JP3784129B2

JP3784129B2 - 高強度アルミナ質焼結体

Info

Publication number: JP3784129B2
Application number: JP07602697A
Authority: JP
Inventors: 祥二高坂; 晧一新原
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1997-03-27
Filing date: 1997-03-27
Publication date: 2006-06-07
Anticipated expiration: 2017-03-27
Also published as: JPH10273359A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ウエハ研磨用プレートや半導体製造装置用治具などの精密加工製品、ポンプ、バルブ、粉砕機用部品、伸線機械用部品などの耐食・耐摩耗・耐熱部品、切削工具、ＩＣパッケージ基板、高温で使用される耐熱部材などに使用される高強度アルミナ質焼結体およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、アルミナ質焼結体は、その優れた耐摩耗性、耐食性、適度な強度を有し、廉価であることから、広く産業機械部品に使用される他、高絶縁性とメタライズ配線技術の確立によって、配線基板などの絶縁基板として広く使用されている。
【０００３】
このアルミナ質焼結体は、一般には、アルミナ粉末に、焼結助剤としてＳｉＯ₂、ＣａＯ、ＭｇＯなどの酸化物を添加し成形後、１５００〜１７００℃の温度で焼成することにより作製される。
【０００４】
ところが、かかるアルミナ質焼結体の強度はせいぜい３００〜４００ＭＰａ程度であることから、産業機械部品としてさらに強度が要求される部品や切削工具等に使用することができず、高強度化が進められてきた。
【０００５】
そこで、従来より、アルミナに対して、炭化ケイ素やジルコニアを分散させることにより高強度化が図ることが、特開昭６１−１２２１６４号、特開昭６３−１３９０４４号等にて提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、アルミナに炭化ケイ素等の炭化物を分散させた焼結体は、高温の酸化性雰囲気で炭化物が酸化物に酸化されやすく焼結体の耐酸化性に欠けるという問題があり、また、１０００℃を越える温度での強度が低いものであった。
【０００７】
また、ジルコニアを分散させた系は、室温では高い強度を有するものの、９００℃付近から強度が極端に低下するために、それを越える温度領域では、使用できないという問題があった。
【０００８】
従って、本発明は、室温から高温まで高い強度を有するアルミナ質焼結体とその製造方法を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の高強度アルミナ質焼結体は、平均粒径１０μｍ以下の結晶粒子からなるアルミナマトリックスに、該マトリックスとの反応層を介して平均粒径１μｍ以下の窒化珪素および／またはサイアロンからなる無機質結晶粒子を０．００１〜０．５体積％の割合で分散含有するとともに、相対密度が９６％以上であることを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明のアルミナ質セラミックスは、アルミナからなるマトリックスと、該マトリックス中に分散する無機質結晶からなる分散粒子によって構成される相対密度９６％以上，特に９８％以上の緻密体からなる。アルミナマトリックスは、その平均粒径が１０μｍ以下、特に５μｍ以下、さらには２μｍ以下の微細な結晶粒子によって構成されることが必要である。なお、アルミナ結晶の平均粒径が１０μｍよりも大きいと、焼結体の強度が極端に低下してしまう。
【００１２】
一方、アルミナマトリックス中に分散する無機質結晶粒子は、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）および／またはサイアロンからなる。これらの分散粒子は、アルミナマトリックス中に、０．００１〜０．５体積％、特に０．００５〜０．１体積％、さらには、０．００５〜０．０８体積％の割合で分散させることが必要であり、分散粒子の量が０．００１体積％よりも少ないと、強度向上効果が得られず、０．５体積％を越えると緻密化することが難しく相対密度９６％以上が達成されなくなる。なお、サイアロンは、Ｓｉ_6-ZＡｌ_ZＯ_ZＮ_8-Z（ただし、０＜ｚ≦４）で表されるβ−サイアロン、サイアロンの結晶格子中にＹ、希土類元素が侵入したものであってもよい。また、分散粒子は、平均粒径で１μｍ以下、特に０．５μｍ以下の粒子として分散されることが重要であり、この粒径が１μｍよりも大きいと焼結体の強度が向上しない。なお、この分散粒子はアルミナ結晶粒子内およびその粒界に分散含有される。
【００１３】
マトリックスを構成するアルミナは、それ自体、高温での耐酸化性に優れるものの高温強度が低く、一方、窒化珪素あるいはサイアロンは、高温での強度には優れるが、酸化性雰囲気中では酸化される性質を有する。
【００１４】
本発明によれば、図１のアルミナ結晶粒内の分散粒子の状態を示す図、あるいは図２のアルミナ結晶粒界の分散粒子の状態を示す図から明らかなように、アルミナマトリックスのアルミナ結晶粒子１の粒内、あるいはアルミナ結晶粒子１の粒界に、窒化珪素あるいはサイアロンの結晶粒子２を反応層３を介して前述したように極微量分散させることで、アルミナの優れた耐酸化性を損なうことなく、高温での強度を大幅に向上することができる。
【００１５】
これは、図１においてアルミナ結晶粒子１の粒内に反応層３を介して存在する無機質分散粒子２が、両者の熱膨張差による残留応力場が広げるとともに、図２において粒界に存在する分散粒子２は、反応層３の形成により粒界を強固に結合させ、粒界破壊を抑制する作用をなしているものと推察される。なお、反応層３は、アルミナと微量の窒素、ケイ素を含む非晶質層により形成される。
【００１６】
かかる高強度アルミナ質焼結体を製造する方法としては、マトリックスを形成する成分として、平均粒径が２μｍ以下、好ましくは１μｍ以下のアルミナ粉末を用いる。このアルミナ粉末の平均粒径が２μｍを越えると、緻密化不足を招いて、強度低下を引き起こすためである。
【００１７】
また、分散粒子形成成分としては、平均粒径が１μｍ以下、特に０．５μｍ以下の窒化珪素粉末および／またはサイアロン粉末、または熱分解によって窒化珪素および／またはサイアロンに変化し得る有機ケイ素化合物を添加する。かかる有機ケイ素化合物としては、ポリシラザン、ポリカルボシラザン等が挙げられる。なお、窒化珪素粉末および／またはサイアロン粉末を用いる場合、平均粒径が１μｍを越えると、強度特性の向上が図れず、また、酸窒化ケイ素粉末は、焼結体中において粉末粒子とほぼ同様な粒子径で存在することから、１μｍを越えると、焼結体中での粒径も大きくなり特性効果が達成されない。
【００１８】
これら分散粒子源は、窒化珪素あるいはサイアロンに換算して、０．００１〜０．５体積％、特に０．００５〜０．１体積％、さらには、０．００５〜０．０８体積％の割合になるように混合する。この量が０．００１体積％よりも少ないと強度向上効果が望めず、０．５体積％を越えると、緻密化することが難しくなる。なお、この配合量は、熱分解によって窒化珪素および／またはサイアロンに変化し得る無機化合物を用いた場合には熱分解後の形態に換算した量を示す。
【００１９】
次に、窒化珪素粉末あるいはサイアロン粉末を添加した場合は、その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、射出成形、押出し成形等により任意の形状に成形する。なお、前記有機ケイ素化合物を添加した場合は、混合粉末を一旦熱分解させて窒化珪素あるいはサイアロンを生成させた後、前記の方法により成形するか、または、有機ケイ素化合物を含む混合物を所定形状に成形した後、窒素ガス、または窒素ガスと水素ガスとの混合ガス中で熱分解させて窒化珪素あるいはサイアロンを生成させる。
【００２０】
有機ケイ素化合物を熱分解させる温度としては、アルミナの緻密化が始まる温度以下であることが望ましく、１０００℃以下が望ましい。１０００℃を越えると、アルミナの緻密化が始まり、熱分解ガスが焼結体内部にトラップされてしまい、緻密化を疎外し、密度低下、強度低下を引き起こす場合があるためである。
【００２１】
このようにして得られた成形体を窒素雰囲気中で１２００℃以上、好ましくは１３００℃〜１５５０℃の温度で焼成する。焼成方法としては、ホットプレス、常圧焼成、または熱間静水圧焼成して作製する。この時の焼成温度が１２００℃に達しないと緻密化が不足して密度が低下したり、反応層の形成が不十分となり強度低下を引き起こす。また、ホットプレスを行う場合には、成形と焼成を同時に行うことができる。
【００２２】
【実施例】
実施例１（試料Ｎo.１〜２３、２６、２７）
アルミナ粉末として純度９９．９９％、結晶粒径が０．２μｍの大明化学工業株式会社製のタイミクロンＴＭ−ＤＡＲ（Ａ−１）を用いた。窒化ケイ素粉末として平均粒径が０．４μｍの宇部興産製の窒化ケイ素粉末（Ｂ−１）、サイアロン粉末として、ｚ値が１〜３の平均粒径が０．５μｍ前後になるように粉砕して作製した宇部興産製のＺ＝１の粉末（Ｃ−１）、Ｚ＝２の粉末（Ｃ−２）、Ｚ＝３の粉末（Ｃ−３）を準備した。比較のために、結晶粒径が１．２μｍのＡｌ₂Ｏ₃粉末（Ａ−２）と、平均粒径が１．８μｍの窒化ケイ素粉末（Ｂ−２）を準備した。
【００２３】
そして、上記アルミナ粉末と窒化ケイ素粉末あるいはサイアロン粉末を表１および表２に示す組み合わせおよび配合量で秤量し、アルミナのボールを用いて有機溶媒中で混合し、エバポレーターを用いて乾燥粉末を得た。
【００２４】
焼成は、ホットプレス焼成（Ｈ．Ｐ）と雰囲気焼成（ＰＬＳ）を用いた。ホットプレス焼成の場合は、この粉末をカーボン型に入れ、窒素ガス中、３０ＭＰａ圧力下で表に示す焼成温度で焼成した。雰囲気焼成の場合は、この粉末を３ｔ／ｃｍ²の圧力で静水圧処理をして成形体を作製し、常圧の窒素ガス中、表１、２に示す焼成温度で焼成した。
【００２５】
得られた焼結体から試験片を切り出し、研磨加工した。そして比重をＪＩＳＲ２２０５に基づいて求め、相対密度を求めた。強度値はＪＩＳＲ１６０１に基づく４点曲げ試験より室温および１４００℃の強度を求めた。また、試験片表面を鏡面加工し窒素雰囲気中で熱エッチングし、焼結体中の表面を観察した。また、電子顕微鏡写真によりマトリックスや分散粒子の粒径を観察測定測定した。結果は、表１、２に示した。
【００２６】
実施例２（試料Ｎo.２４，２５）
アルミナ粉末をアルミナメデイアを用いて有機溶媒中で解砕、分散させた後、窒素置換したグローボックス中で東燃株式会社製のポリシラザンＮーＮ５１０（Ｄ−１）の有機ケイ素化合物を窒化珪素換算で各々表２に示す量を添加し、密閉後、再度、混合した。そして、有機ケイ素化合物を添加した混合粉末を乾燥し、窒素＋４％水素混合ガス中で８００℃で熱分解させて窒化珪素を生成させた後、再度軽く解砕し、整粒した。焼成は、上記のようにして調製した整粒粉末をカーボン型に入れ、窒素ガス中、３０ＭＰａの圧力を印加して表２の温度でホットプレス焼成した。
【００２７】
得られた焼結体から、実施例１と同様にして、相対密度、ＪＩＳＲ１６０１に基づく室温および１４００℃における４点曲げ試験より求めた。また、試験片表面を鏡面加工し、窒素雰囲気中で熱エッチングし、焼結体中のアルミナマトリックスの平均粒径および分散粒子の平均粒径を測定した。得られた結果を表２に示す。
【００２８】
【表１】

【００２９】
【表２】

【００３０】
測定の結果、分散粒子形成成分として、平均粒径が１μｍ以下のＢ−１、Ｃ−１〜Ｃ−３を使用した場合、および有機ケイ素化合物を用いた場合、分散粒子はいずれも平均粒径０．５μｍ以下の微細な粒子として、アルミナ結晶粒内および粒界に分散していた。
【００３１】
しかし、平均粒径が１μｍを越える粉末（Ｂ−２）を使用した試料Ｎo.２７では、分散粒子は１．８μｍの大きさとなっており、その結果、反応層は形成されても強度の向上は見られなかった。
【００３２】
また、何ら分散粒子を含まない試料Ｎo.１は、室温強度４５０ＭＰａ、１４００℃強度では１７０ＭＰａと非常に低い。また、無機質結晶粒子の含有量が０．５体積％を越える試料Ｎo.８、９、２１、焼結体のアルミナマトリックスの平均粒径が１０μｍを越える試料Ｎo.１３、無機質結晶粒子の平均粒径が１μｍを越える試料Ｎo.２７では、機械的強度の向上効果が得られなかった。また、原料としてのアルミナ粉末の平均粒径が２μｍを越える試料Ｎo.２６および焼成温度が１２００℃よりも低い試料Ｎo.１０では、いずれも相対密度９６％以上が達成できなかった。
【００３３】
これらに対して、平均粒径１μｍ以下の窒化珪素やサイアロンを０．００１〜０．５体積％の割合で含有せしめた本発明の焼結体は、いずれも室温強度６００ＭＰａ以上、１４００℃強度３００ＭＰａ以上の優れた機械的強度を示した。また、高温耐酸化性においてもアルミナと同等の優れた特性を示した。
【００３４】
【発明の効果】
上述の如く、本発明のアルミナ質焼結体は、室温から高温まで優れた抗折強度を有することから、ウエハ研磨用プレートや半導体製造装置用治具などの精密加工製品、ポンプ、バルブ、粉砕機用部品、伸線機械用部品などの耐食・耐摩耗・耐熱部品、切削工具、ＩＣパッケージ基板、高温で使用する耐熱部材等に使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアルミナ質焼結体のアルミナ結晶粒内の分散粒子の状態を説明するための図である。
【図２】本発明のアルミナ質焼結体のアルミナ結晶粒界の分散粒子の状態を説明するための図である。
【符号の説明】
１アルミナ結晶粒子
２分散粒子
３反応層

Claims

平均粒径１０μｍ以下の結晶粒子からなるアルミナマトリックスに、該マトリックスとの反応層を介して平均粒径１μｍ以下の窒化珪素および／またはサイアロンからなる無機質結晶粒子を０．００１〜０．５体積％の割合で分散含有するとともに、相対密度が９６％以上であることを特徴とする高強度アルミナ質焼結体。
前記無機質結晶粒子は、前記アルミナ結晶粒子内およびその粒界に分散する請求項１記載の高強度アルミナ質焼結体。