JP2774386B2 - 立方晶窒化ほう素焼結体の製造方法 - Google Patents

立方晶窒化ほう素焼結体の製造方法

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JP2774386B2 JP3025239A JP2523991A JP2774386B2 JP 2774386 B2 JP2774386 B2 JP 2774386B2 JP 3025239 A JP3025239 A JP 3025239A JP 2523991 A JP2523991 A JP 2523991A JP 2774386 B2 JP2774386 B2 JP 2774386B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は触媒を使用しない静的高
圧高温法による立方晶窒化ほう素(cBN) 焼結体の製造方
法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】窒化ほう素(BN)の高圧相であるcBNは
ダイヤモンドに次ぐ硬さおよび熱伝導率を有し、しかも
化学的に安定であることから、鉄系金属の機械加工用工
具や半導体デバイスの放熱基板としての利用が進められ
ている。
【0003】一般にcBNは窒化ほう素の低圧相である
六方晶BN(hBN)又は乱層構造BN(tBN)をcBNの熱
力学安定条件下に保持することによって製造される。c
BNの熱力学的安定条件を得る方法として静的超高温高
圧処理を用いる場合には、転換圧力および温度条件を例
えば6.5 GPa および2000℃以上にすればよい。
【0004】触媒や焼結助剤を用いない無触媒直接転換
法(以下、直接転換法という)によると、得られたcB
N焼結体は微細粒子から構成された多結晶体となり、高
硬度、高純度、高熱伝導性、高靭性などの特長を有する
ので、優れた性能を発揮する工具材料および放熱基板と
して期待される。
【0005】特公昭63−394 号公報には、cBN焼結体
に亀裂、欠け等を発生させることなく、切削性および熱
伝導性に優れたcBN焼結体を直接転換法によって製造
する際に、原料円板の円周端縁を面取り又は斜切りする
ことが提案されている。しかし、この方法では、原料円
板を超高圧空間に充填した際に、面取り又は斜切りした
部分に空隙ができて高価な超高圧空間の利用効率が悪く
なり、しかも得られた焼結体の形状が角のないものに制
約されてしまい、特に工具等として使用する場合には研
磨加工等で切断刃先を出すための加工費が大きくなる等
の問題があった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、直接
転換法によって、亀裂、欠け等のないcBN焼結体を超
高圧空間の利用効率を高めて製造することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明者らは直接転換法
によるcBN焼結体の製造方法、特に原料として使用す
る低圧相窒化ほう素の高温高圧処理条件について種々検
討した結果、原料の低圧相窒化ほう素成形体の間にカー
ボン膜又はカーボン板を介在させて高温高圧処理を行う
ことによって、従来よりも著しく効率的に、亀裂、欠け
等のないcBN焼結体を製造することができることを見
出し、本発明を完成させたものである。
【0008】すなわち、本発明は、触媒を使用せずに原
料の低圧相窒化ほう素成形体を静的超高圧高温で処理し
て立方晶窒化ほう素焼結体を製造するにあたり、前記原
料成形体の間にカーボン膜又はカーボン板を介在させて
前記処理を行うことを特徴とする立方晶窒化ほう素焼結
体の製造方法である。
【0009】以下に、本発明をさらに詳しく説明する。
本発明において原料として使用する低圧相窒化ほう素成
形体(以下、単に原料成形体という)は例えば次の方法
のいずれかによって製造される。 1) hBN,tBN,rBNの単体又はその混合物から
なる粒子を所望の形状に成形する。 2) hBN,tBN,rBNの単体又はその混合物から
なる粒子を所望の形状に成形した後、焼結する。 3) 熱分解窒化ほう素(PBN)であるhBN、tB
N、rBNの単体又はその混合物からなる板から所望の
形状に切り出す。
【0010】hBNおよびtBNの粒子、板等は工業的
に広く生産されている物質であり容易に入手することが
できる。またrBN粒子についても例えば特公昭60−22
44号公報に記載のように、酸素を含むほう素化合物とシ
アンガスとの反応により合成することができる。rBN
板については、rBN粒子を加圧成形、又は例えば特公
昭64−3948号公報に記載のように、ほう素源ガスおよび
窒素源ガスを加熱基体上に供給し、沈積させることによ
って合成することができる。hBNおよび/又はtBN
と共にrBNを析出させることにより得られるPBN
は、例えば特公昭64−3948号公報の実施例2によって製
造することができる。
【0011】本発明においては、原料成形体の間にカー
ボン膜又はカーボン板を介在させる方法としては、例え
ば次の方法を挙げることができる。 1)原料成形体表面にカーボンスプレーを噴霧してカー
ボン膜を形成させる。 2)原料成形体表面にタール、ピッチ等の流動性カーボ
ン又はカーボン粉末を溶媒に溶解又は分散させたものを
塗布してカーボン膜を形成させる。 3)原料成形体をカーボン製ヒーター内に入れ、原料成
形体の上下にカーボン板を配置する。原料成形体が複数
枚である場合には、各原料成形体の上下にカーボン板を
配置し、それぞれの原料成形体の間にカーボン板を介在
させるようにする。 原料成形体の間に介在させるカーボン膜およびカーボン
板の厚さは、特に限定されるものではないが、好ましく
は0.1 μm 〜2mmである。その理由は、カーボン膜が薄
すぎると亀裂、欠け等を防止する効果が小さく、また厚
すぎると超高圧高温反応器の利用効率が低下するからで
ある。
【0012】ここに「カーボン」とは、広く炭素質物質
全般を意味し、グラファイトでも非晶質でもよい。ま
た、カーボンスプレーとは、カーボン粉末を溶媒等に溶
解又は分散させて噴霧できるようにしたものであって、
原料成形体に噴霧後溶媒を除去することによってその表
面にカーボン膜を形成できるものであればよい。スプレ
ー中に含まれるカーボン粒子の大きさ、濃度、スプレー
に用いられる溶媒、ガス等は特に限定されるものではな
い。市販されているカーボンスプレーとしては、例え
ば、「dgf123」 (ミラクル・パワー・プロダクト( MIRA
CLEPOWER PRODUCTS)社製商品名) がある。また、タール
およびピッチは市場で一般に入手できるものであればよ
く、グレード等は特に限定されるものではない。タール
およびピッチは、塗布、乾燥等を容易にするために適当
な有機溶媒、例えばベンジン等の揮発油に溶かし、刷毛
等で塗布可能な粘度に調整して用いる。カーボン板はグ
ラファイト質でも、非晶質のものでも良く,板の形状で
市場で入手してもよく、また塊状のカーボンから板の形
状に加工してもよい。
【0013】上述のようにして、原料成形体は該成形体
の間にカーボン膜又はカーボン板が介在している状態で
ベルト型高温高圧発生装置に充填され、まず圧力を続い
て温度を上昇させ、所定の温度および圧力において一定
時間保持して高温高圧処理を行う。その条件の一例をあ
げれば、圧力6.5 万気圧、温度2000℃以上、保持時間5
分〜1時間である。処理後はまず温度を続いて圧力をそ
れぞれ室温および1気圧まで戻し、cBN焼結体を取り
出す。
【0014】
【作用】本発明によって得られたcBN焼結体に亀裂お
よび欠け等が発生しない理由は、以下のように考えられ
る。
【0015】原料成形体間にカーボン膜又はカーボン板
を介在させずに、原料成形体を従来のように互いに直接
接触させた状態で高温高圧処理すると、原料成形体の内
部でcBNへの転換および焼結が進行する一方で各原料
成形体の界面でも焼結が起こり、成形体は互に癒着す
る。このような癒着が起こると、降温・降圧時に発生す
る内部応力、反応容器等の変形による外部からの摩擦力
等により、引張・圧縮・剪断等の複雑な力がcBN焼結
体に作用してもそれを緩和することができず、焼結体に
亀裂、欠け等が発生する。これに対し、原料成形体の間
にカーボン膜又はカーボン板を介在させて焼結すると成
形体相互の癒着が起こらないので、このような問題を回
避することができる。
【0016】しかも、カーボンは次の性質をもってお
り、本発明を実施するのに最適な物質である。 1) 本発明のような高温高圧処理条件においては、相変
態等を起こすことなく安定である。 2) BNと反応せず、しかもhBNからcBNへの転換
を阻害しない。 3) 固体潤滑剤の作用を持っているので、cBN焼結体
と反応容器等との間に発生する摩擦力を低減する。
【0017】
【実施例】以下に、本発明を実施例および比較例につい
てさらに具体的に説明する。実施例1 市販のPBN板から直径20mm、厚さ1mmの円板を切り出
して原料成形体とした。この原料成形体表面に市販のカ
ーボンスプレー (ミラクル・パワー・プロダクト社製商
品名「dgf123」) を噴霧し、常温で乾燥してカーボン膜
を形成させた。
【0018】上記カーボン膜を形成させた原料成形体を
内径20mmのグラファイト製ヒーター内に20枚積み重ねて
充填し、ベルト型高温高圧発生装置内に設置した。その
後、まず圧力を7.5GPaに続いて温度を2300℃に上昇して
30分間高温高圧処理した後、まず圧力を続いて温度をそ
れぞれ室温および1気圧まで戻し、焼結体を取り出し、
亀裂および欠けの状態を肉眼で観察した。その結果を表
1に示す。
【0019】
【表1】
【0020】比較例1 この例は、原料成形体表面にカーボン膜を形成させなか
った点を除き、実施例1と同様に行った。
【0021】実施例2 この例は、カーボンスプレーのかわりにタールを塗布し
た点を除き、実施例1と同様に行った。タールは10倍の
ベンジンで溶解希釈して使用した。
【0022】実施例3 この例は、カーボンスプレーのかわりにピッチを塗布し
た点を除き、実施例1と同様にして行った。ピッチは10
倍のベンジンで溶解希釈して使用した。
【0023】実施例4 この例は、実施例1と同一の原料成形体14枚と、直径20
mm、厚さ0.5mm のグラファイト円板13枚とを、内径20mm
のグラファイト製ヒーター内に交互に積み重ねて充填し
た点を除き、実施例1と同様に行った。
【0024】実施例5 この例は、原料成形体として、PBN板のかわりにPB
N粒子の加圧成形体を用いた点を除き、実施例1と同様
に行った。
【0025】実施例6 この例は、原料成形体としてPBN板のかわりにhBN
粒子の加圧成形体を用いた点を除き、実施例1と同様に
行った。
【0026】実施例7 この例は、原料成形体としてPBN板のかわりにhBN
粒子の焼結体を用いた点を除き、実施例1と同様に行っ
た。
【0027】実施例8 この例は、高温高圧処理条件を温度2000℃、圧力6.5 GP
a 、保持時間60分とした点を除き、実施例1と同様に行
った。
【0028】実施例9 この例は、高温高圧処理条件を温度2400℃、圧力8.5 GP
a 、保持時間5分とした点を除き、実施例1と同様に行
った。
【0029】比較例2〜6 これらの例は、原料成形体表面にカーボン膜を形成させ
なかった点を除き、実施例5〜9と同様に行った。
【0030】
【発明の効果】本発明によれば、亀裂、欠け等のないc
BN焼結体を直接転換法により効率よく製造することが
できる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 丹治 宏彰 東京都町田市旭町3丁目5番1号 電気 化学工業株式会社 総合研究所内 (56)参考文献 特開 平1−208371(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C04B 35/583 B01J 3/06

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 触媒を使用せずに原料の低圧相窒化ほう
    素成形体を静的超高圧高温で処理して立方晶窒化ほう素
    焼結体を製造するにあたり、 前記原料成形体の間にカーボン膜又はカーボン板を介在
    させて前記処理を行うことを特徴とする立方晶窒化ほう
    素焼結体の製造方法。
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