JP2014001116A - アルミナ質焼結体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】破壊靱性及び耐熱衝撃性の向上を図ることができるアルミナ質焼結体及びその製造方法を提供する。
【解決手段】アルミナ質焼結体におけるすべてのＡｌ_２Ｏ_３結晶粒子のうち長軸長さが２２［μｍ］以上の範囲に含まれるとともにアスペクト比が２以上である結晶粒子群に属するＡｌ_２Ｏ_３結晶粒子の存在比が３０［％］以上の範囲に含まれている。この結晶粒子群に属するＡｌ_２Ｏ_３結晶粒子中の気孔の１粒子あたりの平均気孔径が５［μｍ］以下、かつ、その平均存在数が１５以下である。
【選択図】なし。

Description

本発明は、アルミナ質焼結体及びその製造方法に関する。

アルミナ原料に対して遷移金属酸化物が添加され、かつ、当該原料から作製された成形体の焼成条件が調節されることにより、アルミナ質焼結体の靭性を高める技術的手法が提案されている（特許文献１参照）。当該手法によれば、一般的純度９０〜９９％よりも著しく高純度（９９．９９％）のアルミナが原料として用いられ、かつ、成形体の常圧焼結処理後に気孔の強制除去のためにさらにＨＩＰ処理が施されている。

特開２０１０−１２０７９５号公報

しかし、当該手法により製造された焼結体の破壊靱性及び耐熱衝撃性が損なわれる場合がある。

そこで、本発明は、破壊靱性及び耐熱衝撃性の向上を図ることができるアルミナ質焼結体及びその製造方法を提供する。

本発明のアルミナ質焼結体は、Ａｌ_２Ｏ_３含有量が９９．０〜９９．９５［ｗｔ％］の範囲に含まれ、Ｔｉ化合物の含有量がＴｉＯ₂換算で０．０５〜１．０［ｗｔ％］の範囲に含まれ、すべてのＡｌ_２Ｏ_３結晶粒子のうち長軸長さが２２［μｍ］以上の範囲に含まれるとともにアスペクト比が２以上である結晶粒子群に属するＡｌ_２Ｏ_３結晶粒子の存在比が３０［％］以上の範囲に含まれ、かつ、前記結晶粒子群に属するＡｌ_２Ｏ_３結晶粒子中の気孔の１粒子あたりの平均気孔径が５［μｍ］以下、かつ、その平均存在数が１５以下であることを特徴とする。

本発明のアルミナ質焼結体の製造方法は、平均粒子径が０．２〜２．０［μｍ］の範囲に含まれるＡｌ_２Ｏ_３粉末が９９．０〜９９．９５［ｗｔ％］の範囲で含まれ、かつ、Ａｌ_２Ｏ_３粉末の平均粒子径に対する平均粒子径の比率が０．１０〜０．９０の範囲に含まれるチタン化合物がＴｉＯ_２換算で０．０５〜１．０［ｗｔ％］の範囲で含まれている原料を調製する工程と、前記原料を成形することにより成形体を作製する工程と、前記成形体の雰囲気としての酸化雰囲気の、１０００［℃］以上における昇温速度を４０［℃／ｈｒ］以下に制御し、かつ、所定の焼成温度到達するまでに、１［ｈｒ］以上の保持を１回以上追加した後、所定の焼成温度に維持することにより前記成形体を焼成する工程と、を含むことを特徴とする。

本発明の方法によれば、成形体の焼成時における昇温制御により、Ａｌ_２Ｏ_３結晶粒子の粒成長が促進されるとともに、焼結が進行する際の空隙の取り込みの抑制、空隙が放出される。

その結果、本発明のアルミナ質焼結体の破壊靱性の向上が図られる。これは、Ａｌ_２Ｏ_３結晶粒子が相互に堅固な架橋構造を形成しうる程度に十分な長軸長さを有するように粒成長しているためであると推察される。また、本発明のアルミナ質焼結体の耐熱衝撃性の向上が図られる。これは、Ａｌ_２Ｏ_３結晶粒子に残存する、耐熱衝撃性の低下を招来する気孔の数が低減されているためであると推察される。

（製造方法）
本発明のアルミナ質焼結体は、次のような手順で製造される。

（原料調整工程）
まず、平均粒子径が０．２０〜２．０［μｍ］の範囲に含まれるＡｌ_２Ｏ_３粉末が９９．０〜９９．９５［ｗｔ％］の範囲で含まれ、かつ、Ａｌ_２Ｏ_３粉末の平均粒子径に対する平均粒子径の比率が０．１０〜０．９０の範囲に含まれるチタン化合物がＴｉＯ_２換算で０．０５〜１．０［ｗｔ％］の範囲で含まれている原料が調製される。原料におけるＡｌ_２Ｏ_３及びＴｉＯ_２換算のチタン化合物の合計含有量は１００［ｗｔ％］以下である。

Ａｌ_２Ｏ_３粉末の純度は９９．０％以上であれば十分であるが、９９．５％以上であることが好ましく、９９．９％以上であることがより好ましい。ＳｉＯ₂等の不可避的な不純物の合計含有量は０．１［ｗｔ％］以下であることが好ましい。不純物には、アルカリ土類金属酸化物に限らず、アルカリ金属、アルカリ金属酸化物及びアルカリ土類金属等も含まれる。

ＴｉＯ_２等のチタン化合物の粉末で添加されることが好ましいが、これに限定されず、大気中での焼結後に酸化物を生成する塩化物、水酸化チタン、又は有機チタン化合物等の種々の形態で添加されてもよい。

Ａｌ_２Ｏ_３粉末及びチタン化合物粉末は、ボールミル混合等の公知の方法を用いて混合される。必要に応じて分散剤及びバインダーなどが加えられて原料粉末が調製される。

（成形工程）
続いて、原料粉末が成形されることにより成形体が作製される。成形法としては、一軸プレス成形、ＣＩＰ成形、湿式成形、加圧鋳込みや廃泥鋳込み等の種々の方法が採用されうる。

（焼成工程）
成形体の焼成雰囲気として酸化雰囲気が選択される。また、当該酸化雰囲気の１０００℃以上における昇温速度を４０℃／ｈｒ以下に制御し、かつ、所定の焼成温度到達するまでに、１ｈｒ以上の保持を１回以上追加した後、高温の所定の焼成温度（例えば１６００［℃］）に雰囲気温度が維持されることにより成形体が焼成される。

（実施例）
表１に示されている製造条件にしたがって、実施例１〜１０のそれぞれの焼結体が製造された。当該製造条件には、原料におけるＡｌ_２Ｏ_３粉末及びＴｉＯ_２粉末のそれぞれの平均粒子径及び含有量が含まれている。さらに、当該製造条件には、成形体の焼成雰囲気（酸化雰囲気）の昇温速度、保持回数、合計保持時間、保持温度域、焼成温度並びに焼成時間が含まれる。

Ａｌ_２Ｏ_３粉末及びＴｉＯ_２粉末の混合粉末が、適切な配合で添加された溶媒、分散剤とともにミル混合され、有機バインダーが更に添加された。当該混合物がスプレードライヤー法により顆粒化された。当該顆粒がＣＩＰ成形されることにより１５０［ｍｍ］×１５０［ｍｍ］×２０［ｍｍ］の略正方形板状の成形体が作製された。

（評価方法）
各実施例の焼結体の破壊靱性、耐熱衝撃性及び研削抵抗などの物性が評価された。破壊靱性は、ＪＩＳ Ｒ１６０７、ファインセラミックスの室温破壊じん（靱）性試験方法に則った。耐熱衝撃性は、ＪＩＳＲ１６４８、ファインセラミックスの熱衝撃試験方法に則った。研削抵抗は、♯１００の粗さで、ホイール径が２００［ｍｍ］、ダイヤモンド砥石がレジンボンドで固定されたホイールを用い、回転数２０００［ｒｐｍ］として、１回の切り込み量を２０［μｍ］として加工し、その際の加工機の軸にかかる負荷（電流表示）を測定した。

表２には当該評価結果がまとめて示されている。「結晶存在比率」は、すべてのＡｌ_２Ｏ_３結晶粒子のうち、長軸長さが２２［μｍ］以上の範囲に含まれ、かつ、アスペクト比が２以上である結晶粒子群に属する結晶粒子の存在比率を意味する。

（実施例の評価結果（表１及び表２参照））
各実施例の焼結体の原料におけるＡｌ_２Ｏ_３粉末の含有量が９９．０〜９９．９５［ｗｔ％］の範囲に含まれている。その平均粒子径が０．２０〜２．０［μｍ］の範囲に含まれている。ＴｉＯ_２の含有量が０．０５〜１．０［ｗｔ％］の範囲に含まれている。ＴｉＯ_２の平均粒子径のＡｌ_２Ｏ_３粉末の平均粒子径に対する比率が０．１０〜０．９０の範囲に含まれている。成形体の焼成雰囲気（酸化雰囲気）の昇温速度が４０［℃／ｈｒ］以下、昇温途中において、１［ｈｒ］以上の保持が１回以上追加された。

各実施例の焼結体におけるＡｌ_２Ｏ_３含有量が９９．０〜９９．９５［ｗｔ％］の範囲に含まれている。Ｔｉ含有量がＴｉＯ_２換算で０．０５〜１．０［ｗｔ％］の範囲に含まれている。また、Ａｌ_２Ｏ_３結晶粒子同士の粒界にＡｌＴｉ₂Ｏ₅等の副生成物が存在していない。

各実施例の焼結体における結晶存在比率が３０［％］以上の範囲に含まれている。各実施例の焼結体の破壊靱性が４．０〜８．０［ＭＰａ・ｍ^1/2］の範囲に含まれている。結晶存在比率が５０％以上である実施例５〜１０の焼結体の破壊靱性がより高い５．５〜８．０［ＭＰａ・ｍ^1/2］の範囲に含まれている。

当該結晶粒子群に属するＡｌ_２Ｏ_３結晶粒子中の気孔の１粒子あたりの平均気孔径が５［μｍ］以下、かつ、その平均存在数が１５以下である。各実施例の焼結体の耐熱衝撃性が２１０〜４５０［℃］の範囲に含まれている。Ａｌ_２Ｏ_３結晶粒子中の気孔の１粒子あたりの５［μｍ］以下の平均存在数が１０以下である実施例１、３、４、６、８、９及び１０の焼結体の耐熱衝撃性がより高温側の３００〜４５０［℃］の範囲に含まれている。各実施例の焼結体の研削抵抗が２０［ｋｇｆ］以下である。

（比較例）
表３に示されている製造条件にしたがって、比較例１〜８のそれぞれの焼結体が製造された。

（評価方法）
各比較例の焼結体の物性が、各実施例の焼結体と同様に測定された。表４には各比較例の焼結体の評価結果がまとめて示されている。

（比較例の評価結果（表３及び表４参照））
（比較例１）
原料におけるＡｌ_２Ｏ_３含有量が９８．０［ｗｔ％］と少ないためにＴｉ含有量がＴｉＯ_２換算で１．０［ｗｔ％］より多いことに由来して、固溶限界を超える余剰のＴｉＯ₂由来のチタン酸アルミニウムから成る副生成物が形成されている。焼結体の耐熱衝撃性が３００［℃］より低い（２００［℃］）。

（比較例２）
原料におけるＡｌ_２Ｏ_３粉末の平均粒子径が２．０［μｍ］より大きいためにそもそも成形体に比較的大径の気孔が存在したと推察され、焼結体における結晶粒子内には気孔径が５［μｍ］より大径（８［μｍ］）の気孔が存在している。焼結体の破壊靱性が４．０［ＭＰａ・ｍ^1/2］より低く（３．９［ＭＰａ・ｍ^1/2］）、かつ、耐熱衝撃性が３００［℃］より低い（１５０［℃］）。

（比較例３）
原料におけるＡｌ_２Ｏ_３含有量が９９．９９［ｗｔ％］と多いためにＴｉ含有量がＴｉＯ_２換算で０．０５［ｗｔ％］より少ないことに由来して、粒成長が不十分となり、結晶粒子同士の架橋構造が十分に形成されなかったと推察され、焼結体において結晶存在比率が３０［％］未満（１５［％］）である。焼結体の破壊靱性が４．０［ＭＰａ・ｍ^1/2］より低く（３．７［ＭＰａ・ｍ^1/2］）、耐熱衝撃性が３００［℃］より低く（１５０［℃］）、かつ、研削抵抗が２０［ｋｇｆ］より高い（２５［ｋｇｆ］）。

（比較例４）
原料におけるＴｉＯ_２粉末の平均粒子径のＡｌ_２Ｏ_３粉末の平均粒子径に対する比率が０．９０より高い。これにより、ＴｉＯ_２が分散できない状態で成形体が焼結され、粒成長が不十分となり、結晶粒子同士の架橋構造が十分に形成されなかったと推察され、焼結体において結晶存在比率が３０［％］未満（２０［％］）である。焼結体における結晶粒子内に気孔径が５［μｍ］より大径（１０［μｍ］）であり、１５よりも多数（２１）の気孔が含まれている。焼結体の破壊靱性が４．０［ＭＰａ・ｍ^1/2］より低く（３．１［ＭＰａ・ｍ^1/2］）、かつ、耐熱衝撃性が３００［℃］より低い（１６０［℃］）。

（比較例５）
原料におけるＴｉＯ_２粉末の平均粒子径のＡｌ_２Ｏ_３粉末の平均粒子径に対する比率が０．１０より低いため、成形体の焼結時にＴｉＯ_２粉末の不均一な固溶が生じた。このため、破壊靱性等を評価するに足る焼結体が得られなかった。

（比較例６）
成形体の焼結時に昇温速度が４０［℃／ｈｒ］より高速（５０［℃／ｈｒ］）に制御された。これにより、粒成長が不十分となり、結晶粒子同士の架橋構造が十分に形成されなかったと推察され、焼結体において結晶存在比率が３０［％］未満（２５［％］）である。また、焼結が比較的速く進行したために成形体から多くの気孔が逃げ出せずに取り込まれたと推察され、焼結体における結晶粒子内に気孔径が５［μｍ］より大径（８［μｍ］）であり、１５よりも多数（３０）の気孔が含まれている。焼結体の耐熱衝撃性が３００［℃］より低く（１８０［℃］）、かつ、研削抵抗が２０［ｋｇｆ］を超えている（２２［ｋｇｆ］）。

（比較例７）
成形体の焼結時に昇温速度が４０［℃／ｈｒ］より高速（４５［℃／ｈｒ］）に制御され、また、温度保持がなされなかった。これにより、粒成長が不十分となり、結晶粒子同士の架橋構造が十分に形成されなかったと推察され、焼結体において結晶存在比率が３０［％］未満（２０［％］）である。また、焼結が比較的速く進行したために成形体から多くの気孔が逃げ出せずに取り込まれたと推察され、焼結体における結晶粒子内に気孔径が５［μｍ］より大径（２０［μｍ］）であり、１５よりも多数（２３）の気孔が含まれている。焼結体の破壊靱性が４．０［ＭＰａ・ｍ^1/2］より低く（２．９［ＭＰａ・ｍ^1/2］）、かつ、耐熱衝撃性が３００［℃］より低い（１４０［℃］）。

（比較例８）
原料におけるＡｌ_２Ｏ_３含有量が１００．０［ｗｔ％］と多いためにＴｉ含有量が０であることに由来して、粒成長が不十分となり、結晶粒子同士の架橋構造が十分に形成されなかったと推察され、焼結体において結晶存在比率が３０［％］未満（１０［％］）である。焼結体の耐熱衝撃性が３００［℃］より低く（２００［℃］）、かつ、研削抵抗が２０［ｋｇｆ］より高い（３０［ｋｇｆ］）。

Claims (2)

1. Ａｌ_２Ｏ_３含有量が９９．０〜９９．９５［ｗｔ％］の範囲に含まれ、
   Ｔｉ化合物の含有量がＴｉＯ₂換算で０．０５〜１．０［ｗｔ％］の範囲に含まれ、
   すべてのＡｌ_２Ｏ_３結晶粒子のうち長軸長さが２２［μｍ］以上の範囲に含まれるとともにアスペクト比が２以上である結晶粒子群に属するＡｌ_２Ｏ_３結晶粒子の存在比が３０［％］以上の範囲に含まれ、かつ、
   前記結晶粒子群に属するＡｌ_２Ｏ_３結晶粒子中の気孔の１粒子あたりの平均気孔径が５［μｍ］以下、かつ、その平均存在数が１５以下であることを特徴とするアルミナ質焼結体。
2. 平均粒子径が０．２〜２．０［μｍ］の範囲に含まれるＡｌ_２Ｏ_３粉末が９９．０〜９９．９５［ｗｔ％］の範囲で含まれ、かつ、Ａｌ_２Ｏ_３粉末の平均粒子径に対する平均粒子径の比率が０．１０〜０．９０の範囲に含まれるチタン化合物がＴｉＯ_２換算で０．０５〜１．０［ｗｔ％］の範囲で含まれている原料を調製する工程と、
   前記原料を成形することにより成形体を作製する工程と、
   前記成形体の雰囲気としての酸化雰囲気の、１０００［℃］以上における昇温速度を４０［℃／ｈｒ］以下に制御し、かつ、所定の焼成温度到達するまでに、１［ｈｒ］以上の保持を１回以上追加した後、所定の焼成温度に維持することにより前記成形体を焼成する工程と、を含むことを特徴とするアルミナ質焼結体の製造方法。