燒結的氮化硼體以及制備燒結的氮化硼體的方法
【專利說明】燒結的氮化棚體從及制備燒結的氮化棚體的方法
【背景技術】
[0001] 本發(fā)明設及燒結的氮化棚體及其制備方法，其中氮化棚體為此由六方氮化棚粉末 通過至少一個壓制過程和后續(xù)的燒結過程制得。
[0002] 總體而言，該種氮化棚體由六方氮化棚（H-BN)制成，其具有石墨狀結構并且呈白 色。相比之下，由立方氮化棚（CBN)制成的燒結體表現出更高的硬度且呈黑色。后者用作 (例如）刀具材料。
[0003] 由六方氮化棚（H-BN)制成的氮化棚體被（例如）用于電絕緣體、用于金屬烙體的 烙模、用于烙爐組件W及用作晶體生長的襯底。由于使用六方氮化棚，所W此類氮化棚體具 有由經由平面的六邊形蜂窩結構構成的層形成的晶體結構。由于具有由各個平面層建立的 該石墨狀結構，因此由六方氮化棚制成的此類氮化棚體就至少某些物理特性而言（具體地 講，就導熱率或熱膨脹系數而言）表現出強烈的各向異性。所述特性根據與所述層垂直或 平行的空間方向不同而相差很大。例如，沿平行于所述層的方向（所謂"a-方向"）的導熱 率通常幾乎是沿與其垂直的方向的導熱率的兩倍。該方向被稱為C-方向。該種各向異性 可W-方面歸因于各層內原子之間的不同鍵合力，另一方面歸因于所述層之間的不同鍵合 力。根據氮化棚體的取向，該種由六方氮化棚制成的燒結的氮化棚體的特性因此表現出強 烈的方向依賴性。
[0004] 為了制備該種氮化棚體，通常在第一冷壓過程中對粉末進行壓制W形成冷壓成型 體，其也稱作巧體。所用的粉末由實際上至少100%的六方氮化棚組成。通常存在小部分 的氧化棚，例如，在介于1.5重量％和2重量％之間的范圍內。所述粉末通常不再包含任何 另外的成分。該冷壓成型的巧體為低強度的巧體。冷壓在沒有外部供熱的情況下實施，具 體地講，W介于900 ? 10哺2000 ? 10 5化之間的壓制壓力等靜壓地進行。冷壓成型體隨后 經受第二過程，即熱壓過程。該過程通常在1200至1500度的溫度下進行，導致獲得的氧化 棚烙融并因而充當粘結劑。在熱壓期間，所述成型體被最大程度地壓縮而形成熱壓成型體。 在熱壓后進行附加燒結，該過程亦稱回火過程。通常普遍采用約1800度的溫度，氧化棚在 該溫度下蒸發(fā)。
[0005] 在燒結過程之后獲得的燒結的氮化棚體隨后仍可被機械加工W獲得所需的最終 幾何形狀。常規(guī)的燒結的氮化棚體通常具有約1.9g/cm 3的密度。
[0006] 在此類氮化棚體中，高各向異性通常被認為是不可取的。例如，常規(guī)氮化棚體的導 熱率在C-空間方向為約80W/mK，并且在a-空間方向為約130W/mK。因此，在導熱率上存在 超過40W/mK(在室溫下）的大差異。
[0007] 另一個問題是導熱率的溫度依賴性。例如，在常規(guī)的燒結的氮化棚體中，導熱率表 現出極強的溫度依賴性。從室溫開始到l〇〇〇°C范圍內的操作溫度，C-空間方向上的導熱 率（例如）降至一半W下并接近S分之一。導熱率的強各向異性W及其強溫度依賴性因此 對使用此類燒結的氮化棚體的用戶造成了困擾。在溫度改變期間，例如在加熱期間或另外 在被運行的規(guī)定溫度分布中，本領域的技術人員必須將導熱率的強烈變化考慮在內。如起 初所指出的那樣，此類燒結的氮化棚體也被使用，例如，用于金屬鑄造中的模具，或再者用 于烙融爐中。然而，對于此類應用而言，為了能夠盡可能有效地控制制備過程（例如鑄造過 程），知道給定溫度下的導熱率至關重要。
[000引最后，就熱膨脹系數而言，強各向異性也帶來了問題。由于存在強各向異性，因此 必須注意精確地在規(guī)定取向上使用氮化棚體。
[0009] 本發(fā)明要解決的問題
[0010] 基于上文，本發(fā)明要解決的問題是提供一種具有改善特性的燒結的氮化棚體。
[0011] 問題的解決方案
[0012] 該問題根據本發(fā)明通過燒結的氮化棚體得到解決，所述燒結的氮化棚體由六方氮 化棚粉末通過至少一個壓制過程和后續(xù)的燒結過程制得，該燒結的氮化棚體具有<1. 6g/ cm3的密度。
[0013] 與六方氮化棚制成的已知燒結的氮化棚體相比，根據本發(fā)明的氮化棚體因此特征 在于密度顯著較低。研究已顯示該較低的密度與氮化棚體就基本特性（諸如導熱率或熱膨 脹系數）而言明顯改善的各向同性存在關聯。氮化棚體因此是各向同性的，即其特性（至 少在某些容限內）不取決于方向。
[0014] 在制備過程中，結晶起始粉末中的有關晶體通常自身沿優(yōu)選的方向取向，因此整 個氮化棚體的特征在于兩個空間方向，即平行于所述層的a-方向和垂直于所述層的C-方 向。所述層通常取向為垂直于壓制的方向。所制造的氮化棚體因此具有C-方向作為第一空 間方向，該C-方向在制備過程中取向為平行于壓制的方向。所制造的氮化棚體具有a-方 向作為第二空間方向，該方向取向為與C-方向垂直。因此，a-方向取向為與六方氮化棚的 所述層平行。最終制得的燒結的氮化棚體因此優(yōu)選地具有沿該兩個空間方向的方向至少大 致相同的各向同性。與常規(guī)的高密度的燒結六方氮化棚體相比，低密度的燒結的氮化棚體 的特性在方向依賴性方面（尤其是就導熱率而言）表現出明顯較小的差異。"大致各向同 性"因此應理解為意指與常規(guī)的燒結的氮化棚體相比顯著改善的各向同性。
[0015] 具有較低密度的另一個主要優(yōu)點在于，在燒結過程期間，確保原料粉末中存在的 粘結劑（尤其是氧化棚）得W可靠地排出，特別是還從較深的材料層中排出。如起初闡釋 的那樣，氧化棚在約1800°C的燒結溫度下蒸發(fā)并因而從氮化棚體逸出。因此，該可靠地確保 燒結的氮化棚體不含氧化棚。對于其中在正常使用期間也可能達到該樣的高溫的此類應用 區(qū)域，尤其需要該樣。在此類應用中，氧化棚的排出將導致不希望的污染。品質價值高的六 方氮化棚體因此應當不含氧化棚。
[0016] 在有利的設計中，制成的燒結的氮化棚體具有在限定的溫度下在不同空間方向上 相差不到15W/mK的導熱率。
[0017] 根據優(yōu)選的設計，氮化棚體此外具有在給定的溫度（特別是1200°C )下在不同 空間方向上相差不到0. 25*1(T7K的熱膨脹系數。在1200°C的溫度下，常規(guī)的氮化棚體沿 第一空間方向（C-方向）具有1. 6W/K的熱膨脹系數，且沿第二空間方向（a-方向）具有 0. 4*10-7K的熱膨脹系數。W絕對值計，差異因而為1. 2*l〇-e/K。
[001引在有利的設計中，所述特性還很大程度上與溫度無關；與常規(guī)的高密度的氮化棚 體相比，所述特性因此優(yōu)選地在從室溫至最高（例如）1000°C或甚至1200°C的溫度范圍內 基本上恒定。就導熱率而言，"基本上恒定"應理解為意指導熱率的值與在整個溫度范圍內 的平均值的最大偏差為+/-10W/mK。另外就熱膨脹系數而言，其應理解為意指與平均值的最 大偏差僅為+/-0. 15*10-7k。
[0019] 導熱率的絕對值優(yōu)選地在約20至35W/mK的范圍內。熱膨脹系數的值優(yōu)選地在 0. 15至0. 40*10-7K的范圍內。
[0020] 根據實施例的第一變型，在制備期間，粉末經受兩步壓制過程，即冷壓過程和下游 工序的熱壓過程，其中規(guī)定密度被定在1. 2g/cm3至1. 6g/cm 3的范圍內，并且優(yōu)選地最多高 達1.5g/cm3。在熱壓過程中，最大密度尤其通過路徑控制來調整。熱壓過程因此在給定的 壓縮路徑之后結束。熱壓過程通常在l〇〇〇°C至1500°C范圍內的溫度下進行。最大壓力通 過要獲得的所需密度來確定。在熱壓過程結束時，所述密度優(yōu)選地比最終的燒結的氮化棚 體的所需密度高約0. 1至0. 3g/cm3,尤其是0. 2g/cm3,該取決于燒結過程中蒸發(fā)的組分所占 的比例有多高。其原因在于，在后續(xù)的燒結或回火過程期間，任何仍殘留在氮化棚體中的氧 化棚都會蒸發(fā)，所述后續(xù)的燒結或回火過程優(yōu)選地W在1500°C至2000°C范圍內的溫度且 尤其是約180(TC的溫度進行。在體積保持不變的同時質量減少，導致密度整體下降。
[0021] 根據可供選擇的實施例，在制備期間省掉熱壓過程，并且僅進行具有下游燒結過 程的冷壓過程。此類燒結的氮化棚體將有利地具有在0.9至1.2g/cm 3范圍內的密度。出乎 意料地，上述措施因而提供了適用于由密度極其低于常規(guī)氮化棚體的六方氮化棚組成的應 用范圍的氮化棚體。在冷壓過程期間（在后續(xù)的燒結過程之前）密度也被調整，該密度比 經冷壓和燒結的氮化棚體的目標最終密度高0. 1至0. 3g/cm3范圍內的值（尤其是約0. 2g/ cm3)，具體取決于揮發(fā)性組分（尤其是氧化棚）的比例。
[0022] 出乎意料地，使用該種僅經冷壓的氮化棚體同樣制備出了具有相對高價值的燒結 的氮化棚體。由于冷壓（生）成型體通常強度仍然很低，因此它們通常不能被燒結或在燒 結過程中很難做到（例如）不形成裂紋等。然而，研究現已表明，由于冷壓成型體也具有低 密度，因此在緊接的燒結過程中未出現與裂紋形成有關的問題。該也使得能夠制出較大的 (尤其是較厚的）燒結的氮化棚體。
[0023] 有利地，最終制得的燒結的氮化棚體（尤其是對于所述實施例的兩個變型）相應 地還具有〉30mm并且另外尤其是MOmm的厚度。垂直于沿厚度方向的取向，所述氮化棚體 (在有利的設計中）此外具有至少數十cm 2的表面積。制成的燒結的氮化棚體通常為板形 或者還有圓柱形/盤形的氮化棚體，其還可通過機械方法（例如銀割等）轉變?yōu)樗璧淖?終幾何形狀。
[0024] 除了所述的機械加工步驟外，所述氮化棚體優(yōu)選地在燒結過程之后不經受任何進 一步處理。在燒結過程之后獲得的氮化棚體為單一的氮化棚體。
[0025] 所述問題此外根據本發(fā)明通過用于制備具有權利要求9所述特征的該種燒結的 氮化棚體的方法得到解決。優(yōu)選的設計和改進可見于從屬權利要求。關于所述氮化棚體和 優(yōu)選設計所描述的該些優(yōu)點也類似地適用于所述方法。
[0026] 對于制備而言，首先對六方氮化棚粉末進行冷壓W制得（生）成型體，該成型體在 進一步的方法步驟中被燒結W形成氮化棚體，所述燒結的氮化棚體的密度被特別地調整到 <1. 6g/cm3,尤其是 <1. 5g/cm3的值。
[0027] 冷壓成型體的密度被有利地調整為在Ig/cm3至1. 3g/cm3的范圍內。根據第一優(yōu) 選可選方案，冷壓過程之后仍是熱壓過程，在熱壓過程中成型體被進一步壓縮。熱壓過程在 介于1000°C和1500°C之間的溫度下進行。在該過程中，存在于粉末中的粘結劑成分（尤其 是氧化棚）發(fā)生液化，其優(yōu)選地W 1至2重量％的比例存在于所述粉末中。