烧结的氮化硼体以及制备烧结的氮化硼体的方法
【专利说明】烧结的氮化棚体从及制备烧结的氮化棚体的方法
【背景技术】
[0001] 本发明设及烧结的氮化棚体及其制备方法，其中氮化棚体为此由六方氮化棚粉末 通过至少一个压制过程和后续的烧结过程制得。
[0002] 总体而言，该种氮化棚体由六方氮化棚（H-BN)制成，其具有石墨状结构并且呈白 色。相比之下，由立方氮化棚（CBN)制成的烧结体表现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)制成的氮化棚体被（例如）用于电绝缘体、用于金属烙体的 烙模、用于烙炉组件W及用作晶体生长的衬底。由于使用六方氮化棚，所W此类氮化棚体具 有由经由平面的六边形蜂窝结构构成的层形成的晶体结构。由于具有由各个平面层建立的 该石墨状结构，因此由六方氮化棚制成的此类氮化棚体就至少某些物理特性而言（具体地 讲，就导热率或热膨胀系数而言）表现出强烈的各向异性。所述特性根据与所述层垂直或 平行的空间方向不同而相差很大。例如，沿平行于所述层的方向（所谓"a-方向"）的导热 率通常几乎是沿与其垂直的方向的导热率的两倍。该方向被称为C-方向。该种各向异性 可W-方面归因于各层内原子之间的不同键合力，另一方面归因于所述层之间的不同键合 力。根据氮化棚体的取向，该种由六方氮化棚制成的烧结的氮化棚体的特性因此表现出强 烈的方向依赖性。
[0004] 为了制备该种氮化棚体，通常在第一冷压过程中对粉末进行压制W形成冷压成型 体，其也称作巧体。所用的粉末由实际上至少100%的六方氮化棚组成。通常存在小部分 的氧化棚，例如，在介于1.5重量％和2重量％之间的范围内。所述粉末通常不再包含任何 另外的成分。该冷压成型的巧体为低强度的巧体。冷压在没有外部供热的情况下实施，具 体地讲，W介于900 ? 10哺2000 ? 10 5化之间的压制压力等静压地进行。冷压成型体随后 经受第二过程，即热压过程。该过程通常在1200至1500度的温度下进行，导致获得的氧化 棚烙融并因而充当粘结剂。在热压期间，所述成型体被最大程度地压缩而形成热压成型体。 在热压后进行附加烧结，该过程亦称回火过程。通常普遍采用约1800度的温度，氧化棚在 该温度下蒸发。
[0005] 在烧结过程之后获得的烧结的氮化棚体随后仍可被机械加工W获得所需的最终 几何形状。常规的烧结的氮化棚体通常具有约1.9g/cm 3的密度。
[0006] 在此类氮化棚体中，高各向异性通常被认为是不可取的。例如，常规氮化棚体的导 热率在C-空间方向为约80W/mK，并且在a-空间方向为约130W/mK。因此，在导热率上存在 超过40W/mK(在室温下）的大差异。
[0007] 另一个问题是导热率的温度依赖性。例如，在常规的烧结的氮化棚体中，导热率表 现出极强的温度依赖性。从室温开始到l〇〇〇°C范围内的操作温度，C-空间方向上的导热 率（例如）降至一半W下并接近S分之一。导热率的强各向异性W及其强温度依赖性因此 对使用此类烧结的氮化棚体的用户造成了困扰。在温度改变期间，例如在加热期间或另外 在被运行的规定温度分布中，本领域的技术人员必须将导热率的强烈变化考虑在内。如起 初所指出的那样，此类烧结的氮化棚体也被使用，例如，用于金属铸造中的模具，或再者用 于烙融炉中。然而，对于此类应用而言，为了能够尽可能有效地控制制备过程（例如铸造过 程），知道给定温度下的导热率至关重要。
[000引最后，就热膨胀系数而言，强各向异性也带来了问题。由于存在强各向异性，因此 必须注意精确地在规定取向上使用氮化棚体。
[0009] 本发明要解决的问题
[0010] 基于上文，本发明要解决的问题是提供一种具有改善特性的烧结的氮化棚体。
[0011] 问题的解决方案
[0012] 该问题根据本发明通过烧结的氮化棚体得到解决，所述烧结的氮化棚体由六方氮 化棚粉末通过至少一个压制过程和后续的烧结过程制得，该烧结的氮化棚体具有<1. 6g/ cm3的密度。
[0013] 与六方氮化棚制成的已知烧结的氮化棚体相比，根据本发明的氮化棚体因此特征 在于密度显著较低。研究已显示该较低的密度与氮化棚体就基本特性（诸如导热率或热膨 胀系数）而言明显改善的各向同性存在关联。氮化棚体因此是各向同性的，即其特性（至 少在某些容限内）不取决于方向。
[0014] 在制备过程中，结晶起始粉末中的有关晶体通常自身沿优选的方向取向，因此整 个氮化棚体的特征在于两个空间方向，即平行于所述层的a-方向和垂直于所述层的C-方 向。所述层通常取向为垂直于压制的方向。所制造的氮化棚体因此具有C-方向作为第一空 间方向，该C-方向在制备过程中取向为平行于压制的方向。所制造的氮化棚体具有a-方 向作为第二空间方向，该方向取向为与C-方向垂直。因此，a-方向取向为与六方氮化棚的 所述层平行。最终制得的烧结的氮化棚体因此优选地具有沿该两个空间方向的方向至少大 致相同的各向同性。与常规的高密度的烧结六方氮化棚体相比，低密度的烧结的氮化棚体 的特性在方向依赖性方面（尤其是就导热率而言）表现出明显较小的差异。"大致各向同 性"因此应理解为意指与常规的烧结的氮化棚体相比显著改善的各向同性。
[0015] 具有较低密度的另一个主要优点在于，在烧结过程期间，确保原料粉末中存在的 粘结剂（尤其是氧化棚）得W可靠地排出，特别是还从较深的材料层中排出。如起初阐释 的那样，氧化棚在约1800°C的烧结温度下蒸发并因而从氮化棚体逸出。因此，该可靠地确保 烧结的氮化棚体不含氧化棚。对于其中在正常使用期间也可能达到该样的高温的此类应用 区域，尤其需要该样。在此类应用中，氧化棚的排出将导致不希望的污染。品质价值高的六 方氮化棚体因此应当不含氧化棚。
[0016] 在有利的设计中，制成的烧结的氮化棚体具有在限定的温度下在不同空间方向上 相差不到15W/mK的导热率。
[0017] 根据优选的设计，氮化棚体此外具有在给定的温度（特别是1200°C )下在不同 空间方向上相差不到0. 25*1(T7K的热膨胀系数。在1200°C的温度下，常规的氮化棚体沿 第一空间方向（C-方向）具有1. 6W/K的热膨胀系数，且沿第二空间方向（a-方向）具有 0. 4*10-7K的热膨胀系数。W绝对值计，差异因而为1. 2*l〇-e/K。
[001引在有利的设计中，所述特性还很大程度上与温度无关；与常规的高密度的氮化棚 体相比，所述特性因此优选地在从室温至最高（例如）1000°C或甚至1200°C的温度范围内 基本上恒定。就导热率而言，"基本上恒定"应理解为意指导热率的值与在整个温度范围内 的平均值的最大偏差为+/-10W/mK。另外就热膨胀系数而言，其应理解为意指与平均值的最 大偏差仅为+/-0. 15*10-7k。
[0019] 导热率的绝对值优选地在约20至35W/mK的范围内。热膨胀系数的值优选地在 0. 15至0. 40*10-7K的范围内。
[0020] 根据实施例的第一变型，在制备期间，粉末经受两步压制过程，即冷压过程和下游 工序的热压过程，其中规定密度被定在1. 2g/cm3至1. 6g/cm 3的范围内，并且优选地最多高 达1.5g/cm3。在热压过程中，最大密度尤其通过路径控制来调整。热压过程因此在给定的 压缩路径之后结束。热压过程通常在l〇〇〇°C至1500°C范围内的温度下进行。最大压力通 过要获得的所需密度来确定。在热压过程结束时，所述密度优选地比最终的烧结的氮化棚 体的所需密度高约0. 1至0. 3g/cm3,尤其是0. 2g/cm3,该取决于烧结过程中蒸发的组分所占 的比例有多高。其原因在于，在后续的烧结或回火过程期间，任何仍残留在氮化棚体中的氧 化棚都会蒸发，所述后续的烧结或回火过程优选地W在1500°C至2000°C范围内的温度且 尤其是约180(TC的温度进行。在体积保持不变的同时质量减少，导致密度整体下降。
[0021] 根据可供选择的实施例，在制备期间省掉热压过程，并且仅进行具有下游烧结过 程的冷压过程。此类烧结的氮化棚体将有利地具有在0.9至1.2g/cm 3范围内的密度。出乎 意料地，上述措施因而提供了适用于由密度极其低于常规氮化棚体的六方氮化棚组成的应 用范围的氮化棚体。在冷压过程期间（在后续的烧结过程之前）密度也被调整，该密度比 经冷压和烧结的氮化棚体的目标最终密度高0. 1至0. 3g/cm3范围内的值（尤其是约0. 2g/ cm3)，具体取决于挥发性组分（尤其是氧化棚）的比例。
[0022] 出乎意料地，使用该种仅经冷压的氮化棚体同样制备出了具有相对高价值的烧结 的氮化棚体。由于冷压（生）成型体通常强度仍然很低，因此它们通常不能被烧结或在烧 结过程中很难做到（例如）不形成裂纹等。然而，研究现已表明，由于冷压成型体也具有低 密度，因此在紧接的烧结过程中未出现与裂纹形成有关的问题。该也使得能够制出较大的 (尤其是较厚的）烧结的氮化棚体。
[0023] 有利地，最终制得的烧结的氮化棚体（尤其是对于所述实施例的两个变型）相应 地还具有〉30mm并且另外尤其是MOmm的厚度。垂直于沿厚度方向的取向，所述氮化棚体 (在有利的设计中）此外具有至少数十cm 2的表面积。制成的烧结的氮化棚体通常为板形 或者还有圆柱形/盘形的氮化棚体，其还可通过机械方法（例如银割等）转变为所需的最 终几何形状。
[0024] 除了所述的机械加工步骤外，所述氮化棚体优选地在烧结过程之后不经受任何进 一步处理。在烧结过程之后获得的氮化棚体为单一的氮化棚体。
[0025] 所述问题此外根据本发明通过用于制备具有权利要求9所述特征的该种烧结的 氮化棚体的方法得到解决。优选的设计和改进可见于从属权利要求。关于所述氮化棚体和 优选设计所描述的该些优点也类似地适用于所述方法。
[0026] 对于制备而言，首先对六方氮化棚粉末进行冷压W制得（生）成型体，该成型体在 进一步的方法步骤中被烧结W形成氮化棚体，所述烧结的氮化棚体的密度被特别地调整到 <1. 6g/cm3,尤其是 <1. 5g/cm3的值。
[0027] 冷压成型体的密度被有利地调整为在Ig/cm3至1. 3g/cm3的范围内。根据第一优 选可选方案，冷压过程之后仍是热压过程，在热压过程中成型体被进一步压缩。热压过程在 介于1000°C和1500°C之间的温度下进行。在该过程中，存在于粉末中的粘结剂成分（尤其 是氧化棚）发生液化，其优选地W 1至2重量％的比例存在于所述粉末中。