JPH03261648A - 多結晶アルミナ焼結体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、ナトリウムランプ外管等に使用される光透
過率の高い多結晶アルミナの焼結体に関するものである
。

従来の技術 従来の透光性の多結晶アルミナの焼結体は、アルミナ粉
末を成形して、水素還元雰囲気下で１８００℃程度で常
圧焼結していた。

この多結晶アルミナ焼結体の透光性を高めるための要件
、すなわち光の散乱を少なくして光透過率を高めるため
の要件は、次のとおりである。

（１）不純物量を減少させる （２）粒界に存在する気孔を減少させるこのうち（２）
については、結晶粒子径を大きくすることにより、気孔
を（粒界を）減少させていた。

発明が解決しようとする課題 結晶粒子径が大きいことから３点曲げ強さが２８０〜３
００Ｍｐ　ａと低く、応力集中を起こしやすい複雑形状
品には使用できなかった。

発明の目的 この発明は、透光性を高くできしかも高強度の多結晶ア
ルミナの焼結体を提供することを目的とする。

発明の要旨 この発明は特許請求の範囲に記載の多結晶アルミナの焼
結体を要旨としている。

課題を解決するための手段 高い透光性、すなわち直線透過率が３０％以上である多
結晶アルミナの焼結体について、この焼粘体の平均結晶
粒子径が０．５μｍ以上２０μｍ以下である。平均結晶
粒子径をこのように制御することにより曲げ強さを高め
ることができ、つまり応力集中の起しやすい複雑形状品
に使用できる。

特に好ましくは１．５μｍ以上１０μｍ以下である。直
線透過率が３０％より小さいとナトリウム外管や容器な
どの用途に不適切である。

平均粒子径が０．５μｍより小さいと、直線透過率の低
下が若くなるためよくない。また２０μｍより大きいと
、平均曲げ強さが低くなるためよくない。

熱処理は、好ましくは熱間静水圧プレス（以下ＨＩＰと
いう）処理である。ＨＩＰ処理温度は、好ましくは１２
００℃〜１４００℃である。■２００℃より低いと、直
線透過率の低下が著くなるためよくない。１４００℃よ
り高いと、３点曲げ強さが低くなるためよくない。

直線透過率を高めるためには、１３００℃以上の処理温
度で処理するのが好ましい。たとえば１３５０℃や１４
００℃の熱処理温度の焼結体では、４０％以上の直線透
過率が得られる。

本発明の多結晶アルミナの焼結体は、焼結助剤、たとえ
ばＭｇＯが無添加でも直線透過率３０％以上のものが得
られる。

ＨＩＰ処理はＡｒのような不活性ガス雰囲気下で行う。

一例として１２５０℃で予備焼結後、１３００℃でＨＩ
Ｐ処理を行った多結晶アルミナの焼結体は、直線透過率
が４０％、平均３点曲げ強さが７６０ＭＰａ、ビッカー
ス硬度〔Ｈ■〕が１９．４Ｇ　Ｐ　ａ　ｚワイブル係数
が１４と高透光性、高強度の特質が得られている。

実施例 実験例１〜５ Ａ、多結晶アルミナの焼結体の製造 （１）［原料］ 原料は高純度ＡＩ　Ｏである。高純度ＡＡ’２３ ０３は、アンモニュウムドーソナイト（ＮＨ４Ａｌ　（
ＯＨ）　　Ｃｏ３）を出発原料として、これを仮焼、粉
砕して得られた粉末である。高純度Ａｌ２Ｏ３の粉末試
料の特性を後掲の表−１に示す。

また高純度ＡＩ　２０　ａの粒子径分布を第１図に示す
。

（２）［成形コ 本発明の高純度Ａｌ２Ｏ３の粉末試料は、スリップキャ
スティング成形法によって成形を行った。

分散処理は予め所定量の蒸溜水に分散剤を含む有機助剤
を溶解させた後、原料と同材質のアルミナボールおよび
アルミナポットを用いて約１６時間混合を行った。

こうして得られたスラリーは、真空・加圧鋳込装置を用
いて約２０分間の脱泡処理を行った後、合成樹脂製の型
を用いて約６　ｋｇ　ｆ　／ｃｎｆの圧力で板状の成形
体を製作した。成形体の大きさは６０闘Ｘ　８０　ｍｍ
　Ｘ　６　ｍｍである。

（３）［予備焼結］ 得られた成形体は、室温、４０℃及び１００℃で十分乾
燥を行った後、電気炉で大気中において昇温速度４０℃
／時間で昇温した後、１２５０℃で２時間予備焼結を行
った。このように得られた予備焼結体の特性値を表−２
に示す。

（４）　　［ＨＩ　Ｐ処理］ 予備焼結体は次にＨＩＰ処理をする。第２図にＨＩＰ処
理のスケジュールを示す。ＨＩＰはＡｒ雰囲気で約１５
０ＭＰａの圧力下、１０５０〜１４００℃の温度範囲で
処理を行った。処理温度を変化させることにより結晶体
の結晶粒子径を制御した。その関係を第８図に示す。

第３図には予備焼結体試料の位置を示す。

圧力容器１０内には熱電対１１、グラファイトのヒータ
１２、グラファイトルツボ１３があり、このルツボ１３
内には予備焼結体試料１４が配置されている。試料１４
はグラファイトルツボ中に入れ、拭粉として試料と同材
質の仮焼粉体を用いた。

Ｂ、評価 ＨＩＰ処理後の試料（以下ＨＩＰ焼結体という）につい
ては、結晶体結晶粒子径（平均結晶粒子径、組織観察）
、光学的特性（直線透過率）、機械的特性（３点曲げ強
さ、ビッカース硬度、破壊靭性）について測定を行った
。

平均結晶粒子径の測定 結晶粒子径 平均結晶粒子径を求めるためにまず、すでに第１０図で
示した結晶粒子径を求める。

■　結晶粒子径測定面の研摩 ＃４００．＃８００、＃１５００および３．ｃｚｍのダ
イヤモンドペーストを用い、最終的に１μｍのダイヤモ
ンドペーストで仕上げる。この仕上げた面を観察する。

■サーマルエツチング処理 ＨＩＰ処理温度より５０℃低い温度で、約１〜２時間処
理する。これにより結晶粒界面が明らかになる。

■ＳＥＭ観察 測定面画像のアウトプットをする。

■画像解析により結晶粒子径の測定 １）焼結体結晶粒子の面積の測定をする。つまり、第４
図（ａ）のような連続トレース方式あるいは第４図（ｂ
）のような不連続点による面積測定をする。

２）等偏置への変換（面積等偏置）と、等偏置の直径測
定をする。

すなわち第５図に示すように、焼結体結晶粒子Ｐを直径
りの等偏置Ｃに変換するのである。つまり焼結体結晶粒
子Ｐの面積と等偏置の面積は一致する。

■　データの解析 測定データの集計と、平均化を行い、平均結晶粒子径を
得る。

このようにして得られた本発明でいう平均結晶粒子径と
は、測定面における焼結体結晶粒子Ｐの断面積を等偏置
に変換した等偏置Ｃの直径りの平均をいうのである。

直線透過率の測定 この直線透過率は、次のように測定する。第６図は測定
装置の原理図であり、第７図は実際の測定装置を示して
いる。ランプ４０から出た光をレンズ４１で直進光に変
光し、スリット４２を通った光が、測定試料４３を通過
する。そして通過した光をスリット４４に通してフォト
セル４５に受光させる。この光の強度をフォトセル４５
によって測定する。式に表すと、 直線透過率 となる。多結晶セラミックスは、結晶粒界を光が通過す
ると屈折し、セラミックスを通り抜けた時は、散乱状態
にある。この中で、直進光がどのくらいの比率かを示し
たものが、直線透過率である。

したがって、測定試料の厚み、及び表面状態で直線透過
率は変化する。

第７図の実際の測定装置では、レンズ４１とスリット４
２の代わりに光ファイバ５１、プリズム５２が用いられ
、スリット４４の代わりに採光路５３が用いられている
。

本発明における測定方法は次のとおりである。

測定試料４３の厚さを１ｍｍにし、１μｍのダイヤモン
ドペーストで最終研摩した後、熱ホウ砂により化学研摩
する。ハロゲンランプ４０の光を光ファイバ５１で集め
、測定試料４３近くまで光を送る。この光をプリズム５
２で反射させ、フォトセル４５で光強度を測定する。な
お、光を点燈しない時の光強度を０に調整し、光を点燈
し、試料４３をセットしない時の光強度を１００に調整
した後各試料をセットし光強度を測定する。

３点曲げ強さの測定 ３点曲げ強さはＪＩＳ−Ｒ１６０１に規定されている方
法により測定を行う。

比較例１〜４ Ａ、多結晶アルミナの結晶体の製造 （１）〔原料〕 原料は高純度Ａｌ２Ｏ３である。その特性を後掲の表−
１に示す。

（２）〔成形〕 試料は等方性静水圧プレス成形によって成形を行った。

成形に際し予め所定の粒度に調整した造粒体をゴム型に
均一に充填し、１００１００Ｏ／ｃａｒの圧力で実施例
と同形状に成形した。

（３）〔焼結〕 得られた成形体は水素還元雰囲気中において１８００℃
の温度で焼結を行った。焼結時間を変化させることによ
り、焼結体の結晶粒子径を制御した。

Ｂ、評価 各試料についてそれぞれ実験例と同一の方法により、焼
結体結晶粒子径（平均結晶粒子径）、光学的特性（直線
透過率）、機械的特性（３点曲げ強さ）について測定を
行った。

比較例５〜７ Ａ、多結晶アルミナの結晶体の製造 （１）〔原料〕 実験例と同様のものを用いた。

（２）〔成形〕 実験例と同様の方法により、実験例と同形状に形成した
。

（３）〔焼結〕 得られた成形体は室温、４０℃及び１００℃で十分に乾
燥を行った後、電気炉で大気中において昇温速度４０℃
／時間で昇温した後、大気圧下にて１２５０℃〜１３５
０℃の温度範囲で、２時間焼結を行った。焼結温度を変
化させることにより焼結体の結晶粒子径を制御した。そ
の関係を第８図に示す。

Ｂ、評価 各試料についてそれぞれ実験例と同一の方法により、焼
結体結晶粒子径（平均結晶粒子径）、光学的特性（直線
透過率）、機械的特性（３点曲げ強さ）について測定を
行った。

実施結果 （１）焼結体結晶粒子径 第８図に実験例におけるＨＩＰ処理温度と焼結体結晶粒
子径との関係及び比較例５〜７における焼結温度と焼結
体結晶粒子径との関係を示す。

第９図（ａ）〜（ｈ）は、ＨＪＰ焼結体（実験例１〜５
）と常圧焼結体（比較例５〜７）の走査型電子顕微鏡（
ＳＥＭ）写真を示す。

第９図（ａ）は１２００℃におけるＨＩＰ焼結体（実験
例１）のサーマルエツチングされた表面を示す。

第９図（ｂ）は１２５０℃におけるＨＩＰ焼結体（実験
例２）のサーマルエツチングされた表面を示す。

第９図（Ｃ）は１３００℃におけるＨＩＰ焼結体（実験
例３）のサーマルエツチングされた表面を示す。

第９図（ｄ）は１３５０℃におけるＨＩＰ焼結体（実験
例４）のサーマルエツチングされた表面を示す。

第９図（ｅ）は１４００℃におけるＨＩＰ焼結体（実験
例５）のサーマルエツチングされた表面を示す。

第９図（ｆ）は１２５０℃で常圧焼結体（比較例１）の
サーマルエツチングされた表面を示す。

第９図（ｇ）は１３００℃で常圧焼結体（比較例２）の
サーマルエツチングされた表面を示す。

第９図（ｈ）は１３５０℃で常圧焼結体（比較例３）の
サーマルエツチングされた表面を示す。

第９図（ａ）〜（ｅ）に示すようにＨＩＰ焼結体につい
ては、処理温度の上昇と共に結晶粒の成長が促進されて
おり、第９図（ｅ）の１４００℃処理では約１０μｍ以
上の結晶粒に成長している。

又、同じ処理温度の常圧焼結体と比較した場合に、ＨＩ
Ｐ焼結体の方が結晶粒子径が大きく、圧力をかけたこと
の効果が認められる。たとえば第９図（ｂ）のＨＩＰ焼
結体と第９図（ｆ）の常圧焼結体である。

（２）光学的特性 第３表に核実験例及び比較例の直線透過率を示す。

実験例は、いずれも直線透過率が３０％よりも大きい。

比較例１は実験例５と同等の平均結晶粒子径であるが、
直線透過率は１０％以下と低い。

また比較例３．４は直線透過率が４０％と高いが平均結
晶粒子径は実験例よりも大きい。比較例５〜７は透光性
がほとんどない。

■　機械的特性 第１０図にＨＩＰ処理温度と相対密度との関係を示す。

常圧焼結体、すなわち（比較例５〜７）を比較として示
している。

相対密度はＨＩＰ処理温度１２００℃以上においてほぼ
１００％に達している。このため、密度に対するＨＩＰ
処理温度の効果は大きいと考えられる。

第１１図にＨＩＰ処理温度と３点曲げ強さとの関係を示
す。

ＨＩＰ処理した本発明の実験例の３点曲げ強さは１２５
０℃処理が最も高く、約７９０　Ｍ　Ｐ　ａであった。

又、１２５０℃以上の処理温度では、処理温度が高くな
るにつれて強度は低くなる。しかし、実験例の３点曲げ
強さは６５０ＭＰ　ａ以上であり、従来の透光性の多結
晶体アルミナ、つまり比較例３．４に比べ２倍以上の値
を示す。

第１２図にＨＩＰ処理温度と、破壊靭性〔Ｋｌｃ〕及び
ビッカース硬度（Ｈｖ）との関係について示す。ビッカ
ース硬度は第１０図の相対密度と良く対応している。ビ
ッカース硬度は第１０図の相対密度がほぼ１００％近く
なる温度（１２５０℃）で約１９．５ＧＰａの値を示し
、その後処理温度が高くなってもこのビッカース硬度は
ほぼ一定である。破壊靭性については、処理温度が高く
なるにつれて値が減少する傾向が見られる。

機械的特性と焼結体結晶粒子径との関係について考察す
る。第３表に平均結晶粒子径と３点曲げ強さを示す。Ｈ
ＩＰ処理温度の上昇による３点曲げ強さの低下は第１１
図に示されているが、つまり粒成長に伴う粒界のトータ
ル破壊エネルギーの低下に起因するものであると考えら
れる。

さらに、第１１図のように常圧焼結体の３点曲げ強さの
最大値が１３００℃であることに比べ、ＨＩＰ焼結体で
は１２５０℃と低くなっている。

しかし、１３００℃で常圧焼結体と１２５０℃でのＨＩ
Ｐ焼結体の結晶粒子サイズは第９図（ｇ）と（ｂ）に示
すようによく一致しており、焼結体強度は結晶粒子サイ
ズに大きく依存していることが分る。

光学的特性と焼結体結晶粒子径との関係について考察す
る。

本発明の実験例と比較例１〜４とは、結晶粒子径が大き
くなると直線透過率が上がる。本発明の実験例では、比
較例１〜４に比べて結晶粒子径が大幅に小さいにもかか
わらず、高い直線透過率が得られる。このことから本発
明の実験例は、比較例１〜４に比べ結晶粒子径が小さい
にもかかわらず直線透過率を大きくとれることが判り、
しかも結晶粒子径が小さいため強度が高いことから、複
雑な形状のものを作ることができるのである。

本発明の多結晶アルミナの焼結体を作るのにＨＩＰを用
いれば、従来の常圧焼結温度１８００℃に比べて約５０
０℃程度低い温度で透過性の良好な焼結体が得られる。

しかも高強度である。

実際１３５０℃でＨＩＰ処理した本発明の焼結体が最も
直線透過率が良かった。

本発明の多結晶アルミナの焼結体は高圧ナトリウムラン
プ用発光管や容器などに使用できる。

発明の詳細 な説明したようにこの発明によれば、結晶粒子径が小さ
くても透光性が高く、結晶粒子径が小さいので高強度で
複雑な形状の焼結体を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実験例の高純度アルミナ粉末試料の粒
子径分布を示す図である。 第２図はＨＩＰ焼結体作製用のＨＩＰ処理スケジュール
を示す図である。 第３図はＨＩＰ処理装置の例を示す図である。 第４図と第５図は焼結体の結晶粒子径を測定するための
原理を示す図である。 第６図は直線透過率の測定原理を示す図である。 第７図は直線透過率の測定装置の一例を示す図である。 第８図は処理温度と結晶粒子径の関係を示す図である。 第９図（ａ）〜（ｈ）は各温度におけるＨＩＰ焼結体と
常圧焼結体のサーマルエツチングされた表面を示す走査
型顕微鏡写真である。 第１０図は本発明のＨＩＰ処理と常圧焼結の処理温度と
、相対密度との関係を示す図である。 第１１図は本発明のＨＩＰ焼結と常圧焼結の処理温度と
、３点曲げ強度との関係を示す図である。 第１２図は処理温度とビッカース硬度と破壊靭性の関係
を示す図である。 １４・・・・・・・・・・・・試　料 ４０・・・・・・・・・・・・ランプ ４１・・・・・・・・・・・・レンズ ４２．４４・・・スリット ４３・・・・・・・・・・・・測定試料５１・・・・・
・・・・・・・光ファイバ５２・・・・・・・・・・・
・プリズム５３・・・・・・・・・・・・採光路 Ｐ・・・・・・・・・・・・・・・焼結体結晶粒子Ｃ・
・・・・・・・・・・・・・・等細円Ｄ・・・・・・・
・・・・・・・・直　径表−２ 表− 表−３ 粒子径 Ｃμｍ） Ｆｉｇ、２ 目ＩＩ）スケジュール（時間） Ｆｉｇ、４ （ａ） （ｂ） Ｆｉｇ、５ Ｆｉｇ、８ 濡 度 （’Ｃ） 温 度 （’Ｃ） Ｆｉｇ。９（９） Ｆｉｇ。９（ｈ） ｉヨ バｍ 度 （℃） 手続補正書（方式） 平成２年２月　９日

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 直線透過率が３０％以上の多結晶アルミナの焼結体にお
   いて、平均結晶粒子径が０．５μｍ以上２０μｍ以下で
   あることを特徴とする多結晶アルミナの焼結体。