(57)【要約】【課題】製造コストが低い、成形された窒化アルミニウム含有物の製造方法を提供する。【解決手段】  窒化物の生成自由エネルギーがアルミニウムより小さい元素である触媒元素を、窒素雰囲気下で加熱された溶融アルミニウム中に位置させることにより、前記触媒元素を触媒としたアルミニウムの窒化反応を生じさせ、窒化アルミニウム及びアルミニウムを含有する塊状の窒化アルミニウム含有物６を生成する第１熱処理工程と、窒化アルミニウム含有物６を加熱して型で成形する加工工程とを具備する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物の生成自由エネルギーがアルミニウムより小さい元素である触媒元素を、窒素雰囲気下で加熱された溶融アルミニウム中に位置させることにより、前記触媒元素を触媒としたアルミニウムの窒化反応を生じさせ、窒化アルミニウム及びアルミニウムを含有する塊状の窒化アルミニウム含有物を生成する第１熱処理工程と、
加熱された前記窒化アルミニウム含有物を型で成形する加工工程と、
を具備する窒化アルミニウム含有物の製造方法。
【請求項２】
前記加工工程は、半凝固鍛造又は半溶融鍛造である請求項１に記載の窒化アルミニウム含有物の製造方法。
【請求項３】
窒化物の生成自由エネルギーがアルミニウムより小さい元素である触媒元素を、窒素雰囲気下で加熱された溶融アルミニウム中に位置させることにより、前記触媒元素を触媒としたアルミニウムの窒化反応を生じさせ、窒化アルミニウム及びアルミニウムを含有する塊状の窒化アルミニウム含有物を生成する第１熱処理工程と、
前記窒化アルミニウム含有物を加熱して一部の成分を溶解させて流動性を持たせ、その後、射出成形又は加圧成形により成形する加工工程と、
を具備する窒化アルミニウム含有物の製造方法。
【請求項４】
前記加工工程は鋳造又は溶湯鍛造である請求項３に記載の窒化アルミニウム含有物の製造方法。
【請求項５】
前記加工工程において、前記窒化アルミニウム含有物をアルミニウムの融点以上に加熱する請求項１〜４のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム含有物の製造方法。
【請求項６】
前記加工工程の前において、前記窒化アルミニウム含有物はアルミニウム合金を７０重量％以上９５重量％以下含有する請求項５に記載の窒化アルミニウム含有物の製造方法。
【請求項７】
前記触媒元素はシリコンを含み、前記窒化アルミニウム含有物はアルミニウムとシリコンの共晶合金を含み、
前記加工工程において、前記窒化アルミニウム含有物を共晶合金の融点以上に加熱する請求項１〜４のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム含有物の製造方法。
【請求項８】
前記第１熱処理工程の後、前記加工工程の前において、前記窒化アルミニウム含有物の窒化アルミニウム含有率が５重量％以上３０重量％以下である請求項１〜７のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム含有物の製造方法。
【請求項９】
前記加工工程の後又は前に、成形された前記窒化アルミニウム含有物を窒素雰囲気下で加熱することにより、前記窒化アルミニウム含有物の中で前記触媒元素を触媒としたアルミニウムの窒化反応を生じさせる第２熱処理工程を具備する請求項１〜８のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム含有物の製造方法。
【請求項１０】
前記触媒元素はボロン、カルシウム、シリコン、鉄、モリブデン、クロム、及びバナジウムからなる群から選ばれた少なくとも一種である請求項１〜９のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム含有物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所望の形状を有する窒化アルミニウム含有物を低コストで製造することができる窒化アルミニウム含有物の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化アルミニウムは、機械強度が高く、熱伝導率が高く、熱膨張係数が低く、耐摩耗性を有し、軽く、化学的にも安定である等、優れた性質を有する材料である。このため、近年、半導体デバイス等やエンジン部材等、様々な分野へ応用されることが期待されている。
【０００３】
従来の窒化アルミニウムを製造する方法としては、非常に高い気圧（例えば１００気圧）の窒素雰囲気中でアルミニウムを高温（例えば１６００℃）に加熱する方法がある。この方法によれば、窒化アルミニウムの粉末を得ることができる。非特許文献１には、窒化アルミニウムの製造に関する研究が開示されている。
【非特許文献１】小橋眞、斎木健蔵ら、日本軽金属学会第１０４回講演概要集（２００３）２．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した方法では、窒化アルミニウムの粉末しか得ることができない。粉末の窒化アルミニウムを所望する形状にする方法としては、窒化アルミニウムに液体材料又はバインダーが添加された窒化アルミニウム含有物を製造する方法があった。具体的には、粉末の窒化アルミニウムと、窒化アルミニウムとの濡れ性が良い液体材料とを混ぜ、この混合物を所望する形状にした後に液体材料を固化させる (高温から低温にすることも含む)方法と、粉末の窒化アルミニウムにバインダーを加えて予備成型した後、焼成する方法である。これらの方法は、製造コストが高いという欠点を有していた。
【０００５】
また、粉末状の窒化アルミニウムを得るためにも、非常に高い気圧、かつ高温にする必要がある。従って、窒化アルミニウム含有物の製造コストがさらに高くなっていた。
【０００６】
本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、所望の形状を有する窒化アルミニウム含有物を低コストで製造することができる窒化アルミニウム含有物の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記した課題を解決する為、本発明に係る窒化アルミニウム含有物の製造方法は、窒化物の生成自由エネルギーがアルミニウムより小さい元素である触媒元素を、窒素雰囲気下で加熱された溶融アルミニウム中に位置させることにより、前記触媒元素を触媒としたアルミニウムの窒化反応を生じさせ、窒化アルミニウム及びアルミニウムを含有する塊状の窒化アルミニウム含有物を生成する第１熱処理工程と、
加熱された前記窒化アルミニウム含有物を型で成形する加工工程とを具備する。
【０００８】
前記加工工程は、例えば半凝固鍛造又は半溶融鍛造である。
【０００９】
本発明に係る他の窒化アルミニウム含有物の製造方法は、窒化物の生成自由エネルギーがアルミニウムより小さい元素である触媒元素を、窒素雰囲気下で加熱された溶融アルミニウム中に位置させることにより、前記触媒元素を触媒としたアルミニウムの窒化反応を生じさせ、窒化アルミニウム及びアルミニウムを含有する塊状の窒化アルミニウム含有物を生成する第１熱処理工程と、
前記窒化アルミニウム含有物を加熱して一部の成分を溶解させて流動性を持たせ、その後、射出成形又は加圧成形により成形する加工工程とを具備する。
前記加工工程は、例えば鋳造又は溶湯鍛造である。
【００１０】
前記加工工程において、前記窒化アルミニウム含有物を例えばアルミニウムの融点以上に加熱する。この場合、前記加工工程の前において、前記窒化アルミニウム含有物はアルミニウム合金を７０重量％以上９５重量％以下含有するのが好ましい。
【００１１】
前記触媒元素はシリコンを含み、前記窒化アルミニウム含有物はアルミニウムとシリコンの共晶合金を含んでいる場合、前記加工工程において、前記窒化アルミニウム含有物を共晶合金の融点以上に加熱するのが好ましい。
【００１２】
前記第１熱処理工程の後、前記加工工程の前において、前記窒化アルミニウム含有物の窒化アルミニウム含有率が５重量％以上３０重量％以下であるのが好ましい。また、前記加工工程の後又は前に、成形された前記窒化アルミニウム含有物を窒素雰囲気下で加熱することにより、前記窒化アルミニウム含有物の中で前記触媒元素を触媒としたアルミニウムの窒化反応を生じさせる第２熱処理工程を具備してもよい。
【００１３】
前記触媒元素は、例えばボロン、カルシウム、シリコン、鉄、モリブデン、クロム、及びバナジウムからなる群から選ばれた少なくとも一種である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の窒化アルミニウム含有物の製造方法によれば、製造時に高い気圧にする必要がなく、かつ１６００℃もの高温にすることなく、所望の形状を有する窒化アルミニウム含有物を製造することができる。このため、製造コストが格段に低くなる。また、製造時の熱処理条件又は窒素雰囲気の圧力を調節することにより、窒化アルミニウム含有物の組成比を自由に制御できる。このため、高機械的強度、高靭性、耐摩耗性、耐熱性、低膨張係数、低比重といった特性を具現化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明の実施の形態に係る窒化アルミニウム含有組成物の製造方法について、図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、第１の実施形態に係る窒化アルミニウム含有物の製造方法に用いられるカーボン抵抗またはカンタル抵抗炉の構成図である。このカーボン抵抗またはカンタル抵抗炉は、反応チャンバー１０を有している。反応チャンバー１０には排気口（図示せず）及びガス導入口１１が設けられている。反応チャンバー１０内には、ルツボ１２を加熱するための抵抗ヒータ１３が設けられている。ルツボ１２には熱電対が取り付けられているため、モニター線１４を通じてルツボ１２の温度を反応チャンバー１０の外部でモニターすることができる。
【００１７】
次に、上記の抵抗炉を用いた窒化アルミニウム含有物の製造方法について説明する。
まず、例えばアーク溶解炉を用いて触媒元素とアルミニウムを溶解することにより、触媒元素が固溶又は混合しているアルミニウム (以下、触媒元素含有アルミニウム２０と記載)を製造する。触媒元素含有アルミニウム２０は、生成自由エネルギーが窒化アルミニウムより大きいのが好ましい。触媒元素は、窒化物の生成自由エネルギーがアルミニウムより小さい元素であり、例えばボロン、カルシウム、シリコン、鉄、モリブデン、クロム、及びバナジウム群から選ばれた少なくとも一種である。触媒元素がシリコンの場合、触媒元素含有アルミニウム２０は、例えばシリコンとアルミニウムの共晶物およびアルファ固溶物の混合体である。
【００１８】
次いで、触媒元素含有アルミニウム２０をルツボ１２の内部の配置し排気した後、窒素ガス中で例えば９００℃以上１４００℃以下の加熱をする。窒素ガスの圧力は、常圧、減圧、又は加圧雰囲気のいずれでもよい。加圧雰囲気である場合、その圧力は５０気圧以下（好ましくは２０気圧以下）であるのが好ましい。
【００１９】
触媒元素含有アルミニウム２０はルツボ１２内で溶融する。この状態において、触媒元素は雰囲気中の窒素と反応して窒化する。上記したように触媒元素は、窒化物の生成自由エネルギーがアルミニウムより小さい。このため、触媒元素と結合した窒素がアルミニウムに受け渡され、アルミニウムが窒化する。このようにして、触媒元素を触媒としたアルミニウムの窒化反応が進行し、窒化アルミニウム含有物が形成される（第１熱処理工程）。窒化アルミニウム含有物の中には、触媒元素が含まれている。
【００２０】
第１熱処理工程におけるアルミニウムの窒化反応において、窒化反応が進行する速度は、処理温度及び雰囲気窒素の圧力によって制御することができる。また、第１熱処理の処理条件、例えば処理温度、雰囲気窒素の圧力、反応時間、及びアルミニウムに対する触媒元素の割合等によって、窒化アルミニウム含有物の状態を作り分けることができる。
【００２１】
例えば所定の処理条件では、複数の窒化アルミニウム粒子がアルミニウムによって接合した窒化アルミニウム含有物が、凝集合体（バルク）状すなわち塊状で得られる。得られた窒化アルミニウム含有物は、複数の窒化アルミニウム粒子の相互間にアルミニウムが位置しているか、又はネットワーク状すなわち網目状に成長した窒化アルミニウムの相互間にアルミニウムが位置し他状態になっている。そして、窒化アルミニウム含有物の空隙率を１％以下にすることができる。なお、アルミニウム及びＡｌと触媒元素の金属化合物の含有率が５０％以上７０％以下の場合、得られた窒化アルミニウム含有物の加工性が高くなる。
【００２２】
後述する加工工程で窒化アルミニウム含有物の成型体を得るには、ネットワーク状になるまで成長させることなく、窒化アルミニウムが分散状態でなおかつ球形に近い状態が望ましい。すなわち反応の初期状態で第１熱処理工程をとどめるのが望ましい。例えば窒化アルミニウム含有物の窒化アルミニウム含有率が５重量％以上３０重量％以下となるように、またアルミニウム含有率が７０重量％以上９５重量％以下となるように、第１熱処理工程を行う。第２熱処理工程の制御因子としては、第１熱処理工程後の窒化アルミニウム含有物の窒化アルミニウム含有率、窒化アルミニウム粒子の形状、共晶金属や化合物の種類及びその分散状態などの制御要因があるが、これらは第１熱処理工程で制御が可能である。
【００２３】
次いで、窒化アルミニウム含有物を加熱し、その後、所望する形状に対応した上型及び下型の間に挟むことにより、加圧成形する（加工工程）。これにより、窒化アルミニウム含有物が所望の形状に成形される。
【００２４】
この加工工程は、例えば半凝固鍛造又は半溶融鍛造である。半凝固鍛造である場合、まず、窒化アルミニウム含有物のうち溶解可能な成分を溶解させ、その後所定の温度まで冷却してその温度に保持することにより、溶解した成分の一部が固化した状態にする。そしてこの状態で、窒化アルミニウム含有物を上型及び下型の間に配置し、加圧成形する。半凝固鍛造の具体的な手法は、例えば特開２００３−１３６２２３又は特開２００４−３２２１７６に記載の方法がある。
【００２５】
また半溶融鍛造である場合、窒化アルミニウム含有物を、まず加熱処理により溶解可能な成分を全溶解させ、その後鋳型で鋳込むことにより、規格化された形状を有するビレットに加工する。次いで、ビレットを加熱処理して所定の温度に保持することにより成分の一部を溶融した状態して、その状態でビレットを上型及び下型の間に挟む。
【００２６】
なお、半溶融鍛造又は半凝固鍛造のいずれの場合においても、上型及び下型の間に挟む段階で、窒化アルミニウム含有物（又はビレット）の固相率は、例えば３０％〜９０％であるのが好ましい。
【００２７】
なお、加工工程を窒素雰囲気で行っても良い。この場合、窒化アルミニウム含有物の中で、触媒元素を触媒としたアルミニウムの窒化反応を生じ、窒化アルミニウム含有物の窒化アルミニウム含有率が上昇する。また、窒素雰囲気の圧力は、常圧でも良いし加圧でも良い。加圧である場合、１０気圧以下であるのが好ましい。
【００２８】
窒化アルミニウム含有物を半凝固状態（所定の固相率）とするためには、例えば以下のように窒化アルミニウム含有物の加熱温度を設定することができる。例えば触媒元素としてシリコンを使用した場合、窒化アルミニウム含有物にはＡｌ−Ｓｉ共晶合金が含まれる。Ａｌ−Ｓｉ共晶合金の溶融温度は５７７℃であり、Ａｌの融点６６０℃より低く、５７７℃から６６０℃の間はＳｉが多ければ半凝固状態が保てる。また触媒元素としてボロンを使用した場合、窒化アルミニウム含有物にはアルミニウム−ボロンの化合物（AlB2の溶融温度９７５℃、AlB12の溶融温度１５５０℃）及び窒化アルミニウムが含まれるが、Ａｌの融点以上に熱処理温度を設定することにより、半凝固状態を作ることができる。このように触媒元素を選択することにより、半凝固状態となる温度域を選択することができる。
【００２９】
なお、第１熱処理工程の後、加工工程の前に、上型及び下型それぞれを予備加熱し、その後、所定の固相率を有する窒化アルミニウム含有物を上型及び下型の間に挟むのが好ましい。
【００３０】
半凝固鍛造により加工処理を行う場合の一例を図２に示す。適切に予備加熱され半凝固状態になった塊状の窒化アルミニウム含有物６を窒化アルミニウム含有物６より低い温度で加熱されている下型８の中央に設置し（図２（Ａ））、上型７を下型８に接近させることで半凝固状態にある窒化アルミニウム含有物６を圧縮変形させ（図２（Ｂ））、上型７と下型８で構成される空間部に充填することで成形体９を完成させる（図２（Ｃ））。
【００３１】
窒化アルミニウム含有物６の圧縮変形中の型締め速度は、例えば０．０１から１．０ｍ／ｓが望ましい。また窒化アルミニウム含有物６の型内での移動が動的に変化するため、型締め速度は成形体の形に従って可変とすることが望ましい。また、半凝固状態の組成比やモルフォロジーでこの速度はいろいろ変化させることができる。また窒化アルミニウム含有物６の余剰部分を排出するように型の成形体空間より外にその集積部を設けるのが好ましい。また型にはエジェクタピンを設け、型離れを円滑にすることもできる。また型離れを容易にするため、成形体９の温度に対して上型７、下型８の温度を変化させてもよい。
【００３２】
なお、得られた窒化アルミニウム含有物は、窒化アルミニウムの割合によって特性が様々に変化する。例えばアルミニウムの割合が高い場合、窒化アルミニウム含有物成形体のその後の加工性が良くなり、アルミニウムの割合が低い場合、窒化アルミニウム含有物の特性がＡｌＮの特性に近くなる。また、窒化アルミニウムの粒子の表面がアルミニウムによって被覆されているため、良好な耐湿性を得ることができる。
【００３３】
以上、本発明に係る窒化アルミニウム含有物の製造方法によれば、所望の形状に成形された窒化アルミニウム含有物を容易に得ることができる。そして、窒化アルミニウム含有物を得る従来方法と比較して製造条件は低温かつ低圧である。従って、製造コストも従来と比較して大幅に低くなる。また、得られた窒化アルミニウム含有物の成形体は従来の如何なる金属アルミニウム合金に比べ優れた機械的強度、耐摩耗性、靭性を有し、高熱伝導で軽量である。
【００３４】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。
【００３５】
例えば、加工工程を、溶湯鍛造又は鋳造で行っても良い。この場合、窒化アルミニウム含有物を加熱して一部の成分を溶解させて流動性を持たせ、その後、型に溶湯を流し込んで加圧成形し、又は溶湯を射出成形する。
【００３６】
また、製造装置は上記したカーボン抵抗炉等に限定されない。また、成形された窒化アルミニウム含有物の窒化アルミニウム含有率を向上させるため、成形前又は成形後の窒化アルミニウム含有物を窒素雰囲気下で熱処理してもよい（第２熱処理工程）。このときの熱処理条の範囲件及び窒素雰囲気の圧力範囲は、例えば第２熱処理工程と同様である。上記したように窒化アルミニウム含有物中には触媒が残留しているため、残留しているアルミニウムの窒化反応が進行する。
【００３７】
また第１熱処理工程における出発原料は、触媒元素含有アルミニウムに限定されず、例えば触媒元素含有物（例えばＳｉ単体、ＢＮ）とアルミニウム片をルツボ１２内で交互に積層させたものを出発原料としても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】第１加熱処理工程で用いられる抵抗炉の構成図。
【図２】各図は、第２加熱処理の型の動作を示す断面図。
【符号の説明】
【００３９】
６…窒化アルミニウム含有物
７…上型
８…下型
９…成形体
１０…反応チャンバー
１１…ガス導入口
１２…るつぼ（反応容器）
１３…抵抗ヒータ
１４…熱電対モニター線
２０…触媒元素含有アルミニウム
【図１】
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【図２】
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