JP4605829B2 - High strength, high hardness alumina ceramics and manufacturing method thereof - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高強度と高硬度を兼ね備えたアルミナセラミックスとそ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】
従来、セラミック部材の中でも耐摩耗性、耐熱性、耐薬品性等の点で優れた特性を有するとともに、圧倒的に安価でかつ工業的に有用な材料としてアルミナセラミックスが使用されており、例えば、ディスクバルブ、ベーンポンプのベーン、プランジャーポンプのプランジャーロッド等の摺動部材や各種粉砕部材、さらには切削、研磨工具など様々な用途で使用されている。
【０００３】
しかしながら、アルミナセラミックスは上述のような優れた特性を有する反面ジルコニアセラミックスや窒化珪素質セラミックスなどの他のセラミックスに比べて抗折強度が低いことから、高い応力のかかる部分に安定して使用することができなかった。
【０００４】
そこで、近年、アルミナセラミックスの抗折強度を向上させるために、例えば、炭化珪素やジルコニアなどのアルミナとは異種の粒子をアルミナ粒子内および粒界に分散させたアルミナセラミックスが提案されている（特公昭５９−２４７５１号、特公昭５９−２５７４８号公報参照）。
【０００５】
この種のアルミナセラミックスは、主体をなすアルミナ粉末に、分散させる炭化珪素粉末やジルコニア粉末を添加して混練乾燥させることにより造粒体を作製し、該造粒体を所定形状に形成したあと１４００〜１７５０℃の温度で焼成することにより形成したものであり、炭化珪素やジルコニアがアルミナ粒子内および粒界に介在したものであった。
【０００６】
このように炭化珪素やジルコニアを含有させることにより強度が向上する理由としては、粒子内に存在している炭化珪素が内部応力によりクラックの進展を偏向させたり、粒界に存在している炭化珪素が粒界の進展を直接阻止したり、あるいは、ジルコニア粒子の応力誘起変態によりクラックの進展エネルギーが吸収されるためであると考えられている。
【０００７】
ところが、ジルコニア原料はアルミナ原料に比べて高価な原料であり、前述したアルミナセラミックスのように、ジルコニアを焼結体の粒界やアルミナ粒子内に介在させたものでは、アルミナセラミックスの強度および硬度を高めるために添加するジルコニア量が多くなり、高価な材料となってしまうといった課題があった。また、炭化珪素を分散粒子としたアルミナセラミックスはホットプレスなどの加圧焼結でないと緻密化しないため、常圧焼結で高強度、高硬度を有するアルミナセラミックスを製作することは困難であった。
【０００８】
このように、ジルコニアに代わる安価な分散粒子ならびに、高強度、高硬度を維持しつつ分散量を減少させることができる製法が望まれていた。
【０００９】
【発明の目的】
本発明は分散粒子をＹＡＧ粒子とし、少量の添加で高硬度でかつ高強度を兼ね備えたアルミナセラミックスとその製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
そこで、本件発明者らは種々研究を重ねたところ、ＡｌイオンとＹイオンとを原子レベルで均一に混合した溶液にアルミナ粉末を添加してＡｌ−Ｙ系水酸化物とアルミナからなる混合粉体を得たあと、該混合粉体を仮焼きすることでＹＡＧ粒子が分散したアルミナ粉体を作製し、このアルミナ粉体を通常のセラミック製造方法でもって製造することによりＹＡＧ粒子の含有量を少なくしてもアルミナセラミックスの硬度と強度を向上させることができることを見出したものである。
【００１１】
即ち、本発明は上記課題に鑑み、ＹＡＧ粒子を１．０〜１２．０重量％含有し、焼結助剤を１重量％以下（０重量％を含む）含有し、残部がアルミナからなり、上記ＹＡＧ粒子の平均結晶粒子径を０．０６〜１．２１μｍでかつアルミナの平均結晶粒子径を０．８〜４．０μｍとするとともに、上記ＹＡＧ粒子を焼結体中の粒界及びアルミナ粒子内の双方に分散させて高強度、高硬度を有するアルミナセラミックスを構成したものである。
【００１２】
また、本発明は上記高強度、高硬度を有するアルミナセラミックスを得るために、アルミニウム塩とイットリウム塩とを水に溶解させて、Ａｌイオン及びＹイオンを原子レベルで均一に混合した溶液を作製する工程と、該溶液にアルミナの粉末を添加し、アンモニアを加えて中和反応させることによりＡｌ−Ｙ系水酸化物とアルミナからなる混合粉体を作製し、該混合粉体を３００〜１０００℃で仮焼きした後に粉砕することでＹＡＧ粒子が分散したアルミナ粉体を得る工程と、このアルミナ粉体に溶媒とバインダーを添加して造粒体を作製し、所定形状に成形した後１４５０〜１７００℃の温度で焼成する工程とを有する製造方法としたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明のアルミナセラミックスは、図１に組織構造を示す如く、安価でかつ微細なＹＡＧ粒子をアルミナセラミックスの粒界だけでなくアルミナ粒子内にも分散させたことを特徴とする。
【００１４】
即ち、セラミックスの破壊に伴う、クラックの進展を粒界に存在するＹＡＧ粒子により阻止するとともに、アルミナ粒子内に存在するＹＡＧ粒子によりクラックの進展を偏向させることができる。しかも、後述する如くＹＡＧ原料を溶液状態でマトリックスのアルミナ粉末と混合するため、微細かつ均一な分散が可能となり、ＹＡＧ粒子の分散量を少量としても、クラックの進展を阻止する効果を十分に発揮させることができる。また、ＹＡＧ粒子は焼成時におけるアルミナの粒成長を抑する作用があることから緻密化することができ、高強度でかつ高硬度を有する安価なアルミナセラミクスを得ることができる。
【００１５】
このようなアルミナセラミックスを構成するには、焼結体の粒界及びアルミナ粒子内に分散させるＹＡＧ粒子の平均粒子径を０．０６〜１．２１μｍとするとともに、アルミナの平均結晶粒子径を０．８〜４．０μｍとすることが必要である。
【００１６】
これはＹＡＧ粒子の平均粒子径が１．２１μｍより大きくなるとアルミナの結晶粒子径に対する割合が大きくなり過ぎるためにアルミナそのものの特性を劣化させ、アルミナセラミックスの強度及び硬度を大幅に低下させてしまうからであり、逆にＹＡＧ粒子の平均粒子径が０．０６μｍ未満とすることは製造上難しいからである。
【００１７】
また、アルミナの平均結晶粒子径が４．０μｍより大きくなると焼結体中に微細なボイドが多数介在することになるために強度及び硬度を向上させることができず、逆に、ＹＡＧ粒子を分散させたアルミナの平均結晶粒子径を０．８μｍ未満とすることは製造上難しいからである。
【００１８】
なお、より好ましいＹＡＧ粒子の平均粒子径としては０．０６〜０．５μｍが良く、また、アルミナの平均結晶粒子径としては０．８〜３．０μｍが良い。
【００１９】
さらに、アルミナセラミックスの強度及び硬度を向上させるためにはＹＡＧ粒子の含有量も重要な要件となる。
【００２０】
即ち、ＹＡＧ粒子の含有量が１．０重量％未満では焼結時におけるアルミナ粒子の粒成長を充分に抑制することができないために強度及び硬度を向上させることができず、ＹＡＧ粒子の含有量が１２．０重量％より多くなるとアルミナ粒子内に多量のＹＡＧ粒子が分散することになるため、アルミナそのものの特性を劣化させ、アルミナセラミックスの強度及び硬度を低下させてしまうからである。
【００２１】
その為、アルミナセラミックスに含有させるＹＡＧ粒子の含有量は１．０〜１２．０重量％の範囲が良く、好ましくは３〜１０重量％の範囲で含有させ、残部は実質的にアルミナからなるものが良い。
【００２２】
なお、残部が実質的にアルミナからなるとは、ＹＡＧ以外は殆どがアルミナから構成されるいることを指し、アルミナセラミックスの焼結性を助けるためにＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｉＯ₂ 等の焼結助剤を若干含有していても良いが、これらの焼結助剤は多くとも１重量％以下である。
【００２３】
かくして、本発明に係るアルミナセラミックスはビッカース硬度（Hv1.0)が１７００ｋｇ／ｍｍ² 以上と、本発明のアルミナセラミックスと同程度のアルミナ含有量を有する従来のアルミナセラミックスに比べて硬度を高めることができるとともに、抗折強度が５０ｋｇ／ｍｍ² 以上と高い機械的強度を兼ね備えたものとすることができる。
【００２４】
次に、本発明に係るアルミナセラミックスの製造方法について説明する。
【００２５】
図２は本発明に係るアルミナセラミックスの製造プロセスを示すフローチャート図である。まず、ＡｌイオンとＹイオンを原子レベルで均一に混合した溶液を作製する。そして、この溶液にアルミナ粉末を添加して中和反応させることによりＡｌ−Ｙ系水酸化物とアルミナからなる混合粉体を得たあと、この混合粉体を３００〜１０００℃で仮焼きすることによりＹＡＧ粒子を分散させたアルミナ粉体を製作する。
【００２６】
具体的には水溶性のアルミニウム塩とイットリウム塩とを水に溶解させて溶液を作製し、この溶液にアルミナ粉末を添加してアンモニアでもって中和反応させることにより、Ａｌ−Ｙ系水酸化物とアルミナからなる混合粉体を作製し、これを３００〜１０００℃で仮焼きすることによりＹＡＧ粒子が分散したアルミナ粉体を形成し、１．５μｍ以下に粉砕する。
【００２７】
ここで、アルミナ粉体中にＹＡＧ粒子を分散させることができるのは、図３にアルミナ−イットリア系の平衡状態図を示すように、室温では３Ｙ₂ Ｏ₃ ・５Ａｌ₂ Ｏ₃ （ＹＡＧ：イットリウム・アルミニウム・ガーネット）と２Ｙ₂ Ｏ₃ ・Ａｌ₂ Ｏ₃ の２種類の化合物が存在し、３Ｙ₂ Ｏ₃ ・５Ａｌ₂ Ｏ₃ （ＹＡＧ）はアルミナとイットリアのモル比がＡｌ₂ Ｏ₃ ／Ｙ₂ Ｏ₃ ＝６２．５／３７．５である時、２Ｙ₂ Ｏ₃ ・Ａｌ₂ Ｏ₃ はアルミナとイットリアのモル比がＡｌ₂ Ｏ₃ ／Ｙ₂ Ｏ₃ ＝３３．３／６６．７である時に析出する。
【００２８】
そして、本発明の製法によれば、ＡｌイオンとＹイオンを原子レベルで均一に混合した溶液にさらにアルミナ粉末を添加してあることからアルミナ量が多くなり、アルミナ粒子に分散する化合物が３Ｙ₂ Ｏ₃ ・５Ａｌ₂ Ｏ₃ （ＹＡＧ）として析出するためと考えられる。
【００２９】
次に、得られたアルミナ粉体に溶媒及びバインダーを添加して混練乾燥することにより造粒体を作製し、この造粒体を一軸加圧成形法、等加圧成形法、泥漿鋳込法、射出成形法など通常のセラミックス成形法により所定形状に成形したあと、１４５０〜１７００℃、好ましくは１５００〜１６５０℃の大気中など酸化雰囲気中あるいは水素や窒素雰囲気中にて焼成することにより得ることができる。
【００３０】
なお、焼成温度を１４５０〜１７００℃とするのは、焼成温度が１４５０℃未満ではアルミナ粉体の焼結性が不充分であるために緻密化することができず、また、焼成温度が１７００℃より高くなるとアルミナ粒子が異常粒成長することから、いずれにおいてもアルミナセラミックスの強度及び硬度を向上させることができないからである。
【００３１】
このようにＡｌイオンとＹイオンを原子レベルで均一に混合した溶液にアルミ粉末を添加してＡｌ−Ｙ系水酸化物とアルミナからなる混合粉体を作製し、この混合粉体を仮焼きして原料粉末を作製するようにしたことから、ＹＡＧ粒子の含有量が少量にもかかわらず、高強度でかつ高硬度を兼ね備えたアルミナセラミックスを得ることができる。
【００３２】
（実施例）
以下、本発明の実施例について説明する。
【００３３】
ＡｌＣｌ₃ ・６Ｈ₂ Ｏを９．１２６重量％、ＹＣｌ₃ ・６Ｈ₂ Ｏを６．８７９重量％の割合で水に混合して溶液を作製し、この溶液中にアルミナ粉末を８３．９９５重量％添加混合したあとアンモニア（２８％）を加えて中和反応させることによりＡｌ−Ｙ系水酸化物とアルミナからなる混合粉体を作製した。そして、この混合粉体を乾燥させたあとに９００℃の温度で仮焼きして粗粉砕することにより二次原料としてＹＡＧ粒子を分散させたアルミナ粉体を作製した。なお、分散粒子については、Ｘ線回折法によりＹＡＧ粒子であることを確認した。
【００３４】
次に、得られたアルミナ粉体に対してバインダーと溶媒として水を添加して混練乾燥させることにより造粒体を作製し、該造粒体を型内に充填して冷間静水圧成形法（ＣＩＰ）により円柱状に成形したあと、この成形体を１６００℃の大気雰囲気中にて焼成することにより、ＹＡＧ粒子を５．０重量％含有したアルミナセラミックスを得た。
【００３５】
そして、このアルミナセラミックスに研削加工を施して角柱状の試料を製作し、ＳＥＭ写真を撮影して観察したところ、ＹＡＧ粒子が焼結体の粒界及びアルミナ粒子内の双方に分散していた。また、ＳＥＭ写真よりアルミナ粒子及びＹＡＧ粒子の平均結晶粒子径を測定したところ、アルミナの平均結晶粒子径は２．０μｍ、ＹＡＧ粒子の平均結晶粒子径は０．５μｍであった。なお、アルミナ粒子及びＹＡＧ粒子の平均結晶粒子径は、画像解析装置（ルーゼックス）を用いて測定した。
【００３６】
さらに、このアルミナセラミックスの硬度をＪＩＳ Ｒ １６１０により、抗折強度をＪＩＳ Ｒ １６０１によりそれぞれ測定したところ、ビッカース硬度（Hv1.0)は１７７８ｋｇ／ｍｍ² 、抗折強度は６４．３ｋｇ／ｍｍ² を有していた。
【００３７】
（実験例１）
そこで、アルミナ含有量が９９．５％であるアルミナセラミックスを基準試料として用意し、機械的特性について実施例のアルミナセラミックスとの比較測定を行った。
【００３８】
なお、本実験では各試料を３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍの角柱体とし、見掛密度はＪＩＳ Ｃ ２１４１のアルキメデス法に準拠し、破壊靱性値の測定はＩＦ法により３０ｋｇｆの荷重をかけた状態で１５秒間保持して測定した。
【００３９】
また、ビッカース硬度の測定については前述したようにＪＩＳ Ｒ １６１０に準拠し、ダイヤモンド圧子の試験荷重を１０００ｇｆで５秒間保持して測定し、抗折強度はＪＩＳ Ｒ １６０１に準拠し、スパン幅３０ｍｍ、クロスヘッドスピード０．５ｍｍ／ｍｉｎの条件にて行った。
【００４０】
それぞれの結果を表１に示す。
この結果、表１より判るように、実施例におけるアルミナセラミックスは基準試料と比較してアルミナ含有量が少ないものの、ＹＡＧ粒子の分散によって抗折強度およびビッカース硬度を大幅に向上させることができた。しかも、アルミナの粒成長を抑制することができ、基準試料に対して見掛密度を高めることもできた。
【００４１】
【表１】

【００４２】
（実験例２）
次に、ＹＡＧ粒子の含有量を異ならせたアルミナセラミックスを実施例と同様の製法により用意し、各々の抗折強度とビッカース硬度について測定を行い、抗折強度が５０ｋｇ／ｍｍ² 以上、ビッカース硬度が１７００ｋｇ／ｍｍ² 以上を有するものを優れたものとして評価した。
【００４３】
それぞれの結果は表２に示す通りである。
この結果、試料Ｎｏ．１では、ＹＡＧ粒子を全く含有していないことから抗折強度が３５ｋｇ／ｍｍ² 、ビッカース硬度が１６４０ｋｇ／ｍｍ² と低かった。
【００４４】
また、試料Ｎｏ．７，８は、ＹＡＧ粒子の含有量が１２．０重量％より多いために、試料Ｎｏ．８では抗折強度５０ｋｇ／ｍｍ^２以上、ビッカース硬度１７００ｋｇ／ｍｍ^２以上の双方の特性を満足することができず、試料Ｎｏ．７ではビッカース硬度１７００ｋｇ／ｍｍ^２以上を満足することができなかった。
【００４５】
これに対し、試料Ｎｏ．２〜６は、ＹＡＧ粒子の含有量が１．０〜１２．０重量％の範囲にあるため、抗折強度を５０ｋｇ／ｍｍ^２以上、ビッカース硬度を１７００ｋｇ／ｍｍ^２以上とすることができた。特に、ＹＡＧ粒子の含有量が３．０〜１０重量％の範囲にある試料Ｎｏ．３〜５では、抗折強度を６０ｋｇ／ｍｍ^２以上、ビッカース硬度を１７５０ｋｇ／ｍｍ^２以上とすることができ、優れた機械的特性が得られることが判る。
【００４６】
【表２】

【００４７】
（実験例３）
次に、ＹＡＧ粒子の含有量を５重量％としたアルミナセラミックスにおいて、アルミナ粒子およびＹＡＧ粒子の平均結晶粒子径をそれぞれ異ならせたものを実施例と同様の製法にて用意し、各々の抗折強度及びビッカース硬度について測定を行った。
【００４８】
それぞれの結果は表３に示す通りである。この結果、ＹＡＧ粒子及びアルミナ粒子の平均結晶粒子径が小さいほど、強度及び硬度を高められることが判る。ただし、試料Ｎｏ．１４のようにＹＡＧ粒子の平均結晶粒子径が１．２１μｍより大きく、また、アルミナ粒子の平均結晶粒子径が４．０μｍより大きくなると、抗折強度５０ｋｇ／ｍｍ^２以上、ビッカース硬度１７００ｋｇ／ｍｍ^２以上の双方の特性を満足することができず、また、試料Ｎｏ．１３のようにアルミナ粒子の平均結晶粒子径が４．０μｍより大きくなっても、抗折強度５０ｋｇ／ｍｍ^２以上、ビッカース硬度１７００ｋｇ／ｍｍ^２以上の双方の特性を満足することができなかった。
【００４９】
これに対し、ＹＡＧ粒子の平均結晶粒子径が１．２１μｍ以下でかつアルミナ粒子の平均結晶粒子径が０．８μｍ以上４．０μｍ以下である試料Ｎｏ．９〜１２のものは、アルミナセラミックスの抗折強度を５０ｋｇ／ｍｍ^２以上、ビッカース硬度を１７００ｋｇ／ｍｍ^２以上とすることができた。特に試料Ｎｏ．９〜１１のように、ＹＡＧ粒子の平均結晶粒子径が０．０６μｍ以上でかつアルミナ粒子の平均結晶粒子径が３．０μｍ以下のものは、アルミナセラミックスの抗折強度を６０ｋｇ／ｍｍ^２以上、ビッカース硬度を１７５０ｋｇ／ｍｍ^２以上とでき、優れていた。
【００５０】
このことから、ＹＡＧ粒子の平均結晶粒子径は０．０６〜１．２１μｍ、アルミナ粒子の平均結晶粒子径は０．８〜４．０μｍの範囲が良く、より好ましくはＹＡＧ粒子の平均結晶粒子径が０．０６〜０．５μｍ、アルミナ粒子の平均結晶粒子径が０．８〜３．０μｍの範囲にあるものが良いことが判る。
【００５１】
【表３】

【００５２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、ＹＡＧ粒子を１．０〜１２．０重量％の範囲で含有し、焼結助剤を１重量％以下（０重量％を含む）含有し、残部がアルミナからなり、上記ＹＡＧ粒子の平均結晶粒子径を０．０６〜１．２１μｍでかつアルミナの平均結晶粒子径を０．８〜４．０μｍとするとともに、上記ＹＡＧ粒子を焼結体の粒界及びアルミ結晶中の双方に分散させてアルミナセラミックスを構成したことにより、安価に高硬度でかつ高強度を有するアルミナセラミックスを得ることができる。
【００５３】
また、本発明は、アルミニウム塩とイットリウム塩とを水に溶解させて、ＡｌイオンとＹイオンを原子レベルで均一に混合した溶液にアルミナ粉末を添加し、アンモニアを加えて中和反応させることによりＡｌ−Ｙ系水酸化物とアルミナからなる混合粉体を作製し、この混合粉体を３００〜１０００℃で仮焼きした後に粉砕してＹＡＧ粒子が分散したアルミナ粉体を作製し、このアルミナ粉体に溶媒とバインダーを添加して造粒体を作製し、所定形状に成形した後１４５０〜１７００℃の温度で焼成してアルミナセラミックスを製造するようにしたことから、焼結体の粒界及びアルミナ粒子内に少量のＹＡＧ粒子をほぼ均一に分散させることができ、高硬度でかつ高強度を兼ね備えたアルミナセラミックスを容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るアルミナセラミックスの組織構造を示す模式図である。
【図２】本発明に係るアルミナセラミックスの製造プロセスを示すフローチャート図である。
【図３】アルミナ−イットリア系の平衡状態図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an alumina ceramic having both high strength and high hardness and a method for producing the same.
[0002]
[Prior art and problems to be solved by the invention]
Conventionally, among ceramic members, it has excellent characteristics in terms of wear resistance, heat resistance, chemical resistance, etc., and alumina ceramics are used as an overwhelmingly inexpensive and industrially useful material, for example, It is used in various applications such as sliding members such as disc valves, vanes of vane pumps, plunger rods of plunger pumps, various grinding members, and cutting and polishing tools.
[0003]
However, alumina ceramics have excellent characteristics as described above, but have low bending strength compared to other ceramics such as zirconia ceramics and silicon nitride ceramics, so they should be used stably in areas where high stress is applied. I could not.
[0004]
Therefore, in recent years, in order to improve the bending strength of alumina ceramics, for example, alumina ceramics in which particles different from alumina such as silicon carbide and zirconia are dispersed in alumina particles and at grain boundaries have been proposed (special features). No. 59-24751 and Japanese Examined Publication No. 59-25748).
[0005]
This type of alumina ceramic is prepared by adding a silicon carbide powder or zirconia powder to be dispersed to an alumina powder as a main component and kneading and drying the granulated body. After forming the granulated body into a predetermined shape, 1400 It was formed by firing at a temperature of ˜1750 ° C., and silicon carbide and zirconia were interposed in the alumina particles and in the grain boundaries.
[0006]
The reason why the strength is improved by containing silicon carbide or zirconia in this way is that silicon carbide existing in the grains deflects the progress of cracks due to internal stress, or silicon carbide existing in grain boundaries. It is thought that this is because the growth energy of cracks is absorbed directly by the prevention of grain boundary growth or by stress-induced transformation of zirconia particles.
[0007]
However, the zirconia raw material is an expensive raw material compared to the alumina raw material, and when the zirconia is interposed between the grain boundaries of the sintered body and the alumina particles as in the above-mentioned alumina ceramic, the strength and hardness of the alumina ceramic is low. There was a problem that the amount of zirconia added for the purpose of increase was increased, resulting in an expensive material. In addition, alumina ceramics with dispersed silicon carbide particles are not densified unless pressure sintering such as hot pressing, so it was difficult to produce alumina ceramics with high strength and high hardness by atmospheric pressure sintering. .
[0008]
Thus, there has been a demand for inexpensive dispersed particles that can replace zirconia, and a production method that can reduce the amount of dispersion while maintaining high strength and high hardness.
[0009]
OBJECT OF THE INVENTION
An object of the present invention is to provide alumina ceramics having high hardness and high strength by adding a small amount of dispersed particles as YAG particles and a method for producing the same.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, the present inventors have made various studies, and as a result, alumina powder is added to a solution in which Al ions and Y ions are uniformly mixed at the atomic level, and a mixed powder composed of Al-Y hydroxide and alumina. After that, the mixed powder is calcined to produce alumina powder in which YAG particles are dispersed, and this alumina powder is produced by a normal ceramic production method to reduce the content of YAG particles. Even so, it has been found that the hardness and strength of alumina ceramics can be improved.
[0011]
That is, in view of the above problems, the present invention contains 1.0 to 12.0% by weight of YAG particles, 1% by weight or less (including 0% by weight) of a sintering aid, and the balance is made of alumina. The average crystal particle diameter of the YAG particles is 0.06 to 1.21 μm, the average crystal particle diameter of alumina is 0.8 to 4.0 μm, and the YAG particles are separated from the grain boundaries and alumina particles in the sintered body. Alumina ceramics having a high strength and a high hardness are formed by dispersing both of them.
[0012]
In addition, in order to obtain the above-mentioned high strength and high hardness alumina ceramics, the present invention dissolves aluminum salt and yttrium salt in water to produce a solution in which Al ions and Y ions are uniformly mixed at the atomic level. A mixed powder composed of Al-Y hydroxide and alumina is prepared by adding an alumina powder to the solution and adding ammonia to the solution to cause a neutralization reaction; a step of YAG particles obtain alumina powder dispersed in in grinding after calcining, after this alumina powder with addition of solvent and a binder to prepare a granular material was molded into a predetermined shape from 1450 to 1700 ℃ is obtained by a production method having a step of firing at a temperature of.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
As shown in FIG. 1, the alumina ceramic of the present invention is characterized in that inexpensive and fine YAG particles are dispersed not only in the grain boundaries of alumina ceramics but also in the alumina particles.
[0014]
That is, it is possible to prevent the progress of cracks accompanying the destruction of ceramics by the YAG particles present at the grain boundaries and to deflect the progress of cracks by the YAG particles present in the alumina particles. Moreover, since the YAG raw material is mixed with the matrix alumina powder in a solution state as will be described later, fine and uniform dispersion is possible, and even if the amount of YAG particles dispersed is small, the effect of preventing the progress of cracks is fully exhibited. Can be made. In addition, YAG particles can be densified because they have an action of suppressing the grain growth of alumina during firing, and an inexpensive alumina ceramic having high strength and high hardness can be obtained.
[0015]
In order to constitute such an alumina ceramic, the average particle size of YAG particles dispersed in the grain boundaries and alumina particles of the sintered body is set to 0.06 to 1.21 μm, and the average crystal particle size of alumina is set to It is necessary to set it as 0.8-4.0 micrometers.
[0016]
This is because when the average particle diameter of YAG particles is larger than 1.21 μm, the ratio of alumina to the crystal particle diameter becomes too large, so that the characteristics of alumina itself deteriorate and the strength and hardness of alumina ceramics are greatly reduced. This is because, on the contrary, it is difficult in manufacturing that the average particle diameter of the YAG particles is less than 0.06 μm.
[0017]
Further, when the average crystal particle diameter of alumina is larger than 4.0 μm, a large number of fine voids are present in the sintered body, so that the strength and hardness cannot be improved. This is because it is difficult to produce an average crystal particle diameter of dispersed alumina of less than 0.8 μm.
[0018]
A more preferable average particle diameter of YAG particles is 0.06 to 0.5 μm, and an average crystal particle diameter of alumina is preferably 0.8 to 3.0 μm.
[0019]
Furthermore, the content of YAG particles is an important requirement for improving the strength and hardness of alumina ceramics.
[0020]
That is, if the content of YAG particles is less than 1.0 % by weight, the grain growth of alumina particles during sintering cannot be sufficiently suppressed, so the strength and hardness cannot be improved, and the content of YAG particles This is because if the amount exceeds 12.0 % by weight, a large amount of YAG particles are dispersed in the alumina particles, so that the characteristics of the alumina itself are deteriorated and the strength and hardness of the alumina ceramics are lowered.
[0021]
Therefore, the content of YAG particles to be contained in the alumina ceramic is preferably in the range of 1.0 to 12.0 % by weight, preferably in the range of 3 to 10% by weight, with the balance being substantially made of alumina. Is good.
[0022]
In addition, that the balance is substantially made of alumina means that most of the material other than YAG is made of alumina, and a sintering aid such as MgO, CaO, or SiO ₂ is added to assist the sintering of alumina ceramics. Although it may be contained slightly, these sintering aids are at most 1% by weight.
[0023]
Thus, the alumina ceramic according to the present invention has a Vickers hardness (Hv1.0) of 1700 kg / mm ² or more, which can increase the hardness compared to the conventional alumina ceramic having the same alumina content as the alumina ceramic of the present invention. In addition, the bending strength can be 50 kg / mm ² or more and high mechanical strength.
[0024]
Next, a method for producing the alumina ceramic according to the present invention will be described.
[0025]
FIG. 2 is a flowchart showing the production process of alumina ceramics according to the present invention. First, a solution in which Al ions and Y ions are uniformly mixed at an atomic level is prepared. And after obtaining the mixed powder which consists of an Al-Y system hydroxide and alumina by adding alumina powder to this solution and making it neutralize, this mixed powder is calcined at 300-1000 ° C. Alumina powder in which YAG particles are dispersed is manufactured.
[0026]
Specifically, a water-soluble aluminum salt and an yttrium salt are dissolved in water to prepare a solution, and alumina powder is added to this solution and neutralized with ammonia to thereby obtain an Al-Y hydroxide. A mixed powder consisting of alumina and alumina is prepared, and calcined at 300 to 1000 ° C. to form alumina powder in which YAG particles are dispersed, and pulverized to 1.5 μm or less.
[0027]
Here, the YAG particles can be dispersed in the alumina powder because, as shown in FIG. 3, the equilibrium state diagram of the alumina-yttria system is 3Y ₂ O ₃ .5Al ₂ O ₃ (YAG: yttrium at room temperature). aluminum garnet) and two compounds of _{2Y 2 O 3 · Al 2 O} 3 is _{present, 3Y 2 O 3 · 5Al 2} O 3 (YAG) is the molar ratio of alumina and yttria Al ₂ O ₃ / Y _{When 2} O ₃ = 62.5 / 37.5, 2Y ₂ O ₃ .Al ₂ O ₃ has a molar ratio of alumina to yttria of Al ₂ O ₃ / Y ₂ O ₃ = 33.3 / 66.7. Precipitates at some point.
[0028]
According to the production method of the present invention, since the alumina powder is further added to the solution in which Al ions and Y ions are uniformly mixed at the atomic level, the amount of alumina increases, and the compound dispersed in the alumina particles becomes 3Y _2. O ₃ · 5Al ₂ O ₃ is considered to precipitate as (YAG).
[0029]
Next, a granulated body is prepared by adding a solvent and a binder to the obtained alumina powder and kneading and drying, and this granulated body is uniaxial pressure molding method, equal pressure molding method, slurry casting method After being molded into a predetermined shape by an ordinary ceramic molding method such as injection molding, it is obtained by firing in an oxidizing atmosphere such as air at 1450 to 1700 ° C., preferably 1500 to 1650 ° C., or in a hydrogen or nitrogen atmosphere. Can do.
[0030]
Note that the firing temperature is 1450 to 1700 ° C. If the firing temperature is less than 1450 ° C., the alumina powder cannot be densified due to insufficient sinterability, and the firing temperature is 1700 ° C. This is because the alumina particles grow abnormally at higher temperatures, so that the strength and hardness of the alumina ceramics cannot be improved in any case.
[0031]
In this way, aluminum powder is added to the solution in which Al ions and Y ions are uniformly mixed at the atomic level to produce a mixed powder composed of Al-Y hydroxide and alumina, and this mixed powder is calcined. Thus, the alumina powder having high strength and high hardness can be obtained although the content of the YAG particles is small.
[0032]
(Example)
Examples of the present invention will be described below.
[0033]
AlCl ₃ · 6H ₂ O was mixed with water at a ratio of 9.126% by weight and YCl ₃ · 6H ₂ O at a rate of 6.879% by weight to prepare a solution, and 83.995% by weight of alumina powder was added to this solution. After the addition and mixing, ammonia (28%) was added to cause a neutralization reaction, thereby preparing a mixed powder composed of Al—Y hydroxide and alumina. And after drying this mixed powder, it calcined at the temperature of 900 degreeC and coarsely pulverized, and thereby the alumina powder which disperse | distributed YAG particle | grains as a secondary raw material was produced. The dispersed particles were confirmed to be YAG particles by X-ray diffraction.
[0034]
Next, a granulated body is prepared by adding water as a binder and a solvent to the obtained alumina powder and kneading and drying, and the granulated body is filled in a mold and subjected to a cold isostatic pressing method. After being formed into a cylindrical shape by (CIP), this molded body was fired in an air atmosphere at 1600 ° C. to obtain alumina ceramics containing 5.0% by weight of YAG particles.
[0035]
The alumina ceramics were ground to produce a prismatic sample, and SEM photographs were taken and observed. As a result, YAG particles were dispersed both in the grain boundaries of the sintered body and in the alumina particles. Further, when the average crystal particle size of the alumina particles and the YAG particles was measured from the SEM photograph, the average crystal particle size of alumina was 2.0 μm, and the average crystal particle size of the YAG particles was 0.5 μm. In addition, the average crystal particle diameter of alumina particles and YAG particles was measured using an image analyzer (Luzex).
[0036]
Moreover, this alumina ceramics hardness JIS R 1610, where the bending strength were measured by JIS R 1601, the Vickers hardness (HV1.0) is 1778kg / mm ^2, bending strength of 64.3kg / mm ² Had.
[0037]
(Experimental example 1)
Therefore, alumina ceramics having an alumina content of 99.5% were prepared as reference samples, and the mechanical characteristics were compared with those of the alumina ceramics of the examples.
[0038]
In this experiment, each sample was a prismatic body of 3 mm × 4 mm × 40 mm, the apparent density was in accordance with the Archimedes method of JIS C 2141, and the fracture toughness value was measured with a load of 30 kgf applied by the IF method. Measured by holding for 2 seconds.
[0039]
As described above, the measurement of the Vickers hardness is based on JIS R 1610, the test load of the diamond indenter is measured by holding at 1000 gf for 5 seconds, the bending strength is based on JIS R 1601, the span width is 30 mm, The cross head speed was 0.5 mm / min.
[0040]
The results are shown in Table 1.
As a result, as can be seen from Table 1, although the alumina ceramics in the examples had less alumina content than the reference sample, the bending strength and Vickers hardness could be greatly improved by the dispersion of YAG particles. Moreover, the grain growth of alumina can be suppressed, and the apparent density can be increased with respect to the reference sample.
[0041]
[Table 1]

[0042]
(Experimental example 2)
Next, alumina ceramics with different YAG particle contents were prepared by the same manufacturing method as in the examples, and the bending strength and Vickers hardness were measured. The bending strength was 50 kg / mm ² or more, and the Vickers hardness was measured. Having 1700 kg / mm ² or more was evaluated as excellent.
[0043]
Each result is as shown in Table 2.
As a result, sample no. In 1, the bending strength since it does not contain any YAG particles 35 kg / mm ^2, the Vickers hardness was as low as 1640kg / mm ^2.
[0044]
Sample No. Samples Nos. 7 and 8 have a YAG particle content of more than 12.0 % by weight. No. 8 cannot satisfy the characteristics of bending strength of 50 kg / mm ² or more and Vickers hardness of 1700 kg / mm ² or more. In No. 7, Vickers hardness of 1700 kg / mm ² or more could not be satisfied.
[0045]
In contrast, sample no. In Nos. 2 to 6, since the YAG particle content is in the range of 1.0 to 12.0 % by weight, the bending strength can be 50 kg / mm ² or more and the Vickers hardness can be 1700 kg / mm ² or more. . In particular, Sample No. with YAG particle content in the range of 3.0 to 10% by weight. In 3-5, it can be understood that the bending strength can be 60 kg / mm ² or more, the Vickers hardness can be 1750 kg / mm ² or more, and excellent mechanical properties can be obtained.
[0046]
[Table 2]

[0047]
(Experimental example 3)
Next, alumina ceramics having a YAG particle content of 5% by weight, with different average crystal particle diameters of alumina particles and YAG particles, were prepared by the same manufacturing method as in the examples. Measurements were made for strength and Vickers hardness.
[0048]
Each result is as shown in Table 3. As a result, it can be seen that the smaller the average crystal particle size of the YAG particles and the alumina particles, the higher the strength and hardness. However, Sample No. 14, when the average crystal particle size of YAG particles is larger than 1.21 μm and the average crystal particle size of alumina particles is larger than 4.0 μm, the bending strength is 50 kg / mm ² or more, and the Vickers hardness is 1700 kg / Both of the characteristics of mm ² or more cannot be satisfied. As shown in FIG. 13, even when the average crystal particle diameter of the alumina particles was larger than 4.0 μm, it was not possible to satisfy both the properties of bending strength of 50 kg / mm ² or more and Vickers hardness of 1700 kg / mm ² or more. .
[0049]
On the other hand, sample Nos. 1 and 2 having an average crystal particle diameter of YAG particles of 1.21 μm or less and an alumina crystal having an average crystal particle diameter of 0.8 μm to 4.0 μm. 9 to 12 were able to make the bending strength of alumina ceramics 50 kg / mm ² or more and Vickers hardness 1700 kg / mm ² or more. In particular, sample no. As in 9-11, the mean crystal grain size of the average crystal grain size of 0.06 [mu] m or more on a and alumina particles of YAG particles that following 3.0μm is the bending strength of the alumina ceramics 60 kg / mm ² As described above, the Vickers hardness was 1750 kg / mm ² or more, which was excellent.
[0050]
Therefore, the average crystal particle size of YAG particles is preferably 0.06 to 1.21 μm, and the average crystal particle size of alumina particles is preferably 0.8 to 4.0 μm, more preferably the average crystal of YAG particles. It can be seen that a particle diameter of 0.06 to 0.5 μm and an average crystal particle diameter of alumina particles in the range of 0.8 to 3.0 μm are preferable.
[0051]
[Table 3]

[0052]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the YAG particles are contained in the range of 1.0 to 12.0% by weight, the sintering aid is contained in an amount of 1% by weight or less (including 0% by weight), and the balance is The YAG particles have an average crystal particle size of 0.06 to 1.21 μm and an alumina average crystal particle size of 0.8 to 4.0 μm. In addition, alumina ceramics having a high hardness and high strength can be obtained at low cost by constituting alumina ceramics by dispersing them both in the aluminum crystal.
[0053]
The present invention also Rukoto an aluminum salt and yttrium salt is dissolved in water, the alumina powder was added to the homogeneously mixed solution of Al ions and Y ions with atomic level, by neutralization reaction by the addition of ammonia To produce a mixed powder composed of Al-Y hydroxide and alumina , calcined at 300 to 1000 ° C. and then pulverized to produce an alumina powder in which YAG particles are dispersed. since the addition of solvent and a binder to an alumina powder to prepare a granular material, and so as to produce a calcined to alumina ceramics at a temperature of 1450-1700 ° C. after molding into a predetermined shape, grain of the sintered body A small amount of YAG particles can be dispersed almost uniformly in the boundary and alumina particles, and alumina ceramics having high hardness and high strength can be easily manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing the structure of alumina ceramics according to the present invention.
FIG. 2 is a flowchart showing a production process of alumina ceramics according to the present invention.
FIG. 3 is an equilibrium diagram of an alumina-yttria system.

Claims (2)

ＹＡＧ粒子を１．０〜１２．０重量％含有し、焼結助剤を１重量％以下（０重量％を含む）含有し、残部がアルミナからなり、上記ＹＡＧ粒子の平均結晶粒子径が０．０６〜１．２１μｍでかつアルミナの平均結晶粒子径が０．８〜４．０μｍの範囲にあるとともに、上記ＹＡＧ粒子が焼結体の粒界及びアルミナ粒子内の双方に分散していることを特徴とする高強度、高硬度アルミナセラミックス。YAG particles are contained in an amount of 1.0 to 12.0% by weight, a sintering aid is contained in an amount of 1% by weight or less (including 0% by weight) , the balance is made of alumina, and the average crystal particle size of the YAG particles is 0. 0.06 to 1.21 μm, the average crystal particle diameter of alumina is in the range of 0.8 to 4.0 μm, and the YAG particles are dispersed both in the grain boundaries of the sintered body and in the alumina particles. High strength, high hardness alumina ceramics characterized by 請求項１に記載のアルミナセラミックスの製造方法であって、１）アルミニウム塩とイットリウム塩とを水に溶解させて、ＡｌイオンとＹイオンを原子レベルで均一に混合した溶液を作製する工程と、２）上記溶液にアルミナ粉末を添加し、アンモニアを加えて中和反応させることによりＡｌ−Ｙ系水酸化物とアルミナからなる混合粉体を作製し、該混合粉体を３００〜１０００℃で仮焼きした後に粉砕してＹＡＧ粒子が分散したアルミナ粉体を得る工程と、３）上記アルミナ粉体に溶媒とバインダーを添加して造粒体を作製し、所定形状に成形した後１４５０〜１７００℃で焼成する工程とを有することを特徴とする高強度、高硬度アルミナセラミックスの製造方法。  The method for producing an alumina ceramic according to claim 1, wherein 1) a step of dissolving an aluminum salt and an yttrium salt in water to produce a solution in which Al ions and Y ions are uniformly mixed at an atomic level; 2) Alumina powder is added to the above solution, and ammonia is added to effect a neutralization reaction to produce a mixed powder composed of Al-Y hydroxide and alumina. The mixed powder is temporarily treated at 300 to 1000 ° C. A step of obtaining an alumina powder in which YAG particles are dispersed by calcination after baking; 3) a granule is prepared by adding a solvent and a binder to the alumina powder, and after forming into a predetermined shape, 1450 to 1700 ° C. And a method of producing a high-strength, high-hardness alumina ceramic characterized by comprising:

Images