JPH05178657A - アルミナ基複合焼結体とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 十分に緻密な構造と高い硬度および破壊靱性
値を有するアルミナ基複合焼結体を提供するとともに、
焼結助剤を用いることなくこのアルミナ基複合焼結体を
製造し得る方法を提供する。 【構成】 平均粒径が０.０５μｍ以下のアルミナ粉末
と平均粒径が０.０５μｍ以下の炭化珪素粉末とを、ア
ルミナ粉末が８０〜９７体積％、炭化珪素粉末が３〜２
０体積％となるように１０〜５０ｋＨｚの超音波で振動
している溶媒中で混合する。次に、この混合粉末を、不
活性雰囲気下にて１１５０〜１３５０℃の温度で熱処理
し、さらにこの熱処理された混合粉末を成形して成形体
とする。その後、この成形体を不活性雰囲気下にて常圧
下で１５００〜１９００℃の温度で焼結し、アルミナ基
複合焼結体を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はアルミナ基複合焼結体と
その製造方法に係り、詳しくは緻密な構造と高い硬度お
よび破壊靱性値とを有するアルミナ基複合焼結体と、そ
の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般にアルミナセラミックスは、多くの
セラミックスの中でも特に熱的、化学的に安定であり、
しかも比較的高い硬度および機械的強度を有しているた
め、近年その用途が拡がりつつある。特にアルミナセラ
ミックスは、酸化物セラミックスの中で最も高い硬度を
有するものであり、この高い硬度と、これから得られる
高い耐摩耗性とを利用してブラスト装置、粉体分級機等
のような粉体機器の摩耗部分に拡く用いられている。

【０００３】ところで、ブラスト装置の一種であるサン
ドブラスト装置などでは、その作業効率を更に向上させ
るため、アルミナセラミックスと同程度に高い硬度のコ
ランダムを含む砂が用いられることがある。この場合、
アルミナセラミックス製の器壁は、コランダム砂粒子の
衝突により損傷してエロージョン摩耗を生じる。この器
壁の耐エロージョン摩耗性は、器壁材料とこれに衝突す
る固体粒子との間の硬度差が大きくなる程良くなる。ま
た、硬度差がある狭い範囲内である場合には、破壊靱性
値が大きくなる程良くなることが知られている。

【０００４】しかし、このような装置においては、コラ
ンダム粒子に比べ器壁材料となるアルミナセラミックス
の硬度、破壊靱性値がともに小さいため、その耐摩耗性
（耐エロージョン摩耗性）が不十分であり、改善が望ま
れている。一般にセラミックス材料の硬度、破壊靱性値
を高める方法としては、そのセラミックス材料のマトリ
ックスを形成している材料よりも高い硬度と弾性率とを
有するセラミックス材料粒子をマトリックス中に分散さ
せ、硬度の加成性と分散粒子による亀裂の偏向を利用す
る手法が知られている。そのなかでアルミナセラミック
スの硬度および破壊靱性値を高める方法としては、Ｓｉ
Ｃ、ＴｉＣ、またはＴｉＮなどのようにアルミナよりも
高い硬度および弾性率を有する非酸化物セラミックス粒
子をアルミナセラミックス中に分散させることがしばし
ば採用されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
非酸化物セラミックス粒子は難焼結性のものであるか
ら、このような難焼結性セラミックス粉末を通常の方法
によりアルミナ粉末マトリックス中に混合分散し、得ら
れた混合粉末を常圧焼結しても、組織が緻密で硬度およ
び破壊靱性値の高い焼結体、換言すればマトリックス粉
末の粒子内部に非酸化物セラミックスの微細粒子を均一
に分散させた焼結体を得るのは困難である。

【０００６】そこで、このような問題を解決するため従
来では、ホットプレス法を用いたり、あるいは焼結助剤
を添加するなどの手段が採られている。しかし、このよ
うな解決法においても、ホットプレス法では形状の簡単
なものしか製造できず、よって機械部品のような複雑な
形状の部品を製造することがほとんど不可能であり、ま
た簡単な形状に成形してそれから切削加工などで複雑な
形状の部品に成形しようとしても、材料自体の硬度が高
いため加工コストが著しく高くなるといった不都合があ
る。

【０００７】また、焼結助剤を用いる方法を採用した場
合には、焼結助剤がアルミナと反応することからアルミ
ナ自体の硬度が低下し、その結果高硬度粒子分散による
硬度向上の効果が相殺されてしまうといった不都合を生
じてしまう。さらに、前述したアルミナ粉末と非酸化物
セラミックス粒子との混合粉末を無理に常圧焼結して
も、難焼結性分散粒子の大きな凝集体がアルミナ粉末粒
子の粒界に介在してしまい、アルミナ粉末粒子相互の焼
結が阻害されて得られる製品の機械的強度が低下し、焼
結製品の破壊、またはその強度劣化を招いてしまう。

【０００８】本発明は前記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的とするところは、十分に緻密な構造と高い
硬度および破壊靱性値を有するアルミナ基複合焼結体を
提供するとともに、焼結助剤を用いることなくこのアル
ミナ基複合焼結体を製造し得る方法を提供することにあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者は、前記目的を
達成するため鋭意研究をした結果、超音波振動を用いて
アルミナと炭化珪素の微粉末とを均一に混合し、さらに
熱処理をすることによってアルミナ粒子内に炭化珪素の
微細粒子が分散することを見いだし、本発明を完成し
た。すなわち、本発明のアルミナ基複合焼結体では、８
０〜９７体積％のアルミナ粒子と、３〜２０体積％の炭
化珪素粒子のみからなる常圧焼結体であって、前記アル
ミナ粒子の粒径が１.０〜１０.０μｍ、前記炭化珪素粒
子の粒径が０.３μｍ以下であるとともに、前記アルミ
ナ粒子の内部および粒界に前記炭化硅素粒子が分散せし
められ、かつ全体として気孔率が２％以下であることを
前記課題の解決手段とした。また、本発明のアルミナ基
複合焼結体の製造方法では、平均粒径が０.０５μｍ以
下のアルミナ粉末と平均粒径が０.０５μｍ以下の炭化
珪素粉末とを、アルミナ粉末が８０〜９７体積％、炭化
珪素粉末が３〜２０体積％となるように１０〜５０ｋＨ
ｚの超音波で振動している溶媒中で混合し、次にこの混
合粉末を、不活性雰囲気下にて１１５０〜１３５０℃の
温度で熱処理し、さらにこの熱処理された混合粉末を成
形して成形体とし、その後この成形体を不活性雰囲気下
にて常圧下で１５００〜１９００℃の温度で焼結するこ
とを前記課題の解決手段とした。

【００１０】以下、本発明を詳しく説明する。本発明の
アルミナ基複合焼結体は、粒径が１.０〜１０.０μｍの
アルミナ粒子と、該アルミナ粒子の内部および粒界に分
散せしめられた粒径が０.３μｍ以下の炭化珪素微粒子
からなるものである。このアルミナ基複合焼結体におい
て、アルミナ粒子と炭化珪素微粒子とは、アルミナ粒子
が全体の８０〜９７体積％、炭化珪素微粒子が全体の３
〜２０体積％となるよう予め配合されたものであり、こ
れらが常圧で焼結されることにより、全体の気孔率が２
％以下のアルミナ基複合焼結体に形成されるのである。

【００１１】このようなアルミナ基複合焼結体を作製す
るには、まずアルミナ粒子、炭化珪素粒子としてそれぞ
れ平均粒径が０.０５μｍ以下の微粒子を用意する。こ
れら微粒子は、その径が極めて小さいことから比表面積
が大きく、したがって表面活性に優れたものとなる。こ
こで、炭化珪素粒子として平均粒径が０.０５μｍ以下
の微粒子を用いるのは、平均粒径が０.０５μｍを越え
ると、熱処理により粒成長したアルミナ粒子内部への分
散が困難になるからである。そして、このような炭化珪
素微細粉末としては、ＢＥＴ比表面積が４０ｍ²／ｇ以
上のβ型の結晶体からなり、高い表面活性と優れた硬度
を有するものを使用するのが好ましい。

【００１２】また、アルミナ粉末として平均粒径が０.
０５μｍ以下の微粒子を用いるのは、アルミナ粉末の平
均粒径が炭化珪素粉末より大きい場合、両粉末を均一に
混合することが困難になるからである。そして、このよ
うなアルミナ微細粉末としては、ＢＥＴ比表面積が４０
ｍ²／ｇ以上のγ型の結晶体からなるものを使用するの
が好ましい。

【００１３】次に、これらアルミナ粉末と炭化珪素粉末
とを、アルミナ粉末が８０〜９７体積％、炭化珪素が３
〜２０体積％となるような配合にして、１０〜５０ｋＨ
ｚの超音波で振動させたメタノール等の溶媒に入れて粉
末間の凝集をほぐしながら粒子レベルで湿式混合する。
ここで、アルミナ粉末が８０〜９７体積％、炭化珪素粉
末が３〜２０体積％となるような配合にしたのは、混合
粉末中の炭化珪素粉末の比率が３体積％未満であると、
得られる焼結体の硬度向上が不十分となり、また炭化珪
素粉末が２０体積％を越えると、熱処理により成長した
アルミナ粒子内に炭化珪素粉末が分散しきれなくなって
粒界に多く存在するようになり、全体の焼結性が阻害さ
れるからである。

【００１４】また、混合操作を超音波で振動させた溶媒
中で行ったのは、用いる原料粉末が微粉末であって粉末
粒子同士の付着凝集力が大きく、通常の粉体混合方法で
は粒子レベルでの混合が困難だからである。ここで、超
音波を１０〜５０ｋＨｚにしたのは、１０ｋＨｚ未満お
よび５０ｋＨｚを越えた超音波では粉末粒子同士を分散
させ、凝集体をほぐす効果が十分に得られないからであ
る。

【００１５】次いで、得られた混合粉末を不活性雰囲気
下にて常圧下で１１５０〜１３５０℃の温度で３０分〜
２時間程度加熱処理する。このようにして熱処理を行う
と、アルミナと炭化珪素との粒子成長速度の違いからア
ルミナ粒子が優先的に成長し、その結果、この成長した
アルミナ粒子の内部、あるいはアルミナ粒子の粒界に炭
化珪素微粒子が分散し、アルミナ基複合粒子が形成され
るのである。すなわちこの加熱処理により、アルミナ粒
子は互いに融合成長して粒径が１.０〜１０.０μｍの粒
子に成長するが、炭化珪素粒子の粒径はたかだか０.３
μｍ程度にまでしかならない。このため、粒径が１.０
〜１０.０μｍのアルミナ粒子の内部に粒径が０.３μｍ
以下の炭化珪素粒子が分散包含され、アルミナ基複合粒
子が形成されるのである。

【００１６】また、加熱温度を１１５０〜１３５０℃と
したのは、１１５０℃未満ではアルミナ粉末の融合成長
が不十分となり、その内部に炭化珪素粒子を分散包含す
ることが困難になるからであり、一方１３５０℃を越え
るとアルミナ粉末の融合成長が過度になり、得られるア
ルミナ基複合粒子が過大化して焼結による緻密化が阻害
されるからである。なお、このような熱処理に際しての
不活性雰囲気としては、ヘリウム、アルゴン、窒素など
の不活性ガスによる雰囲気、あるいは真空雰囲気が採用
されるが、不活性ガス雰囲気では熱処理中に粉末の表面
の付着物に起因してガスが発生することがあるので、真
空雰囲気にて行うのがより好ましい。

【００１７】次いで、得られたアルミナ基複合粒子を加
圧成形法などの公知の成形法により所望する寸法・形状
に成形し、その後この複合粒子成形体を不活性雰囲気下
にて常圧下で１５００〜１９００℃の温度で加熱焼結
し、所望する成形焼結体を得る。ここで、焼結温度を１
５００〜１９００℃にしたのは、１５００℃未満では焼
結体の緻密化が不十分になり、その気孔率が２％以下に
ならなくなることから得られる成形焼結体の硬度および
破壊靱性値が不十分となるからである。一方、焼結温度
が１９００℃を越えると、焼結体粒子が粗大化し、得ら
れる成形焼結体に欠陥や亀裂が生じやすくなるととも
に、製造コストも高くなるからである。なお、焼結に際
しての雰囲気としても、ヘリウム、アルゴン、窒素など
の不活性ガスによる雰囲気、あるいは真空雰囲気が採用
される。

【００１８】このようにして得られたアルミナ基複合焼
結体は、粒径が１.０〜１０.０μｍのアルミナ粒子を８
０〜９７体積％、粒径が０.３μｍ以下の炭化珪素粒子
を３〜２０体積％含んでなる常圧焼結体であり、前記炭
化珪素粒子が、アルミナ粒子の内部に包含されあるいは
粒界に分散し、さらに気孔率が全体の２％以下である緻
密構造物となる。ここで、焼結したアルミナの粒子の粒
径を前記範囲になるようにしたのは、該粒径が１.０μ
ｍ未満になると、アルミナ粒子内部への炭化珪素粒子の
分散がほとんどなくなってしまい、一方１０.０μｍを
越えると、得られる焼結体の気孔率が２％より大きくな
り、得られる焼結体の機械的性質が不十分になってしま
うからである。また、焼結した炭化珪素粒子の粒径が
０.３μｍ以下になるようにしたのは、これより大きく
なると、アルミナ粒子中に分散されにくくなるからであ
る。

【００１９】

【作用】本発明における請求項１記載のアルミナ基複合
焼結体によれば、アルミナがマトリックスとなり、その
内部に炭化珪素の微細粒子が分散包含されているので、
十分に緻密な構造物となる。また、請求項２記載のアル
ミナ基複合焼結体の製造方法によれば、炭化珪素微粒子
が大きな凝集体を作らず、アルミナの粒内および粒界に
均一に分散されているため、アルミナ粒子界面での焼結
が円滑に進行する。請求項３記載のアルミナ基複合焼結
体の製造方法によれば、アルミナ粉末としてＢＥＴ比表
面積が４０ｍ²／ｇ以上のγ型焼結晶体を、炭化珪素粉
末としてＢＥＴ比表面積が４０ｍ²／ｇ以上のβ型結晶
体をそれぞれ用いるので、熱処理により粒成長したアル
ミナ粒子内部への炭化珪素粉末の分散が容易になって両
者の混合度が良好になる。

【００２０】

【実施例】本発明を実施例により具体的に説明する。 （実施例１）９５体積％のγ−アルミナ粉末（平均粒
径：０.００４μｍ，ＢＥＴ比表面積：３００ｍ²／ｇ）
と、高周波プラズマＣＶＤ法により合成した５体積％の
β−炭化珪素粉末（平均粒径：０.０２μｍ，ＢＥＴ比
表面積：５０ｍ²／ｇ）とを、１９ｋＨｚの超音波で振
動させたメタノール中で１０時間湿式混合し、その後乾
燥して混合粉末を得た。次に、得られた混合粉末を真空
中にて１２００℃で２時間熱処理し、アルミナ−炭化珪
素分散内蔵複合粉末を調整した。この複合粉末を解砕し
て粒径を０.５〜１.０μｍ程度に調整した後、これを縦
４５ｍｍ、横３５ｍｍ、厚さ５ｍｍの板形状に成形し
た。その後、この成形物を常圧の窒素ガス雰囲気下にて
１６５０℃で１時間加熱焼結してアルミナ基複合焼結体
を得た。

【００２１】（実験例２）９０体積％のγ−アルミナ粉
末（平均粒径：０.００４μｍ，ＢＥＴ比表面積：３０
０ｍ²／ｇ）と、高周波プラズマＣＶＤ法により合成し
た１０体積％の（β−炭化珪素粉末平均粒径：０.０２
μｍ，ＢＥＴ比表面積：５０ｍ²／ｇ）とを用い、後の
操作は実施例１と同一にしてアルミナ基複合焼結体を得
た。 （比較例１）９０体積％のγ−アルミナ粉末（平均粒
径：０.００４μｍ，ＢＥＴ比表面積：３００ｍ²／ｇ）
と、高周波プラズマＣＶＤ法により合成した１０体積％
のβ−炭化珪素粉末（平均粒径：０.０２μｍ，ＢＥＴ
比表面積：５０ｍ²／ｇ）とを、超音波振動を加えない
メタノール中で７２時間湿式混合し、その後乾燥して混
合粉末を調整した。さらに以後の操作は実施例１と同一
にしてアルミナ基複合焼結体を得た。 （比較例２）炭化珪素原料粉末として平均粒径が０.３
μｍのものを用い、他の条件は実施例１と同一にしてア
ルミナ基複合焼結体を得た。 （比較例３）炭化珪素粉末を用いず、アルミナ粉末のみ
を用い、他の条件は実施例１と同一にしてアルミナ焼結
体を得た。

【００２２】実施例１、２および比較例１〜３の各焼結
体について、水置換によるアルキメデス法によりその密
度を測定し、理論密度と前記実測値とから相対密度を算
出した。また、各焼結体の硬度と破壊靱性値とをビッカ
ース硬度計とインデンテーション法によりそれぞれ測定
した。得られた結果を第１表に示す。

【表１】 表１より、本発明に係る焼結体が、比較例の焼結体に比
べて、密度が高く構造が緻密であり、優れた硬度および
破壊靱性値を有することが確認された。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように本発明における請求
項１記載のアルミナ基複合焼結体は、アルミナがマトリ
ックスとなり、その内部に炭化珪素の微細粒子が分散包
含された気孔率が２％以下の緻密な構造物であるので、
アルミナ本来の高い熱的および化学的安定性を有し、さ
らに、アルミナ粒子内に分散包含されている炭化珪素微
細粒子によって優れた硬度および破壊靱性値を有するも
のとなり、したがって優れた耐摩耗性をもつ有用なセラ
ミックス材料となる。また、請求項２記載のアルミナ基
複合焼結体の製造方法は、前記アルミナ基複合焼結体を
効率よく安定して製造することを可能にするものであ
り、工学上極めて有用なものとなる。請求項３記載のア
ルミナ基複合焼結体の製造方法は、熱処理により粒成長
したアルミナ粒子内部への炭化珪素粉末の分散を容易に
するものであるから、得られる焼結体の硬度および破壊
靱性値をより安定させ得るものとなる。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ８０〜９７体積％のアルミナ粒子と、３
   〜２０体積％の炭化珪素粒子のみからなる常圧焼結体で
   あって、前記アルミナ粒子の粒径が１.０〜１０.０μ
   ｍ、前記炭化珪素粒子の粒径が０.３μｍ以下であると
   ともに、前記アルミナ粒子の内部および粒界に前記炭化
   硅素粒子が分散せしめられ、かつ全体として気孔率が２
   ％以下であることを特徴とするアルミナ基複合焼結体。
2. 【請求項２】 平均粒径が０.０５μｍ以下のアルミナ
   粉末と平均粒径が０.０５μｍ以下の炭化珪素粉末と
   を、アルミナ粉末が８０〜９７体積％、炭化珪素粉末が
   ３〜２０体積％となるように１０〜５０ｋＨｚの超音波
   で振動している溶媒中で混合し、次にこの混合粉末を、
   不活性雰囲気下にて１１５０〜１３５０℃の温度で熱処
   理し、さらにこの熱処理された混合粉末を成形して成形
   体とし、その後この成形体を不活性雰囲気下にて常圧下
   で１５００〜１９００℃の温度で焼結することを特徴と
   するアルミナ基複合焼結体の製造方法。
3. 【請求項３】 請求項２記載のアルミナ基複合焼結体の
   製造方法において、前記アルミナ粉末としてＢＥＴ比表
   面積が４０ｍ²／ｇ以上のγ型結晶体を用い、炭化珪素
   粉末としてＢＥＴ比表面積が４０ｍ²／ｇ以上のβ型結
   晶体を用いることを特徴とするアルミナ基複合焼結体の
   製造方法。