JPH0585812A - アルミナ基複合焼結体、およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 炭化珪素微細粒子がアルミナ粒子内に分散包
含されており、十分に緻密な構造と、すぐれた硬度およ
び強度を有するアルミナ基複合焼結体、およびそれを効
率よく、安定して製造する方法を提供する。 【構成】 ０．０５μｍ以下の平均粒径を有する９０〜
９７体積％のアルミナ粉末と０．５μｍ以下の平均粒径
を有する３〜１０体積％の炭化珪素粉末とを混合し、こ
れに１１５０〜１３５０℃の熱処理を施して炭化珪素微
細粒子が融合成長したアルミナ粒子中に分散している複
合粒子を調製し、この複合粒子の成形体に１５００〜１
８５０℃の焼結処理を施すことによって、１．０〜１
０．０μｍの粒径を有するアルミナ粒子内に０．３μｍ
以下の粒径を有する炭化珪素粒子が分散している複合粒
子の緻密（気孔率２％以下）な焼結体が得られる。

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お
よびその製造方法に関するものであり、更に詳しく述べ
るならば緻密な構造と、高い硬度および機械的強度とを
有するアルミナ基複合焼結体、およびその製造方法に関
するものである。

【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、および化学的に安定
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、近年その用途を拡張しつゝある。特に酸化
物セラミックスの中でもアルミナセラミックスは最も高
い硬度を有するものであり、この高い硬度と、それに由
来する高い耐摩耗性を利用して、アルミナセラミックス
は、サンドブラスト装置、ショットブラスト装置、粉体
分級機、および粉塵用送風機などの粉体機器用途に使用
されている。

【０００３】ところが、サンドブラスト装置などでは、
その加工効率を更に向上させるため、アルミナセラミッ
クスと同程度の高硬度を有するコランダムを含む砂を用
いることがある。この場合、アルミナセラミックス製器
壁はコランダム砂粒子と衝突により損傷し、所謂エロー
ジョン摩耗を生ずるが、その耐エロージョン摩耗性は、
固体粒子と、それが衝突する器壁材料との間の硬度差が
小さくなる程低下する。従って従来のアルミナセラミッ
クスを器壁材料とする装置においては、その耐摩耗性が
不十分であって、その硬度の改善が望まれていた。

【０００４】一般にセラミックス材料の硬度を高めるた
めには、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る方法がある。アルミ
ナセラミックス材料の硬度を高めるためには、ＳｉＣ，
ＴｉＣ、又はＴｉＮなどのようにアルミナよりも高い硬
度を有する非酸化物セラミックス粒子を、アルミナマト
リ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】また、アルミナセラミックスの機械的強度
は、最近普及しつゝある代表的酸化物セラミックス、す
なわちジルコニアセラミックスにくらべて、未だ低いも
のであって、その改善が望まれている。このため、硬度
改善法と同様に、アルミナマトリックス中に、高強度セ
ラミックス材料粒子を分散させて、その強度改善を得よ
うとする試みがある。

【０００６】しかしながら、前述のような非酸化物セラ
ミックス粒子は難焼結性であり、このためアルミナ粉末
マトリックス中に、このような難焼結性セラミックス粉
末を混合分散し、この混合粉末を通常の方法により常圧
焼結しても、組織が緻密で硬度の高い焼結体、或はマト
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
粒子を分散させた焼結体を得ることが困難である。この
ような問題を解決するためには、従来、ホットプレス法
を用いたり、或は焼結助剤を添加することなどが行われ
ている。

【０００７】しかし、ホットプレス法を用いると、形状
の簡単なものしか製造できず、従って機械部品のような
複雑な形状の物品を製造することができず、また簡単な
形状の物品から切削加工などにより、複雑な形状を有す
る物品を製造する場合、その硬度が高いため、加工コス
トが著しく高いという問題を生ずる。

【０００８】また、焼結助剤を用いる場合、これはアル
ミナと反応するものであるから、アルミナ自体の硬度が
低下し、その結果高硬度粒子の分散による硬度向上効果
と相殺してしまうという不都合を生ずる。更に、前述の
ような従来の混合粉末を無理に常圧焼結すると、難焼結
性分散粒子が、アルミナ粉末粒子の粒界に介在して、ア
ルミナ粉末粒子相互の焼結を阻害し、得られる製品の機
械的強度を低下させ、焼結製品の破壊、又は強度劣化の
原因となる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、高硬度を有
する炭化珪素微細粒子が、アルミナ粒子の内部に分散し
ていて、アルミナ粒子の焼結に悪影響を与えることがな
く、十分に緻密な構造と高い硬度および機械的強度を有
するアルミナ基複合焼結体、およびそれを焼結助剤を用
いることなく製造する方法を提供しようとするものであ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者は、アルミナ粒
子内に、炭化珪素の微細粒子を分散させ、このような複
合粒子を焼結することに成功し、それによって本発明を
完成させたのである。

【００１１】本発明のアルミナ基複合焼結体は、９０〜
９７体積％のアルミナ粒子と、３〜１０体積％の炭化珪
素粒子とを含む常圧焼結体であって、前記アルミナ粒子
が、１．０〜１０．０μｍの粒径を有し、その内部に、
０．３μｍ以下の粒径を有する前記炭化珪素粒子が分散
しており、全体として２％以下の気孔率を有することを
特徴とするものである。

【００１２】本発明のアルミナ基複合焼結体の製造方法
は、０．０５μｍ以下の平均粒径を有する９０〜９７体
積％のアルミナ粉末と、０．０５μｍ以下の平均粒径を
有する３〜１０体積％の炭化珪素粉末とを混合し、この
混合粉末を、不活性雰囲気中において、１１５０〜１３
５０℃の温度で熱処理し、この熱処理された混合粉末を
成形し、この成形体を不活性雰囲気中において、常圧
下、１５００〜１８５０℃の温度で焼結することを特徴
とするものである。

【００１３】上記本発明方法において、前記アルミナ粉
末が４０ｍ² ／ｇ以上のＢＥＴ比表面積を有するγ型結
晶体からなるものであり、前記炭化珪素粉末が４０ｍ²
／ｇ以上のＢＥＴ比表面積を有するβ型結晶体からなる
ものであることが好ましい。

【００１４】

【作用】本発明のアルミナ基複合焼結体は、１．０〜１
０．０μｍの粒径を有するアルミナ粒子内に０．３μｍ
以下の粒径を有する炭化珪素微細粒子が分散しているア
ルミナ基複合粒子の焼結体である。

【００１５】上記のようなアルミナ基複合粒子は、本発
明方法において０．０５μｍ以下の微細平均粒径を有
し、従って比表面積が大きく、表面活性のすぐれたアル
ミナ粉末と、０．０５μｍ以下の平均粒径を有する炭化
珪素粉末とを混合し、この混合粉末を不活性雰囲気内に
おいて１１５０℃〜１３５０℃の温度で熱処理すること
によって得られる。この熱処理において、アルミナと炭
化珪素との粒子成長速度の相違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内に
炭化珪素微粒子が分散しているアルミナ基複合粒子が形
成されるのである。このアルミナ基複合粒子は、成形後
１５００〜１８５０℃の温度において、不活性雰囲気内
で加熱すれば焼結し、成形焼結体を形成する。

【００１６】本発明方法において、炭化珪素粉末とし
て、０．０５μｍ以下の平均粒径を有するものが用いら
れる、この平均粒径が０．０５μｍより大きい場合、熱
処理により粒成長したアルミナ粒子の内部に分散するこ
とが困難になる。このような炭化珪素微細粉末として
は、４０ｍ² ／ｇ以上のＢＥＴ比表面積を有するβ型結
晶体からなり、高い表面活性と、すぐれた硬度を有する
ものが好ましい。

【００１７】本発明方法においてアルミナ粉末として、
炭化珪素粉末と同様に、０．０５μｍ以下の平均粒径を
有するものが用いられる。アルミナ粉末が炭化珪素粉末
よりも大きな平均粒径を有する場合、両粉末を均一に混
合することが困難になる。このようなアルミナ微細粉末
としては、４０ｍ² ／ｇ以上のＢＥＴ比表面積を有する
γ型結晶体を用いることが好ましい。

【００１８】本発明方法において、９０〜９７体積％の
アルミナ粉末と、１０〜３体積％との炭化珪素粉末とが
均一に混合される炭化珪素粉末の含有量が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、それが１０体積％をこえて多くなると、熱処理に
より生長したアルミナ粒子内に均一に分散させることが
困難になる。上記混合操作は、ボールミルなどを用いる
通常の粉体混合方法によって行うことができる。

【００１９】本発明方法において、上記混合粉末を、不
活性雰囲気中、常圧下において、１１５０℃〜１３５０
℃の温度で、所要時間、通常は３０分〜２時間加熱処理
する。この加熱処理により、アルミナ粉末は互に融合成
長して、１．０〜１０．０μｍの粒径を有する粒子に成
長するが、炭化珪素粉末粒子の粒径は、たかだか０．３
μｍ程度までしか大きくならない。このため、１．０〜
１０．０μｍの粒径を有するアルミナ粒子の内部に０．
３μｍ以下の粒径を有する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加熱温度が１１５
０℃未満のときは、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。また加熱温度が１３５０℃よりも高くなる
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。

【００２０】この熱処理に用いられる不活性雰囲気には
格別の限度はないが通常は、ヘリウム、アルゴン、窒
素、などの不活性ガスを用いて形成され、又は、真空雰
囲気が用いられる。一般には熱処理中に、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、熱処
理は真空中において行われることが好ましい。

【００２１】本発明方法において、熱処理により形成さ
れたアルミナ基複合粒子を、所望の形状および寸法に成
形する。この成形には従来既知の方法、例えば加圧成形
法などの方法を用いることができる。

【００２２】上記のようにして形成された複合粒子成形
体は、不活性雰囲気中において、１５００〜１８５０℃
の温度で焼結される。焼結温度が１５００℃未満のとき
は得られる焼結体の緻密化が不十分になり、その気孔率
を２％以下にすることができず、従って得られる成形焼
結体の硬度および機械的強度が不十分になる。しかし焼
結温度が１８５０℃をこえて高くなると、焼結体粒子が
粗大化し、得られる成形焼結体の機械的強度が低下す
る。焼結雰囲気としては、例えばヘリウム、アルゴン、
又は窒素ガスなどによる不活性ガス雰囲気、又は真空雰
囲気を用いることが好ましい。

【００２３】上記本発明方法によって製造されたアルミ
ナ基複合焼結体は、１．０〜１０．０μｍの粒径を有す
る９０〜９７体積％のアルミナ粒子と、０．３μｍ以下
の粒径を有する３〜１０体積％の炭化珪素粒子とを含ん
でなる、常圧焼結体であって、前記アルミナ粒子の内部
に、前記炭化珪素粒子が分散包含されており、全体とし
て２％以下の気孔率を有する緻密構造体である。

【００２４】上述のように炭化珪素粒子はアルミナ粒子
内に分散包含されているため、アルミナ粒子の界面にお
ける焼結を阻害することがなく、焼結体の硬度、および
機械的強度、特に耐エロージョン摩耗性を十分に向上さ
せることができる。本発明の焼結体において、焼結して
いるアルミナ粒子の粒径が１．０μｍ未満になると、ア
ルミナ粒子内に炭化珪素粒子を分散包含することが困難
になり、またそれが１０．０μｍをこえて大きくなる
と、得られる焼結体の気孔率が２％よりも大きくなり、
その機械的強度が不十分になる。また、焼結体中の炭化
珪素粒子の粒径が０．３μｍよりも大きくなると、アル
ミナ粒子中に分散されることが困難になる。

【００２５】本発明のアルミナ基複合焼結体は、前述の
ようにアルミナをマトリックスとし、その内部に炭化珪
素の微細粒子を分散包含している複合粒子を焼結して得
られたものであって、十分に緻密な構造と、すぐれた硬
度および機械的強度、特に耐エロージョン摩耗性を有す
るものである。

【００２６】

【実施例】本発明を、下記の実施例によって更に説明す
る。実施例１および比較例１および２ 実施例１において、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、５体積％のβ−炭化珪素粉末（高周波プラズマ
ＣＶＤ法により合成、平均粒径：０．０２μｍ、ＢＥＴ
比表面積：５０ｍ² ／ｇ）とを混合し、これをボールミ
ルを用いて７２時間混合し、乾燥して混合粉末を調製し
た。

【００２７】この混合粉末を、アルゴンガス雰囲気中、
常圧下、１２００℃の温度で２時間熱処理し、アルミナ
−炭化珪素分散内蔵複合粒子粉末を調製した。

【００２８】この複合粉末を解砕し、これを寸法（４５
×３５×５mm）の板形状に成形した。この成形物を窒素
ガス雰囲気中において常圧下、１６００℃の温度におい
て１時間加熱焼結した。

【００２９】この焼結体から薄片を切り出し、これを電
子顕微鏡により観察した。得られた電子顕微鏡写真を図
１および図２に示す。図１から明らかなように、粒径約
５μｍのアルミナ粒子中に分散している黒色の斑点が認
められる。図２は、図１の拡大写真であって、アルミナ
粒子内の黒色の斑点が粒径０．３μｍ以下の微細粒子で
あることが確認された。また、この微細粒子が炭化珪素
よりなるものであることがＥＤＸ（Energy Dispersive
X-raySpectroscopy）によって確認された。

【００３０】比較例１において、実施例１と同じ操作を
行った。但し、炭化珪素原料粉末として平均粒径が０．
３μｍのものを用いた。また、比較例２において炭化珪
素粉末を用いなかった。

【００３１】実施例１および比較例１〜２の各焼結体に
ついて、水置換によるアルキメデス法によって、その密
度を測定し、理論密度と、上記実測値とから相対密度を
算出した。また、各焼結体のビッカース硬度計による硬
度、およびＪＩＳＲ１６０１による３点曲げ強度を測定
した。これら測定の結果を表１に示す。

【００３２】

【表１】

【００３３】表１は、本発明に係る焼結体が、比較例の
焼結体にくらべて、密度が高く構造が緻密であり、すぐ
れた硬度および機械的強度を有することを明示してい
る。

【００３４】

【発明の効果】本発明のアルミナ基複合焼結体は、気孔
率が２％以下の緻密な構造を有し、アルミナ本来の高い
熱的および化学的安定性を有し、更に、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、すぐ
れた硬度および強度を有するものであって、すぐれた耐
摩耗性を有するセラミックス材料として有用なものであ
る。また、本発明方法は、上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とするものであっ
て、工学上極めて有用なものである。

【図画の簡単な説明】

【図１】本発明に係るアルミナ基複合焼結体の断面の電
子顕微鏡写真である。

【図２】図１の電子顕微鏡写真内のアルミナ基複合粒子
の拡大写真である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ９０〜９７体積％のアルミナ粒子と、３
   〜１０体積％の炭化珪素粒子とを含む常圧焼結体であっ
   て、前記アルミナ粒子が、１．０〜１０．０μｍの粒径
   を有し、その内部に、０．３μｍ以下の粒径を有する前
   記炭化珪素粒子が分散しており、全体として２％以下の
   気孔率を有するアルミナ基複合焼結体。
2. 【請求項２】 ０．０５μｍ以下の平均粒径を有する９
   ０〜９７体積％のアルミナ粉末と、０．０５μｍ以下の
   平均粒径を有する３〜１０体積％の炭化珪素粉末とを混
   合し、この混合粉末を、不活性雰囲気中において、１１
   ５０〜１３５０℃の温度で熱処理し、この熱処理された
   混合粉末を成形し、この成形体を不活性雰囲気中におい
   て、常圧下、１５００〜１８５０℃の温度で焼結するこ
   とを含むアルミナ基複合焼結体の製造方法。
3. 【請求項３】 前記アルミナ粉末が４０ｍ² ／ｇ以上の
   ＢＥＴ比表面積を有するγ型結晶体からなるものであ
   り、前記炭化珪素粉末が４０ｍ² ／ｇ以上のＢＥＴ比表
   面積を有するβ型結晶体からなるものである、請求項２
   に記載の製造方法。