DE60036323T2

DE60036323T2 - Transluzente polykristalline Keramik und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE60036323T2
Application number: DE60036323T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Mizuho-ku Nagoya-shi Yamamoto; Takashi Mizuho-ku Nagoya-shi Mitsuoka; Satoshi Mizuho-ku Nagoya-shi IIO
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1999-05-19
Filing date: 2000-05-19
Publication date: 2009-01-29
Anticipated expiration: 2020-05-20
Also published as: CA2308933A1; ES2291174T3; EP1053983B1; DE60036323D1; EP1053983A2; CA2308933C; TWI229061B; US6417127B1; EP1053983A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine lichtdurchlässige polykristalline Keramik und ein Verfahren zur Herstellung derselben und betrifft insbesondere eine lichtdurchlässige polykristalline Al₂O₃-Keramik und ein Verfahren zur Herstellung derselben.
Es gibt viele Anwendungen für eine lichtdurchlässige polykristalline Keramik. Eine äußere Röhre für eine Metallhalogenid- oder Natriumlampe, eine Lichtemissionsröhre und eine Fensterplatte für einen Hochtemperaturofen werden beispielsweise aus einer lichtdurchlässigen Aluminiumoxidkeramik hergestellt, wobei nicht nur ein elektrischer Widerstand und/oder eine chemische Korrosionsbeständigkeit, sondern auch eine hohe Festigkeit und Härte von einer niedrigen Temperatur (Umgebung) bis zu nicht niedriger als 1000–1200°C häufig erforderlich sind. Dies ist teilweise erforderlich, da die lichtdurchlässige Aluminiumoxidkeramik verdünnt werden kann, um mehr Lichtdurchlassgrad durch diese zu erlangen. Zusätzlich zu einer hohen geradlinigen Lichtübertragung, die auch geradliniger Durchlassgrad (entsprechend Transparenz) genannt wird, benötigen einige Anwendungen eine feine Textur und eine hohe Abriebbeständigkeit (die Keramikpartikel sollten nämlich nicht von ihrer Oberfläche abfallen, so dass sie eine glatte Oberfläche mit geringerer Oberflächenrauhigkeit aufrechterhält). Solche Anwendungen umfassen optische Verbindungselemente, optische Filter, medizinische Gelenkköpfe bei der medizinischen Verwendung, Schneidwerkzeuge, Lager, Dielektrika mit hoher Güte für einige elektronische Komponenten.
Es ist bekannt, dass einige Aluminiumoxidkeramiken (polykristallin) lichtdurchlässig oder teilweise transparent gemacht werden können, mit anderen Worten, Licht ist durch diese übertragbar.
Die lichtdurchlässige Aluminiumoxidkeramik, die sowohl Transparenz als auch hohe mechanische Festigkeit erfüllt, wurde jedoch nicht berichtet. In der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. H03-285865/1991 ist beispielsweise eine lichtdurchlässige Aluminiumoxidkeramik, die unter Verwendung von Aluminiumoxidkörnchen mit hoher Reinheit (99,99% Reinheit) und einer kleinen Menge an MgO hergestellt wird, offenbart, ihre Biegefestigkeit ist jedoch unzureichend niedrig, wie z. B. etwa 500 MPa. Andererseits ist in einem anderen japanischen Patent Nrn. 2729204 und 2663191 die lichtdurchlässige Aluminiumoxidkeramik mit hoher Festigkeit und Härte, die durch Steuern einer mittleren Partikelgröße unter HIP hergestellt wird, offenbart, eine geradlinige Übertragung von Licht, das sich durch eine Dicke von 1 mm davon ausbreitet, ist jedoch unzureichend niedriger als 50%.
MATERIALS TRANSACTIONS, JIM, JAPAN, NOV. 32 NR. 11 (1991) SEITEN 1024 BIS 1029, HAYASHI K et al. "TRANSMISSION OPTICAL PROPERTIES OF POLYCRYSTALLINE ALUMINA WITH SUBMICRON GRAINS" beschreibt lichtdurchlässige Beleuchtungskeramiken mit äußerst hohem optische Durchlassgrad in einer Linie für sichtbares Licht und mit hoher mechanischer Festigkeit. Dieses Dokument bildet die Basis für den Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche. Die Keramiken weisen eine Schüttdichte von mehr als 3985 kg/m³ und eine mittlere Korngröße zwischen 0,82 und 1,43 μm auf. α-Aluminiumoxidpulver mit hoher Reinheit (99,99%) mit einer mittleren Pulvergröße von 0,24 μm wird verwendet, um durch Spritzgießen einen Presskörper zu bilden. Der Presskörper wird bei 1553 K gesintert, welchem heißisostatisches Pressen bei 1553 K folgt. US 3 905 845 (Kobayashi et al.) beschreibt ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines polykristallinen, lichtdurchlässigen Aluminiumoxids, das mit Magnesiumoxid gesintert wird.
Außerdem wurde herkömmlich betrachtet, dass große Partikelgrößen von Aluminiumoxid-Kristallkörnchen, die die Aluminiumoxidkeramik bilden, zum Erlangen einer hohen Lichtdurchlässigkeit oder Transparenz der Aluminiumoxidkeramik beiträgt, da gefolgert wird, dass Chancen für Lichtstreuung (: Reflexion und/oder Brechung, die an den Korngrenzen durch das Licht auftreten) geringer sind als das Aluminiumoxid mit viel kleineren Körnchen darin.
In der herkömmlichen lichtdurchlässigen Aluminiumoxidkeramik fallen Aluminiumoxidpartikel, die die polykristalline Aluminiumoxidkeramik bilden, wahrscheinlich von ihrer Oberfläche ab. Mit anderen Worten, es war schwierig, eine präzise oder ziemlich extrem spiegelpolierte Oberfläche der lichtdurchlässigen Aluminiumoxidkeramik zu erreichen. Wenn die herkömmliche lichtdurchlässige Aluminiumoxidkeramik einer großen Kontaktspannung wie bei der Verwendung für Lager oder Schneidwerkzeuge oder sogar in einem Oberflächenpolierprozess derselben unterzogen wird, bricht gewöhnlich eine solche Stelle mit konzentrierter Spannung davon wahrscheinlich aufgrund von Kristallen mit großer Größe, die mit Magnesiumoxid (MgO) ausgebildet sind, das die Kristalle innerhalb der herkömmlichen lichtdurchlässigen Aluminiumoxidkeramik bindet.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine lichtdurchlässige polykristalline Keramik mit einer guten Festigkeit und Härte bereitzustellen, die in der Lage ist, Licht durch die Keramik zu übertragen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine lichtdurchlässige polykristalline Aluminiumoxidkeramik mit ausgezeichneter Festigkeit und Härte oder Abriebbeständigkeit bereitzustellen, die zum Lichtdurchlassgrad und/oder zur Übertragung von geradlinigem Licht durch diese in der Lage ist und einer hohen Temperatur standhält.
Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung einer lichtdurchlässigen polykristallinen Aluminiumoxidkeramik bereitzustellen. Dieses Verfahren ermöglicht die Herstellung einer ausgezeichneten lichtdurchlässigen Aluminiumoxidkeramik mit einer Biegefestigkeit und Härte und/oder Abriebbeständigkeit bei hoher Temperatur, wobei Partikel/Körnchen, die die Keramik bilden, gegen das Abfallen von ihrer Oberfläche beständig sind und die Oberfläche zu einer glatten Oberfläche mit geringerer Oberflächenrauhigkeit geschliffen und poliert werden kann und beispielsweise unter einer hohen Kontaktspannung, die auf die Keramik bei der Verwendung aufgebracht wird, mechanisch weniger beschädigt werden kann, während sie ihre Lichtdurchlässigkeit aufrechterhält.
In einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine lichtdurchlässige polykristalline Keramik bereitgestellt, die zur Übertragung von Licht, das in die Keramik eintritt, in der Lage ist, welche Kristallpartikel umfasst,
wobei eine mittlere Facet-Länge der Kristallpartikel nicht länger ist als eine maximale Wellenlänge des Lichts, das durch das polykristalline Keramikprodukt übertragen wird; wobei die mittlere Facet-Länge als Mittelwert von Längen von Seiten, die Polygone bilden, die in Querschnitten der Kristallpartikel erscheinen, die die Keramik bilden, definiert ist.
Ein charakteristisches Merkmal der lichtdurchlässigen polykristallinen Keramik gemäß der Erfindung besteht darin, dass die mittlere Facet-Länge, wie vorstehend definiert, kürzer ist als eine maximale Wellenlänge des Lichts, das durch die lichtdurchlässige polykristalline Keramik übertragen wird.
In einem Aspekt wird im Fall von sichtbarem Licht, das eine Wellenlänge von etwa 380–780 nm aufweist, wenn alle Facet-Längen (was Facet-Seitenlängen der Aluminiumoxid-Kristallpartikel bedeutet) geringer sind als 380 nm, die höchste Lichtdurchlässigkeit der polykristallinen Keramik, die das meiste sichtbare Licht überträgt, mit der lichtdurchlässigen polykristallinen Keramik erreicht. Selbst wenn die mittlere Facet-Länge (was einen Mittelwert der Facet-Seitenlängen der Kristallpartikel bedeutet) geringer ist als 700 nm, kann die lichtdurchlässige polykristalline Keramik mit einer Dicke von 1 mm mehr als 50% des sichtbaren Lichts durch diese übertragen, wie später im Einzelnen beschrieben wird.
Wenn die Facet-Länge kürzer ist, wird die bessere Lichtdurchlässigkeit und Transparenz erreicht und dies steht zur herkömmlichen Technologie im Gegensatz, die größere Partikel oder Körnchen erfordert (was zu längeren Facet-Längen führt), um eine bessere Lichtdurchlässigkeit durch die Keramik zu erreichen.
In einem bevorzugten Aspekt der Erfindung wird die beste Lichtdurchlässigkeit erreicht, wenn alle Facet-Längen kürzer sind als alle Wellenlängen der durch die Keramik zu übertragenden Lichter. Die bessere Lichtdurchlässigkeit von nicht niedriger als 70% wird mit der mittleren Facet-Länge von weniger als 500 nm erreicht und die beste (mehr als 75%) wird mit jener von weniger als 400 nm erreicht.
In einem weiteren bevorzugten Aspekt gemäß der Erfindung sollte die polykristalline Keramik im Wesentlichen porenlos sein. Mit anderen Worten, eine relative Dichte der gebrannten Keramik sollte mindestens 99,8% oder im Wesentlichen 100% mit einem minimalen Bindemittel, das die transparenten Kristallpartikel (oder Körnchen), die innerhalb der lichtdurchlässigen Keramik gebildet sind, verbindet, sein. Dies liegt daran, dass die Poren die Lichtdurchlässigkeit und/oder Transparenz der polykristallinen Keramik verringern und außerdem die Festigkeit und Härte derselben verringern. Im Fall einer lichtdurchlässigen polykristallinen Aluminiumoxidkeramik sollte deren Dichte mindestens 3,98 g/cm³ (im Wesentlichen 100% in der relativen Dichte) sein.
Ein Materialkandidat für die Kristallpartikel ist Al₂O₃, AlN, ZrO₂, Spinell und so weiter, solange keine große optische Anisotropie oder Kristallanisotropie mit den Kristallpartikeln gebildet wird. Mit anderen Worten, wenn ein mittlerer Formfaktor der Kristallpartikel 1–1,5 (vorzugsweise 1–1,3) ist und eine mittlere Partikelgröße der Kristallpartikel, die innerhalb der Keramik gebildet sind, nicht größer als etwa 1 μm ist, wird die mittlere Facet-Länge geringer als die maximale Wellenlänge oder die meisten Wellenlängen des sichtbaren Lichts. Unter ihnen wird Al₂O₃ (Aluminiumoxid oder Saphir) am besten für die Kristallpartikel ausgewählt. Da die Kristallstruktur des Aluminiumoxids zum hexagonalen System gehört, ist die Differenz des Brechungsindex für das Licht zwischen seinen Kristall-Facets, die entlang der a-Achse und der c-Achse in der Kristallographie gebildet sind, theoretisch nur etwa 0,008, was der Grund dafür ist, dass die Mehrheit des sichtbaren Lichts durch die lichtdurchlässige polykristalline Keramik mit Kristallpartikeln mit dem mittleren Formfaktor von 1–1,5 und der mittleren Kristallpartikelgröße von nicht größer als 1 μm übertragen werden kann.
In einem Aspekt der Erfindung werden die Lichtdurchlässigkeit von Al₂O₃-Keramik (nämlich Aluminiumoxid mit Saphir) sowie die Festigkeit und Härte der Keramik bei hoher Temperatur aufrechterhalten, wie später im Einzelnen beschrieben wird, wenn ein Metalloxid aus Oxiden von Metallen ausgewählt wird, die zu den Gruppen IIIA und IVA des Periodensystems (IUPAC alt) gehören, mit Ausnahme von Ti, und als Bindemittel zum Binden oder vielmehr als Sinterhilfe zum Sintern der Kristallpartikel innerhalb der Keramik zugegeben wird. Ti wird im Wesentlichen ausgeschlossen, da eine farblose oder nicht pigmentierte Lichtdurchlässigkeit nicht erhalten wird, wenn die Aluminiumoxidkeramik Ti an ihrer Grenze enthält. Ein anderes Pigmentierungselement wie z. B. Cr und Co (obwohl es nicht zu den Gruppen IIIA und IVA des Periodensystems gehört) wird im Wesentlichen auch für das Bindemittel oder die Sinterhilfe vermieden.
Theoretisch am meisten bevorzugt ist, dass das lichtdurchlässige polykristalline Aluminiumoxid ein gesintertes Produkt ist, das ohne eine solche Sinterhilfe oder ohne ein solches Bindemittel hergestellt wird. In der eigentlichen Praxis wird das Verhältnis von Aluminiumoxid, das die lichtdurchlässige Aluminiumoxidkeramik belegt (was einen relativen Gehalt an Aluminiumoxid in dem gesinterten Keramikprodukt bedeutet) vorzugsweise zu mindestens 99% oder bevorzugter mindestens 99,95% im Volumen gemacht. Um dies zu erreichen, wird ein Ausgangsmaterialpulver aus Aluminiumoxid vorzugsweise aus jenen mit der Reinheit von nicht weniger als 99,99% oder nicht weniger als 99,995% (am besten) ausgewählt.
Wenn eine farbige lichtdurchlässige polykristalline Aluminiumoxidkeramik in einer Anwendung wie z. B. einem optischen Filter erforderlich ist, sollte eine sehr kleine Menge der Pigmentierungselemente selektiv zugegeben werden.
Ein weiches Metalloxid wie z. B. Magnesiumoxid (MgO), das üblicherweise als farblose Sinterhilfe oder farbloses Bindemittel zum Sintern des Al₂O₃-Kristallpartikels verwendet wird, wird nicht zur Verwendung empfohlen, falls die Festigkeit und Härte der lichtdurchlässigen Aluminiumoxidkeramik bei hoher Temperatur von nicht niedriger als 1000°C erforderlich ist. Dies liegt daran, dass das MgO-Bindemittel die Festigkeit und Härte bei einer solchen erhöhten Temperatur schnell verringern kann. Außerdem verursacht die Verwendung des MgO-Bindemittels, dass die Kristallpartikel von der Oberfläche der lichtdurchlässigen Aluminiumoxidkeramik abfallen, was eine Schwierigkeit beim Erreichen einer glatt polierten Oberfläche der Keramik ergibt. Wenn in einem Aspekt eine feine oder glatte Oberflächengüte der Keramik durch Polieren nicht erreicht wird, wird die Lichtdurchlässigkeit der Keramik einfach aufgrund einer Korrelation, die zwischen einer Oberflächenglattheit und der Lichtdurchlässigkeit der Keramik existiert, beeinflusst.
Da die mittlere Partikelgröße der Kristallpartikel in der lichtdurchlässigen polykristallinen Keramik so gesteuert werden sollte, dass sie klein ist, so dass sie 1 μm nicht übersteigt, ist ein starkes und hartes Bindemittel zum Binden der Kristallpartikel erforderlich; und dies ist einer der Gründe dafür, dass das Oxid von Metallen, die zu den Gruppen IIIA und/oder IVA des Periodensystems gehören, für das lichtdurchlässige polykristalline Aluminiumoxid (einschließlich Saphir) gemäß der Erfindung verwendet wird. Y₂O₃, Yb₂O₃, ZrO₂, Sc₂O₃, La₂O₃, Dy₂O₃ und Lu₂O₃ werden beispielsweise empfohlen; und unter ihnen arbeiten Y₂O₃ und/oder Yb₂O₃ am besten.
In einem Aspekt der Erfindung liegt eine Menge des Metalloxids (der Metalloxide), das (die) in der transparenten polykristallinen Keramik enthalten ist (sind), in einer Menge von weniger als 2 in der Molarität (2 Mol-%). Um die höchste Dichte der lichtdurchlässigen Keramik mit dieser kleinen Menge des obigen Metalloxids zu erreichen und Festigkeit und Härte zu erreichen, wie später beschrieben wird, wird die Keramik unter HIP (heißisostatischem Druck) gesintert, so dass das Kristall-Facet und die Kristallpartikel in der Länge bzw. Größe während des Brennens (Sinterns) bei vergleichsweise niedriger Temperatur gesteuert werden.
Daher wird in einem Aspekt der Erfindung eine lichtdurchlässige polykristalline Aluminiumoxidkeramik zur Übertragung von sichtbarem Licht durch diese bereitgestellt, wobei die Keramik Kristallpartikel umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass:
eine mittlere Facet-Länge der Kristallpartikel nicht länger ist als eine maximale Wellenlänge des durch die polykristalline Keramik zu übertragenden Lichts, das heißt 780 nm; wobei die mittlere Facet-Länge als Mittelwert der Längen von Seiten, die Polygone bilden, die in Querschnitten der Kristallpartikel, die die Keramik bilden, erscheinen, definiert ist, und
wobei eine mittlere Kristallpartikelgröße der Kristallpartikel nicht größer ist als 1 μm; und ein mittlerer Formfaktor der Kristallpartikel 1 bis 1,5 ist, wobei die lichtdurchlässige polykristalline Keramik ferner ein Metalloxid in einer Menge von 0,02 bis 2 Mol-% umfasst,
wobei das Oxid die Kristallpartikel innerhalb der Keramik bindet, wobei das Metalloxid ein Oxid von einem oder mehreren Metallen ist, die aus den Metallen ausgewählt sind, die zu den Gruppen IIIA bis IVA des Periodensystems gehören, mit Ausnahme von Ti.
Eine bessere Leistung der lichtdurchlässigen polykristallinen Aluminiumoxidkeramik wird erreicht, wenn gemäß einem Aspekt der Erfindung das darin enthaltene Metalloxid 0,02–2,0% in der Molarität ist und eine mittlere Partikelgröße der Kristallpartikel 0,3–1,0 μm ist. Die Bindefestigkeit und die Vickers-Härte davon werden nämlich mindestens 500 MPa bzw. mindestens 850, gemessen bei einer Temperatur von 1000°C.
Diese lichtdurchlässige polykristalline Keramik gemäß der Erfindung ist in der Lage, mehr als 50 des Lichts mit einer Wellenlänge von 380–780 nm zu übertragen, wenn die Dicke der Keramik 1 mm ist.
Ferner hat die lichtdurchlässige polykristalline Keramik ein Merkmal eines Verhältnisses der Übertragung von geradlinigem Licht von mindestens 3 (oder 30% im Prozentsatz), wobei das Verhältnis der Übertragung von geradlinigem Licht durch Dividieren der durch die Keramik in weniger als einem Winkel von 0,5 Grad übertragenen Lichtintensität durch eine Gesamtlichtintensität, die ursprünglich in die Keramik eintritt, wenn die Keramik eine Dicke von 0,5 mm aufweist und das Licht eine Wellenlänge von 380–780 nm aufweist, bestimmt wird.
Eine Oberfläche der obigen lichtdurchlässigen polykristallinen Aluminiumoxidkeramik gemäß der Erfindung ist so hart, dass die Oberfläche in einem Ausmaß, dass eine mittlere Mittellinien-Oberflächenrauhigkeit (Ra) 0,002 bis 0,020 μm ist und eine maximale Höhe (Rmax) der Oberflächenrauhigkeit geringer als 0,30 μm ist, und/oder in dem Ausmaß, dass ein leerer Oberflächenbereich, der durch die Aluminiumoxidpartikel verursacht wird, die von der Oberfläche abgefallen sind, zum gesamten polierten Oberflächenbereich nicht höher als 1 ist, poliert werden kann.
Da das lichtdurchlässige polykristalline Aluminiumoxid gemäß der Erfindung eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweist, kann es z. B. für eine äußere Röhre einer Natriumlampe verwendet werden, in der ein hoher Natriumdampfdruck eingeschlossen ist. Diese lichtdurchlässige polykristalline Aluminiumoxidkeramik weist eine sehr hohe Festigkeit und Härte auf, sie kann für ein Schneidwerkzeug mit einer Kante, die durch eine Neigungsfläche und eine Flankenfläche gebildet ist, oder für ein Abriebbeständigkeitsfeld mit Lagern verwendet werden. Da eine elektrische Leistung ähnlich zu Saphir erwartet wird, kann diese polykristalline Keramik als dielektrisches Material in verschiedenen elektronischen Komponenten, insbesondere in einem Hochfrequenzfeld, verwendet werden.
In einem Ausführungsbeispiel gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine bevorzugte mittlere Partikelgröße von Aluminiumoxid-Kristallpartikeln, die die lichtdurchlässige Aluminiumoxidkeramik bilden, 0,3 bis 0,7 μm. Wenn die mittlere Partikelgröße der Aluminiumoxid-Kristallpartikel 1,0 μm übersteigt, verringert sich die Festigkeit und Härte des gesinterten Aluminiumoxidpartikels schnell, was möglicherweise zu einer Keramik mit vergleichsweise niedriger Abriebbeständigkeit führt und verursacht, dass die Kristallpartikel während eines Oberflächenpolierens abfallen, was die Oberfläche beschädigt oder die Keramik unter z. B. einer kontinuierlichen Kontaktspannung schwächt.
Keine ernsten Probleme werden in den Eigenschaften wie z. B. Festigkeit, Härte, Abriebbeständigkeit und Lichtdurchlassgrad in der lichtdurchlässigen polykristallinen Keramik erwartet und sie kann im Hinblick auf die Lichtdurchlässigkeit und Transparenz theoretisch besser sein, wenn die Kristallpartikel und die Facet-Längen so gesteuert werden, dass sie in der Größe kleiner als 0,3 um bzw. in der Länge geringer als 200 mm sind. Es kann jedoch ein Nachteil bestehen, dass solche feinen Partikel schwierig zu bearbeiten sind, was zu hohen Kosten für die gesinterte Keramik führt.
Für Schneidwerkzeuge sind mindestens 750 MPa (oder mehr als 830 MPa oder in einigen Fällen mehr als 1100 MPa) in der Biegefestigkeit und mindestens 1900 (bevorzugter mehr als 2100) in der Vickers-Härte normalerweise erforderlich. Die lichtdurchlässige polykristalline Keramik gemäß der Erfindung erfüllt solche Anforderungen für Schneidwerkzeuge. Da die Aluminiumoxid-Kristallpartikel vorzugsweise so hergestellt sind, dass sie einen kleinen Formfaktor von 1,0 bis 1,5 aufweisen, ist außerdem das gesinterte Produkt, das die Kristallpartikel enthält, in der Abriebbeständigkeit sowie der hohen Festigkeit und hohen Härte ausgezeichnet. Wenn der Formfaktor auf 1,0 bis 1,35 gesteuert wird, werden nicht nur die Abriebbeständigkeit, sondern auch der Lichtdurchlassgrad für geradliniges Licht in Bezug auf die Transparenz der Keramik stark aufrechterhalten.
Der Lichtdurchlassgrad oder die Lichtübertragung durch die Keramik wird beispielsweise durch ein Verfahren gemessen, das später in Beispiel 1 beschrieben wird.
In einem Aspekt der Erfindung ist die polykristalline Aluminiumoxidkeramik gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Facet-Länge der Aluminiumoxid-Kristallpartikel, die das gesinterte Produkt bilden, nicht länger ist als 700 nm. Die mittlere Facet-Länge ist vorzugsweise nicht länger als 500 nm und bevorzugter nicht größer als 400 nm, was davon abhängt, wie viel Lichtdurchlässigkeit/Transparenz für die Keramik bei der tatsächlichen Verwendung erforderlich ist. Die mittlere Facet-Länge ist vom Gesichtspunkt der Transparenz (: keine Streuung des Lichts) vorzugsweise so klein wie möglich. Wenn die mittlere Facet-Länge nicht länger als 100 nm ist, kann eine Kriechänderung durch die Korngrenzendiffusion bei einer hohen Temperatur wahrscheinlich auftreten, wenn die Verwendung des Keramikprodukts bei einer solchen hohen Temperatur wie nahe der Sintertemperatur des Keramikprodukts in Erwägung gezogen wird. Im obigen Bereich von weniger als 700 nm zeigt die lichtdurchlässige Aluminiumoxidkeramik eine ausgezeichnete Transparenz (nämlich Lichtdurchlässigkeit mit weniger Streuung) und kann für eine Lampenröhre mit einer Punktlichtquelle darin verwendbar sein, da es bevorzugt ist, dass das Verhältnis des gestreuten Lichts zum linear übertragenen Licht vorzugsweise für die Punktlichtquelle klein ist.
Die lichtdurchlässige polykristalline Aluminiumoxidkeramik gemäß der Erfindung zeigt einen gesamten Lichtdurchlassgrad (nämlich eine Rate von nach außen übertragener Lichtintensität (I), dividiert durch die Intensität (Io) des ursprünglich in die Keramik eintretenden Lichts) bei mindestens 60%, 70% oder in einer gewissen Keramik mindestens 75% im Fall, dass die Dicke der Keramik 0,5–1 mm ist. Ferner ist ein linearer Lichtdurchlassgrad (nämlich die Übertragungsrate eines Lichts, das durch die Keramik in einem Winkel von weniger als 0,5 Grad von seiner gradlinigen Achse des ursprünglich in die Keramik eintretenden Lichts streut) mindestens 0,15 (15% im Prozentsatz), 0,15–2 (20–30%) unter einer besseren Messbedingung oder mindestens 0,4 (40%) unter einer besten Messbedingung in Abhängigkeit von einer auf dem Markt erhältlichen Messvorrichtung. Ein Verhältnis des linearen Lichtdurchlassgrades zum gesamten Lichtdurchlassgrad ist auch mindestens 0,30 oder mindestens 0,4 unter der besseren Messbedingung oder mindestens 0,5 unter einer besten Bedingung in Abhängigkeit von der Messvorrichtung, die auf dem Markt erhältlich ist. Hierbei bedeutet der lineare Lichtdurchlassgrad dasselbe wie die geradlinige Lichtübertragung.
Eine Facet-Länge eines Kristallpartikels ist hierin als Länge der Seite von jeder Ebene, die einen Polyeder des Kristallpartikels bildet, der von Korngrenzen im gesinterten Produkt umgeben ist, definiert, wie in 6(a) und 6(b) gezeigt. Die Länge der Seite kann beispielsweise durch eine SEM-Photographie gemessen werden. Eine mittlere Facet-Länge ist ein Mittelwert der Längen der Seiten, die in mehreren Kristallpartikeln (vorzugsweise auf der Basis von mindestens 100 Partikeln) gemessen werden. Der Begriff "Facet" bedeutet eine Ebene, die einen Polyeder bildet.
Wie mit Bezug auf 7 angeführt, bedeutet der "lineare Lichtdurchlassgrad" eine Rate des linear übertragenen Lichts in einem weniger gestreuten Winkel δ von 0,5° oder weniger durch die lichtdurchlässige Keramik im Vergleich zum Licht, das sich ursprünglich parallel zu seiner Achse ausbreitet. Mit anderen Worten, es bedeutet Licht mit einer Intensität (IL), die durch die Keramik übertragen wird und in einem Öffnungswinkel von θ von 1° oder niedriger durch einen Lichtdetektor erfasst wird, dividiert durch die Lichtintensität (Io), die ursprünglich in die lichtdurchlässige Keramik eintritt. Der lineare Lichtdurchlassgrad kann hierin auch als Intensität (IL) des Lichts, das um nicht mehr als 0,5° von einer geradlinigen Achse des Lichts streut, aus der gesamten Lichtintensität (Io), die ursprünglich in die lichtdurchlässige Keramik eintritt, die in einem Winkel δ von bis zu 90° streut, definiert werden.
In Bezug auf die lichtdurchlässige Aluminiumoxidkeramik der Erfindung bestehen keine speziellen Einschränkungen für die Porosität oder Reinheit, solange die Porosität oder Reinheit nicht verursacht, dass die Korngrenze eine zweite Grenzschicht bildet, die den Brechungsindex an der Grenze ändert. Wenn das gesinterte Produkt die Faktoren erfüllt, nämlich die Facet-Länge, den gesamten Lichtdurchlassgrad und das Verhältnis des linearen Lichtdurchlassgrades/gesamten Lichtdurchlassgrades, kann die lichtdurchlässige Aluminiumoxidkeramik andere Additive, einschließlich MgO, enthalten.
In einem weiteren Hauptaspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer lichtdurchlässigen polykristallinen Keramik bereitgestellt, die in der Lage ist, Licht durch die Keramik zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, dass es die Schritte umfasst:
Ausbilden eines ungebrannten Keramikkörpers aus einem Pulvergemisch, das Al₂O₃-Kristallpulver mit einer mittleren Partikelgröße von weniger als 1,0 μm und einer Reinheit von mindestens 99,99% und 0,2–2 Mol-% eines Pulvers aus Oxid von Metallen, die aus den Metallen ausgewählt sind, die zu den Gruppen IIIA und IVA des Periodensystems gehören, ausschließlich Ti, umfasst;
Brennen des ungebrannten Keramikkörpers, um ein primäres gesintertes Produkt mit einer Dichte von 3,77 bis 3,91 g/cm³ zu bilden;
und Aufbringen eines heißisostatischen Drucks auf das primre gesinterte Produkt, um ein sekundäres gesintertes Produkt mit einer Dichte von mindestens 3,98 g/cm³ und mit einer mittleren Facet-Länge von weniger als 780 nm zu bilden, wobei die mittlere Facet-Länge als Mittelwert der Längen von Seiten, die Polygone bilden, die in Querschnitten der Kristallpartikel, die die Keramik bilden, erscheinen, definiert ist.
Ein wichtiges Merkmal des obigen Verfahrens ist die Steuerung der mittleren Partikelgröße der Kristallpulver als mit weniger als 1 μm durch Aufbringen des HIP (heißisostatischen Drucks), so dass es die mittlere Facet-Länge von weniger als 700 nm im sekundären gesinterten Produkt aufweist, und um den Brechungsindex an den Grenzen der Facets, die fest zusammengeklebt sind, zu minimieren.
In einem bevorzugten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer lichtdurchlässigen polykristallinen Keramik bereitgestellt, die in der Lage ist, sichtbares Licht durch die Keramik zu übertragen, mit den Schritten:
Ausbilden eines ungebrannten Keramikkörpers aus einem Pulvergemisch, das Al₂O₃-Kristallpulver mit einer mittleren Partikelgröße von weniger als 0,5 μm und einer Reinheit von mindestens 99,99% und ein Pulver aus Oxid von Metallen, die aus den Metallen ausgewählt sind, die zu den Gruppen IIIA und IVA des Periodensystems gehören, ausschließlich Ti, umfasst;
Brennen des ungebrannten Keramikkörpers, um ein primäres gesintertes Produkt mit einer Dichte von 3,77 bis 3,91 g/cm³ zu bilden;
und Aufbringen eines heißisostatischen Drucks auf das primäre gesinterte Produkt, um ein sekundäres gesintertes Produkt mit einer Dichte von mindestens 3,98 g/cm³ und mit einer mittleren Facet-Länge von weniger als 700 nm zu bilden, wobei die mittlere Facet-Länge als Mittelwert der Längen von Seiten, die Polygone bilden, die in Querschnitten der Kristallpartikel, die die Keramik bilden, erscheinen, definiert ist.
In diesem Aspekt wird das Aluminiumoxid-Kristallpulver in einem Ausgangspulvergemisch vorteilhafterweise als mit der mittleren Partikelgröße von weniger als 0,5 μm und der Reinheit von mindestens 99,99% so gesteuert, dass die mittlere Facet-Länge weniger als 700 nm wird.
Das resultierende primäre gesinterte Produkt zeigt seine relative Dichte von 94,5 bis 98,0% und das resultierende sekundäre gesinterte Produkt hat seine relative Dichte von mindestens 99,8% oder im Wesentlichen 100%.
In einem bevorzugten zusätzlichen Aspekt der Erfindung ist die auf den ungebrannten Keramikkörper angewendete Brenntemperatur 1225 bis 1275°C, die Temperatur des heißisostatischen Drucks ist 1100 bis 1250°C und der heißisostatische Druck ist 500 bis 2000 kg/cm².
In einem weiteren bevorzugten zusätzlichen Aspekt der Erfindung ist die auf den ungebrannten Keramikkörper angewendete Brenntemperatur 1225 bis 1360°C, eine Temperatur des heißisostatischen Drucks ist 1100 bis 1350°C und ein Druck des heißisostatischen Drucks ist 500 bis 2000 kg/cm².
Die Temperatur in der HIP-Behandlung ist ein wichtiger Faktor beim Steuern der Facet-Länge auf weniger als 700 nm.
Ein Mengenbereich des in der lichtdurchlässigen polykristallinen Aluminiumoxidkeramik enthaltenen Metalloxids wird kritisch, wenn die Festigkeit und Härte von einer niedrigen Temperatur bis zu einer hohen Temperatur in der praktischen Verwendung erforderlich sind. In einem Aspekt der Erfindung werden, wenn die Menge geringer ist als 0,02 Mol-% die Festigkeit und/oder die Härte bei einer hohen Temperatur von höher als 1000°C bei der Verwendung für z. B. Schneidwerkzeuge und Hochtemperatur-Plasmafenster unzureichend. Wenn die Menge 2,0 Mol-% übersteigt, können das Metalloxid an sich und/oder eine aus dem Oxid und Aluminiumoxid bestehende Verbindung an der Korngrenze auskristallisieren, so dass die Festigkeit und Härte verringert werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun lediglich beispielhaft mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine vergrößerte optische Mikrophotographie einer polierten Oberfläche einer lichtdurchlässigen polykristallinen Keramik eines Teststücks 4 im Beispiel 2 ist, wobei die Keramik die Erfindung verkörpert.
2 eine Ansicht ist, die ein Bild erläutert, das Teile mit abgefallenen Partikeln, die in 1 gezeigt sind, mit Betonung eines zweigeteilten Kontrasts unter Verwendung eines Bildverarbeitungsanalysators betont.
3 eine vergrößerte optische Mikrophotographie einer polierten Oberfläche einer lichtdurchlässigen polykristallinen Keramik eines Teststücks 7 in Beispiel 2 ist, wobei die Keramik so nicht eine Aufgabe der Erfindung erfüllt.
4 eine Ansicht ist, die ein Bild erläutert, das Teile mit abgefallenen Partikeln, die in 3 gezeigt sind, mit Betonung eines zweigeteilten Kontrasts unter Verwendung eines Bildverarbeitungsanalysators betont.
5 eine schematische Querschnittsansicht ist, die ein Messverfahren für den Lichtdurchlassgrad durch eine lichtdurchlässige Keramik, wie in Beispiel 1 erläutert, zeigt.
6(a) und 6(b) schematische Querschnittsansichten sind, die zeigen, dass eine mittlere Facet-Länge von Kristallpartikeln, die in der polykristallinen Keramik gebildet sind, ein wichtiger Faktor für die Lichtdurchlässigkeit/Transparenz der polykristallinen Keramik ist, wobei 6(a) zeigt, dass, wenn die mittlere Facet-Länge länger ist als eine Wellenlänge von Licht, das übertragen wird, eine Streuung (Reflexion/Brechung) besteht, während 6(b) zeigt, dass, wenn die mittlere Facet-Länge unter der Wellenlänge des Lichts liegt, das übertragen wird, eine geringere Lichtstreuung im Vergleich zu 6(a) besteht.
7 eine schematische Querschnittsansicht ist, die das Messverfahren für den Lichtdurchlassgrad, einschließlich einer geradlinigen Lichtübertragung, zeigt, wie in Beispiel 5 erläutert.
Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele genauer erläutert.
(Beispiel 1)
In diesem Beispiel 1 wurden eine Korrelation zwischen der mittleren Partikelgröße und dem mittleren Formfaktor von Aluminiumoxid-Kristallpartikeln und auch die Korrelation zwischen der Dichte der lichtdurchlässigen polykristallinen Aluminiumoxidkeramik und von Festigkeit/Härte/Lichtdurchlassgrad untersucht.
Ein Aluminiumoxidpulver mit einer mittleren Partikelgröße von 0,22 μm und einer Reinheit von 99,997% (als Handelsname TAIMICRON von Taimei Chemical Co. geliefert) wurde mit Wasser durch ein Nassschleifsystem mit Aluminiumoxid-Flintsteinen mit hoher Reinheit mit 99,5% Reinheit geschliffen, um eine Aufschlämmung zu bilden. Nach Sprühtrocknen der Aufschlämmung wurde das getrocknete Pulver zu einem ungebrannten Keramikkörper geformt, der dann bei der in Tabelle 1 beschriebenen Temperatur gebrannt (oder gefeuert) wurde, um ein primäres gesintertes Produkt zu bilden. Eine HIP-Behandlung wurde dann auf das primäre gesinterte Produkt bei der Temperatur und unter dem Druck, die in Tabelle 1 beschrieben sind, angewendet. Die darin verwendeten Flintsteine lieferten gemäß einer später durchgeführten Analyse im Wesentlichen keine Verunreinigungen zur Aufschlämmung.
Das Brennen des ungebrannten Keramikkörpers wurde in einer Luftatmosphäre ausgeführt und bei der Brenntemperatur für 2 Stunden gehalten. Die HIP-Behandlung wurde für eine Stunde in einer Argonatmosphäre gehalten. Im Teststück 8 wurde Aluminiumoxidpulver mit 0,1 Mol-% Nb₂O₃ und 0,07 Mol-% SiO₂ auf 100 Mol-% Aluminiumoxidpulver vermischt, um ein Gemisch zu bilden, das dann in demselben Prozess wie vorstehend beschrieben gebrannt und gesintert wurde.
An jedem so erhaltenen polykristallinen Aluminiumoxid-Keramikprodukt wurde die Dichte (nachstehend als "primäre Dichte" bezeichnet) des primären gesinterten Produkts nach dem Brennen, die Dichte (nachstehend als "Dichte nach HIP" bezeichnet) des sekundären gesinterten Produkts, die mittlere Partikelgröße und der mittlere Formfaktor der Aluminiumoxid-Kristallpartikel, die innerhalb der Keramik gebildet waren, und die Biegefestigkeit, die Vickers-Härte und der Lichtdurchlassgrad der lichtdurchlässigen Aluminiumoxidkeramik bei Raumtemperatur in den folgenden Weisen gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle und Tabelle 2 gezeigt.

(1) Die primäre Dichte und die Dichte nach HIP wurden durch ein Archimedes-Verfahren gemessen, das durch JIS R 1634 definiert ist (und der gemessene Wert wurde gemäß JIS Z 8401 gerundet).
(2) Das gesinterte Produkt wurde spiegelpoliert, thermisch geätzt und auf der polierten Oberfläche durch eine Rasterelektronen-Mikrophotographie photographiert. Unter Verwendung der Photographie wurden die Größen der im gesinterten Keramikprodukt gebildeten Partikel durch einen Bildverarbeitungsanalysator berechnet und die arithmetischen Mittelwerte der maximalen Längen (langen Durchmesser) der Partikel wurden als mittlere Partikelgröße der Aluminiumoxid-Kristallpartikel (Körnchen), die im gesinterten Keramikprodukt gebildet waren, gemittelt. Der kürzeste Abstand zwischen zwei zu einer Richtung entlang der maximalen Länge (langer Durchmesser) parallelen geraden Linien wurde als kurzer Durchmesser der gebildeten Kristallpartikel definiert. Der Wert des langen Durchmessers, dividiert durch den kurzen Durchmesser, wurde als Formfaktor des gebildeten Kristallpartikels definiert und der arithmetische Mittelwert der Formfaktoren aller gebildeten Kristallpartikel wurde als mittlerer Formfaktor definiert. Die Anzahl der gemessenen Kristallpartikel war 500. Zur Bezugnahme war die mittlere Partikelgröße des Teststücks 4 von Tabelle 1, die durch ein Höhenverfahren von der Rasterelektronen-Mikrophotographie berechnet wurde, 0,52 μm.
(3) Biegefestigkeit der lichtdurchlässigen polykristallinen Aluminiumoxid-Keramik: Eine Drei-Punkt-Biegefestigkeit wurde bei Raumtemperatur unter Verwendung eines Biegefestigkeits-Testverfahrens, wie in JIS R 1610 beschrieben, gemessen.
(4) Härte der lichtdurchlässigen polykristallinen Aluminiumoxidkeramik: Diese wurde bei einer Last von 1 kgf (9,807 N) unter Verwendung eines Vickers-Härte-Testverfahrens, wie in JIS R 1610 beschrieben, gemessen.
(5) Lichtdurchlassgrad durch die lichtdurchlässige polykristalline Aluminiumoxidkeramik: Wie in 5 angeführt, wurde die Keramikprobe 3, die so vorbereitet und poliert wurde, dass deren Dicke 1 mm war, zwischen Schlitze 2, 4 mit einer quadratischen Öffnung von 10 mm × 10 mm eingefügt, und dann wurden sie an einem Beleuchtungsstärkemesser 5 ("LUXMETER LX1334", hergestellt von Custom K. K.) angeordnet, damit sie mit einem Licht von einer Halogenlampe 1 (mit einer Farbtemperatur von 5500 K) bestrahlt wurden. Eine ohne Probe (Teststück) am Beleuchtungsstärkemesser gemessene Beleuchtungsstärke wurde als 100 definiert, die durch vollständiges Sperren des Lichts gemessene Beleuchtungsstärke wurde als 0 definiert. Wie in 5 gezeigt, wurde die Beleuchtungsstärke, wobei die Probe 3 am Messer angeordnet war, als Intensität des Lichtdurchlassgrades durch die Keramik bestimmt.
(6) Mittlere Facet-Länge: Die Länge jeder Seite des Polygons, das als Querschnitt der Kristallpartikel auf der polierten Oberfläche erscheint, wurde gemessen und der Mittelwert wurde als in dieser Erfindung definierte Facet-Länge berechnet. Die Anzahl der Aluminiumoxid-Kristallpartikel, die in der Messung verwendet wurden, war mindestens 100.
(7) Linearer Lichtdurchlassgrad, gesamter Lichtdurchlassgrad und Verhältnis davon: Im Allgemeinen wird der Lichtdurchlassgrad von Licht übertragenden, lichtdurchlässigen Keramiken meist unter Verwendung eines Spektrophototmeters gemessen, das auf dem Markt erhältlich ist (es kann jedoch erforderlich sein, auf einen gemeinsamen Vergleich der gemessenen Werte in Bezug auf ein Material mit einem Lichtdiffusionsdurchlassgrad zu achten). Wie beispielsweise in 7 gezeigt, ist eine Winkelöffnung θ eines Detektors von der Größe des Schlitzes (wenn ein kreisförmiger Schlitz verwendet wird, des Radius r) und eines Abstandes L zwischen dem Schlitz und einem lichtdurchlässigen Teststück definiert, und der lineare Lichtdurchlassgrad und der gesamte Lichtdurchlassgrad des Lichts werden durch die nachstehend beschriebenen Bedingungen gemessen.

Der Lichtdurchlassgrad wird durch die folgende Gleichung (1) gezeigt. Lichtdurchlassgrad T = I/I0 = (1 – R)2exp(–μX) (1)(wobei I₀ = einfallende Lichtintensität, I = übertragene Lichtintensität, R = Reflexionsvermögen, X = Dicke des Teststücks, μ = scheinbarer Absorptionskoeffizient)

(8) Hochtemperatur-Biegefestigkeit Eine Drei-Punkt-Biegefestigkeit wurde bei 1000°C und 1200°C durch das durch JIS R 1604 bestimmte Biegefestigkeits-Testverfahren gemessen.
(9) Hochtemperatur-Härte: Eine Vickers-Härte bei 1000°C wurde im Vakuum bei einer Last von 1 kgf (9,807 N) durch das durch JIS R 1623 bestimmte Vickers-Biegefestigkeits-Testverfahren gemessen.

Teststück	Mittlere Partikelgröße (μm)	Mittlerer Formfaktor	Biegefestigkeit (MPa)	Härte (HV1)	Lichtdurchlassgrad (%) (1 mm Dicke)
1	-	-	-	-	-
2	0,52	1,32	860	2130	70
3	0,52	1,30	870	2140	70
4	0,54	1,37	870	2140	65
5	0,55	1,35	850	2105	60
6	1,20	1,40	680	1950	40
7	1,77	1,38	620	1900	10
8	2,31	2,52	660	1750	weiß trüb

Die Teststücke 1–8 liegen außerhalb des Schutzbereichs der Ansprüche.
Die Dichte des Teststücks 1 war so niedrig, dass Messungen dafür nicht ausgeführt wurden.
Der Wert des Lichtdurchlassgrades in Tabelle 2 bedeutet eine Rate im Prozentsatz des gesamten Lichts (I), das durch die lichtdurchlässige Keramik mit einer Dicke von 1 mm übertragen wird, durch Vergleichen (Dividieren) des in die lichtdurchlässige Keramik eingetretenen gesamten Lichts (Io), und gemessen ohne irgendeine Interferenz der Probe 3, die mit dem Beleuchtungsstärkemesser (5), wie in 5 gezeigt, bestimmt wird.
Aus den Testergebnissen von Tabelle 1 und Tabelle 2, wie durch die Teststücke 2–5 mit den mittleren Partikelgrößen von 0,5 bis 0,6 μm, den mittleren Formfaktoren von 1,3 bis 1,4 und den Dichten von 3,99 g/cm³ zu sehen, wird das lichtdurchlässige Aluminiumoxid-Keramikprodukt mit einer hohen Biegefestigkeit und Harte erhalten. Ferner wurden hohe Werte von 60 bis 70 im Lichtdurchlassgrad erhalten.
(Beispiel 2)
In diesem Beispiel 2 wurde die Oberfläche jedes gesinterten Produkts poliert und der Umfang von Partikeln, die von der Oberfläche abfielen, und die Oberflächenrauhigkeit dafür nach dem Polieren wurden bewertet.
Eine Oberfläche von Teststücken, die mit einer Abmessung von 6 (Breite) × 20 (Länge) × 4 (Höhe) mm aus den gesinterten Produkten 4, 5, 7 und 8 von Tabelle 1 und Tabelle 2 hergestellt wurden, wurde durch die nachstehende Bedingung (1) poliert. Dann wurden nach dem Polieren durch die nachstehende Bedingung (2) die optischen Mikrophotographien an der polierten Oberfläche in 100–400 Vergrößerungen von mindestens drei visuellen Feldern aufgenommen und dann wurden die Bereiche der Teile mit abgefallenen Partikeln in den visuellen Feldern gemessen. Das Flächenverhältnis zur gesamten polierten Fläche wurde berechnet. Für die Messung der Fläche der abgefallenen Partikel kann ein Bildanalysator verwendet werden. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt.

(1) Nasspolieren unter Verwendung von Wasser und Abriebmitteln mit einer Partikelgröße von etwa 45 μm, die an einem Diamantrad (SD D45 J 100 B) ausgebildet waren, für einen Zeitraum von 10 Minuten.
(2) Nasspolieren unter Verwendung von Öl und Diamantabriebmitteln mit einer Partikelgröße von 3 μm an einem Feinstoff für den Zeitraum von 10 Minuten.

Die optische Mikrophotographie (100 Vergrößerungen) der polierten Oberfläche des Teststücks 4 ist in 1 gezeigt. Die schwarzen Teile der Photographie sind Teile mit abgefallenen Partikeln. Das Bild, das die Teile mit abgefallenen Partikeln durch eine Bildverarbeitung mit Betonung des zweigeteilten Kontrasts betont, ist in 2 gezeigt. Die optische Mikrophotographie (100 Vergrößerungen) der polierten Oberfläche des Teststücks 7 ist in 3 gezeigt, und sein Bild, das die Teile mit abgefallenen Partikeln durch die Bildverarbeitung mit Betonung des zweigeteilten Kontrasts betont, ist in 4 gezeigt.

Die Oberflächenrauhigkeit jedes gesinterten Produkts nach dem Polieren wurde durch eine Oberflächenrauhigkeits-Messvorrichtung (unter Verwendung eines Spursystem-Oberflächenrauhigkeitsmessers, der durch JIS B 0651 geregelt ist) gemessen und Ra und Rmax gemäß JIS B 0601 wurden erhalten. Bei der Messung wurde ein Stift mit einem Spitzenradius von 5 μm verwendet. Die Testergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt. Tabelle 3

Teststück	Flächenverhältnis (%) von Teil mit abgefallenen Partikeln	Oberflächenrauhigkeit nach dem Polieren
Teststück	Flächenverhältnis (%) von Teil mit abgefallenen Partikeln	Ra (μm)	Rmax (μm)
4	0,02	0,004	0,077
5	0,04	0,005	0,079
7	20,56	0,033	0,749
8	4,27	0,021	0,504

Die Teststücke 4–8 liegen außerhalb des Schutzbereichs der Ansprüche.
Aus den Ergebnissen von Tabelle 3 ist zu sehen, dass die Teststücke (4) und (5) sehr glatte Oberflächen aufweisen.
Andererseits war im Teststück 7 das Flächenverhältnis der Teile mit abgefallenen Partikeln etwa 20 und im Teststück 8 waren die Partikel beträchtlich abgefallen, so dass es etwa 4 des Flächenverhältnisses war. Es ist auch zu sehen, dass in den Teststücken 7 und 8 Ra mindestens 0,02 μm war und Rmax mindestens 0,50 μm war.
(Beispiel 3)
In diesem Beispiel 3 wurde die Abriebbeständigkeit jedes sekundären gesinterten Keramikprodukts von Beispiel 2 ausgewertet.
Die Abriebbeständigkeit wurde durch einen Abriebverlust (als "abgeriebene Tiefe" in Tabelle 4 ausgedrückt) ausgewertet. Der Abriebverlust wurde gemessen, indem das gesinterte Keramikprodukt an eine Diamantradplatte (SD D45 J 100 B) mit einer Partikelgröße von 45 μm mit einem Flächendruck von 1 kg/cm² für 5 Minuten geschoben wurde. Dieser Abriebtest wurde mit Wasser ausgeführt. Die Größe des Teststücks war 6 (Breite) × 20 (Länge) × 4 (Höhe) mm. Die Testergebnisse sind in Tabelle 4 gezeigt.
(Beispiel 4)
In diesem Beispiel 4 wurde die Haltbarkeit gegen eine Kontaktspannung von jedem sekundären gesinterten Keramikprodukt von Beispiel 2 ausgewertet.
Eine Oberflächenbeschädigung, die durch Schieben einer Stahlkugel mit einem Durchmesser von 9,5 cm (3,8 Inch) gegen die polierte Oberfläche des gesinterten Keramikprodukts verursacht wurde, wurde geprüft, um die minimale Last zu ermitteln, die die Beschädigung wie z. B. einen Riss verursacht, wobei die Last zunahm. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 gezeigt. Die Last wurde auf 500 kgf erhöht und, wenn keine Beschädigung an der Oberfläche auftrat, wurde der Fall als mehr als 500 festgelegt, wie in Tabelle 4 gezeigt. Tabelle 4

Teststück Abgeriebene Tiefe (μm) Last, bei der eine Beschädigung auftrat (kgf)

4 15 > 500

5 18 > 500

*7 320 400

*8 390 20
Die Teststücke 4–8 liegen außerhalb des Schutzbereichs der Ansprüche.
Aus den Ergebnissen von Tabelle 4 ist zu sehen, dass, da die an den Teststücken (4) und (5) gebildeten abgeriebenen Tiefen nur etwa 15 bis 18 μm sind, die sekundären gesinterten Produkte eine ausgezeichnete Abriebbeständigkeit aufweisen.
Außerdem ist durch die Teststücke (4) und (5) auch zu sehen, dass, da die Last, bei der eine Beschädigung auftrat, mehr als 500 kgf ist, die Haltbarkeit gegen die Kontaktspannung auch hervorragend hoch ist. Die lichtdurchlässige Aluminiumoxidkeramik gemäß der Erfindung findet verschiedene Verwendungen, wie, z. B. Lager (mit Kugeln), Gleitelemente und Schneidwerkzeuge, auf die eine große Kontaktspannung aufgebracht wird.
(Beispiel 5)
In diesem Beispiel 5 wurde eine Korrelation zwischen der mittleren Facet-Länge von Aluminiumoxid-Kristallpartikeln, die in der lichtdurchlässigen polykristallinen Keramik gesintert wurden, und dem Lichtdurchlassgrad durch die lichtdurchlässige polykristalline Keramik untersucht.
Ein Aluminiumoxidpulver mit derselben mittleren Partikelgröße und Reinheit, wie in Beispiel 1 beschrieben, wurde mit jedem von Additiven von Metalloxiden, wie in Tabelle 5 gezeigt, vermischt, um einen geformten (oder ungebrannten) Körper zu bilden. Dann wurde der ungebrannte Körper bei einer in Tabelle beschriebenen Temperatur gebrannt (oder gefeuert), um ein primäres gesintertes Produkt herzustellen, auf das anschließend der HIP bei der Temperatur und unter dem Druck, die jeweils in Tabelle 5 beschrieben sind, aufgebracht wurde. Die anderen Bedingungen waren dieselben wie in Beispiel 1.
An jeder so erhaltenen lichtdurchlässigen Aluminiumoxidkeramik wurden die primäre Dichte und die Dichte nach der HIP-Behandlung wie in Beispiel 1 gemessen und ferner wurden die mittlere Facet-Länge der innerhalb der Keramik gebildeten Aluminiumoxid-Kristallpartikel, der gesamte Lichtdurchlassgrad, der lineare Lichtdurchlassgrad der lichtdurchlässigen Aluminiumoxidkeramik und das Verhältnis (linearer Lichtdurchlassgrad/gesamter Lichtdurchlassgrad) durch die Weise, wie auch in Beispiel 1 beschrieben, abgesehen von der nachstehenden Messbedingung gemessen. Jedes der gesinterten Produkte wurde spiegelpoliert und nach Anwenden von thermischem Ätzen auf deren Oberflächen wurde eine Rasterelektronen-Mikrophototgraphie auf der Oberfläche aufgenommen. Aus der Photographie wurden die mittlere Partikelgröße und der mittlere Formfaktor der darin gebildeten gesinterten Al₂O₃-Kristallpartikel durch das Höhenverfahren auf der Basis von mindestens 100 Stücken der Partikel berechnet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 und Tabelle 6 gezeigt.
[Lichtdurchlassgrad-Messbedingung]
Lichtquelle: Halogenlampe (die weißes Licht mit einer Farbtemperatur von 3100 K emittiert), die mit einem Infrarotgrenzfilter (Grenzwellenlängen von mehr als 800 nm) ausgestattet war.

Linearer Lichtdurchlassgrad: L = 500 mm, r = 3 mm (θ = 1°)
Gesamter Lichtdurchlassgrad: L = < 1 mm, r = 10 mm (θ = 90°)
Dicke des Teststücks = 0,5 mm

Oberflächenzustand des Teststücks: Um Einflüsse zu beseitigen, die durch Reflexion und Streuung an der Oberfläche verursacht werden, und die Eigenschaften des Materials an sich zu ermitteln, werden die flachen Oberflächen des Teststücks spiegelpoliert, so dass Ra 0,02 μm oder weniger wird.

Tabelle 6

Teststück	Mittlere Partikelgröße (μm)	Mittlere Facet-Länge (mm)	Gesamter Lichtdurchlassgrad (%)	Linearer Lichtdurchlassgrad (%)	Linearer Lichtdurchlassgrad/gesamter Lichtdurchlassgrad
4*	0,54	330	72	23	32
9*	0,50	300	75	40	53
10	0,52	270	78	42	54
11	0,50	250	78	27	35
12	0,48	220	73	25	34
*13	4,00	2200	79	4	5

(Dichte des Teststücks: 0,5 mm)

Die Markierung (*) gibt Teststücke außerhalb des Schutzbereichs der Erfindung an.
Wie aus den Tabellen 5 und 6 zu sehen ist, wird, wenn die mittlere Facet-Länge im Vergleich zum Teststück 13 drastisch abnimmt, ein Verhältnis des linearen Lichtdurchlassgrades zum gesamten Lichtdurchlassgrad, das einen Zustand einer Transparenz der Keramik angibt, hervorragend hoch wie 0,3 (30 %)–0,6 (60%).
(Beispiel 6)
Im Beispiel 6 wurde eine Korrelation der Art und Menge des in der lichtdurchlässigen Aluminiumoxidkeramik enthaltenen Metalloxids mit der Festigkeit und Härte davon bei jeder Temperatur untersucht.
Ein Aluminiumoxidpulver mit einer mittleren Partikelgröße von 0,22 μm und einer Reinheit von mindestens 99,99 wurde mit einer Vielfalt von Rohmaterialpulver, wie in Tabelle 7 gezeigt, vermischt und wie in Beispiel 1 hergestellt, um ungebrannte Keramikkörper zu bilden, und die Körper wurden bei der in Tabelle 7 beschriebenen Temperatur gebrannt. Auf das primäre gesinterte Produkt wurde der HIP bei der Temperatur mit dem Druck, die in Tabelle 7 beschrieben sind, aufgebracht. Die anderen Bedingungen für das Brennen und die HIP-Behandlung waren dieselben wie in Beispiel 1.
An jeder der so erreichten lichtdurchlässigen Aluminiumoxidkeramiken wurden die primäre Dichte, die Dichte nach dem HIP und die Biegefestigkeit und die Vickers-Härte der lichtdurchlässigen Aluminiumoxidkeramik bei Raumtemperatur in einer ähnlichen Weise, wie in Beispiel 1 erläutert, gemessen, und ferner wurden die Biegefestigkeit und die Vickers-Härte bei einer hohen Temperatur durch das nachstehend beschriebene Verfahren gemessen. Das gesinterte Produkt wurde spiegelpoliert und nach dem Anwenden von thermischem Ätzen auf dieses wurde eine Rasterelektronen-Mikrophotographie an der Oberfläche aufgenommen. Aus der Photographie wurde die mittlere Partikelgröße der Aluminiumoxid-Kristallpartikel durch das Höhenverfahren berechnet. Die Ergebnisse sind in Tabellen 7 und 8 gezeigt.
Wie aus den Teststücken (10) bis (12) und (14) bis (23) in den Tabellen 7 und 8 zu sehen ist, sind sie nicht nur bei Raumtemperatur, sondern auch bei 1000°C–1200°C hoch und ausgezeichnet in der Festigkeit und der Härte.
(Beispiel 7)
In diesem Beispiel 7 wurde ein Test, ob die lichtdurchlässige polykristalline Aluminiumoxidkeramik für eine Schneidwerkzeugspitze verwendet werden kann, durchgeführt.
Die Schneidwerkzeugspitzen wurden aus den lichtdurchlässigen Aluminiumoxid-Keramikprodukten, die in einer ähnlichen Weise, wie in den vorherigen Beispielen beschrieben, vorbereitet wurden, so hergestellt, dass sie die gesinterte Keramik aufwiesen, die aus Aluminiumoxidpartikeln und Metalloxid bestand, wie in Tabelle 9 gezeigt.
Die gesinterten Produkte wurden zu Schneidwerkzeugspitzen (SNN434-TNF) geformt, die unter der folgenden Schneidbedingung getestet wurden. Die Testergebnisse sind in Tabelle 10 gezeigt.
[Schneidtestbedingung]

Schmiermittel: nichts (trocken)
Metallwerkstück zum schneiden: Gusseisen,
Schneidgeschwindigkeit: 1000 m/min, Vorschub = 0,3 mm/Umdrehung
Schneidtiefe: 2 mm,
Halter für Spitze: C16L-44

Zur zusätzlichen Bezugnahme wurde der gesamte Lichtdurchlassgrad der lichtdurchlässigen polykristallinen Aluminiumoxidkeramikprodukte durch dieselbe Weise, wie in Beispiel 1 beschrieben, geprüft. Die geprüften Keramikprodukte waren 0,5 mm in der Dicke und spiegelpoliert (Ra < 0,02 μm). Die Daten sind in Tabelle 10 gezeigt.
Wie durch die Daten, wie in Tabelle 10 gezeigt, bestätigt wird, kann die lichtdurchlässige polykristalline Al₂O₃-Keramik, die das Additiv-Metalloxid gemäß der Erfindung enthält, ausgezeichnet arbeiten, wenn sie als Schneidwerkzeugmaterial verwendet wird.

Claims

Lichtdurchlässige polykristalline Aluminiumoxidkeramik zum Übertragen von Licht durch sie hindurch, wobei die Keramik Kristallpartikel umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass eine mittlere Facet-Länge der Kristallpartikel nicht länger ist als eine maximale Wellenlänge des Lichts, d. h., 780 nm, das durch die polykristalline Keramik hindurch übertragen wird, wobei die mittlere Facet-Länge definiert ist, als ein Durchschnitt der Längen von Seiten, die Polygone bilden, die in Querschnitten der Kristallpartikel auftreten, die die Keramik bilden, und wobei eine mittlere Kristallpartikelgröße der Kristallpartikel nicht größer ist als 1 μm und ein mittlerer Formfaktor der Kristallpartikel zwischen 1 und 1,5 liegt, wobei die lichtdurchlässige polykristalline Keramik des weiteren ein Metalloxid in einer Menge von 0,02 bis 2 mol% umfasst, wobei das Oxid die Kristallpartikel in der Keramik bindet, wobei das Metalloxid ein Oxid aus einem oder mehreren Metallen ist, die aus den Metallen ausgewählt sind, die zu den Gruppen IIIA und IVA des Periodensystems gehören, mit Ausnahme von Ti.
Lichtdurchlässige polykristalline Keramik nach Anspruch 1, wobei im wesentlichen alle Facet-Längen der Kristallpartikel nicht länger sind als die maximale Wellenlänge des Lichts, das durch die Keramik hindurch übertragen wird, wobei die Facet-Länge als die Länge einer Seite des Polygons definiert ist, das in einem Querschnitt eines Kristallpartikels auftritt, das in der Keramik enthalten ist.
Lichtdurchlässige polykristalline Keramik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mittlere Facet-Länge der Kristallpartikel nicht länger als 700 nm ist, eine Dichte der lichtdurchlässigen polykristallinen Keramik nicht geringer als 3,98 g/cm³ ist, eine Biegefestigkeit der lichtdurchlässigen polykristallinen Keramik größer als 750 MPa ist und eine Vickers-Härte der lichtdurchlässigen polykristallinen Keramik größer als 1900 ist.
Lichtdurchlässige polykristalline Keramik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Metalloxid eines ist oder mehrere sind, die aus der Gruppe Y₂O₃, Yb₂O₃, ZrO₂, Sc₂O₃, La₂O₃, Dy₂O₃ und Lu₂O₃ ausgewählt werden.
Lichtdurchlässige polykristalline Keramik gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Metalloxid Y₂O₃, Yb₂O₃ oder ein Gemisch daraus ist.
Lichtdurchlässige polykristalline Keramik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die polykristalline Keramik im Wesentlichen kein Magnesiumoxid (MgO) enthält.
Lichtdurchlässige polykristalline Keramik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mittlere Partikelgröße der Kristallpartikel 0,3 bis 1,0 μm ist; eine Biegefestigkeit der lichtdurchlässigen polykristallinen Keramik wenigstens 500 MPa ist, gemessen bei einer Temperatur von 1000°C; und eine Vickers-Härte der lichtdurchlässigen polykristallinen Keramik wenigstens 850 ist, gemessen bei einer Temperatur von 1000°C.
Lichtdurchlässige polykristalline Keramik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehr als 50% des Lichts, das eine Wellenlänge von 380 bis 780 nm hat, durch die lichtdurchlässige polykristalline Keramik hindurch übertragen werden kann, wenn die lichtdurchlässige polykristalline Keramik eine Dicke von 1 mm hat.
Lichtdurchlässige polykristalline Keramik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehr als 60% des Lichts, das eine Wellenlänge von 380 bis 780 nm hat, durch die lichtdurchlässige polykristalline Keramik hindurch übertragen werden kann, wenn die lichtdurchlässige polykristalline Keramik eine Dicke von 0,5 mm hat.
Lichtdurchlässige polykristalline Keramik nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit eine Übertragungsanteil von gradlinigem Licht von wenigstens 0,3 oder 30%, wobei der Übertragwigsanteil von gradlinigem Licht ermittelt wird durch Dividieren einer Intensität des Lichts, das ohne mehr als 0,5 Grad zu streuen durch die Keramik hindurch übertragen wird, durch die Intensität des Lichts, das in die Keramik eintritt, wobei die Keramik 0,5 mm dick ist und das Licht eine Wellenlänge von 380 bis 780 mm hat.
Lichtdurchlässige polykristalline Keramik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Oberfläche der lichtdurchlässigen polykristallinen Keramik in einem Umfang poliert ist, dass eine mittlere Mittellinien-Oberflächenrauhigkeit (Ra) zwischen 0,002 und 0,020 um liegt und eine maximale Höhe (Rmax) der Oberflächenrauhigkeit in der polierten Oberfläche der lichtdurchlässigen polykristallinen Keramik geringer als 0,30 μm ist.
Lichtdurchlässige polykristalline Keramik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die lichtdurchlässige polykristalline Keramik poliert ist und ein Verhältnis eines leeren Oberflächenbereichs, der durch abgefallenen Kristallpartikel bewirkt wird, zu einem gesamten polierten Oberflächenbereich nicht größer als 1% ist.
Lichtdurchlässige polykristalline Keramik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Keramik farblos ist.
Äußere Röhre für eine Natriumlampe, umfassend eine polykristalline Keramik nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Schneidwerkzeug mit einer Kante, die durch eine Neigungsfläche und eine Flankenfläche gebildet wird, und umfassend eine lichtdurchlässige polykristalline Keramik nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
Elektronische Komponente zur Verwendung bei einer hohen Frequenz, umfassend ein dielektrisches Material, das eine lichtdurchlässige polykristalline Keramik nach einem der Ansprüche 1 bis 13 ist.
Lager, in dem eine lichtdurchlässige polykristalline Keramik nach einem der Ansprüche 1 bis 13 verwendet wird.
Verfahren zum Herstellen einer lichtdurchlässigen polykristallinen Keramik, die imstande ist, Licht durch die Keramik hindurch zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst: Bilden eines ungebrannten Keramikkörpers aus einem Pulvergemisch umfassend ein Al₂O₃ Kristallpulver mit einer mittleren Partikelgröße von weniger als 1,0 μm und einer Reinheit von wenigstens 99,99% und 0,2–2 mol% eines Pulvers eines Oxids aus Metallen, die aus den Metallen ausgewählt sind, die zu den Gruppen IIIA und NA des Periodensystems gehören, mit Ausnahme von Ti; Brennen des ungebrannten Keramikkörpers, um ein primär gesintertes Produkt mit einer Dichte von 3,77 bis 3,91 g/cm³ zu bilden; und Aufbringen eines heißisostatischen Drucks auf das primär gesinterte Produkt, um ein sekundär gesintertes Produkt mit einer Dichte von wenigstens 3,98 g/cm³ und mit einer mittleren Facet-Länge von weniger als 780 nm zu bilden, wobei die mittlere Facet-Länge als ein Durchschnitt der Längen von Seiten definiert ist, die Polygone bilden, die in Querschnitten der Kristallpartikel auftreten, die die Keramik bilden.
Verfahren zum Herstellen einer lichtdurchlässigen polykristallinen Keramik nach Anspruch 18, wobei die mittlere Partikelgröße des Kristallpulvers kleiner als 0,5 μm ist und die mittlere Facet-Länge des sekundär gesinterten Produkts kleiner als 700 nm ist.
Verfahren zum Herstellen einer lichtdurchlässigen polykristallinen Keramik nach Anspruch 18 oder 19, wobei das primär gesinterte Produkt eine relative Dichte von 94,5 bis 98,0% hat und das sekundär gesinterte Produkt eine relative Dichte von im wesentlichen 99,8% hat.
Verfahren zum Herstellen einer Lichtdurchlässigen polykristallinen Aluminiumoxidkeramik nach Anspruch 18 oder 19, wobei das primär gesinterte Produkt eine relative Dichte von 94,5 bis 98,0% hat und das sekundär gesinterte Produkt eine relative Dichte von im wesentlichen 100% hat.
Verfahren zum Herstellen einer lichtdurchlässigen Aluminiumoxidkeramik nach einem der Ansprüche 18 bis 21, wobei eine Brenntemperatur, die auf den ungebrannten Keramikkörper angewandt wird, von 1225 bis 1275°C reicht, eine Temperatur während des heißisostatischen Pressens von 1100 bis 1250°C reicht und der heißisostatische Druck von 500 bis 2000 kg/cm² reicht.
Verfahren zum Herstellen einer lichtdurchlässigen polykristallinen Keramik nach einem der Ansprüche 18 bis 21, wobei eine Brenntemperatur, die auf den ungebrannten Keramikkörper angewandt ist, von 1225 bis 1360°C reicht, eine Temperatur des heißisostatischen Pressens von 1100 bis 1350°C reicht und ein Druck des heißisostatischen Drucks von 500 bis 2000 kg/cm² reicht.
Verfahren zum Herstellen einer lichtdurchlässigen polykristallinen Keramik nach Anspruch 19, wobei das Al₂O₃ Kristallpulver eine Reinheit von mehr als 99,99% hat.