均３００μ　　　　　平均２５０
μ粒度範囲　　２００〜４００μ　　　１５０〜４００
μ実施例２ 実施例１と同様な方法でＨＢＮ円板にＬｉ３８Ｎ２を拡
散させた。但し拡散条件は７００℃、Ｎ２中４８時間と
した。Ｌｉ３ＢＮ２が約２０モルチ拡散含有していた。

装置への充填方法は実例１と同様である。

５２　Ｋｂ迄昇圧後１５５０℃に昇温した後、１時間か
けて５８　Ｋｂ迄昇圧した。取出したＣＢＮは粒形が４
００μ付近に集中し、平滑な成長面をもった黄色透明な
ブロッキーなものであった。

実施例３ ＨＢＮ円板（大きさは実施例１と同じ）をｃＪＬ３Ｂ２
Ｎ４粉末と混合し、Ｎ２中９００℃で２４時間処理した
。

ＬｉＣａ　ＢＮ２が約７モルチ拡散含有していた。−万
このＣｏ板（直径２５　ｓｍ　、厚さ０．２５ｍ）に、
フォトエッチ法により、間隔６００μ、直径１００μ、
穴深６０μの穴を規則的に作った。この中に粒径７０〜
９０μのＣＢＮ粒子を１粒／穴に入れ、上記ＨＢＮ板と
交互に２７組重ねてベルト型高圧装置中に装填した。

合成条件は先ず５０Ｋｂ　、１５５０℃で２分保持後６
０分で５７　Ｋｂ迄昇圧した。温度を下げてから、圧力
を大気圧に戻した。常法によりＣＢＮ粒子を抽出した。

平均粒径が４００μの黄色透明なブロッキー粒が得られ
た。

実施例４ ＨＢＮ成型体（直径２５　ｗｍ　、厚さ１．５　ｗｍ　
）をＬ　ｉＣａ　ＢＮ２粉末と混合しＮ２中７５０℃で
６０時間ＬｉＣａＢＮ２を拡散含有させた。Ｌｔ　Ｃ＆
　ＢＮ２の拡散量は約３０　ｍｏｌ　％であった。この
円板に０．５φドリルで前後左右の間隔２　ｗ　、　ｆ
ｉｌさ０．５〜０．７ｍの穴を開けた。

一方４００μＣＢＮ粒子にＣｕコートを施し、ハンドリ
ング性を向上させた。コート後の粒径は４１０〜４２０
μであった。このものを上記ＨＢＮ円板の穴へ１粒づつ
入れたものを２３枚積み重ね前記装置に装填した。合成
条件は先ず圧力を４６　Ｋｂ迄上げた後、温度を１４５
０℃にした。２分保持後、１時　、・間で５７　Ｋｂ迄
昇圧し、５時間保持後、通常の方法でＣＢＮを取出した
。平滑な表面を持った相晶の整った黄橙色で１〜１．５
　ｍのＣＢＮが得られた。

実施例５ アルミナ磁製管を炉内に入れ、長さ方向に温度勾配を設
けた。この管内にＨＢＮ円板（＠径２５ｓｏ＋。

厚さ１　ｔａｘ　）とＭ、Ｎ２粉末を離して配置し、前
者を１１５０℃、後者を１３００℃とした。その際ＨＢ
Ｎ円板は小さい支持台に載せ、下面も大部分雰囲気に直
接触れるようにし、また町Ｎ２粉末はモリブデンの容器
（開放）に収納して配置した。アルミナ磁製管のＭ３Ｎ
２側よりＮ２ガスを流して２４時間保持した。その結果
ＨＢＮ成形体中にＭｇ３Ｎ２が０．５重量％拡散含有し
た。これに７０〜９０μｍのＣＢＮ種子を実施例１と同
様に配置した。これを３５枚積層してベルト型高圧装置
に装填し、先ず５０Ｋｂ。

１５５０℃で２分保持後、３０分で５６　Ｋｂ迄上昇し
た。温度を下げてから圧力を大気圧に戻し、実施例１と
同様にＣＢＮ粒子を抽出した。平均粒径が３２０μ〃で
バラツキの少ない透明結晶が得られた。

免豆立羞困 本発明によれば実施例で具体的に示すように粒子の成長
が大きく、従って生産量の増大をもたらし１ｔた粒度の
バラツキも小さい。さらに形状的にも結晶面の整ったブ
ロッキーでタフな砥粒が生成する。又原料の均一補給が
可能なため、従来よりも形の整った粗大粒が得られる。

またＨＢＮ成形体を薄く加工することができ、これに触
媒の拡散、種子の規則的配置（等間隔配置）を行ない、
これを多数積層して用いることができるので生産性が向
上する。

代　理　人　　　　菊　　地　　精　　−手　続　補　
正　書（自発） 昭和６０年１月ｔｏ日

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）六方晶窒化ホウ素の成形体を立方晶窒化ホウ素の
   合成触媒中で加熱し、該触媒物質を前記成形体中に拡散
   させ、これに立方晶窒化ホウ素の種子を分散配置するか
   、又は立方晶窒化ホウ素の種子を分散配置した六方晶窒
   化ホウ素成形体を立方晶窒化ホウ素の合成触媒中で加熱
   し、該触媒物質を前記成形体中に拡散させ、次いでこれ
   らの成形体を立方晶窒化ホウ素の安定域下で処理して前
   記種子を成長させ、得られた生成物から立方晶窒化ホウ
   素を分離することを特徴とする立方晶窒化ホウ素の合成
   法。
2. （２）立方晶窒化ホウ素の種子を規則的に分散配置した
   特許請求の範囲第１項記載の立方晶窒化ホウ素の合成法
   。