JPH0250071B2

JPH0250071B2 -

Info

Publication number: JPH0250071B2
Application number: JP57187149A
Authority: JP
Inventors: Osami Uegakito; Haruo Doi; Kazumasa Takatori
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1982-10-25
Filing date: 1982-10-25
Publication date: 1990-11-01
Also published as: JPS5978972A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、アルミナ粉末に、窒化珪素、さらに
は、これらに窒化アルミニウム粉末を加えて焼結
することによりアルミナ質焼結体を得る方法に関
するものである。従来、アルミナ質焼結体は、アルミナ粉末に酸
化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化珪素等の
金属酸化物、あるいは該金属酸化物を含有した粘
土鉱物を添加し、成形したのち、大気中で1650℃
程度の温度で焼結して作られている。こうして得られたアルミナ質焼結体は、点火プ
ラグ、耐火物等に広く使用されている。しかし、酸化物を混合して焼結したアルミナ質
焼結体は、優れた電気絶縁性を有しているが、必
ずしも満足できるものではなかつた。一方、窒化物をバインダーとしたアルミナ質焼
結体が知られており、これを製造する方法として
は、アルミナ粉末にアルミ等の金属粉末を焼結助
剤として添加、混合したのち、これを所望の形状
に成形し、窒素雰囲気中で加熱して、該金属粉末
を窒化すると同時に該アルミナ粉末を焼結するも
のである。しかし、この方法によると焼結温度が高く、し
かも、焼結時間が長いという欠点を有するととも
に、得られるアルミナ質焼結体の気孔率も大き
く、電気絶縁性も充分ではなかつた。そこで、本発明者らは、アルミナ質焼結体の気
孔率を小さくすること、しかも電気絶縁性の向上
を目的に鋭意研究を重ねた結果、本発明を為すに
至つたのである。本願にかかる第１の発明は、99.9〜90重量部の
アルミナ粉末と0.1〜10重量部の窒化珪素粉末と
を合計100重量部となるように混合したのち、所
望の形状に成形して非酸化性雰囲気において1350
〜1700℃の範囲内の温度で焼結して、アルミナの
一部と窒化珪素とを反応させてサイアロン系物質
を形成すると共にアルミナ同志がサイアロン系物
質を介して結合したアルミナ質焼結体を形成する
ことを特徴とするアルミナ質焼結体の製造方法で
ある。（以下、第１発明という）本第１発明によれば、アルミナ粉末に窒化珪素
粉末を混合するため、アルミナと窒化珪素の反応
が低温で進行する。その結果、より低い温度でア
ルミナ質焼結体を得ることが可能で、しかも該ア
ルミナ質焼結体の気孔率は小さく、すなわち見掛
け密度は大きくなる。また、該アルミナ質焼結体は、見掛け密度が高
く、すなわち緻密な構造を有するものであるとと
もに、アルカリ、アルカリ土類金属を含まないの
で電気絶縁耐力が高いという特長をも有する。該アルミナ質焼結体は、アルミナ粉体の粒界に
サイアロン系物質が生成しており、該物質は熱膨
張係数がアルミナより小さいので、該アルミナ質
焼結体には焼結後の冷却時に熱膨張係数の差に応
じた内部応力が残留するため、該焼結体は優れた
機械強度、靭性を有する。以下、本第１発明を詳細に説明する。本第１発明は、次の工程よりなるものである。まず、原料粉末であるアルミナ粉末に、焼結助
剤としての窒化珪素粉末を加えて、混合する。本第１発明に用いるアルミナ粉末は、その粒径
が2μｍ以下の比較的微粒のものである。また、
不純物は、可能な限り少ないことが望ましい。一
般には、不純物としてナトリウム、カルシウム等
の元素が含まれており、これらの不純物が多いと
本第１発明により得たアルミナ質焼結体の電気絶
縁性が低下することがある。該アルミナ粉末とし
ては、市販の低ソーダアルミナであれば充分使用
でき、純度としては98重量％（wt％）以上のも
のであればよい。該アルミナ粉末に添加する焼結助剤としての上
記窒化珪素粉末は、その粒径が0.1〜2.0μｍの範
囲のものがよい。また、その純度としては98％以
上のものが望ましい。上記、アルミナ粉末と、窒化珪素粉末の混合割
合はアルミナ粉末が99.9〜90重量部、窒化珪素が
0.1〜10重量部の範囲内で、その合計を100重量部
とする。そしてこれらの粉末をよく混合して本第
１発明における混合粉末とする。特に窒化珪素の
上記混合は、乾式あるいは湿式いずれの方式でも
よく、湿式の場合は、水やアルコールを加えて行
なうのがよい。さらには、アルミナ球と共にポツトミル中に供
給し、該粉末をアルミナ球で粉砕しながら混合し
てもよい。このように、上記粉末を十分に混合して、均質
な混合粉末としたのち、成形工程を施し、所定の
形状に成形する。該成形工程では、所定の空洞を有する金型に該
混合粉末を流し込み、加圧成形してもよいし、湿
式混合した混合粉末は、型を使わずに成形しても
よい。湿式混合の場合には、該成形のためにポリビニ
ルアルコール（P.V.A.）を少量加えて粘度調整
をしたのち、金型に流し込むようにしてもよい。
このようにすると、金型中への該混合粉末が充分
に充填され、最終的な製品にもき裂、空洞等の欠
陥が発生せず、該製品の見掛け密度も高くなる。
次に、該成形工程により得た成形体に焼成工程を
施す。該焼成工程は、窒素、アルゴン雰囲気、あ
るいは真空中等の非酸化性雰囲気中で行い、アル
ミナ質焼結体を得る。本焼成時の焼成温度は、
1350〜1700℃の範囲内であり、この温度で２〜４
時間保持したのち、炉中で冷却するのがよい。なお、混合工程において、P.V.A.を加えた場
合には、まず該P.V.A.を揮散するために大気雰
囲気で該成形体を600〜700℃、１〜２時間、大型
成形体であればより長く保持して、仮焼を行うの
がよい。上記焼成温度が1350℃以下では、該アルミナ質
焼結体の見掛け密度が高くならず、1700℃以上で
は、アルミナの粒子が著しく成長するため、該ア
ルミナ質焼結体の強度が低下する。本第１発明により製作したアルミナ質焼結体
は、アルミナ粒子の一部と、窒化珪素粉末とが反
応して、サイアロン系の物質を形成し、これがア
ルミナ粒子同志を結合した構造を有している。す
なわち、サイアロン系物質の中に、アルミナ粒子
が存在する形態となつている。それ故、該アルミナ質焼結体は緻密な構造をも
ち、良好な電気絶縁性を有する。特に焼結助剤の
混合量が0.1〜１重量部の範囲内の混合には、見
掛け密度は特に高くなる。また、該サイアロン系物質は、熱膨張係数が小
さく、焼成後の冷却時にアルミナと該物質の熱膨
張差に応じた圧縮の内部応力が発生するので、該
アルミナ焼結体は優れた強度を有する。本願にかかる第２の発明は、99.9〜90重量部の
アルミナ粉末0.1〜10重量部の窒化珪素粉末およ
び窒化アルミニウム粉末からなる混合焼結助剤と
を、合計100重量部となるように混合したのち、
所望の形状に成形して、非酸化性雰囲気中で1300
〜1700℃の範囲内の温度で焼結することを特徴と
するアルミナ質焼結体の製造方法である（以下第
２発明という。）。本第２発明によれば、アルミナ粉末に、窒化珪
素粉末および窒化アルミニウム粉末からなる混合
焼結助剤を加えるため、アルミナ粉末と該混合焼
結助剤との反応が第１発明よりも低温度で進行し
やすくなるとともに、該反応時に発生するSiO等
のガスが少なくなり、該ガスによる気泡が焼結体
中に残留しないので、緻密な焼結体を得ることが
できる。以下、本第２発明を詳細に説明する。本第２発明に使用できるアルミナ粉末および窒
化珪素粉末は第１発明において説明したものと同
様である。本第２発明は、これらの粉末にさらに窒化アル
ミニウム粉末を加え、よく混合する。本混合工程
では、アルミナ粉末99.9〜90重量部に、助剤とし
ての窒化珪素粉末と窒化アルミニウム粉末を合計
で0.1〜10重量部添加して混合し、均質な混合粉
末を得る。該混合工程を湿式で行なう場合には、
水を添加することは不可能で、アルコールを添加
するのがよい。また、助剤としての窒化珪素粉末と窒化アルミ
ニウム粉末との混合割合はモル比で窒化珪素粉末
１に対して0.11〜９の範囲がよい。この範囲内で
は、得られるアルミナ質焼結体の見掛け密度が大
きくなる。窒化アルミニウム粉末の混合割合が９以上にな
るとサイアロン生成量が少なく、緻密でない焼結
体となるか窒化アルミニウムが不純物として残留
し、強度の低い焼結体となる。一方、該混合焼結助剤の混合量を0.1〜10重量
部の範囲内にすると、得られるアルミナ質焼結体
の見掛け密度は大きくなり、電気絶縁性はもちろ
ん機械的強度も高くなる。該混合焼結助剤の混合割合が10重量部を越える
場合には、得られるアルミナ質焼結体中のアルミ
ナ粒子の粒界に存在するサイアロン系物質が多量
に生成するとともに、該物質がガラス質となつて
残存し機械的強度が向上しない。次に、該混合粉末に第１発明と同様の成形工程
を施し、成形体とする。さらに、該成形体を第１発明と同様、非酸化性
雰囲気中で焼成する。該焼成工程において、アル
ミナ粉末と混合焼結助剤である窒化珪素粉末およ
び窒化アルミニウム粉末との間で化学反応が起
り、サイアロン系物質が生成する。その結果、ア
ルミナ粒子が該サイアロン系物質で結合したアル
ミナ質焼結体を得ることができる。本焼成工程における焼成温度は1300〜1700℃の
範囲であり、この温度で、２〜４時間保持するの
が、見掛け密度の大きな、しかも電気絶縁性の高
い焼結体を得る上で、望ましい。特に、助剤の混合量が0.1〜１重量部の範囲で
は見掛け密度が他の範囲におけるよりも高くな
る。1700℃以上の温度で焼成すると、アルミナの
粒が粗大となり、機械的強度が低下する欠点があ
る。以下、本願にかかる発明における実施例を説明
する。実施例平均粒径1μｍの低ソーダアルミナ粉末、およ
び助剤として、純度が98wt％以上、平均粒径1μ
ｍの窒化珪素粉末および窒化アルミニウム粉末と
を準備し、これらを表に示す８種類の混合割合と
なるように秤量した。それぞれの粉末200ｇずつを、直径15mmのアル
ミナボール50個とエチルアルコール200c.c.とを内
容量１のポツトミル中に供給し、20時間湿式粉
砕、混合し、均質な混合粉末を得た。該混合粉末
を乾燥したのち、金型にて、圧力700Kg／cm²で圧
粉し、寸法が５×10×500mmの成形体とした。さらに、該成形体を１気圧の窒素ガス雰囲気中
で温度1550℃、２時間保持の条件で焼成し、本発
明におけるアルミナ質焼結体を得た。本発明にお
けるアルミナ質焼結体は、いずれもアルミナとサ
イアロン系物質とからなり、アルミナ粒子同志が
サイアロン系物質を介して結合した形態となつて
いた。一方、上記と同一ロツトのアルミナ粉末に
10wt％の酸化珪素粉末を混合し、この場合粉末
に本実施例と同様の成形工程を施し窒素雰囲気で
温度1550℃、２時間保持の焼成工程を行ない、比
較例としてのアルミナ焼成体を得た。次に、本発明におけるアルミナ質焼結体と、比
較例としてのアルミナ焼結体の見掛け密度および
曲げ強度を求め、表に示した。該見掛け密度の測定は、水中および空中におけ
る重量から計算によつて、曲げ強度は、スパン30
mmの２点間で支持し、その中央に負荷する、三点
曲げにより、焼結体の破断応力として求めた。

【表】さらに、別の各種焼結体を使用して、該焼結体
の電気絶縁耐力を求め、表に示した。該電気絶縁耐力試験は、シリコンオイル中に
0.05cm離れて設けた直径12.5mmの金属球間に該焼
結体を配置し、該電極間に交流電圧を印加して、
実施した。これらの試験結果から明らかなように、本発明
により得たアルミナ質焼結体は見掛け密度が大き
く、しかも優れた絶縁耐力と、曲げ強度を保有し
ていることがわかる。

Claims

【特許請求の範囲】１ 99.9〜90重量部のアルミナ粉末と、0.1〜10
重量部の窒化珪素粉末とを合計100重量部となる
ように混合したのち、所望の形状に成形し、非酸
化性雰囲気において1350〜1700℃の範囲内の温度
で焼結して、アルミナの一部と窒化珪素とを反応
させてサイアロン系物質を形成すると共にアルミ
ナ同志がサイアロン系物質を介して結合したアル
ミナ質焼結体を形成することを特徴とするアルミ
ナ質焼結体の製造方法。２ 99.9〜90重量部のアルミナ粉末と、0.1〜10
重量部の窒化珪素粉末および窒化アルミニウム粉
末からなる混合焼結助剤とを合計100重量部とな
るように、混合したのち、所望の形状に成形し
て、非酸化性雰囲気において1300〜1700℃の範囲
内の温度において焼結することを特徴とするアル
ミナ質焼結体の製造方法。３窒化珪素粉末と窒化アルミニウム粉末との混
合比はモル比で１：0.11〜９であることを特徴と
する特許請求の範囲第２項に記載のアルミナ質焼
結体の製造方法。