JPH07309667A - 透光性酸窒化アルミニウムマグネシウム焼結体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 透光性に優れ、かつ高強度な透光性酸窒化ア
ルミニウムマグネシウム焼結体を低コストで製造可能な
透光性酸窒化アルミニウムマグネシウム焼結体の製造法
の提供。 【構成】 ＡｌＮを全体の１５〜４０ｍｏｌ％含むＡｌ
₂ Ｏ₃ とＡｌＮとの混合粉末に、ＭｇＯを全体の１〜２
８ｍｏｌ％となるように添加して得られたＡｌＮ，Ａｌ
₂ Ｏ₃ 及びＭｇＯからなる原料混合粉末を調製し、上記
原料混合粉末を所定の形状の成形体に成形し、上記成形
体を１７００℃以下の温度で熱処理してその相がＭｇ−
Ａｌ−Ｏ−Ｎ単一相である第一次焼結体とし、上記第一
次焼結体を１７００℃以上のできるだけ低い温度で熱処
理して開気孔がなくなるまで緻密化させて第二次焼結体
とし、さらに上記第二次焼結体を温度１４００〜１９０
０℃、圧力１０ＭＰａ以上の窒素ガス又はアルゴンなど
の不活性ガス中で加圧下において、加熱処理する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高圧ナトリウムランプ
発光管、高温炉の窓、赤外線検出用窓材、耐熱性レンズ
等のように、高温下（特に、１０００℃以上）での耐久
性と、紫外・可視・赤外領域波長の光に対する高い透光
性とを必要とする部品の材料として好適な、透光性酸窒
化アルミニウムマグネシウム焼結体の製造方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】近年、
可視および赤外領域波長の光の透光性に優れ、かつ耐熱
性や耐摩耗性にも優れた透光性材料に対する要求が高ま
っている。かかる材料の一つとして、透光性酸化アルミ
ニウム（以下、「アルミナ」という）焼結体が高圧ナト
リウム発光管に広く実用化されている。しかし、上記ア
ルミナ焼結体の各結晶粒子は異方性を有する六方晶構造
からなり、結晶粒界における複屈折による光散乱を避け
ることができない。そこで、現在、工業化されている透
光性アルミナ焼結体では、結晶粒子を大きくして粒界密
度を減らすことで、結晶粒界における上記光散乱を減ら
し透過率が高められている。しかし、結晶粒子径を大き
くすると、焼結体の機械的強度が低下するため、さらに
高強度の透光性材料の開発が望まれている。

【０００３】一方、アルミナに窒化アルミニウムを全体
の１０〜４０ｍｏｌ％になるように添加し、高温で焼結
すると単一相の酸窒化アルミニウムが得られることが知
られている（特開平１−１８３４７２号公報）。この酸
窒化アルミニウムの結晶構造は、等方性の立方晶構造か
らなるものであり、この酸窒化アルミニウムを用いる
と、結晶粒界における複屈折による光散乱がなく、透光
性の非常に高い酸窒化アルミニウム焼結体が得られる可
能性がある。

【０００４】これまで、上記酸窒化アルミニウムの均一
な焼結体の製造方法として、一旦、酸窒化アルミニウム
組成とした原料粉末を製造し、これを窒素中や真空中
で、焼結またはホットプレスすることによって、透光性
酸窒化アルミニウム焼結体を製造する方法（以下「方法
」とする）が提案されている（特開平２−２３３５５
２号、特開平３−２３２６９号、特開平３−１２６６７
４号、特開平４−２９６２７号公報）。

【０００５】しかし、この方法は、焼成した原料粉末の
粉砕工程と、さらにこの粉末の成形、焼結等を行う工程
を必要とするため、製造工程が複雑になるのに加え、粉
砕時に不純物が混入するおそれがある。したがって、不
純物の混入により目的とする透光性酸窒化アルミニウム
焼結体の透光性を低下させる問題がある。

【０００６】工業的観点からは、安定供給可能なアルミ
ナ粉末および窒化アルミニウム粉末からなる混合粉末を
成形した成形体を焼結することで、透光性焼結体が得ら
れれば、不純物混入のおそれがないほか、製造工程も簡
素化されるため、有利である（以下「方法」とす
る）。

【０００７】ところで、上記方法において、アルミナ
粉末および窒化アルミニウム粉末の混合粉末から成形し
た成形体を焼結することによって、均一な透光性の酸窒
化アルミニウム焼結体を作製するためには、少なくとも
２０００℃前後の高温が必要である。そこで、酸窒化ア
ルミニウムの焼結を促進するために、酸化イットリウム
や酸化マグネシウムなどを焼結助剤として添加すること
が以前から行われている。

【０００８】上記の焼結助剤としての酸化マグネシウム
は、酸窒化アルミニウムの焼結を促進し、また、酸窒化
アルミニウムに対してかなり広い固溶範囲（０〜３０ｍ
ｏｌ％）を有するため、この酸化マグネシウムを使用す
ることによって、より低温で透光性の酸窒化アルミニウ
ムマグネシウム焼結体を製造する方法が提案されている
（特開平３−２１５３６５号、特開平４−２６５２７６
号公報）。

【０００９】上記特開平３−２１５３６５号公報に記載
の方法では、上記方法において、酸窒化アルミニウム
粉末の焼結の際に酸化マグネシウムを添加する手法が採
られており、一方、上記特開平４−２６５２７６号公報
に記載の方法では、上記方法において、アルミナ及
び、窒化アルミニウムに酸化マグネシウムを添加した混
合物が原料に用いられているが、高い透光性の焼結体を
得るために、１９５０℃以上の高温で焼結を行ってい
る。一般に、セラミックスの焼結において、焼結温度が
高くなり焼結時間が長くなるにつれて、焼結体の結晶粒
子径が大きくなり、その結果、焼結体強度が低下するこ
とが知られている。特開平４−２６５２７６号公報で
は、得られた焼結体の強度については言及されていない
が、おそらく、この場合も高温での焼結による結晶粒子
の粗大化のために、焼結体強度は低いものと推定され
る。

【００１０】本発明の目的は、透光性に優れ、かつ高強
度な透光性酸窒化アルミニウムマグネシウム焼結体を低
コストで製造可能な透光性酸窒化アルミニウムマグネシ
ウム焼結体の製造法を提供するものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、ＡｌＮを全体
の１５〜４０ｍｏｌ％含むＡｌ₂ Ｏ₃ とＡｌＮとの混合
粉末に、ＭｇＯを全体の１〜２８ｍｏｌ％となるように
添加して得られたＡｌＮ，Ａｌ₂ Ｏ₃ 及びＭｇＯからな
る原料混合粉末を調製し、上記原料混合粉末を所定の形
状の成形体に成形し、上記成形体を１７００℃以下の温
度で熱処理してその相がＭｇ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ単一相であ
る第一次焼結体とし、上記第一次焼結体を１７００℃以
上のできるだけ低い温度で熱処理して開気孔がなくなる
まで緻密化させて第二次焼結体とし、さらに上記第二次
焼結体を温度１４００〜１９００℃、圧力１０ＭＰａ以
上の窒素ガス又はアルゴンなどの不活性ガス中で加圧下
において、加熱処理することを特徴とする透光性酸窒化
アルミニウムマグネシウム焼結体の製造方法を提供する
ことにより上記目的を達成したものである。

【００１２】以下本発明に係る透光性酸窒化アルミニウ
ムマグネシウム焼結体の製造方法について、さらに詳細
に説明する。

【００１３】まず、アルミナ粉末、窒化アルミニウム粉
末および酸化マグネシウム粉末を所定の配合比で混合し
て原料混合粉末を調製する。

【００１４】ここで、上記各粉末は、できるだけ高純度
で微粉末のものが好ましく、アルミナ粉末は平均粒子径
０．３ミクロン以下のもの、窒化アルミニウム粉末は同
０．８ミクロン以下のもの、酸化マグネシウム粉末は同
０．５ミクロン以下のものがより好ましい。

【００１５】アルミナ粉末と窒化アルミニウム粉末の混
合比は、混合粉末全体に占める窒化アルミニウムの割合
が１５〜４０ｍｏｌ％の範囲が好ましく、より好ましく
は３０ｍｏｌ％である。１５ｍｏｌ％より少ないと酸窒
化アルミニウム相以外にアルミナ相が存在し透光性を下
げるからであり、４０ｍｏｌ％より多くなると酸窒化ア
ルミニウム相以外に窒化アルミニウム相が存在し透光性
を下げるからである。

【００１６】また、原料混合粉末全体に占める酸化マグ
ネシウムの割合は１〜２８ｍｏｌ％の範囲が好ましく、
より好ましくは５〜１５ｍｏｌ％である。１ｍｏｌ％よ
り少なくても、２８ｍｏｌ％より多くても透光性焼結体
が得られないからである。

【００１７】上記各粉末の混合には、各粉末が相互に良
く混合される方法であれば何れの粉末混合方法を使用す
ることも可能であるが、エタノール等の溶媒中でボール
ミル混合し、得られたスラリーをスプレードライなどの
方法によって乾燥して調製すると混合状態の良い原料混
合粉末が得られる。

【００１８】次に、上記原料混合粉末を所定の方法で所
定形状に成形し成形体（被焼結体）を得る。ここで、上
記原料混合粉末の成形には、金型を用いた一軸加圧成形
あるいはゴム型を用いた冷間等方加圧（ＣＩＰ）成形を
適用することが可能である。また、上記のようにボール
ミル混合した場合には、そのスラリーを直接、石膏など
の多孔質の型に流し込み、原料混合粉末を型に着肉した
後、離型および乾燥することによって、成形体を得るこ
とも可能である。

【００１９】そして、上記成形体（被焼結体）を大気圧
あるいは減圧下で、ゆっくりと所定の反応温度まで昇温
させるとともに、同反応温度に所定時間保持し、アルミ
ナ粉末、窒化アルミニウム粉末および酸化マグネシウム
粉末を相互に反応させ、酸窒化アルミニウムマグネシウ
ム（Ｍｇ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ）単一相からなる第一次焼結体
とする。

【００２０】ここで、上記反応温度に至るまでの昇温速
度は、成形体内に閉気孔（外部に通じていない気孔）を
残さないように、焼結が始まる温度以上へ、できるだけ
ゆっくりとした速さで昇温させるのが好ましく、たとえ
ば、反応温度を１５００〜１７００℃の温度範囲に設定
する場合には、１３００℃から反応温度に至るまでは、
１〜２℃／ｍｉｎとすると好適である。

【００２１】また、上記反応温度は、各粉末の配合比等
によって異なるが、１７００℃以下の温度で、各粉末
が、酸窒化アルミニウムマグネシウム（Ｍｇ−Ａｌ−Ｏ
−Ｎ）単一相に変化（反応）し得る、できるだけ低い温
度に設定することが好ましく、１５００〜１７００℃の
温度範囲が好適である。上記反応温度が１７００℃を超
えると、以降の処理で除去できない閉気孔が焼結体中に
残留しやすく、最終製品の透光性を下げることになるか
らである。

【００２２】さらに、上記反応温度での保持時間は、成
形体の形状、反応温度にもよるが、成形体を構成する上
記各粉末が反応して酸窒化アルミニウムマグネシウム
（Ｍｇ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ）単一相に変化するに足りる時間
であれば十分であり、通常１〜３時間程度である。

【００２３】上記昇温中および反応温度保持中の雰囲気
ガスには、窒素ガス、水素ガス、又はアルゴンなどの不
活性ガスを用いることができる。また、焼結中の成形体
の還元を防ぐために、上記窒素ガス等や不活性ガス中に
０．１〜５％程度の酸素ガスを混合したガスを用いても
よい。

【００２４】そして、成形体の相（組織）が酸窒化アル
ミニウムマグネシウム（Ｍｇ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ）単一相に
変化して第一次焼結体が得られたならば、引き続いて、
温度を１７００℃以上に上昇させて、結晶粒子の粗大化
が起こらないように、出来るだけ低い温度で、上記一次
焼結体内の開気孔（外部に通じている気孔）が消滅する
まで保持し第二次焼結体とする。ここで、開気孔が消滅
するまで保持するのは、開気孔を含む成形体に後述のＨ
ＩＰ（熱間等方加圧）処理を施すと、開気孔内に高圧ガ
スが進入しＨＩＰ処理の効果が得られなくなるためであ
り、ＨＩＰ処理に先だち開気孔を完全に除去しておくこ
とが好ましいからである。なお、この熱処理における雰
囲気ガスの条件は、上記の単一相化反応中と同様とする
ことができる。

【００２５】そして最後に、上記第二次焼結体を所定温
度、所定のガス雰囲気下でＨＩＰ処理（熱間等方加圧処
理）することによって、上記第二次焼結体内に残留して
いる残留気孔をさらに除去し、透光性酸窒化アルミニウ
ムマグネシウム焼結体を得る。ここで、保持温度は十分
なＨＩＰ効果が得られ、かつ結晶粒子の粗大化が起こら
ないように１４００〜１９００℃、であることが好まし
く、より好ましくは１６００〜１８００℃である。ま
た、雰囲気ガスとしては、窒素ガス、又は、アルゴン等
の不活性ガスが，好適である。さらに、保持圧力は圧力
１０ＭＰａ以上であることが好ましく、ＨＩＰ処理の効
果をより大きく得るためには１００ＭＰａ以上であるこ
とが好ましい。

【００２６】

【実施例】以下、本発明に係る透光性酸窒化アルミニウ
ムマグネシウム焼結体の製造方法について、以下に示す
各実施例及び比較例によりさらに具体的に説明する。

【００２７】なお、各実施例及び比較例において使用し
た、アルミナ粉末、窒化アルミニウム粉末、及び酸化マ
グネシウム粉末は、平均粒径がそれぞれ、０．２２μ
ｍ、０．６μｍ、及び０．４μｍのものである。

【００２８】得られた焼結体の透光性は、表面を３μｍ
のダイヤモンド砥粒で仕上げ、厚さ２ｍｍの試料とする
とともに、分光光度計を用いて、波長３μｍの赤外線及
び波長０．５μｍの可視光線の厚さ方向の光透過率を測
定して評価した。また、得られた焼結体の機械的強度
は、室温での４点曲げ強度を測定（ＪＩＳ１６０１に準
拠）して評価した。

【００２９】実施例１ アルミナ粉末１４３ｇ、窒化アルミニウム粉末２４．６
ｇ及び酸化マグネシウム粉末５．０ｇをエタノール中で
直径１０ｍｍのアルミナボールとポリエチレン製容器を
用いて、２４時間ボールミル混合した。そして、得られ
たスラリーを乾燥し、解砕後、目開きが３００μｍの篩
に通過させることによって、混合粉末の顆粒を調製し
た。そして、この混合粉末の顆粒を断面が４５×５０ｍ
ｍの金型に充填し１５ＭＰａの圧力で一軸加圧成形した
後、さらに、圧力１９６ＭＰａでＣＩＰ成形することに
よって成形体を作製した。

【００３０】次に、上記成形体をＢＮ製るつぼ中に設置
し、１３００℃まで１０℃／ｍｉｎ、１３００〜１７０
０℃を２℃／ｍｉｎで昇温し、１７００℃で１時間保持
し、酸窒化アルミニウムマグネシウム（Ｍｇ−Ａｌ−Ｏ
−Ｎ）単一相からなる第一次焼結体とした後、さらに、
１７５０℃まで１０℃／ｍｉｎで昇温し、１７５０℃で
３時間保持して緻密な第二次焼結体とした。ここで、昇
温および温度保持中の雰囲気は、９００℃以下では１Ｐ
ａの減圧、９００℃以上では大気圧の窒素雰囲気とし
た。得られた第二次焼結体は、炉内で自然冷却した後、
次のＨＩＰ処理を施した。

【００３１】ＨＩＰ処理は、窒素ガスを加圧媒体とし
て、圧力７８４ＭＰａ、温度１８００℃に２時間保持す
ることによって行った。ＨＩＰ装置には神戸製鋼（株）
製超高圧ＨＩＰ装置（グラファイト製ヒーター）を用い
た。また、上記第二次焼結体は表面にＢＮを塗布したカ
ーボンるつぼ内に設置し、昇温昇圧は同時に行った。

【００３２】得られた透光性酸窒化アルミニウムマグネ
シウム焼結体の透光性は、波長３μｍの赤外線透過率が
５２％、波長０．５μｍの可視光線透過率は２０％であ
った。また、得られた透光性酸窒化アルミニウムマグネ
シウム焼結体の４点曲げ強度は４００ＭＰａであった。

【００３３】実施例２ 酸化マグネシウム粉末の添加量を１０．０ｇ、ＨＩＰ処
理温度を１７５０℃とした以外は、実施例１と同様に行
った。得られた透光性酸窒化アルミニウムマグネシウム
焼結体の波長３μｍの赤外線透過率は７１％、波長０．
５μｍの可視光線透過率は２２％で、その４点曲げ強度
は３８０ＭＰａであった。この結果、ＨＩＰ処理温度を
１７５０℃としても上記実施例１とほぼ同等の優れた透
光性酸窒化アルミニウムマグネシウム焼結体が得られる
ことが確認された。

【００３４】実施例３ アルミナ粉末、窒化アルミニウム粉末及び酸化マグネシ
ウム粉末をそれぞれ１４３０ｇ、２４６ｇ及び５０ｇを
用意し、これらの粉末をエタノール中で直径１０ｍｍの
アルミナボールとポリエチレン製容器を用いて、２４時
間ボールミル混合した。スラリーをスプレードライ法に
よって乾燥し、原料混合粉末を調製した。この原料混合
粉末を用いて、実施例１と同様に成形、焼結およびＨＩ
Ｐ処理を行い、透光性酸窒化アルミニウムマグネシウム
焼結体を作製した。

【００３５】得られた試料の波長３μｍの赤外線透過率
は５５％、波長０．５μｍの可視光線透過率は２０％で
あった。また、４点曲げ強度は３９０ＭＰａであった。
従って、上記のように原料混合粉末の調製方法を変えて
も実施例１同様の優れた透光性酸窒化アルミニウムマグ
ネシウム焼結体が得られることが確認された。

【００３６】比較例１ アルミナ粉末１４３ｇおよび窒化アルミニウム粉末２
４．６ｇを、エタノール中で直径１０ｍｍのアルミナボ
ールとポリエチレン製容器を用いて、２４時間ボールミ
ル混合した。以下は実施例２と同様に、原料混合粉末の
調製、成形、焼結およびＨＩＰ処理を行い、酸窒化アル
ミニウム焼結体を作製した。

【００３７】得られた焼結体の波長３μｍの赤外線透過
率及び波長０．５μｍの可視光線透過率はともに０％で
あった。この結果、混合粉末に酸化マグネシウムを添加
しないで、これを原料混合粉末とした場合には、得られ
た焼結体に、上記各実施例で得られた透光性酸窒化アル
ミニウムマグネシウムのような優れた透光性は付与され
ないことが確認された。

【００３８】比較例２ 酸化マグネシウム粉末の添加量を３４．５ｇ（３０ｍｏ
ｌ％に相当）とした以外は実施例２と同様に、原料混合
粉末の調製、成形、焼結およびＨＩＰ処理を行った。得
られた焼結体の波長３μｍの赤外線透過率及び波長０．
５μｍの可視光線透過率はともに０％であった。この結
果、酸化マグネシウム粉末の添加量が許容量（２８ｍｏ
ｌ％）を超えた場合にも、得られた焼結体に透光性が付
与されないことが確認された。

【００３９】比較例３ 焼結時の昇温速度を、室温から１７５０℃まで一定（１
０℃／ｍｉｎ）とした以外は、実施例２と同様に、原料
混合粉末の調製、成形、焼結およびＨＩＰ処理を行っ
た。得られた焼結体の波長３μｍの赤外線透過率は４０
％、波長０．５μｍの可視光線透過率は１０％であっ
た。この結果、焼結時の昇温速度が速い場合には焼結体
中の閉気孔がより多く残存することとなり、赤外および
可視領域の光透過性が低くなることが確認された。

【００４０】比較例４ 実施例１と同様に成形した成形体を昇温速度１０℃／ｍ
ｉｎで２０５０℃まで昇温し、２０５０℃に３時間保持
することによって焼結体を作製した（雰囲気の条件は実
施例１と同じ、ＨＩＰ処理なし）。得られた焼結体の波
長３μｍの赤外線透過率は５０％、波長０．５μｍの可
視光線透過率は２０％であった。また、焼結体の４点曲
げ強度は１７３ＭＰａであった。この結果、ＨＩＰ処理
を行わずとも焼結温度を２０５０℃に上げることで透光
性焼結体が得られるが、この場合には焼結体強度が低い
ことが確認された。

【００４１】上述した各実施例及び比較例における焼結
体の作製方法を表１に、同焼結体の透光性及び機械的強
度を表２に、それぞれまとめて示した。

【００４２】

【表１】

【００４３】

【表２】

【００４４】このように、上記各実施例に係る透光性酸
窒化アルミニウムマグネシウム焼結体の製造方法によれ
ば、優れた透光性および機械的強度を有する透光性酸窒
化アルミニウムマグネシウム焼結体を簡易な工程で製造
することができる。また、上記各実施例では、ＨＩＰを
用いガス圧によって等方的に、あらゆる方向から加圧す
るため、モールドを用いて一方向加圧により焼結するタ
イプのホットプレスを用いた方法に比べ、複雑形状で、
しかも均質な焼結体の製造が可能である。

【００４５】

【発明の効果】本発明に係る透光性酸窒化アルミニウム
マグネシウム焼結体の製造方法によれば、安定供給可能
なアルミナ粉末、窒化アルミニウム粉末および酸化マグ
ネシウム粉末から直接、成形体を成形し、これを焼結す
るので、従来法で必要であった粉末の仮焼および粉砕工
程を省略でき、製造工程を簡素化することができるほ
か、不純物混入が防止でき、製造コストを低く抑えて、
高純度の焼結体を得ることができる。また、焼結過程に
おいて開気孔を十分に除去したあと更に、所定のガス雰
囲気中で加圧、加熱処理を行うので、機械的強度、透光
性ともに優れた透光性酸窒化アルミニウムマグネシウム
焼結体を作製することができる。さらに、ガス圧によっ
て等方的に、あらゆる方向から加圧するため、複雑形状
で、しかも均質な焼結体の製造が可能である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 橋本 雅司 山口県山口市大字下小鯖1321−76 (72)発明者 三國 彰 山口県山口市吉田3045−19 (72)発明者 中川 浜三 山口県宇部市神原町２丁目７−52 (72)発明者 山本 雅章 山口県宇部市野中５丁目２番50−４号

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＡｌＮを全体の１５〜４０ｍｏｌ％含む
   Ａｌ₂ Ｏ₃ とＡｌＮとの混合粉末に、ＭｇＯを全体の１
   〜２８ｍｏｌ％となるように添加して得られたＡｌＮ，
   Ａｌ₂ Ｏ₃ 及びＭｇＯからなる原料混合粉末を調製し、 上記原料混合粉末を所定の形状の成形体に成形し、 上記成形体を１７００℃以下の温度で熱処理してその相
   がＭｇ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ単一相である第一次焼結体とし、 上記第一次焼結体を１７００℃以上のできるだけ低い温
   度で熱処理して開気孔がなくなるまで緻密化させて第二
   次焼結体とし、 さらに上記第二次焼結体を温度１４００〜１９００℃、
   圧力１０ＭＰａ以上の窒素ガス又はアルゴンなどの不活
   性ガス中で加圧下において、加熱処理することを特徴と
   する透光性酸窒化アルミニウムマグネシウム焼結体の製
   造方法。