JP4610076B2 - リチウムアルミノシリケート系セラミックス - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、精密機器用部品に適したリチウムアルミノシリケート系セラミックスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
精密機器用部品として、軽量で、熱的な寸法変化が少なく、変形しにくいという理由で、アルミナ系セラミックスや窒化珪素系セラミックスが広く用いられている。
【０００３】
また、最近では、コージェライトの低熱膨張性を利用することも提案されている（特開平１−１９１４２２、特公平６−９７６７５号各公報参照）。コージェライト系セラミックスは、コージェライト粉末あるいはコージェライトを形成するＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２粉末を配合、合成して、これに焼結助剤として希土類元素酸化物やＣａＯ、ＳｉＯ２、ＭｇＯなどを添加し、所定形状に成形後、１０００〜１４００℃の温度で焼成することによって得られる（特公昭５７−３６２９号、特開平２−２２９７６０号各公報参照）。
【０００４】
一般に低熱膨張材料としては、コージェライト系セラミックスの他にリチウムアルミノシリケート（以降、ＬＡＳと表記。）系セラミックスがよく知られている。ＬＡＳ系セラミックスの一種であるβ−スポジュメンについては、天然原料を使用して、所定形状に成形後、１１００〜１４００℃で焼成することによって得られる（特公昭５３−９６０５号、特公昭５６−１６４０７号各公報参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
精密機器用部品として、一般に用いられてきたアルミナ系セラミックス、窒化珪素系セラミックスなどのセラミックスは、アルミナ系セラミックスの比重が３．８、窒化珪素系セラミックスの比重が３．０と金属と比べて軽量であるが、機器の大型化に伴う質量の増加を抑えるため、更に軽量な素材が必要とされるようになってきている。
【０００６】
また、測定温度範囲が０〜２０℃における熱膨張係数は、アルミナ系セラミックスは約５．０×１０−６／℃、窒化珪素系セラミックスは約１．５×１０−６／℃であり、精密機器に用いるには熱の影響を受けやすく、より低熱膨張の材料が必要とされてきている。
【０００７】
精密機器用部品として望まれる材料の特性は、低比重、低熱膨張、高剛性であるが上述したようにアルミナや窒化珪素系セラミックスでは、低比重、低熱膨張の特性を満足できなかった。
【０００８】
一方、低熱膨張材料として知られるコージェライト系セラミックスは、比重が２．６〜２．７と低いものの、ヤング率が７０〜９０ＧＰａと低いため、精密機器用部品として用いる場合、たわみによる変形や部材の固有振動数低下に伴う共振発生による誤差の影響が増加するという問題があった。
【０００９】
なお、最近の報告で希土類元素酸化物を焼結助剤とするコージェライト系セラミックスは、比重２．７、熱膨張係数−０．１〜０．１×１０−６／℃、ヤング率１３０〜１４０ＧＰａを有するものがあり、変形対策や固有振動数の向上に期待されている（特開平１１−２５５５５７号公報参照）が、剛性はさらに大きなものが望ましい。
【００１０】
石英もまた低熱膨張材料として知られる材料であり、熱膨張係数は、測定温度範囲が０〜２０℃で、０．４〜０．５×１０−６／℃、比重２．２であるが、ヤング率７０〜８０ＧＰａと剛性が低い材料である。
【００１１】
ＬＡＳ系セラミックスの１種であるβ−スポジュメンは、比重２．０〜２．４、熱膨張係数は室温〜８００℃で０．３〜２．７×１０−６／℃、室温付近では０〜０．２×１０−６／℃であるが、ヤング率は６０〜８０ＧＰａと剛性の低い材料である。
【００１２】
本発明は軽量で低熱膨張を有するとともに、剛性の高いセラミックスを提
供することを目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明のリチウムアルミノシリケート系セラミックスは、β−ユークリプタイトのリチウムアルミノシリケートと、炭化珪素、窒化珪素、アルミナのいずれか１種からなる剛性強化剤と、酸化ストロンチウム、酸化バリウム及び酸化チタニウムの少なくとも１種からなる焼結助剤とを含み、上記剛性強化剤の含有量が、炭化珪素であれば２８．６〜５７．２質量％、窒化珪素であれば２１．９〜８７．５質量％、アルミナであれば３０．０〜４０．０質量％であり、焼結助剤の含有量が２．５〜９．０質量％であり、残部がリチウムアルミノシリケートからなることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明のリチウムアルミノシリケート系セラミックスは、ＬＡＳと、剛性強化剤として炭化珪素、窒化珪素、アルミナのいずれか１種と、焼結助剤として酸化ストロンチウム、酸化バリウム及び酸化チタニウムの少なくとも１種とを複合化したことにより、高剛性で低熱膨張特性を有したものである。
【００１５】
剛性強化剤としては、剛性が３００ＧＰａ以上と高く、軽量で、安価な材料という点で炭化珪素、窒化珪素、アルミナのいずれか１種を用いる。これらの他に炭化硼素、炭化チタン、炭化タングステン等も挙げられるが、炭化硼素は、ＬＡＳと複合化する場合、焼成温度が高温となり、ＬＡＳの分解を生じさせる可能性を有し、炭化チタン、炭化タングステンは重く、高価な材料であるため不適当である。剛性強化剤を添加すると剛性の増加と同時に熱膨張係数も増加するが、この添加量は、最終焼結体のヤング率が１４０ＧＰａ以上、熱膨張係数が１．５×１０−６／℃以下となるような範囲で調整することが必要である。ヤング率は既存の低熱膨張材料で最も高い値を示すコージェライトの１４０ＧＰａ以上とし、熱膨張係数は窒化珪素の熱膨張係数１．５×１０−６／℃と同等以下をその目標とした。そのためには、剛性強化剤が窒化珪素であれば、その含有量は、２１．９〜８７．５質量％の範囲であることが重要である。
【００１６】
これは、剛性強化剤である窒化珪素の含有量が８７．５質量％を越えるとＬＡＳの分解が発生し緻密化は困難となり、また、２１．９質量％未満であるとヤング率が１４０ＧＰａ未満となるためである。
【００１７】
また、剛性強化剤を成すのが炭化珪素であれば、含有量は２８．６〜５７．２質量％であることが重要である。剛性強化剤である炭化珪素の含有量が２８．６質量％未満ではヤング率は１４０ＧＰａを下回り、また５７．２質量％を超えると熱膨張係数が１．５×１０−６／℃を超えてしまう。また、剛性強化剤を成すのがアルミナであれば、含有量は３０．０〜４０．０質量％であることが重要である。剛性強化剤であるアルミナの含有量が４０．０質量％を超えると熱膨張係数が１．５×１０−６／℃を超え、一方３０．０質量％未満ではヤング率が１４０ＧＰａを下回る。
【００１８】
さらに、本発明のリチウムアルミノシリケート系セラミックスは、焼結助剤として酸化ストロンチウム、酸化バリウム及び酸化チタニウムの少なくとも１種を含み、含有量は２．５〜９．０質量％である。
【００１９】
焼結助剤である酸化ストロンチウム及び酸化バリウムは、イオン半径が１．０Å以上と大きく、ＬＡＳの珪酸網目構造を切断し、液相生成を助長するような物質を添加することで焼結を促進する。また、酸化ストロンチウムまたは酸化バリウムとＬＡＳの化合物は熱処理により針状化し、破壊靱性、強度の向上を促進する働きを有する。また、他の焼結助剤として酸化チタニウムは粒成長を抑制する効果を有し、粒成長に起因するクラックを防止することができる。
【００２０】
さらに、本発明のリチウムアルミノシリケート系セラミックスは、上記剛性強化剤、焼結助材以外の成分として、低熱膨張材料として知られるＬＡＳの中でもβ−ユークリプタイトを使用する。ＬＡＳは、酸化リチウムとアルミナと石英とからなる複合酸化物であり、質量比率でＬｉ２Ｏ：Ａｌ２Ｏ３：ＳｉＯ２＝１２．５：４０．５：４７に処方したβ−ユークリプタイトは、熱膨張係数で−６．０〜−５．０×１０−６／℃を示す。
【００２１】
β−ユークリプタイトを用いる理由としては、負の熱膨張特性が大きいほど複合時に少量でその効果が発現できて、より高剛性材料を得ることができるためである。他にＬｉ２Ｏ：Ａｌ２Ｏ３：ＳｉＯ２＝４．６：１７．６：７７．８、Ｌｉ２Ｏ：Ａｌ２Ｏ３：ＳｉＯ２＝８．５：３１．５：６０、Ｌｉ２Ｏ：Ａｌ２Ｏ３：ＳｉＯ２＝１１：３８：５１の組成のＬＡＳを用いたときには、熱膨張係数が−０．５〜０．１×１０−６／℃で、ヤング率が１４０〜１５０ＧＰａのセラミックスを得ることができる。
【００２２】
本発明のリチウムアルミノシリケート系セラミックスは、比重が２．５〜２．９と小さく、一般的な低熱膨張材セラミックスの中ではヤング率が１４２〜２４２ＧＰａと高く、また、熱膨張係数は測定温度０〜２０℃で０．３〜１．５×１０−６／℃で高剛性低熱膨張特性を有する。
【００２３】
なお、上記ＬＡＳ（β−ユークリプタイトのリチウムアルミノシリケート）、剛性強化剤、焼結助材以外の成分として、ジルコニアを添加することもできる。ジルコニアは、酸化チタニウム同様に粒成長の抑制に効果を有し、また、粒界に分散させることでその体積変化特性により、少量の添加で強度向上に活用することができる。ジルコニアは、１〜２０質量％の添加が好ましい。これは、添加量が１質量％未満では強度向上がほとんどなく、２０質量％を超えると比重が３．２を超えて重くなるからである。
【００２４】
次に本発明のリチウムアルミノシリケート系セラミックスの製造方法を説明する。
【００２５】
比表面積が２〜３ｍ２／ｇ、平均粒径が５〜７μｍのＬＡＳ原料粉末、比表面積が１〜２ｍ２／ｇの酸化ストロンチウムと比表面積が１〜２ｍ２／ｇの酸化バリウムと比表面積が６〜７ｍ２／ｇの酸化チタニウムを所定量配合する。次に、比表面積が２０〜２３ｍ２／ｇの炭化珪素粉末あるいは比表面積が１５〜２０ｍ２／ｇの窒化珪素粉末あるいは比表面積が２〜４ｍ２／ｇのアルミナ粉末を所定量配合する。
【００２６】
配合の後、振動ミル等を使用して、平均粒径が１μｍ未満となるように粉砕混合し、所定形状に成形後、焼成を行う。炭化珪素、窒化珪素を含む仕様では、真空雰囲気下で１２００〜１４００℃で、好ましくは１２５０〜１３７０℃で熱処理を行うことで欠陥のない焼成体を得ることができる。また、アルミナを含む仕様では、大気雰囲気下で１１００〜１４００℃で、好ましくは１２５０〜１３００℃で熱処理を行うことで欠陥のない焼成体を得ることができる。
【００２７】
本発明のリチウムアルミノシリケート系セラミックスは、上述のような特徴を生かし、精密機器用部品として用いることにより、温度変化に対して寸法安定性に優れ、変形・振動の影響を極めて少なくすることが可能となる。
【００２８】
【実施例】
実施例１
比表面積が１．１ｍ２／ｇの酸化ストロンチウムを０．５質量％、比表面積が１．４ｍ２／ｇの酸化バリウムを１．０質量％、比表面積が６．２ｍ２／ｇの酸化チタニウムを１．０質量％、また、比表面積が２２ｍ２／ｇの炭化珪素を２０．０〜９０．０質量％、比表面積が２２ｍ２／ｇの窒化珪素を２０．０〜９０．０質量％、比表面積が２．４ｍ２／ｇのアルミナを２６．７〜７０．０質量％、残部が２．３ｍ ２ ／ｇのβ−ユークリプタイトとなるように各原料粉末を表１に示す組成でそれぞれ配合し、振動ミルにより７２時間混合し、粉砕粒度をそれぞれ平均粒径で０．９〜１．０μｍとした。造粒後、乾式プレス成形により抗折試験片形状に製作して成形体を得た。
【００２９】
炭化珪素と窒化珪素を添加した成形体は、真空雰囲気下で焼成し、焼成体を製作し評価を行った。焼成は１２００〜１４００℃の範囲で条件を設定し、各組成の最適な焼成温度を確認し、その最適な温度条件で得られた焼成体の特性を記した。評価の結果、１２５０〜１３７０℃の範囲で緻密な焼成体が得られることが確認できた。アルミナを添加した成形体は、大気雰囲気下で１２００〜１４００℃の範囲で条件を設定し、各組成の最適な焼成温度を確認し、その最適な温度条件で得られた焼成体の特性を記した。評価の結果、１２５０〜１３００℃の範囲で緻密な焼成体が得られることが確認できた。評価は、焼成体の緻密性とヤング率が１４０ＧＰａ以上、熱膨張係数が１．５×１０−６／℃以下であるか否かで行った。
【００３０】
結果を表１に示す。表１において、炭化珪素の添加量が２８．６〜５７．２質量％（Ｎｏ．２〜５）でヤング率が１４０ＧＰａ以上で、熱膨張係数が１．５×１０−６／℃以下となる焼成体が得られた。添加量が２０．０質量％（Ｎｏ．１）ではヤング率が低く、添加量が６８．６質量％以上では熱膨張係数が大きくなった。
【００３１】
また、窒化珪素の添加量が２１．９〜８７．５質量％（Ｎｏ．１０〜１６）でヤング率が１４０ＧＰａ以上で、熱膨張係数が１．５×１０−６／℃以下となる焼成体が得られた。添加量が２０．０質量％（Ｎｏ．９）ではヤング率が低かった。
【００３２】
さらに、アルミナの添加量が３０．０〜４０．０質量％（Ｎｏ．１９〜２０）でヤング率が１４０ＧＰａ以上で、熱膨張係数が１．５×１０−６／℃以下となる焼成体が得られた。添加量が２６．７質量％（Ｎｏ．１８）ではヤング率が低く、添加量が５３．３質量％を越えると熱膨張係数が大きくなった。
【００３３】
【表１】
【００３４】
実施例２
比表面積が１．１ｍ２／ｇの酸化ストロンチウムを５．０質量％、比表面積が１．４ｍ２／ｇの酸化バリウムを３．０質量％、比表面積が６．２ｍ２／ｇの酸化チタニウムを１．０質量％、また、比表面積が２２ｍ２／ｇの炭化珪素を２０．０〜９０．０質量％、比表面積が２２ｍ２／ｇの窒化珪素を２０．０〜９０．０質量％、比表面積が２．４ｍ２／ｇのアルミナを２６．７〜７０．０質量％、残部が比表面積が２．３ｍ ２ ／ｇのβ−ユークリプタイトとなるように各原料粉末を表２に示す組成でそれぞれ配合し、振動ミルにより７２時間混合し、粉砕粒度をそれぞれ平均粒径で０．９〜１．０μｍとした。造粒後、乾式プレス成形により抗折試験片形状に製作して成形体を得た。
【００３５】
炭化珪素と窒化珪素を添加した成形体は、真空雰囲気下で焼成し、焼成体を製作し評価を行った。焼成は１２００〜１４００℃の範囲で条件を設定し、各組成の最適な焼成温度を確認し、その最適な温度条件で得られた焼成体の特性を記した。評価の結果、１２５０〜１３７０℃の範囲で緻密な焼成体が得られることが確認できた。アルミナを添加した成形体は、大気雰囲気下で１２００〜１４００℃の範囲で条件を設定し、各組成の最適な焼成温度を確認し、その最適な温度条件で得られた焼成体の特性を記した。評価の結果、１２５０〜１３００℃の範囲で緻密な焼成体が得られることが確認できた。評価は、焼成体の緻密性とヤング率が１４０ＧＰａ以上、熱膨張係数が１．５×１０−６／℃以下であるか否かで行った。
【００３６】
結果を表２に示す。表２において、炭化珪素の添加量が２８．６〜５７．２質量％（Ｎｏ．２５〜２８）で、ヤング率が１４０ＧＰａ以上で、熱膨張係数が１．５×１０−６／℃以下となる焼成体が得られた。添加量が２０．０質量％（Ｎｏ．２４）ではヤング率が低く、添加量が６８．６質量％以上では熱膨張係数が大きくなった。
【００３７】
また、窒化珪素の添加量が２１．９〜８７．５質量％（Ｎｏ．３３〜３９）でヤング率が１４０ＧＰａ以上で、熱膨張係数が１．５×１０−６／℃以下となる焼成体が得られた。添加量が２０．０質量％（Ｎｏ．３２）ではヤング率が低かった。
【００３８】
さらに、アルミナの添加量が３０．０〜４０．０質量％（Ｎｏ．４２〜４３）でヤング率が１４０ＧＰａ以上で、熱膨張係数が１．５×１０−６／℃以下となる焼成体が得られた。添加量が２６．７質量％（Ｎｏ．４１）ではヤング率が低く、添加量が５３．３質量％以上では熱膨張係数が大きくなった。
【００３９】
また、酸化ストロンチウムを１５．０質量％、酸化バリウムを１５．０質量％、酸化チタニウムを１．０質量％および３．０質量％、炭化珪素を０．０質量％および５．０質量％、残部がβ−ユークリプタイトとなるように各原料粉末を表２に示す組成でそれぞれ配合し、振動ミルにより７２時間混合し、粉砕粒度をそれぞれ平均粒径で０．９〜１．０μｍとした。造粒後、乾式プレス成形により抗折試験片形状に製作して成形体を得た。この成形体を真空雰囲気下で焼成し、焼成体を製作し評価を行った。焼結助剤の合計添加量が３１．０質量％の原料組成の焼成体の熱膨張係数は１．５×１０−６／℃となり、３１．０質量％を超える組成では熱膨張係数は１．５×１０−６／℃を上回る結果となった。
【００４０】
【表２】
【００４１】
表１、表２に見られるように、リチウムアルミノシリケートと剛性強化剤として炭化珪素、窒化珪素、アルミナのいずれか１種を添加し、焼結助剤として酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化チタニウムを総量で２．５〜９．０質量％含む組成で良好な焼成体を得ることができた。
【００４２】
表１と表２の結果から、剛性強化剤の添加量が多い方がヤング率、熱膨張係数が大きくなる傾向にあることが分かる。４点曲げ強度、破壊靱性の向上は、炭化珪素、窒化珪素、アルミナの高剛性材料との複合化と焼結助剤成分の針状化の効果を合わせた結果と考えられる。焼結助剤成分の針状化は、助剤添加量が多い方がよりアスペクト比の大きい組織が得られる傾向がある。
【００４３】
以上の方法にて得られたセラミックスは、比重が２．５〜２．９と小さく、一般的な低熱膨張材セラミックスの中ではヤング率が１４２〜２４２ＧＰａと高く、また、熱膨張係数は測定温度０〜２０℃で０．３〜１．５×１０−６／℃で高剛性低熱膨張特性を有する。
【００４４】
【発明の効果】
以上、詳述したとおり、本発明のリチウムアルミノシリケート系セラミックスは、β−ユークリプタイトのリチウムアルミノシリケートと、炭化珪素、窒化珪素、アルミナのいずれか１種からなる剛性強化剤と、酸化ストロンチウム、酸化バリウム及び酸化チタニウムの少なくとも１種からなる焼結助剤とを含み、剛性強化剤の含有量が、炭化珪素であれば２８．６〜５７．２質量％、窒化珪素であれば２１．９〜８７．５質量％、アルミナであれば３０．０〜４０．０質量％であり、焼結助剤の含有量が２．５〜９．０質量％であり、残部がリチウムアルミノシリケートからなる組成に調整することによって、比重が２．５〜２．９、ヤング率が１４２〜２４２ＧＰａ、熱膨張係数が０．３〜１．５×１０−６／℃、破壊靱性が２．５〜３．７ＭＰａ√ｍ、４点曲げ強度が１８２〜２３６ＭＰａとなるセラミックスを得ることができる。
【００４５】
本発明のリチウムアルミノシリケート系セラミックスを精密機器用部品として用いることにより、温度変化に対して寸法安定性に優れ、変形・振動の影響を極めて少なくすることができる。
【発明の属する技術分野】
本発明は、精密機器用部品に適したリチウムアルミノシリケート系セラミックスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
精密機器用部品として、軽量で、熱的な寸法変化が少なく、変形しにくいという理由で、アルミナ系セラミックスや窒化珪素系セラミックスが広く用いられている。
【０００３】
また、最近では、コージェライトの低熱膨張性を利用することも提案されている（特開平１−１９１４２２、特公平６−９７６７５号各公報参照）。コージェライト系セラミックスは、コージェライト粉末あるいはコージェライトを形成するＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２粉末を配合、合成して、これに焼結助剤として希土類元素酸化物やＣａＯ、ＳｉＯ２、ＭｇＯなどを添加し、所定形状に成形後、１０００〜１４００℃の温度で焼成することによって得られる（特公昭５７−３６２９号、特開平２−２２９７６０号各公報参照）。
【０００４】
一般に低熱膨張材料としては、コージェライト系セラミックスの他にリチウムアルミノシリケート（以降、ＬＡＳと表記。）系セラミックスがよく知られている。ＬＡＳ系セラミックスの一種であるβ−スポジュメンについては、天然原料を使用して、所定形状に成形後、１１００〜１４００℃で焼成することによって得られる（特公昭５３−９６０５号、特公昭５６−１６４０７号各公報参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
精密機器用部品として、一般に用いられてきたアルミナ系セラミックス、窒化珪素系セラミックスなどのセラミックスは、アルミナ系セラミックスの比重が３．８、窒化珪素系セラミックスの比重が３．０と金属と比べて軽量であるが、機器の大型化に伴う質量の増加を抑えるため、更に軽量な素材が必要とされるようになってきている。
【０００６】
また、測定温度範囲が０〜２０℃における熱膨張係数は、アルミナ系セラミックスは約５．０×１０−６／℃、窒化珪素系セラミックスは約１．５×１０−６／℃であり、精密機器に用いるには熱の影響を受けやすく、より低熱膨張の材料が必要とされてきている。
【０００７】
精密機器用部品として望まれる材料の特性は、低比重、低熱膨張、高剛性であるが上述したようにアルミナや窒化珪素系セラミックスでは、低比重、低熱膨張の特性を満足できなかった。
【０００８】
一方、低熱膨張材料として知られるコージェライト系セラミックスは、比重が２．６〜２．７と低いものの、ヤング率が７０〜９０ＧＰａと低いため、精密機器用部品として用いる場合、たわみによる変形や部材の固有振動数低下に伴う共振発生による誤差の影響が増加するという問題があった。
【０００９】
なお、最近の報告で希土類元素酸化物を焼結助剤とするコージェライト系セラミックスは、比重２．７、熱膨張係数−０．１〜０．１×１０−６／℃、ヤング率１３０〜１４０ＧＰａを有するものがあり、変形対策や固有振動数の向上に期待されている（特開平１１−２５５５５７号公報参照）が、剛性はさらに大きなものが望ましい。
【００１０】
石英もまた低熱膨張材料として知られる材料であり、熱膨張係数は、測定温度範囲が０〜２０℃で、０．４〜０．５×１０−６／℃、比重２．２であるが、ヤング率７０〜８０ＧＰａと剛性が低い材料である。
【００１１】
ＬＡＳ系セラミックスの１種であるβ−スポジュメンは、比重２．０〜２．４、熱膨張係数は室温〜８００℃で０．３〜２．７×１０−６／℃、室温付近では０〜０．２×１０−６／℃であるが、ヤング率は６０〜８０ＧＰａと剛性の低い材料である。
【００１２】
本発明は軽量で低熱膨張を有するとともに、剛性の高いセラミックスを提
供することを目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明のリチウムアルミノシリケート系セラミックスは、β−ユークリプタイトのリチウムアルミノシリケートと、炭化珪素、窒化珪素、アルミナのいずれか１種からなる剛性強化剤と、酸化ストロンチウム、酸化バリウム及び酸化チタニウムの少なくとも１種からなる焼結助剤とを含み、上記剛性強化剤の含有量が、炭化珪素であれば２８．６〜５７．２質量％、窒化珪素であれば２１．９〜８７．５質量％、アルミナであれば３０．０〜４０．０質量％であり、焼結助剤の含有量が２．５〜９．０質量％であり、残部がリチウムアルミノシリケートからなることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明のリチウムアルミノシリケート系セラミックスは、ＬＡＳと、剛性強化剤として炭化珪素、窒化珪素、アルミナのいずれか１種と、焼結助剤として酸化ストロンチウム、酸化バリウム及び酸化チタニウムの少なくとも１種とを複合化したことにより、高剛性で低熱膨張特性を有したものである。
【００１５】
剛性強化剤としては、剛性が３００ＧＰａ以上と高く、軽量で、安価な材料という点で炭化珪素、窒化珪素、アルミナのいずれか１種を用いる。これらの他に炭化硼素、炭化チタン、炭化タングステン等も挙げられるが、炭化硼素は、ＬＡＳと複合化する場合、焼成温度が高温となり、ＬＡＳの分解を生じさせる可能性を有し、炭化チタン、炭化タングステンは重く、高価な材料であるため不適当である。剛性強化剤を添加すると剛性の増加と同時に熱膨張係数も増加するが、この添加量は、最終焼結体のヤング率が１４０ＧＰａ以上、熱膨張係数が１．５×１０−６／℃以下となるような範囲で調整することが必要である。ヤング率は既存の低熱膨張材料で最も高い値を示すコージェライトの１４０ＧＰａ以上とし、熱膨張係数は窒化珪素の熱膨張係数１．５×１０−６／℃と同等以下をその目標とした。そのためには、剛性強化剤が窒化珪素であれば、その含有量は、２１．９〜８７．５質量％の範囲であることが重要である。
【００１６】
これは、剛性強化剤である窒化珪素の含有量が８７．５質量％を越えるとＬＡＳの分解が発生し緻密化は困難となり、また、２１．９質量％未満であるとヤング率が１４０ＧＰａ未満となるためである。
【００１７】
また、剛性強化剤を成すのが炭化珪素であれば、含有量は２８．６〜５７．２質量％であることが重要である。剛性強化剤である炭化珪素の含有量が２８．６質量％未満ではヤング率は１４０ＧＰａを下回り、また５７．２質量％を超えると熱膨張係数が１．５×１０−６／℃を超えてしまう。また、剛性強化剤を成すのがアルミナであれば、含有量は３０．０〜４０．０質量％であることが重要である。剛性強化剤であるアルミナの含有量が４０．０質量％を超えると熱膨張係数が１．５×１０−６／℃を超え、一方３０．０質量％未満ではヤング率が１４０ＧＰａを下回る。
【００１８】
さらに、本発明のリチウムアルミノシリケート系セラミックスは、焼結助剤として酸化ストロンチウム、酸化バリウム及び酸化チタニウムの少なくとも１種を含み、含有量は２．５〜９．０質量％である。
【００１９】
焼結助剤である酸化ストロンチウム及び酸化バリウムは、イオン半径が１．０Å以上と大きく、ＬＡＳの珪酸網目構造を切断し、液相生成を助長するような物質を添加することで焼結を促進する。また、酸化ストロンチウムまたは酸化バリウムとＬＡＳの化合物は熱処理により針状化し、破壊靱性、強度の向上を促進する働きを有する。また、他の焼結助剤として酸化チタニウムは粒成長を抑制する効果を有し、粒成長に起因するクラックを防止することができる。
【００２０】
さらに、本発明のリチウムアルミノシリケート系セラミックスは、上記剛性強化剤、焼結助材以外の成分として、低熱膨張材料として知られるＬＡＳの中でもβ−ユークリプタイトを使用する。ＬＡＳは、酸化リチウムとアルミナと石英とからなる複合酸化物であり、質量比率でＬｉ２Ｏ：Ａｌ２Ｏ３：ＳｉＯ２＝１２．５：４０．５：４７に処方したβ−ユークリプタイトは、熱膨張係数で−６．０〜−５．０×１０−６／℃を示す。
【００２１】
β−ユークリプタイトを用いる理由としては、負の熱膨張特性が大きいほど複合時に少量でその効果が発現できて、より高剛性材料を得ることができるためである。他にＬｉ２Ｏ：Ａｌ２Ｏ３：ＳｉＯ２＝４．６：１７．６：７７．８、Ｌｉ２Ｏ：Ａｌ２Ｏ３：ＳｉＯ２＝８．５：３１．５：６０、Ｌｉ２Ｏ：Ａｌ２Ｏ３：ＳｉＯ２＝１１：３８：５１の組成のＬＡＳを用いたときには、熱膨張係数が−０．５〜０．１×１０−６／℃で、ヤング率が１４０〜１５０ＧＰａのセラミックスを得ることができる。
【００２２】
本発明のリチウムアルミノシリケート系セラミックスは、比重が２．５〜２．９と小さく、一般的な低熱膨張材セラミックスの中ではヤング率が１４２〜２４２ＧＰａと高く、また、熱膨張係数は測定温度０〜２０℃で０．３〜１．５×１０−６／℃で高剛性低熱膨張特性を有する。
【００２３】
なお、上記ＬＡＳ（β−ユークリプタイトのリチウムアルミノシリケート）、剛性強化剤、焼結助材以外の成分として、ジルコニアを添加することもできる。ジルコニアは、酸化チタニウム同様に粒成長の抑制に効果を有し、また、粒界に分散させることでその体積変化特性により、少量の添加で強度向上に活用することができる。ジルコニアは、１〜２０質量％の添加が好ましい。これは、添加量が１質量％未満では強度向上がほとんどなく、２０質量％を超えると比重が３．２を超えて重くなるからである。
【００２４】
次に本発明のリチウムアルミノシリケート系セラミックスの製造方法を説明する。
【００２５】
比表面積が２〜３ｍ２／ｇ、平均粒径が５〜７μｍのＬＡＳ原料粉末、比表面積が１〜２ｍ２／ｇの酸化ストロンチウムと比表面積が１〜２ｍ２／ｇの酸化バリウムと比表面積が６〜７ｍ２／ｇの酸化チタニウムを所定量配合する。次に、比表面積が２０〜２３ｍ２／ｇの炭化珪素粉末あるいは比表面積が１５〜２０ｍ２／ｇの窒化珪素粉末あるいは比表面積が２〜４ｍ２／ｇのアルミナ粉末を所定量配合する。
【００２６】
配合の後、振動ミル等を使用して、平均粒径が１μｍ未満となるように粉砕混合し、所定形状に成形後、焼成を行う。炭化珪素、窒化珪素を含む仕様では、真空雰囲気下で１２００〜１４００℃で、好ましくは１２５０〜１３７０℃で熱処理を行うことで欠陥のない焼成体を得ることができる。また、アルミナを含む仕様では、大気雰囲気下で１１００〜１４００℃で、好ましくは１２５０〜１３００℃で熱処理を行うことで欠陥のない焼成体を得ることができる。
【００２７】
本発明のリチウムアルミノシリケート系セラミックスは、上述のような特徴を生かし、精密機器用部品として用いることにより、温度変化に対して寸法安定性に優れ、変形・振動の影響を極めて少なくすることが可能となる。
【００２８】
【実施例】
実施例１
比表面積が１．１ｍ２／ｇの酸化ストロンチウムを０．５質量％、比表面積が１．４ｍ２／ｇの酸化バリウムを１．０質量％、比表面積が６．２ｍ２／ｇの酸化チタニウムを１．０質量％、また、比表面積が２２ｍ２／ｇの炭化珪素を２０．０〜９０．０質量％、比表面積が２２ｍ２／ｇの窒化珪素を２０．０〜９０．０質量％、比表面積が２．４ｍ２／ｇのアルミナを２６．７〜７０．０質量％、残部が２．３ｍ ２ ／ｇのβ−ユークリプタイトとなるように各原料粉末を表１に示す組成でそれぞれ配合し、振動ミルにより７２時間混合し、粉砕粒度をそれぞれ平均粒径で０．９〜１．０μｍとした。造粒後、乾式プレス成形により抗折試験片形状に製作して成形体を得た。
【００２９】
炭化珪素と窒化珪素を添加した成形体は、真空雰囲気下で焼成し、焼成体を製作し評価を行った。焼成は１２００〜１４００℃の範囲で条件を設定し、各組成の最適な焼成温度を確認し、その最適な温度条件で得られた焼成体の特性を記した。評価の結果、１２５０〜１３７０℃の範囲で緻密な焼成体が得られることが確認できた。アルミナを添加した成形体は、大気雰囲気下で１２００〜１４００℃の範囲で条件を設定し、各組成の最適な焼成温度を確認し、その最適な温度条件で得られた焼成体の特性を記した。評価の結果、１２５０〜１３００℃の範囲で緻密な焼成体が得られることが確認できた。評価は、焼成体の緻密性とヤング率が１４０ＧＰａ以上、熱膨張係数が１．５×１０−６／℃以下であるか否かで行った。
【００３０】
結果を表１に示す。表１において、炭化珪素の添加量が２８．６〜５７．２質量％（Ｎｏ．２〜５）でヤング率が１４０ＧＰａ以上で、熱膨張係数が１．５×１０−６／℃以下となる焼成体が得られた。添加量が２０．０質量％（Ｎｏ．１）ではヤング率が低く、添加量が６８．６質量％以上では熱膨張係数が大きくなった。
【００３１】
また、窒化珪素の添加量が２１．９〜８７．５質量％（Ｎｏ．１０〜１６）でヤング率が１４０ＧＰａ以上で、熱膨張係数が１．５×１０−６／℃以下となる焼成体が得られた。添加量が２０．０質量％（Ｎｏ．９）ではヤング率が低かった。
【００３２】
さらに、アルミナの添加量が３０．０〜４０．０質量％（Ｎｏ．１９〜２０）でヤング率が１４０ＧＰａ以上で、熱膨張係数が１．５×１０−６／℃以下となる焼成体が得られた。添加量が２６．７質量％（Ｎｏ．１８）ではヤング率が低く、添加量が５３．３質量％を越えると熱膨張係数が大きくなった。
【００３３】
【表１】
【００３４】
実施例２
比表面積が１．１ｍ２／ｇの酸化ストロンチウムを５．０質量％、比表面積が１．４ｍ２／ｇの酸化バリウムを３．０質量％、比表面積が６．２ｍ２／ｇの酸化チタニウムを１．０質量％、また、比表面積が２２ｍ２／ｇの炭化珪素を２０．０〜９０．０質量％、比表面積が２２ｍ２／ｇの窒化珪素を２０．０〜９０．０質量％、比表面積が２．４ｍ２／ｇのアルミナを２６．７〜７０．０質量％、残部が比表面積が２．３ｍ ２ ／ｇのβ−ユークリプタイトとなるように各原料粉末を表２に示す組成でそれぞれ配合し、振動ミルにより７２時間混合し、粉砕粒度をそれぞれ平均粒径で０．９〜１．０μｍとした。造粒後、乾式プレス成形により抗折試験片形状に製作して成形体を得た。
【００３５】
炭化珪素と窒化珪素を添加した成形体は、真空雰囲気下で焼成し、焼成体を製作し評価を行った。焼成は１２００〜１４００℃の範囲で条件を設定し、各組成の最適な焼成温度を確認し、その最適な温度条件で得られた焼成体の特性を記した。評価の結果、１２５０〜１３７０℃の範囲で緻密な焼成体が得られることが確認できた。アルミナを添加した成形体は、大気雰囲気下で１２００〜１４００℃の範囲で条件を設定し、各組成の最適な焼成温度を確認し、その最適な温度条件で得られた焼成体の特性を記した。評価の結果、１２５０〜１３００℃の範囲で緻密な焼成体が得られることが確認できた。評価は、焼成体の緻密性とヤング率が１４０ＧＰａ以上、熱膨張係数が１．５×１０−６／℃以下であるか否かで行った。
【００３６】
結果を表２に示す。表２において、炭化珪素の添加量が２８．６〜５７．２質量％（Ｎｏ．２５〜２８）で、ヤング率が１４０ＧＰａ以上で、熱膨張係数が１．５×１０−６／℃以下となる焼成体が得られた。添加量が２０．０質量％（Ｎｏ．２４）ではヤング率が低く、添加量が６８．６質量％以上では熱膨張係数が大きくなった。
【００３７】
また、窒化珪素の添加量が２１．９〜８７．５質量％（Ｎｏ．３３〜３９）でヤング率が１４０ＧＰａ以上で、熱膨張係数が１．５×１０−６／℃以下となる焼成体が得られた。添加量が２０．０質量％（Ｎｏ．３２）ではヤング率が低かった。
【００３８】
さらに、アルミナの添加量が３０．０〜４０．０質量％（Ｎｏ．４２〜４３）でヤング率が１４０ＧＰａ以上で、熱膨張係数が１．５×１０−６／℃以下となる焼成体が得られた。添加量が２６．７質量％（Ｎｏ．４１）ではヤング率が低く、添加量が５３．３質量％以上では熱膨張係数が大きくなった。
【００３９】
また、酸化ストロンチウムを１５．０質量％、酸化バリウムを１５．０質量％、酸化チタニウムを１．０質量％および３．０質量％、炭化珪素を０．０質量％および５．０質量％、残部がβ−ユークリプタイトとなるように各原料粉末を表２に示す組成でそれぞれ配合し、振動ミルにより７２時間混合し、粉砕粒度をそれぞれ平均粒径で０．９〜１．０μｍとした。造粒後、乾式プレス成形により抗折試験片形状に製作して成形体を得た。この成形体を真空雰囲気下で焼成し、焼成体を製作し評価を行った。焼結助剤の合計添加量が３１．０質量％の原料組成の焼成体の熱膨張係数は１．５×１０−６／℃となり、３１．０質量％を超える組成では熱膨張係数は１．５×１０−６／℃を上回る結果となった。
【００４０】
【表２】
【００４１】
表１、表２に見られるように、リチウムアルミノシリケートと剛性強化剤として炭化珪素、窒化珪素、アルミナのいずれか１種を添加し、焼結助剤として酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化チタニウムを総量で２．５〜９．０質量％含む組成で良好な焼成体を得ることができた。
【００４２】
表１と表２の結果から、剛性強化剤の添加量が多い方がヤング率、熱膨張係数が大きくなる傾向にあることが分かる。４点曲げ強度、破壊靱性の向上は、炭化珪素、窒化珪素、アルミナの高剛性材料との複合化と焼結助剤成分の針状化の効果を合わせた結果と考えられる。焼結助剤成分の針状化は、助剤添加量が多い方がよりアスペクト比の大きい組織が得られる傾向がある。
【００４３】
以上の方法にて得られたセラミックスは、比重が２．５〜２．９と小さく、一般的な低熱膨張材セラミックスの中ではヤング率が１４２〜２４２ＧＰａと高く、また、熱膨張係数は測定温度０〜２０℃で０．３〜１．５×１０−６／℃で高剛性低熱膨張特性を有する。
【００４４】
【発明の効果】
以上、詳述したとおり、本発明のリチウムアルミノシリケート系セラミックスは、β−ユークリプタイトのリチウムアルミノシリケートと、炭化珪素、窒化珪素、アルミナのいずれか１種からなる剛性強化剤と、酸化ストロンチウム、酸化バリウム及び酸化チタニウムの少なくとも１種からなる焼結助剤とを含み、剛性強化剤の含有量が、炭化珪素であれば２８．６〜５７．２質量％、窒化珪素であれば２１．９〜８７．５質量％、アルミナであれば３０．０〜４０．０質量％であり、焼結助剤の含有量が２．５〜９．０質量％であり、残部がリチウムアルミノシリケートからなる組成に調整することによって、比重が２．５〜２．９、ヤング率が１４２〜２４２ＧＰａ、熱膨張係数が０．３〜１．５×１０−６／℃、破壊靱性が２．５〜３．７ＭＰａ√ｍ、４点曲げ強度が１８２〜２３６ＭＰａとなるセラミックスを得ることができる。
【００４５】
本発明のリチウムアルミノシリケート系セラミックスを精密機器用部品として用いることにより、温度変化に対して寸法安定性に優れ、変形・振動の影響を極めて少なくすることができる。
Claims (3)
- β−ユークリプタイトのリチウムアルミノシリケートと、剛性強化剤である炭化珪素と、酸化ストロンチウム、酸化バリウム及び酸化チタニウムの少なくとも１種からなる焼結助剤とを含み、上記剛性強化剤が２８．６〜５７．２質量％、上記焼結助剤が２．５〜９．０質量％、残部がリチウムアルミノシリケートからなることを特徴とするリチウムアルミノシリケート系セラミックス。
- β−ユークリプタイトのリチウムアルミノシリケートと、剛性強化剤である窒化珪素と、酸化ストロンチウム、酸化バリウム及び酸化チタニウムの少なくとも１種からなる焼結助剤とを含み、上記剛性強化剤が２１．９〜８７．５質量％、上記焼結助剤が２．５〜９．０質量％、残部がリチウムアルミノシリケートからなることを特徴とするリチウムアルミノシリケート系セラミックス。
- β−ユークリプタイトのリチウムアルミノシリケートと、剛性強化剤であるアルミナと、酸化ストロンチウム、酸化バリウム及び酸化チタニウムの少なくとも１種からなる焼結助剤とを含み、上記剛性強化剤が３０．０〜４０．０質量％、上記焼結助剤が２．５〜９．０質量％、残部がリチウムアルミノシリケートからなることを特徴とするリチウムアルミノシリケート系セラミックス。
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