JPH08151255A

JPH08151255A - アルミナ質焼結体およびその製法

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Publication number: JPH08151255A
Application number: JP6293031A
Authority: JP
Inventors: Usou Ou; 雨叢王
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1994-11-28
Filing date: 1994-11-28
Publication date: 1996-06-11
Anticipated expiration: 2015-08-21
Also published as: JP3078462B2

Abstract

(57)【要約】【目的】高温での耐酸化性に優れ、さらに、破壊靭性と
高温強度に優れたアルミナ質焼結体およびその製法を提
供する。【構成】アルミナ結晶粒子内に、平均結晶粒径が３μｍ
以下のペロブスカイト型分散相が全量中０．５体積％以
上分散しているアルミナ質焼結体である。ここで、ペロ
ブスカイト型分散相は、Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄの少な
くとも一種以上を含有することが望ましい。このような
アルミナ質焼結体は、ペロブスカイト型分散相を構成す
る金属元素を含有する溶液をアルミナ原料に添加混合
し、その混合物を乾燥して原料粉末とするか、あるいは
前記混合物を仮焼して原料粉末とし、該原料粉末を成形
し、焼成することにより得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、強度，靭性に優れたア
ルミナ質焼結体およびその製法に関するものであり、例
えば、航空・宇宙業界，製錬業界，化学業界で用いられ
たり、ガスタ−ビンエンジン、自動車部品、切削工具材
料等に好適に使用されるアルミナ質焼結体およびその製
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、耐高温の構造部材として、ア
ルミナは耐環境性，高温強度ともに優れることで注目さ
れていたが、アルミナ固有の欠点である高温軟化と低靭
性により、その用途が限られていた。

【０００３】そこで、近年では、アルミナの高温強度と
破壊靭性を向上させるために、種々の複合化が試みられ
ている。例えば、Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＣナノコンポジィッ
ト、Ａｌ₂Ｏ₃−ＺｒＯ₂複合材料が知られており（例
えば、特開昭６１−１２２１６４号公報、特開昭６３−
１３９０４４号公報等参照）、このように複合化するこ
とで純粋なアルミナの焼結体より強度と靭性を向上する
ことができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする問題点】しかしながら、上記
Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＣナノコンポジィットでは、Ａｌ₂Ｏ
₃中に非酸化物のＳｉＣを分散させているために、酸化
雰囲気において高温状態で使用される場合には耐酸化性
に欠けるという問題があった。

【０００５】また、Ａｌ₂Ｏ₃−ＺｒＯ₂複合材料は９
００℃付近の温度で強度が急激に低下するため高温強度
が低く、高温下において応力が作用するような状態での
使用には適しないという問題があった。

【０００６】よって、本発明は、高温での耐酸化性に優
れ、さらに、破壊靭性と高温強度に優れたアルミナ質焼
結体およびその製法を提供することを目的とする。

【０００７】

【問題点を解決するための手段】本発明者は、アルミナ
を高温構造材料として実用化するために、高温強度およ
び破壊靭性を改善する方法について鋭意検討した結果、
平均結晶粒径が３μｍ以下のペロブスカイト型分散相を
アルミナ結晶粒内に全量中０．５体積％以上分散させる
ことにより、塑性変形抵抗を向上させて高温強度を向上
することができるとともに、クラックの進展を妨害し、
破壊エネルギーを吸収する組織構成とし、これにより破
壊靱性を向上することができることを見出し、本発明に
至った。

【０００８】即ち、本発明のアルミナ質焼結体は、アル
ミナ結晶粒子内に、平均結晶粒径が３μｍ以下のペロブ
スカイト型分散相が全量中０．５体積％以上分散してな
るものである。

【０００９】ペロブスカイト型分散相としては、ＲＭＯ
₃（Ｒ，Ｍは金属元素）の化学式で表される複合酸化物
であり、この中でも、アルミナ中では、ＡｌＭＯ₃（Ｍ
は金属元素）で表されるものが容易に形成される。ペロ
ブスカイト型分散相は、Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄの少な
くとも一種以上を含有することが望ましい。

【００１０】本発明のアルミナ質焼結体では、ペロブス
カイト型分散相がアルミナ粒内に分散すると同時に、一
部は粒界に分散しても良く、この場合には、粒界に分散
する量が少量であればアルミナ母相の粒成長を抑制する
効果により材料の高強度化に寄与する。しかし、粒界部
分に過量に分散するとアルミナ材料の特性を損なうた
め、粒界部分に分散するペロブスカイト分散相は焼結体
全体の５０体積％以下であることが望ましい。

【００１１】また、アルミナ結晶粒内に分散するペロブ
スカイト型分散相の平均結晶粒径は３μｍ以下とする必
要がある。平均結晶粒径が３μｍよりも大きくなると高
温高強度化効果および高靭性化効果が著しく低下するか
らである。ペロブスカイト型分散相の平均結晶粒径は、
特には１μｍ以下とすることが望ましい。

【００１２】ペロブスカイト型分散相のアルミナ結晶粒
内への分散量は、全量中０．５体積％以上であることが
必要である。これは、分散量が全量中０．５体積％より
も少ない場合には、アルミナに対する高強度化、高靭性
化効果が殆どないからである。この分散量は、特には１
〜２０体積％とすることが望ましい。

【００１３】本発明のアルミナ質焼結体は、例えば、ペ
ロブスカイト型分散相を構成する金属元素を含有する溶
液をアルミナ原料に添加混合し、その混合物を乾燥し原
料粉末とするか、あるいは前記混合物を仮焼して原料粉
末とし、該原料粉末を成形し、焼成することにより得ら
れる。

【００１４】ペロブスカイト型分散相を構成する金属元
素粉末あるいはその酸化物粉末をアルミナ原料と混合
し、その成形体を焼成する場合でも、ペロブスカイト型
分散相をアルミナ結晶粒内に分散した本発明のアルミナ
質焼結体を得ることができる。

【００１５】しかしながら、原料混合の均一性が低いた
めに、分散相が３μｍ以上に成長したり、アルミナの粒
界に分散したりするため、粒内での分散相は溶液として
添加混合する場合に比べて少なく、十分な高強度と高靭
を達成できないこともある。

【００１６】前記ペロブスカイト型分散相を形成する金
属元素を含有する溶液としては、水酸化物溶液、有機，
無機溶液等どれでもよい。また、アルミナ原料は、市販
のアルミナ粉末を使用すればよいが、添加の金属元素と
同様に、アルミニウム元素を含む溶液を用いても可能で
ある。

【００１７】成形には公知の成形手段が用いられるが、
例えば、金型プレス，鋳込み成型，押出成型，射出成
型，冷間静水圧プレスなどがある。

【００１８】焼成法としては公知の焼成法が用いられる
が、例えば、ホットプレス法，常圧焼成法，ガス加圧焼
成法があり，さらに、これらの焼成後に熱間静水圧処理
（ＨＩＰ）処理、およびガラスシール後ＨＩＰ処理し
て、対理論密度比９５％以上の緻密な焼結体を得る。焼
成温度は低ければ焼結体が緻密化しにくく、逆に高すぎ
ると分散相が粒成長して、強度と靭性向上の効果が失わ
れる可能性があるため、１４００〜１８５０℃、特に１
５００〜１７５０℃であることが好ましい。

【００１９】本発明のアルミナ質焼結体には、例えば、
マグネシア，ジルコニア，ムライト，ガーネット，βア
ルミナ等の酸化物、複合酸化物を一定量添加含有して
も、特性は殆ど劣化しないたため、組織制御あるいは靱
性を向上する点からこれらの物質を材料に複合すること
も可能である。

【００２０】

【作用】一部の金属元素はアルミナと反応し、ペロブス
カイト構造の複合酸化物を生成する。このペロブスカイ
ト構造の複合酸化物は一般的に高温での安定性がよく、
アルミナ母相中での拡散や粒成長が発生しにくい特性を
有するため、アルミナ粒内で微細に分散する可能性を持
った化合物である。よって、ペロブスカイト構造の化合
物を形成する金属元素をアルミナに添加すれば、アルミ
ナ結晶粒内に微細なペロブスカイト構造の化合物が分散
した焼結体が得られる。

【００２１】特に、Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄなどとアル
ミニウム元素とが反応して形成されるペロブスカイト相
は特に安定性が高く、室温から高温まで高いヤング率を
有するため、室温強度と破壊靭性および１４００℃まで
の高温強度が優れたアルミナ質焼結体が得られる。

【００２２】即ち、本発明のアルミナ質焼結体では、ア
ルミナ結晶粒子内に、平均結晶粒径が３μｍ以下のペロ
ブスカイト型分散相を全量中０．５体積％以上分散した
もので、高温での耐酸化性を損なうことなく、従来より
優れた高温強度と破壊靭性を有する高温構造材料を提供
することができるのである。

【００２３】従来のアルミナ質焼結体は特に酸化雰囲気
で室温から高温まで安定した特性を有するが、高温では
転位の運動が発生しやすいため、軟化、塑性変形する。
また、室温では、アルミナ結晶内にクラックが進展しや
すいため、破壊靭性が低い。

【００２４】本発明のアルミナ質焼結体は、上記従来の
アルミナ質焼結体の欠点を解決したものである。

【００２５】

【実施例】ペロブスカイト相を形成する金属元素（Ｎ
ｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ）の硝酸塩水溶液を、酸化物に換
算した組成比が表１に示すようになるように市販のアル
ミナ粉末（純度９９．９％）に添加し、回転ミルで混合
した。得られたスラリーにアンモニア水を加えてｐＨ値
を７以上とし、上記の金属元素を水酸化物とするととも
に、アルミナと一緒に沈澱させる。この沈澱物を乾燥
し、酸化雰囲気中において５００℃〜１０００℃で２時
間仮焼処理することにより、アルミナに上記金属酸化物
が均一且つ微細に分散する複合粉体を得る。また、試料
Ｎo.７は、Ｓｍ酸化物粉末を原料とした。

【００２６】

【表１】

【００２７】そして、上記の複合粉体を１ｔ／ｃｍ²の
圧力で金型成形した後、３ｔ／ｃｍ²の圧力で冷間静水
圧処理を加え、表１に示すような焼成条件で大気中にお
いて２時間焼成した。焼結体の対理論密度比（相対密
度）を表１に示す。

【００２８】また、本発明者は試料Ｎo.１〜７について
は、Ｘ線回折測定により焼結体がα−Ａｌ₂Ｏ₃とペロ
ブスカイト相の二相であることを確認した。また、鏡面
に加工した試料を光学顕微鏡および走査型電子顕微鏡で
観察することにより、母相のアルミナ粒内にペロブスカ
イト相が分散していることを確認した。図１に試料Ｎo.
４の組織図を示す。図１において符号１はアルミナ結晶
であり、符号２はペロブスカイト相であり、粒界にもペ
ロブスカイト相が析出している。さらに、格子点数集計
法により測定した粒内分散ペロブスカイト相の全量に対
する体積分を表１に示す。また、走査型電子顕微鏡写真
上でアルミナ結晶粒子内の１００個の析出粒子の粒径を
測定し、その平均値を算出し、表１に示す。

【００２９】得られた焼結体をＪＩＳ−Ｒ１６０１にて
指定されている形状まで研磨し抗折試料を作製した。こ
の試料についてＪＩＳ−Ｒ１６０１に基づく室温および
１４００℃での４点曲げ抗折強度試験を実施した。ま
た、ビッカース圧痕法により破壊靭性（Ｋ_1c）を測定し
た。結果を表１に示した。

【００３０】表１の結果から、アルミナ結晶粒子内に、
平均結晶粒径が３μｍ以下のペロブスカイト型分散相が
全量中０．５体積％以上分散した本発明の試料Ｎo.１〜
６は、従来のアルミナ質焼結体（試料Ｎo.８，９）と比
較して、室温と高温強度および破壊靭性を大幅に向上す
ることが判る。

【００３１】

【発明の効果】本発明のアルミナ質焼結体では、安定性
が高く、室温から高温まで高いヤング率を有するペロブ
スカイト相を、アルミナ結晶粒子内に、３μｍ以下で全
量中０．５体積％以上分散したので、高温での耐酸化性
を損なうことなく、従来より優れた高温強度と破壊靭性
を有する高温構造材料を提供することができる。

【００３２】また、本発明のアルミナ質焼結体は、例え
ば、ペロブスカイト型分散相を構成する金属元素を含有
する溶液をアルミナ原料に添加混合し、その混合物を乾
燥して原料粉末とするか、あるいは前記混合物を仮焼し
て原料粉末とし、この原料粉末を成形し、焼成すること
により容易に得られる。ペロブスカイト型分散相を構成
する金属元素を含有する溶液をアルミナ原料に添加混合
し、その混合物を用いることにより、ペロブスカイト型
分散相をアルミナ結晶粒子内に確実に存在させ、かつ、
ペロブスカイト型分散相の粒成長を抑制し、本発明のア
ルミナ質焼結体を容易に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】試料Ｎo.４の組織図である。

【符号の説明】

１・・・アルミナ結晶２・・・ペロブスカイト型分散相

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミナ結晶粒子内に、平均結晶粒径が３
μｍ以下のペロブスカイト型分散相が全量中０．５体積
％以上分散していることを特徴とするアルミナ質焼結
体。
【請求項２】ペロブスカイト型分散相は、Ｎｄ，Ｓｍ，
Ｅｕ，Ｇｄの少なくとも一種以上を含有することを特徴
とする請求項１記載のアルミナ質焼結体。
【請求項３】ペロブスカイト型分散相を構成する金属元
素を含有する溶液をアルミナ原料に添加混合し、その混
合物を乾燥して原料粉末とするか、あるいは前記混合物
を仮焼して原料粉末とし、該原料粉末を成形し、焼成す
ることを特徴とするアルミナ質焼結体の製法。