JPS649266B2 - - Google Patents

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JPS649266B2
JPS649266B2 JP58209353A JP20935383A JPS649266B2 JP S649266 B2 JPS649266 B2 JP S649266B2 JP 58209353 A JP58209353 A JP 58209353A JP 20935383 A JP20935383 A JP 20935383A JP S649266 B2 JPS649266 B2 JP S649266B2
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Description

【発明の詳細な説明】
本発明は耐熱衝撃性に優れた行アルミナ含有焼
結体及びその製造方法に関するものである。 従来、Al2O3を75重量%以上含む高アルミナ含
有磁器は(以下高アルミナセラミツクスと称す)
は電気絶縁性、耐熱性、機械的特性に優れている
ため、電子部品や産業機械部品等の分野に広く用
いられている。 しかしながら、この種アルミナセラミツクスは
線膨張係数が70×10-7/℃以上とセラミツクスの
中では比較的膨張係数が大きく、水中投下急冷の
耐熱衝撃温度差が200℃においてクラツクが発生
し、耐熱衝撃特性が悪いことが知られている。 また、耐熱衝撃特性を向上させるためにチタン
酸アルミニウム、コージライト等の熱膨張係数の
低い材質のものを使用したり、焼結体を多孔質と
して熱衝撃クラツクの発生を抑制する手段があ
る。しかしながら、此等の場合抗析強度が15Kg/
mm2以下と機械的強度が低すぎる欠点がある。 従つて、本発明の目的は高アルミナセラミツク
スとしての高強度を損なうことなしに優れた耐熱
衝撃特性を有する高アルミナ含有焼結体を提供す
ることにある。 本発明の他の目的は上記のような高アルミナ含
有焼結体の製法を提供することにある。 本発明によればα―Al2O3から成る基体と、こ
の基体上に形成されたムライト析出層とから成る
ことを特徴とする高アルミナ含有焼結体が提供さ
れる。 更に本発明によれば、Al2O3が75〜95重量%、
SiO2が3〜10重量%、ムライト鉱化剤が1〜10
重量%、B2O3が0.3〜1重量%、MgO及びCaOの
うち少なくとも一種を0.4〜3重量%から成る組
成物を成形且つ焼結し、焼結体の表層にムライト
析出層を形成することを特徴とする高アルミナ含
有焼結体の製造方法が提供される。 以下、本発明を詳細に述べる。 本発明の高アルミナ含有焼結体は、実質上α―
Al2O3から成る基体と該基体上に形成されたムラ
イト析出層とから成る構造を有することが顕著な
特徴であり、しかもこのムライト析出層は以下に
述べる組成物を成形し且つ焼結することによりそ
の場で形成されることも顕著な特徴である。 前記基体は、実質上球状のα―Al2O3から成つ
ており、一方析出層では針状もしくは柱状のムラ
イト粒子が析出している。ムライト析出層は、実
質上ムライト粒子から成つていてもよく、またム
ライト粒子とα―Al2O3粒子とがモザイク模様の
ように混在していてもよい。α―Al2O3粒子及び
ムライト粒子の粒間には、ガラス層、特にSiO2
Al2O3,TiO2,ZrO2,MgO,CaO,B2O3等を成
分とするガラス層が一般に存在している。 ムライト粒子は式3Al2O3・2SiO2で表わされる
組成のものを主体とし、ムライトは、熱膨張係数
がアルミナの約半分であり、耐熱衝撃に期待が持
てる材質である。 高アルミナ磁器組成ではSiO2を数%含有して
いるが、SiO2量が5%未満では、通常ムライト
は形成されない。しかしながら、B2O3を添加す
ることにより、表層に顕著なムライト相が形成さ
れる。これは、B2O3がムライト生成の見かけの
活性化エネルギーを低下させる働きがあるため
で、表層にしか存在しないのは、B2O3の平衡蒸
気圧が高く発揮しやすいため表層に移動しやすく
なつているためと考えられる。しかしながら、
B2O3が多すぎるとガラス質の融点が低下し過ぎ
不安定となり、適量の存在でも表層100μよりも
小さい厚さしかムライトが形成されず、析出も不
安定である。よつて耐熱衝撃性に関してもばらつ
きが出やすい。そこでムライトの鉱化剤として用
いられるTiO2、ZrO2等を添加したところ、表層
100μ以上の厚みのムライト層が存在し、安定し
て高い耐熱衝撃性が得られた。水中投下の温度差
は、△T=200℃以上である。これは、最も熱歪
の受けやすい表層部分に、アルミナより低膨張の
ムライトが多量に存在し、表層部分全体の熱膨張
係数が低くなつたためと考えられる。また、表層
部に選択的にムライトが析出するため表層に圧縮
応力が働き、曲げ強さ36Kg/mm2以上の水きな値が
得られることを知見した。 本発明の焼結体におけるムライトの析出層は、
下記式 RI=IM/IA×100 式中、IMはムライト析出層のX―線回折におけ
るムライトの面指数(210)のピーク強度を表わ
し、IAはムライト析出層のX―線回折におけるα
―Al2O3の面指数(012)のピーク強度を表わす
で定義されるビーク比(RI)が30%以上となる
ようにムライトの析出が行われていることが重要
である。即ち、このピーク比(RI)が30%より
も低い場合には、抗折強度や耐熱衝撃性が本発明
のものに比して著しく低下する。尚、本発明の焼
結体の基体には、α―Al2O3の他に微量のムライ
トが混在する場合があるが、この基体中のムライ
トの混在量は、この基体をX線回折に付してもム
ライトの存在が認められないようなものである。 本発明は、例えば全体を基準としてAl2O375〜
95重量%にSiO23〜10重量%を含む主成分に対し
てTiO2、ZrO2等のムライト鉱化剤を1〜10重量
%、B2O30.3〜1重量%、更に焼結助剤として
MgO、CaOのうち少なくとも1種0.4〜3重量%
を添加してなる組成物のように、特にB2O3を1
重量%以下添加した組成物を用いる。このような
組成範囲の組成物を混合したものを成形し、その
後、酸化雰囲気中で1400〜1700℃の温度範囲で約
3時間保持することにより焼結体が得られる。 上記高アルミナ含有組成物においてAl2O3が75
重量%未満では強度が35Kg/mm2以下と低く、また
95重量%を超えるとムライトが析出せず耐熱衝撃
性が改善されない。焼結助剤としてのSiO2が3
重量%未満では焼結体の表層にムライトが析出せ
ず10重量%を超えると抗折強度が低下する。さら
に焼結助剤としてのMgO及びCaOが0.4重量%未
満では焼結しにくく、3重量%を超えると強度、
耐熱衝撃性が低下する。 ムライト鉱化剤としてのTiO2およびZrO3が1
重量%未満では焼結体の表層にムライトが析出し
にくく、10重量%を超えると気孔が増加し、抗析
強度が低下する。 また、B2O3が0.3重量%未満ではムライト析出
の効果が少なく、1重量%を超えると耐熱性が低
下すると共に強度も低下する。 また、前記SiO2とTiO2,ZrO2等のムライト鉱
化剤との組成比が1≦SiO2/ムライト鉱化剤で
あり、さらなに、SiO2とB2O3との組成比が3≦
SiO2/B2O3≦20の範囲内であることが好ましい。 その理由は、SiO2とTiO2またはZrO2等のムラ
イト鉱化剤との組成比がSiO2/ムライト鉱化剤
<1のときは強度、耐熱衝撃性が低下し、また、
SiO2とB2O3との組成比がSiO2/B2O3<3のとき
ガラスマトリツクスの安定性が損なわれ、強度、
耐熱衝撃性が低下し、さらに20<SiO2/B2O3
ときはムライトが表面に選択的に析出する効果が
少なく耐熱衝撃性が向上しないからである。以
下、本発明の実施例に基づき説明する。 平均粒径2μmのα―Al2O3と平均粒径2〜3μm
の硅石、平均粒径1〜2μmのCaCo3、Mg(OH)、
さらにH3BO3 TiO2を第1表のように調合し、ア
ルミナ製ポツト及びアルミナ製ボールにて水によ
る湿式混合粉砕を行い、全体の平均粒径を1.5μm
程度とした。このスラリーに有機結合剤として
PEGを5%加え、噴霧乾燥を行いその後100メツ
シユの節を通し、使用原料とした。この原料1000
Kg/cm2の圧力でプレス成形を行い、1450〜1650℃
の最高温度で3時間焼成し、4×5×38mmの試料
を得た。それらの焼結体を表面のX線回析による
ムライト(210)のα―Al2O3(012)に対する強
度(高さ)のピーク比によるムライト析出量
(%)、表面研摩による焼結体表層のムライト層厚
(μm)、抗析強度(Kg/mm2)、水中投下急冷による
耐熱衝撃温度差(℃)、また焼結体の緻密性を確
認するための比重、及び焼成温度を各試料につき
測定した結果を第1表に示した。
【表】
【表】 上記実施例によると、試料No.1,2はSiO2
本発明範囲外のもので、2.5重量%では焼結体の
表層にムライトが析出せず、11重量%では抗析強
度が35Kg/mm2と低い。試料No.3、4、19は焼結助
剤であるMgO及びCaOが本発明の範囲外のもの
で、0.3重量%では焼結しにくく、3.5重量%では
抗析強度30Kg/mm2と低く、無添加では焼結性が悪
い。試料No.5、7、17はTiO2が本発明の範囲外
のもので、無添加ではムライトが析出せず、0.5
重量%では表層にムライトが10%以下と析出しに
くく、11重量%では気孔が増加し、抗析強度が28
Kg/mm2と低下する。試料No.6、18はB2O3が本発
明の組成範囲外のもので、0.25重量%ではムライ
ト析出量が20%と低く、2.5重量%では耐熱衝撃
温度差が180℃と低く、強度も30Kg/mm2と低下す
る。 さらに、SiO2とTiO2又はZrO2等のムライト鉱
化剤とに組成比がSiO2/ムライト鉱化剤<1の
ときは強度、耐熱衝撃性が低下する。SiO2
B2O3との組成比がSiO2/B2O3<3のときガラス
マトリツクスの安定性が損なわれ、強度、耐熱衝
撃性が低下し、20<SiO2/B2O3のときはムライ
トが表面に選択的に析出する効果が少なく耐熱衝
撃性が向上しない。 上記実施例ではムライト鉱化剤としてTiO2
びZrO2を添加したものについて行つたが、ムラ
イト鉱化剤としてその他Fe2O3MnO2、ZrO2
MoO3及びCe2O3等の少なくとも一種を選ぶこと
もできる。 第1表に示す試料番号8〜16は何れも本発明の
範囲内のものであり、これらの試料をX線回析に
よるムライト(210)のα―Al2O3(012)に対す
る高さのピーク比は30%以上であり、特に試料番
号13は200%と多量のムライトの析出状態が測定
でき、またムライトの層厚は100μm以上で、試料
番号11、12、13は300μm以上の厚さに亘つてムラ
イトの表層が形成された。また表層にこのような
ムライト層を形成することにより焼結体の表層部
に圧縮応力が働くため、この焼結体の抗折強度
は、従来の高アルミナセラミツクスの30Kg/mm前
後から36Kg/mm2以上となり、試料番号8のものは
52Kg/mm2と高強度の焼結体が得られた。また、耐
熱衝撃特性として、水中投下急冷による耐熱衝撃
温度差の測定においては、従来の200℃以下から
230℃以上と向上し、特に試料番号8、9、10の
ものは、250〜270℃と非常に高い温度差を有して
いて耐熱衝撃特性が最も優れたものであることが
分る。 なお、線熱膨張係数は何れのものも40〜400℃
の温度範囲で64.0×10-7/℃の範囲内であり、従
来の高アルミナセラミツクスと同様である。ま
た、比重は3.4〜3.7で十分緻密化した焼結体であ
ることが分る。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 α―Al2O3から成る基体と、該基体上に形成
    されたムライト析出層とから成ることを特徴とす
    る高アルミナ含有焼結体。 2 前記ムライト析出層の析出量が表面のX線回
    析によるムライト(210)のα―Al2O3(012)に
    対する強度のピーク比で30%以上であることを特
    徴とする特許請求の範囲第1項記載の高アルミナ
    含有焼結体。 3 前記焼結体の表層に100μm以上のムライト析
    出層を形成することを特徴とする特許請求の範囲
    第1項記載の高アルミナ含有焼結体。 4 前記焼結体の耐熱衝撃温度差が200℃以上で
    あることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載
    の高アルミナ含有焼結体。 5 前記焼結体の抗折強度が36Kg/mm2以上である
    ことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の高
    アルミナ含有焼結体。 6 Al2O3が75〜95重量%、SiO2が3〜10重量
    %、ムライト鉱化剤が1〜10重量%、B2O3が0.3
    〜1重量%、MgO及びCaOのうち少なくとも一
    種を0.4〜3重量%から成る組成物を成形且つ焼
    結し、焼結体の表層にムライト析出層を形成する
    ことを特徴とする高アルミナ含有焼結体の製造方
    法。 7 前記SiO2とムライト鉱化剤との組成比が1
    ≦SiO2/ムライト鉱化剤であることを特徴とす
    る特許請求の範囲第6項記載の高アルミナ含有焼
    結体の製造方法。 8 前記SiO2とB2O3との組成比が3≦SiO2
    B2O3≦20の範囲内であることを特徴とする特許
    請求の範囲第6項記載の高アルミナ含有焼結体の
    製造方法。
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