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JP2010199193A - Thermoelectric material, and method of manufacturing the same - Google Patents

Thermoelectric material, and method of manufacturing the same Download PDF

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JP2010199193A JP2009040607A JP2009040607A JP2010199193A JP 2010199193 A JP2010199193 A JP 2010199193A JP 2009040607 A JP2009040607 A JP 2009040607A JP 2009040607 A JP2009040607 A JP 2009040607A JP 2010199193 A JP2010199193 A JP 2010199193A
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alloy
passage
thermoelectric material
mold
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Takahiro Hayashi
林  高廣
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve such a problem that it is difficult to manufacture thermoelectric material with reduced cost owing to a short mold life and that thermoelectric material of high performance index can not be manufactured efficiently. <P>SOLUTION: The manufacturing method for thermoelectric material includes the process to solidify the powder of the alloy containing at least one element selected from the group consisting of Bi and Sb and at least one element selected from the group consisting of Te and Se. After that, extrusion treatment is performed by using a mold, whose pressurization axis of a pressurization passage and extrusion axis of an extrusion passage do not exist on one axis, on the solidified alloy, without giving back pressure in the direction opposite to the extrusion direction of the alloy being extruded inside the extrusion passage. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は熱電材料に関する。   The present invention relates to a thermoelectric material.

BiTe系の熱電材料は、加圧通路の加圧軸と押出通路の押出軸とが一軸上に存在しないように構成した金型によって押出処理を行うことで、高い性能指数の熱電材料を製造可能であることが知られている。このような金型を利用した熱電材料の製造方法は各種の方法が提案されており、押出処理の過程において材料の合金に押出方向と逆向きの背圧を作用させながら押出を行う技術が知られている(例えば、特許文献1、特許文献2)。また、当該押出処理の出発材としてインゴットを使用する技術が知られている(例えば、非特許文献1)。   BiTe-based thermoelectric materials can be manufactured with a high performance index thermoelectric material by extruding with a mold configured so that the pressure shaft of the pressure passage and the extrusion shaft of the extrusion passage do not exist on one axis. It is known that Various methods for producing thermoelectric materials using such a mold have been proposed, and the technology of performing extrusion while applying a back pressure opposite to the extrusion direction to the alloy of the material during the extrusion process is known. (For example, Patent Document 1 and Patent Document 2). Moreover, the technique which uses an ingot as a starting material of the said extrusion process is known (for example, nonpatent literature 1).

特許3942873号公報Japanese Patent No. 3842873 特許4161681号公報Japanese Patent No. 4161681

Jae-Taek Im, K. Ted. Hartwig, Jeff Sharp:「Microstructural refinement of cast p-type Bi2Te3-Sb2Te3 by equal channel angular extrusion」,Acta Materialia, Vol. 52, 2004, p. 49-55Jae-Taek Im, K. Ted. Hartwig, Jeff Sharp: “Microstructural refinement of cast p-type Bi2Te3-Sb2Te3 by equal channel angular extrusion”, Acta Materialia, Vol. 52, 2004, p. 49-55

従来の技術においては、金型寿命が短いため低コストで熱電材料を製造することが困難であった。また、高い性能指数の熱電材料を効率的に製造することができなかった。
すなわち、押出処理の過程で材料の合金に背圧を作用させる場合、背圧1に対して加圧軸への圧力を2〜8程度増加させる必要がある。このため、材料の合金に背圧を作用させない場合と比較して加圧軸に作用させるべき圧力が極めて多大になり、金型寿命を短くしてしまう。
In the prior art, it is difficult to produce a thermoelectric material at a low cost because the mold life is short. Moreover, a thermoelectric material having a high figure of merit could not be produced efficiently.
That is, when a back pressure is applied to the material alloy during the extrusion process, it is necessary to increase the pressure on the pressure shaft by about 2 to 8 with respect to the back pressure 1. For this reason, compared with the case where a back pressure is not applied to the alloy of material, the pressure which should be made to act on a pressurization axis | shaft becomes very large, and a metal mold | die lifetime will be shortened.

また、押出処理の出発材がインゴットである場合、押出処理の過程において合金の再結晶化が充分に促進されず、押出処理の結果得られる合金の結晶粒経が不均一になる。従って、熱電材料の特性が安定しない。
本発明は、前記課題に鑑みてなされたもので、金型を長期間にわたって使用し、また、高い性能指数の熱電材料を効率的に製造することを目的とする。
Further, when the starting material of the extrusion process is an ingot, the recrystallization of the alloy is not sufficiently promoted during the extrusion process, and the crystal grain size of the alloy obtained as a result of the extrusion process becomes non-uniform. Therefore, the characteristics of the thermoelectric material are not stable.
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to use a mold for a long period of time and efficiently produce a thermoelectric material having a high figure of merit.

前記目的の少なくとも一つを解決するため、本発明では、BiTe系熱電材料において粉末を固化した合金を出発材料とし、加圧通路の加圧軸と押出通路の押出軸とが一軸上に存在しない金型によって押出処理を行う。また、当該金型によって押出処理を行う際に、押出通路内で押し出されている合金に対して押出方向と逆向きの背圧を作用させずに押出処理を行う。   In order to solve at least one of the above objects, in the present invention, an alloy obtained by solidifying powder in a BiTe-based thermoelectric material is used as a starting material, and the pressure shaft of the pressure passage and the extrusion shaft of the extrusion passage do not exist on one axis. Extrusion is performed by a mold. Further, when the extrusion process is performed by the mold, the extrusion process is performed without applying a back pressure opposite to the extrusion direction to the alloy extruded in the extrusion passage.

すなわち、押出処理の過程で合金に背圧をさせない構成とするため、加圧通路において加圧を行う際に合金に対して過度の圧力を作用させる必要がない。従って、合金に背圧を作用させる場合と比較して金型を長期間にわたって使用することができる。また、粉末を固化した合金を出発材料としているため、合金内の結晶粒経が小さな状態から押出処理を開始することができ、押出処理によって合金を均一に再結晶化させることができる。従って、製造された熱電材料の性能は均一であり、高い性能指数の熱電材料を効率的に製造することができる。   That is, since the back pressure is not applied to the alloy during the extrusion process, it is not necessary to apply an excessive pressure to the alloy when pressurizing in the pressurizing passage. Therefore, the mold can be used for a long period of time as compared with the case where the back pressure is applied to the alloy. Further, since the alloy obtained by solidifying the powder is used as a starting material, the extrusion process can be started from a state in which the crystal grain size in the alloy is small, and the alloy can be uniformly recrystallized by the extrusion process. Therefore, the performance of the manufactured thermoelectric material is uniform, and a high performance index thermoelectric material can be efficiently manufactured.

ここで、熱電材料はBiTe系熱電材料であればよい。すなわち、Bi,Sbからなる群から選択される少なくとも1種の元素を(Bi,Sb)、Te,Seからなる群から選択される少なくとも1種の元素を(Te,Se)と表記したとき、(Bi,Sb)x(Te,Se)yにおいて特定のx,yの組み合わせとすると、その材料が菱面体結晶構造(空間群R3−m(−は通常、3の上方に表記される))の熱電材料になる。なお、本明細書においてc軸,a軸等の結晶軸やc面等の結晶面は、空間群R3−mの結晶を六方晶表記したときの結晶軸や結晶面である。 Here, the thermoelectric material may be a BiTe-based thermoelectric material. That is, when at least one element selected from the group consisting of Bi and Sb is expressed as (Bi, Sb), and at least one element selected from the group consisting of Te and Se is expressed as (Te, Se), (Bi, Sb) x (Te, Se) specific x in y, when a combination of y, the material is rhombohedral crystal structure (space group R3-m (- is usually expressed above 3)) It becomes a thermoelectric material. Note that in this specification, crystal axes such as c-axis and a-axis, and crystal planes such as c-plane are crystal axes and crystal planes when the crystal of space group R3-m is expressed in hexagonal crystal form.

さらに、金型は、加圧通路と押出通路とが繋がっており、加圧通路が延びる方向に対して垂直な面において加圧通路の内径に囲まれた領域の重心を通る加圧軸と、押出通路が延びる方向に対して垂直な面において押出通路の内径に囲まれた領域の重心を通る押出軸とが一軸上に存在しなければよい。例えば、加圧軸と押出軸とが直交するなど、加圧軸と押出軸とが一致しないように加圧通路と押出通路とが形成されていればよい。   Further, in the mold, the pressurizing passage and the extrusion passage are connected, and a pressurizing shaft that passes through the center of gravity of the region surrounded by the inner diameter of the pressurizing passage in a plane perpendicular to the direction in which the pressurizing passage extends, The extrusion shaft passing through the center of gravity of the region surrounded by the inner diameter of the extrusion passage in a plane perpendicular to the direction in which the extrusion passage extends may not exist on one axis. For example, the pressure passage and the extrusion passage may be formed so that the pressure shaft and the extrusion shaft do not coincide with each other, for example, the pressure shaft and the extrusion shaft are orthogonal to each other.

さらに、出発材料は粉末を固化する構成例として、金型内で粉末を固化させる構成を採用してもよい。例えば、押出通路に対して挿入具を挿入することによって当該押出通路を塞いだ状態において加圧通路内で合金の粉末を加圧することによって合金を固化させる構成を採用可能である。すなわち、本発明における金型は加圧通路と押出通路とが異なる向きを向いているため、挿入具を押出通路に挿入することによって押出通路を塞ぐことができる。そこで、当該挿入具によって押出通路を塞いだ状態で合金の粉末を加圧通路内に入れ、当該粉末が押出通路側に移動しない状態として加圧通路において粉末を加圧する。   Furthermore, the starting material may adopt a configuration in which the powder is solidified in a mold as a structural example for solidifying the powder. For example, it is possible to adopt a configuration in which the alloy is solidified by pressurizing the alloy powder in the pressurizing passage while the push-out passage is closed by inserting an insertion tool into the extrusion passage. That is, in the metal mold according to the present invention, the pressurizing passage and the extrusion passage are oriented in different directions, and therefore the extrusion passage can be closed by inserting the insertion tool into the extrusion passage. Therefore, the alloy powder is put into the pressurizing passage in a state where the extrusion passage is closed by the insertion tool, and the powder is pressurized in the pressurizing passage so that the powder does not move to the extrusion passage.

この構成によれば、押出処理を行う金型内で粉末を固化することができる。また、挿入具を押出通路から引き抜けば、すぐに押出処理を行うことができる。従って、高い作業効率で熱電材料を製造することができ、高い性能指数の熱電材料を効率的に製造することができる。   According to this configuration, the powder can be solidified in the mold for performing the extrusion process. Moreover, if an insertion tool is pulled out from an extrusion channel | path, an extrusion process can be performed immediately. Therefore, a thermoelectric material can be manufactured with high work efficiency, and a thermoelectric material with a high figure of merit can be manufactured efficiently.

なお、挿入具は押出通路を塞ぐことができればよく、押出通路の内径と略同一形状の外径を備える柱状体等によって構成することができる。また、挿入具にて押出通路を塞いだ状態で、加圧通路内にて合金の粉末に対して当該粉末を固化するための圧力を作用させることができればよい。従って、粉末が押出通路方向へ移動することを防止できるように、挿入具が押出通路に挿入されていればよい。   In addition, the insertion tool should just be able to block an extrusion channel | path, and can be comprised by the columnar body etc. provided with the outer diameter of substantially the same shape as the internal diameter of an extrusion channel | path. Further, it is only necessary to apply a pressure for solidifying the powder to the alloy powder in the pressurizing passage in a state where the extrusion passage is closed with the insertion tool. Therefore, it is only necessary that the insertion tool is inserted into the extrusion passage so that the powder can be prevented from moving in the direction of the extrusion passage.

さらに、合金の粉末の粒径は30μm以下(好ましくは1〜10μm以上)であり、合金の理論密度の98%以上になるように加圧して固化することが好ましい。すなわち、粉末化などによって材料内の結晶粒を微細化すると機械的強度が上がる(ホールペッチ則)る。なお、本明細書における密度は質量密度である。   Further, the particle size of the alloy powder is 30 μm or less (preferably 1 to 10 μm or more), and it is preferable to press and solidify so that the alloy has a theoretical density of 98% or more. That is, when the crystal grains in the material are refined by pulverization or the like, the mechanical strength increases (Hall Petch rule). In addition, the density in this specification is a mass density.

しかし、粒径が30μm以下の粉末を固化して押出処理を行うと、押出処理の過程で再結晶によって結晶粒経がある程度粗大化するものの、高い機械強度または機械特性を確保したままで熱電材料を製造することができる。なお、粉末は、溶融合金のロール型液体急冷やガスアトマイズによって取得しても良いし、回転ディスクの回転を利用して溶融合金を飛散させて粉末化しても良いし、秤量後に溶融して得られた合金を粉砕して取得しても良い。   However, when a powder having a particle size of 30 μm or less is solidified and subjected to extrusion processing, the crystal grain size becomes coarse to some extent by recrystallization during the extrusion processing, but the thermoelectric material maintains high mechanical strength or mechanical characteristics. Can be manufactured. The powder may be obtained by roll-type liquid quenching or gas atomization of the molten alloy, or may be powdered by scattering the molten alloy using the rotation of a rotating disk, or obtained by melting after weighing. The obtained alloy may be pulverized.

さらに、理論密度の98%以上になるまで加圧した後に押出処理を行うことにより、製造される熱電材料の大半が目的組成によって構成されるように熱電材料を製造することが可能である。すなわち、理論密度はJCPDSカードによって特定可能な室温における目的組成の理論上の密度(例えば、金景勲、片山佐一、「急冷法で作った(Bi1-xSbx)2(Te1-ySey)3系の高格子定数と密度」、応用物理、応用物理学会、1970、第39巻、第11号、p.1028-1033参照)であり、当該理論密度を指標にして加圧による固化を行うことで、目的組成の熱電材料を製造することが可能である。 Furthermore, it is possible to manufacture a thermoelectric material so that most of the manufactured thermoelectric material is comprised by the target composition by performing an extrusion process after pressing until it becomes 98% or more of theoretical density. That is, the theoretical density is the theoretical density of the target composition that can be specified by the JCPDS card (for example, Isao Kinkei, Saichi Katayama, “Bi 1-x Sb x ) 2 (Te 1-y Se y ) High lattice constants and densities of 3 systems ", Applied Physics, Japan Society of Applied Physics, 1970, Vol. 39, No. 11, p.1028-1033), solidification by pressurization using the theoretical density as an index It is possible to manufacture a thermoelectric material having a target composition.

さらに、上述のようにして製造した熱電材料においては、特定の方向に関する性能指数が高いので、当該特定の方向(結晶粒の長手方向が揃っている特定の方向)を通電方向とするように熱電材料を切断して熱電素子を製造する。そして、得られた熱電素子を組み合わせて熱電変換モジュールとすれば、高性能の熱電変換モジュールを製造することができる。   Further, since the thermoelectric material manufactured as described above has a high figure of merit in a specific direction, the thermoelectric material is set so that the specific direction (the specific direction in which the longitudinal directions of the crystal grains are aligned) is the energization direction. The thermoelectric element is manufactured by cutting the material. And if the thermoelectric element obtained is combined and it is set as a thermoelectric conversion module, a high-performance thermoelectric conversion module can be manufactured.

熱電材料の製造方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the manufacturing method of a thermoelectric material. 金型の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of a metal mold | die. 製造プロセスを示す断面図である。It is sectional drawing which shows a manufacturing process.

ここでは、下記の順序に従って本発明の実施の形態について説明する。
(1)熱電材料の製造方法:
(2)金型寿命、相対密度、結晶粒経の比較:
(3)他の実施形態:
Here, embodiments of the present invention will be described in the following order.
(1) Thermoelectric material manufacturing method:
(2) Comparison of mold life, relative density, and crystal grain size:
(3) Other embodiments:

(1)熱電材料の製造方法:
図1は、熱電材料の製造方法の一実施形態を示すフローチャートである。本実施形態においては、まず、BiTe系熱電材料の原料となる元素を秤量して溶融し、ロール型液体急冷法によって急冷し、薄膜状の合金の粉末を作成する(ステップS100)。すなわち、Bi,Sbからなる群から選択される少なくとも1種の元素と、Te,Seからなる群から選択される少なくとも1種の元素とのインゴットを秤量して溶融し、(Bi,Sb)(Te,Se)の組成の粉末合金を作成する。x,yは例えば、2,3である。
(1) Thermoelectric material manufacturing method:
FIG. 1 is a flowchart showing an embodiment of a method for producing a thermoelectric material. In the present embodiment, first, an element that is a raw material of the BiTe-based thermoelectric material is weighed and melted, and then quenched by a roll-type liquid quenching method to produce a thin-film alloy powder (step S100). That is, an ingot of at least one element selected from the group consisting of Bi and Sb and at least one element selected from the group consisting of Te and Se is weighed and melted, and (Bi, Sb) x A powder alloy having a composition of (Te, Se) y is prepared. x and y are 2 and 3, for example.

当該ロール型液体急冷法によれば、粉末内の結晶の粒径を30μmにすることができる。なお、液体急冷の手法としては単ロール法でもよいし、双ロール法でもよい。また、粉末内の結晶の粒径を30μmにすることができる限りにおいて、ガスアトマイズ法やインゴットの粉砕によって粉末を作成してもよい。   According to the roll type liquid quenching method, the particle size of the crystals in the powder can be 30 μm. The liquid quenching method may be a single roll method or a twin roll method. Moreover, as long as the crystal grain size in the powder can be reduced to 30 μm, the powder may be prepared by a gas atomizing method or ingot grinding.

合金の粉末が準備されると、押出処理を行う前に当該合金の粉末を固化する。本実施形態においては、押出処理用の金型内で粉末に対してせん断力を付与することなく加圧して固化させる構成を採用しており、当該金型内で粉末を加圧することができるように準備する。図2は、金型の一例を示す模式図である。図2に示す例において、金型10は直方体であり、面11に矩形の開口部11aが形成され、面11に隣接する面12に矩形の開口部12aが形成されている。金型10においては、開口部11aから面11に対して垂直な方向に延びる穴が形成されており、当該穴が加圧通路11bを構成している。また、開口部12aから面12に対して垂直な方向に延びる穴が形成されており、当該穴が押出通路12bを構成している。   Once the alloy powder is prepared, the alloy powder is solidified before the extrusion process. In the present embodiment, a configuration is adopted in which the powder is pressed and solidified without applying a shearing force to the powder in the extrusion mold, so that the powder can be pressed in the mold. Prepare to. FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of a mold. In the example shown in FIG. 2, the mold 10 is a rectangular parallelepiped, and a rectangular opening 11 a is formed on the surface 11, and a rectangular opening 12 a is formed on a surface 12 adjacent to the surface 11. In the mold 10, a hole extending in a direction perpendicular to the surface 11 from the opening 11a is formed, and the hole constitutes a pressurizing passage 11b. Further, a hole extending in a direction perpendicular to the surface 12 from the opening 12a is formed, and the hole constitutes the extrusion passage 12b.

また、加圧通路11bと押出通路12bとは、金型10の内部でつながっている。さらに、開口部11aによって形成される矩形の重心を通り面11に垂直な直線は加圧通路11bの中心を通る加圧軸であり、開口部12aによって形成される矩形の重心を通り面12に垂直な直線は押出通路12bの中心を通る加圧軸である。本実施形態において、加圧軸と押出軸とは金型10内で直交している。   Further, the pressurizing passage 11 b and the extrusion passage 12 b are connected inside the mold 10. Further, a straight line that passes through the center of gravity of the rectangle formed by the opening 11a and is perpendicular to the surface 11 is a pressure axis that passes through the center of the pressure passage 11b, and passes through the center of gravity of the rectangle formed by the opening 12a. A vertical straight line is a pressure axis passing through the center of the extrusion passage 12b. In the present embodiment, the pressure shaft and the extrusion shaft are orthogonal to each other in the mold 10.

本実施形態においては、当該金型10内に粉末の合金をセットして固化させることができる状態にするため、押出通路12bに対して挿入具を挿入する(ステップS110)。挿入具30は、押出通路12bの内径より僅かに小さい外径を持つ四角柱であり、ステップS110においては、当該挿入具30を予め押出通路12bに挿入して押出通路12bを塞いだ状態とする。すなわち、加圧通路11bの内壁の延長線が挿入具30の先端の面上に位置するまで挿入具30を押出通路12bに対して挿入し、押出通路12bが加圧通路11b側から見て塞がれた状態とする。この状態において、加圧通路11bは面11側で開口するとともに他の部位が塞がれた四角柱状の穴となっている。   In the present embodiment, an insertion tool is inserted into the extrusion passage 12b so that a powder alloy can be set and solidified in the mold 10 (step S110). The insertion tool 30 is a quadrangular prism having an outer diameter slightly smaller than the inner diameter of the extrusion passage 12b. In step S110, the insertion tool 30 is inserted into the extrusion passage 12b in advance to close the extrusion passage 12b. . That is, the insertion tool 30 is inserted into the extrusion passage 12b until the extension line of the inner wall of the pressure passage 11b is positioned on the surface of the distal end of the insertion tool 30, and the extrusion passage 12b is blocked when viewed from the pressure passage 11b side. It is assumed that it is peeled off. In this state, the pressurizing passage 11b is a quadrangular columnar hole that opens on the surface 11 side and is closed at the other portion.

そこで、当該加圧通路11bに対してステップS100で作成した合金の粉末をセットする(ステップS120)。図3は押出通路12bに挿入具30を挿入した状態を示す金型10の断面図であり、同図3Aは加圧通路11b内に粉末状の合金20がセットされた状態を示している。なお、本実施形態において熱電材料は、押出処理後に金型10内に残っており、金型10は、この熱電材料を取り出すための図示しない構造(例えば、金型10を組み立て可能に構成するなど)を備えている。   Therefore, the alloy powder prepared in step S100 is set in the pressurizing passage 11b (step S120). FIG. 3 is a cross-sectional view of the mold 10 showing a state in which the insertion tool 30 is inserted into the extrusion passage 12b. FIG. 3A shows a state in which the powdered alloy 20 is set in the pressurization passage 11b. In this embodiment, the thermoelectric material remains in the mold 10 after the extrusion process, and the mold 10 has a structure (not shown) for taking out the thermoelectric material (for example, the mold 10 can be assembled). ).

粉末を金型10にセットすると、前記チャンバー内を真空引きし、真空引きが完了した後にチャンバー内にアルゴンガスを導入する(ステップS130)。すなわち、金型10の雰囲気をアルゴンガスに置換する。この後、図示しないヒータによって金型10を加熱し(ステップS140)、金型10を予め決められた設定温度に設定する。   When the powder is set in the mold 10, the inside of the chamber is evacuated, and after the evacuation is completed, argon gas is introduced into the chamber (step S130). That is, the atmosphere of the mold 10 is replaced with argon gas. Thereafter, the mold 10 is heated by a heater (not shown) (step S140), and the mold 10 is set to a predetermined set temperature.

金型10が設定温度に達したら、加圧通路11b内の粉末状の合金20を固化する(ステップS150)。図3Bは、当該固化の過程を示す図である。本例においてプランジャ31は、加圧通路11bの内径より僅かに小さい外径を持つ四角柱であり、挿入具30を固定した状態で当該プランジャ31によって合金20を加圧することによって合金20を固化する。   When the mold 10 reaches the set temperature, the powdered alloy 20 in the pressurizing passage 11b is solidified (step S150). FIG. 3B is a diagram showing the solidification process. In this example, the plunger 31 is a quadrangular column having an outer diameter slightly smaller than the inner diameter of the pressurizing passage 11b, and the alloy 20 is solidified by pressurizing the alloy 20 with the plunger 31 in a state where the insertion tool 30 is fixed. .

本実施形態においては、(Bi,Sb)(Te,Se)の組成における室温での理論密度の98%となるまで加圧する。すなわち、予め加圧通路11b内の幾何学的形状が特定されており、粉末状の合金20の重量も測定されている。従って、プランジャ31の位置によって加圧通路11b内の容積を特定するとともに粉末状の合金20の重量を容積によって除することによって密度を特定することができる。そこで、当該特定された密度の室温における理論密度に対する相対密度が98%以上になったときにプランジャ31による加圧を終了する。 In the present embodiment, pressurization is performed until it reaches 98% of the theoretical density at room temperature in the composition of (Bi, Sb) x (Te, Se) y . That is, the geometric shape in the pressurizing passage 11b is specified in advance, and the weight of the powdered alloy 20 is also measured. Therefore, the density can be specified by specifying the volume in the pressure passage 11b by the position of the plunger 31 and dividing the weight of the powdered alloy 20 by the volume. Therefore, when the relative density of the specified density with respect to the theoretical density at room temperature becomes 98% or more, the pressurization by the plunger 31 is terminated.

次に、挿入具30を押出通路12bから取り外し(ステップS160)、その後に、プランジャ31によって押出処理を行う(ステップS170)。ここでは、例えば、加圧によって1mm/分〜12mm/分程度の速度でプランジャ31が移動するように押出処理を行う。プランジャ31が特定の位置に達すると押出処理は終了し、この後、金型を冷却して(ステップS180)、熱電材料を取り出す(ステップS190)。製造された熱電材料に対しては熱電素子の切り出しを行う材料加工工程が実施される。また、熱電材料を連続的に製造する際には、さらに、ステップS120以降の処理を繰り返す。   Next, the insertion tool 30 is removed from the extrusion passage 12b (step S160), and thereafter, extrusion processing is performed by the plunger 31 (step S170). Here, for example, the extrusion process is performed so that the plunger 31 moves at a speed of about 1 mm / min to 12 mm / min by pressurization. When the plunger 31 reaches a specific position, the extrusion process ends, and thereafter, the mold is cooled (step S180) and the thermoelectric material is taken out (step S190). A material processing step of cutting out the thermoelectric element is performed on the manufactured thermoelectric material. Moreover, when manufacturing a thermoelectric material continuously, the process after step S120 is further repeated.

(2)金型寿命、相対密度、結晶粒経の比較:
次に、金型10の寿命、相対密度、粉末状の合金20の結晶粒径について説明する。表1においては、Bi2Te2.7Se0.3の組成を有する合金20に対して金型10によって押出処理を行った場合の金型10の寿命を示している。すなわち、押出処理を繰り返すことによって金型10が破損したときの繰り返し回数と、背圧(押出方向と逆向きの力)および押出圧力との関係を示している。なお、本明細書においてECAPはEqual-Channnel Angular Pressingであり、金型10において開口部11aと開口部11aとが同形である場合の例であり、せん断付与押出は金型10において開口部11aと開口部11aとが異なる形状である場合の例である。また、押出方向とは、押出通路12b内で加圧によって合金20が移動する方向であり、図2においては加圧軸に沿って開口部12a側に向いた方向である。

Figure 2010199193
(2) Comparison of mold life, relative density, and crystal grain size:
Next, the life of the mold 10, the relative density, and the crystal grain size of the powdered alloy 20 will be described. In Table 1, it shows the life of the die 10 in the case of performing extrusion process by the mold 10 against alloy 20 having a composition of Bi 2 Te 2.7 Se 0.3. That is, the relationship between the number of repetitions when the mold 10 is damaged by repeating the extrusion process, the back pressure (force opposite to the extrusion direction), and the extrusion pressure is shown. In this specification, ECAP is Equal-Channnel Angular Pressing, and is an example in which the opening 11a and the opening 11a have the same shape in the mold 10, and the shear imparting extrusion is performed in the mold 10 with the opening 11a. This is an example where the opening 11a has a different shape. Further, the extrusion direction is a direction in which the alloy 20 moves by pressurization in the extrusion passage 12b, and in FIG. 2, is a direction facing the opening 12a side along the pressurization axis.
Figure 2010199193

すなわち、表1においては、複数の金型10を用意して各金型10に破損が発生するまで繰り返して押出処理を行った場合の結果を示している。また、表1においては、同程度の押出速度で合金を押し出すときの背圧と押出圧力を示している。表1によれば、100MPaの背圧を合金20に作用させて押出処理を行うと、背圧を作用させずに押出処理を行う場合よりもプランジャ31による押出圧力が増大することがわかる。   That is, Table 1 shows the results when a plurality of molds 10 are prepared and the extrusion process is repeated until each mold 10 is damaged. Table 1 shows the back pressure and extrusion pressure when extruding the alloy at the same extrusion speed. According to Table 1, when the extrusion process is performed by applying a back pressure of 100 MPa to the alloy 20, the extrusion pressure by the plunger 31 increases as compared with the case of performing the extrusion process without applying the back pressure.

さらに、背圧を作用させたときと作用させないときでは、背圧の増分が100MPaであるにもかかわらず、押出圧力の増分が240MPaや600MPaとなっており、押出圧力の増分は背圧の増分を大きく超えている。また、ECAP、せん断付与押出のいずれにおいても、背圧を作用させた場合には背圧を作用させない場合と比較して金型10が破損するまでの回数は極めて少ない。すなわち、背圧を作用させた場合、押出圧力が大きくなることに起因して金型10が破損するまでの回数が極めて少なくなる。従って、背圧を作用させずに押出処理を行うことによって金型10の寿命を延ばし、熱電材料を製造する際のコストを抑えることが可能である。   Further, when the back pressure is applied and when the back pressure is not applied, although the back pressure increment is 100 MPa, the extrusion pressure increment is 240 MPa or 600 MPa, and the extrusion pressure increment is the back pressure increment. Is greatly exceeded. In both ECAP and shearing extrusion, when the back pressure is applied, the number of times until the mold 10 is damaged is extremely small compared to the case where the back pressure is not applied. That is, when a back pressure is applied, the number of times until the mold 10 is damaged due to an increase in the extrusion pressure is extremely reduced. Therefore, it is possible to extend the life of the mold 10 by performing the extrusion process without applying back pressure, and to suppress the cost when manufacturing the thermoelectric material.

表2は、金型10にて粉末状の合金20を固化した後にECAPによる押出処理を行った場合について、合金20を固化した後の相対密度とECAPによる押出処理を行った後の相対密度を示している。なお、当該表2に示す例においても合金20の組成はBi2Te2.7Se0.3であり、ECAP後の相対密度は大きさおよび重量を実測して特定した。

Figure 2010199193
Table 2 shows the relative density after solidifying the alloy 20 and the relative density after performing the extrusion treatment by ECAP in the case of performing the extrusion treatment by ECAP after solidifying the powdered alloy 20 in the mold 10. Show. In the example shown in Table 2, the composition of the alloy 20 was Bi 2 Te 2.7 Se 0.3 , and the relative density after ECAP was specified by actually measuring the size and weight.
Figure 2010199193

以上の表2に示すように、固化合金の相対密度を98%以上としておけば、ECAP後の相対密度も98%に維持され、目的組成通りの熱電材料を作成することができる。また、固化合金の相対密度が96%以下であると密度の低下を伴って製造上好ましくなく、特に固化合金の相対密度が92%以下になるとECAP後にワレが生じてしまう。従って、相対密度が98%となるまで加圧して固化する構成が好ましい。   As shown in Table 2 above, if the relative density of the solidified alloy is set to 98% or more, the relative density after ECAP is also maintained at 98%, and a thermoelectric material having a desired composition can be produced. Further, if the relative density of the solidified alloy is 96% or less, it is not preferable in production with a decrease in density. In particular, if the relative density of the solidified alloy is 92% or less, cracking occurs after ECAP. Therefore, a configuration in which the solid is pressed and solidified until the relative density becomes 98% is preferable.

表3は、予めホットプレスやSPS(Spark Plasma Sintering)法等によって相対密度が98%以上になるように粉末状の合金20(Bi2Te2.7Se0.3)を固化し、固化後の合金20に対して金型10によってECAPによる押出処理を行った後の相対密度を示している。ここでも、ECAP後の相対密度は大きさおよび重量の実測に基づいて特定されている。

Figure 2010199193
Table 3 shows that the powdered alloy 20 (Bi 2 Te 2.7 Se 0.3 ) is solidified beforehand by hot pressing, SPS (Spark Plasma Sintering) method or the like so that the relative density becomes 98% or more. On the other hand, the relative density after performing the extrusion process by ECAP with the metal mold | die 10 is shown. Again, the relative density after ECAP is specified based on actual measurements of size and weight.
Figure 2010199193

表3に示すように、固化後の合金20の結晶粒経が30μm以下である場合には、ECAPによる押出処理を行っても相対密度は低下せず、30μmを超えるとECAPによる押出処理後に相対密度が低下してしまう。従って、固化後の合金20の結晶粒経は30μm以下であることが好ましい。また、熱電材料の結晶粒経は30μm以下であると、熱電材料内の結晶粒の微細化によって機械的強度が高くなる。   As shown in Table 3, when the crystal grain size of the alloy 20 after solidification is 30 μm or less, the relative density does not decrease even when the extrusion treatment by ECAP is performed. Density decreases. Accordingly, the crystal grain size of the alloy 20 after solidification is preferably 30 μm or less. In addition, when the crystal grain size of the thermoelectric material is 30 μm or less, the mechanical strength increases due to the refinement of crystal grains in the thermoelectric material.

以上のような、30μm以下の結晶粒経の合金は、粉末状の合金を固化する構成によって容易に実現可能である。例えば、インゴットを加圧して合金を構成する場合、ECAP,せん断付与押出のいずれにおいても所望の粒径の結晶によって合金を構成することは困難である。一方、粉末を固化する構成によれば、極めて容易に所望の粒径の結晶によって合金を構成することができる。例えば、インゴットを押出処理した場合、粒経が500μm以下の結晶が占める割合はせいぜい10%〜60%程度であるが、粉末状の合金20を押出処理した場合、極めて容易に粒経が500μm以下の結晶が占める割合を100%にすることができる。   An alloy having a crystal grain size of 30 μm or less as described above can be easily realized by a configuration in which a powdered alloy is solidified. For example, when an alloy is formed by pressurizing an ingot, it is difficult to form an alloy with crystals having a desired particle diameter in both ECAP and shearing extrusion. On the other hand, according to the configuration in which the powder is solidified, an alloy can be configured with crystals having a desired particle diameter very easily. For example, when an ingot is extruded, the proportion of crystals having a particle size of 500 μm or less is at most about 10% to 60%. However, when the powdered alloy 20 is extruded, the particle size is 500 μm or less very easily. The proportion of the crystals can be made 100%.

なお、結晶粒径が7μmの合金Bi2Te2.7Se0.3について50MPaでアルゴン雰囲気中にて30分加圧して固化する場合、320℃〜420℃程度の温度範囲とすることで結晶粒経を7μm〜14μmとすることができる。一方、440℃で加圧することによって結晶粒経が36μmとなる。従って、320℃〜420℃の温度範囲で加圧することによって結晶粒経を30μmより小さくすることができる。さらに、合金Bi2Te2.7Se0.3を420℃においてアルゴン雰囲気中で30分加圧し他場合、50MPa〜100MPaで加圧することにより、相対密度を98%以上にすることが可能である。 When alloy Bi 2 Te 2.7 Se 0.3 having a crystal grain size of 7 μm is solidified by pressurizing at 50 MPa in an argon atmosphere for 30 minutes, the crystal grain size is set to 7 μm by adjusting the temperature range to about 320 ° C. to 420 ° C. It can be set to ˜14 μm. On the other hand, by applying pressure at 440 ° C., the crystal grain size becomes 36 μm. Therefore, the crystal grain size can be made smaller than 30 μm by applying pressure in the temperature range of 320 ° C. to 420 ° C. Furthermore, the alloy Bi 2 Te 2.7 Se 0.3 is pressurized in an argon atmosphere at 420 ° C. for 30 minutes, and in other cases, the relative density can be increased to 98% or more by pressing at 50 MPa to 100 MPa.

なお、本明細書において、合金20の原子構造について結晶軸を定義したとき、特定の結晶軸同士(例えば、異なる向きを向いているa軸同士)の傾きが15°以内であれば同一結晶粒であり、傾きが15°を超える構造は異なる結晶粒であるとしている。当該結晶軸の傾きは、例えば、TSL社製のEBSD(Electron Back Scatter Diffraction)装置にて熱電材料の任意の断面を測定し、測定結果を解析ソフトウェアによって解析することで取得することが可能である。また、本明細書において結晶粒の大きさ(結晶粒径)は、ある断面における結晶粒の面積と同じ面積の円の半径にて定義する。当該結晶粒の面積も上述のEBSD装置にて測定可能である。   In the present specification, when the crystal axes are defined for the atomic structure of the alloy 20, the same crystal grains as long as the inclination of specific crystal axes (for example, a-axis facing different directions) is within 15 °. The structure having an inclination exceeding 15 ° is assumed to be different crystal grains. The inclination of the crystal axis can be obtained, for example, by measuring an arbitrary cross section of a thermoelectric material with an EBSD (Electron Back Scatter Diffraction) apparatus manufactured by TSL, and analyzing the measurement result with analysis software. . Further, in this specification, the size of a crystal grain (crystal grain size) is defined by the radius of a circle having the same area as the crystal grain area in a certain cross section. The area of the crystal grains can also be measured with the above-described EBSD apparatus.

(3)他の実施形態:
本発明においては、合金の粉末を固化し、金型の押出通路内で合金に対して背圧を作用させることなく押出処理を行うことができればよく、上述の実施形態以外にも種々の構成を採用可能である。例えば、前記金型10は一例であり、加圧軸と押出軸とが一軸上に存在しない構成となっている限りにおいて、両軸の角度は限定されず、両者が直交している前記実施形態に限定されない。また、加圧軸と押出軸とにおいて穴の径が異なっていても良い。すなわち、加圧軸に沿った穴より押出軸に沿った穴の方が小さくなるように構成してもよい。さらに、挿入部30を加圧通路11bの内壁に接触するまで挿入することによって加圧通路11bの一部とともに押出通路12bを塞ぐ構成としてもよい。
(3) Other embodiments:
In the present invention, it is only necessary to solidify the alloy powder and perform the extrusion process without applying back pressure to the alloy in the extrusion passage of the mold. It can be adopted. For example, the mold 10 is an example, and as long as the pressure shaft and the extrusion shaft do not exist on one axis, the angles of both axes are not limited, and the embodiment in which both are orthogonal to each other is provided. It is not limited to. Moreover, the diameters of the holes may be different between the pressure shaft and the extrusion shaft. In other words, the hole along the extrusion axis may be smaller than the hole along the pressure axis. Furthermore, it is good also as a structure which plugs the extrusion channel | path 12b with a part of pressurization channel | path 11b by inserting the insertion part 30 until it contacts the inner wall of the pressurization channel | path 11b.

さらに、予め粉末状の合金を固化し、固化した後の合金に対して押出通路内で合金に対して背圧を作用させることなく押出処理を行う構成としてもよい。表4は、ホットプレスによって金型10の外部で粉末状の合金20を固化した後に金型10にてECAPによる押出処理を行った場合について、合金20を固化した後の相対密度とECAPによる押出処理を行った後の相対密度を示している。ここでも合金20の組成はBi2Te2.7Se0.3であり、ECAP後の相対密度は大きさおよび重量を実測して特定した。

Figure 2010199193
Furthermore, it is good also as a structure which solidifies a powdery alloy previously and performs an extrusion process, without making a back pressure act on an alloy within an extrusion channel | path with respect to the solidified alloy. Table 4 shows the relative density after solidification of the alloy 20 and the extrusion by ECAP in the case where the powdery alloy 20 is solidified outside the mold 10 by hot pressing and then the extrusion treatment by ECAP is performed in the mold 10. The relative density after processing is shown. Again, the composition of the alloy 20 was Bi 2 Te 2.7 Se 0.3 , and the relative density after ECAP was specified by measuring the size and weight.
Figure 2010199193

以上の表4に示すように、固化合金の相対密度を98%以上としておけば、ECAP後の相対密度も98%に維持され、目的組成通りの熱電材料を作成することができる。また、固化合金の相対密度が97%以下であると密度の低下を伴って製造上好ましくなく、特に固化合金の相対密度95%以下になるとECAP後にワレが生じてしまう。従って、相対密度が98%となるまで加圧して固化する構成が好ましい。   As shown in Table 4 above, when the relative density of the solidified alloy is set to 98% or more, the relative density after ECAP is also maintained at 98%, and a thermoelectric material having a desired composition can be produced. Further, if the relative density of the solidified alloy is 97% or less, it is not preferable in production with a decrease in density. In particular, if the relative density of the solidified alloy is 95% or less, cracking occurs after ECAP. Therefore, a configuration in which the solid is pressed and solidified until the relative density becomes 98% is preferable.

10…金型
11a…開口部
11b…加圧通路
12a…開口部
12b…押出通路
20…合金
30…挿入具
31…プランジャ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Mold 11a ... Opening part 11b ... Pressurization channel | path 12a ... Opening part 12b ... Extrusion channel | path 20 ... Alloy 30 ... Insertion tool 31 ... Plunger

Claims (4)

Bi,Sbからなる群から選択される少なくとも1種の元素と、Te,Seからなる群から選択される少なくとも1種の元素との合金の粉末を固化し、
固化された前記合金に対して、加圧通路の加圧軸と押出通路の押出軸とが一軸上に存在しない金型によって、前記押出通路内で押し出されている前記合金に対して押出方向と逆向きの背圧を作用させることなく押出処理を行う、
熱電材料の製造方法。
Solidifying a powder of an alloy of at least one element selected from the group consisting of Bi and Sb and at least one element selected from the group consisting of Te and Se;
With respect to the solidified alloy, the pressing direction of the pressurizing passage and the extruding shaft of the extruding passage with respect to the alloy extruded in the extruding passage by a mold that does not exist on one axis, Extrusion without reverse pressure acting
Thermoelectric material manufacturing method.
前記押出通路に対して挿入具を挿入することによって前記押出通路を塞いだ状態において前記加圧通路内で前記合金の粉末を加圧することによって前記合金を固化させる、
請求項1に記載の熱電材料の製造方法。
Solidifying the alloy by pressurizing the alloy powder in the pressure passage in a state where the extrusion passage is closed by inserting an insertion tool into the extrusion passage;
The manufacturing method of the thermoelectric material of Claim 1.
前記合金の粉末の粒径は30μm以下であり、固化された前記合金は前記合金の理論密度の98%以上である、
請求項1または請求項2のいずれかに記載の熱電材料の製造方法。
The particle size of the alloy powder is 30 μm or less, and the solidified alloy is 98% or more of the theoretical density of the alloy.
The manufacturing method of the thermoelectric material in any one of Claim 1 or Claim 2.
請求項1〜請求項3のいずれかに記載の熱電材料の製造方法によって製造される、
熱電材料。
It is manufactured by the method for manufacturing a thermoelectric material according to any one of claims 1 to 3.
Thermoelectric material.
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