JP3101972B2 - Alumina sintered body and method for producing the same - Google Patents
Alumina sintered body and method for producing the sameInfo
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、室温から1200℃の
高温強度に優れるとともに、高靱性を有するアルミナ質
焼結体に関するもので、特に、航空関連部材、精錬部
材、宇宙環境下で使用される部材、熱機関用部品に使用
されるものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an alumina sintered body having high strength at room temperature to 1200.degree. C. and high toughness. Particularly, it is used in aviation-related members, refining members, and space environment. Used for heat engine components and heat engine components.
【0002】[0002]
【従来技術】従来より、アルミナ質焼結体は、代表的な
セラミック材料として、その優れた強度、耐薬品性から
あらゆる分野に使用されている。また、このアルミナ質
焼結体は、その強度がせいぜい20〜40kg/mm2
程度であるため、さらに高強度、高靱性化を図るために
各種の改良がなされている。2. Description of the Related Art Conventionally, alumina-based sintered bodies have been used in various fields as a typical ceramic material because of their excellent strength and chemical resistance. Further, this alumina-based sintered body has a strength of at most 20 to 40 kg / mm 2.
Therefore, various improvements have been made to achieve higher strength and higher toughness.
【0003】例えば、アルミナに対して炭化珪素やジル
コニアを添加した複合材料が特開昭61−122164
号、特開昭63−139044号に提案されている。ま
た、アルミナに対して希土類元素を含有させた形状異方
性のβ型アルミナ結晶を分散させた材料も特開昭63−
134551号にて提案されている。For example, a composite material obtained by adding silicon carbide or zirconia to alumina is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-122164.
And Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 63-139044. Further, a material in which a β-type alumina crystal having a shape anisotropy in which a rare earth element is contained in alumina is dispersed is also disclosed in
No. 134551 has been proposed.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする問題点】しかしながら、アル
ミナ−炭化珪素系複合材料は、非酸化物を含んでいるた
めに高温の酸化性雰囲気中での耐酸化性に欠けるという
問題があった。また、アルミナ−ジルコニア系複合材料
は、900℃付近から強度が極端に低下するために12
00℃もの高温では使用できないという問題があった。However, the alumina-silicon carbide composite material has a problem that it lacks oxidation resistance in a high-temperature oxidizing atmosphere because it contains a non-oxide. Further, the alumina-zirconia composite material has an extremely low strength from around 900 ° C.
There was a problem that it could not be used at temperatures as high as 00 ° C.
【0005】さらに、希土類元素を含有するβ型アルミ
ナが分散した複合材料は、耐酸化性に優れ、しかも室温
から高温までの強度と靱性は無添加のアルミナ質焼結体
に比較して優れた材料ではあるが、1200℃の高温強
度はせいぜい380MPa程度であり、強度が十分でな
いという問題があった。Further, a composite material in which β-alumina containing a rare earth element is dispersed is excellent in oxidation resistance, and is superior in strength and toughness from room temperature to high temperature as compared with an alumina sintered body without addition. Although it is a material, the high-temperature strength at 1200 ° C. is at most about 380 MPa, and there is a problem that the strength is not sufficient.
【0006】[0006]
【問題点を解決するための手段】本発明者は、特にアル
ミナにβ型アルミナ結晶を分散した複合材料を基礎とし
て、その高温強度および靱性を高める方法について検討
を重ねた結果、焼結体の組織的な改良に加え、焼結体を
構成する結晶相自体の強度を高めることが重要であると
の見地から検討を重ねた結果、アルミナ結晶相およびβ
型アルミナ結晶相の粒内にそれぞれの結晶相とは異なる
金属酸化物を微細な結晶として分散させることにより、
高温強度および靱性を向上できることを見いだしたもの
である。Means for Solving the Problems The present inventors have repeatedly studied a method of increasing the high-temperature strength and toughness of a composite material obtained by dispersing β-type alumina crystals in alumina, and as a result, As a result of repeated studies from the viewpoint that it is important to increase the strength of the crystal phase itself constituting the sintered body in addition to the structural improvement, the alumina crystal phase and β
By dispersing metal oxides different from each crystal phase as fine crystals in the grains of the type alumina crystal phase,
It has been found that high-temperature strength and toughness can be improved.
【0007】即ち、本発明のアルミナ質焼結体は、アル
ミナ結晶相と、β型アルミナ結晶相とからなる複合焼結
体であって、前記アルミナ結晶相およびβ型アルミナ結
晶相の粒内に、それぞれの結晶相とは異なる金属酸化物
結晶粒子が分散してなることを特徴とするものである。
なお、前記金属酸化物結晶粒子が500nm以下の粒子
径を有するものである。また、前記金属酸化物結晶粒子
がTi、Mg、Feのうちの少なくとも1種を含み、さ
らには前記β型アルミナ結晶相が、アルミナと周期律表
第3a族、第2a族酸化物との複合酸化物からなり、平
均アスペクト比が3以上の粒子からなることを特徴とす
るものである。That is, the alumina-based sintered body of the present invention is a composite sintered body composed of an alumina crystal phase and a β-type alumina crystal phase. It is characterized in that metal oxide crystal particles different from each crystal phase are dispersed.
The metal oxide crystal particles have a particle diameter of 500 nm or less. Further, the metal oxide crystal particles include at least one of Ti, Mg, and Fe, and the β-type alumina crystal phase is a composite of alumina and an oxide of Group 3a or Group 2a of the periodic table. It is characterized by being composed of oxide and particles having an average aspect ratio of 3 or more.
【0008】さらに、本発明のアルミナ質焼結体の製造
方法によれば、アルミナ粉末に対して、雰囲気の違いに
よりアルミナおよびβ型アルミナへの固溶限界量が異な
る第1の金属酸化物粉末と、アルミナとの反応によって
β型アルミナを生成し得る第2の金属酸化物粉末とを添
加、混合、成形した後、該成形体を前記第1の金属酸化
物のアルミナおよびβ型アルミナへの固溶限界量が多く
なる雰囲気中で焼成して、前記第2の金属酸化物とアル
ミナとの反応によりβ型アルミナ結晶を生成させるとと
もに、前記第1の金属酸化物がアルミナ結晶およびβ型
アルミナ結晶内に固溶した焼結体を作製した後、この焼
結体を前記第1の金属酸化物のアルミナおよびβ型アル
ミナへの固溶限界量が少なくなる雰囲気中で熱処理し
て、アルミナ結晶およびβ型アルミナ結晶粒内に第1の
金属酸化物、あるいは第1の金属酸化物とアルミナまた
は第2の金属酸化物との複合酸化物を析出させたことを
特徴とするものであり、前記第1の金属酸化物が、酸化
チタン、酸化マグネシウム、酸化鉄のうちの少なくとも
1種であり、前記第2の金属酸化物が周期律表第2a
族、第3a族元素酸化物のうちの少なくとも1種からな
ることを特徴とするものである。Further, according to the method for producing an alumina-based sintered body of the present invention, the first metal oxide powder having a different solid solubility limit to alumina and β-type alumina due to a difference in atmosphere with respect to alumina powder. And a second metal oxide powder capable of producing β-type alumina by reaction with alumina, followed by mixing and molding, and then forming the molded body into alumina of the first metal oxide and β-type alumina. Baking in an atmosphere in which the solid solution limit is increased to generate β-type alumina crystals by the reaction between the second metal oxide and alumina, and the first metal oxide is formed of alumina crystals and β-type alumina; After preparing a sintered body having a solid solution in the crystal, the sintered body is heat-treated in an atmosphere in which the first metal oxide has a limited solid solubility in alumina and β-type alumina, and the alumina crystal is and A first metal oxide or a composite oxide of the first metal oxide and alumina or the second metal oxide is precipitated in the crystal grains of the type alumina; Is at least one of titanium oxide, magnesium oxide, and iron oxide, and the second metal oxide is a 2a of the periodic table.
And at least one of group 3a and group 3a element oxides.
【0009】以下、本発明を詳述する。本発明のアルミ
ナ質焼結体は、組織上、図1に示すように、アルミナ結
晶相1と、β型アルミナ結晶相2およびそれらの結晶相
粒内に析出した金属酸化物結晶粒子3とから構成され
る。アルミナ結晶相1は、α型結晶構造からなるもので
ある。ここで、β型アルミナ結晶相2とは、アルミナを
主成分とし、周期律表第3a族あるいは第2a族酸化物
との複合酸化物であり、例えば、La2 O3 ・11Al
2 O3 、Nd2 O3 ・11Al2 O3 、CaO・6Al
2 O3 、SrO・6Al2 O3 、BaO・6Al2 O3
などが挙げられる。これらアルミナとの反応によってβ
型アルミナを生成し得る周期律表第3a族あるいは第2
a族酸化物は後述する製造方法においては「第2の金属
酸化物」として定義されるものである。Hereinafter, the present invention will be described in detail. As shown in FIG. 1, the alumina-based sintered body of the present invention is composed of an alumina crystal phase 1, a β-type alumina crystal phase 2, and metal oxide crystal particles 3 precipitated in the crystal phase grains, as shown in FIG. Be composed. The alumina crystal phase 1 has an α-type crystal structure. Here, the β-type alumina crystal phase 2 is a composite oxide containing alumina as a main component and a Group 3a or Group 2a oxide of the periodic table, for example, La 2 O 3 .11Al
2 O 3 , Nd 2 O 3 .11Al 2 O 3 , CaO.6Al
2 O 3 , SrO · 6Al 2 O 3 , BaO · 6Al 2 O 3
And the like. Β reaction with these aluminas
Group 3a or 2
The group a oxide is defined as a “second metal oxide” in a manufacturing method described later.
【0010】このβ型アルミナ結晶は、それ自体が形状
異方性成長を起こすために平均アスペクト比が3以上の
柱状結晶として存在する。なお、この柱状結晶の短軸径
は0.5〜5μm程度である。これに対してアルミナ結
晶相1は、通常アスペクト比が2以下、平均粒径が0.
5〜10μmの粒状結晶として存在するが、場合によっ
ては、アルミナ結晶相もアスペクト比2以上の粒子とし
て存在してもよい。[0010] The β-type alumina crystal itself exists as a columnar crystal having an average aspect ratio of 3 or more because the crystal itself grows in shape anisotropy. The minor axis diameter of this columnar crystal is about 0.5 to 5 μm. On the other hand, the alumina crystal phase 1 usually has an aspect ratio of 2 or less and an average particle size of 0.2.
Although it exists as granular crystals of 5 to 10 μm, in some cases, the alumina crystal phase may also exist as particles having an aspect ratio of 2 or more.
【0011】このように、β型アルミナ結晶相を上記の
ような柱状結晶として分散させることにより、焼結体の
靱性が向上できるとともに、高温での粒界滑りをある程
度抑制し、焼結体の高温でのクリープ速度を低減でき
る。しかし、β型アルミナは、ヤング率が小さいために
クラックの粒内経由の進展に対する抑制効果が小さく、
また、高温で結晶自体の軟化、即ち転位の移動による塑
性変形を抑制する効果はない。As described above, by dispersing the β-type alumina crystal phase as columnar crystals as described above, the toughness of the sintered body can be improved, and grain boundary sliding at high temperatures can be suppressed to some extent. The creep rate at high temperatures can be reduced. However, since β-type alumina has a small Young's modulus, the effect of suppressing the propagation of cracks through the grains is small,
In addition, there is no effect of suppressing softening of the crystal itself at high temperature, that is, plastic deformation due to dislocation movement.
【0012】本発明では、上記のようなアルミナ結晶相
およびβ型アルミナ結晶相からなる焼結体において、図
1に示すように、各結晶相の粒内にそれぞれの結晶相と
は異なる金属酸化物結晶粒子3が分散してなることが重
要である。ここで、粒内に分散させる金属の酸化物粒子
は、単一金属酸化物の他、2種以上の金属の複合酸化物
であってもよいし、これらの金属酸化物とアルミナある
いはβ型アルミナを形成する金属酸化物との複合酸化物
であってもよい。According to the present invention, in a sintered body composed of the above-mentioned alumina crystal phase and β-type alumina crystal phase, as shown in FIG. It is important that the material crystal particles 3 are dispersed. Here, the metal oxide particles dispersed in the grains may be a single metal oxide or a composite oxide of two or more metals, or may be a composite oxide of these metal oxides and alumina or β-type alumina. May be a composite oxide with a metal oxide that forms
【0013】これら粒内に分散させる金属酸化物は、ア
ルミナまたはβ型アルミナに対して雰囲気によって固溶
限界量が変化する金属酸化物、即ち、後述する製造方法
において「第1の金属酸化物」として定義されるものが
含まれる。この第1の金属酸化物としては、ヤング率と
高温での安定性が高いという見地から、Mg、Ca、F
e、Co、および周期律表の3a、4a、5a、6a族
金属の群から選ばれる少なくとも1種が好ましいがこれ
らの中でも固溶−析出の制御の容易性から酸化チタン
(TiO2 )、酸化マグネシウム(MgO)、酸化鉄
(Fe2 O3 )が望ましい。なお、アルミナへの固溶
は、MgOはMgTiO3 の形態で多量に固溶する。The metal oxide dispersed in these grains is a metal oxide whose solid solubility limit changes with respect to alumina or β-type alumina depending on the atmosphere, that is, “a first metal oxide” in a production method described later. Included are those defined as From the viewpoint of high Young's modulus and high stability at high temperature, Mg, Ca, F
e, Co, and at least one selected from the group consisting of metals of groups 3a, 4a, 5a, and 6a of the periodic table. Among these, titanium oxide (TiO 2 ), oxide Magnesium (MgO) and iron oxide (Fe 2 O 3 ) are desirable. As for solid solution in alumina, MgO forms a large amount of solid solution in the form of MgTiO 3 .
【0014】このアルミナ結晶およびβ型アルミナ結晶
相の粒内に分散する金属酸化物は、平均粒径が500n
m以下であることが好ましい。この分散相の粒径が小さ
ければ、母体結晶との界面に結晶の整合性を保ち、歪み
を生じることにより、さらに大きな強化、靭化効果を示
すことができる。粒内分散相の平均粒径が1μm以上に
なると、上記結晶間の相互作用が小さくなり、場合には
熱応力により相界面に欠陥を生じる。分散相の平均粒径
は200nm以下であることが望ましい。The metal oxide dispersed in the grains of the alumina crystal phase and the β-type alumina crystal phase has an average particle size of 500 n.
m or less. When the particle size of the dispersed phase is small, crystal consistency is maintained at the interface with the host crystal, and strain is generated, so that a greater strengthening and toughening effect can be exhibited. When the average particle size of the intragranular dispersed phase is 1 μm or more, the interaction between the crystals becomes small, and in some cases, a defect occurs at the phase interface due to thermal stress. The average particle size of the dispersed phase is desirably 200 nm or less.
【0015】本発明のアルミナ質焼結体においては、β
型アルミナ結晶相を形成するための周期律表第2a族、
第3a族酸化物は、全量中1〜6モル%の割合で含有す
ることが望ましく、また、これらの結晶粒内に析出する
金属酸化物は、前記Ti、MgおよびFeの酸化物換算
量(TiO2 、MgOおよびFe2 O3 )で全量中0.
5〜5モル%の割合で含有されることが望ましい。In the alumina sintered body of the present invention, β
Group 2a of the periodic table for forming a type alumina crystal phase,
The Group 3a oxide is desirably contained at a rate of 1 to 6 mol% of the total amount, and the metal oxide precipitated in these crystal grains is the above-mentioned oxide amount of Ti, Mg and Fe ( TiO 2 , MgO and Fe 2 O 3 ).
Desirably, the content is 5 to 5 mol%.
【0016】次に、本発明のアルミナ質焼結体の製造方
法について説明する。本発明の製造方法によれば、ま
ず、出発原料として、アルミナ粉末と、雰囲気の違いに
よりアルミナおよびβ型アルミナへの固溶限界量が異な
る第1の金属酸化物粉末と、アルミナとの反応によって
β型アルミナを生成し得る第2の金属酸化物粉末とを準
備する。Next, a method for producing an alumina sintered body of the present invention will be described. According to the production method of the present invention, first, alumina is used as a starting material, and the first metal oxide powder having a different solid solubility limit to alumina and β-type alumina due to a difference in atmosphere is reacted with alumina. and a second metal oxide powder capable of producing β-type alumina.
【0017】前記第1の金属酸化物としては、Mg、C
a、Fe、Co、および周期律表の3a、4a、5a、
6a族金属の群から選ばれる少なくとも1種の酸化物か
ら選択されるが、固溶−析出の制御の容易性からTiO
2 、Fe2 O3 、MgTiO3 が挙げられ、その中でも
TiO2 が最も望ましい。この第1の金属酸化物は、全
量中0.5〜5モル%の割合で添加される。As the first metal oxide, Mg, C
a, Fe, Co, and 3a, 4a, 5a of the periodic table,
It is selected from at least one oxide selected from the group of Group 6a metals.
2 , Fe 2 O 3 and MgTiO 3 , of which TiO 2 is most desirable. The first metal oxide is added at a ratio of 0.5 to 5 mol% based on the total amount.
【0018】また、前記第2の金属酸化物としては、周
期律表第2a族、第3a族元素の酸化物が挙げられる
が、その中でもアルミナとの反応の容易性の点でLa2
O3 が最も望ましい。この第2の金属酸化物は、全量中
に1〜6モル%の割合で添加される。Examples of the second metal oxide include oxides of Group 2a and Group 3a elements of the periodic table. Among them, La 2 is preferred because of its ease of reaction with alumina.
O 3 is most preferred. This second metal oxide is added at a ratio of 1 to 6 mol% in the total amount.
【0019】これら第1、第2の金属酸化物は、焼成工
程で酸化物を形成し得るものであれば、特に制限はな
く、例えば、金属粉末、その金属を含む有機、無機物お
よびその溶液のいずれでもよい。The first and second metal oxides are not particularly limited as long as they can form oxides in the firing step. For example, metal powders, organic and inorganic substances containing the metal, and solutions of the metal powders may be used. Either may be used.
【0020】これらの粉末を添加混合した後、混合粉末
を所望の成形手段、例えば、金型プレス,冷間静水圧プ
レス,押出し成形等により任意の形状に成形する。After adding and mixing these powders, the mixed powders are formed into an arbitrary shape by a desired molding means, for example, a die press, a cold isostatic press, an extrusion molding or the like.
【0021】次に、この成形体を公知の焼結法、例えば
ホットプレス法、常圧焼成法、ガス圧焼成法、更に、こ
れらの焼成後に熱間静水圧処理(HIP)処理、および
ガラスシール後HIP処理して、対理論密度比95%以
上の緻密な焼結体を得る。Next, the molded body is subjected to a known sintering method, for example, a hot press method, a normal pressure sintering method, a gas pressure sintering method, a hot isostatic pressing (HIP) treatment after these sintering, and a glass sealing. Thereafter, HIP treatment is performed to obtain a dense sintered body having a theoretical density ratio of 95% or more.
【0022】本発明によれば、この時の焼成は、第2の
金属酸化物とアルミナとが反応してβ型アルミナ結晶が
生成される条件であり、且つ焼成雰囲気が前記第1の金
属酸化物のアルミナまたはβ型アルミナへの固溶限界量
が多くなる雰囲気であることが必要である。この時の焼
成温度は、1300℃〜1800℃、特に1400℃〜
1750℃であることが固溶性および母体結晶の緻密性
と粒成長の抑制から好ましい。According to the present invention, the firing at this time is a condition under which the second metal oxide and the alumina react with each other to form β-type alumina crystals, and the firing atmosphere is the first metal oxide. It is necessary that the atmosphere be such that the solid solubility limit of the product in alumina or β-type alumina increases. The firing temperature at this time is 1300 ° C. to 1800 ° C., particularly 1400 ° C.
The temperature is preferably 1750 ° C. from the viewpoint of solid solubility, denseness of the host crystal and suppression of grain growth.
【0023】その後、上記のようにして第1の金属酸化
物を固溶させた焼結体を、第1の金属酸化物の前記固溶
限界量が少なくなる雰囲気中で熱処理する。この時の焼
成温度は1100〜1700℃が適当である。かかる条
件で処理することにより、過飽和の固溶元素をアルミナ
とβ型アルミナ結晶粒内に、酸化物あるいは複合酸化物
の形で均一に析出させることができる。Thereafter, the sintered body in which the first metal oxide is solid-dissolved as described above is heat-treated in an atmosphere in which the first metal oxide has a limited solid solution limit. The firing temperature at this time is suitably 1100 to 1700 ° C. By treating under such conditions, supersaturated solid solution elements can be uniformly precipitated in the form of oxides or composite oxides in the alumina and β-type alumina crystal grains.
【0024】上記の固溶−析出工程は、例えば、第1金
属酸化物としてTiO2 を用いる場合には、固溶工程を
H2 などの還元雰囲気、析出工程を大気中の酸化性雰囲
気に制御し、Ti/Mg(Ti:Mg=1)、Feの酸
化物を用いた場合には固溶工程を大気などの酸化性雰囲
気、析出工程を還元雰囲気とすればよい。In the above solid solution-precipitation step, for example, when TiO 2 is used as the first metal oxide, the solid solution step is controlled to a reducing atmosphere such as H 2 and the deposition step is controlled to an oxidizing atmosphere in the atmosphere. When an oxide of Ti / Mg (Ti: Mg = 1) or Fe is used, the solid solution step may be an oxidizing atmosphere such as air, and the precipitation step may be a reducing atmosphere.
【0025】[0025]
【作用】アルミナは、特に酸化雰囲気で室温から高温ま
で安定した特性を有するが、高温では転位が移動が発生
しやすいため、軟化、塑性変形を示すやすい。また、室
温では、結晶内でもクラックが進展しやすいため、破壊
靭性が低い。形状異方性のβ型アルミナの複合により材
料の破壊靭性と高温強度をある程度向上させたが、また
十分ではない。Alumina has a stable property from room temperature to a high temperature, especially in an oxidizing atmosphere. However, at high temperatures, dislocations tend to move, so that alumina tends to soften and plastically deform. Further, at room temperature, cracks are easily developed even in the crystal, and thus the fracture toughness is low. Although the fracture toughness and high-temperature strength of the material were improved to some extent by the composite of β-type alumina having shape anisotropy, it was still insufficient.
【0026】本発明によれば、アルミナ結晶相とβ型ア
ルミナ結晶相の粒内に、金属酸化物を分散させることに
より、結晶自体の強度と靱性を高め、クラックの粒内経
由の進展に対する抵抗および高温での塑性変形に対する
抵抗も大きく向上でき、その結果、分散強化効果と形状
異方性粒子による高強度高靱性化の相乗効果により、室
温から1200℃の高温まで高い強度と、高靱性を有す
る焼結体を得ることができる。According to the present invention, the strength and toughness of the crystal itself are increased by dispersing the metal oxide in the grains of the alumina crystal phase and the β-type alumina crystal phase, and the resistance to the propagation of the cracks through the grains. And high resistance to plastic deformation at high temperatures. As a result, the high strength and high toughness from room temperature to high temperature of 1200 ° C are achieved by the synergistic effect of the dispersion strengthening effect and the high strength and high toughness by the shape anisotropic particles. A sintered body can be obtained.
【0027】[0027]
【実施例】原料粉末としてアルミナ(Al2 O3 )、酸
化ランタニウム(La2 O3 )、酸化ネオジウム(Nd
2 O3 )、酸化チタン(TiO2 )、酸化マグネシウム
(MgO)、酸化鉄(Fe2 O3 )、酸化バリウム(B
aCO3 )、酸化カルシウム(CaCO3 )、酸化スト
ロンチウム(SrCO3 )を用いて、表1に示す組成比
に調合し、1t/cm2 の圧力で金型成形した後、さら
に3t/cm2 の圧力で静水圧処理を加えた。そして、
得られた成形体を表1に示す条件で固溶(焼成)、析出
処理を行った。EXAMPLE As raw material powders, alumina (Al 2 O 3 ), lanthanum oxide (La 2 O 3 ), neodymium oxide (Nd
2 O 3 ), titanium oxide (TiO 2 ), magnesium oxide (MgO), iron oxide (Fe 2 O 3 ), barium oxide (B
aCO 3 ), calcium oxide (CaCO 3 ), and strontium oxide (SrCO 3 ), and the composition ratio was as shown in Table 1. The mixture was molded at a pressure of 1 t / cm 2 , and then 3 t / cm 2 . Hydrostatic pressure treatment was applied under pressure. And
The obtained molded body was subjected to solid solution (sintering) and precipitation treatment under the conditions shown in Table 1.
【0028】得られた焼結体を鏡面に加工して、走査型
電子顕微鏡により組織を観察し、X線回折により結晶相
と同定し、α−アルミナ結晶相以外の析出相を。表2に
示した。また電子顕微鏡写真により観察しアルミナ相や
β型アルミナ相中に析出した金属酸化物の平均粒径と、
β型アルミナの平均アスペクト比を測定し表2に示し
た。本実施例1で得られた焼結体の析出固溶処理後の組
織を図1に示した。The obtained sintered body is processed into a mirror surface, the structure is observed with a scanning electron microscope, identified as a crystalline phase by X-ray diffraction, and a precipitated phase other than the α-alumina crystalline phase is identified. The results are shown in Table 2. In addition, the average particle size of the metal oxide observed in an electron micrograph and precipitated in an alumina phase or a β-type alumina phase,
The average aspect ratio of β-type alumina was measured and is shown in Table 2. FIG. 1 shows the structure of the sintered body obtained in Example 1 after the precipitation solid solution treatment.
【0029】さらに機械的特性として、JIS−R16
01にて指定されている形状まで研磨し抗折試料を作製
した。この試料についてJIS−R1601に基づく室
温および1200℃での4点曲げ抗折強度試験を実施し
た。また、ビッカース圧痕法により破壊靭性(K1c)を
測定した。結果は表2に示した。Further, as mechanical properties, JIS-R16
The specimen was polished to the shape designated in No. 01 to prepare a bending specimen. This sample was subjected to a four-point bending strength test at room temperature and 1200 ° C. based on JIS-R1601. Further, the fracture toughness (K 1 c) was measured by the Vickers indentation method. The results are shown in Table 2.
【0030】[0030]
【表1】 [Table 1]
【0031】[0031]
【表2】 [Table 2]
【0032】表1、2の結果から明らかなように、アル
ミナ単味の焼結体( 試料No.1)に対して、β型アルミ
ナ相と複合化させた試料No.2は,強度および靱性とも
に向上している。さらに,本発明に基づき得られたアル
ミナ結晶相とβ型アルミナ結晶相の粒内に金属酸化物あ
るいは複合酸化物が微細分散した焼結体(試料No.5〜
12)は、試料No.1および試料No.2に比較していず
れも優れており、室温で600MPa以上,1200℃
で400MPa以上,靱性が3.7MPam0. 5 以上が
達成された。As is clear from the results shown in Tables 1 and 2, the strength and toughness of the sample No. 2 combined with the β-type alumina phase were compared with those of the alumina-only sintered body (sample No. 1). Both are improving. Further, a sintered body in which a metal oxide or a composite oxide is finely dispersed in the grains of the alumina crystal phase and the β-type alumina crystal phase obtained according to the present invention (Sample Nos. 5 to 5)
12) is superior to both Sample No. 1 and Sample No. 2, and is 600 MPa or more at room temperature and 1200 ° C.
In 400MPa or more, toughness 3.7MPam 0. 5 or more has been achieved.
【0033】なお,第2の金属酸化物を添加した組成系
であっても固溶−析出工程を経ずに得られた試料No.
3、4はいずれも強度、靱性ともに低いものであり、試
料No.3では、粒内ではなく粒界に表2の複合酸化物が
析出した。It should be noted that, even in the composition system to which the second metal oxide was added, the sample No.
Samples Nos. 3 and 4 both have low strength and low toughness. In Sample No. 3, the composite oxides shown in Table 2 were precipitated not at the inside of the grains but at the grain boundaries.
【0034】[0034]
【発明の効果】以上詳述した通り、本発明によれば、ア
ルミナ結晶相とβ型アルミナ結晶相の粒内に、金属酸化
物を分散させることにより、結晶自体の強度と靱性を高
め、クラックの粒内経由の進展に対する抵抗および高温
での塑性変形に対する抵抗も大きく向上でき、その結
果、分散強化効果と形状異方性粒子による高強度高靱性
化の相乗効果により、室温から1200℃の高温まで高
い強度と、高靱性を有する焼結体を得ることができる。As described in detail above, according to the present invention, the metal oxide is dispersed in the grains of the alumina crystal phase and the β-type alumina crystal phase, whereby the strength and toughness of the crystal itself are increased, and Can greatly improve the resistance to propagation through the grains and the resistance to plastic deformation at high temperatures. As a result, the synergistic effect of the dispersion strengthening effect and the high strength and high toughness due to the shape anisotropic particles enables the high temperature from room temperature to 1200 ° C. A sintered body having high strength and high toughness can be obtained.
【図1】本発明のアルミナ質焼結体の組織を説明するた
めの図である。FIG. 1 is a view for explaining the structure of an alumina sintered body of the present invention.
1 アルミナ結晶相 2 β型アルミナ結晶相 3 金属酸化物結晶粒子 1 Alumina crystal phase 2 β-type alumina crystal phase 3 Metal oxide crystal particles
Claims (6)
からなる複合焼結体であって、前記アルミナ結晶相およ
びβ型アルミナ結晶相の粒内に、それぞれの結晶相とは
異なる金属酸化物結晶粒子が分散してなることを特徴と
するアルミナ質焼結体。1. A composite sintered body comprising an alumina crystal phase and a β-type alumina crystal phase, wherein a metal oxide different from each of the crystal phases is present in the grains of the alumina crystal phase and the β-type alumina crystal phase. Alumina-based sintered body characterized in that product crystal particles are dispersed.
の粒子径を有する請求項1記載のアルミナ質焼結体。2. The alumina-based sintered body according to claim 1, wherein said metal oxide crystal particles have a particle size of 500 nm or less.
シウム、鉄のうちの少なくとも1種を含む請求項1また
は請求項2記載のアルミナ質焼結体。3. The alumina-based sintered body according to claim 1, wherein the metal oxide crystal particles contain at least one of titanium, magnesium, and iron.
期律表第3a族、第2a族酸化物との複合酸化物からな
り、平均アスペクト比が3以上の粒子である請求項1記
載のアルミナ質焼結体。4. The particle according to claim 1, wherein the β-type alumina crystal phase is a particle having a composite oxide of alumina and an oxide of Group 3a or 2a of the Periodic Table and having an average aspect ratio of 3 or more. Alumina sintered body.
ミナおよびβ型アルミナへの固溶限界量が異なる第1の
金属酸化物粉末と、アルミナとの反応によってβ型アル
ミナを生成し得る第2の金属酸化物粉末とを添加、混
合、成形する工程と、 該成形体を前記第1の金属酸化物の前記固溶限界量が多
くなる雰囲気中で焼成して、前記第2の金属酸化物とア
ルミナとの反応によりβ型アルミナ結晶を生成させると
ともに、前記第1の金属酸化物がアルミナ結晶およびβ
アルミナ結晶内に固溶した焼結体を作製する工程と、 この焼結体を前記第1の金属酸化物の前記固溶限界量が
少なくなる雰囲気中で熱処理して、アルミナ結晶および
β型アルミナ結晶粒内に、第1の金属酸化物、あるいは
第1の金属酸化物とアルミナまたは第2の金属酸化物と
の複合酸化物を析出させる工程とからなることを特徴と
するアルミナ質焼結体の製造方法。5. A second metal oxide capable of producing β-type alumina by reacting with alumina powder, a first metal oxide powder having a different solubility limit to alumina and β-type alumina due to a difference in atmosphere, and alumina. Adding, mixing and molding a metal oxide powder; and sintering the molded body in an atmosphere in which the solid solubility limit of the first metal oxide is increased to form the second metal oxide and The reaction with alumina produces β-type alumina crystals, and the first metal oxide comprises alumina crystals and β-type alumina crystals.
Producing a sintered body solid-dissolved in the alumina crystal; and heat-treating the sintered body in an atmosphere in which the solid solubility limit of the first metal oxide is reduced to obtain an alumina crystal and β-type alumina. Depositing a first metal oxide or a composite oxide of the first metal oxide and alumina or the second metal oxide in crystal grains. Manufacturing method.
化マグネシウム、酸化鉄のうちの少なくとも1種であ
り、前記第2の金属酸化物が周期律表第2a族、第3a
族元素酸化物のうちの少なくとも1種である請求項5記
載のアルミナ質焼結体の製造方法。6. The first metal oxide is at least one of titanium oxide, magnesium oxide and iron oxide, and the second metal oxide is group 2a, 3a of the periodic table.
The method for producing an alumina-based sintered body according to claim 5, wherein the alumina-based sintered body is at least one member selected from the group consisting of group-element oxides.
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