JPS646141B2

JPS646141B2 -

Info

Publication number: JPS646141B2
Application number: JP56152140A
Authority: JP
Inventors: Katsutoshi Yoneya; Akihiko Tsuge; Hiroshi Inoe
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1981-09-28
Filing date: 1981-09-28
Publication date: 1989-02-02
Also published as: JPS5855376A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は窒化アルミニウム焼結体の製造方法に
係り、更に詳しくは、窒化アルミニウム自身が本
質的に有している高熱伝導性等の優れた諸特性を
略そのまま維持・発揮していると共に、高緻密質
である窒化アルミニウム焼結体の製造方法に関す
る。窒化アルミニウム（AlN）焼結体は、耐熱性、
耐食性及び耐熱衝撃性などの高温材料としての必
須の特徴を有していると共に、高熱伝導性を有す
る材料として注目を集めている。ところで、これらの諸特性をAlN焼結体に発
揮させるには、AlN焼結体が緻密質であること
が必要とされる。この為、従来から緻密なAlN
焼結体を製造する技術の確立に精力が注がれてい
る。かかるAlN焼結体は、通常、AlN粉末を加圧
成形、常圧焼結して得られるのであるが、AlN
粉末を単独で用いると、焼結性が良くない為、緻
密な焼結体が得られず、焼結密度は、AlNの真
密度に対して、高々80％前後と極めて低いもので
あつた。この為、ホツト・プレスを用いた加圧焼結の方
法を活用することも試みられたが、良好な結果は
得られていない。また、AlN粉末に酸化イツト
リウム（Y₂O₃）や酸化ランタン（La₂O₃）等の
希土類元素の酸化物を焼結助剤として添加して焼
結する方法も試みられており、可成良質の焼結体
が得られている。しかしながら、希土類元素の酸化物は高価な為
に、コストの面で難点がある上、AlN−Y₂O₃系
焼結体は、AlN単独の焼結体と比べて、熱伝導
度が低下する傾向にあり、AlN本来の高熱伝導
性を維持・発揮することができないという難点が
あつた。特開昭50−23411号公報、もしくは窯業協会誌
第89巻、330〜336頁（1981）には、AlN粉末に
カルシウム、バリウムもしくはストロンチウムの
酸化物、もしくは炭酸塩の粉末を添加して焼結す
るAlN焼結体の製造方法が開示されている。か
かる添加物を用いたAlN焼結体は、AlNの真空
度に対して95〜98％、或いは99％を超える焼結密
度を有する高級密質のものとなる。ところが、か
かる高緻密化を達成する為には、通常の非酸化性
雰囲気下においては、焼結温度を1800℃以上とす
る必要がある。従つて、焼結炉の消耗耗度が高
く、或いは製品コストが高くなるといつた経済面
での難点があつた。本発明の目的は、従来の窒化アルミニウム焼結
体の製造方法が有していた上述の不都合を解消し
て、窒化アルミニウム自身が本質的に有している
高熱伝導性等の優れた諸特性をそのまま維持・発
揮していると共に高緻密質である窒亜アルミニウ
ム焼結体を、比較的に低い焼結温度で製造する方
法を提供することにある。即ち、本発明の窒化アルミニウム焼結体の製造
方法は、窒化アルミニウム粉末に、カルシウム、
バリウム及びストロンチウムから選ばれた少なく
とも１種のチタン酸塩粉末、又は、焼成によつて
チタン酸塩となるうる、カルシウム、バリウムも
しくはストロンチウムの酸化物と、チタンの酸化
物からなる粉末を、チタン酸塩の量として、0.1
〜15重量％添加して混合した後、この混合粉末を
成形、次いで焼結することを特徴とするものであ
る。本発明の最も特徴とする部分は、窒化アルミニ
ウム（AlN）粉末を成形、焼結するに際して、
予め該AlN粉末に、カルシウム、バリウム及び
ストロンチウムから選ばれた少なくとも１種のチ
タン酸塩を添加することにある。本発明に用いる、前記チタン酸塩は、通常は、
メタチタン酸カルシウム（CaTiO₃）、メタチタ
ン酸バリウム（BaTiO₃）もしくはメタチタン酸
ストロンチウム（StTiO₃）であるが、例えば、
オルチタン酸カルシウム（Ca₂TiO₄）、オルトチ
タン酸バリウム（Ba₂TiO₄）、オルトチタン酸ス
トロンチウム（Sr₂TiO₄）等の前記メタチタン酸
塩以外のCaO、BaOもしくはSrOとTiO₂の２成
分系複合酸化物であつても良い。或いは、焼成に
よつて、これらのチタン酸塩を生成る。カルシウ
ム、バリウムもしくはストロンチウムの酸化物、
炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩等と、TiO₂との２成分
系混合粉末を用いても良い。これらのチタン酸塩
もしくは混合粉末は、１種でも２種以上の混合系
としても用いることができ、AlN粉末への添加
量が微量であつても有効に働く。例えば、前記混
合粉末の全組成重量を100重量％として、
CaTiO₃、BaTiO₃もしくはSrTiO₃に換算して、
0.1重量％程度でも有効に作用して、AlN焼結体
の良熱伝導性等の優れた諸特性を損なうことな
く、高緻密化することができる。また、添加量が
余り多くなると、AlN焼結体の優れた性質が失
なわれる。例えば、前記CaTiO₃、BaTiO₃もし
くはSrTiO₃に換算して、15重量％を超えて添加
すると、結晶粒の成長が顕著になり、焼結体の強
度が次第に低下すると共に熱伝導性も低下する。
従がつて、前記カルシウム、バリウム及びストロ
ンチウムから選ばれた少なくとも１種のチタン酸
塩の添加量は0.1〜15重量％、更には、0.2〜10重
量％添加することが好ましい。前記混合粉末には、更に、パラフイン、ステア
リン酸、PVA等の結合剤を成形助剤として添加
しても良い。本発明に用いる、前記窒化アルミニウム粉末
は、焼結性を良くする為に、粒径が5μｍ以下、
更には2μｍ以下のものであることが好ましい。かくして得られる混合粉末を、常温圧縮などし
て成形した後、得られた成形体を焼結する。焼結
は、酸化防止の為に、窒素ガス（N₂）、アルゴン
ガス（Ar）、水素ガス（H₂）、もしくはこれらの
混合ガス、又は、N₂＋一酸化炭素（CO）混合ガ
ス等の非酸化性ガス雰囲気、或いは真空中で行な
うのが好ましく、焼結温度は1500〜1900℃、更に
は、1550〜1800℃であることが好ましい。1500℃
未満であると、高緻密質の焼結体が得られない。
1900℃を超えると、AlNの分解が始まる為であ
る。また、添加物として、焼成によつてチタン酸
塩を生成する前記混合粉末、もしくは前記結合剤
を用いる場合には、前記成形体を仮焼する工程を
設けると良い。また、以上の説明においては、前記混合粉末を
常温圧縮により成形し、次いで常圧焼結している
のであるが、本発明方法においては、前記混合粉
末をホツト・プレス等を用い加圧焼結しても良
く、或いは、得られた焼結体を、熱間静水圧加圧
（HIP）処理などして、更に高緻密化しても良い。本発明の窒化アルミニウム焼結体の製造方法に
よれば、窒化アルミニウム粉末に、カルシウム、
バリウム及びストロンチウムから選ばれた少なく
とも１種のチタン酸塩を添加して得られた混合粉
末を、成形、焼結することにより、AlNの真密
度に近い焼結温度を有する高緻密質の焼結体を得
ることができる。しかも、AlN粉末にアルカリ
土類元素の酸化物等を添加する、従来の方法、か
かる高緻密質の焼結体を得る為に、焼結温度を
1600℃以上とする必要があつたのと比べて、本発
明方法によれば、1500℃以上の焼結温度でも、
AlNの真密度に対して、99％を超える焼結密度
を得ることができる。しかも、AlN自身が本質
的に有している、高熱伝導性及び耐熱性、耐食
性、耐熱衝撃性などの優れた諸特性を良好に維
持・発揮する焼結体が得られる。実施例１平均粒径0.9μｍのAlN粉末95重量部と、平均粒
径1.6μｍのCaTiO₃粉末５重量部とを配合して混
合し、更にバインダーとしてパラフイン５重量部
を添加混合した。得られた混合粉末を1ton／cm²の
成形圧で成形して40mm×40mm×10mmの板状成形体
を得た。この成形体をN₂気流中で400℃まで予め
加熱した後、この試料をAlNルツボ内に入れ、
試料の周囲にAlN粉末を、つめ粉として充填し
た後、N₂雰囲気中、1700℃で60分間焼結せしめ
た。この結果、AlNの真密度に対して97％の相
対密度を有する、高緻密質で且つ高熱伝導性を有
する焼結体を得た。比較例１ CaTiO₃粉末を配合しない以外は、実施例１と
同一粉径、同一組成の混合粉末を用いて、同一の
方法により焼結体を得た。得られた相対密度75％
の多孔質体であつた。実施例２〜９、参考例１実施例２〜９及び参考例１として、第１表の組
成を有する各混合粉末を得、この混合粉末を、実
施例１と同一条件で成形して同一形状の成形体を
得た。次いでこの成形体をN₂雰囲気中、400℃ま
で予め加熱した後、AlNルツボ内に入れ、周囲
にAlN粉末をつめ粉として充填し、N₂雰囲気中、
1700℃で30時間焼結した。得られた焼結体を相対
密度、及び抗折強度を測定した。結果を第１表に
示した。

【表】第１表から明らかな様に、本発明方法により得
られた窒化アルミニウム焼結体は、高緻密質で、
機械的強度の高いものである。実施例10〜15、比較例２実施例10〜15、比較例２として、第２表の組成
を有する各混合粉末を得、この混合粉末を、実施
例１と同一条件で成形して同一形状の成形体を得
た。次いでこの成形体をN₂雰囲気中、400℃まで
予め加熱した後、AlNルツボ内に入れ、周囲に
AlN粉末をつめ粉として充填し、N₂雰囲気中、
第２表に示した焼結温度で３時間焼結した。得ら
れた焼結体の相対密度、及び抗折強度を測定し
た。

【表】第２表から明らかなように、本発明方法によれ
ば、1550℃という極めて低い焼結温度においても
相対密度90％以上の高密度を有し、機械的強度の
大である窒化アルミニウム焼結体が得られる。実施例 16 平均粒径1.5μｍのAlN粉末95重量部と、平均粒
径0.3μｍのBaCO₃粉末２重量部及び平均粒径0.8μ
ｍのTiO₂粉末３重量部とを配合して混合し、更
にバインダーとしてパラフイン５重量部を添加、
混合した。かくして得られた混合粉末を、実施例
１と同一条件により成形、焼結した。得られた焼
結体の相対密度は、96.9％であつた。実施例 17 平均粒径1.5μｍのAlN粉末95重量部と、平均粒
径1.2μｍのSrTiO₃粉末５重量部とを配合して混
合し、更にバインダーとしてパラフイン５重量部
を添加、混合した。かくして得られた混合粉末
を、実施例１と同一条件により成形、焼結した。
得られた焼結体の相対密度は、97.5％であつた。実施例 18 平均粒径1.2μｍのAlN粉末95重量部と、平均粒
径1.4μｍのBaTiO₃粉末１重量部とを配合して混
合し、更にバインダーとしてパラフイン５重量部
を添加、混合した。かくして得られた混合粉末
を、実施例１と同一条件により成形し20mmφ×10
mmの円板状成形体を得、次いでこの成形体を実施
例１と同一条件により焼結したところ、高緻密質
で良熱伝導性の焼結体が得られた。

Claims

【特許請求の範囲】

１窒化アルミニウム粉末に、カルシウム、バリ
ウム及びストロンチウムから選ばれた少なくとも
１種のチタン酸塩粉末、又は、焼成によつてチタ
ン酸塩となりうる、カルシウム、バリウムもしく
はストロンチウムの酸化物と、チタンの酸化物か
らなる粉末を、チタン酸塩の量として、0.1〜15
重量％添加して混合した後、この混合粉末を成
形、次いで焼結することを特徴とする窒化アルミ
ニウム焼結体の製造方法。