WO1999046824A1 - Method of producing thermoelectric semiconductor material - Google Patents

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WO1999046824A1
WO1999046824A1 PCT/JP1999/001247 JP9901247W WO9946824A1 WO 1999046824 A1 WO1999046824 A1 WO 1999046824A1 JP 9901247 W JP9901247 W JP 9901247W WO 9946824 A1 WO9946824 A1 WO 9946824A1
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WO
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ingot
forging
solid solution
hot
powder
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Application number
PCT/JP1999/001247
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Japanese (ja)
Inventor
Katsushi Fukuda
Yasunori Sato
Takeshi Kajihara
Original Assignee
Komatsu Ltd.
Komatsu Electronics Inc.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/01Manufacture or treatment

Definitions

  • thermoelectric performance is inferior to that of the crystalline material because the crystal orientation is random or has a crystalline orientation but has a gradual distribution.
  • thermoelectric semiconductor material having sufficient strength and performance. That is, in general the crystalline material used as the electronic cooling element, tellurium mold bismuth (B i 2 T e 3) , antimony telluride (S b 2 T e 3) and selenide bis mass (B i 2 S e 3)
  • these crystals have remarkable cleavage properties, and after slicing and dicing processes to obtain thermoelectric elements from ingots, the yield is extremely low due to cracking and chipping. There was a problem.
  • FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the heat radiation surface temperature and the maximum temperature difference of a thermoelectric module formed using the thermoelectric element material formed by the method of the present invention.
  • FIG. 14 is a diagram showing the relationship between the heat radiating surface temperature and the maximum temperature difference of the thermoelectric module formed by using the thermoelectric element material formed by the method of the present invention.
  • FIG. 18 is a diagram showing time variations of pressure and ingot height in the method of the embodiment of the present invention.
  • wavy grains are crystal grains resulting from the grains of the powder when forming the powder sintered material.
  • This device is made of carbide and is configured to be heated to about 450 ° C. by a heating device (not shown). According to this device, the ingot 4 is pressurized only from the upper and lower directions, and is free in the other directions, and is forged so that the c-axis directions are aligned.
  • Figure 6 shows the results of measuring the relationship between forging time and ingot thickness. Pressing for 12 hours increased the thickness of the ingot to about 1/2, about 8 mm, and the bottom area was about twice as large as 48.5 mm square.
  • Figure 7 shows the distribution of the density ratio of the ingot to the single crystal in the quarter part. Since the thermoelectric performance decreases as the density decreases and the strength also decreases, the usable part is the part with a density ratio of 97% or more.
  • Table 1 shows the thermal performance of this hot forged ingot and the central part of the ingot before forging.
  • carriers are reduced due to crystal defects due to hot forging, and the specific resistance and Seebeck constant are increased. Both were sealed in a glass ampule and heat-treated at 400 ° C for 48 hours to eliminate lattice defects for forging, and the carrier concentration became the same as the starting ingot. This can be understood from the fact that the Seebeck constant is the same.
  • the usable part is the part with a density ratio of 97% or more, so almost all of the usable part can be used.
  • thermoelectric performance of the forged ingot after forging is improved as compared with the sintered ingot before forging.
  • the figure of merit is 2.45 or more
  • the thermoelectric performance is evaluated as "good.”
  • the ingot after forging shows a figure of merit of 2.45 or more, indicating that the thermoelectric performance is “good”.
  • Table 38 compares the physical properties at the center and end of the sintered ingot (hot-pressed product) before forging and the forged ingot (hot forged product) heat-treated after hot forging. Shown in comparison. Table 38
  • the size of the sintered ingot was cut into a height of 30 mm, a width of 40 mm, and a length of 18 mm, and it was installed in the same upsetting apparatus as used in Example 2, and this was forged by hot upsetting forging.
  • thermoelectric module formed as described above is examined.
  • the hot press temperature range and the plastic working temperature range be the same.
  • Table 7 below shows a comparison result between the second embodiment and the fourth embodiment.
  • hot press 1 refers to the case where only the hot press is performed in the second embodiment, and the hot forging (hot forging) process is omitted
  • hot forge 1 refers to the second embodiment. Shows the case where the hot forge process was performed.
  • the hot press 2 is a case where only the hot press is performed in the fourth embodiment, and the hot forging (hot forging) process is omitted. In this example, the case of performing the hot forging process is shown.
  • the density ratio of sintered ingot before hot forging was 97% or more. It was concluded that setting a value is desirable for improving thermoelectric performance. It was concluded that the density ratio of the forged ingot finally obtained by hot forging should be 97% or more. Then, it was concluded that it is desirable to finally increase the density ratio of the sintered ingot before forging by hot forging a sintered ingot having a density ratio of 13: a 97% or more.
  • the sintered ingot before forging shown in Table 35 has a low density ratio (89.4%), the power factor value indicating thermoelectric performance is less than 3.2, and the thermoelectric performance is not good.
  • the forged ingot after forging shown in Table 36 has a density ratio of 97% or more in all parts of the ingot by hot upsetting forging. As a result, the value of the power factor indicating the thermoelectric performance was 3.2 or more, indicating that the thermoelectric performance was improved.
  • the forged ingot after the final forging was subjected to a heat treatment at 400 ° C. for 24 hours in an atmosphere substituted with argon.
  • Table 9 shows the average value of the thermoelectric performance and the resistance anisotropy of the part where the density ratio is 97% or more in the forged ingot.
  • forged ingots that have been hot upset forged are more than 99% regardless of the production conditions (sintering temperature conditions) of the sintered ingot, which is the starting material for the forging process. It can be seen that the material strength and thermoelectric performance are improved. Furthermore, the sintering ingot of the starting material, which has a density ratio of about 98% after hot pressing (when the sintering temperature is 400 ° C or 450 ° C), is subjected to hot upsetting forging. (When the sintering temperature is 400 ° C, it is improved from 98.4% to 99.6%. When the sintering temperature is 450 ° C, it is 98.5% to 99.9%.) To improve).
  • hot upsetting forging is performed regardless of the conditions (sintering temperature conditions) of the sintered ingot, which is the starting material of the forging process. , Improvement, and improvement.
  • condition 1 is data when the hot forging step is performed under the same conditions as in the second embodiment.
  • the changes in load pressure and ingot height during the forging process are as shown in FIG.
  • initial load pressure is in the range of 70 kg / cm 2 or more 350 kg / cm 2 or less, because the load pressure not exceeding forged in 500 kg / cm 2 is desired, sintering Ingo' bets are buckling This is the case for dimensions that are likely to occur. For example, in a sintered ingot having a height of 30 mm, a width of 40 mm, and a length of 18 mm in the extending direction assumed in the above-described embodiment, such a range of the initial load pressure and the load pressure is desirable.
  • the initial load pressure be in the range of 100 Okg / cm 2 or less to the load pressure both during forging, A forged ingot having high thermoelectric performance can be obtained without buckling.
  • this embodiment will be described.
  • the sintered ingot was compressed, and the dimensions of the forged ingot after forging were 1 Omm in height, 15 mm in width, and 8 Omm in length in the spreading direction.
  • the sintered ingot was compressed, and the dimensions of the forged ingot after forging were 20 mm in height, 80 mm in width, and 160 mm in length in the spreading direction.
  • Table 40 shows the physical properties at the center of the sintered ingot before hot forging (hot pressed product) and the hot forged ingot after hot forging (hot forged product). table ⁇ .
  • Table 41 compares the physical properties of the sintered ingot (hot pressed product) before forging and the forged ingot (hot forged product) heat treated after hot forging at the center and at the end. table As shown in Table 41, it can be seen that the figure of merit indicating the thermoelectric performance of the forged ingot after forging has been improved as compared to the sintered ingot before forging.
  • Table 28 shows the ingot deformation rate when hot forging was performed under the conditions 8 to 12 with the temperature and initial load pressure changed.
  • condition 8 is a time when the hot forging process is performed under the same conditions as the third embodiment.
  • Table 29 below shows the physical property values of the sintered ingot as the starting material for forging for each of the conditions 8 to 12.
  • Figure 26 shows the change in load pressure during the forging process (dashed line) and the change in ingot height (solid line) under condition 9
  • Figure 27 shows the load pressure during the forging process under condition 10.
  • Figure 28 shows the change in load pressure (dashed line) and the change in ingot height (solid line) during the forging process under condition 11 (1).
  • Fig. 29 shows the change in load pressure (broken line) and the change in ingot height (solid line) during the forging process under condition 12.
  • Tables 30 to 34 below show the physical property values of the forged ingot after forging under the above conditions 8 to 12. Table 30
  • thermoelectric semiconductor material having other rhombohedral there.
  • the description has been made mainly on the assumption that the powder sintered body obtained by hot pressing (pressure sintering) is hot upset forged.
  • the present invention is not limited to this. It is not done.
  • thermoelectric semiconductor material is obtained by hot forging
  • the hot forging method described in the present embodiment can be applied to any material.
  • the materials to which the hot forging of the present invention is applied include magnetic materials, dielectric materials, and superconductor materials having a hexagonal structure, a layered structure, or a tungsten bronze structure, such as a bismuth layered structure ferroelectric and bismuth. High-temperature superconductors having a layered structure are exemplified.
  • thermoelectric semiconductor material having a high orientation and a high production yield.

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Abstract

A powder sintered material of a thermoelectric semiconductor having rhombohedral structure (hexagonal structure) is subjected to hot forging and is plastically deformed so that crystal grains in powder sinter structure are oriented in the direction of a crystal orientation having excellent figure of merit, to produce a thermoelectric semiconductor material which has a satisfactory strength and performance and also can be used for producing a product in a high yield.

Description

明 細 書 熱電半導体材料の製造方法  Description Manufacturing method for thermoelectric semiconductor materials
技術分野 Technical field
この発明は、 熱電半導体材料の製造方法に関する。 背景技術  The present invention relates to a method for producing a thermoelectric semiconductor material. Background art
ペルチヱ効果、 あるいはエッチングスハウゼン効果を利用した電子冷却素子、 あるいはゼーベック効果を利用した熱電発電素子は、 構造が簡単で、 かつ取扱い が容易で安定な特性を維持できること ら、 広範囲にわたる利用が注目されてい る。 特に電子冷却素子としては、 局所冷却および室温付近の精密な温度制御が可 能であることから、 オプトエレクトロニクス、 半導体レーザなどの恒温化などに 向けて広く研究が進められている。  Electro-cooling elements using the Peltier effect or the Etching-Shausen effect, or thermoelectric generation elements using the Seebeck effect have attracted attention in a wide range of applications because they have a simple structure, are easy to handle, and can maintain stable characteristics. ing. Especially for thermoelectric coolers, since local cooling and precise temperature control near room temperature are possible, research is being widely conducted toward constant temperature control of optoelectronics and semiconductor lasers.
この電子冷却および熱電発電に用いる熱電モジュールは、 図 1 2に示すように p型半導体 5と n型半導体 6とを金属電極 7を介して接合して p n素子対を形成 し、 この p n素子対を複数個直列に配列し、 接合部を流れる電流の方向によって 一方の端部が発熱せしめられると共に他方の端部が冷却せしめられるように構成 されている。 この熱電素子の材料には、 その利用温度域で、 物質固有の定数であ るゼ—ベック係数ひと比抵抗 pと熱伝導率 Kによって表わされる性能指数 Z (二 a 2/ p ) が大きな材料が用いられる。 熱電半導体材料の多くはその結晶構造に 起因した熱電性能の異方性をもつ、 す わち性能指数 Ζが結晶方位により異なる。 そのため、 単結晶材料では熱電性能の大きな結晶方位に通電し使用する。 一般に 異方性結晶は劈開性をもち材料強度が脆弱であるため、 実用材としては単結晶は 使用せず、 プリッジマン法などで一方向凝固させ熱電性能の大きな結晶方位に配 向させた多結晶が使用される。 しかしながら、 多結晶材料も単結晶程ではないが 材料強度が脆弱であり、 素子加工時に素子の割れやかけが生じ易いという問題が ある。 これら結晶材料に対し、 粉末焼結材料は劈開性がなく材料強度が飛躍的に 向上するが、 結晶方位の配向がランダムあるいは結晶配向性をもつものの緩やか な分布をもっために、 熱電性能が結晶材料に比べ劣ってしまうという問題があつ た。 このように十分な強度と性能をもち合わせた熱電半導体材料は従来存在しな かった。 すなわち、 電子冷却素子として一般に用いられる結晶材は、 テルル化ビ スマス (B i 2 T e 3) 、 テルル化アンチモン (S b 2 T e 3 ) およびセレン化ビス マス (B i 2 S e 3) の混晶系であるが、 これら結晶は著しい劈開性を有しており、 インゴッ トから熱電素子を得るためのスライシング、 ダイシング工程等を経ると、 割れや欠けの為に歩留りが極めて低くなるという問題があった。 In the thermoelectric module used for this electronic cooling and thermoelectric power generation, as shown in FIG. 12, a p-type semiconductor 5 and an n-type semiconductor 6 are joined via a metal electrode 7 to form a pn element pair. Are arranged in series, and one end is heated while the other end is cooled depending on the direction of the current flowing through the junction. The material of this thermoelectric element has a large figure of merit Z (two a 2 / p) expressed by the Seebeck coefficient, the specific resistance p, and the thermal conductivity K, which are constants specific to the substance, in the operating temperature range. Is used. Many thermoelectric semiconductor materials have anisotropy in thermoelectric performance due to their crystal structure. In other words, the figure of merit Ζ differs depending on the crystal orientation. For this reason, single-crystal materials are used by energizing in the crystal orientation with high thermoelectric performance. In general, since anisotropic crystals have cleavage properties and weak material strength, single crystals are not used as practical materials, but are polycrystals that are unidirectionally solidified by the Pridgeman method and oriented to crystal orientations with high thermoelectric performance. Is used. However, although polycrystalline materials are not as strong as single crystals, their material strength is weak, and there is a problem that cracking or cracking of the element is likely to occur during element processing. In contrast to these crystalline materials, powdered sintering materials have no cleavage and material strength is dramatically increased. Although the crystal orientation is improved, there is a problem that the thermoelectric performance is inferior to that of the crystalline material because the crystal orientation is random or has a crystalline orientation but has a gradual distribution. There has been no thermoelectric semiconductor material having sufficient strength and performance. That is, in general the crystalline material used as the electronic cooling element, tellurium mold bismuth (B i 2 T e 3) , antimony telluride (S b 2 T e 3) and selenide bis mass (B i 2 S e 3) However, these crystals have remarkable cleavage properties, and after slicing and dicing processes to obtain thermoelectric elements from ingots, the yield is extremely low due to cracking and chipping. There was a problem.
そこで、 機械的強度の向上のために粉末焼結素子を形成する試みがなされてい る。 このように結晶としてではなく、 粉末焼結体として用いると劈開性の問題は なくなるが、 先に述べたように配向性が低いためにその性能が劣る。 すなわち、 性能指数 Zが小さいという問題があつた。  Therefore, attempts have been made to form a sintered powder element to improve the mechanical strength. Thus, when used as a powdered sintered body instead of as a crystal, the problem of cleavage is eliminated, but as described above, its performance is inferior due to low orientation. That is, there is a problem that the figure of merit Z is small.
この発明は、 こうした実情に鑑みてなされたもので、 十分な強度と性能を具備 し、 製造歩留りの高い熱電半導体材料を提供することを目的とする。 発明の開示  The present invention has been made in view of such circumstances, and has as its object to provide a thermoelectric semiconductor material having sufficient strength and performance and a high production yield. Disclosure of the invention
そこで、 この発明では、 所望の組成をもつように材料粉末を混合し、 加熱溶融 せしめる加熱工程と、 菱面体構造 (六方晶構造) を有する熱電半導体材料の固溶 インゴッ トを形成する凝固工程と、 前記固溶体インゴットを粉砕し固溶体粉末を 形成する粉碎工程と、 前記固溶体粉末の粒径を均一化する整粒工程と、 粒径の均 一となつた前記固溶体粉末を加圧焼結せしめる焼結工程と、 この粉末焼結体を熱 間で塑性変形させ、 展延することで、 粉末焼結組織の結晶粒が性能指数の優れた 結晶方位に配向せしめる熱間すえこみ鍛造工程とを含むことを、 前提とする。 この発明の第 1では、 上記熱間すえこみ鍛造工程は、 粉末焼結体を熱間で塑性 変形させ、 前記焼結工程における加圧方向と垂直に加圧しつつ展延することを特 徴とする。  Therefore, in the present invention, a heating step of mixing and heating and melting material powders to have a desired composition, and a solidification step of forming a solid solution ingot of a thermoelectric semiconductor material having a rhombohedral structure (hexagonal structure) are provided. A pulverizing step of pulverizing the solid solution ingot to form a solid solution powder; a sizing step of uniformizing the particle diameter of the solid solution powder; and a sintering of pressure-sintering the solid solution powder having a uniform particle diameter. And a hot upsetting forging process in which the powder sintered body is plastically deformed by heat and expanded to orient the crystal grains of the powder sintered structure in a crystal orientation having an excellent figure of merit. Is assumed. In the first aspect of the present invention, the hot upsetting forging step is characterized in that the powder sintered body is hot plastically deformed and spread while being pressed perpendicularly to a pressing direction in the sintering step. I do.
この発明の第 2では、 上記熱間すえこみ鍛造工程は、 粉末焼結体を熱間で塑性 変形させ、 前記焼結工程における加圧方向と一致する方向に加圧しつつ展延し、 その後前記焼結工程における加圧方向と垂直方向に展延することを特徴とする。 この発明の第 3では、 上記熱間すえこみ鍛造工程は、 粉末焼結体を熱間で塑性 変形させ、 前記焼結工程における加圧方向と垂直方向に加圧しつつ展延し、 その 後前記焼結工程における加圧方向と一致する方向に展延することを特徴とする。 この発明の第 4では、 上記熱間すえこみ鍛造工程は、 粉末焼結体を熱間で、 1 00 Okg/cm2以下の初期荷重圧力で、 塑性変形させ、 展延することを特徴と する。 In the second aspect of the present invention, in the hot upsetting forging step, the powder sintered body is plastically deformed hot, and is expanded while being pressed in a direction coinciding with a pressing direction in the sintering step. Thereafter, it is characterized by extending in a direction perpendicular to the pressing direction in the sintering step. According to a third aspect of the present invention, in the hot upsetting forging step, the powder sintered body is hot plastically deformed, and is spread while being pressed in a direction perpendicular to a pressing direction in the sintering step. It is characterized in that it extends in a direction coinciding with the pressing direction in the sintering step. In a fourth aspect of the present invention, the hot upsetting forging step is characterized in that the powder sintered body is plastically deformed and spread hot by an initial load pressure of 100 Okg / cm 2 or less. .
この発明の第 5では、 上記熱間すえこみ鍛造工程は、 粉末焼結体を熱間で、 1 00 Okg/cm2以下の荷重圧力で、 塑性変形させ、 展延することを特徴とする。 この発明の方法では、 熱電半導体材料の単結晶が元来もつ熱電性能の異方性に 着目し、 強度はあるが結晶粒の配向性が劣る粉末焼結インゴッ トを熱間すえこみ 鍛造で塑性変形させることで結晶配向を改善する。 これにより、 強度を維持しつ つ性能の良好な熱電半導体材料を得ることができる。 熱間鍛造の塑性変形に伴い 圧縮方向にインゴットは縮み、 一方圧縮面方向にインゴッ トは展伸する。 この変 形によりインゴット内の結晶粒は偏平に塑性変形を起こしつつ、 劈開面が圧縮方 向に垂直となるように配向する。 この 果、 十分な強度と性能をもつ熱電半導体 材料を得ることができる。 また B i2Te3系熱電半導体材料では、 c軸が圧縮方 向に配向する。 In a fifth aspect of the present invention, the hot upsetting forging step is characterized in that the powder sintered body is plastically deformed and spread hot by a load pressure of 100 Okg / cm 2 or less. The method of the present invention focuses on the anisotropy of the thermoelectric performance inherent in a single crystal of a thermoelectric semiconductor material, and hot-pours a sintered powder ingot that is strong but has poor crystal grain orientation. The deformation improves the crystal orientation. Thereby, a thermoelectric semiconductor material having good performance while maintaining strength can be obtained. Due to the plastic deformation of hot forging, the ingot shrinks in the compression direction, while it expands in the direction of the compression surface. Due to this deformation, the crystal grains in the ingot undergo flat plastic deformation and are oriented so that the cleavage plane is perpendicular to the compression direction. As a result, a thermoelectric semiconductor material having sufficient strength and performance can be obtained. In the B i 2 Te 3 based thermoelectric semiconductor material, c-axis is oriented in the compression Direction.
従って、 機械的強度が高くかつ配向性に優れ信頼性の高い熱電モジュールを得 ることが可能となる。  Therefore, it is possible to obtain a highly reliable thermoelectric module having high mechanical strength and excellent orientation.
またこの発明では、 単結晶ではなく、 粉末焼結体を熱間すえこみ鍛造すること によって形成されるため、 組成比を比較的自由に選択でき、 性能指数 Zの高いも のを得ることができる。  In addition, in the present invention, since the powder is formed by hot upsetting and forging a powdered sintered body instead of a single crystal, the composition ratio can be selected relatively freely, and a high figure of merit Z can be obtained. .
また、 単結晶あるいは多結晶のインゴットをそのまま用いた場合に比べ、 割れ 等による製造歩留りの低下も大幅に低減される。  In addition, compared to the case where a single crystal or polycrystalline ingot is used as it is, a decrease in manufacturing yield due to cracks or the like is greatly reduced.
なお、 ここで B i2T e3系熱電半導体材料とは、 B i2-xSbxTe3yzSey Sz (0≤x≤2, 0≤y+z≤3) tあらわされるものをいい、 結晶中に不純物 を含むものも含まれるものとする。 同様に、 B i Sb系半導体とは、 B it- xSb 0 < x < 1 ) であらわされるものをいい、 結晶中にドーパントとしての不純物 を含むものも含まれるものとする。 図面の簡単な説明 Here, the terms B i 2 T e 3 based thermoelectric semiconductor materials, B i 2 -xSb x Te 3 - y - z Se y S z (0≤x≤2, 0≤y + z≤3) t reveal of And those containing impurities in the crystal. Similarly, Bi-Sb-based semiconductor is Bit- x Sb 0 <x <1), and includes those containing impurities as dopants in the crystal. BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
図 1はこの発明の熱電半導体の製造方法における熱間すえこみ鍛造を示す概念 図である。  FIG. 1 is a conceptual diagram showing hot upsetting forging in the method for producing a thermoelectric semiconductor of the present invention.
図 2はこの発明による熱間すえこみ鍛造後の熱電半導体材料の顕微鏡写真であ る。  FIG. 2 is a micrograph of the thermoelectric semiconductor material after hot upsetting forging according to the present invention.
図 3はこの発明による熱間すえこみ鍛造前の熱電半導体材料の顕微鏡写真であ る  Figure 3 is a micrograph of the thermoelectric semiconductor material before hot upsetting forging according to the present invention.
図 4はこの発明の熱電半導体の製造方法のフローチャートを示す図である。 図 5はこの発明の第 1の実施例の方法で用いられるすえこみ装置を示す図であ る。  FIG. 4 is a view showing a flowchart of the method for manufacturing a thermoelectric semiconductor according to the present invention. FIG. 5 is a view showing an upsetting device used in the method of the first embodiment of the present invention.
図 6はこの発明の熱間すえこみ鍛造における鍛造時間とインゴット厚さとの関 係を測定した結果を示す図である。  FIG. 6 is a view showing the result of measuring the relationship between the forging time and the ingot thickness in the hot upsetting forging of the present invention.
図 7はこのィンゴッ卜の 4半部分の単結晶に対する密度比の分布を示す図であ る  Figure 7 shows the distribution of the density ratio of this ingot to a single crystal in a quarter part.
図 8はこの発明の熱間すえこみ緞造 おける加圧力とィンゴットの厚さ減少量 との関係を示す図である。  FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the pressing force and the thickness reduction of the ingot in the hot upholstery curtain of the present invention.
図 9はこの発明の第 2の実施例の方法で用いられるすえこみ装置を示す図であ 図 1 0はこの発明実施例の方法における圧力と時間およびインゴット厚さの関 係を示す図である。  FIG. 9 is a diagram showing an upsetting device used in the method of the second embodiment of the present invention. FIG. 10 is a diagram showing the relationship between pressure, time, and ingot thickness in the method of the present embodiment. .
図 1 1はこのィンゴットの 4半部分の単結晶に対する密度比の分布を示す図で あ  Fig. 11 shows the distribution of the density ratio of this ingot to a single crystal in a quarter part.
図 1 2は熱電モジュールを示す図である。  FIG. 12 is a diagram showing a thermoelectric module.
図 1 3はこの発明の方法で形成した熱電素子材料を用いて形成した熱電モジュ ールの放熱面温度と最大温度差との関係を示す図である。 図 1 4はこの発明の方法で形成した熱鼋素子材料を用いて形成した熱電モジュ —ルの放熱面温度と最大温度差との関係を示す図である。 FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the heat radiation surface temperature and the maximum temperature difference of a thermoelectric module formed using the thermoelectric element material formed by the method of the present invention. FIG. 14 is a diagram showing the relationship between the heat radiating surface temperature and the maximum temperature difference of the thermoelectric module formed by using the thermoelectric element material formed by the method of the present invention.
図 1 5はこの発明の実施例の方法における圧力およびインゴット高さの時間変 化を示す図である。  FIG. 15 is a diagram showing time variations of pressure and ingot height in the method of the embodiment of the present invention.
図 1 6はこの発明の実施例の鍛造工程を繰り返し行う様子を示す図である。 図 1 7はこの発明の実施例で作成された熱電モジュールの強度を計測する様子 を説明する図である。  FIG. 16 is a diagram showing how the forging process of the embodiment of the present invention is repeatedly performed. FIG. 17 is a diagram for explaining how to measure the strength of the thermoelectric module created in the embodiment of the present invention.
図 1 8はこの発明の実施例の方法における圧力およびインゴット高さの時間変 化を示す図である。  FIG. 18 is a diagram showing time variations of pressure and ingot height in the method of the embodiment of the present invention.
図 1 9はこの発明の実施例の方法に ける圧力およびインゴット高さの時間変 化を示す図である。  FIG. 19 is a diagram showing time variations of pressure and ingot height in the method of the embodiment of the present invention.
図 2 0は鍛造インゴットの物性値を計測する測定ピースを示す図である。 図 2 1はこの発明の実施例の方法における圧力およびインゴット高さの時間変 化を示す図である。  FIG. 20 is a view showing a measuring piece for measuring physical property values of a forged ingot. FIG. 21 is a diagram showing the time variation of the pressure and the ingot height in the method according to the embodiment of the present invention.
図 2 2はこの発明の実施例の方法における圧力およびインゴット高さの時間変 化を示す図である。  FIG. 22 is a diagram showing time changes of pressure and ingot height in the method of the embodiment of the present invention.
図 2 3はこの発明の実施例の方法における圧力およびインゴット高さの時間変 化を示す図である。  FIG. 23 is a diagram showing the time variation of the pressure and the ingot height in the method according to the embodiment of the present invention.
図 2 4はこの発明の実施例の方法における圧力およびィンゴット高さの時間変 化を示す図である。  FIG. 24 is a diagram showing the time variation of the pressure and the height of the ingot in the method according to the embodiment of the present invention.
図 2 5はこの発明の実施例の方法に vおける圧力およびィンゴット高さの時間変 化を示す図である。 Figure 2 5 shows a v definitive pressure and Ingotto time changes in height in the method of Example of the present invention.
図 2 6はこの発明の実施例の方法における圧力およびインゴット高さの時間変 化を示す図である。  FIG. 26 is a diagram showing time changes of pressure and ingot height in the method of the embodiment of the present invention.
図 2 7はこの発明の実施例の方法における圧力およびィンゴット高さの時間変 化を示す図である。  FIG. 27 is a diagram showing the time variation of the pressure and the height of the ingot in the method according to the embodiment of the present invention.
図 2 8はこの発明の実施例の方法における圧力およびインゴット高さの時間変 化を示す図である。 図 2 9はこの発明の実施例の方法における圧力およびインゴット高さの時間変 化を示す図である。 FIG. 28 is a diagram showing a time change of the pressure and the ingot height in the method according to the embodiment of the present invention. FIG. 29 is a diagram showing time changes of pressure and ingot height in the method of the embodiment of the present invention.
図 3 0はこの発明の実施例のすえこみ装置を説明する図である。  FIG. 30 is a view for explaining the upsetting apparatus according to the embodiment of the present invention.
図 3 1はこの発明の実施例のすえこみ装置を説明する図である。 発明を実施するための最良の形態  FIG. 31 is a view for explaining the upsetting apparatus according to the embodiment of the present invention. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
以下、 この発明の実施例について、 図面を参照しつつ詳細に説明する。  Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
この発明の方法では、 粉末焼結による焼結ィンゴットを図 1 (a)および (b)に概 念図を示すような熱間すえこみ鍛造により、 図 2に示すように結晶粒が層状に配 向するように処理したことを特徴とする。 図 2は自由鍛造後、 図 3は自由鍛造前 の状態を示す顕微鏡写真である。  According to the method of the present invention, a sintered ingot obtained by powder sintering is subjected to hot upsetting forging as shown in the conceptual views of FIGS. 1 (a) and 1 (b), and crystal grains are arranged in layers as shown in FIG. It is characterized by having been processed so as to face. Fig. 2 is a micrograph showing the state after free forging, and Fig. 3 is a micrograph before free forging.
これら図 2、 図 3に示す写真は、 熱間すえこみ鍛造後の材料と熱間すえこみ鍛 造前の材料を、 それぞれエポキシ樹脂 S中に埋め込み、 それぞれの材料表面が鏡面 になるまで研磨した後に酸性溶液でエッチングした組織写真であり、 写真の上下 方向が、 鍛造時、 焼結時の加圧方向となっている。 The photographs shown in Fig. 2 and Fig. 3 show that the material after hot upsetting and the material before hot upsetting are embedded in epoxy resin S and polished until the surface of each material becomes mirror-finished. This is a structure photograph etched later with an acidic solution. The vertical direction of the photograph is the pressing direction during forging and sintering.
図 3の鍛造前の状態では、 波立つような形状で組織が観察される。 この波状粒 は、 粉末焼結材を形成する際の粉体の粒に起因する結晶粒である。  In the state before forging in Fig. 3, the structure is observed in a wavy shape. The wavy grains are crystal grains resulting from the grains of the powder when forming the powder sintered material.
図 2の鍛造後の状態では、 図 3でみえていた波状の結晶粒が鍛造をすることに より細長く展延されて結晶粒が加圧方向に垂直に層状に配向していることがわか る  In the state after forging in Fig. 2, it can be seen that the wavy crystal grains shown in Fig. 3 are elongated and elongated by the forging, and the crystal grains are oriented in layers perpendicular to the pressing direction.
なお、 写真中の円形の穴は、 エッチングのときに生じたものであり、 組織その ものを示すものではない。  In addition, the circular hole in the photograph was generated at the time of etching, and does not indicate the structure itself.
図 4は、 n型の B i 2 T e 3熱電半導体材料の製造工程を示すフローチャートでFIG. 4 is a flowchart showing a manufacturing process of an n-type Bi 2 Te 3 thermoelectric semiconductor material.
¾ ¾
すなわち、 図 4に示すように、 ビスマス B i、 テルル T e、 セレン S eの元素 単体を、 化学量論比 B i 2 T e 2. 7 S e。. 3。となるように秤量し、 さらにキャリア 濃度を調整する化合物を適量に添加したものを、 溶解、 混合、 凝固させ、 溶性材 料を作成した。 この溶性材料をスタンプミル、 ボールミル等で粉碎した後、 1 5 0メッシュおよび 4 0 0メッシュの篩にかけ 4 0 0メッシュの篩上に残ったもの を選び、 粒径 3 4〜 1 0 6〃m程度の粉末に揃える。 ここで整粒後、 真空排気下 所定容量のガラスアンプル内に所定容量の粉末を供給し、 水素を注入して 0 . 9 気圧に封止したのち、 3 5 0 °Cの加熱炉内で 1 0時間の熱処理を行うことにより、 水素還元を行った。 そして、 この粉末をホッ トプレス装置にて、 アルゴン雰囲気 中で、 焼結温度 5 0 0 °C、 加圧力 7 5 0 k g/ c m2で粉末焼結をおこなった。 焼結ィンゴットの大きさは、 断面積が 3 2 mm x 3 2 mm, 厚さは 2 0 mmであ つた。 このインゴットのゼーベック係数は負であり、 この材料は n型を有する。 そしてこれを熱間すえこみ鍛造により鍛造する。 That is, as shown in FIG. 4, bismuth B i, tellurium T e, the single element selenium S e, the stoichiometric ratio B i 2 T e 2. 7 S e. 3 . The mixture was weighed so as to obtain an appropriate amount of a compound for adjusting the carrier concentration, and then dissolved, mixed and coagulated to prepare a soluble material. After pulverizing this soluble material with a stamp mill, ball mill, etc., 15 The mixture is passed through a 0-mesh and a 400-mesh sieve, and what is left on the 400-mesh sieve is selected to prepare powder having a particle size of about 34 to 106 1m. After sizing, a predetermined volume of powder is supplied into a predetermined volume of glass ampoule under vacuum evacuation, hydrogen is injected and sealed to 0.9 atm, and then the mixture is heated in a 350 ° C heating furnace. Hydrogen reduction was performed by performing heat treatment for 0 hours. The powder was sintered by a hot press apparatus in an argon atmosphere at a sintering temperature of 500 ° C. and a pressure of 7500 kg / cm 2 . The size of the sintered ingot was 32 mm x 32 mm in cross section and 20 mm in thickness. The ingot has a negative Seebeck coefficient and the material has n-type. This is forged by hot upsetting forging.
鍛造工程は、 図 5に示すように、 このインゴットを超硬合金製のすえこみ装置 に設置し、 アルゴン雰囲気中で、 4 5 0。Cにて 1 5 0 k g/ c m2で上部から加 圧焼結時の加圧方向と同一方向に加圧することによってなされる。 この結果、 焼 結インゴットは圧縮される。 ここで 図 5 (a)は上面図、 図 5 (b)は断面図である c このすえこみ装置は、 ベース 1とベース 1に直交して起立せしめられた円筒状の スリーブ 2とこのスリーブ 2に挿通せしめられるように形成されたパンチ 3とを 具備し、 上述したインゴッ ト 4をベース 1上に載置し、 パンチ 3で押圧するよう に構成されている。 そしてこの装置は超硬製であり 4 5 0 °C程度に図示しない加 熱装置によって加熱されるように構成されている。 この装置によればィンゴット 4は上方および下方の 2方向からのみに加圧され、 他の方向は自由状態になって おり、 c軸方向が揃うように鍛造される。 図 6は鍛造時間とインゴッ ト厚さとの 関係を測定した結果を示す図である。 加圧時間 1 2時間の加圧によりインゴット の厚みは、 約 1 / 2の約 8 mmになり、 底面積は約 2倍の 4 8 . 5 mm角になつ た。 図 7はこのインゴットの 4半部分の単結晶に対する密度比の分布である。 熱 電性能は密度が低下すると減少し強度も弱くなるので使用できる部分は 9 7 %以 上の密度比の部分となる。 In the forging process, as shown in Fig. 5, this ingot was installed in a cemented carbide upsetting device, and was subjected to 450 in an argon atmosphere. This is performed by pressing at 150 kg / cm 2 at the top in the same direction as the pressing direction during pressure sintering. As a result, the sintered ingot is compressed. Here, FIG. 5 (a) is a top view, FIG. 5 (b) is a cross-sectional view a of c The upsetting apparatus, the base 1 and the base 1 a cylindrical sleeve 2 orthogonally was allowed erected this sleeve 2 And a punch 3 formed so as to be inserted into the base 1. The ingot 4 is placed on the base 1 and pressed by the punch 3. This device is made of carbide and is configured to be heated to about 450 ° C. by a heating device (not shown). According to this device, the ingot 4 is pressurized only from the upper and lower directions, and is free in the other directions, and is forged so that the c-axis directions are aligned. Figure 6 shows the results of measuring the relationship between forging time and ingot thickness. Pressing for 12 hours increased the thickness of the ingot to about 1/2, about 8 mm, and the bottom area was about twice as large as 48.5 mm square. Figure 7 shows the distribution of the density ratio of the ingot to the single crystal in the quarter part. Since the thermoelectric performance decreases as the density decreases and the strength also decreases, the usable part is the part with a density ratio of 97% or more.
この熱間鍛造ィンゴットと鍛造前のィンゴッ ト中心部の熱鼋性能は表 1に示す ようになった。 この n型材料の場合、 熱間鍛造による結晶欠陥のためにキャリア が減少し、 比抵抗、 ゼーベック定数が増大するが、 0 . 9気圧のアルゴンガスと 共にガラスアンプル中に封入して 4 0 0 °C 4 8時間熱処理することで鍛造 (フォ —ジ) のための格子欠陥はなくなり、 キャリア濃度は出発インゴッ トと同じにな つた。 これはゼ一ベック定数が同じことで理解できる。 表 1
Figure imgf000010_0001
Table 1 shows the thermal performance of this hot forged ingot and the central part of the ingot before forging. In the case of this n-type material, carriers are reduced due to crystal defects due to hot forging, and the specific resistance and Seebeck constant are increased. Both were sealed in a glass ampule and heat-treated at 400 ° C for 48 hours to eliminate lattice defects for forging, and the carrier concentration became the same as the starting ingot. This can be understood from the fact that the Seebeck constant is the same. table 1
Figure imgf000010_0001
さらに圧縮比を変えて熱間鍛造を行い、 熱処理後の材料の性能を比較した ( の結果を表 2に示す。 表 2
Figure imgf000010_0002
In addition, hot forging was performed by changing the compression ratio, and the performances of the heat-treated materials were compared (the results are shown in Table 2.
Figure imgf000010_0002
表 2から明らかなように、 圧縮比が増加すると塑性変形量が大きくなり、 配向 が改善され、 熱電性能も改善される。 加圧力を増すことにより、 図 8に示すよう に圧縮速度 (厚さ減少量) は増大し、 加工時間は短縮されるが、 周辺部に加工時 のひび割れができて密度の高い部分が減少し使用できる個所が減少する。 従って 加圧力は、 ひび割れのできない程度とするのが望ましい。 この加圧力はインゴッ トとベースおよびパンチとの接した部分の摩擦力にも依存する。 展延をスムーズ にするために、 カーボン粉末、 B N粉末等を鍛造前にパンチの底面およびべ一ス の上面に塗布した。 このことによりひびを生じることなく変形させ易くなる。 このようにこの発明の方法によれば 鍛造時のひびなどによる密度低下がなく 歩留まりが高く、 極めて配向性の良好な熱電半導体材料を得ることが可能となる。 なお、 この熱間鍛造工程は、 アルゴン雰囲気中でおこなつたが、 これに限定さ れることなく真空中でもよいし、 また他の不活性ガス雰囲気中でもよい。 As is evident from Table 2, as the compression ratio increases, the amount of plastic deformation increases, the orientation improves, and the thermoelectric performance improves. Increasing the pressure increases the compression speed (thickness reduction amount) as shown in Fig. 8 and shortens the processing time, but cracks occur during processing and the high-density part decreases. The number of usable parts decreases. Therefore, it is desirable to set the applied pressure to such an extent that cracking is not possible. This pressing force also depends on the frictional force at the portion where the ingot contacts the base and the punch. Carbon powder, BN powder, etc. were applied to the bottom of the punch and the top of the base before forging in order to make the spreading smooth. This facilitates deformation without cracking. Thus, according to the method of the present invention, there is no decrease in density due to cracks and the like during forging. It is possible to obtain a thermoelectric semiconductor material having a high yield and an extremely good orientation. The hot forging step was performed in an argon atmosphere, but is not limited to this, and may be performed in a vacuum or in another inert gas atmosphere.
次にこの発明の第 2の実施例として、 一軸方向のみ自由展延させるすえこみ 鍛造方法について説明する。 この方法では、 鍛造工程を、 図 9に示すように、 こ のインゴッ トを超硬合金製のすえこみ装置に設置し、 4 5 0 °〇にて 1 0 0〜 5 0 0 k g/ c m2で 5時間、 加圧焼結時の加圧方向と同一方向に加圧することによつ てなされる。 この結果、 焼結インゴットは圧縮される。 ここで図 9 (a)はすえこみ 鍛造前、 図 9 (b)はすえこみ鍛造後の状態を示す。 このすえこみ装置は、 ベース 1 1とベース 1 1に直交して起立せしめられ、 内部に直方体状の空洞 Hを有する円 柱状のスリーブ 1 2とこのスリーブ 1 2の空洞 Hに挿通せしめられるように形成 されたパンチ 1 3とを具備し、 ィンゴット 1 4をベース 1 1上に載置し、 パンチ 1 3で押圧するように構成されている。 そしてこの装置は超硬製であり 4 5 0 °C 程度に図示しない加熱装置によって加熱されるように構成されている。 ここでィ ンゴットは厚さ 3 0 mm、 幅 4 0 mm、 展延される方向の長さが 1 8 mmであつ た。 この装置によればインゴット 1 4は上方および下方およびスリーブ内の空洞 の幅方向から規制され、 残る 2方向についてはスリーブの壁に接触するまではこ れらの方向は自由状態になっており、 劈開面が揃うように鍛造される。 この工程 で印加する圧力と経過時間に対するィ ゴッ ト厚さを測定した結果を図 1 0に示 す。 この図から明らかなように、 加圧時間 5時間の加圧によりインゴットの厚さ は、 約 7 mmになり、 長さ方向はスリーブの壁にあたるまで加圧したために、 型 の長手方向の長さと同じ 8 0 mmであった。 そしてこのィンゴットの 9割程度が 密度比 9 8 %以上であった。 図 1 1は、 このインゴヅ トの半分の単結晶に対する 密度比の分布である。 熱電性能は密度比が減少すると低下し材料強度も弱くなる。 この例では、 使用できる部分は 9 7 %以上の密度比の部分であるため、 ほとんど すべてが使用可能であることになる。 Next, as a second embodiment of the present invention, a description will be given of an upsetting forging method for freely extending only in one axial direction. In this method, as shown in Fig. 9, the forging process is performed by placing this ingot on a cemented carbide upsetting device and subjecting it to 100-500 kg / cm 2 at 450 ° 〇. For 5 hours by pressing in the same direction as the pressing direction during pressure sintering. As a result, the sintered ingot is compressed. Here, FIG. 9 (a) shows the state before upsetting forging, and FIG. 9 (b) shows the state after upsetting forging. This upsetting device is erected perpendicularly to the base 11 and the base 11 so as to be inserted into the cylindrical sleeve 12 having a rectangular parallelepiped cavity H therein and the cavity H of the sleeve 12. With the formed punch 13, the ingot 14 is placed on the base 11 and pressed by the punch 13. This device is made of carbide and is configured to be heated to about 450 ° C. by a heating device (not shown). Here, the ingot had a thickness of 30 mm, a width of 40 mm, and a length in the extending direction of 18 mm. According to this device, the ingot 14 is regulated from above and below and from the width direction of the cavity in the sleeve, and in the other two directions, these directions are free until they contact the wall of the sleeve, Forged so that the cleavage planes are aligned. Figure 10 shows the results of measuring the thickness of the ingot against the applied pressure and the elapsed time in this step. As can be seen from the figure, the thickness of the ingot was reduced to about 7 mm by pressing for 5 hours, and the length was pressed to the wall of the sleeve. It was the same 80 mm. About 90% of these ingots had a density ratio of 98% or more. FIG. 11 shows the distribution of the density ratio with respect to a half of the ingot single crystal. The thermoelectric performance decreases as the density ratio decreases, and the material strength also decreases. In this example, the usable part is the part with a density ratio of 97% or more, so almost all of the usable part can be used.
この熱間鍛造後、 熱処理したインゴットと鍛造前のインゴット中心部の熱電性 能は表 3に示すようになった。 この n型材料の場合、 熱間鍛造による結晶欠陥の ためにキャリアが減少し、 比抵抗、 ゼ一ベック定数が増大するが前記第 1の実施 例と同様にアルゴンガス雰囲気中で熱処理することで鍛造 (フォージ) のための 格子欠陥はなくなり、 キャリア濃度は出発インゴッ トと同じになる。 これはゼ一 ベック定数が同じことで理解できる。 表 3
Figure imgf000012_0001
Table 3 shows the thermoelectric properties of the heat-treated ingot after hot forging and the center of the ingot before forging. In the case of this n-type material, crystal defects caused by hot forging As a result, the lattice resistance for forging is eliminated by heat treatment in an argon gas atmosphere as in the first embodiment, and the carrier concentration is reduced. Will be the same as the departure ingot. This can be understood from the same Seebeck constant. Table 3
Figure imgf000012_0001
さて、 上述した実施例では、 鍛造工程時に、 加圧焼結時の加圧方向と同一方向 に加圧するようにしているが、 鍛造工程時に、 加圧焼結時の加圧方向に垂直な方 向に加圧しても、 同様に、 熱電性能を向上させることができる。 以下、 この実施 例について説明する。 In the above-described embodiment, during the forging process, the pressure is applied in the same direction as the pressing direction during the pressure sintering, but during the forging process, the direction perpendicular to the pressing direction during the pressure sintering is used. Even if pressure is applied in the opposite direction, the thermoelectric performance can be similarly improved. Hereinafter, this embodiment will be described.
本実施例の鍛造工程では、 高さ 3 0 mm、 幅 4 0 mm、 展延される方向の長さ 2 0 mmの寸法の焼結インゴットを、 図 9に示す超硬合金製のすえこみ装置に設 置し、 アルゴン雰囲気中で 4 5 0 °Cにて 2 0 0 k g/ c m2 の荷重圧力をもって、 6時間、 上部から加圧焼結時の加圧方向に対して垂直な方向に加圧し、 1軸方向 のみ自由展延させる。 In the forging process of the present embodiment, a sintered ingot having a height of 30 mm, a width of 40 mm, and a length of 20 mm in a direction in which it is extended was cemented into a cemented carbide upsetting device shown in FIG. And a pressure of 200 kg / cm2 at 450 ° C in an argon atmosphere for 6 hours from the top in the direction perpendicular to the pressing direction during pressure sintering. Press and freely expand only in one axis direction.
この結果、 焼結インゴッ トは圧縮され、 鍛造後の鍛造インゴッ トの寸法は、 高 さ 7 . 5 mm, 幅 4 0 mm、 展延方向 さ 8 0 mmとなった。  As a result, the sintered ingot was compressed, and the dimensions of the forged ingot after forging were 7.5 mm in height, 40 mm in width, and 80 mm in the spreading direction.
次表 3 7は、 鍛造前の焼結インゴット (ホッ トプレス品) と、 熱間鍛造後に熱 処理した鍛造インゴッ ト (ホットホージ品) の中心部、 端部における物性値を比 較して示す。 表^ Table 37 below shows a comparison of the physical properties of the sintered ingot (hot pressed product) before forging and the forged ingot (hot forged product) heat treated after hot forging at the center and at the end. Table ^
Figure imgf000013_0001
Figure imgf000013_0001
この表 3 7に示すように、 鍛造後の鍛造インゴットの熱電性能を示す性能指数 は、 鍛造前の焼結インゴヅ トに比較して、 向上しているのがわかる。 性能指数が、 2 . 4 5以上の場合には、 「熱電性能は良い」 と評価される。 鍛造後のインゴッ トは、 2 . 4 5以上の性能指数を示し、 熱電性能は 「良い」 ことがわかる。 As shown in Table 37, it can be seen that the performance index indicating the thermoelectric performance of the forged ingot after forging is improved as compared with the sintered ingot before forging. When the figure of merit is 2.45 or more, the thermoelectric performance is evaluated as "good." The ingot after forging shows a figure of merit of 2.45 or more, indicating that the thermoelectric performance is “good”.
さて、 上述した実施例では、 鍛造工程を、 加圧焼結時の加圧方向と同一方向に 加圧することで行うか、 加圧焼結時の []圧方向に垂直な方向に加圧することで行 うようにしているが、 鍛造工程を、 まず、 加圧焼結時の加圧方向と同一方向に加 圧することで行い、 その後、 加圧焼結時の加圧方向に垂直な方向に加圧すること で、 最終的な鍛造インゴットを取得するような実施も可能である。 このようにし ても、 上述した実施例と同様に、 熱電性能を向上させることができる。 以下、 こ の実施例について説明する。  In the above-described embodiment, the forging process is performed by pressing in the same direction as the pressing direction during pressure sintering, or by pressing in the direction perpendicular to the [] pressure direction during pressure sintering. The forging process is performed by first pressing in the same direction as the pressing direction during pressure sintering, and then in the direction perpendicular to the pressing direction during pressure sintering. It is possible to obtain the final forged ingot by applying pressure. Also in this case, the thermoelectric performance can be improved as in the above-described embodiment. Hereinafter, this embodiment will be described.
本実施例の鍛造工程では、 高さ 3 0 mm、 幅 1 5 mm、 展延される方向の長さ 2 0 mmの寸法の焼結インゴットを、 図 9に示す超硬合金製のすえこみ装置に設 置し、 アルゴン雰囲気中で 4 5 0 °Cにて 2 5 0 k gZ c m2 の荷重圧力をもって、 6時間、 上部から加圧焼結時の加圧方向と一致する方向に加圧し、 1軸方向のみ 自由展延させる。 その後、 インゴットを 9 0 ° 反転させ、 上部から加圧焼結時の 加圧方向に垂直な方向に加圧した。 In the forging process of this example, a sintered ingot having a height of 30 mm, a width of 15 mm, and a length of 20 mm in the direction of extension was machined into a cemented carbide upsetting device shown in FIG. to Installation, in an argon atmosphere 4 5 0 ° with 2 5 0 k loading pressure of gZ cm 2 at C, 6 hours, pressed in the direction that matches the upper and pressurizing direction at the time of sintering under pressure, Free extension only in one axis direction. Thereafter, the ingot was inverted 90 ° and pressed from above in a direction perpendicular to the pressing direction during pressure sintering.
この結果、 焼結インゴットは圧縮され、 鍛造後の鍛造インゴットの寸法は、 高 さ 7 . 5 mm、 幅 4 0 mm、 展延方向長さ 8 0 mmとなった。  As a result, the sintered ingot was compressed, and the dimensions of the forged ingot after forging were 7.5 mm in height, 40 mm in width, and 80 mm in length in the spreading direction.
次表 3 8は、 鍛造前の焼結インゴッ ト (ホットプレス品) と、 熱間鍛造後に熱 処理した鍛造インゴット (ホットホージ品) の中心部、 端部における物性値を比 較して示す。 表 38The following Table 38 compares the physical properties at the center and end of the sintered ingot (hot-pressed product) before forging and the forged ingot (hot forged product) heat-treated after hot forging. Shown in comparison. Table 38
Figure imgf000014_0001
この表 3 8に示すように、 鍛造後の鍛造インゴットの熱電性能を示す性能指数 は、 鍛造前の焼結インゴットに比較して、 向上しているのがわかる。
Figure imgf000014_0001
As shown in Table 38, it can be seen that the figure of merit indicating the thermoelectric performance of the forged ingot after forging has been improved as compared to the sintered ingot before forging.
なお、 上述した実施例では、 鍛造工程を、 まず、 加圧焼結時の加圧方向と同一 方向に加圧することで行い、 その後、 加圧焼結時の加圧方向に垂直な方向に加圧 することで、 最終的な鍛造インゴッ トを取得しているが、 鍛造工程を、 まず、 カロ 圧焼結時の加圧方向に垂直な方向に加圧することで行い、 その後、 加圧焼結時の 加圧方向と同一方向に加圧することで ¾ 最終的な鍛造ィンゴットを取得してもよ い。 このようにしても、 同様に、 熱電性能を向上させることができる。 以下、 こ の実施例について説明する。 In the above-described embodiment, the forging process is performed by first pressing in the same direction as the pressing direction during the pressure sintering, and thereafter, the forging process is performed in a direction perpendicular to the pressing direction during the pressure sintering. By pressing, the final forged ingot is obtained, but the forging process is performed by first pressing in the direction perpendicular to the pressing direction during calopress sintering, and then pressing sintering The final forging ingot may be obtained by pressing in the same direction as the pressing direction. Also in this case, the thermoelectric performance can be similarly improved. Hereinafter, this embodiment will be described.
本実施例の鍛造工程では、 高さ 3 0 mm、 幅 1 5 mm、 展延される方向の長さ 2 O mmの寸法の焼結ィンゴットを、 図 9に示す超硬合金製のすえこみ装置に設 置し、 アルゴン雰囲気中で 4 5 0 °Cにて 2 5 0 k g/ c m2 の荷重圧力をもって、 6時間、 上部から加圧焼結時の加圧方向に垂直な方向に加圧し、 1軸方向のみ自 由展延させる。 その後、 インゴットを 9 0 ° 反転させ、 上部から加圧焼結時の加 圧方向と一致する方向に加圧した。 In the forging process of the present embodiment, a sintered ingot having a height of 30 mm, a width of 15 mm, and a length of 2 O mm in the extending direction was machined into a cemented carbide upsetting apparatus shown in FIG. to Installation, in an argon atmosphere 4 5 0 ° with 2 5 0 loading pressure of kg / cm 2 at C, 6 hours, pressurized in a direction perpendicular from the top to the pressing direction during sintering under pressure, Free extension only in one axis direction. Thereafter, the ingot was turned 90 ° and pressed from above in a direction corresponding to the pressing direction during pressure sintering.
この結果、 焼結ィンゴットは圧縮され、 鍛造後の鍛造ィンゴットの寸法は、 高 さ 7 . 5 mm、 幅 4 0 mm、 展延方向長さ 8 0 mmとなった。  As a result, the sintered ingot was compressed, and the dimensions of the forged ingot after forging were 7.5 mm in height, 40 mm in width, and 80 mm in length in the spreading direction.
この場合でも、 上記表 3 8と同様に, 鍛造後の鍛造インゴッ トの熱電性能を示 す性能指数は、 鍛造前の焼結インゴッ トに比較して、 向上しているのが確認され た。 次にこの発明の第 3の実施例として、 p型素子を形成する方法について説明 する。 ビスマス B i、 テルル Te、 アンチモン S bの元素単体を、 化学量論比 B io.4Sbし 6T e3となるように秤量し、 さらにキヤリア濃度を調整する Teを 適量に添加したものを、 溶解、 混合、 凝固させ、 溶性材料を作成した。 この溶性 材料をスタンプミル、 ボールミル等で粉碎した後、 150メッシュおよび 400 メヅシュの篩にかけ 400メッシュの篩上に残ったものを選び、 粒径 34〜 10 6 /m程度の粉末に揃える。 p型材料 ¾場合は微粒子および粉末酸化の影響が小 さいため水素還元工程は行わなかった。 そしてこの粉末をホッ トプレス装置にて 焼結温度 500°C、 加圧力 75 Okg/ cm2で粉末焼結をおこなった。 焼結ィ ンゴットの大きさは、 高さ 30mm、 幅 40mm、 長さ 18mmに切断し、 実施 例 2で用いたのと同じすえこみ装置に設置し、 これを熱間すえこみ鍛造により鍛 造 Tる In this case, as in Table 38 above, it was confirmed that the performance index indicating the thermoelectric performance of the forged ingot after forging was improved as compared to the sintered ingot before forging. Next, as a third embodiment of the present invention, a method for forming a p-type element will be described. Bismuth B i, tellurium Te, the single element of antimony S b, those stoichiometric ratio B io. 4 Sb and weighed so as to be 6 T e 3, was further added to the appropriate amount of Te to adjust the carrier concentration , Dissolved, mixed and solidified to create a soluble material. This soluble material is pulverized with a stamp mill, a ball mill, or the like, passed through a 150-mesh or 400-mesh sieve, and the material remaining on the 400-mesh sieve is selected to have a powder having a particle size of about 34 to 10 6 / m. In the case of p-type material, the hydrogen reduction step was not performed because the effect of fine particles and powder oxidation was small. The powder was sintered by a hot press at a sintering temperature of 500 ° C and a pressure of 75 Okg / cm 2 . The size of the sintered ingot was cut into a height of 30 mm, a width of 40 mm, and a length of 18 mm, and it was installed in the same upsetting apparatus as used in Example 2, and this was forged by hot upsetting forging. To
鍛造工程は、 このインゴットを、 図 9に示したのと同様、 超硬合金製のすえこ み装置に設置し、 500°〇にて100〜 500 kg/ cm2で 5時間、 加圧焼結 時の加圧方向と同一方向に加圧することによって、 焼結インゴットは圧縮される。 この熱間鍛造ィンゴッ トと鍛造前のィンゴット中心部の熱電性能は表 4に示すよ ゔになった。 この p型材料の場合は n型ほど熱間鍛造によるキヤリアの減少がみ られなかったため、 熱処理はしない。 熱処理を行った場合は、 キャリア濃度は出 発インゴットよりも小さくなる。 In the forging process, this ingot was installed in a cemented carbide upsetting device, as shown in Fig. 9, and pressed and sintered at 500 ° 〇 at 100 to 500 kg / cm 2 for 5 hours. By pressing in the same direction as the pressing direction, the sintered ingot is compressed. Table 4 shows the thermoelectric performances of the hot forged ingot and the center of the ingot before forging. In the case of this p-type material, heat treatment was not performed because the carrier was not reduced by hot forging as compared with the n-type material. When heat treatment is performed, the carrier concentration becomes lower than that of the starting ingot.
表 4  Table 4
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さらにまた同様にして B 12丁 62.85360.15と8 ;10.53131.5Te3について も、 熱間鍛造ィンゴッ トと鍛造前のィンゴット中心部の熱電性能を測定しその結 果をそれそれ表 5および表 6に示す。 表 5
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Furthermore B 1 2 chome 6 2 in the same manner 85 36 0 15 and 8;.... 1 0 5 313 1 for 5 Te 3 also measures the thermoelectric performance of Ingotto heart before forging and hot forging Ingo' DOO The results are shown in Tables 5 and 6, respectively. Table 5
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表 6  Table 6
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次に、 このようにして前記第 2の実施例の方法で形成された n型である B i2 T e2.7S eo.3のィンゴヅトのうち密度 97%以上、 8割のィンゴヅトを使用し て、 展延方向に垂直にスライスし、 厚み 1. 33mmのウェハを形成する。 この ウェハの表面および裏面に電極金属層を形成した。 そして、 ダイシングを行い、 0. 64 mm角のチップを形成した。 この中から無作為に抽出したものを n型素 子とした (表 3参照) 。 さらに前記第 !3の実施例の方法で形成された p型である B i。. A S b L 6T e3インゴットを同じ大きさのチップに加工し、 これを P型素 子とした (表 4参照) 。 そしてこの n©素子および p型素子からなる pn素子対 を 18対実装し、 図 12に示すような熱電モジュールを形成した。 そしてこの熱 電モジュールを 16個形成して、 最大温度差を計測した。 この最大温度差の平均 値を算出し、 これと放熱面温度との関係を図 13に曲線 aで示す。 また比較のた めに同じ材料で形成し熱間すえこみ鍛造を行うことなくホットプレス後、 ダイシ ングを行うようにし、 他の工程はまったく同様にして熱電モジュールを形成した 結果を曲線 bに示す。 放熱面温度が 0° (〜 80°Cの領域で、 熱間すえこみ鍛造に よって処理して形成した熱電モジュールの最大温度差はホットプレスで形成した モジュールの最大温度差を大幅に上回っており、 表 3、 表 4中の熱間すえこみ鍛 造による熱電性能の向上をうらづけて 、る。 ここで最大温度差を与える電流値は 両モジュール共に 1.5から 1.6Aであった。 また最大温度差の標準偏差は 0. 4から 0.5°C であった。 さらにまた例えば放熱面温度が 27 °Cのとき、 熱間す えこみ緞造によって処理して形成した熱電モジュ一ルの最大温度差は 75 °C以上 と極めて優れた結果を記録している。 Then, in this way B i 2 T e 2 is an n-type formed by the method of the second embodiment are. 7 of Ingodzuto the S Eo.3 density less than 97%, using 80% of Ingodzuto Then, the wafer is sliced perpendicularly to the spreading direction to form a 1.33 mm thick wafer. Electrode metal layers were formed on the front and back surfaces of the wafer. Then, dicing was performed to form a chip of 0.64 mm square. An n-type element was randomly selected from these (see Table 3). Further, the p-type Bi formed by the method of the third embodiment. The AS b L 6 Te 3 ingot was machined into a chip of the same size and used as a P-type element (see Table 4). Then, 18 pairs of the pn element pair including the n © element and the p-type element were mounted to form a thermoelectric module as shown in FIG. Then, 16 thermoelectric modules were formed and the maximum temperature difference was measured. The average value of this maximum temperature difference was calculated, and the relationship between this and the heat radiation surface temperature is shown in FIG. For comparison, the same material was used, hot pressing was performed without hot upsetting and dicing was performed, and the thermoelectric module was formed in exactly the same manner as in the other steps. . The maximum temperature difference of the thermoelectric module formed by hot upsetting forging in the region where the heat radiation surface temperature is 0 ° (~ 80 ° C) is significantly higher than the maximum temperature difference of the module formed by hot pressing. , Tables 3 and 4 Enhance the improvement of thermoelectric performance by the structure. Here, the current value that gives the maximum temperature difference was 1.5 to 1.6 A for both modules. The standard deviation of the maximum temperature difference was 0.4 to 0.5 ° C. Furthermore, for example, when the heat radiation surface temperature is 27 ° C, the maximum temperature difference of the thermoelectric module formed by hot upholstery is over 75 ° C, which is an extremely excellent result.
ここで、 上述したごとく形成された熱電モジュールの強度について検討を加え る  Here, the strength of the thermoelectric module formed as described above is examined.
熱電モジュールが破壊する場合は、 せん断応力が当該熱電モジュールにかかり、 P型、 n型素子が折れる場合が多い。  When a thermoelectric module breaks, shear stress is applied to the thermoelectric module, and the P-type and n-type elements are often broken.
そこで、 図 17に示すように、 供試材料として、 熱電モジュールの製造過程で 得られる片側のセラミック板 15に p型素子 5、 n型素子 6を半田接合したもの を使用して、 これら p型素子、 n型素子のせん断強度を計測した。  Therefore, as shown in Fig. 17, as a test material, a p-type element 5 and an n-type element 6 soldered to one side of a ceramic plate 15 obtained in the process of manufacturing a thermoelectric module were used, and these p-type elements were used. The shear strength of the element and the n-type element was measured.
すなわち、 同図 17 (a) の側面図、 同図 17 (b) の一部斜視図に示すよう に、 プッシュプルゲージ 16にて、 p型素子 5、 n型素子 6の根元にかけられた 太さ 0. 15 mmのワイヤ 17を、 10 mm/m i nの速度で引き上げたときのせ ん断強度を計測するものである。  That is, as shown in the side view of FIG. 17 (a) and the partial perspective view of FIG. 17 (b), a push-pull gauge 16 is used to connect the p-type element 5 and the n-type element 6 to the base. It measures the shear strength when a 0.15 mm wire 17 is pulled up at a speed of 10 mm / min.
次表 10は、 熱間すえこみ鍛造が行われた鍛造インゴッ トに基づき生成された P型素子、 n型素子のせん断強度計測結果を示している。  Table 10 below shows the results of measuring the shear strength of P-type and n-type elements generated based on the forged ingots subjected to hot upsetting forging.
また、 次表 11は、 同じ材料でホットプレス後熱間すえこみ鍛造を行っていな い焼結インゴッ 卜に基づき生成された p型素子、 n型素子のせん断強度計測結果 を示している。  Table 11 below shows the results of measuring the shear strength of p-type and n-type elements produced based on sintered ingots that were not hot-pressed and hot-pressed and forged with the same material.
また、 次表 12は、 同じ材料でホットプレスの代わりに、 ストックバーガ一法 にて一方向凝固溶性材料を生成し、 この溶性材料に基づき生成された P型素子、 n型素子のせん断強度計測結果を示している。 表 1 0 熱間鍛造材料を使用した素子のせん断強度 Table 12 below shows that the same material is used instead of hot pressing to produce a unidirectionally solidified soluble material by the Stockberger method, and to measure the shear strength of P-type and n-type elements generated based on this soluble material. The results are shown. Table 10 Shear strength of elements using hot forging material
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表 1 1 ホッ卜プレス材料を使用した素子のせん断強度
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Table 11 Shear strength of devices using hot-press materials
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表 1 2 溶製材料を使用した素子のせん断強度
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Table 12 Shear strength of elements using ingot materials
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これら表を比較すると、 n型素子 6については、 溶製材料の素子に較べて、 熱 間鍛造材料の素子とホットプレス材料の素子のせん断強度はともに大きくなつて おり ( 1 1 7 6に対して 2 1 8 5、 1 9 1 4 ) 、 熱間鍛造材料の素子はホッ トプ レス材料の素子よりもさらに強度が大きくなつている ( 1 9 1 4に対して 2 1 8 5 ) のがわかる。 また、 せん断強度の標準偏差についても溶性材料の素子、 ホッ トブレス材料の素子、 熱間鍛造材料の素子の順で減少しているのがわかる (3 4 7に対して 224、 224に対して 158) 。 Comparing these tables, the shear strength of the hot-forged material element and the hot-pressed material element of the n-type element 6 is larger than that of the ingot material element (compared to 117 6). 185, 191 4), and the strength of the hot forged material element is greater than that of the hot press material (2 185 for 191 4). . It can also be seen that the standard deviation of the shear strength decreases in the order of the element of the soluble material, the element of the hot breath material, and the element of the hot forging material (34). 224 for 7 and 158 for 224).
一方、 p型素子 5については、 僅かの差ながらせん断強度の大きさは、 溶性材 料の素子、 ホッ トプレス材料の素子、 熱間鍛造材料の素子の順で大きくなつてい る ( 1413に対して 1430、 1430に対して 1472) 。 せん断強度の標 準偏差についても溶性材料の素子、 ホッ トプレス材料の素子、 熱間鍛造材料の素 子の順で減少している (429に対して 132、 132に対して 112) 。  On the other hand, as for the p-type element 5, the magnitude of the shear strength increases in the order of the element of the soluble material, the element of the hot press material, and the element of the hot forging material, though slightly different (as compared to 1413). 1430, 1430 vs. 1472). The standard deviation of the shear strength also decreases in the order of the element of the soluble material, the element of the hot press material, and the element of the hot forging material (132 for 429, 112 for 132).
ここで、 せん断強度の標準偏差が大きくなる程、 せん断強度の平均値以下でも 破壊が起こる可能性が高い、 せん断強度の平均値以下での破壊確率が高いという ことを意味する。  Here, the larger the standard deviation of the shear strength, the higher the possibility of fracture even below the average value of the shear strength, and the higher the probability of failure below the average value of the shear strength.
よって、 熱間鍛造材料にて生成された素子は、 他の材料の素子に較べてせん断 強度が高いのみならず、 せん断強度の平均値以下での破壊確率が低く、 信頼性が 高いと結論づけられる。  Therefore, it can be concluded that the elements made of hot forged material not only have higher shear strength than elements of other materials, but also have a lower probability of fracture below the average value of shear strength and higher reliability. .
このため熱電モジュールに熱間鍛造材料を用いることによって、 モジュ一ル組 立時の破損を少なくし、 耐久性を高くでき、 信頼性を向上させることができる。 また同様にして、 B i2Te2.85Se。.15と B io.sSbi.5T e 3についても、 (表 5および表 6参照) 同様にしてそれそれ n型素子および p型素子を形成し、 熱電モジュールを作成した。 この熱電モジュールの最大温度差の平均値を算出し、 これと放熱面温度との関係を図 14に曲線 aで示す。 また比較のために同じ材料 で形成し熱間すえこみ鍛造を行うことなくホッ トプレス後、 ダイシングを行うよ うにし、 他の工程はまったく同様にして熱電モジュールを形成した結果を曲線 b に示す。 放熱面温度が 0°C〜80°Cの領域で、 熱間すえこみ鍛造によって処理し て形成した熱電モジュールの最大温度差はホッ トプレスで形成したモジュールの 最大温度差を上回っている。 最大温度差を与える電流値は両モジュール共に 1.3 から 1.4 Aであった。 Therefore, by using a hot forging material for the thermoelectric module, damage during assembly of the module can be reduced, durability can be increased, and reliability can be improved. Also similarly, B i 2 Te 2. 85 Se. . 15 For even and B io.sSbi. 5 T e 3, ( see Table 5 and Table 6) in the same manner to form it it n-type device and p-type devices, have created a thermoelectric module. The average value of the maximum temperature difference of this thermoelectric module was calculated, and the relationship between this and the heat radiation surface temperature is shown by the curve a in FIG. For comparison, the curve b shows the result of forming a thermoelectric module by hot-pressing without hot upsetting and dicing after hot pressing without forging. In the region where the heat radiation surface temperature is between 0 ° C and 80 ° C, the maximum temperature difference of the thermoelectric module formed by hot upsetting forging exceeds the maximum temperature difference of the module formed by hot pressing. The current value giving the maximum temperature difference was 1.3 to 1.4 A for both modules.
図 13および図 14の比較から、 材料により多少の変化はあるが、 何れも、 こ の発明は有効であることがわかる。  From a comparison between FIG. 13 and FIG. 14, although there are some changes depending on the material, it is understood that the present invention is effective in any case.
さて、 この発明者らは、 さらに、 実験を行った結果、 つぎの各パラメ一夕の性 能に及ぼす影響が明らかになった。 概略説明すれば、 つきのようになる。 ( 1 ) 密度比 By the way, the present inventors have further conducted experiments, and as a result, the following parameters have been found to have an effect on performance. The outline is as follows. (1) Density ratio
焼結インゴッ トの密度比が低いと熱伝導度が低下するが、 熱電性能は電気抵抗 が増大するため低下する。 また、 材料の強度も低下する。  If the density ratio of the sintered ingot is low, the thermal conductivity will decrease, but the thermoelectric performance will decrease due to the increase in electrical resistance. Also, the strength of the material is reduced.
結局、 熱電性能を向上させることが.でき、 材料の強度も損なわない密度比の範 囲というものが、 存在し、 焼結インゴッ トを熱間鍛造によってその密度比を最終 的に 9 7 %以上にすればよいということが明らかになった。  After all, there is a range of density ratios that can improve thermoelectric performance and does not impair the strength of the material, and the sintered ingot finally has a density ratio of 97% or more by hot forging. It became clear that we should do it.
この場合、 密度比が 9 7 %以上の焼結インゴットを、 熱間鍛造することにより、 最終的に、 当該密度比以上にしてもよく、 また、 密度比が 9 7 %未満の焼結イン ゴットであっても、 熱間鍛造することにより、 最終的に、 9 7 %以上の密度比以 上にすればよい。  In this case, the sintered ingot having a density ratio of 97% or more may be finally hot-forged so as to have a density higher than the density ratio, or a sintered ingot having a density ratio of less than 97%. Even so, the final hot-forging density ratio should be 97% or more.
ここで、 密度比とは、 圧粉密度と、 圧粉体と同一組成の物質 (粉碎する前の単 結晶) の真密度 (理想密度) との比のことである。  Here, the density ratio is the ratio of the green density to the true density (ideal density) of a substance (single crystal before being ground) having the same composition as the green compact.
( 2 ) 塑性加工温度  (2) Plastic working temperature
熱間鍛造加工、 温間鍛造加工では、 塑性加工の進行に伴い結晶歪みの他に結晶 の回復が同時に進行する。 熱電半導体 <の熱間塑性加工では、 この結晶歪みと回復、 さらには焼結材料の粉末粒界、 結晶粒界の流れが生じていると考えられるが、 こ の詳細は未だ不明である。  In hot forging and warm forging, the recovery of crystal proceeds simultaneously with the crystal distortion accompanying the progress of plastic working. It is thought that in the hot plastic working of thermoelectric semiconductors, this crystal distortion and recovery, and also the flow of the powder grain boundaries and the crystal grain boundaries of the sintered material occur, but the details are still unknown.
ただし、 ホッ トホージ比が大きい程、 偏光顕微鏡でみた組織が均一であり、 塑 性加工による結晶歪みと回復が配向改善に大きく寄与していることが明らかであ る。 ここで、 温度が高くなると結晶歪みと回復は促進されるが、 再結晶温度以上 では結晶粒が配向とは関係なく粒成長してしまい、 配向度が低くなつてしまい、 材料強度も低下してしまう。 温度が高くなると、 インゴッ トの変形速度も速くな る。 つまり、 温度が高いと、 組織が流動的になってしまい、 配向が揃う前に塑性 変形してしまい、 それ以上配向がすすまないということになる。  However, the higher the hot forge ratio, the more uniform the structure as viewed with a polarizing microscope, and it is clear that crystal distortion and recovery due to plastic working greatly contribute to the improvement of orientation. Here, when the temperature increases, crystal distortion and recovery are promoted, but at temperatures higher than the recrystallization temperature, crystal grains grow regardless of orientation, the degree of orientation decreases, and the material strength decreases. I will. The higher the temperature, the faster the ingot deforms. In other words, if the temperature is high, the tissue becomes fluid, plastically deforms before the orientation is aligned, and the orientation does not progress further.
逆に、 温度が低すぎると、 塑性変形自体が遅くなり、 実用的な加工に適さない という問題がある。  Conversely, if the temperature is too low, the plastic deformation itself becomes slow, which is not suitable for practical processing.
結局、 焼結インゴッ トを塑性加工するのに最適な温度範囲というものが存在し、 結晶子が増大し配向がなくなつてしまう粒成長温度以下であることが必要である ことが明らかになった。 After all, there is a temperature range that is optimal for plastic working of sintered ingots, and it is necessary that the temperature be below the grain growth temperature at which crystallites increase and orientation is lost. It became clear.
具体的には、 5 5 0 ° C以下であって、 塑性変形を実用的な速度で行うことが できる 3 5 0 ° C以上の範囲であればよいことが明らかになった。  Specifically, it has been clarified that the temperature should be not higher than 550 ° C. and should be in the range of 350 ° C. or higher at which plastic deformation can be performed at a practical speed.
なお、 ホッ トプレスの温度範囲と塑性加工の温度範囲とは同じであるのが望ま しいと考えられる。  It is desirable that the hot press temperature range and the plastic working temperature range be the same.
( 3 ) 塑性加工荷重  (3) Plastic working load
焼結インゴッ トに加わる荷重が大きいほど、 変形速度は速くなる。 しかし、 荷 重が大きいほど、 摩擦抵抗が増え、 インゴットが座屈してしまう。 また、 荷重を 弱めて変形速度を遅くした場合には、 粒界での流れのみ生じるためか、 顕著な配 向改善が認められなかった。 変形速度は、 焼結インゴッ トに最初に与える初期荷 重圧力によって定まる。 また、 この初期荷重圧力は、 焼結インゴットの降伏応力 以上の力である必要がある。  The greater the load applied to the sintered ingot, the faster the deformation rate. However, as the load increases, the frictional resistance increases and the ingot buckles. Also, when the load was weakened to reduce the deformation speed, no significant improvement in orientation was observed, probably because only the flow at the grain boundaries occurred. The rate of deformation is determined by the initial loading pressure applied to the sintered ingot first. The initial load pressure must be equal to or higher than the yield stress of the sintered ingot.
結局、 適正な初期荷重圧力あるいは荷重圧力の範囲というものが存在し、 その 範囲は、 1 0 0 0 k g/ c m2以下の範囲であることが明らかになった。 In the end, it was found that there was an appropriate range of initial loading pressure or loading pressure, and the range was less than 100 kg / cm 2 .
( 4 ) 鍛造のプロセス  (4) Forging process
この発明は、 基本的には、 すえこみ鍛造工程を前提としているが、 このすえこ み鍛造の工程に適宜、 型鍛造的なプロ スを加えることで、 上記 ( 1 ) の密度 1:匕 を向上させることができることが明らかになった。  Although the present invention basically presupposes the upsetting forging process, by appropriately adding a die-forging process to the upsetting forging process, the density (1: 1) of the above (1) can be reduced. It became clear that it could be improved.
すなわち、 焼結インゴットを、 すえこみ鍛造により、 自由方向に展延した後に、 当該自由方向を治具などで規制した状態で更に加圧することで、 一度低下した密 度比を回復させたり、 密度比を向上させることができることが明らかになった。  In other words, after the sintered ingot is spread in the free direction by upsetting forging, it is further pressed in a state where the free direction is regulated by a jig or the like, thereby recovering the once reduced density ratio, It has been found that the ratio can be improved.
また、 焼結インゴットを、 熱間すえこみ鍛造した後に、 熱間型鍛造工程を行う ことでも、 同様に、 一度低下した密度比を回復させたり、 密度比を向上させるこ とができることが明らかになった。  In addition, it is also clear that once the sintered ingot is hot upset forged and then subjected to the hot die forging process, it is also possible to recover the once lowered density ratio or to increase the density ratio. became.
( 5 ) 鍛造の回数  (5) Number of times of forging
また、 鍛造工程の回数を増やし圧縮比を順次増大させていくことで、 配向が改 善され、 熱電性能を向上させることができることが、 明らかになった。  It was also found that by increasing the number of forging steps and sequentially increasing the compression ratio, the orientation was improved and the thermoelectric performance could be improved.
以上の ( 1 ) 〜 ( 5 ) について、 以下具体的な実施例を挙げて説明する。 ,第 4の実施例 The above (1) to (5) will be described below with reference to specific examples. , Fourth embodiment
まず、 上記 ( 1) の密度比が 97%以上になることによる性能向上の具体例に ついて説明する。  First, a specific example of performance improvement when the density ratio in (1) is 97% or more will be described.
本実施例では、 前述した第 2の実施例と同じ組成の B i 2T e2.7S e。.3。 の n 型熱電半導体を、 平均粒径 20 mで粉砕し、 これを焼結温度 500 ° C 加圧 力 750 kg/cm2 でホットプレスして粉末焼結させた。 平均粒径 (20 m) は第 2の実施例よりも小さいものを使用した。 In this embodiment, B i 2 T e 2 of the same composition as the second embodiment described above. 7 S e. 3 . The n-type thermoelectric semiconductor was pulverized to have an average particle diameter of 20 m, and this was hot-pressed at a sintering temperature of 500 ° C and a pressing force of 750 kg / cm 2 to perform powder sintering. The average particle size (20 m) used was smaller than that of the second example.
その後は、 第 2の実施例と同様に、 、図 9に示す一軸方向のみ自由展延させるす えこみ装置によって、 400° Cに CDて図 1 5に示す荷重圧力を加える熱間鍛造を 行った。 すなわち、 荷重圧力としては0 0、 初期荷重を 1 00 kg/ cm2 とし、 最 終的に 4 50 kg/ cm2 まで増加させた。 Thereafter, as in the second embodiment, hot forging was performed by applying a load pressure shown in FIG. 15 at CD at 400 ° C. by an upsetting device that freely extends only in one axial direction shown in FIG. 9. Was. That is, the load pressure was set to 0, the initial load was set to 100 kg / cm 2, and finally increased to 450 kg / cm 2 .
その後、 この鍛造後の鍛造インゴットを、 400 ° Cで、 48時間だけアルゴ ン還元ガラス封入管中でアニーリングを行った。  Thereafter, the forged ingot after the forging was annealed at 400 ° C. for 48 hours in an argon reduced glass sealed tube.
次表 7は、 第 2の実施例と本第 4の実施例との比較結果である。 表 7中、 ホッ トプレス 1とあるのは第 2の実施例でホヅトプレスのみを行い、 ホッ トホージ (熱間鍛造) の工程は省略した場合であり、 ホットホージ 1とあるのは、 第 2の 実施例でホットホージの工程を行った場合を示している。 また、 ホットプレス 2 とあるのは第 4の実施例でホッ トプレスのみを行い、 ホッ トホージ (熱間鍛造) の工程は省略した場合であり、 ホッ ト^ージ 2とあるのは、 第 4の実施例でホッ トホージの工程を行った場合を示している。 表 7 ホットプレス 1 ホッ卜ホージ 1 ホットプレス 2ホッ卜ホーン 2 比抵抗 (ηηΩ/cm) 0. 950 0. 950 1. 283 1. 056 ゼーベック定数 OiV/deg) 一 200 一 200 -192 一 192 熱伝導率 13. 8 15. 0 13. 8 14. 4 抵抗の異方性比 1. 7 2. 25 1. 01 2. 42 密度比 * 99. 3% 96. 8% 96. 8% 性能指数 (X10一3/ deg) 2. 40 2. 81 2. 08 2. 45 なお、 ここで、 抵抗の異方性比とあるのは、 抵抗の方向性を示す値であり、 こ の値が大きいほど、 結晶の配向の改善効果が顕著であるということを示す。 Table 7 below shows a comparison result between the second embodiment and the fourth embodiment. In Table 7, hot press 1 refers to the case where only the hot press is performed in the second embodiment, and the hot forging (hot forging) process is omitted, and hot forge 1 refers to the second embodiment. Shows the case where the hot forge process was performed. The hot press 2 is a case where only the hot press is performed in the fourth embodiment, and the hot forging (hot forging) process is omitted. In this example, the case of performing the hot forging process is shown. Table 7 Hot press 1 Hot forge 1 Hot press 2 Hot horn 2 Specific resistance (ηηΩ / cm) 0.950 0.950 1.283 1.056 Seebeck constant OiV / deg) 1 200 1 200 -192 1 192 Heat Conductivity 13.8 15.0 13.8 14.4 Resistance anisotropy ratio 1.7 2.25 1.01 2.42 Density ratio * 99.3% 96.8% 96.8% Figure of merit ( X10 one 3 / deg) 2. 40 2. 81 2. 08 2. 45 Here, the anisotropy ratio of the resistance is a value indicating the directionality of the resistance, and the larger the value is, the more remarkable the effect of improving the crystal orientation is.
また、 性能指数 Zの評価基準としては、 2. 45をしきい値とした。 性能指数 Zが、 2. 45以上である場合には、 熱電性能が向上していると判断した。  In addition, as a criterion for evaluating the figure of merit Z, 2.45 was set as the threshold. When the figure of merit Z is 2.45 or more, it is determined that the thermoelectric performance has been improved.
同表から明らかなように、 本第 4の実施例では、 比較的細かな粉末 (平均粒径 2 O^m) を使用したため、 熱間鍛造が行われる焼結インゴットの密度比は低く (96. 8%) 、 結晶の配向度を示す抵抗の異方性比も低い ( 1. 0 1) ことが わ力る。  As is clear from the table, in the fourth embodiment, since a relatively fine powder (average particle size 2 O ^ m) was used, the density ratio of the sintered ingot subjected to hot forging was low (96 8%), the anisotropy ratio of the resistance indicating the degree of crystal orientation is low (1.01).
また、 この焼結インゴットを一軸方向に鍛造すると、 第 2の実施例に比べて、 鍛造温度が低い割 (第 2の実施例の 450° Cに対して 400° C) に、 加工速 度が速いということがわかる (図 10、 図 15参照) 。  Also, when this sintered ingot is forged in the uniaxial direction, the processing speed is lower than that of the second embodiment, although the forging temperature is lower (450 ° C. compared to 450 ° C. of the second embodiment). It turns out that it is fast (see Figures 10 and 15).
また、 第 4の実施例でホットホージされた後の鍛造インゴットの密度比は、 鍛 造前の焼結インゴットと同じ密度 (96. 8%) であるが、 性能指数は向上 (2. 45) していることがわかる。 これは、 鍛造により結晶配向が改善したことによ ると考えられる。 抵抗の異方性比が増大 (2. 42) しているのはこのためであ る。  The density ratio of the forged ingot after hot forging in the fourth embodiment is the same as that of the sintered ingot before forging (96.8%), but the figure of merit is improved (2.45). You can see that it is. This is thought to be because the crystal orientation was improved by forging. This is why the anisotropy ratio of resistance has increased (2.42).
ただし、 第 2の実施例でホッ トホージされた後の鍛造インゴットに比べると、 密度比が低いために、 性能指数が低い (第 2の実施例の 2. 8 1に対して 2. 4 5) ことがわかる。  However, as compared with the forged ingot after hot forging in the second embodiment, the figure of merit is lower due to the lower density ratio (2.85 compared to 2.81 in the second embodiment). You can see that.
このように第 4の実施例において、 抵抗の異方性比は向上しているにもかかわ らずに、 性能指数は第 2の実施例に比 ると低下しているのは、 つぎのように説 明される。  As described above, in the fourth embodiment, although the anisotropy ratio of resistance is improved, the figure of merit is lower than that of the second embodiment as follows. It is explained in.
すなわち、 性能指数 Zは、 抵抗の異方性比と、 密度比の両ファクタにより定ま るが、 密度比の寄与率の方が、 抵抗の異方性比の寄与率よりも大きい。  That is, the figure of merit Z is determined by both the resistance anisotropy ratio and the density ratio. The contribution ratio of the density ratio is larger than the contribution ratio of the resistance anisotropy ratio.
したがって、 密度比が 97%よりも小さい本第 4の実施例のものでは、 抵抗の 異方性比が向上した割には、 性能指数 Zとしては、 評価基準となる 2. 45をは るかに越えた値にまで上昇していかないことになる。  Therefore, in the case of the fourth embodiment in which the density ratio is smaller than 97%, despite the improvement in the resistance anisotropy ratio, should the performance index Z be the evaluation standard of 2.45? Will not rise to a value that exceeds.
以上のことから、 熱間鍛造される前の焼結ィンゴッ 卜の密度比を 97%以上の 値にしておくことが、 熱電性能を向上させるために望ましいという結論が得られ た。 そして、 ホッ トホージされることによって最終的に得られる鍛造インゴッ ト の密度比としては 97 %以上であることが望ましいという結論が得られた。 そし て、 密度比 13: a 97%以上の焼結インゴットをホヅ トホージすることによって最終的 に、 この鍛造前の焼結ィンゴットの密度比以上にすることが望ましいという結論 が得られた。 Based on the above, the density ratio of sintered ingot before hot forging was 97% or more. It was concluded that setting a value is desirable for improving thermoelectric performance. It was concluded that the density ratio of the forged ingot finally obtained by hot forging should be 97% or more. Then, it was concluded that it is desirable to finally increase the density ratio of the sintered ingot before forging by hot forging a sintered ingot having a density ratio of 13: a 97% or more.
また、 密度比 97%未満の焼結ィンゴッ卜であってもホヅトホージすることに よって最終的に、 密度比 97%以上の鍛造インゴッ トにすれば、 強度を損なわず に熱電性能を向上させることができる。 つぎに、 この実施例について説明する。 本実施例では、 前述した第 2の実施例と同じ組成の B i 2T e2.7S e。.3。 の n 型熱電半導体を、 平均粒径 40 zmで粉碎し、 これを焼結温度 300 ° (:、 加圧 力 1000 k g/ cm2 でホヅトプレスして粉末焼結させた。 Even if the sintered ingot has a density ratio of less than 97%, it is possible to improve the thermoelectric performance without deteriorating the strength by forming a forged ingot having a density ratio of 97% or more. it can. Next, this embodiment will be described. In this embodiment, B i 2 T e 2 of the same composition as the second embodiment described above. 7 S e. 3 . The n-type thermoelectric semiconductor was pulverized with an average particle size of 40 zm, and was subjected to powder sintering by hot pressing at a sintering temperature of 300 ° (: 1000 kg / cm 2 ).
その後は、 この粉末焼結インゴッ トを、 (展延方向の長さ) X (幅) X (厚さ) が 15 X 40 X 33mmの寸法に切断し、 これを、 第 2の実施例と同様に、 図 9 に示す一軸方向のみ自由展延させるすえこみ装置によって、 450° Cにて熱間 鍛造を行い、 長さ 40 mmの方向に展延させた。 この場合、 荷重圧力の範囲を 2 50 kg/cm2 〜 1000 k g/cm2 とした。 After that, the powder sintered ingot was cut into dimensions of (length in the direction of extension) X (width) X (thickness) of 15 x 40 x 33 mm, and the same as in the second embodiment. Then, hot forging was performed at 450 ° C by a swaging device that can freely spread only in the uniaxial direction as shown in Fig. 9 and spread in the direction of 40 mm in length. In this case, the range of the applied pressure was 250 kg / cm 2 to 1000 kg / cm 2 .
その後、 この鍛造後の鍛造インゴットを、 400° Cで、 48時間だけアルゴ ン還元ガラス封入管中でアニーリングを行った。  Thereafter, the forged ingot after the forging was annealed at 400 ° C. for 48 hours in an argon reduced glass sealed tube.
次表 35、 36は、 鍛造前の焼結インゴットと、 鍛造後の鍛造インゴットの各 物性値の比較結果である。  Tables 35 and 36 below show the results of comparison of the physical properties of the sintered ingot before forging and the forged ingot after forging.
表: table:
t ' フク係数密度比 抵抗率の .ハ'ヮ-ファクタ  t 'Fuku coefficient density ratio
(μ Y/deg) (%) 異方性比 X10-3(w/craK2) (μ Y / deg) (% ) anisotropy ratio X10- 3 (w / craK 2)
1.709 -196.7 - 89.4 2.26 2.26 表 3ら 1.709 -196.7-89.4 2.26 2.26 Table 3
Figure imgf000025_0001
ここで、 パワーファクタは、 ゼ一ベック係数を 2乗したものを抵抗率で割った 値であり、 この値が大きいほど熱電性能は良いといえる。 評価基準としては、 ノ ヮーファクタが 3. 2以上のものが、 「熱電性能が良い」 とした。
Figure imgf000025_0001
Here, the power factor is a value obtained by dividing the square of the Seebeck coefficient by the resistivity, and the larger this value is, the better the thermoelectric performance is. As the evaluation criteria, those with a noise factor of 3.2 or more were judged to have “good thermoelectric performance”.
表 35に示す鍛造前の焼結インゴットは、 密度比が低く (89. 4%) 、 熱電 性能を示すパワーファクタの値は、 3. 2未満であり、 熱電性能は良くない。 これに対して、 表 36に示す鍛造後の鍛造インゴッ トは、 熱間すえこみ鍛造を することにより、 インゴヅトすべての部位で密度比が 97%以上になっている。 この結果、 熱電性能を示すパワーファクタの値は 3. 2以上を示し、 熱電性能が 向上しているのがわかる。  The sintered ingot before forging shown in Table 35 has a low density ratio (89.4%), the power factor value indicating thermoelectric performance is less than 3.2, and the thermoelectric performance is not good. On the other hand, the forged ingot after forging shown in Table 36 has a density ratio of 97% or more in all parts of the ingot by hot upsetting forging. As a result, the value of the power factor indicating the thermoelectric performance was 3.2 or more, indicating that the thermoelectric performance was improved.
•第 5の実施例  • Fifth embodiment
つぎに、 上記 (5) の鍛造工程の回数を増やすことによる性能向上の具体例に ついて説明する。  Next, a specific example of the performance improvement by increasing the number of times of the forging step (5) will be described.
本実施例では、 前述した第 2の実施例と同じ組成の B i2T e2.7S eQ.3。 の n 型熱電半導体材料を、 第 2の実施例と同一の製法で焼結させた。 このとき得られ た焼結インゴッ ト 14は、 図 16に示すように、 高さ (厚さ) が 60mm、 幅が 40mm, 展延される方向の長さが 40mmのものであった。 In this embodiment, B i 2 T e 2 of the same composition as the second embodiment described above. 7 S eQ. 3. This n-type thermoelectric semiconductor material was sintered by the same manufacturing method as in the second example. As shown in Fig. 16, the sintered ingot 14 obtained at this time had a height (thickness) of 60 mm, a width of 40 mm, and a length in the extending direction of 40 mm.
こうした焼結インゴット 14を、 1回、 2回、 3回と熱間鍛造することにより、 圧縮比の大きい鍛造加工材料を順次生成していく。 すなわち、 第 1回目の鍛造に より、 圧縮比は 1/2になり、 第 2回目の鍛造により、 圧縮比は 1/8になり、 第 3回目の鍛造により、 圧縮比は 1/1 6になる。 By hot-forging the sintered ingot 14 once, twice, and three times, a forging material having a large compression ratio is sequentially generated. That is, the compression ratio becomes 1/2 by the first forging, and the compression ratio becomes 1/8 by the second forging. By the third forging, the compression ratio becomes 1/16.
その後、 この最終鍛造後の鍛造インゴッ トを、 アルゴン置換雰囲気中 400 ° Cで、 24時間の熱処理を施した。  Thereafter, the forged ingot after the final forging was subjected to a heat treatment at 400 ° C. for 24 hours in an atmosphere substituted with argon.
鍛造インゴッ ト中で密度比が 97%以上になる部分の熱電性能と抵抗異方性の 平均値を下記表 8に示す。  Table 8 below shows the average value of the thermoelectric performance and the resistance anisotropy in the part where the density ratio is 97% or more in the forged ingot.
表 8  Table 8
Figure imgf000026_0001
同表 8に示す鍛造回数が 1回 (圧縮比 1/5) のデータは、 第 2の実施例で得ら れた緞造インゴット中の密度比 97%以上の部分の平均値を使用している。
Figure imgf000026_0001
The data for one forging cycle (compression ratio 1/5) shown in Table 8 is based on the average value of the parts with a density ratio of 97% or more in the curtain ingot obtained in the second example. I have.
同表に示すように、 圧縮比が増加すると塑性変形量が大きくなり、 より配向が 改善され熱電性能が向上 (性能指数 2. 1 9から 2. 52へ、 2. 5 2から 2. 5 5へ) しているのがわかる。  As shown in the table, as the compression ratio increases, the amount of plastic deformation increases, the orientation is improved, and the thermoelectric performance improves (from a performance index of 2.19 to 2.52, from 2.52 to 2.55). To) You can see that
また、 圧縮比の増大により若干のキャリア濃度の変化が起きている。 これはゼ —ベック定数が圧縮比に応じて変化しているのをみれば理解することができる。 抵抗の異方性比が、 複数回鍛造を行った鍛造インゴッ トについて大きい ( 1回 目の鍛造インゴッ トの 2. 1 9に対して 2. 5 2、 2. 5 5) のにもかかわらず に性能指数がそれ程増加していない ( 1回目の鍛造インゴットの 2. 5 6に対し て 2. 6 1、 2. 62) のは、 出発材料である焼結インゴッ トの組成が熱電性能 を最大に引き出せる最適キヤリア濃度で形成されているのに対して、 複数回鍛造 がなされた鍛造ィンゴットはこの最適なキヤリァ濃度からずれた組成になったた めであると考えられる。  Also, a slight change in carrier concentration occurs due to an increase in the compression ratio. This can be understood by seeing that the Zebeck constant changes according to the compression ratio. Despite the anisotropy ratio of resistance being large for forged ingots that were forged multiple times (2.52, 2.55 for 2.19 for the first forged ingot) The figure of merit does not increase significantly (2.61, 2.62 vs. 2.56 for the first forged ingot) because the composition of the sintered ingot as the starting material maximizes the thermoelectric performance. This is probably because the forging ingot that was forged multiple times had a composition that deviated from this optimum carrier concentration, while the carrier concentration was formed with the optimum carrier concentration that could be drawn out.
ただし、 これは、 出発材料の焼結インゴットのキャリアを圧縮比に適した濃度 に変更することによって解決することができる。 However, this is due to the fact that the carrier of the sintered ingot of the starting material has a concentration suitable for the compression ratio. It can be solved by changing to
,第 6の実施例  , Sixth embodiment
つきに第 5の実施例と同様に鍛造の回数による性能改善の具体例を、 p型材料 について行った場合について説明する。  Next, a specific example of performance improvement by the number of times of forging is performed for a p-type material as in the fifth embodiment.
本実施例では、 前述した第 3の実施例と同じ組成の B i 0.4S b 6T e3 の 型熱電半導体材料を、 第 3の実施例と同一の製法で焼結させた。 このとき得られ た焼結インゴヅト 14は、 図 16に示すように、 高さ (厚さ) が 60mm、 幅が 40mm, 展延される方向の長さが 40mmのものであった。 In this embodiment, the third embodiment of the same composition as B i 0. 4 S b 6 T e 3 types thermoelectric semiconductor material described above was sintered in the third embodiment and the same process. As shown in FIG. 16, the sintered ingot 14 obtained at this time had a height (thickness) of 60 mm, a width of 40 mm, and a length in the extending direction of 40 mm.
こうした焼結インゴッ ト 14を、 1回、 2回、 3回と熱間鍛造することにより、 圧縮比の大きい鍛造加工材料を順次生成していく。 すなわち、 第 1回目の鍛造に より、 圧縮比は 1/2になり、 第 2回目の鍛造により、 圧縮比は 1/8になり、 第 3回目の鍛造により、 圧縮比は 1/16になる。  By hot-forging the sintered ingot 14 once, twice and three times, a forging material having a large compression ratio is sequentially produced. In other words, the compression ratio becomes 1/2 by the first forging, the compression ratio becomes 1/8 by the second forging, and the compression ratio becomes 1/16 by the third forging .
その後、 この最終鍛造後の鍛造インゴットを、 アルゴン置換雰囲気中 400° Cで、 24時間の熱処理を施した。  Thereafter, the forged ingot after the final forging was subjected to a heat treatment at 400 ° C. for 24 hours in an atmosphere substituted with argon.
鍛造インゴッ ト中で密度比が 97%以上になる部分の熱電性能と抵抗異方性の 平均値を下記表 9に示す。 表 9 Table 9 below shows the average value of the thermoelectric performance and the resistance anisotropy of the part where the density ratio is 97% or more in the forged ingot. Table 9
Figure imgf000027_0001
Figure imgf000027_0001
同表 9に示す鍛造回数が 1回 (圧縮比 1/5) のデータは、 第 3の実施例で得ら れた锻造インゴッ ト中の密度比 97%以上の部分の平均値を使用している。 The data for one forging cycle (compression ratio 1/5) shown in Table 9 are based on the average value of the part with a density ratio of 97% or more in the forged ingot obtained in the third example. I have.
同表に示すように、 圧縮比が増加すると塑性変形が大きくなり、 より配向が改 善され熱電性能が向上 (性能指数 3. 2から 3. 22へ、 3. 22から 3. 35 へ) しているのがわかる。 As shown in the table, as the compression ratio increases, the plastic deformation increases and the orientation is more improved. It can be seen that the thermoelectric performance has been improved (performance index from 3.2 to 3.22 and from 3.22 to 3.35).
•第 7の実施例  • Seventh embodiment
つぎに、 ホッ トプレスの焼結温度が性能に与える影響について検討を加える。 本実施例では、 前述した第 2の実施例と同じ組成の B i 2T e2.7S e。. so の n 型熱電半導体を、 平均粒径 40〃mで粉砕し、 これを加圧力 75 Okg/cm2 でホットプレスして粉末焼結させた。 ホットプレスは 400。 C、 450° C、 500 ° C、 550 ° Cの 4条件の焼結温度で行った。 Next, the effect of the hot press sintering temperature on the performance will be examined. In this embodiment, B i 2 T e 2 of the same composition as the second embodiment described above. 7 S e. The so-type n-type thermoelectric semiconductor was pulverized to an average particle size of 40 μm, and was hot-pressed at a pressing force of 75 Okg / cm 2 to perform powder sintering. Hot press 400. C, 450 ° C., 500 ° C., and 550 ° C. were performed at four sintering temperatures.
その後は、 第 2の実施例と同様に、 9に示す一軸方向のみ自由展延させるす えこみ装置によって、 450 ° Cにて荷重圧力 100 kg/cm2 〜450 kg /cm2 で加圧した。 After that, similarly to the second embodiment, pressurization was performed at 450 ° C. with a load pressure of 100 kg / cm 2 to 450 kg / cm 2 by an upsetting device that freely extends only in one axial direction shown in 9. .
その後、 この鍛造後の鍛造インゴヅトを、 400° Cで、 24時間だけアルゴ ン還元ガラス封入管中でァニーリングを行った。  Thereafter, the forged ingot after the forging was annealed at 400 ° C. for 24 hours in an argon reduced glass sealed tube.
この結果得られた鍛造インゴットの中心部分 (表中 「ホージ品」 ) とホヅトプ レス後の焼結ィンゴット (表中 「プレス品」 ) の各物性値を、 各焼結温度 400 ° C、 450° C、 500 ° C、 550。 Cごとに、 次表 13、 14、 15、 1 6に示す。  The physical properties of the central part of the forged ingot (“forged product” in the table) and the sintered ingot after hot pressing (“pressed product” in the table) were obtained by sintering at 400 ° C and 450 ° C. C, 500 ° C, 550. For each C, it is shown in the following Tables 13, 14, 15, and 16.
表 1 3 ホッ卜ブレス温度 400°C Table 13 Hot breath temperature 400 ° C
ブレス品 ホージ品  Breath product Hoge product
比抵抗 (τηΩ/cm) 1. 93 1. 62  Specific resistance (τηΩ / cm) 1.93 1.62
ゼーベック定数 OiV/deg) -236 -235  Seebeck constant OiV / deg) -236 -235
熱伝導率 (mW/cmdeg) 13. 8 14. 1  Thermal conductivity (mW / cmdeg) 13. 8 14. 1
性能指数 3/deg) 2. 09 2. 58 Figure of merit 3 / d e g) 2.09 2.58
抵抗の異方性比 1. 87 2. 38  Anisotropy ratio of resistance 1.87 2.38
密度比 (%) 98. 4 99. 6 表 1 4 Density ratio (%) 98. 4 99. 6 Table 14
ホットプレス温度 450  Hot press temperature 450
Figure imgf000029_0002
表 1 5
Figure imgf000029_0002
Table 15
ホットプレス温度 500  Hot press temperature 500
Figure imgf000029_0003
表 1 6
Figure imgf000029_0003
Table 16
ホッ
Figure imgf000029_0001
Hot
Figure imgf000029_0001
Figure imgf000029_0004
これら表から明らかなように、 熱間すえこみ鍛造が行われた鍛造インゴットは、 鍛造工程の出発材料である焼結インゴットの生成条件 (焼結温度条件) にかかわ らずに、 9 9 %以上の密度比になっており、 材料強度、 熱電性能が向上している のがわかる。 さらに、 ホッ トプレス後に密度比 98%程度になっている出発材料の焼結イン ゴッ ト (焼結温度 400° C、 450 ° Cの場合) は、 熱間すえこみ鍛造が行わ れることにより密度比が高くなつているのがわかる (焼結温度 400° Cの場合 は、 98. 4%から 99. 6%に向上、 焼結温度 450° Cの場合は、 98. 5 %から 99. 9%に向上) 。
Figure imgf000029_0004
As is clear from these tables, forged ingots that have been hot upset forged are more than 99% regardless of the production conditions (sintering temperature conditions) of the sintered ingot, which is the starting material for the forging process. It can be seen that the material strength and thermoelectric performance are improved. Furthermore, the sintering ingot of the starting material, which has a density ratio of about 98% after hot pressing (when the sintering temperature is 400 ° C or 450 ° C), is subjected to hot upsetting forging. (When the sintering temperature is 400 ° C, it is improved from 98.4% to 99.6%. When the sintering temperature is 450 ° C, it is 98.5% to 99.9%.) To improve).
結晶の配向 (抵抗の異方性比) に関しても、 鍛造工程の出発材料である焼結ィ ンゴッ卜の作成条件 (焼結温度条件) にかかわらずに、 熱間すえこみ鍛造が行わ れることにより、 改善、 向上しているのがわかる。  Regarding the crystal orientation (anisotropy ratio of resistance), hot upsetting forging is performed regardless of the conditions (sintering temperature conditions) of the sintered ingot, which is the starting material of the forging process. , Improvement, and improvement.
ホットプレス温度が高い場合には、 ホッ トプレス時に再結晶により組織が変化 し、 抵抗の異方性比が低下してしまう (焼結温度 550 ° Cの場合の焼結インゴ ヅトの抵抗の異方性比は 1. 34) 。 このため、 このような抵抗の異方性比が低 下した焼結ィンゴットを用いて熱間鍛 を行った場合には配向は改善されるもの の ( 1. 34から 2. 25に向上) 、 鍛造開始時の配向自体が低い (焼結インゴ ットの抵抗の異方性比が低い) ために性能指数としては低くなつてしまう (2. 43で評価基準 2. 45以下) 。 たとえば、 焼結温度 550 ° Cの鍛造インゴッ トの性能指数は 2. 43 (焼結インゴットの抵抗の異方性比は 1. 34) であり、 焼結温度 500 ° Cの鍛造インゴッ トの性能指数 2. 65 (焼結インゴットの抵 抗の異方性比は 1. 83) に較べて低くなつている。  If the hot pressing temperature is high, the structure changes due to recrystallization during hot pressing, and the anisotropy ratio of the resistance decreases (the difference in the resistance of the sintered ingot at a sintering temperature of 550 ° C). The anisotropy ratio is 1.34). For this reason, when hot forging is performed using a sintered ingot having such a reduced resistance anisotropy ratio, the orientation is improved (from 1.34 to 2.25). Since the orientation itself at the start of forging is low (the anisotropy ratio of the resistance of the sintered ingot is low), the figure of merit is low (the evaluation criterion is 2.45 or less in 2.43). For example, the performance index of a forged ingot at a sintering temperature of 550 ° C is 2.43 (the resistance anisotropy ratio of the sintered ingot is 1.34), and the performance index of a forged ingot at a sintering temperature of 500 ° C is The index is lower than 2.65 (the resistance anisotropy ratio of the sintered ingot is 1.83).
'第 8の実施例  '' Eighth embodiment
つぎに、 上記 (4) で述べたように、 すえこみ鍛造のプロセスに型鍛造的なプ 口セスを加えることで、 密度比を向上させ、 熱電性能を向上させることができる 具体例について説明する。  Next, as described in (4) above, a specific example that can improve the density ratio and improve the thermoelectric performance by adding a die-forging-like process to the upsetting forging process will be described. .
本実施例では、 前述した第 1の実 TUと同じ組成の B i2Te2.7S e。.3。 の n 型熱電半導体材料を、 第 1の実施例、 第 2の実施例と同一の製法 (焼結温度 50 0° C、 加圧力 750 kg/cm2 ) で焼結させた。 こうして得られた粉末焼結体 から、 第 2の実施例と同様に、 高さ (厚さ) が 30mm、 幅が 40mm、 展延さ れる方向の長さが 18 mmの焼結ィンゴッ トを 2個切り出して、 それそれについ て鍛造工程を異ならせて、 第 2の実施例と同じく、 図 9に示す一軸方向のみ自由 展延させるすえこみ装置を用い、 4 5 0 ° Cにて熱間鍛造した。 In this embodiment, B i 2 Te 2 having the same composition as the first actual TU previously described. 7 S e. 3 . The n-type thermoelectric semiconductor material was sintered by the same manufacturing method (sintering temperature: 500 ° C., pressure: 750 kg / cm 2 ) as in the first and second embodiments. From the powder sintered body thus obtained, as in the second embodiment, a sintered ingot having a height (thickness) of 30 mm, a width of 40 mm, and a length in the extending direction of 18 mm was obtained. By cutting out the individual pieces and making the forging process different for them, as in the second embodiment, only one axial direction shown in FIG. 9 is free. Hot forging was performed at 450 ° C. using a spreading upsetting device.
図 1 8は、 2つの焼結インゴットのうち一方の焼結インゴッ トを、 展延の途中 で、 すえこみ装置に追加した治具 (壁 によって展延方向を規制し、 さらに熱間 での加圧を継続させた場合のインゴット高さ変化 (実線) 、 荷重圧力変化 (破線) を示している。 つまり、 すえこみ鍛造の後半でインゴッ トの展延端が治具の壁に 拘束された時点 (鍛造開始後 3 1 5分程度経過時点) から、 さらに荷重圧力を 4 5 0 k g / c m2 まで上昇させ約 5時間加圧を継続させるようにし、 鍛造工程の後 半を、 型鍛造にて行うようにしたものである。 Fig. 18 shows that one of the two sintered ingots was placed in the middle of spreading, and a jig added to the upsetting device (the spreading direction was regulated by a wall, and the hot Changes in ingot height (solid line) and load pressure change (dashed line) when pressure is continued, that is, when the ingot's extended end is constrained to the jig wall in the second half of upsetting forging. (Approximately 3 and 15 minutes after the start of forging), the load pressure was further increased to 450 kg / cm2, and the pressurization was continued for about 5 hours. The second half of the forging process was performed by die forging. It is something to do.
同図に示すように、 鍛造工程の後半では、 展延が行われないために、 インゴッ 卜の高さに変化はみられないのがわかる。  As shown in the figure, it can be seen that in the latter half of the forging process, there is no change in the height of the ingot because no spreading takes place.
一方、 図 1 9は、 2つの焼結インゴットのうち他方の焼結インゴットについて 同様に展延を行い、 展延端が上記治具に当接される前に、 展延を中止 (鍛造を中 止) させた場合のインゴット高さ変化、 荷重圧力変化を示している。  On the other hand, Fig. 19 shows that the other sintered ingot of the two sintered ingots was spread in the same manner, and the spread was stopped before the spread end came into contact with the jig. It shows the change in ingot height and the change in load pressure when the stop was performed.
なお、 図 1 8、 図 1 9ともに、 初期 重圧力は 2 5 0 k g / c m2 とした。 図 1 8に示す鍛造工程で得られた鍛造インゴッ トを観察すると、 長時間、 鍛造 型を用いて加圧されたために、 端部が方形に成形され、 表面も滑らかであった。 これに対して図 1 9に示す途中で鍛造を中止した工程により得られた鍛造ィンゴ ットは、 端部が円弧状になっており、 表面に細かなひびが多数みられた。 Incidentally, FIG. 1 8, 1 9 together, the initial heavy pressure was 2 5 0 kg / cm 2. Observation of the forged ingot obtained in the forging process shown in Fig. 18 showed that the end was formed into a square shape and the surface was smooth because it was pressed for a long time using a forging die. On the other hand, the forged ingot obtained by the process in which forging was stopped halfway as shown in Fig. 19 had an arc-shaped end and many fine cracks on the surface.
これら異なる鍛造工程で得られた 2つの鍛造ィンゴッ ト 1 4からそれそれ図 2 0に示す測定ビースを切り出して、 各測定ビースについて、 抵抗率、 密度比、 抵 抗率の異方性比、 ゼ一ベック定数、 パワーファクタといった物性値を計測した。 その結果を下記表 1 7、 1 8に示す。 なお、 パワーファクタとは、 ゼ一ベック定 数を 2乗したものを抵抗率で割つた値であり、 この値が大きいほど熱電性能はよ いといえる。 評価基準としては比較例であるホヅ トプレス品 (鍛造前) の n型の パワーファクタ 3 . 2以上のものが、 '「熱電性能が良い」 とした。  From each of the two forging ingots 14 obtained in these different forging processes, measurement beads shown in FIG. 20 were cut out, and for each measurement bead, the resistivity, the density ratio, the anisotropy ratio of the resistivity, Physical property values such as one Beck constant and power factor were measured. The results are shown in Tables 17 and 18 below. The power factor is the value obtained by dividing the square of the Seebeck constant by the resistivity, and the larger the value, the better the thermoelectric performance. As the evaluation criteria, a hot press product (before forging) of a comparative example having an n-type power factor of 3.2 or more was determined to have “good thermoelectric performance”.
測定ビース (鍛造インゴット 1 4 ) の高さ方向、 幅方向についての物性値のば らつきは殆どみられなかったが、 展延方向 Dについて各物性値の分布にばらつき がみられた。 幅方向で平均をとり、 展延方向 Dの各位置ごとに物性値を示したも のが、 表 17、 表 18である。 There was almost no variation in the physical property values in the height direction and the width direction of the measurement bead (forged ingot 14), but there was variation in the distribution of the physical properties in the spreading direction D. The average was taken in the width direction, and the physical properties were shown at each position in the spreading direction D. Tables 17 and 18 show these.
表 17は、 図 20に示す鍛造ィンゴット 14の中心部 Cから展延方向 Dの各距 離ごとに、 図 18に示す鍛造工程で得られた鍛造インゴッ トの物性値を示したも のである。  Table 17 shows the physical property values of the forged ingot obtained by the forging process shown in FIG. 18 at each distance in the spreading direction D from the center C of the forged ingot 14 shown in FIG.
表 18は、 同じく緞造ィンゴッ ト 14の中心部 Cから展延方向 Dの各距離ごと に、 図 19に示す鍛造工程で得られた鍛造インゴッ トの物性値を示したものであ る 表 1 1  Table 18 also shows the physical properties of the forged ingot obtained in the forging process shown in Fig. 19 for each distance in the spreading direction D from the center C of the curtain ingot 14. 1
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表 1 8 Table 18
中央部から 抵抗率 ゼーベック定数 密度比,抵抗率の パワーファクタ の距離(mm) (mQcm) (μν/deg) (%) 異方 ffit XI 0 -5 (w/cmK2) Resistivity from the center portion Seebeck constant density ratio, the distance of the power factor of the resistivity (mm) (mQcm) (μν / deg) (%) Anisotropic ffit XI 0 - 5 (w / cmK 2)
2 0.993 -195 97.7 2.34 3.82  2 0.993 -195 97.7 2.34 3.82
6 0.992 -193 97.6 2.31 3.77  6 0.992 -193 97.6 2.31 3.77
10 1.005 -193 97.4 2.23 3.70 10 1.005 -193 97.4 2.23 3.70
1 1.026 -192 97.0 2.12 3.591 1.026 -192 97.0 2.12 3.59
18 1.023 -190 97.2 2.06 3.5418 1.023 -190 97.2 2.06 3.54
22 1.122 -188 96.5 1.85 3.16 これら表に示すように、 後半が型鍛造でなされた表 1 7の鍛造インゴッ 卜は、 インゴッ ト各部の密度比が 9 8 %以上あり、 これだけをみると材料強度、 熱電性 能が向上しているのがわかる。 22 1.122 -188 96.5 1.85 3.16 As shown in these tables, in the forged ingot of Table 17 in which the latter half was made by die forging, the density ratio of each part of the ingot was 98% or more, and if only this was seen, the material strength and thermoelectric performance improved. You can see that
しかし、 抵抗の異方性比は、 インゴット中心から端部にいくほど低下しており、 結晶子の配向が徐々に揃わなくなっていくことがわかる。 また、 抵抗の異方性比 と同様にゼーペック定数についても、 インゴッ ト中心から端部にいくほど絶対値 However, the anisotropy ratio of the resistance decreases from the center of the ingot to the end, and it can be seen that the orientation of the crystallites gradually becomes less uniform. Also, as with the anisotropy ratio of resistance, the Seepeck constant also increases in absolute value from the center of the ingot to the end.
,
が減少しており、 抵抗率については、 端部にいくほど増加しているのがわかる。 このようにゼ一ベック定数が端部にいくほど減少しているのは、 端部にいくほ ど鍛造による格子欠陥が増えていくためであると考えられる。 また、 端部にいく ほど抵抗率が増加しているのは、 端部にいくほど結晶粒の配向性が悪化していく ためであると考えられる。 It can be seen that the resistivity decreases and the resistivity increases toward the end. The reason why the Seebeck constant decreases toward the end is thought to be that lattice defects due to forging increase toward the end. Also, the reason why the resistivity increases toward the end is considered to be that the orientation of crystal grains deteriorates toward the end.
また、 インゴット中心から端部にいくほどパワーファクタが低下しており、 こ のことからも端部にいくほど結晶の配向性が悪化し、 熱電性能が低下していくこ とがうかがえる。 しかしながら、 インゴット中心から 2 6 mmの距離までは、 パ ヮ一ファクタとしては評価基準とした 3 . 2を越え 3 . 6以上の値を維持してお り、 熱電材料として使用できる範囲が広範であることがわかる。  In addition, the power factor decreases from the center of the ingot to the end, and this indicates that the crystal orientation deteriorates toward the end and the thermoelectric performance decreases. However, up to a distance of 26 mm from the center of the ingot, the power factor maintained a value exceeding 3.6, which was the evaluation criterion, of 3.2 or more, and the range of use as a thermoelectric material was wide. You can see that there is.
これに対して、 型鍛造される前に、 造を中止させることによって得られた表 1 8の鍛造インゴヅトでは、 表 1 7のものに較べて密度比が低いのがわかる。 な お、 インゴット中心から 2 2 mmを越えた距離での密度比は低すぎるので (密度 比 9 7 %未満) 、 表 1 8では 2 2 mmを越えた距離でのデ一夕は省略している。 インゴット中心部 (たとえばインゴット中心からの距離 2 mmの部位) では、 抵抗の異方性比、 ゼーベック定数ともに、 ほぼ表 1 7の値と同じであるにもかか わらず、 抵抗率が大きくなつているのは (0 . 9 4 8に対して 0 . 9 9 3 ) 、 密 度比が表 1 7に較べて低下しているため (9 8 . 8に対して 9 7 . 7 ) であると 考えられる。 パワーファクタが表 1 7に較べて低下しているのも (3 . 9 9に対 して 3 . 8 2 ) 、 同様に密度比の低下の影響によるものと考えられる。 インゴッ ト中心から 1 0 mmの距離までしか、 パワーファクタの値 3 . 6以上を維持する ことができず、 表 1 7に較べて熱電材 として使用できる範囲が狭いことがわか る o On the other hand, in the forged ingot of Table 18 obtained by stopping the forging before the die forging, it can be seen that the density ratio is lower than that of Table 17. Since the density ratio at a distance exceeding 22 mm from the center of the ingot is too low (density ratio is less than 97%), Table 18 does not show the data at a distance exceeding 22 mm. I have. At the center of the ingot (for example, at a distance of 2 mm from the center of the ingot), although the anisotropy ratio of resistance and the Seebeck constant are almost the same as the values in Table 17, the resistivity increases. (0.93 vs. 0.948) because the density ratio is lower than that in Table 17 (97.7 vs. 98.8) it is conceivable that. The reason why the power factor is lower than that in Table 17 (3.892 compared to 3.99) is also considered to be due to the effect of the decrease in the density ratio. Only at a distance of 10 mm from the center of the ingot, a power factor value of 3.6 or more can be maintained, indicating that the range of use as thermoelectric material is narrower than Table 17 O
こうした比較結果から、 配向の他に密度比が熱電性能に大きく影響を及ぼすこ とが理解される。  From these comparison results, it is understood that the density ratio in addition to the orientation greatly affects the thermoelectric performance.
また、 表 1 8に示す密度比を、 展延の途中までの密度比、 表 1 7に示す密度比 を、 展延の途中から更に型鍛造した場合の密度比と考えれば、 展延の途中で密度 比が低下したとしても、 これを更に型鍛造することにより密度比を向上、 回復さ せることができるのがわかる。  Also, considering the density ratio shown in Table 18 as the density ratio up to the middle of the spreading, and the density ratio shown in Table 17 as the density ratio in the case of further die forging from the middle of the spreading, It can be seen that even if the density ratio is reduced by the above, the density ratio can be improved and recovered by further die forging.
こうした密度比の回復は、 組成の異 る p型材料についても同様に確認された。 また、 上述した説明では、 インゴットを一軸方向に自由展延させた後、 この一 軸方向の展延を拘束する場合を想定しているが、 第 1の実施例のように二軸方向 に自由展延させた後に、 これら両方向の展延を同時に拘束するようにしてもよい。 図 3 0、 図 3 1は、 こうした両方向の展延を拘束するすえこみ装置の構成を示 している。 図 3 0は焼結インゴット 1 4が、 拘束されていない自由展延状態を示 す図であり、 図 3 1は焼結インゴッ ト 1 4が、 図面の上下左右の両ニ軸方向で展 延が拘束されている状態を示す図である。 図 3 0、 3 1の (a ) 図はすえこみ装 置の上面図、 図 3 0、 3 1の (b ) はすえこみ装置の側面図である。  This recovery of the density ratio was similarly confirmed for p-type materials with different compositions. Further, in the above description, it is assumed that the ingot is freely extended in one axial direction and then restrained in this uniaxial direction. However, as in the first embodiment, the ingot is freely extended in two axial directions. After the spreading, the spreading in these two directions may be restricted at the same time. FIG. 30 and FIG. 31 show the configuration of the upsetting device for restraining the spreading in both directions. Fig. 30 is a view showing the sintered ingot 14 in a free-spreading state in which the sintered ingot 14 is not restrained. It is a figure which shows the state in which was restrained. FIGS. 30 and 31 (a) are top views of the upsetting device, and FIGS. 30 and 31 (b) are side views of the upsetting device.
すなわち、 すえこみ装置は、 これら図 3 0、 図 3 1に示すように、 焼結インゴ ヅト 1 4が載置されるダイス 2 0と、 この焼結ィンゴヅト 1 4を上方から圧縮す るパンチ 1 8と、 矢印に示すごとく駆 されることにより焼結インゴット 1 4の 各側面にそれそれ接触し、 自由展延を阻止する 4つの側壁 1 9とから構成されて レヽる。  That is, as shown in FIGS. 30 and 31, the upsetting device includes a die 20 on which the sintered ingot 14 is placed, and a punch for compressing the sintered ingot 14 from above. 18, and four side walls 19, which are driven as shown by the arrows, come into contact with the respective side surfaces of the sintered ingot 14, and prevent free spreading.
鍛造工程の前半では、 図 3 0に示す自由展延状態で熱間鍛造が行われ、 鍛造ェ 程の後半では、 図 3 1に示すように 4つの側壁 1 9が駆動され、 これら 4つの側 壁 1 9によって焼結インゴット 1 4の二軸方向の自由展延が阻止された状態で熱 間鍛造が継続される (パンチ 1 8を下降させた状態を維持する) 。  In the first half of the forging process, hot forging is performed in the free spreading state shown in Fig. 30. In the second half of the forging process, four side walls 19 are driven as shown in Fig. 31 and these four sides are driven. Hot forging is continued in a state where the biaxial free extension of the sintered ingot 14 is prevented by the wall 19 (the state where the punch 18 is lowered).
このように鍛造工程の後半で二軸方向の自由展延を阻止した場合でも、 上述し た鍛造工程の後半で一軸方向の自由展延を阻止した実施例と同様に、 鍛造ィンゴ ットの密度比を 9 7 %以上にもっていくことができ、 熱電性能を向上させること ができる。 Thus, even when the free spreading in the biaxial direction is prevented in the latter half of the forging process, the density of the forged ingot is reduced in the same manner as in the above-described embodiment in which the free spreading in the uniaxial direction is prevented in the latter half of the forging process. Ratio of more than 97% to improve thermoelectric performance Can be.
さて、 上述した実施例では、 鍛造工程の後半を型鍛造で行うようにしているが、 すえこみ鍛造工程を行った後に、 型鍛造工程を行うような実施も可能である。 図 3 0、 図 3 1に示すすえこみ装置を用いてこれを行う場合について以下説明 する。  By the way, in the above-described embodiment, the latter half of the forging process is performed by die forging. However, it is also possible to perform the die forging process after performing the upsetting forging process. The case where this is performed using the upsetting apparatus shown in FIGS. 30 and 31 will be described below.
すなわち、 最初のすえこみ鍛造工程では、 図 3 0に示すように自由展延状態で 熱間すえこみ鍛造が行われる。 そして、 一旦パンチ 1 8を上昇させ、 焼結インゴ ット 1 4を非圧縮状態にする。 つぎの型鍛造工程では、 図 3 1に示すように 4つ の側壁 1 9が駆動され、 これら 4つの側壁 1 9によって焼結インゴッ ト 1 4の二 軸方向の自由展延が阻止された状態で パンチ 1 8が再び下降される。 こうして 焼結インゴッ ト 1 4が上下方向に圧縮され、 熱間型鍛造が行われる。  In other words, in the first upsetting forging process, hot upsetting forging is performed in a free spreading state as shown in FIG. Then, the punch 18 is once raised to bring the sintered ingot 14 into a non-compressed state. In the next die forging process, as shown in Fig. 31, the four side walls 19 are driven, and the four side walls 19 prevent the sintered ingot 14 from free spreading in the biaxial direction. The punch 18 is lowered again. Thus, the sintered ingot 14 is vertically compressed, and hot die forging is performed.
なお、 熱間すえこみ鍛造工程、 熱間型鍛造工程を複数回繰り返し行うようにし てもよい。  The hot upsetting forging step and the hot die forging step may be repeated a plurality of times.
このようにすえこみ鍛造工程に続いて型鍛造工程を行った場合でも、 上述した 鍛造工程の後半で自由展延を阻止する実施例と同様に、 鍛造インゴッ 卜の密度比 を 9 7 %以上にもっていくことができ、 熱電性能を向上させることができる。 •第 9の実施例  Thus, even when the die forging process is performed following the upsetting forging process, the density ratio of the forged ingot is increased to 97% or more, as in the above-described embodiment in which free spreading is prevented in the latter half of the forging process. The thermoelectric performance can be improved. • Ninth embodiment
つぎに、 上記 (2 ) で述べた熱電性能を向上させることができる塑性加工温度 の範囲、 上記 (3 ) で述べた熱電性能を向上させることができる塑性加工荷重の 範囲について具体例に挙げて説明する。  Next, specific examples of the range of the plastic working temperature at which the thermoelectric performance described in (2) can be improved and the range of the plastic working load at which the thermoelectric performance described in (3) can be improved will be described. explain.
下記表 1 9は、 温度、 初期荷重圧力 ¾変えた各条件 1〜 7で熱間鍛造を行った 場合のインゴット変形速度を示している。 ホッ トプレスの工程は、 第 2の実施例 と同様であり、 ホットホージの工程では第 2の実施例と同様に、 高さ (厚さ) が 3 0 mm, 幅が 4 0 mm、 展延される方向の長さが 1 8 mmの焼結インゴッ トを 切り出して、 図 9に示す一軸方向のみ自由展延させるすえこみ装置を用い、 下記 表 1 9に示す各条件下で熱間鍛造した。 表 1 9 Table 19 below shows the ingot deformation rate when hot forging was performed under the conditions 1 to 7 with the temperature, initial load pressure, and ¾ changed. The hot pressing process is the same as in the second embodiment. In the hot forging process, the height (thickness) is 30 mm and the width is 40 mm, as in the second embodiment. A sintered ingot having a length of 18 mm in the direction was cut out and hot forged under the conditions shown in Table 19 below using an upsetting device shown in FIG. Table 19
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ここで、 条件 1は、 上記第 2の実施例と同じ条件で熱間鍛造工程を行った場合 のデータである。 鍛造工程中の荷重圧力変化、 インゴット高さ変化は図 1 0に示 したとおりである。 Here, condition 1 is data when the hot forging step is performed under the same conditions as in the second embodiment. The changes in load pressure and ingot height during the forging process are as shown in FIG.
また、 下記表 2 0は、 各条件 1〜 7毎に鍛造の出発材料となる焼結インゴット の物性値を示したものである。 表 2 0  Table 20 below shows the physical property values of the sintered ingot as a starting material for forging under each of the conditions 1 to 7. Table 20
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Figure imgf000036_0002
図 2 1は、 条件 3の場合の鍛造工程中の荷重圧力変化 (破線) 、 インゴット咼 さ変化 (実線) を示しており、 図 2 2は、 条件 4の場合の鍛造工程中の荷重圧力 変化 (破線) 、 インゴッ ト高さ変化 (実線) を示しており、 図 2 3は、 条件 5の 場合の鍛造工程中の荷重圧力変化 (破 、 インゴッ ト高さ変化 (実線) を示し ており、 図 2 4は、 条件 6の場合の鍛造工程中の荷重圧力変化 (破線) 、 インゴ ット高さ変化 (実線) を示しており、 図 2 5は、 条件 7の場合の鍛造工程中の荷 重圧力変化 (破線) 、 インゴッ ト高さ変化 (実線) を示している。 Figure 21 shows the change in load pressure during the forging process (dashed line) under condition 3 and the ingot Fig. 22 shows the change in load pressure (dashed line) and the change in ingot height (solid line) during the forging process under condition 4, and Fig. 23 shows the change in condition. The change in load pressure during the forging process (break, change in ingot height (solid line)) for case 5 is shown in Fig. 24. The change in load pressure during the forging process (dashed line) for condition 6 with ingot is shown in Fig. 24. Figure 25 shows the change in load pressure (dashed line) and the change in ingot height (solid line) during the forging process under condition 7.
上記表 1 9から明らかなように温度が高くなるほど、 インゴッ ト変形速度が速 くなり、 また初期荷重圧力が同じであると、 インゴットの変形速度はほぼ同じに なるが、 鍛造の出発材料の焼結インゴットの形状によっては座屈が生じているの が、 図 2 1〜図 2 5からわかる。  As is clear from Table 19 above, the higher the temperature, the faster the ingot deformation speed.If the initial load pressure is the same, the deformation speed of the ingot becomes almost the same, but the firing of the forging starting material It can be seen from FIGS. 21 to 25 that buckling occurs depending on the shape of the ingot.
特にインゴッ トの変形速度が大きい条件の場合には、 大きな座屈がみられた。 たとえば、 インゴッ ト変形速度が大きい条件 3、 条件 7の場合には、 図 2 1、 図 2 5から明らかなように、 大きな座屈が生じているのがわかる。  In particular, when the deformation speed of the ingot was high, large buckling was observed. For example, when the ingot deformation speed is high in conditions 3 and 7, as shown in Figs. 21 and 25, it is clear that large buckling occurs.
座屈は、 インゴットの上下面の摩擦力のために上下面付近が剛体域となり、 拘 束されていない面付近が変形域となるため、 その領域の境界で変形速度の不連続 が生じ、 インゴットが樽状になり、 ついにはインゴットがこの境界でせん断され ることによって生ずる。 その後の加圧あるいは第 8の実施例で述べた自由鍛造後 の成形加圧 (型鍛造) により、 せん断によるヒビなどは回復するが、 せん断は座 屈を生じさせないためにも事前に防止する必要がある。  Buckling occurs because the upper and lower surfaces of the ingot become a rigid region due to the frictional force of the upper and lower surfaces, and the vicinity of the unconstrained surface becomes a deformation region. Is formed into barrels, which eventually result from the ingot being sheared at this boundary. Cracking etc. due to shearing is recovered by subsequent pressing or forming pressure (die forging) after free forging described in the eighth embodiment, but shearing must be prevented in advance to prevent buckling. There is.
座屈は、 鍛造の出発材料である焼結インゴッ トとして、 加圧面積に対してイン ゴヅト高さが低いものを使用することで事前に避けることができる。 ただし、 ホ —ジ比を大きくとりたい場合には、 こうした形状の焼結ィンゴットを使用するの は不利に作用することになる。  Buckling can be avoided in advance by using a sintered ingot that is a starting material for forging and having a low ingot height with respect to the pressed area. However, if it is desired to increase the housing ratio, using a sintered ingot of such a shape has a disadvantage.
下記表 2 1〜表 2 7は、 上記各条件 1〜条件 7で鍛造した後の鍛造インゴッ ト の物性値を示したものである。 表 2 1 Tables 21 to 27 below show the physical properties of the forged ingots after forging under the conditions 1 to 7 described above. Table 2 1
Figure imgf000038_0001
表 22 中央部から 抵抗率 ゼ" ック定数 密度比 抵抗率の パワーファクタ の距離 (mm) (mQcm) OiV/deg) (%) 異方性比 x10- 5 (w/cmK2)
Figure imgf000038_0001
Distance from Table 22 the central portion a power factor of resistivity Ze "click constant density ratio resistivity (mm) (mQcm) OiV / deg) (%) anisotropy ratio x10- 5 (w / cmK 2)
2 1.046 -193 98.8 2.38 3.63 2 1.046 -193 98.8 2.38 3.63
6 1.044 -199 99.2 2.46 . 3.786 1.044 -199 99.2 2.46. 3.78
10 1.058 -198 98.8 2.41 3.7110 1.058 -198 98.8 2.41 3.71
14 1.073 -198 99.2 2.34 3.6414 1.073 -198 99.2 2.34 3.64
18 1.068 -197 98.8 2.32 3.6218 1.068 -197 98.8 2.32 3.62
22 1.079 -19 98.8 2.21 3.4922 1.079 -19 98.8 2.21 3.49
26 1.120 -192 98.9 2.10 3.29 表 2 3 26 1.120 -192 98.9 2.10 3.29 Table 23
Figure imgf000039_0001
Figure imgf000039_0001
表 24 Table 24
中央部から 抵抗率 ゼ" ック定数 密度比 抵抗率の パワーファクタ の距離 (mm) (mQcm) xV/deg) (%) 異方 ffit xlO -5 (w/cmK2) Resistivity Zeck constant Density ratio Resistivity power factor distance from center (mm) (mQcm) xV / deg) (%) Anisotropic ffit xlO- 5 (w / cmK 2 )
2 1.124 -197.2 99.5 1.98 3.46 2 1.124 -197.2 99.5 1.98 3.46
6 1.081 -197.0 99.5 2.01 3.596 1.081 -197.0 99.5 2.01 3.59
10 1.1 11 一 195.5- 99.4 2.00 3.4510 1.1 11 1 195.5- 99.4 2.00 3.45
14 1.095 -195.6 99.5 2.01 3.4914 1.095 -195.6 99.5 2.01 3.49
18 1.419 -191.5 97.4 1.39 2.5918 1.419 -191.5 97.4 1.39 2.59
22 1.425 -190.7 97.6 1.08 2.5522 1.425 -190.7 97.6 1.08 2.55
26 1.593 一 190.6 94.9 1.09 2.2926 1.593 1 190.6 94.9 1.09 2.29
30 2.027 -189.0 98.1 0.66 1.76 表 25 30 2.027 -189.0 98.1 0.66 1.76 Table 25
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Figure imgf000040_0001
表 26 Table 26
中央部から ゼーベック定数 密度比 抵抗率の パワーファクタ の距離(mm) xV/deg) (%) 異方 ¾!:匕 x10-5 (w/cmK2) Distance from the center of the power factor of the Seebeck constant density ratio resistivity (mm) xV / deg) ( %) Anisotropic ¾ !: spoon x10- 5 (w / cmK 2)
2 1.051 -204 99.5 2.45 3.95 2 1.051 -204 99.5 2.45 3.95
6 1.077 -203 98.9 2.42 3.836 1.077 -203 98.9 2.42 3.83
10 1.086 -203 99.2 2.29 3.8310 1.086 -203 99.2 2.29 3.83
14 1.115 -202 99.2 2.26 3.6714 1.115 -202 99.2 2.26 3.67
18 . 1.101 -203 99.5 2.20 3.7518.1.101 -203 99.5 2.20 3.75
22 .1.118 -203 99.1 2.16 3.6822 .1.118 -203 99.1 2.16 3.68
26 1.132 -202 98.6 2.10 3.5926 1.132 -202 98.6 2.10 3.59
30 1.173 -199 98.0 1.93 3.38 表 2 7 30 1.173 -199 98.0 1.93 3.38 Table 27
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Figure imgf000041_0001
すなわち、 各条件 1〜 7で鍛造後、 4 0 0 ° Cで 2 4時間熱処理を行うことで 得られた各鍛造インゴット 1 4から図 2 0に示す測定ピースをそれそれ切り出し て、 各測定ピースについて、 抵抗率、 密度比、 抵抗率の異方性比、 ゼーベック定 数、 パワーファクタといった物性値を計測した。 その結果が上記表 2 1〜2 7に 示されている。  That is, after forging under the respective conditions 1 to 7, heat treatment was performed at 400 ° C. for 24 hours, and the measurement pieces shown in FIG. 20 were cut out from the forged ingots 14 obtained, and each measurement piece was cut out. For, physical properties such as resistivity, density ratio, resistivity anisotropy ratio, Seebeck constant, and power factor were measured. The results are shown in Tables 21 to 27 above.
測定ビース (鍛造インゴット 1 4 ) の高さ方向、 幅方向についての物性値のば らつきは殆どみられなかったが、 展延方向 Dについて各物性値の分布にばらつき がみられた。 表 2 1〜2 7では、 幅方向で平均をとり、 展延方向 Dの各距離ごと に物性値を示している。  There was almost no variation in the physical property values in the height direction and the width direction of the measurement bead (forged ingot 14), but there was variation in the distribution of the physical properties in the spreading direction D. In Tables 21 to 27, the physical properties are shown for each distance in the spreading direction D by averaging in the width direction.
表 2 0の鍛造の出発材料である焼結インゴッ トの抵抗の異方性比と、 表 2 1〜 2 7に示す鍛造後の鍛造インゴッ卜の抵抗の異方性比の値とを比較してわかるよ うに、 各条件 1〜7ともに、 鍛造インゴット中心部については、 抵抗の異方性比 が鍛造前よりも大きくなつており、 鍛造により結晶粒の配向が改善されているこ とがわかる。 例えば、 条件 2の場合、 インゴヅト中心から 2 mmの部位で 1 . Ί 0から 2 . 3 8に抵抗の異方性比が大きくなつている。  Table 20 compares the anisotropy ratio of the resistance of the sintered ingot as the starting material for forging and the values of the anisotropy ratio of the resistance of the forged ingot after forging shown in Tables 21 to 27. As can be seen, the anisotropy ratio of the resistance at the center of the forged ingot was larger than that before the forging in each of the conditions 1 to 7, indicating that the orientation of the crystal grains was improved by the forging. . For example, in the case of condition 2, the resistance anisotropy ratio is increased from 1.0 to 2.38 at a position 2 mm from the center of the ingot.
また、 各条件 ι〜7ともに鍛造することによってパワーファクタが増加してお り、 結晶粒の配向の改善により熱電性能が向上しているものと類推される。 例え ば、 条件 2の場合、 インゴヅト中心から 2 mmの部位で 3 . 2 2から 3 . 6 3に パワーファクタが大きくなつている。 In addition, it is presumed that the power factor was increased by forging in each of conditions l to 7, and that the thermoelectric performance was improved by improving the orientation of crystal grains. For example, in the case of condition 2, the distance from 3.22 to 3.63 at a position 2 mm from the center of the ingot The power factor is increasing.
この点、 条件 3、 条件 7の場合には、 鍛造インゴッ トの中心部の一部でしか配 向の改善がみられないのが、 表 2 0と表 2 3の比較結果、 表 2 0と表 2 7の比較 結果から明らかである。 たとえば、 条件 3のパワーファクタが、 鍛造後に、 鍛造 前の値 (3 . 5 3 ) よりも大きくなつているのは、 鍛造インゴッ ト中心から 6 m mの部分 (3 . 7 9 ) だけである。  In this respect, in the case of conditions 3 and 7, the orientation was improved only at a part of the center of the forged ingot.Comparative results between Table 20 and Table 23, and Table 20 This is clear from the comparison results in Table 27. For example, the power factor of Condition 3 after forging is larger than the value before forging (3.53) only in the portion 6 mm from the forged ingot center (3.79).
このことは、 上述したようにホヅトホージ工程中に大きな座屈が生じ (図 2 1、 図 2 5参照) 、 インゴットが破断、 分離し、 この分離の際に、 分離部分が回転し、 その部分の結晶の配向が変わったためであると考えられる。  This means that, as described above, large buckling occurs during the port forging process (see FIGS. 21 and 25), the ingot breaks and separates, and at the time of this separation, the separation part rotates and the part is rotated. This is probably because the orientation of the crystal changed.
ただし、 このような座屈が生じやすい鍛造条件であっても、 上述したように座 屈の生じにくい形状の焼結インゴッ ト¾使用することで、 座屈を回避でき配向を 改善することは可能である。 座屈の影響を受けにくいインゴッ トの中心の配向は、 元々よいからである。  However, even under such forging conditions where buckling is likely to occur, buckling can be avoided and orientation can be improved by using a sintered ingot with a shape that does not easily cause buckling as described above. It is. This is because the orientation of the center of the ingot, which is less susceptible to buckling, is originally good.
鍛造温度に関しては、 温度が高いほど塑性変形がすすみやすいが、 結晶粒が成 長し配向がなくなる粒成長の温度以下である必要がある。 具体的には、 この第 9 の実施例および第 1〜第 8の実施例の結果から 5 5 0 ° C以下であることが望ま しい。  Regarding the forging temperature, the higher the temperature, the easier the plastic deformation proceeds, but it must be below the grain growth temperature at which the crystal grains grow and lose their orientation. Specifically, from the results of the ninth embodiment and the first to eighth embodiments, it is desirable that the temperature is not higher than 550 ° C.
逆に、 鍛造温度が低い場合には、 塑性変形が遅くなり、 実用的ではなくなるが、 ホットプレスの焼結が可能な温度であればホージは可能である。 具体的には、 こ の第 9の実施例および第 1〜第 8の実施例の結果から 3 5 0 ° C以上であること が望ましい。  Conversely, if the forging temperature is low, plastic deformation will be slow and impractical, but forging is possible at temperatures that allow hot press sintering. Specifically, from the results of the ninth embodiment and the first to eighth embodiments, the temperature is desirably 350 ° C. or more.
鍛造時の荷重圧力に関しては、 初期猗重圧力として、 焼結インゴッ トの降伏応 力以上の力である必要がある。 しかも、 インゴット変形速度を、 座屈が生じるィ ンゴット変形速度以下にすることができる荷重圧力でなくてはならない。 具体的 には、 この第 9の実施例および第 1〜第 8の実施例の結果から 7 0 k g/ c m2以 上 3 5 0 k g/ c m2以下の範囲であることが望ましい。 Regarding the load pressure during forging, it is necessary that the initial weight of the load be equal to or higher than the yield stress of the sintered ingot. In addition, the load pressure must be such that the ingot deformation speed is lower than the ingot deformation speed at which buckling occurs. Specifically, from the results of the ninth embodiment and the first to eighth embodiments, the range is preferably from 70 kg / cm 2 to 350 kg / cm 2 .
また、 図 2 1〜図 2 5に示すように、 本実施例では、 鍛造中のインゴッ トの形 状 (高さ) 変化に応じて荷重圧力を変化させることで、 座屈を最小限に抑えるよ うにしている。 本第 9の実施例および第 1〜第 8の実施例の結果から、 座屈等を 避けるためには、 鍛造中 500 kg/dm2 を越えた荷重圧力で焼結インゴッ トを 加圧してはならないことがわかった。 In addition, as shown in FIGS. 21 to 25, in this embodiment, buckling is minimized by changing the load pressure according to the shape (height) change of the ingot during forging. Yo I'm trying. The results of this ninth embodiment and the eighth embodiment, in order to avoid buckling pressurizes the sintered Ingo' preparative loading pressure exceeding the forging in 500 kg / dm 2 is I knew it wouldn't.
ただし、 初期荷重圧力が、 70 kg/cm2以上 350 kg/cm2以下の範囲で あり、 鍛造中 500 kg/cm2 を越えない荷重圧力が望ましいというのは、 焼結 インゴッ トが座屈を生じやすい寸法の場合である。 たとえば、 上述した実施例で 想定している高さ 30mm、 幅 40mm、 展延される方向の長さ 18 mmの焼結 インゴッ トでは、 このような初期荷重圧力、 荷重圧力の範囲が望ましい。 However, initial load pressure is in the range of 70 kg / cm 2 or more 350 kg / cm 2 or less, because the load pressure not exceeding forged in 500 kg / cm 2 is desired, sintering Ingo' bets are buckling This is the case for dimensions that are likely to occur. For example, in a sintered ingot having a height of 30 mm, a width of 40 mm, and a length of 18 mm in the extending direction assumed in the above-described embodiment, such a range of the initial load pressure and the load pressure is desirable.
しかし、 以下に説明するように、 焼結インゴッ トが座屈を生じにくい寸法の場 合にあっては、 初期荷重圧力、 鍛造中の荷重圧力ともに 100 Okg/cm2以下 の範囲であれば、 座屈を生じることなく熱電性能の高い鍛造インゴットを取得す ることができる。 以下、 この実施例について説明する。 However, as described below, in the case of sintering Ingo' preparative hardly occurs buckling dimensions, the initial load pressure, be in the range of 100 Okg / cm 2 or less to the load pressure both during forging, A forged ingot having high thermoelectric performance can be obtained without buckling. Hereinafter, this embodiment will be described.
本実施例の鍛造工程では、 高さ 2 Omm、 幅 15 mm、 展延される方向の長さ 4 Ommの寸法の焼結ィンゴットを、 図 9に示す超硬合金製のすえこみ装置に設 置し、 アルゴン雰囲気中で 450。Cにて 1000 kg/cm2 の荷重圧力をもつ て、 1, 5時間、 上部から加圧焼結時の加圧方向と一致する方向に加圧し、 1軸 方向のみ自由展延させる。 In the forging process of the present embodiment, a sintered ingot having a size of 2 Omm in height, 15 mm in width, and 4 Omm in length in the extending direction was installed in a cemented carbide upsetting apparatus shown in FIG. And 450 in an argon atmosphere. C, with a load pressure of 1000 kg / cm 2 , press for 1.5 hours from the top in the direction that matches the pressing direction during pressure sintering, and freely expand only in one axial direction.
この結果、 焼結インゴットは圧縮され、 鍛造後の鍛造インゴットの寸法は、 高 さ 1 Omm、 幅 15mm、 展延方向長さ 8 Ommとなった。  As a result, the sintered ingot was compressed, and the dimensions of the forged ingot after forging were 1 Omm in height, 15 mm in width, and 8 Omm in length in the spreading direction.
次表 39は、 鍛造前の焼結インゴット (ホッ トプレス品) と、 熱間鍛造後に熱 処理した鍛造インゴヅ ト (ホットホージ品) の中心部、 端部における物性値を比 較して示す。  Table 39 below shows the physical properties of the sintered ingot (hot pressed product) before forging and the forged ingot (hot forged product) heat-treated after hot forging at the center and at the end.
表 3, ホットブレス ホットホージ中,、部 ホットホージ端都 セ' 'クク定数 (μν/Κ) —192 —192 —192 比抵抗 (m Q cm) 1.150 0.990 1.06  Table 3, Hot Breath Hot Forge, Part, Hot Forge Cham constant (μν / Κ) —192 —192 —192 Specific resistance (m Q cm) 1.150 0.990 1.06
導率 (mW/cmIO 14 14.5 14.3  Conductivity (mW / cmIO 14 14.5 14.3
性能指数 (10A-3/¾ 2.29 2.57 2.43 この表 3 9に示すように、 鍛造後の鍛造インゴッ卜の熱電性能を示す性能指数 は、 鍛造前の焼結インゴットに比較して、 向上しているのがわかる。 Figure of merit (10 A -3 / ¾ 2.29 2.57 2.43 As shown in Table 39, it can be seen that the figure of merit indicating the thermoelectric performance of the forged ingot after forging has been improved as compared to the sintered ingot before forging.
別の実施例を以下説明する。  Another embodiment will be described below.
本実施例の鍛造工程では、 高さ 8 0 mm、 幅 8 0 mm、 展延される方向の長さ 4 O mmの寸法の焼結インゴットを、 図 9に示す超硬合金製のすえこみ装置に設 置し、 アルゴン雰囲気中で 4 5 0 °Cにて 5◦ k g/ c m2 の荷重圧力をもって、 6時間、 上部から加圧焼結時の加圧方向と一致する方向に加圧し、 1軸方向のみ 自由展延させる。 In the forging process of this embodiment, a sintered ingot having a height of 80 mm, a width of 80 mm, and a length of 4 O mm in the direction in which it was extended was machined into a cemented carbide upsetting device shown in FIG. and Installation, in an argon atmosphere with a load pressure of 5◦ kg / cm 2 at 4 5 0 ° C, 6 hours, pressed in the direction that matches the upper and pressurizing direction at the time of sintering under pressure, 1 Free extension only in the axial direction.
この結果、 焼結インゴットは圧縮され、 鍛造後の鍛造ィンゴットの寸法は、 高 さ 2 0 mm、 幅 8 0 mm、 展延方向長さ 1 6 0 mmとなった。  As a result, the sintered ingot was compressed, and the dimensions of the forged ingot after forging were 20 mm in height, 80 mm in width, and 160 mm in length in the spreading direction.
次表 4 0は、 鍛造前の焼結インゴット (ホットプレス品) と、 熱間鍛造後に熱 処理した鍛造インゴット (ホッ卜ホージ品) の中心部における物性値を比較して 示す。 表 ·。 Table 40 below shows the physical properties at the center of the sintered ingot before hot forging (hot pressed product) and the hot forged ingot after hot forging (hot forged product). table ·.
Figure imgf000044_0001
この表 4 0に示すように、 鍛造後の鍛造ィンゴットの熱電性能を示す性能指数 は、 鍛造前の焼結インゴットに比較して、 向上しているのがわかる。
Figure imgf000044_0001
As shown in Table 40, it can be seen that the performance index indicating the thermoelectric performance of the forged ingot after forging is improved as compared with the sintered ingot before forging.
さらに別の実施例を以下説明する。  Another embodiment will be described below.
本実施例の鍛造工程では、 高さ 2 0 mm、 幅 1 5 mm、 展延される方向の長さ 4 0 mmの寸法の焼結インゴットを、 図 9に示す超硬合金製のすえこみ装置に設 置し、 アルゴン雰囲気中で 4 5 0 °Cにて 5 0 0 k g/ c m2 の荷重圧力をもって、 1 . 5時間、 上部から加圧焼結時の加圧方向と一致する方向に加圧し、 1軸方向 のみ自由展延させる。 この結果、 焼結インゴットは圧縮され、 鍛造後の鍛造インゴッ トの寸法は、 高 さ 1 0 mm、 幅 1 5 mm、 展延方向長さ 8 0 mmとなった。 In the forging process of the present example, a sintered ingot having a height of 20 mm, a width of 15 mm, and a length of 40 mm in the direction of extension was inserted into a cemented carbide upsetting apparatus shown in FIG. to Installation, in an argon atmosphere 4 5 0 ° with a load pressure of 5 0 0 kg / cm 2 at C, 1. 5 hours, in a direction that matches the upper and pressurizing direction during pressure sintering additive Press and freely expand only in one axis direction. As a result, the sintered ingot was compressed, and the dimensions of the forged ingot after forging became 10 mm in height, 15 mm in width, and 80 mm in length in the spreading direction.
次表 4 1は、 鍛造前の焼結インゴット (ホッ トプレス品) と、 熱間鍛造後に熱 処理した鍛造インゴッ ト (ホッ トホージ品) の中心部、 端部における物性値を比 較して示す。 表
Figure imgf000045_0001
この表 4 1に示すように、 鍛造後の鍛造インゴットの熱電性能を示す性能指数 は、 鍛造前の焼結インゴットに比較して、 向上しているのがわかる。
Table 41 below compares the physical properties of the sintered ingot (hot pressed product) before forging and the forged ingot (hot forged product) heat treated after hot forging at the center and at the end. table
Figure imgf000045_0001
As shown in Table 41, it can be seen that the figure of merit indicating the thermoelectric performance of the forged ingot after forging has been improved as compared to the sintered ingot before forging.
つぎに、 ρ型材料について同様に鍛造条件を変えて行った実施例について説明 する。  Next, a description will be given of an example in which forging conditions were similarly changed for a ρ-type material.
すなわち、 第 3の実施例と同じ組成の B i。. 4 S b 6 T e 3 の ρ型熱電半導体 材料を、 第 3の実施例と同一の製法で焼結させた。 そして、 第 3の実施例と同様 に、 高さ (厚さ) が 3 0 mm、 幅が 4 0 mm、 展延される方向の長さが 1 8 mm の焼結ィンゴットを切り出して、 図 9に示す一軸方向のみ自由展延させるすえこ み装置を用い、 下記表 2 8に示す各条件 8〜 1 2下で熱間鍛造した。 That is, Bi having the same composition as that of the third embodiment. . The 4 S b 6 T e 3 of ρ-type thermoelectric semiconductor material was sintered in the third embodiment and the same process. Then, as in the third embodiment, a sintered ingot having a height (thickness) of 30 mm, a width of 40 mm, and a length of 18 mm in the extending direction was cut out. Hot forging was performed under the conditions 8 to 12 shown in Table 28 below using the upsetting device that can freely expand only in the uniaxial direction shown in Table 2 below.
下記表 2 8は、 温度、 初期荷重圧力を変えた各条件 8〜 1 2で熱間鍛造を行つ た場合のィンゴット変形速度を示している。 表 2 8 Table 28 below shows the ingot deformation rate when hot forging was performed under the conditions 8 to 12 with the temperature and initial load pressure changed. Table 28
Figure imgf000046_0001
ここで、 条件 8は、 上記第 3の実施例と同じ条件で熱間鍛造工程を行った場合 のデ一夕である。
Figure imgf000046_0001
Here, the condition 8 is a time when the hot forging process is performed under the same conditions as the third embodiment.
また、 下記表 2 9は、 各条件 8〜 1 2毎に鍛造の出発材料となる焼結インゴッ トの物性値を示したものである。  Table 29 below shows the physical property values of the sintered ingot as the starting material for forging for each of the conditions 8 to 12.
表 2 9  Table 2 9
Figure imgf000046_0002
Figure imgf000046_0002
図 2 6は、 条件 9の場合の鍛造工程中の荷重圧力変化 (破線) 、 インゴット高 さ変化 (実線) を示しており、 図 2 7は、 条件 1 0の場合の鍛造工程中の荷重圧 力変化 (破線) 、 インゴット高さ変化 (実線) を示しており、 図 2 8は、 条件 1 1の場合の鍛造工程中の荷重圧力変化 (破線) 、 インゴット高さ変化 (実線) を 示しており、 図 2 9は、 条件 1 2の場合の鍛造工程中の荷重圧力変化 (破線) 、 インゴット高さ変化 (実線) を示している。 Figure 26 shows the change in load pressure during the forging process (dashed line) and the change in ingot height (solid line) under condition 9, and Figure 27 shows the load pressure during the forging process under condition 10. Figure 28 shows the change in load pressure (dashed line) and the change in ingot height (solid line) during the forging process under condition 11 (1). Fig. 29 shows the change in load pressure (broken line) and the change in ingot height (solid line) during the forging process under condition 12.
特にインゴットの変形速度が大きい条件の場合には、 大きな座屈がみられた。 たとえば、 インゴッ ト変形速度が大きい条件 1 0の場合には、 図 2 7から明らか なように、 大きな座屈が生じているのがわかる。 In particular, when the deformation speed of the ingot was high, large buckling was observed. For example, in the case of condition 10 where the ingot deformation speed is high, it is clear from Fig. 27. As can be seen, large buckling has occurred.
下記表 30〜表34は、 上記各条件 8〜条件 12で鍛造した後の鍛造インゴッ トの物性値を示したものである。 表 30  Tables 30 to 34 below show the physical property values of the forged ingot after forging under the above conditions 8 to 12. Table 30
Figure imgf000047_0001
Figure imgf000047_0001
表 3 1 Table 3 1
中央部から 抵抗率 ゼーベック定数 密度比 抵抗率の パワーファクタ の距雜 (mm) (mQcm) OiV/deg) (%) 異方性比 x10"5^/cmK2) From the center resistivity resistivity Seebeck constant density ratio resistivity power factor distance (mm) (mQcm) OiV / deg) (%) anisotropy ratio x10 " 5 ^ / cmK 2 )
2 0.804 191 99.9 1.52 4.51  2 0.804 191 99.9 1.52 4.51
6 . 0.823 191 100.2 1.43 4.46  6.0.823 191 100.2 1.43 4.46
10 0.863 191 98.7 1.28 4.21  10 0.863 191 98.7 1.28 4.21
14 0.871 192 100.7 1.35 4.25  14 0.871 192 100.7 1.35 4.25
18 0.91 1 195 98.0 1.33 4.16  18 0.91 1 195 98.0 1.33 4.16
22 0.963 195 96.1 1.26 3.95  22 0.963 195 96.1 1.26 3.95
26 1.072 196 95.2 1.16 3.60 表 3 2 26 1.072 196 95.2 1.16 3.60 Table 3 2
Figure imgf000048_0001
Figure imgf000048_0001
表 3 3 Table 3 3
中央部から 抵抗率 ゼ一^ック定数 密度比 抵抗率の パワーファクタ の距離 (mm) (mQcm) OiV/deg) (%) 異方性比 x10~5(w/cmK2) From the center Resistivity Specific constant Density ratio Distance of resistivity power factor (mm) (mQcm) OiV / deg) (%) Anisotropy ratio x10 ~ 5 (w / cmK 2 )
2 0.846 197 99.9 1.57 4.60 2 0.846 197 99.9 1.57 4.60
6 0.850 197 98.4 1.57 4.566 0.850 197 98.4 1.57 4.56
10 0.879 196 98.6 1.49 4.3910 0.879 196 98.6 1.49 4.39
14 0.927 197 99.1 1.38 4.1814 0.927 197 99.1 1.38 4.18
18 0.914 197 98.7 1.41 4.2318 0.914 197 98.7 1.41 4.23
22 1.950 196 97.8 1.52 4.0322 1.950 196 97.8 1.52 4.03
26 1.191 197 93.0 1.14 3.25 26 1.191 197 93.0 1.14 3.25
表 3 4 Table 3 4
Figure imgf000049_0001
Figure imgf000049_0001
すなわち、 各条件 8 1 2で鍛造後、 得られた各鍛造インゴッ ト 1 4から図 2 0に示す測定ビースをそれそれ切り出して、 各測定ピースについて、 抵抗率、 密 度比、 抵抗率の異方性比、 ゼーベック 数、 パワーファクタといった物性値を計 測した。 その結果が上記表 3 0 ~ 3 4に示されている。 That is, after forging under the respective conditions 8 12, the measurement beads shown in FIG. 20 were cut out from each of the obtained forged ingots 14, and the difference in resistivity, density ratio, and resistivity was measured for each measurement piece. Physical properties such as anisotropy ratio, Seebeck number, and power factor were measured. The results are shown in Tables 30 to 34 above.
測定ピース (鍛造ィンゴット 1 4 ) の高さ方向、 幅方向についての物性値のば らつきは殆どみられなかつたが、 展延方向 Dについて各物性値の分布にばらつき がみられた。 表 3 0 3 4では、 幅方向で平均をとり、 展延方向 Dの各距離ごと に物性値を示している。  Although there was almost no variation in the physical property values of the measuring piece (forged ingot 14) in the height direction and the width direction, the distribution of the physical property values in the spreading direction D varied. In Table 304, the average is taken in the width direction, and the physical properties are shown for each distance in the spreading direction D.
表 2 9の鍛造の出発材料である焼結インゴッ 卜の抵抗の異方性比と、 表 3 0 3 4に示す鍛造後の鍛造ィンゴットの抵抗の異方性比の値とを比較してわかるよ うに、 各条件 8 1 2ともに、 鍛造インゴッ ト中心部については、 抵抗の異方性 比が鍛造前よりも大きくなっており、 鍛造により結晶子の配向が改善されている ことがわかる。  It can be seen by comparing the anisotropy ratio of the resistance of the sintered ingot which is the starting material for forging in Table 29 with the anisotropy ratio of the resistance of the forged ingot after forging shown in Table 334. Thus, the anisotropy ratio of the resistance at the center of the forged ingot was larger than that before the forging under each of the conditions 8 1 and 2, indicating that the orientation of the crystallite was improved by the forging.
また、 n型材料に比較して、 p型材料の場合には、 配向の改善がみられる範囲 が鍛造インゴッ卜の端部へと拡がっており、 n型材料ほど座屈の影響は少なく、 配向がより改善されているのがわかる。  In addition, in the case of p-type material, the range of improvement in orientation is larger at the end of the forged ingot in the case of p-type material than in n-type material. It can be seen that is improved.
なお、 上述した第 4〜第 9の実施例では、 主に、 B i 2 T 系熱電半導体材料 を例にとり説明したが、 B i S b系熱電半導体材料について実施した場合にも同 様の結果が得られる。 In the fourth to ninth embodiments, the Bi 2 T-based thermoelectric semiconductor material is mainly used. However, similar results can be obtained when the present invention is applied to a BiSb-based thermoelectric semiconductor material.
なお、 上述した第 1〜第 9の実施例では, B i 2 T e 3系熱電半導体および B i S b系熱電半導体について説明したが、 他の菱面体を有する熱電半導体材料にも 適用可能である。 In the first to ninth embodiments described above, B i 2 T e 3 based thermoelectric semiconductor and B i have been described S b based thermoelectric semiconductor, it can be applied to the thermoelectric semiconductor material having other rhombohedral is there.
なお、 本実施例では、 主として、 ホッ トプレス (加圧焼結) によって得られた 粉末焼結体を、 熱間すえこみ鍛造する場合を想定して説明したが、 この発明とし てはこれに限定されるわけではない。  In the present embodiment, the description has been made mainly on the assumption that the powder sintered body obtained by hot pressing (pressure sintering) is hot upset forged. However, the present invention is not limited to this. It is not done.
固溶体粉末を加圧した加圧体を熱間すえこみ鍛造してもよく、 固溶体粉末を、 加圧した後、 焼結させた焼結体を熱間すえこみ鍛造してもよい。 さらには、 比較 例で示したように、 材料を溶融し、 凝固させたもの (溶製材) を所望の固溶体ブ ロックとして切り出し、 これを直接、 熱間すえこみ鍛造してもよい。  The pressurized body obtained by pressing the solid solution powder may be hot upset forged, or the sintered body obtained by pressing the solid solution powder and then sintered may be hot upset forged. Further, as shown in the comparative example, a material obtained by melting and solidifying a material (melted material) may be cut out as a desired solid solution block, and this may be directly subjected to hot upsetting forging.
また、 本実施例では、 熱電半導体材料を熱間鍛造で得る場合を想定して説明し たが、 本実施例で説明した熱間鍛造方法は、 あらゆる材料に適用可能である。 この発明の熱間鍛造の適用対象材料としては、 六方晶構造、 層状構造、 または タングステンブロンズ構造からなる磁性材料、 誘電体材料、 超伝導体材料が含ま れ、 たとえばビスマス層状構造強誘電体、 ビスマス層状構造高温超伝導体などが 挙げられる。  Further, in the present embodiment, description has been made on the assumption that the thermoelectric semiconductor material is obtained by hot forging, but the hot forging method described in the present embodiment can be applied to any material. The materials to which the hot forging of the present invention is applied include magnetic materials, dielectric materials, and superconductor materials having a hexagonal structure, a layered structure, or a tungsten bronze structure, such as a bismuth layered structure ferroelectric and bismuth. High-temperature superconductors having a layered structure are exemplified.
以上説明してきたように、 この発明の方法によれば配向性が高く製造歩留まり の高い熱電半導体材料を得ることが可能となる。  As described above, according to the method of the present invention, it is possible to obtain a thermoelectric semiconductor material having a high orientation and a high production yield.

Claims

請 求 の 範 囲 The scope of the claims
1 . 所望の組成をもつように材料粉末を混合し、 加熱溶融せしめる加熱工程と、 菱面体構造 (六方晶構造) を有する熱電半導体材料の固溶インゴットを形成す る凝固工程と、 1. A heating step of mixing and heating and melting the material powders to have a desired composition; a solidification step of forming a solid solution ingot of a thermoelectric semiconductor material having a rhombohedral structure (hexagonal structure);
前記固溶体ィンゴットを粉砕し固溶体粉末を形成する粉砕工程と、  A crushing step of crushing the solid solution ingot to form a solid solution powder,
前記固溶体粉末の粒径を均一化する整粒工程と、  A sizing step for uniformizing the particle diameter of the solid solution powder,
粒径の均一となった前記固溶体粉末を加圧焼結せしめる焼結工程と、  A sintering step of pressure-sintering the solid solution powder having a uniform particle size,
この粉末焼結体を熱間で塑性変形させ、 前記焼結工程における加圧方向と垂直 に加圧しつつ展延することで、 粉末焼結組織の結晶粒を性能指数の優れた結晶方 位に配向せしめる熱間すえこみ鍛造工程とを含むことを特徴とする熱電半導体材 料の製造方法。  The powder sintered body is plastically deformed by heat and spread while being pressed perpendicularly to the pressing direction in the sintering step, so that the crystal grains of the powder sintered structure are brought into a crystal orientation having an excellent figure of merit. A method for producing a thermoelectric semiconductor material, comprising: a hot upsetting forging step for orienting.
2 . 所望の組成をもつように材料粉末を混合し、 加熱溶融せしめる加熱工程と、 菱面体構造 (六方晶構造) を有する熱電半導体材料の固溶インゴットを形成す る凝固工程と、  2. A heating step of mixing and heating and melting the material powders to have a desired composition, a solidification step of forming a solid solution ingot of a thermoelectric semiconductor material having a rhombohedral structure (hexagonal structure),
前記固溶体ィンゴットを粉砕し固溶体粉末を形成する粉碎工程と、  A crushing step of crushing the solid solution ingot to form a solid solution powder,
前記固溶体粉末の粒径を均一化する整粒工程と、  A sizing step for uniformizing the particle diameter of the solid solution powder,
粒径の均一となつた前記固溶体粉末を加圧焼結せしめる焼結工程と、  A sintering step of pressure-sintering the solid solution powder having a uniform particle size,
この粉末焼結体を熱間で塑性変形させ、 前記焼結工程における加圧方向と一致 する方向に加圧しつつ展延し、 その後前記焼結工程における加圧方向と垂直方向 に展延することで、 粉末焼結組織の結晶粒を性能指数の優れた結晶方位に配向せ しめる熱間すえこみ鍛造工程とを含むことを特徴とする熱電半導体材料の製造方  The powder sintered body is plastically deformed by heating, and is spread while being pressed in a direction coinciding with the pressing direction in the sintering step, and is then spread in a direction perpendicular to the pressing direction in the sintering step. A hot upsetting forging process for orienting the crystal grains of the powder sintered structure in a crystal orientation having an excellent figure of merit.
3 . 所望の組成をもつように材料粉末を混合し、 加熱溶融せしめる加熱工程と、 菱面体構造 (六方晶構造) を有する熱電半導体材料の固溶インゴットを形成す る凝固工程と、 3. A heating step of mixing and heating and melting the material powders to have a desired composition; a solidification step of forming a solid solution ingot of a thermoelectric semiconductor material having a rhombohedral structure (hexagonal structure);
前記固溶体ィンゴットを粉砕し固溶体粉末を形成する粉砕工程と、  A crushing step of crushing the solid solution ingot to form a solid solution powder,
前記固溶体粉末の粒径を均一化する整粒工程と、 粒径の均一となつた前記固溶体粉末を加圧焼結せしめる焼結工程と、 A sizing step for uniformizing the particle diameter of the solid solution powder, A sintering step of pressure-sintering the solid solution powder having a uniform particle size,
この粉末焼結体を熱間で塑性変形させ、 前記焼結工程における加圧方向と垂直 方向に加圧しつつ展延し、 その後前記焼結工程における加圧方向と一致する方向 に展延することで、 粉末焼結組織の結晶粒を性能指数の優れた結晶方位に配向せ しめる熱間すえこみ鍛造工程とを含むことを特徴とする熱電半導体材料の製造方 法。  This powder sintered body is plastically deformed by heat, spread while pressing in a direction perpendicular to the pressing direction in the sintering step, and then spread in a direction coinciding with the pressing direction in the sintering step. A hot upsetting forging process for orienting the crystal grains of the powdered sintered structure in a crystal orientation having an excellent figure of merit.
4 . 所望の組成をもつように材料粉末を混合し、 加熱溶融せしめる加熱工程と、 菱面体構造 (六方晶構造) を有する熱電半導体材料の固溶インゴットを形成す る凝固工程と、  4. A heating step of mixing and heating and melting the material powders to have a desired composition, and a solidification step of forming a solid solution ingot of a thermoelectric semiconductor material having a rhombohedral structure (hexagonal structure).
前記固溶体ィンゴットを粉砕し固溶体粉末を形成する粉碎工程と、  A crushing step of crushing the solid solution ingot to form a solid solution powder,
前記固溶体粉末の粒径を均一化する整粒工程と、  A sizing step for uniformizing the particle diameter of the solid solution powder,
粒径の均一となった前記固溶体粉末を加圧焼結せしめる焼結工程と、  A sintering step of pressure-sintering the solid solution powder having a uniform particle size,
この粉末焼結体を熱間で、 1 0 0 0 k g/ c m2以下の初期荷重圧力で、 塑性変 形させ、 展延することで、 粉末焼結組織の結晶粒を性能指数の優れた結晶方位に 配向せしめる熱間すえこみ鍛造工程とを含むことを特徴とする熱電半導体材料の 製造方法。 This powder sintered body is plastically deformed and spread by hot under an initial load pressure of 1000 kg / cm 2 or less, so that the crystal grains of the powder sintered structure have excellent performance index. A hot upsetting forging process for orienting in a direction.
5 . 所望の組成をもつように材料粉末を混合し、 加熱溶融せしめる加熱工程と、 菱面体構造 (六方晶構造) を有する熱電半導体材料の固溶インゴットを形成す る凝固工程と、  5. A heating step of mixing and heating and melting the material powders so as to have a desired composition; a solidification step of forming a solid solution ingot of a thermoelectric semiconductor material having a rhombohedral structure (hexagonal structure);
前記固溶体ィンゴットを粉砕し固溶体粉末を形成する粉砕工程と、  A crushing step of crushing the solid solution ingot to form a solid solution powder,
前記固溶体粉末の粒径を均一化する整粒工程と、  A sizing step for uniformizing the particle diameter of the solid solution powder,
粒径の均一となった前記固溶体粉末を加圧焼結せしめる焼結工程と、  A sintering step of pressure-sintering the solid solution powder having a uniform particle size,
この粉末焼結体を熱間で、 1 0 0 0 k g/ c m2以下の荷重圧力で、 塑性変形さ せ、 展延することで、 粉末焼結組織の結晶粒を性能指数の優れた結晶方位に配向 せしめる熱間すえこみ鍛造工程とを含むことを特徴とする熱電半導体材料の製造 方法。 The powder sintered body is plastically deformed and spread under heat at a load pressure of 100 kg / cm 2 or less, so that the crystal grains of the powder sintered structure have a crystal orientation with an excellent figure of merit. A hot upsetting forging process for orienting the thermoelectric semiconductor material.
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