JPH04321555A - セラミックス材料及びその製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、特に薄膜磁気ヘッド用
セラミックス基板として好適なセラミックス材料及びそ
の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】オーディオ及びビデオ用テープレコーダ
ー、コンピューター用ディスク等の磁気記録装置の再生
及び記録用として、従来、センダストやフェライト基板
を使用した磁気ヘッドが用いられてきたが、近年、素子
の微細化、精密加工化が実現されたことに伴い、狭トラ
ック化が容易でしかも高周波数領域における高い透磁率
と高い共振周波数等の利点を有する薄膜磁気ヘッドが注
目されている。

【０００３】薄膜磁気ヘッド用基板材料としてはＡｌ２
Ｏ３−ＴｉＣ系セラミックス焼結体が主に用いられてお
り（特開昭　５５−１６３６６５号公報）、その要求特
性としては、（１）平面平滑性に優れ気孔が存在しない
こと、（２）精密加工性及び耐チッピング性に優れてい
ること、（３）耐摩耗性に優れていること、（４）コー
ティングされる絶縁材料（Ａｌ２Ｏ３　膜）との熱膨張
係数が同程度であること、等である。Ａｌ２Ｏ３−Ｔｉ
Ｃ　系セラミックス焼結体では、ＴｉＣ　の添加によっ
て耐摩耗性等のスライダ性能が向上し、また、マトリッ
クスがＡｌ２Ｏ３　であることからコーティングされる
絶縁材料との熱膨張係数もほぼ同等のものが得られてい
る。

【０００４】しかしながら、従来のＡｌ２Ｏ３−ＴｉＣ
　系セラミックス焼結体では、Ａｌ２Ｏ３　とＴｉＣ　
の粒子間結合力が弱くスライシングの際にチッピングが
発生しやすいという欠点があったので、精密加工を要す
る薄膜磁気ヘッド用セラミックス基板の製造においては
歩留まりが低下するという問題があった。また、焼結中
にＡｌ２Ｏ３　の酸素とＴｉＣ　の炭素とが反応して生
成したＣＯやＣＯ２　ガスが内部に気孔となって残留し
緻密化が阻害されるという問題があった。気孔の存在は
、鏡面加工を施した場合、基板として十分な平面平滑性
を備えた表面粗さにすることができない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上の状況
に鑑みてなされたものであり、耐チッピング性、平面平
滑性及び緻密性に優れ、特に薄膜磁気ヘッド用セラミッ
クス基板として好適なセラミックス材料及びその製造方
法を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は以下
を要旨とするセラミックス材料及びその製造方法である
。 （請求項１）焼結体の切断面における面積割合で、１．
０　μｍ以下の平均結晶粒径を有するＡｌ２Ｏ３　粒子
が７０〜９０％、表面層が　ＴｉＣ１−ｘ　Ｏ　ｘ　（
但し、０．５　＜Ｘ　＜１）で表されるオキシカーバイ
ド及び／又はＴｉのサブオキサイドで置換されてなる平
均結晶粒径　１．０μｍ以下のＴｉＣ　粒子が１０〜３
０％の割合で分散していることを特徴とするセラミック
ス材料。 （請求項２）請求項１記載のセラミックス材料からなる
ことを特徴とする薄膜磁気ヘッド用セラミックス基板。 （請求項３）平均粒径　０．１〜０．４　μｍのＡｌ２
Ｏ３　６０〜８０重量％と　ＴｉＣ１−ｘ　Ｏ　ｘ　（
但し、０．５　＜Ｘ　＜１　）で表されるオキシカーバ
イド及び／又はＴｉのサブオキサイドで表面置換された
平均粒径　０．２〜０．８　μｍのＴｉＣ　２０〜４０
重量％との混合粉末を焼成することを特徴とするセラミ
ックス材料の製造方法。 （請求項４）Ａｌ２Ｏ３　原料として、平均粒径　０．
１〜０．４　μｍでアスペクト比０．９〜１．１　の球
状単分散Ａｌ２Ｏ３　粉末を用いることを特徴とする請
求項３記載のセラミックス材料の製造方法。 （請求項５）Ａｌ２Ｏ３　とＴｉＣ　の混合粉末１００
　重量部に対し、０．５　〜３．０　重量部の焼結助剤
及び／又は０．５　〜３．０　重量部の快削性付与剤を
混合し焼成することを特徴とする請求項３記載のセラミ
ックス材料の製造方法。

【０００７】以下、本発明について詳細に説明する。

【０００８】本発明では、Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＣ　系セラ
ミックス焼結体において、マトリックスを形成するＡｌ
２Ｏ３　粒子と、マトリックスに分散する特定のＴｉＣ
　粒子すなわちＴｉＣ１−ｘ　Ｏｘ（但し、０．５　＜
Ｘ　＜１　）で表されるオキシカーバイド及び／又はＴ
ｉのサブオキサイドで置換されたＴｉＣ　粒子の平均結
晶粒径をそれぞれ１．０　μｍ以下にすることによって
、Ａｌ２Ｏ３　とＴｉＣ　の結晶間結合力を増大させ、
耐チッピング性と鏡面加工性を向上させたものである。 つまりスライシングにおけるチッピングの発生は、Ａｌ
２Ｏ３　粒子とＴｉＣ　粒子の結晶粒径の大きさ及びＡ
ｌ２Ｏ３　とＴｉＣ　の結合力に依存しており、結晶粒
径が　１．０μｍを越えるとチッピングの発生が多くな
る。

【０００９】また、焼結体の切断面における両者の占有
率は、Ａｌ２Ｏ３　が７０〜９０％、上式で表されたオ
キシカーバイド及び／又はＴｉのサブオキサイドで置換
されたＴｉＣ　（以下、表面置換ＴｉＣ　という）が１
０〜３０％である。Ａｌ２Ｏ３　の占める割合が９０％
を越えると焼結体の硬度が著しく低下し、一方７０％未
満では焼結性が悪化し気孔が残存するので緻密な焼結体
が得られず鏡面加工性が低下する。

【００１０】本発明において、焼結体の断面積における
Ａｌ２Ｏ３　及び表面置換ＴｉＣ　の占有面積を測定す
るには、鏡面研磨を施した断面を加熱エッチング処理し
、その鏡面の反射電子組成像をＴＶ画像処理システム（
日本アビオニクス　ＳＰＩＣＯＡ−２　）によって適宣
濃淡画像処理を施した後、２直化処理を行い、その２直
化画像に対し形状寸法解析を行うことによってできる。

【００１１】また、表面置換ＴｉＣ　粒子の表面酸化膜
すなわち上式で表されたオキシカーバイド及び／又はＴ
ｉのサブオキサイドの厚みは透過型電子顕微鏡によって
測定することができる。Ｔｉのサブオキサイドとしては
、ＴｉＯ　、Ｔｉ２Ｏ３　、Ｔｉ３Ｏ５　、Ｔｉ４Ｏ７
　等をあげることができる。本発明においては、上式で
表されたオキシカーバイド又はＴｉのサブオキサイドは
、通常、複種類によってＴｉ粒子の表面を被覆している
。

【００１２】以上説明した本発明のセラミックス材料の
用途としては、薄膜磁気ヘッド用セラミックス基板が好
適であるが、電磁気材料用の非磁性セラミックス基板や
切削工具などの構造材としても使用できる。

【００１３】本発明のセラミックス材料は以下の方法に
よって好ましく製造することができる。すなわち、原料
としては、平均粒径　０．１〜０．４　μｍのＡｌ２Ｏ
３　６０〜８０重量％と平均粒径　０．２〜０．８　μ
ｍの表面置換ＴｉＣ　２０〜４０重量％の混合粉末を用
い、それを焼成する。Ａｌ２Ｏ３　の平均粒径が０．４
　μｍ　を越えると焼結体中のＡｌ２Ｏ３　の平均結晶
粒径を１．０　μｍ　以下に制御することが困難となり
、一方０．１　μｍ未満では焼成中に粒成長が著しく進
むので好ましくない。また、Ａｌ２Ｏ３　の割合が６０
〜８０重量％以外では焼結体の切断面におけるＡｌ２Ｏ
３　の占有率を７０〜９０％にすることが困難となる。 表面置換ＴｉＣ　の平均粒径と配合量については、Ａｌ
２Ｏ３　の場合とほぼ同様な理由により上記のように限
定した。

【００１４】本発明において、ＴｉＣ　原料として表面
置換ＴｉＣ　を用いる理由は、Ａｌ２Ｏ３　とＴｉＣの
反応性を高めるためである。表面置換ＴｉＣ　はＴｉＣ
　粒子の表面を加熱酸化処理することによって、上式で
表されるオキシカーバイド及び／又はＴｉのサブオキサ
イドで置換することによって得ることができる。その表
面の膜厚は処理温度ならびに処理時間に依存し、均一か
つ所望の膜厚までに置換するためにはＴｉＣ　粒子を流
動させながら酸化処理をすることが好ましい。例えば、
回転式の環状炉を用いて、大気中、温度２５０　〜３５
０　℃で２　〜６　時間の処理を行うことによって調製
することができる。

【００１５】上式で表されるオキシカーバイド及び／又
はＴｉのサブオキサイドの厚みは　５．０〜２０．０ｎ
ｍが最適であり、これによってＡｌ２Ｏ３　粒子との濡
れ性が良好となり、焼成中に発生するＣＯやＣＯ２　ガ
スの生成が効果的に抑制される。厚みが　５．０ｎｍ未
満ではその抑制効果が十分でなく、一方２０．０ｎｍを
越えるとＴｉＣ粒子表面にアナターゼ又はルチル構造の
ＴｉＯ２が生成して粒子表面の亀裂が進行し、Ａｌ２Ｏ
３　粒子との粒界強度のみならず硬度が低下し、耐摩耗
性の劣化とチッピングの発生が多くなる。

【００１６】上式で表されるオキシカーバイド及び／又
はＴｉのサブオキサイド層の膜厚の測定は、透過型電子
顕微鏡を用いて行うことができ、その同定は電子線回折
によって行うことができる。

【００１７】本発明においては、マトリックスとなるＡ
ｌ２Ｏ３　原料としては、有機金属の加水分解法や均一
沈澱法で合成された平均粒径　０．１〜０．４　μｍで
平均アスペクト比　０．９〜１．１　の球状単分散Ａｌ
２Ｏ３　を用いることが好ましい。これによって、Ａｌ
２Ｏ３　の焼結性が向上し、微細で濡れ性の改善された
表面置換ＴｉＣ　と反応して均質かつ緻密な高強度焼結
体となる。

【００１８】また、Ａｌ２Ｏ３　と表面置換ＴｉＣ　の
混合粉末１００　重量部に対し、０．５　〜３．０　重
量部の焼結助剤及び／又は０．５　〜３．０　重量部の
快削性付与剤を添加することが好ましい。これによって
、焼結性がさらに改善され、耐チッピング性に影響を及
ぼすと考えられるＡｌ２Ｏ３　の粒成長を効果的に抑制
することができる。焼結助剤及び／又は快削性付与剤の
使用量が　０．５重量部未満では顕著な効果は認められ
ず、一方３．０　重量部を越えると逆にＡｌ２Ｏ３　の
粒成長が促進され強度と硬度が低下する。

【００１９】焼結助剤としてはＭｇＯ　、ＣａＯ　、Ｎ
ｉＯ　、Ｃｒ２Ｏ３　等が、また快削性付与剤としては
Ｙ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３　、ＣｅＯ２、Ｌａ２Ｏ３　等を
用いることができるが、ＭｇＯ　とＹ２Ｏ３の組合せが
最適である。

【００２０】上記Ａｌ２Ｏ３　と表面置換ＴｉＣ　との
混合粉末又はこれにさらに焼結助剤及び／又は快削性付
与剤の配合された混合粉末は、それぞれの原料の所定量
をエタノール等の有機溶媒と共にボールミルにて２０〜
４０時間の湿式混合を行い、乾燥後、粉砕することによ
って調製することができる。混合粉末はホットプレス法
又は熱間静水圧法（ＨＩＰ　法）のいずれかによって相
対密度　９９　％以上の高密度焼結体とすることができ
る。

【００２１】ホットプレス法の場合は、上記混合粉末を
黒鉛ダイスに充填し、１００ｋｇ／ｃｍ２　程度に予備
圧縮した後、焼成温度　１５００　〜１７００℃まで６
００　℃／ｍｉｎで昇温し、圧力１００　〜４００ｋｇ
／ｃｍ２　で焼結する。また、ＨＩＰ　法を利用する場
合、上記混合粉末を１０００〜３０００ｋｇ／ｃｍ２の
圧力で冷間静水圧法（ＣＩＰ　法）によって相対密度５
０％以上の成形体を得、次いで予備焼結として、温度１
５００〜１７００℃の真空焼結を行って相対密度９５％
　以上の焼結体を作製する。 そして、それをさらに温度１４００〜１６００℃、圧力
　１５００　〜２０００ａｔｍ　のアルゴン雰囲気下で
　ＨＩＰ焼結し相対密度９９％以上の高密度焼結体とす
る。

【００２２】

【実施例】次に実施例と比較例をあげてさらに具体的に
本発明を説明する。

【００２３】実施例１〜６　　比較例１〜８平均粒径　
０．５μｍの　ＴｉＣを、回転式環状炉を用いて温度２
５０〜３５０　℃で３　〜１２時間の表面酸化処理を行
い、酸化膜厚みが５　〜２０ｎｍであり表面が主として
ＴｉＣ１−ｘ　Ｏ　ｘ（０．５　＜Ｘ　＜１　）、Ｔｉ
Ｏ　、Ｔｉ３Ｏ５　、Ｔｉ４Ｏ７　で置換されてなる種
々の表面置換ＴｉＣ　を調製した。これと平均粒径０．
３　μｍ　のバイヤー法Ａｌ２Ｏ３　の所定量を混合し
、エタノールを溶媒として２０時間の湿式混合を行い混
合粉末を調製した。なお、比較例１〜８については、平
均粒径１．２　μｍの　ＴｉＣを表面酸化処理してなる
表面置換　ＴｉＣと平均粒径１．０　μｍ　のバイヤー
法Ａｌ２Ｏ３　を用いた。これらを、焼成温度１５００
〜１７００℃、圧力２００　〜４００ｋｇ／ｃｍ２　の
範囲内でホットプレス条件を種々変えて焼結し、表１　
に示すＡｌ２Ｏ３−ＴｉＣ　系セラミックス焼結体を作
製した。得られた焼結体のＡｌ２Ｏ３　と表面置換Ｔｉ
Ｃ　の結晶粒径の大きさとその切断面の断面積における
占有率、相対密度、硬度、研磨面の表面粗さ（鏡面加工
性）、及びクリープフィードによる耐チッピング性を測
定した。それらの結果を表１と表２に示す。

【００２４】物性は以下の方法で測定した。 （１）焼結体中のＡｌ２Ｏ３　と表面置換ＴｉＣ　の結
晶粒子の大きさとその占有率：鏡面研磨を施した表面を
加熱エッチング処理し、その反射電子組成像をＴＶ画像
解析システム（日本アビオニクス　ＳＰＩＣＯＡ−２）
で２直化処理し、２直化画像の形状寸法解析によって平
均結晶粒径を算出し、その断面積に対する占有率を求め
た。 （２）相対密度：焼結体を微粉砕し懸ちょう法によって
真比重を求め、アルキメデス法により測定した。 （３）硬度：ＪＩＳ　Ｚ　２２４５　　に準じて測定し
た。 （４）研磨面の表面粗さ（鏡面加工性）：焼結体からφ
７６．２×４ｍｍｔの円板を切り出し、＃４００のカッ
プ砥石を用いて平面研削し、次いで０．２　〜３．０　
μｍのダイヤモンド砥粒によって、砥粒別に一定時間、
３段階の鏡面加工を施し、研磨面の表面粗さを非接触式
の表面粗さ測定器を用いて測定した。 （５）耐チッピング性：焼結体からφ７６．２×４ｍｍ
ｔの円板を切り出し、＃５００のメタルボンドのホィー
ルを用いて、回転数３２００ｒｐｍ　、切削速度４０ｍ
ｍ／ｍｉｎで切断し、その切断面に発生した１０μｍ以
上のチッピング数を４００　倍の金属顕微鏡による観察
でカウントし、チッピングが発生しないものを○、１０
μｍ未満の微細なチッピングの発生が認められるものを
△、また１０μｍ以上のチッピングが認められたものは
×とした。さらにチッピングの発生しないものについて
特に優れているものを◎とした。

【００２５】

【表１】

【００２６】

【表２】

【００２７】表１及び表２から明らかなように、表面置
換ＴｉＣ　粉末を用いそれをＡｌ２Ｏ３　マトリックス
に分散させてなる本発明の実施例は、単なるＴｉＣ　粉
末（未処理ＴｉＣ　粉末）を用いた比較例に比べて、耐
チッピング性、緻密性及び鏡面加工性に優れることがわ
かる。

【００２８】実施例７〜９ Ａｌ２Ｏ３　原料として、均一沈澱法で合成された平均
粒径０．３　μｍ　で平均アスペクト比０．９　である
球状単分散Ａｌ２Ｏ３　を用いたこと以外は実施例１〜
６と同様にして焼結体を作製し試験した。その結果を表
３と表４に示す。

【００２９】

【表３】

【００３０】

【表４】

【００３１】表３と表４から明らかなように、マトリッ
クスに球状単分散Ａｌ２Ｏ３　を使用することによって
、耐チッピング性と鏡面加工性がさらに優れたものにな
ることがわかる。

【００３２】実施例１０〜１１ Ａｌ２Ｏ３　と表面置換ＴｉＣ　の混合粉末１００　重
量部に対し、ＭｇＯ　とＹ２Ｏ３を表５に示す割合で配
合して得られた混合粉末を用いたこと以外は実施例８と
同様にして焼結体を作製し試験した。その結果を表５と
表６に示す。

【００３３】

【表５】

【００３４】

【表６】

【００３５】表５と表６から明らかなように、ＭｇＯ　
とＹ２Ｏ３をさらに配合した混合粉末を使用することに
よって、緻密性と耐チッピング性が一段と優れたものに
なることがわかる。

【００３６】比較例９〜１０ Ａｌ２Ｏ３　８０重量部、表面酸化処理を行っていない
ＴｉＣ２０重量部、及び平均粒径１．０　μｍ　のＴｉ
Ｏ２０．５　重量部又は１．０　重量部の混合粉末を用
いたこと以外は実施例１〜６と同様にして焼結体を作製
し試験した。その結果を表７と表８に示す。

【００３７】

【表７】

【００３８】

【表８】

【００３９】表７と表８から明らかなように、本発明に
係る表面置換ＴｉＣ　を使用しない場合は、相対密度、
表面粗さ及び耐チッピング性に劣ることがわかる。

【発明の効果】本発明のＡｌ２Ｏ３−ＴｉＣ　系セラミ
ックス材料は、焼結体中のＡｌ２Ｏ３　粒子と表面置換
ＴｉＣ　粒子の結晶粒径をそれぞれ１．０　μｍ以下に
することによって耐チッピング性が向上し、さらにはＡ
ｌ２Ｏ３　粒子の濡れ性も改善されて粒子間結合力が増
大することによって、鏡面加工時の脱粒の少ない緻密性
に優れたものとなる。従って、本発明のセラミックス材
料を用いて精密加工を必要とする薄膜磁気ヘッド用セラ
ミック基板の製造においては歩留まりが向上する。また
、焼結中にＣＯやＣＯ２　ガスの発生を効果的に抑制す
ることができるので、一段と緻密化が促進され、鏡面研
磨を施した場合、セラミックス基板としての平面平滑性
が高まる。本発明のセラミックス材料は、薄膜磁気ヘッ
ド用セラミック基板材料として最適であるが、その他、
電磁気材料用の非磁性セラミック基板材料として、さら
には切削工具などの構造材としても使用できる。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　焼結体の切断面における面積割合で、
   １．０　μｍ以下の平均結晶粒径を有するＡｌ２Ｏ３　
   粒子が７０〜９０％、表面層が　ＴｉＣ１−ｘ　Ｏ　ｘ
   　（但し、０．５　＜Ｘ＜１　）で表されるオキシカー
   バイド及び／又はＴｉのサブオキサイドで置換されてな
   る平均結晶粒径　１．０μｍ以下のＴｉＣ　粒子が１０
   〜３０％の割合で分散していることを特徴とするセラミ
   ックス材料。
2. 【請求項２】　　請求項１記載のセラミックス材料から
   なることを特徴とする薄膜磁気ヘッド用セラミックス基
   板。
3. 【請求項３】　　平均粒径　０．１〜０．４　μｍのＡ
   ｌ２Ｏ３６０〜８０重量％と　ＴｉＣ１−ｘ　Ｏｘ　（
   但し、０．５　＜Ｘ　＜１　）で表されるオキシカーバ
   イド及び／又はＴｉのサブオキサイドで表面置換された
   平均粒径　０．２〜０．８　μｍのＴｉＣ　２０〜４０
   重量％との混合粉末を焼成することを特徴とするセラミ
   ックス材料の製造方法。
4. 【請求項４】　　Ａｌ２Ｏ３　原料として、平均粒径　
   ０．１〜０．４　μｍでアスペクト比０．９　〜１．１
   　の球状単分散Ａｌ２Ｏ３　粉末を用いることを特徴と
   する請求項３記載のセラミックス材料の製造方法。
5. 【請求項５】　　Ａｌ２Ｏ３　とＴｉＣ　の混合粉末１
   ００　重量部に対し、０．５　〜３．０　重量部の焼結
   助剤及び／又は０．５　〜３．０　重量部の快削性付与
   剤を混合し焼成することを特徴とする請求項３記載のセ
   ラミックス材料の製造方法。