JPS6163572A - Manufacture of composite sintered body - Google Patents
Manufacture of composite sintered bodyInfo
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- JPS6163572A JPS6163572A JP59182679A JP18267984A JPS6163572A JP S6163572 A JPS6163572 A JP S6163572A JP 59182679 A JP59182679 A JP 59182679A JP 18267984 A JP18267984 A JP 18267984A JP S6163572 A JPS6163572 A JP S6163572A
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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。(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は高密度でかつ特に高熱伝導性に優れた窒化アル
ミニウムと窒化ホウ素の複合焼結体の製造方法に関する
ものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a method for producing a composite sintered body of aluminum nitride and boron nitride which has high density and particularly excellent thermal conductivity.
従来窒化アルミニウム粉末と窒化ホウ素粉末とのみで複
合焼結体を得ることはできないことが知られ【いて、該
複合焼結体を得るために種々の添加物が試みられている
。It has been known that it is not possible to obtain a composite sintered body using only aluminum nitride powder and boron nitride powder, and various additives have been tried to obtain such a composite sintered body.
本発明者等は窒化アルミニウム粉末を使用したすぐれた
複合焼結体を開発すべく鋭意努力してきた結果、窒化ア
ルミニウム粉末と窒化ホウ素粉末とに特定の化合物を配
合し焼結することによってすぐれた複合焼結体、しかも
普通工具で高速切削加工出来る、いわゆるマシーナブル
セラミック複合焼結体を得ることが出来ることを見出し
既に提案した。The inventors of the present invention have worked hard to develop an excellent composite sintered body using aluminum nitride powder, and as a result, they have developed an excellent composite sintered body by blending a specific compound with aluminum nitride powder and boron nitride powder and sintering the mixture. We have already discovered and proposed that it is possible to obtain a sintered body, a so-called machinable ceramic composite sintered body, which can be cut at high speed with ordinary tools.
本発明者等は更に複合焼結体の製造方法について研究を
続けた結果、窒化アルミニウム粉末と窒化ホウ素粉末に
焼結助剤が加えられた混合粉末を焼成する場合、特定温
度領域における平均昇温速度が焼結特性及び焼結体特性
に著しく形書を及ぼすことを見い出し、本発明を完成す
るに至った。As a result of further research into the manufacturing method of composite sintered bodies, the present inventors found that when firing a mixed powder in which a sintering aid was added to aluminum nitride powder and boron nitride powder, the average temperature increase in a specific temperature range It was discovered that the speed significantly affects the sintering characteristics and the characteristics of the sintered body, and the present invention was completed.
即ち、本発明は、窒化アルミニウム粉末、窒〜1700
℃の温度領域に於ける平均昇温速度を10〜b
複合焼結体の製造方法である。That is, the present invention provides aluminum nitride powder, nitride ~ 1700
This is a method for producing a composite sintered body in which the average temperature increase rate in the temperature range of 10 to 10 b.
不発明で使用される窒化アルミニウム粉釆は何ら制限さ
れるものではなく、いかなるものでも採用することがで
きる。本発明の方法により、ち密な複合焼結体を得る場
合は、原料の窒化アルミニウム粉末の平均粒子8(遠心
式粒度分布測定装置、例えば温湯製作所製のCAPA5
00などで測定した凝集粒子の平均粒径を言う)が5μ
m以下であることが好ましい。好適には3μm以下、最
も好適には2μm以下の粉末が採用される。特に5μm
以下の粒子を70容iit%以上含む粉末が好適である
。また、高熱伝導性の複合焼結体を得る場合はktNの
含有it(ムAM粉末の窒素の含有量から計算される)
は90重t%以上の窒化アルミニウム粉末が好適に採用
され、更には94重量%以上、また高い透光性を有する
焼結体を得るためには97重ψ%以上の粉末を用いるこ
とが好ましい。The aluminum nitride powder used in the invention is not limited in any way, and any aluminum nitride powder can be used. When obtaining a dense composite sintered body by the method of the present invention, the average particle size of the aluminum nitride powder as a raw material is
00, etc.) is 5μ
It is preferable that it is below m. Powders with a diameter of 3 μm or less, most preferably 2 μm or less are used. Especially 5μm
Powders containing 70% by volume or more of the following particles are suitable. In addition, when obtaining a composite sintered body with high thermal conductivity, the content of ktN (calculated from the nitrogen content of the AM powder)
It is preferable to use aluminum nitride powder of 90 wt % or more, more preferably 94 wt % or more, and preferably 97 wt % or more to obtain a sintered body with high translucency. .
本発明に於いて好適に使用される窒化アルミニウム粉末
としては、平均粒子径が2μm以下の粉末で、3μm以
下の粒子を70容1%以上含み、酸素含有量が3.0重
量%以下、且つ窒化アルミニウム組成をJktNとする
とき含有する陽イオン不純物が0.5Mkgに以下であ
る窒化アルミニウム粉末である。このような窒化アルミ
ニウム粉末を用いた場合には、得られる複合焼結体の熱
伝導率の向上が犬ぎくなるために本発明で好適に使用さ
れる。就中、平均粒子径が2μm以下の粉末で、3μ扉
以下の粒子を70容量%以上含み、酸素含有量が1.5
重量%以下、且つ窒化アルミニウム組成を人AMとする
とき含有する陽イオン不純物が0.3重量%以下である
窒化アルミニウム粉末を用いた場合には、得られる複合
焼結体の熱伝導率の向上と共に透光性が改善されるため
に、本発明では特に好適に使用される。The aluminum nitride powder preferably used in the present invention is a powder with an average particle size of 2 μm or less, containing 70% or more by volume of particles of 3 μm or less, and an oxygen content of 3.0% by weight or less, and The aluminum nitride powder contains 0.5 Mkg or less of cationic impurities when the aluminum nitride composition is JktN. When such aluminum nitride powder is used, the thermal conductivity of the resulting composite sintered body is significantly improved, and therefore it is preferably used in the present invention. In particular, powder with an average particle diameter of 2 μm or less, containing 70% by volume or more of particles with a diameter of 3 μm or less, and an oxygen content of 1.5
When aluminum nitride powder containing cationic impurities of 0.3% by weight or less when the aluminum nitride composition is 0.3% by weight or less is used, the thermal conductivity of the resulting composite sintered body is improved. It is particularly preferably used in the present invention because it also improves translucency.
本発明の実施に好適に使用される前記窒(ヒアルミニラ
ム粉末の製造法の代表的なものを例示すれば次のとおり
である。Typical methods for producing the hyaluminum powder preferably used in the practice of the present invention are as follows.
(1) 純度99.0重t%、好ましくは995重I
k □%以上で、平均粒子径が2μm以下で3μ扉
以下の粒子を70容i%以上の割合で含有する酸化アル
ミニウム微粉末と、灰分含量が最大0.2重量%で平均
粒子径が1μ扉以下のカーボン微粉末とを液体分散媒体
中で緊密に混合し、その際核酸化アルミニウム微粉末対
該カーボン微粉末の重量比は1 : 0.36〜1:1
であり、
Q) 得られた緊密混合物を、適宜乾燥し、窒素または
アンモニアの雰囲気下で1400〜1700°Cの温度
で焼成し、
C)次いで得られた微粉末を酸素を含む雰囲気下で60
0〜900℃の温度で加熱して未反応のカーボンを加熱
除去する。(1) Purity 99.0 wt%, preferably 995 wt.
k □% or more, aluminum oxide fine powder containing particles with an average particle size of 2 μm or less and 3 μm or less in a ratio of 70 volume i% or more, and an ash content of up to 0.2% by weight and an average particle size of 1 μm. The fine carbon powder below the door is intimately mixed in a liquid dispersion medium, and the weight ratio of the fine aluminum oxide powder to the fine carbon powder is 1:0.36 to 1:1.
Q) The intimate mixture obtained is optionally dried and calcined under an atmosphere of nitrogen or ammonia at a temperature of 1400-1700°C; C) The fine powder obtained is then heated under an oxygen-containing atmosphere for 60°C.
Unreacted carbon is removed by heating at a temperature of 0 to 900°C.
工程によって得ることができる。It can be obtained by a process.
また、本発明の複合焼結体の製造に用いられる窒化ホウ
素粉末は、特に限定されるものではなく、いかなるもの
も使用することが出来る。Moreover, the boron nitride powder used for manufacturing the composite sintered body of the present invention is not particularly limited, and any powder can be used.
一般に好適に使用される窒化ホウ素粉末は、窒化ホウ素
の純度が99.03mN%以上で、平均粒子径が5μ瓜
以下のものである。また該窒化ホウ素粉末の製法も特に
限定されず公知の方法が採用出来る。Generally, the boron nitride powder preferably used has a boron nitride purity of 99.03 mN% or more and an average particle size of 5 μm or less. Further, the method for producing the boron nitride powder is not particularly limited, and any known method can be employed.
前記の窒化アルミニウム粉末と窒化ホウ素粉末の混合割
合は、得られる複合焼結体く要求される性状に応じて広
い範囲から選択出来る。一般には、例えば窒化アルミニ
ウム粉末を50〜97重1部、好ましくは65〜95重
址部に対して、窒化ホウ素粉末を3〜50重量部、好ま
しくは5〜351i鼠部の範囲で選べば良好である。The mixing ratio of the aluminum nitride powder and the boron nitride powder can be selected from a wide range depending on the properties required of the composite sintered body to be obtained. In general, it is preferable to select aluminum nitride powder in the range of 50 to 97 parts by weight, preferably 65 to 95 parts by weight, and boron nitride powder in the range of 3 to 50 parts by weight, preferably 5 to 351 parts by weight. It is.
次に1焼結助剤としては、窒化アルミニウム焼結体の製
造に使用されろ公知のものが何ら制限なく使用し得ろ。Next, as the first sintering aid, any known sintering aid used in the production of aluminum nitride sintered bodies may be used without any limitations.
特に、本発明に於いて好適に使用される焼結助剤は、周
期律聚第π2L族金属及び第1a族金属から選ばれた少
くとも1種の金属又は金属化合物である。In particular, the sintering aid preferably used in the present invention is at least one metal or metal compound selected from the periodic π2L group metals and the 1a group metals.
該第1a族金属は特に限定されずベリリウム、マグネシ
ウム、カルシウム、ストロンチウム及びバリウムが使用
出来ろ。工業的にはカル、シウム、ストロンチウム及び
バリウムを使用するのが好適である。また、第1a族金
属は特に限定されず使用出来る。例えばイツトリウム(
Y)、ランタン(L、)、セリウム(Ce)、プラセオ
ジム(Pr)、ネオジム(Na)、グロメシウム(Pm
)、 サマリウム(am)、ユーロピウム(Eu)、
ガドリニウム(GIL)、テルビウム(yb )、ンス
グロシウム(Dy ) 、ホルミウム(Ho)、エルビ
ウム(Kr)、ツリウム(Tm ) 、イッテルビウム
(Yb)、ルテチウム(Lu )が好適に使用出来る。The Group 1a metal is not particularly limited, and beryllium, magnesium, calcium, strontium, and barium can be used. Industrially it is preferred to use Cal, Si, Strontium and Barium. Moreover, Group 1a metals can be used without particular limitation. For example, Yztrium (
Y), lanthanum (L, ), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Na), glomethium (Pm)
), samarium (am), europium (Eu),
Gadolinium (GIL), terbium (yb), sugrosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Kr), thulium (Tm), ytterbium (Yb), and lutetium (Lu) can be suitably used.
特に工業的にはイツトリウム、ランタン、セリウム、ネ
オジム等が好適に使用される。In particular, yttrium, lanthanum, cerium, neodymium, etc. are preferably used industrially.
本発明に於いて焼結助剤として使用される金属化合物は
、上記の金属の化合物が特に制限されず使用され、例え
ば、硝酸塩、炭酸塩、ノ・ロゲ/化物、酸化物等が好適
に使用される。本発明に於いて、好適に使用される焼結
助剤の具体例を示すと、例えば次のとおりである。The metal compound used as a sintering aid in the present invention is not particularly limited to the above metal compounds, and for example, nitrates, carbonates, compounds, oxides, etc. are preferably used. be done. In the present invention, specific examples of sintering aids suitably used are as follows.
硝酸カルシウム、炭酸カルシウム、7ツ化カルシウム、
酸化カルシウム等のカルシウム化合物;硝酸ストロンチ
ウム、炭酸ストロンチウム、7フ化ストロンチウム、酸
化ストロンチウム等のストロンチウム化合物:硝酸バリ
ウム、炭酸バリウム、77化バリウム、酸化バリウム等
のバリウム化合物;硝酸イツトリウム、炭酸イツトリウ
ム、フッ化イツトリウム、酸化イツトリウム等のイツト
リウム化合物;硝酸ランタン、炭酸う/り/、7ツ化2
ツタ/、酸化ランタン等のランタン化合物等が挙げられ
る。Calcium nitrate, calcium carbonate, calcium heptadide,
Calcium compounds such as calcium oxide; Strontium compounds such as strontium nitrate, strontium carbonate, strontium heptafluoride, strontium oxide; Barium compounds such as barium nitrate, barium carbonate, barium 77, barium oxide; yttrium nitrate, yttrium carbonate, fluoride Yttrium compounds such as yttrium and yttrium oxide; lanthanum nitrate, yttrium carbonate, and 7-chloride 2
Examples include ivy/lanthanum compounds such as lanthanum oxide.
本発明で使用される焼結助剤の添加量は、後述する焼成
時の昇温速度とのかね合いで選べばよいが、通常窒化ア
ルミニウム粉末と窒化ホウ素粉末との合計量に対し酸化
物に換算して0.02〜5.Qvt%含まれるよう混合
するのが好ましい。勿論、前記原料以外に結合剤、M膠
剤、可塑剤等の添加混合は必要に応じて適宜採用するこ
とができる。The amount of the sintering aid used in the present invention may be selected in consideration of the temperature increase rate during firing, which will be described later. Converted to 0.02~5. It is preferable to mix it so that it contains Qvt%. Of course, in addition to the above-mentioned raw materials, binders, M glues, plasticizers, etc. may be added and mixed as appropriate.
本発明における前記窒化アルミニウム粉末、窒化ホウ素
粉末及び焼結助剤の混合は特に限定されず、乾式混合で
あっても湿式混合であってもよい。特に好適な実施態様
は湿式混合すなわち液体分散媒体を使用する湿式状態で
の混合である。該液体分散媒体は特に限定されず、一般
に使用される水、アルコール類、炭化水素類またはこれ
らの混合物が好適に使用される。特に工業的に最も好適
に採用されるのは、メタノール、エタノール、ブタノー
ルなどの炭素原子数4以下の低級アルコール類である。The mixing of the aluminum nitride powder, boron nitride powder, and sintering aid in the present invention is not particularly limited, and may be dry mixing or wet mixing. A particularly preferred embodiment is wet mixing, ie mixing in the wet state using a liquid dispersion medium. The liquid dispersion medium is not particularly limited, and commonly used water, alcohols, hydrocarbons, or mixtures thereof are preferably used. In particular, lower alcohols having 4 or less carbon atoms, such as methanol, ethanol, and butanol, are most preferably employed industrially.
本発明における焼成の具体的な態様としては、前記窒化
アルミニウム粉末と窒化ホウ素粉末に焼結助剤を添加し
た混合粉末を適当な成形手段、例えば乾式ルス法、ラバ
ープレス、押出し法、射出法、ドクターブレードシート
成形法などによ。て目的の形状に成形した後これを適当
なるつぼ、サヤ材などの上に設置して真空又は大気圧の
非酸化性雰囲気下、例えば、窒素ガス、ヘリウムガス、
アルゴンガス等の雰囲気下、あるいは2〜100気圧程
度の窒素ガス加圧下に高−で焼成する方法が挙げられる
。あるいは前記混合粉末を直接、20〜500に97a
2程度の機械的圧力を加えつつ真空又は大気圧の非醸化
性雰囲気下あるいは2〜100気圧程度の窒素ガス加圧
下、高温で焼成する方法が採用される。As a specific embodiment of the firing in the present invention, a mixed powder obtained by adding a sintering aid to the aluminum nitride powder and boron nitride powder is formed by a suitable molding method, such as a dry Luss method, a rubber press, an extrusion method, an injection method, By doctor blade sheet forming method etc. After molding it into the desired shape, it is placed on a suitable crucible, pod material, etc. and heated in a non-oxidizing atmosphere at vacuum or atmospheric pressure, such as nitrogen gas, helium gas, etc.
Examples include a method of firing in an atmosphere of argon gas or the like or under high pressure of nitrogen gas of about 2 to 100 atmospheres. Alternatively, directly add the mixed powder to 97a to 20 to 500
A method of firing at high temperature under a non-breathing atmosphere of vacuum or atmospheric pressure or under nitrogen gas pressure of about 2 to 100 atmospheres while applying a mechanical pressure of about 2 to 100 atmospheres is employed.
焼成温度としては真空又は大気圧の非酸化性雰囲気の場
合は、1700〜2100℃好ましくは1750〜20
50℃の温度が好適に採用され2〜100気圧の窒素ガ
ス加圧下では1700〜2400℃好ましくは1750
〜2300℃の温度が好適に採用される。尚、本発明に
於ける温度は、混合粉末を入れた黒鉛るつぼの表面を放
射温度計により測定し、黒鉛るつぼ内のガス温度を示す
ように補償した値である。The firing temperature is 1,700 to 2,100°C, preferably 1,750 to 20,000°C in a non-oxidizing atmosphere of vacuum or atmospheric pressure.
A temperature of 50°C is preferably adopted, and under a nitrogen gas pressure of 2 to 100 atm, the temperature is 1700 to 2400°C, preferably 1750°C.
Temperatures of ˜2300° C. are preferably employed. Note that the temperature in the present invention is a value that is compensated to indicate the gas temperature within the graphite crucible by measuring the surface of the graphite crucible containing the mixed powder with a radiation thermometer.
該焼成の除の焼成条件として最も重要なものは昇温速度
であり、特に1500〜1700℃の温度範囲の平均昇
温速度を10℃/m i n〜40’l:/1niHの
範囲とすることが極めて肝要である。The most important firing condition for the firing is the temperature increase rate, and in particular, the average temperature increase rate in the temperature range of 1500 to 1700 °C is set to 10 °C/min to 40'l:/1niH. This is extremely important.
1500〜1700℃の温度範囲の平均昇温速度が10
℃/winより小さい場合には窒化アルミ−ニウム粉末
のち密化は着るしく遅くなり高密度で且つ高熱伝導率の
焼結体が得られなくなる。The average heating rate in the temperature range of 1500-1700℃ is 10
If the temperature is less than .degree. C./win, the densification of the aluminum nitride powder becomes too slow and a sintered body with high density and high thermal conductivity cannot be obtained.
また、平均昇温速度が40℃/winより速いと焼結の
際の粒子が粒成長しつつ気孔が粒界を通って抜は出す速
度と粒成長による粒内への気孔封じ込みの速度との間の
バランスがとれず、ち密でかつ均一な焼結体とすること
が難しい。In addition, if the average temperature increase rate is faster than 40℃/win, the rate at which pores are extracted through grain boundaries while grains grow during sintering, and the rate at which pores are confined within the grains due to grain growth will increase. It is difficult to maintain a balance between the two, making it difficult to form a dense and uniform sintered body.
また急速昇温すると例え密度が上った場合でも焼結体に
そりなどが出ることが多く好ましくない。さらに焼結助
剤として添加した醗化物などが必要以上に焼結体中に残
存して焼結体の熱伝導率や透光性の妨げになることもあ
る。In addition, rapid temperature rise is undesirable because even if the density increases, the sintered body often warps. Further, a sintered material added as a sintering aid may remain in the sintered body more than necessary, impeding the thermal conductivity and translucency of the sintered body.
上記の平均昇温速度は、添加される焼結助剤の種類及び
量によって最適な範囲があるため、焼結助剤に応じて適
宜決定すれば良いが、得られる焼結体の密度及び熱伝導
性を勘案すると、一般的には10〜b
ましく、さらに15〜b
が最も好ましい。The above average temperature increase rate has an optimal range depending on the type and amount of the sintering aid added, so it can be determined appropriately depending on the sintering aid, but the density and temperature of the obtained sintered body Taking conductivity into consideration, it is generally 10-b, most preferably 15-b.
さらに1焼結助剤の種類と添加量が同じ場合には一般に
は常圧焼結又はガス加圧下焼結の場合の方がホットプレ
ス焼結の場合より高目の昇温速度の方が好適となる。Furthermore, if the type and amount of sintering aids are the same, generally a higher temperature increase rate is preferable for normal pressure sintering or gas pressure sintering than for hot press sintering. becomes.
昇温速度の決定に於いて肝要な事は昇温の過程で加えた
焼結助剤の過度の蒸発がなく、又焼結後にはできるだけ
焼結助剤成分が残存しないような昇温条件を選定する事
である。In determining the heating rate, it is important to set the heating conditions so that the sintering aid added during the heating process does not evaporate excessively, and that as little of the sintering aid component remains after sintering. It is a matter of selection.
前記昇温の方法としては1500〜1700℃の範囲で
単一の昇温速度を設定することが工業的には好ましいが
、その他にも2段あるいは3段の速度勾配をもつ昇温プ
ログ2ムを選ぶことも可能である。As for the heating method, it is industrially preferable to set a single heating rate in the range of 1,500 to 1,700°C. It is also possible to choose.
1500℃に達する迄の昇温速度、及び1700℃から
焼成温度に昇温する必要のある場合の昇温速度は、特に
制限されず、どのような昇温速度であっても良い。The temperature increase rate until reaching 1500° C. and the temperature increase rate when it is necessary to increase the temperature from 1700° C. to the firing temperature are not particularly limited, and any temperature increase rate may be used.
しかし、得られる焼結体の密度及び熱伝導性を勘案する
と1200〜1500℃の温度領域に於いても前記した
平均昇温速度が維持されていることが好ましい。また、
工業的には焼成温度までの全温度領域にわたって、単一
の平均昇温速度をとることが好ましい。However, in consideration of the density and thermal conductivity of the obtained sintered body, it is preferable that the average temperature increase rate described above is maintained even in the temperature range of 1200 to 1500°C. Also,
Industrially, it is preferable to have a single average heating rate over the entire temperature range up to the firing temperature.
このようKして昇温された後引き続き、好ましくは17
00〜2400℃の焼成温度で焼成される。焼成時間は
、焼成温度、焼結助剤の種類と最、及び平均昇温速度に
よって異なるが、通常は、10分〜10時間の範囲から
選択される。After being heated to K in this way, preferably 17
It is fired at a firing temperature of 00 to 2400°C. The firing time varies depending on the firing temperature, the type and temperature of the sintering aid, and the average heating rate, but is usually selected from a range of 10 minutes to 10 hours.
該窒化アルミニウム粉末及び窒化ホウ素粉末に特定の焼
結助剤を加えた系で、高密度で高品質の焼結体の得られ
る平均昇温速度条件が10℃〜40°C/m1n と
かなり高いことは、例えば代表的な醗化物セラミックス
であるアルミナの工業的な焼成的の昇温速度が2〜b
あることと比べても極だった違いであり、又驚くべき結
果である◇
以上に説明したように、特定の温度領域に於いて・特定
の平均昇温速度を選択することにより、優れた性状の複
合焼結体が得られる理由として、本発明者らは次のよう
に推測している。例えば、焼結助剤として、Oa (N
03\・4H20を用いた場合を例にとってこの現象
を説明すると次のとおりである。With a system in which a specific sintering aid is added to the aluminum nitride powder and boron nitride powder, the average heating rate conditions for obtaining a high-density, high-quality sintered body are quite high, at 10°C to 40°C/m1n. This is a remarkable difference compared to, for example, the temperature rise rate for industrial firing of alumina, a typical fused ceramic, which is 2-b, and is a surprising result.◇ As explained above. As described above, the present inventors speculate that the reason why a composite sintered body with excellent properties can be obtained by selecting a specific average heating rate in a specific temperature range is as follows. There is. For example, Oa (N
This phenomenon will be explained using the case where 03\4H20 is used as an example.
窒化アルミニウム粉末と窒化ホウ累粉末にoa(mow
)t・4fOを添加した混合粉末を窒素中で加熱して行
くと、まず100℃以下の低温でca(No3)z・4
H@ 0の嘲解がおこ1)、次いで1゜0〜130℃
の温度で脱水を生じて無水の0a(1103)z の固
体となる。さらに昇温して行(と約530℃で0a(N
03)2が融けて液体状態となる。そしてこの温度から
1000℃の温度範囲の間で溶融した0a(Ho3)z
は窒化アルミニウム粉末に不可避的に含まれている1〜
3vt%程度の酸素分く2.2〜6−4X程度のAt2
03分に相当)と反応して0aksム1−tos 、、
0aO−2A403などのカルシウムアルミネート
相を生成する。このカルシウムアルミネート相は150
0℃以上の温度で溶融を始めこれが1400〜1700
℃の温度の最も焼結が進行する過程で焼結助剤として有
効に作用すると考えられる。本発明者等の詳細な検討に
よるとこの溶融したカルシウムアルミネート相の150
0°C以上における蒸発速度が意外に速いため前記15
00℃以上の昇温過程における平均昇温速度が遅いと溶
融したカルシウムアルミネート相の過度の蒸発がおこり
、1400℃〜1700℃の温度範囲で助剤として十分
作用する量のカルシウムアルミネート相を保持できず目
的のち密な焼結体を得ることが困難になると考えられる
。1700℃以上の焼成保持温度においては溶融したカ
ルシウムアルミネート相はち密化助剤として作用しつつ
、かつその蒸気圧に従った蒸発を伴い最終的には焼結体
中に残存する助剤の量は初期添加量の10%以下となる
場合が多い。Aluminum nitride powder and boron nitride powder are coated with oa(mow).
) When a mixed powder containing t・4fO is heated in nitrogen, ca(No3)z・4 is first heated at a low temperature below 100°C.
H@0 ridicule occurred 1), then 1°0~130°C
At a temperature of , dehydration occurs to form an anhydrous Oa(1103)z solid. The temperature was further increased (and at about 530°C, 0a (N
03) 2 melts and becomes a liquid state. And 0a(Ho3)z melted in the temperature range from this temperature to 1000℃
is unavoidably contained in aluminum nitride powder.
About 3vt% oxygen divided by about 2.2 to 6-4X At2
(equivalent to 03 minutes) and reacts with 0aksm 1-tos,,
Produces a calcium aluminate phase such as 0aO-2A403. This calcium aluminate phase is 150
It starts to melt at a temperature of 0℃ or higher, which is 1400 to 1700℃.
It is thought that it acts effectively as a sintering aid during the process where sintering progresses most at a temperature of . According to detailed studies by the present inventors, 150% of this molten calcium aluminate phase
Because the evaporation rate at temperatures above 0°C is surprisingly fast,
If the average heating rate during the heating process above 00°C is slow, excessive evaporation of the molten calcium aluminate phase will occur, and in the temperature range of 1400°C to 1700°C, the amount of calcium aluminate phase sufficient to act as an auxiliary agent will be reduced. It is thought that this makes it difficult to obtain the desired dense sintered body. At a firing holding temperature of 1700°C or higher, the molten calcium aluminate phase acts as a densification aid, and evaporates according to its vapor pressure, ultimately reducing the amount of aid remaining in the sintered body. is often 10% or less of the initial addition amount.
本発明の方法により得られた複合焼結体は、高密度及び
高熱伝導性の焼結体である。即ち、2.5?/crIL
J以上の密度、50 W/mz以上の熱伝導軍を有する
焼結体が得られる。The composite sintered body obtained by the method of the present invention is a sintered body with high density and high thermal conductivity. That is, 2.5? /crIL
A sintered body having a density of J or higher and a thermal conductivity of 50 W/mz or higher can be obtained.
本発明の方法により得られた複合焼結体は、添付図面第
1図にその機械的な破断面を示すことで明らかなように
、機械的な破断面が多角状の結晶粒で充填され、その充
填された粒子の粒界面の一部又は全部に薄層状の結晶粒
が介在した状態で構成されている。As is clear from the mechanically fractured surface of the composite sintered body obtained by the method of the present invention shown in FIG. 1 of the accompanying drawings, the mechanically fractured surface is filled with polygonal crystal grains, It is composed of thin layered crystal grains interposed in part or all of the grain interface of the filled particles.
第1図における上記機械的な破断面が多角状で示される
結晶粒は窒化アルミニウムの焼結結晶粒である。該窒化
アルミニウム焼結粒は機械的な破断面が明瞭な輪郭によ
って互に区別される微細な結晶粒の緊密な充填状態によ
って形成されており、該微細な結晶粒の該破断面におけ
る該明瞭な輪郭は多角形状であり、該微細な結晶は該明
瞭な輪郭によって規定される該破断面における平均粒子
径をD(μWL)で定義するとぎ、0.3D〜1.8D
の範囲の粒子径を持つ結晶粒が少なくとも70Xを占め
るととKよって構成されている。該0.3D〜1.8D
の範囲に70%以上の粒子が存在する破断面を与える焼
結体すなわち破断面に比較的大ぎさの揃った多角形状の
粒子を持つ焼結体は従来知られていない。The crystal grains whose mechanically fractured surfaces are polygonal in FIG. 1 are sintered crystal grains of aluminum nitride. The aluminum nitride sintered grains are formed by a close packing of fine grains whose mechanical fracture surfaces are distinguished from each other by clear contours, The contour is polygonal, and the fine crystals have an average particle diameter of 0.3D to 1.8D, defined as D (μWL) at the fracture surface defined by the clear contour.
At least 70× of crystal grains having a particle size in the range of K are constituted by K. The 0.3D to 1.8D
A sintered body having a fractured surface in which 70% or more of particles are present in the range of , that is, a sintered body having polygonal particles of relatively uniform size on the fractured surface, has not been known so far.
また上記窒化アルミニウムの機械的な破断面におげろ外
観上の特徴は個々の粒子の破断面に現われた結晶面が比
較的円滑なフラット面を形成していることにもある。こ
のことは、前記結晶粒に不純物の混入あるいはガス相の
混入等が原因となって形成される異質の相(破断面に通
常円形状の小凹部として現われる)をほとんど有し【い
ないことを示している。Another characteristic of the appearance of the mechanically fractured surface of aluminum nitride is that the crystal planes appearing on the fractured surface of individual particles form relatively smooth flat surfaces. This indicates that the crystal grains have almost no foreign phase (which usually appears as small circular depressions on the fracture surface) that are formed due to the incorporation of impurities or gas phase. ing.
また第1図から、li*窒化アルミニウムよりなる多角
状の結晶粒が充填された粒子の粒界面の一部又は全部に
薄層状の結晶粒が介在した状態で存在することが明らか
である。この薄層状の結晶粒が窒化ホウ素よりなる焼結
結晶粒である。Furthermore, from FIG. 1, it is clear that thin-layered crystal grains exist in part or all of the grain interface of the particles filled with polygonal crystal grains made of li*aluminum nitride. These thin layered crystal grains are sintered crystal grains made of boron nitride.
第1図で明確なように焼結体の機械的な破断面において
、窒化アルミニウムの粒子の粒界面に存在する窒化ホウ
素よりなる薄層状の結晶粒が得られる複合焼結体にマシ
ーナブルセラミックの性状を与える重要な要因になって
いるものと推定している。即ち、該窒化アルミニウムの
粒子の粒界面に存在する窒化ホウ素よりなる薄層状の結
晶粒が切削加工時において外部から加わる力を吸収して
窒化アルミニウム焼結体の破壊を防ぎ、普通工具による
高速切削加工を可能にしているものと考えられる。As clearly shown in Figure 1, on the mechanically fractured surface of the sintered body, thin layered crystal grains made of boron nitride existing at the grain interface of the aluminum nitride particles are obtained. It is estimated that this is an important factor that gives the properties. That is, the thin layered crystal grains made of boron nitride present at the grain interface of the aluminum nitride particles absorb the force applied from the outside during cutting, preventing the aluminum nitride sintered body from breaking, and making it possible to cut at high speed with ordinary tools. It is thought that this makes processing possible.
以上に説明したように、本発明の製造方法により得られ
た複合焼結体は、高密度で、高熱伝導性を示゛シ、また
普通工具による切削加工が可能であるという特徴も有し
ている。このような優れた性質を有する複合焼結体の製
造方法を提供する本発明は、工業的に有利な常圧焼結法
あるいはガス圧焼結法などによる高密度、高熱伝導率を
有する焼結体の製造K特に有利に適用されるのでその工
業的価値は極めて大きい。以下実施例によって本発明を
具体的に例示するが本発明はこれらの実施例に限定され
るものではな(ゝO
実施例1゜
平均粒子径が1.31μmで3μm以下が90容量%を
占め、且つ表1に示す組成の窒化アルミニウム粉末80
重量部と平均粒子径2.5μ乳、粒径5μm以下の粒子
の割合が95容シ%で且つ純度が99.5%の大方品窒
化ホウ素粉末20重量部および硝酸バリウム3N量部と
をナイロン製ポ、トとナイロン・コーティングしたボー
ルを用いエタノールを分散媒体として均一にボールミル
混合した。得られた混合粉末を乾燥した後、約122を
2000KP/二1の圧力でラバープレスし外径的40
rILrrL 厚さ約6.3mmの円板状成形体とした
。この成形体を窒化ホウ素粉末を内壁にコーティングし
た黒鉛製るつぼに入れ1気圧の窒素ガス加圧下、120
0℃まで40分で昇温し、次いで1200℃から190
0 ’Cまで20℃/winの昇温速度で昇温しで19
00℃で3時間焼成した。As explained above, the composite sintered body obtained by the manufacturing method of the present invention has high density and high thermal conductivity, and also has the characteristics that it can be cut with ordinary tools. There is. The present invention provides a method for manufacturing a composite sintered body having such excellent properties. Since it is particularly advantageously applied to the production of bodies, its industrial value is extremely large. The present invention will be specifically illustrated by examples below, but the present invention is not limited to these examples. , and aluminum nitride powder 80 having the composition shown in Table 1.
20 parts by weight of boron nitride powder with an average particle diameter of 2.5 μm, a ratio of particles with a particle size of 5 μm or less at 95% by volume, and a purity of 99.5%, and 3N parts of barium nitrate are added to nylon. The mixture was uniformly ball-milled using a nylon-coated ball and ethanol as a dispersion medium. After drying the obtained mixed powder, about 122 was rubber pressed at a pressure of 2000 KP/21 to give an outer diameter of 40
rILrrL A disc-shaped molded product with a thickness of about 6.3 mm was prepared. This compact was placed in a graphite crucible whose inner wall was coated with boron nitride powder, and heated under nitrogen gas pressure of 1 atm for 120 min.
The temperature was raised to 0°C in 40 minutes, then from 1200°C to 190°C.
19 by increasing the temperature to 0'C at a rate of 20℃/win.
It was baked at 00°C for 3 hours.
得られた焼結体は均一な白色のものであり超硬工具で容
易に研削、穴あけが可能なマシーナブルセラミックであ
り、密度は2.92t/α3であった。この焼結体の熱
伝導率を測定したところ77W/mKであった。またこ
の焼結体から約3mm角の試験片を切り出し、1500
番のサント/< −バーで仕上げた後クロスヘッドスピ
ード0、5 mm/ win 、スパン20瓢の条件で
曲げ強度を測定したところ、平均測定値は34 Ky
7mm”であった。また比較のために1前記と同じラバ
ープレス成形体を12QO’Cがら19 Q Q ”C
までの昇温速度を5℃/min とした以外は全く同じ
条件で焼結したところ得られた焼結体の密度は2.44
t /cti”であり、曲げ強度の平均値は7に?
/ mm ” テアツタ。The obtained sintered body had a uniform white color, was a machinable ceramic that could be easily ground and drilled with a carbide tool, and had a density of 2.92 t/α3. The thermal conductivity of this sintered body was measured and found to be 77 W/mK. In addition, a test piece of about 3 mm square was cut out from this sintered body and
The bending strength was measured under the conditions of a crosshead speed of 0.5 mm/win and a span of 20 mm after finishing with a sand/<- bar of the number 1. The average measured value was 34 Ky.
7mm".For comparison, the same rubber press molded product as above was made from 12QO'C to 19QQ"C.
The density of the sintered body obtained was 2.44 when sintered under the same conditions except that the heating rate was 5°C/min.
t/cti", and the average value of bending strength is 7?
/ mm” Tea Tsuta.
表 1 窒化アルミニウム粉末分析値
ムLM含有量 97.8 X
元 叱 含有量
Mg < 5 (PPM)Or
21 (#)
Sl 125 (l )
Zn 9(y)
IPe 20(1)
Cu 〈 5 (l )
lJn 5(1)
Nl 27(#)
TI <5(l )Co
〈 5 (l )
A/−64,8(vt%)
N 3乙4(l )
0 1.1’(I)
Cα11(z)
実施例2
実施例1で用いたものと同じ窒化アルミニウム粉末およ
び窒化ホウ素粉末を用い種々の条件で焼結した結果を表
2に示す。なお表2の中の隘4は比較例である。Table 1 Aluminum nitride powder analysis value Mg content 97.8
21 (#) Sl 125 (l) Zn 9(y) IPe 20(1) Cu < 5 (l) lJn 5(1) Nl 27(#) TI < 5(l) Co
< 5 (l) A/-64,8 (vt%) N 3 Otsu 4 (l) 0 1.1' (I) Cα11 (z) Example 2 The same aluminum nitride powder as used in Example 1 and Table 2 shows the results of sintering using boron nitride powder under various conditions. Note that column 4 in Table 2 is a comparative example.
実施例五
実施例1で用いた窒化アルミニウム粉末、窒化ホウ素粉
末及び焼結助剤を、実施例1と同様に混合、成形した後
、9.8気圧の窒素ガス加圧下、1200℃まで40分
で昇温し、次いで1200℃から2200℃まで20℃
/ III i nの昇温速度で昇温しで、2200’
Cで5時間焼成したO
得られた白色の焼結体の密度は、2.99t/工3であ
り、熱伝導率は95W/izであった。また実施例1と
同様にしてこの焼結体から柱状試験片を切り出し3A曲
げ強度を測定した結果、平均値46Ky/rum”を得
た。さらに本実施例で得られた焼結体の加工性を調べた
ところ、超硬ドリルによる穿孔、超硬バイトによる開運
切削のいずれも容易に行え快削性であることが判った。Example 5 The aluminum nitride powder, boron nitride powder, and sintering aid used in Example 1 were mixed and molded in the same manner as in Example 1, and then heated to 1200°C for 40 minutes under nitrogen gas pressure of 9.8 atmospheres. The temperature was then increased by 20℃ from 1200℃ to 2200℃.
/ III i n heating rate to 2200'
The density of the obtained white sintered body was 2.99 t/3, and the thermal conductivity was 95 W/iz. Further, in the same manner as in Example 1, a columnar test piece was cut out from this sintered body and its 3A bending strength was measured, and an average value of 46 Ky/rum was obtained.Furthermore, the workability of the sintered body obtained in this example was Upon investigation, it was found that drilling with a carbide drill and cutting with a carbide cutting tool were both easy and free-cutting.
尚、得られた焼結体の機械的破断面の走査型寛子顕微鐘
写真を図1に示した。A scanning Hiroko microscope photograph of the mechanically fractured surface of the obtained sintered body is shown in FIG.
図1は、実施例3で得られた複合焼結体の機械的な破断
面の焼結体粒子構造を示す走査波電子顕微鏡写真である
。FIG. 1 is a scanning wave electron micrograph showing the sintered body particle structure of the mechanically fractured surface of the composite sintered body obtained in Example 3.
Claims (1)
含む混合粉末を焼成して複合焼結体を得るに際し、少く
とも1500〜1700℃の温度領域に於ける平均昇温
速度を10〜40℃/minとすることを特徴とする複
合焼結体の製造方法。When firing a mixed powder containing aluminum nitride powder, boron nitride powder, and sintering aid to obtain a composite sintered body, the average temperature increase rate in the temperature range of at least 1500 to 1700 °C is set to 10 to 40 °C / A method for manufacturing a composite sintered body, characterized in that: min.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP59182679A JPS6163572A (en) | 1984-09-03 | 1984-09-03 | Manufacture of composite sintered body |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP59182679A JPS6163572A (en) | 1984-09-03 | 1984-09-03 | Manufacture of composite sintered body |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS6163572A true JPS6163572A (en) | 1986-04-01 |
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ID=16122536
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP59182679A Pending JPS6163572A (en) | 1984-09-03 | 1984-09-03 | Manufacture of composite sintered body |
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Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS6163572A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS62128971A (en) * | 1985-11-28 | 1987-06-11 | 京セラ株式会社 | Aluminum nitride base sintered body and manufacture |
-
1984
- 1984-09-03 JP JP59182679A patent/JPS6163572A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS62128971A (en) * | 1985-11-28 | 1987-06-11 | 京セラ株式会社 | Aluminum nitride base sintered body and manufacture |
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