JPS61117107A - 非晶質窒化ホウ素粉末およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は、粒子がＷ１＃１球状である非晶質窒化ホウ素
（以下、ａ−ＢＮという）粉末とその製造方法に関し、
更に詳しくは、この粉末を用いて焼結体を製造したとき
、その焼結体が空孔の少ない緻密構造体になり１組織も
均一になる球状ａ−ＢＮとその製造方法に関する。

［発明の技術的背景とその問題点］ 窒化ホウ素の焼結体は、ファインセラミックスの１つと
して最近とみに注目を集めている。これらの焼結体とし
ては、立方晶窒化ホウ素（以下、ｃ−ＢＮという）焼結
体、ウルツ型窒化ホウ素（以下、ｗ−ＢＮという）の各
焼結体があり、他に大方晶窒化ホウ素（以下、ｈ−ＢＮ
という）焼結体が知られている。これらのうちとくに、
Ｃ−ＢＨの焼結体は高硬度、耐摩耗性に優れた素材とし
て脚光を浴び工具用材料の用途分野への展望が開けてい
る。また、これは一方では極めて高い熱伝導性と電気抵
抗を兼ね備えているため、高密度集積回路におけるヒー
トシンク材料として大きな期待がもたれている。

このｃ−ＢＮ焼結体は大別して次の２つの方法で製造さ
れている。その第１の方法は、Ｃ−ＢＮの粉末を耐圧、
耐熱性の型内に充填して超高圧・高温下（例えば、　５
ＧＰａ以上、Ｉ２００℃以上）で焼結したり、又は、ｃ
−ＢＮの粉末と　Ｔｉ。

Ｓｉ、　　Ａｎ、　　ＡＩＮなどの触媒若しくはこの触
媒とＴｉＮ、　Ａｎ　２０３を主体とする結合材とを混
合し、この混合粉末を同じく耐圧、耐熱性の型内に充填
して超高圧・高温下で焼結したりする。いわゆるＣ−Ｂ
Ｎ粉末を原料とする方法である。第２の方法は、ｃ−Ｂ
Ｎ以外の窒化ホウ素の粉末、すなわち前述したｈ−ＢＮ
又はａ７ＢＮの粉末を出発原料とし、これを上記したよ
うな結合材と混合したのち、超高圧・高温下で処理して
、窒化ホウ素なｃ−ＢＮに転換すると同時に全体を焼結
するという方法である。

これら２つの方法のうち、後者の方法の場合には、窒化
ホウ素からｃ−ＢＮへの転換率が１００％ではなく、未
転換の窒化ホウ素が残留し、得られた焼結体の特性を著
しく低下せしめるという問題が避けられない。

そのため、実際には前者の方法で主としてＣ−ＢＮ焼結
体は製造されている。

この前者の方法にあっては、出発原料はＣ−ＢＮである
。したがって、前提問題としてＣ−ＢＮの合成が重要な
ファクターとなる。

現在のところ、ｃ−ＢＮの合成に関しては、主に、ｈ−
ＢＮを超高圧Φ高温下で処理してＣ−ＢＮに転換すると
いう方法が採られている。

しかしながら、その転換率は一般に低い、それは、ｈ−
ＢＮに物理的φ化学的に吸着している酸素又は化学的に
結合している酸素成分の影響に起因するためであること
が明らかとなっている。

ｈ−ＢＮからｃ−ＢＮの転換率を高めるために１種々の
研究が重ねられているが１本発明者らは、ｈ−ＢＮから
ｃ−ＢＮを合成する際に合成触媒としての窒化アルミニ
ウムを介在せしめるとその転換率が向上するとの事実を
見出しこれを既に発表した（粉体粉末冶金協会、昭和５
７年度秋季大会講演概要集、　１００〜１０１頁参照）
。

更に研究を進め、ｈ−ＢＮの結晶性と転換率との関係に
つき研究を重ねた結果、ｈ−ＢＮの結晶化度が小さいも
のほどｃ−ＢＮへの転換率が高くなることを確認し、そ
れを既に発表した（粉体粉末冶金協会、昭和５８年度春
季大会講演概要集、８６頁〜８７頁参照）。

このようなことから、ｃ−ＢＮの合成に関しては、結晶
化度の小さいｈ−ＢＮを出発原料として用いてもよいが
、そのこと以上に、出発原料がａ−ＢＮである場合には
、更に高い転換率でＣ−ＢＮを合成できることが明らか
となった。

以上の知見の上に立って１本発明者らはａ−ＢＮの原料
になり得る化合物を追究したところ。

ボラジン又はボラジン誘導体を加圧子熱分解するとｃ−
ＢＮへの転換率の高いａ−ＢＮを得ることができるとの
事実を見出し、その方法を既に特願昭５１−１００８８
２号として出願した。

ところで、ａ−ＢＮをｃ−ＢＮに転換し、得られたｃ−
ＢＮを用いてその焼結体を製造する際には、このｃ−Ｆ
ＩＮ粉末を所定の型内に充填して焼結する。このとき、
得られる焼結体が空孔のない緻密質のものになるか否か
又は偏析がなく均一な組織構造になるか否かという問題
には、適用する焼結条件と合わせてｃ−ＢＮ粉末の特性
又は形状も重要な因子として作用する。

また、ａ−ＢＮ粉末を直接型の中に充填し、高圧ｅ高温
下において、ａ−ＢＮをｃ−ＢＮに転換しながら焼結す
る場合にも、上記したと同様の理由によって、用いるａ
−ＢＮ粉末は個々の粒子が微細な球状体であることが好
ましい。

一方、ｈ−ＢＮ焼結体は軟質ではあるが、しかし軟質で
あるがゆえに機械加工性、潤滑性が優れ、そしてまた化
学安定性、高熱伝導性、高電気絶縁性という特性を備え
ている。従来、ｈ−ＢＮ焼結体は、ｈ−ＢＮ粉末を出発
原料とし潤滑剤及び焼結助剤と共に焼結して製造されて
いるが、このような焼結体は高密度ではなく、せいぜい
理論密度の８０〜８５％程度のものでしかない。

ｈ−ＢＮ焼結体の製造時にあっ°ても、上記したｃ−Ｂ
Ｎ焼結体の製造の場合と同様に、その原料粉末は微細で
かつ球状であることが好ましい。

しかしながら、現在までのところそのような機側球状の
ａ−ＢＮ粉末は開示されていないし、また、その製造方
法も知られていない。

［発明の目的］ 本発明は、木発明者らが開発した前記特願昭５９−１０
０８８２号の方法を基礎にして製造される窒化ホウ素の
粒子が微細で球状のａ−ＢＮ粉末とその製造方法の提供
を目的とする。

［発明の概要コ 本発明のａ−ＢＮ粉末は粉末粒子の形状が球状であるこ
とを特徴とし、例えばその球状のａ　−ＢＮは、ボラジ
ン又はボラジン誘導体の群から選ばれる少なくとも１種
の化合物を、圧力ｌＯ〜１００ＭＰａ、温度２００−３
５０℃２時間５〜３０分の条件で加圧子熱分解すること
によって得ることができる。

本発明のａ−ＢＮ粉末は粒子形状が球状である。その粒
径は、通常ｌ〜４ｐｍと微細である。

したがって、流動性に富むため焼結体の製造時には型内
への充填性が優れ、他の添加物との混合性も良好なので
作業性も良好である。また焼結時にあっては、微細で水
素を含有しているのでそれ自体が焼結の促進効果を備え
ていて１ｗｋ密で均一な組織の焼結体となり得る。

このａ−ＢＮ粉末は次のようにして製造することができ
る。

まず、原料は１次式： で示されるボラジン若しくは後述のボラジン誘導体の１
種又はこれらを２種以上適宜に混合して成る混合物であ
る。これらのうち、 ボラジン誘導体としては、例えば１次式：で示されるボ
ラシナフタリン、次式： で示されるボラノビ２エニル５次式： で示される２、４−ジアミノボラ０ジンをあげることが
できる。好ましい原料はボラジンである。

これらの原料は、酸素、炭素を含有していないことが重
要である。なぜならば酸素は前述したようにｃ−ＢＮへ
の転換率を低下せしめる因子として作用するからであり
、また、炭素は後述の条件下で熱分解処理を施したとき
にａ−ＢＨ内に残留するからである。このような炭素を
含有するａ−ＢＮを原料として高圧・高温下でｃ−ＢＮ
を合成した場合、この炭素が黒鉛に転換してｃ−ＢＨ内
に残留し、モしてｃ−ＢＮ焼結体の特性低下をもたらす
からである。

本発明方法にあっては、上記した原料を密閉式の圧力容
器の中にいれ、加圧子熱分解を施す、このときの加圧子
熱分解反応は、まずその初期段階において原料のボテジ
ン環の開ａｍ合厘応が気相と液相の共存下で進行しつつ
水素含有量の多い球状のａ−ＢＮを生成する。その後１
時間の経過とともに更に水素が放出されていき、水゛素
含有量の少ない球状のａ−ＢＨに転化していく。

このように本発明の加圧子熱分解反応は、熱分解時の圧
力、温度１時間が基本的な制御因子であり、これら因子
によって、得られるａ−ＢＮ粉末の状態が左右される。

まず、圧力は１０〜ｌｏＯＭＰａの範囲に設定される。

この圧力が１　、’ＯＭ　Ｐ　ａより低い場合には、原
料が熱分解処理中に放出する水素を押え込む圧力として
は不充分であり、ａ−ＢＮの収率は低くなる。また、圧
力が１００＞ＩＰａより高い場合には、得られたａ−Ｂ
Ｎが相互に融合してしまい球状粒子にはならず、この合
体球が帯状に広がった塊状の白色固体となってしまう、
圧力の好ましい範囲は２５〜１００ＭＰａテある。

温度は２００〜３５０℃の範囲に設定される。一般に、
熱分解温度が高くなるにつれて得られたａ−ＢＮの水素
含有量は減少していくが、この残存水素の多少がａ−Ｂ
Ｎからｃ−ＢＮへの転換率の大小に１ｌｌ＝Ｊｉな影響
を及ぼすことからして、Ｃ−ＢＮへの転換率を高位に維
持するためには熱分解温度を　３５０℃以下にする。し
かし、熱分解温度が　２００℃よりも低くなると、得ら
れたａ−ＢＮの活性が高くなりすぎて、全体の取扱いを
Ｎ２又は不活性ガス雰囲気中で行なうことが必要になる
ので２００℃未満とする。好ましくは、２５０〜３５０
℃である。

時間は５〜３０分の範囲に設定される。上記した２因子
の設定範囲内にあっては、加圧子熱分解の時間が３０分
を超えると、ａ−ＢＮにおける水素含有量が非常に減少
してしまい、ｃ−ＢＮへの転換率も低下する。逆に時間
が５分より短い場合には、残存する水素量が多すぎてａ
−ＢＮの活性は高くなりすぎ、加水分解を起しやすくな
るというような不都合な問題を生ずる。

このようにして、粒ａ！１〜４）ｉｎで球状のａ　−Ｂ
Ｎ粉末が得られる。この粉末を例えば真空中又は非酸化
性雰囲気中、高温下で処理すれば、高純度のｈ−ＢＮ粉
末を得ることができ、また、ホットプレスすればｈ−Ｂ
Ｎ焼結体が得られる。更に例えば５．０〜Ｂ、５ＧＰａ
の超高圧、　１１００〜１８５０℃の高温下で処理すれ
ばｃ−ＢＮ焼結体を得ることができる。

［発明の実施例］ 実施例１ （＋）ａ−ＢＮの調製 β−トリクロロボラジンを還元してボラジンを製造した
。このボテジン（液体）を金カプセルの中に封入し、カ
プセルをコーン密閉式圧力容器内にセットした。

容器内圧力、温度、処理時間を表に示したように変化さ
せて加圧下熱分解処理を施した。いずれの場合も白色固
体が得られた。これらや固体につさ粉末Ｘ線回折法によ
り結晶構造を観察したところ、いずれも非晶質であるこ
とが確認された。

また、これら白色固体につき赤外吸収（！Ｒ）スペクト
ル分析を行なったところ、　３４００ｃｍ−’の位置に
Ｎ−Ｈ伸縮による吸収、２５２０　ｃ　ｍ−’の位置に
Ｂ−Ｈ伸縮による吸収、１４００ｃ■４の位置にＢ−Ｎ
伸縮による吸収が認められた。

各場合につき、Ｂ−Ｈ及びＢ−Ｎの各伸縮振動に基づく
吸収強度の比を算出し、その値を表に併記した。また、
各白色固体を顕微鏡観察し、その形状等も併記した。更
に、得られた各ａ−ＢＮの粉末に窒化アルミニウム２０
モル％添加して混合し、コノ混合粉末を、圧力８．５Ｇ
Ｐａ、温度１２００℃の条件下で１０分間処理して焼結
した。

得られた各焼結体につき、Ｘ線回折法でそのＣ−ＢＨの
存在割合を測定し、各ａ−ＢＮの転換率を算出した。そ
の結果も表に併記した。

実施例２ 粒径的ｌ終ｍの本発明ａ−ＢＮ粉末ａｏｌ量％。

５ｉ０２粉末５重量％、Ａ文粉末５１ｆＵ量％を混合し
、得られた混合粉末を真空雰囲気中において、１８００
℃、４０分、　１０ＭＰａの条件下でホットプレスした
。

得られた焼結体はｈ−ＢＮ焼結体であり、その密度は理
論密度の８５％であった。

比較のために、粒径的１ｇｍの市販ｈ−ＢＮ粉末３０重
量％、　５ｉ０２粉末５重量％、Ａ交粉末５重量％の混
合粉末につき、同様の条件下でホットプレスして焼結体
を得た。このｈ−ＢＮ焼結体の密度は理論密度の８０％
であった。

［発明の効果〕 以丘の説明で明らかなように１本発明の球状ａ−ＢＮ粉
末は微細で水素を含有し、しかもＣ−ＢＮへの転換率が
高いことがらｃ−ＢＮ焼結体の原料として使用すると緻
密で均一組織のｃ−ＢＮ焼結体になり、高硬度、高熱伝
導性、高電気絶縁性が一層優れ、切削用工具、耐摩耗用
工具、ヒートシンクをはじめとする電気部品として応用
でき、また、ｃ−ＢＮ粉末にするとそれは砥石又は砥粒
として研削工具又は研摩材料として応用できる。

更に１本発明の球状のａ−ＢＮ粉末は微細で活性がある
ためにｈ−ＢＮ焼結体の原料として使用すると、緻密で
均一組織のｈ−ＢＮ焼結体になり、化学安定性、耐食性
９機械加工性、高熱伝導性、高電気絶縁性が一層優れ、
機械加工性もよいので溶融金属若しくは薬品用の容器、
高温域での潤滑材料、７４気部品材料として応用できる
産業上有用な材料である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、窒化ホウ素粉末粒子の形状が球状であることを特徴
   とする非晶質窒化ホウ素粉末。 ２、前記窒化ホウ素が水素を含有している特許請求の範
   囲第１項記載の非晶質窒化ホウ素粉末。 ３、ボランジン又はボラジン誘導体の群から選ばれる少
   なくとも１種の化合物を、圧力１０〜１００ＭＰａ、温
   度２００〜３５０℃、時間５〜３０分の条件で加圧下熱
   分解することを特徴とする非晶質窒化ホウ素粉末の製造
   方法。