JP2000128625A - アルミナ質セラミックス焼結体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低コストで製造することができると共に高純
度で緻密性及び切削性に優れたアルミナ質セラミックス
焼結体を得ること。 【解決手段】 原料粉末として、Ａｌ₂ Ｏ₃ を９９．５
〜９９．９５wt％含有し、残部ＳｉＯ₂ 、ＭｇＯ、Ｃａ
Ｏ、希土類酸化物の少なくとも１種以上を焼結助剤とし
て０．０５〜０．５０wt％添加し、焼結して成るアルミ
ナ質セラミックス焼結体において、前記Ａｌ₂ Ｏ₃ は、
０．４〜１．０μｍの平均粒径Ｄ₁ を有するローソーダ
原料を４０〜７０wt％と、該微細原料と２≦Ｄ₂ ／Ｄ₁
≦６の粒径比の平均粒径Ｄ₂ を有するローソーダ原料を
６０〜３０wt％との２種の微粗粒径原料の配合からな
る。 【効果】高純度で低粘度のスラリー調製が可能となり、
成形体密度も高く、粒成長速度も大きくできる。このた
め、焼結体の切削加工性を向上させ、電気的な性質も良
好となり、しかも、市販のローソーダアルミナ粉末や通
常の焼成炉を用いることができ、製造コスト低減を図る
ことが可能。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工具、耐熱部材、
及び半導体製造装置などに用いるに適した高純度で緻密
性及び切削性に優れたアルミナ質セラミックス焼結体と
その製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】アルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）に代表されるフ
ァインセラミックスは、金属やプラスチックに比べ耐熱
性や耐摩耗性に優れるが、難加工性のため高価となり十
分に実用に供されているとは言えない。この加工性（特
に切削加工性）を向上させるため、本件出願人は、Ａｌ
₂ Ｏ₃ ：９９．０５〜９９．８５wt％、ＭｇＯ：０．０
１〜０．１０wt％、ＳｉＯ₂ ：０．０５〜０．５０wt
％、Ｙ₂ Ｏ₃ ：０．０５〜０．５０wt％を含有し、Ａｌ
₂ Ｏ₃ 粉末の平均粒径が０．４〜１．０μｍ、ＢＥＴ比
表面積が５ｍ² ／ｇ以上で、１５５０〜１６５０℃で少
なくとも１時間焼成することからなるアルミナセラミッ
クスを特開平９−５２７５６号公報で提案している。

【０００３】また、アルミナ質焼結体は、耐熱性、耐薬
品性、耐プラズマ性に優れているため、前述のように多
方面での用途開発が行われている。加えて、より高弾
性、低吸水性を求める狙いからステージ部材や精密位置
決め定盤等の新たなニーズも高まっている。このような
部材に適用する場合、高純度で緻密な焼結体組織を有す
ることが特性として要求される。この要求に応えるた
め、できるだけアルミナ純度の高い、即ち、ＮａやＫ等
のアルカリ金属酸化物の含有量が低い原料を選ぶことが
必要とされる。

【０００４】しかして、Ａｌ₂ Ｏ₃ 含有量の高いアルミ
ナセラミックスは、焼結時に緻密化させることが困難で
あった。そこで、特公平６−８８８３２号公報にも開示
するように、従来でもアルコキシド法などの高価な化学
合成法による高密度化やＡｌ ₂ Ｏ₃ の原料粒子径が０．
３μｍ以下の原料を用いる研究等が行われているが、焼
結体の平均粒径が２μｍ以下、ビッカース硬さが１５０
０kgf/mm² 以上であるため、加工性が低く、原料費が高
く、製造工程が複雑であることが問題であった。

【０００５】アルカリ金属が多く含まれている状況とし
ては、購入時の原料に含まれている場合と、粉砕、成
形、成形体（素地）加工、焼成などの製造プロセス中に
混入する場合とが考えられる。このような状態を回避す
るために、例えば、アルカリ金属の含有量が１０００pp
m （＝０．１wt％）以下のローソーダの高純度原料を用
い、かつ、製造工程を厳重に管理してアルカリ金属の混
入を防ぐ必要があった。このため、ローソーダ（低アル
カリ）のアルミナ質焼結体を得るためには大幅なコスト
上昇を招く不利があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】以上のことから、従来
の技術では、高純度のアルミナ質原料を用いて安価に高
純度で緻密なアルミナ質焼結体を得ることは困難であ
り、かつ、焼結体に優れた切削加工性を付与することも
容易ではなかった。

【０００７】本発明は、アルカリ金属酸化物の含有量の
低いローソーダアルミナ原料を用いて、原料調製−成形
−焼結までの作業工程における製造コストを大幅に低減
することが可能な高純度・緻密なアルミナ質セラミック
ス焼結体を提供することを目的とする。また、本発明の
他の目的は、簡単な作業工程で切削加工性の優れたセラ
ミックス焼結体を得ることである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
アルミナ質セラミックス焼結体は、原料粉末として、Ａ
ｌ₂ Ｏ₃ を９９．５〜９９．９５wt％含有し、残部Ｓｉ
Ｏ₂ 、ＭｇＯ、ＣａＯ、希土類酸化物の少なくとも１種
以上を焼結助剤として０．０５〜０．５０wt％添加し、
焼結して成るアルミナ質セラミックス焼結体において、
前記Ａｌ₂ Ｏ₃は、０．４〜１．０μｍの平均粒径Ｄ₁
を有するローソーダ原料を４０〜７０wt％と、該微細原
料と２≦Ｄ₂ ／Ｄ₁ ≦６の粒径比の平均粒径Ｄ₂ を有す
るローソーダ原料を６０〜３０wt％との２種の微粗粒径
原料の配合からなることを特徴とする。

【０００９】上記アルミナ質セラミックス焼結体は、泥
漿鋳込み法により成形することが好ましい（請求項
２）。また、アルミナ質の原料粉末として、Ａｌ₂ Ｏ₃
の平均粒径Ｄ₁ を０．４〜１．０μｍ、粒径の大きい原
料の平均粒径Ｄ₂ を２．０〜３．５μｍの範囲とするこ
と（請求項３）、さらに、ローソーダ原料が０．０２〜
０．１２wt％のＮａ₂ Ｏを含有することが望ましい（請
求項４）。また、製造方法としては、０．４〜１．０μ
ｍの平均粒径Ｄ₁ を有するローソーダ原料を４０〜７０
wt％と、該０．４〜１．０μｍ原料と２≦Ｄ₂ ／Ｄ₁ ≦
６の粒径比の平均粒径Ｄ₂ を有するローソーダ原料を６
０〜３０wt％との２種の微粗粒径原料の配合からなるＡ
ｌ₂ Ｏ₃ 原料粉末９９．５〜９９．９５wt％と、これに
ＳｉＯ₂ 、ＭｇＯ、ＣａＯ、希土類酸化物の少なくとも
１種以上を焼結助剤として０．０５〜０．５０wt％添加
して成る組成物を、１５５０℃〜１６５０℃で２時間以
上保持して焼成することが好ましい（請求項５）。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下本発明の詳細を説明する。本
発明に係るアルミナ質セラミックス焼結体は、まず、原
料となるＡｌ₂ Ｏ₃が、０．４〜１．０μｍの平均粒径
Ｄ₁ を有するローソーダ原料を４０〜７０wt％と、該微
細原料と２≦Ｄ₂ ／Ｄ₁ ≦６の粒径比の平均粒径Ｄ₂ を
有するローソーダ原料を６０〜３０wt％との２種の微・
粗粒原料の配合からなる原料粉末を９９．５〜９９．９
５wt％含有する。

【００１１】一般に、高純度原料として用いられるアル
ミナセラミックス原料とは異なり、微細原料と２〜６倍
の粒径を有する粗粒原料を混合した微粗配合系とするこ
とで、スラリー調製に関し高濃度かつ低粘度が可能とな
り、成形体密度も高く維持でき、焼結時の線収縮も少な
くすることができ、同じ焼成条件でも粗粒が含まれるこ
とによって、粒成長速度が大きくなる。このことによ
り、焼結体の快削性が容易に確保でき、電気的な特性も
焼結体の各粒子の比表面積が小さくなることから、誘電
率や誘電損失も小さくすることが容易になる。また、成
形時の密度分布が抑制されることによって、肉厚品の成
形・焼成も平易となる。

【００１２】Ａｌ₂ Ｏ₃ 含有量を９９．５〜９９．９５
wt％の範囲に限定した理由は次の通りである。即ち、２
種類の粒子径をもつＡｌ₂ Ｏ₃ 配合系において、９９．
５wt％未満ではガラス相または希土類酸化物相が粒界に
偏析し、Ａｌ₂ Ｏ₃ 本来の機械的特性の低下をもたらす
ために好ましくなく、また、９９．９５wt％を超えると
緻密化や結晶粒径の粗大化が困難となり、加工性の向上
が望めなくなるため不適である。

【００１３】また、アルミナ原料における微細原料及び
粗粒原料の平均粒径比Ｄ₂ ／Ｄ₁ を２未満とすると、微
・粗粒の原料の粒径差が小さくなって上記した微粗配合
系とした意味が失われ、逆に、粒径比Ｄ₂ ／Ｄ₁ が６を
超えると粗粒が多くなり過ぎ、燒結性の低下を生じると
いう弊害が生じる。従って、微細原料及び粗粒原料の平
均粒径比は２≦Ｄ₂ ／Ｄ₁ ≦６の範囲とする。さらに、
このアルミナ原料に関し微細の平均粒径を０．４〜１．
０μｍ、粒径の大きなアルミナ原料の平均粒径を２．０
〜３．５μｍの範囲内とすることは、鋳込み成形可能な
８３wt％以上のスラリー濃度で１０００cps 以下の流動
性と焼結体密度が密度３．８５g/cm³ 以上となる焼結性
を有するようにすることから限定される。より好ましく
は０．６〜０．８μｍの微細粒子と２．４〜３．４μｍ
の粗粒の組み合わせが最適である。

【００１４】なお、０．４〜１．０μｍのローソーダ原
料を４０〜７０wt％と、該微細原料より大きい粒径をも
つローソーダ原料を６０〜３０wt％としたのは、容易に
スラリー調製が可能な下限である７０：３０と、３．８
５g/cm³ 以上の緻密な焼結体を得るための上限から４
０：６０を設定した。

【００１５】次に、成形方法としては、噴霧造粒後に静
水圧加圧する方法や分散媒に分散浮遊させたスラリーを
吸水性鋳型に注入固化後脱型する泥漿鋳込み法を採用す
る。鋳込み用スラリーとしては、分散媒量１３〜１７wt
％が好ましい。１３wt％未満のスラリーは調製が困難
で、１７wt％超の分散媒量では着肉固化が進行しにくく
不適である。

【００１６】また、本発明においては、アルミナ原料と
してローソーダ原料としているが、この場合、０．０２
〜０．１２wt％範囲のＮａ₂ Ｏを含有していることが望
ましい。０．０２wt％以下のアルミナ原料は売価が高
く、通常構造体にはコスト面で無理があり、焼成炉の雰
囲気汚染から考えても、実用上適していない。０．１２
wt％以上では上記のごとく、高純度で緻密な焼結体組織
を有するには適さず、数十円〜数百円／kgの実用上支障
のない価格で購入可能な範囲である。

【００１７】さらに、アルミナ質セラミックスの焼成方
法としては、ガス燃焼式シャトルキルン炉や抵抗加熱式
電気炉にて１５５０℃〜１６５０℃で２時間以上保持す
ることを特徴とする。焼成温度が１５５０℃未満では焼
結体の緻密化が十分には進行せず、１６５０℃超では異
常な粒成長が発生し焼結体密度の低下を来たす。２時間
未満の焼成では、肉厚品や大形状品で焼けムラの発生す
る可能性が高く、不適である。工業的な生産性と焼結体
の適切な結晶粒成長範囲から考えれば、焼成時間は２〜
８時間が適している。

【００１８】なお、本発明によれば、通常市販のＡｌ₂
Ｏ₃ 粉末や焼成炉を用いることが可能なため、製造費の
増加を考慮せずに加工時間や費用の低減が可能になっ
た。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例の一例を示す。 （実施例１）アルミナ質セラミックス原料として、純度
９９．８wt％、平均粒径０．６μｍのローソーダ（Ｎａ
₂ Ｏ：０．０６wt％）原料を６５wt％と、この原料の４
倍（２．４μｍ）の平均粒径を有する純度９９．８wt
％、ローソーダ（Ｎａ₂ Ｏ：０．０４wt％）原料を３５
wt％とを用い、これにＳｉＯ₂ ：０．２wt％とＭｇＯ：
０．０５wt％とを焼結助剤として添加した組成を用い
た。成形方法としては鋳込み成形法により実施した。ス
ラリー濃度は８４wt％、吸水型として気孔率４０％の石
膏型を用い、□２００×ｔ５０mmの成形体を得た。成形
体密度は２．７３g/cm³ であった。これを電気炉で１６
００℃×４時間保持し、□１７９×ｔ４３mmの健全な焼
結体を得た。物性としては、ＪＩＳ−ＲＩ６０１に準拠
した３点曲げ強さ３６０MPa 、ヤング率３７３GPa 、嵩
密度３．８８g/cm³ 、熱膨張係数７．５×１０^-6／Ｋ、
吸水率０．０２％であった。また、研削時の抵抗値は６
００Ｎと軽度なものであった。（切り込み速度：６０mm
/min、＃１２０、φ８mmコアドリル、砥石周速：６０m/
min 、総切り込み：１０mm深さ連続１０穴）

【００２０】（実施例２）アルミナ質セラミックス原料
として、純度９９．７wt％、平均粒径０．７μｍのロー
ソーダ（Ｎａ₂ Ｏ：０．０８wt％）原料を７０wt％と、
この原料の５倍（３．４μｍ）の平均粒径を有する純度
９９．８wt％、ローソーダ（Ｎａ₂ Ｏ：０．０２wt％）
原料を３０wt％とを用い、これにＳｉＯ₂ ：０．１wt％
とＭｇＯ：０．０５wt％、Ｌａ₂ Ｏ₃ ：０．０５wt％を
焼結助剤として添加した組成を用いた。成形方法として
は鋳込み成形法により実施した。スラリー濃度は８５．
５wt％、吸水型として気孔率３５％の石膏型を用い、□
２００×ｔ５０mmの成形体を得た。成形体密度は２．８
１g/cm³ であった。これを電気炉で１５５０℃×４時間
保持し、□１８２×ｔ４５mmの健全な焼結体を得た。物
性としては、ＪＩＳ−ＲＩ６０１に準拠した３点曲げ強
さ３１０MPa 、ヤング率３６８GPa 、嵩密度３．８６g/
cm³ 、熱膨張係数７．２×１０^-6／Ｋ、吸水率０．０４
％であった。また、研削時の抵抗値は４５０Ｎと軽度な
ものであった。（切り込み速度：６０mm/min、＃１２
０、φ８mmコアドリル、砥石周速：６０m/min 、総切り
込み：１０mm深さ連続１０穴） また、スラリー調製容器や調製時間、石膏型の使用回数
や乾燥状態、等を幾つか変更させながら、データの再現
性についての確認を行ったが、ワイブル係数：ｍ＝１０
と高い値を得た。従って、アルミナ質セラミックスの製
造方法に関し、本発明の適用が安定な製造を可能にする
ことが確認できた。

【００２１】（比較例）アルミナ原料として純度９９．
８wt％、平均粒径０．６μｍのローソーダ（Ｎａ₂ Ｏ：
０．０６wt％）原料のもの１００wt％用い、これにＳｉ
Ｏ₂ ：０．２wt％とＭｇＯ：０．０５wt％とを焼結助剤
として添加した組成を用いた。成形方法としては実施例
１の鋳込み成形法と全く同様に行った。スラリー濃度は
８４wt％、吸水型として気孔率４０％の石膏型を用い、
□２００×ｔ５０mmの成形体を得た。成形体密度は２．
５３g/cm³ であった。これを電気炉で１６００℃×４時
間保持し焼成したが、焼結体は破損していた。試験片が
切り出せた部位の物性として、ＪＩＳ−ＲＩ６０１に準
拠した３点曲げ強さ２６０MPa 、ヤング率３５０GPa 、
嵩密度３．８９g/cm³ 、熱膨張係数７．８×１０^-6／
Ｋ、吸水率０．０５％であった。また、研削時の抵抗値
は８５０Ｎと高かった。切り込み速度：６０mm/min、＃
１２０、φ８mmコアドリル、砥石周速：６０m/min で、
深さ１０mmの３穴目でドリル砥石の損傷を起こした。

【００２２】

【発明の効果】以上説明した如く、本発明のアルミナ質
セラミックス焼結体は、アルミナ質原料として０．４〜
１．０μｍの平均粒径を有する微細ローソーダ原料と、
これより大きい粒径の粗粒のものを混合した配合系とな
っているため、高純度で低粘度のスラリー調製が可能と
なり、成形体密度も高く、粒成長速度も大きくできる。
このため、焼結体の切削加工性を向上させ、電気的な性
質も良好となり、しかも、市販のローソーダアルミナ粉
末や通常の焼成炉を用いることができ、製造コストの低
減を図ることが可能となる。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 原料粉末として、Ａｌ₂ Ｏ₃ を９９．５
   〜９９．９５wt％含有し、残部ＳｉＯ₂ 、ＭｇＯ、Ｃａ
   Ｏ、希土類酸化物の少なくとも１種以上を焼結助剤とし
   て０．０５〜０．５０wt％添加し、焼結して成るアルミ
   ナ質セラミックス焼結体において、前記Ａｌ₂ Ｏ₃ は、
   ０．４〜１．０μｍの平均粒径Ｄ₁ を有するローソーダ
   原料を４０〜７０wt％と、該微細原料と２≦Ｄ₂ ／Ｄ₁
   ≦６の粒径比の平均粒径Ｄ₂ を有するローソーダ原料を
   ６０〜３０wt％との２種の微粗粒径原料の配合からなる
   ことを特徴とするアルミナ質セラミックス焼結体。
2. 【請求項２】 泥漿鋳込み法により成形することを特徴
   とする請求項１記載のアルミナ質セラミックス焼結体。
3. 【請求項３】 Ａｌ₂ Ｏ₃ 原料の平均粒径Ｄ₁ を０．４
   〜１．０μｍ、粒径の大きい原料の平均粒径Ｄ₂ を２．
   ０〜３．５μｍの範囲とする請求項１又は２記載のアル
   ミナ質セラミックス焼結体。
4. 【請求項４】 ローソーダアルミナ原料が０．０２〜
   ０．１２wt％のＮａ₂Ｏを含有することを特徴とする請
   求項１〜３のいずれか１項記載のアルミナ質セラミック
   ス焼結体。
5. 【請求項５】 ０．４〜１．０μｍの平均粒径Ｄ₁ を有
   するローソーダ原料を４０〜７０wt％と、該０．４〜
   １．０μｍ原料と２≦Ｄ₂ ／Ｄ₁ ≦６の粒径比の平均粒
   径Ｄ₂ を有するローソーダ原料を６０〜３０wt％との２
   種の微粗粒径原料の配合からなるＡｌ₂ Ｏ₃ 原料粉末９
   ９．５〜９９．９５wt％と、これにＳｉＯ₂ 、ＭｇＯ、
   ＣａＯ、希土類酸化物の少なくとも１種以上を焼結助剤
   として０．０５〜０．５０wt％添加して成る組成物を、
   １５５０℃〜１６５０℃で２時間以上保持して焼成する
   ことを特徴とするアルミナ質セラミックス焼結体の製造
   方法。