JPH11157919A - 高強度アルミナ質焼結体およびその製造方法 - Google Patents
高強度アルミナ質焼結体およびその製造方法Info
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- JPH11157919A JPH11157919A JP9343984A JP34398497A JPH11157919A JP H11157919 A JPH11157919 A JP H11157919A JP 9343984 A JP9343984 A JP 9343984A JP 34398497 A JP34398497 A JP 34398497A JP H11157919 A JPH11157919 A JP H11157919A
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Abstract
するアルミナ質焼結体とその製造方法を提供する。 【解決手段】 平均粒径1μm以下のアルミナ粉末に、
平均粒径が2μm以下のムライト、シリカ、窒化アルミ
ニウム、窒化チタン、炭化ケイ素および炭化チタンの群
から選ばれる少なくとも1種の無機質粉末を0.001
〜0.5体積%の割合で混合し、該混合物を1200℃
以上の温度で焼成して、平均粒径10μm以下の結晶粒
子からなるアルミナマトリックスに、該マトリックスと
の反応層を介して平均粒径2μm以下の上記ムライト等
からなる無機質結晶粒子を0.001〜0.5体積%の
割合で分散含有するとともに、相対密度が96%以上で
あることを特徴とする高強度アルミナ質焼結体を得る。
Description
る高強度アルミナ質焼結体およびその製造方法に関する
ものであり、さらに詳しくは、ウエハ研磨用プレートや
半導体製造装置用治具などの精密加工製品、ポンプ、バ
ルブ、粉砕機用部品、伸線機械用部品などの耐食・耐摩
耗・耐熱部品、切削工具、ICパッケージ基板、高温で
使用される耐熱部材などに好適に使用される、室温から
高温までの温度領域で高い強度を有する新しい高強度ア
ルミナ質焼結体およびその製造方法に関する。
れた耐摩耗性、耐食性と、適度な強度を有し、しかも廉
価であることから、広く産業機械部品に使用されている
他、高絶縁性とメタライズ配線技術の確立によって、配
線基板などの絶縁基板として広く使用されている。
ミナ粉末に、焼結助剤としてSiO2 、CaO、MgO
などの酸化物を添加し成形した後、1500〜1700
℃の温度で焼成することにより作製される。ところが、
かかるアルミナ質焼結体の強度はせいぜい300〜40
0MPa程度であることから、産業機械部品としてさら
に強度が要求される部品や切削工具等に使用することが
できず、これまで、その高強度化を図る研究が種々進め
られてきた。そこで、従来より、アルミナに対して、炭
化ケイ素やジルコニアを分散させることによりアルミナ
質焼結体の高強度化を図ることが、例えば、特開昭61
−122164号、特開昭63−139044号等にて
提案されている。
ナに炭化ケイ素等の炭化物を分散させた焼結体は、高温
の酸化性雰囲気で炭化物が酸化物に酸化されやすく焼結
体の耐酸化性に欠けるという問題があり、また、100
0℃を越える温度での強度が低いものであった。また、
ジルコニアを分散させた系は、室温では高い強度を有す
るものの、900℃付近から強度が極端に低下するため
に、それを越える温度領域では、使用できないという問
題があつた。このような状況の中で、本発明者らは、上
記従来技術の問題点に鑑みて、室温から高温までの温度
領域で高い強度を有する新しい高強度アルミナ質焼結体
およびその製造方法を開発することを目標として鋭意研
究を積み重ねた結果、特定の結晶粒子からなるアルミナ
マトリックスに該マトリックスとの反応層を介して特定
の平均粒径を有する無機質結晶粒子を一定の割合で分散
含有させることにより、所期の目的を達成し得ることを
見出し、本発明を完成するに至った。即ち、本発明は、
室温から高温までの温度領域で高い強度を有するアルミ
ナ質焼結体とその製造方法を提供することを目的とする
ものである。
の本発明の高強度アルミナ質焼結体は、平均粒径10μ
m以下の結晶粒子からなるアルミナマトリックスに、該
マトリックスとの反応層を介してムライト、窒化アルミ
ニウム、窒化チタン、炭化ケイ素および炭化チタンの群
から選ばれる少なくとも1種からなる平均粒径2μm以
下の無機質結晶粒子を0.001〜0.5体積%の割合
で分散含有するとともに、相対密度が96%以上である
ことを特徽とするものである。また、かかる焼結体を作
製する方法としては、平均粒径が1μm以下のアルミナ
粉末からなるマトリックス形成成分に、平均粒径が2μ
m以下のムライト、シリカ、窒化アルミニウム、窒化チ
タン、炭化ケイ素および炭化チタンの群から選ばれる少
なくとも1種の無機質結晶粒子形成成分を0.001〜
0.5体積%(ただし、シリカはムライト換算による)
の割合で混合し、該混合物を所定形状に成形した後、1
200℃以上の温度で焼成して、前記マトリックスと前
記無機質結晶粒子との間に反応層を形成せしめつつ、相
対密度96%以上に緻密化することを特徴とするもので
ある。
に説明する。本発明のアルミナ質セラミックスは、アル
ミナからなるマトリックスと、該マトリックス中に分散
する無機質結晶からなる分散粒子によって構成される相
対密度96%以上、特に98%以上の緻密体からなる。
アルミナマトリックスは、その平均粒径が10μm以
下、特に5μm以下、さらには2μm以下の微細な結晶
粒子によって構成されることが必要である。なお、アル
ミナ結晶の平均粒径が10μmよりも大きいと、焼結体
の強度が極端に低下してしまう。一方、アルミナマトリ
ックス中に分散する無機質結晶粒子は、ムライト、窒化
アルミニウム、窒化チタン、炭化ケイ素および炭化チタ
ンの群から選ばれる少なくとも1種からなる。この分散
粒子は、アルミナマトリックス中に、0.001〜0.
5体積%、特に0.005〜0.1体積%、さらに好ま
しくは、0.005〜0.08体積%の割合で分散させ
ることが必要であり、この場合、分散粒子の量が0.0
01体積%よりも少ないと、焼結体の強度向上効果が得
られず、0.5体積%を越えると焼結体を緻密化するこ
とが難しく相対密度96%以上が達成されなくなる。ま
た、分散粒子は、平均粒径で2μm以下、特に1.0μ
m以下の粒子として分散されることが重要であり、この
粒径が2μmよりも大きいと分散粒子が破壊源となり焼
結体の強度が向上しない。なお、この分散粒子はアルミ
ナ結晶粒子内およびその粒界に分散含有される。
の分散粒子の状態を示す説明図、あるいは図2のアルミ
ナ結晶粒界の分散粒子の状態を示す説明図から明らかな
ように、図中、アルミナマトリックスのアルミナ結晶粒
子1の粒内、あるいはアルミナ結晶粒子1の粒界に、前
記無機質結晶粒子からなる分散粒子2を反応層3を介し
て前述したように極微量分散させることで、アルミナの
優れた耐酸化性を損なうことなく、その高温での強度を
大幅に向上することができる。
1の粒内に反応層3を介して存在する無機質結晶粒子か
らなる分散粒子2が、両者の熱膨張差による残留応力場
を広げ、また、図2において、アルミナ結晶粒子1の粒
界に存在する分散粒子2は、反応層3の形成により粒界
を強固に結合させ、粒界破壊を抑制する作用をなしてい
ることによるものと推察される。なお、反応層3は、ア
ルミナと、微量のシリカ、シリコンおよび/またはチタ
ン、あるいは窒素を含む非晶質層により形成される。
方法としては、マトリックスを形成する成分として、平
均粒径が1μm以下、好ましくは0.8μm以下のアル
ミナ粉末を用いる。これは、このアルミナ粉末の平均粒
径が1μmを越えると、焼結体の緻密化不足を招いて、
その強度低下を引き起こすためである。また、分散粒子
形成成分としては、平均粒径が2μm以下、好ましくは
0.5μm以下のムライト、シリカ、窒化アルミニウ
ム、窒化チタン、炭化ケイ素および炭化チタンから選ば
れる少なくとも1種の無機質粉末を添加する。なお、上
記無機質粉末の平均粒径が2μmを越えると、焼結体の
強度特性の向上が図れず所期の特性効果が達成されな
い。
〜0.5体積%、特に0.005〜0.1体積%、さら
には、0.005〜0.08体積%の割合になるように
混合する。この量が0.001体積%よりも少ないと焼
結体の強度向上効果が望めず、0.5体積%を越える
と、焼結体を緻密化することが難しくなる。なお、上記
配合量において、シリカ粉末はムライトとして分散され
るため、シリカについてはムライト換算量で算出する。
次に、その混合粉末を所望の成形手段、例えば、金型プ
レス、冷間静水圧プレス、射出成形、押出し成形、鋳込
成形等により任意の形状に成形する。
気中、または不活性ガス雰囲気で1200℃以上、好ま
しくは1300〜1550℃の温度で焼成する。焼成方
法としては、例えば、ホットプレス、常圧焼成、または
熱間静水圧焼成して焼結体を作製する方法が例示され
る。この時の焼成温度が1200℃に達しないと焼結体
の緻密化が不足してその密度が低下したり、反応層の形
成が不十分となり強度低下を引き起こす。また、ホット
プレスを行う場合には、成形と焼成を同時に行うことが
できる。
明するが、本発明は、該実施例により何ら限定されるも
のではない。 実施例1(試料No.1〜23) 本実施例では、無機質結晶粒子がムライトの場合の例を
示す。アルミナ粉末として純度99.99%、結晶粒径
が0.2μmの大明化学工業社製のタイミクロンTM−
DAR(A−1)を用いた。ムライト粉末として平均粒
径が1.4μmの秩父セメント社製のムライト粉末(B
−1)、シリカ粉末として平均粒径が0.6μmのアド
マテックス社製のシリカ粉末(C−1)を準備した。比
較のために、結晶粒径が1.2μmのA12 03 粉末
(A−2)と、平均粒径が3.5μmのムライト粉末
(B−2)を準備した。そして、上記アルミナ粉末と、
ムライト粉末あるいはシリカ粉末を、表1および表2に
示す組み合わせおよび配合量で秤量し、アルミナのボー
ルを用いて有機溶媒中で混合し、エバポレーターを用い
て乾燥粉末を得た。
圧焼成(PLS)を用いた。ホットプレス焼成の場合
は、この粉末をカーボン型に入れ、窒素ガス中、30M
Pa圧力下で表1、2に示す焼成温度で焼成した。常圧
焼成の場合は、この粉末を3t/cm2 の圧力で静水圧
処理をして成形体を作製し、表1、2に示す焼成温度で
焼成した。
磨加工した。そして、比重をJISR2205に基づい
て求め、相対密度を求めた。強度値はJISR1601
に基づく4点曲げ試験により室温および1400℃での
強度を求めた。また、試験片の表面を鏡面加工し、窒素
雰囲気中で熱エッチングし、焼結体中の表面を観察し
た。また、電子顕微鏡写真によりマトリックスや分散粒
子の粒径を観察、測定した。その結果を、表1、2に示
した。なお、表中、*は比較例を示す。
均粒径が2μm以下のB−1、C−1を使用した場合、
分散粒子はいずれも平均粒径1.0μm以下のムライト
からなる微細な粒子として、反応層を介してアルミナ結
晶粒内および粒界に分散していた。
(B−2)を使用した試料No.23では、反応層は形
成されても強度の向上は見られなかった。また、何ら分
散粒子を含まない試料No.1は、室温強度は340P
a、1400℃強度は150MPaと非常に低いもので
あった。また、無機質結晶粒子の含有量が0.5体積%
を越える試料No.8、9、21、焼結体のアルミナマ
トリックスの平均粒径が10μmを越える試料No.1
3では、機械的強度の向上効果が得られなかった。ま
た、原料としてのアルミナ粉末の平均粒径が1μmを越
える試料No.22および焼成温度が1200℃よりも
低い試料No.10では、いずれも相対密度96%以上
が達成できなかった。
ライト粉末やシリカ粉末を0.001〜0.5体積%の
割合で含有せしめた本発明の焼結体は、いずれも室温強
度は450MPa以上、1400℃強度は250MPa
以上の優れた機械的強度を示した。また、高温耐酸化性
においてもアルミナと同等の優れた特性を示した。
す。アルミナ粉末として純度99.99%、結晶粒径が
0.2μmの大明化学工業社製のタイミクロンTM−D
AR(A−1)を用いた。窒化アルミ粉末として平均粒
径が0.6μmの徳山曹達社製の窒化アルミ粉末(D−
1)、窒化チタン粉末として平均粒径が1.1μmの日
本新金属社製の窒化チタン粉末(E−1)を準備した。
比較のために、結晶粒径が1.2μmのA12 03 粉末
(A−2)と、平均粒径が2.8μmの窒化アルミ粉末
(D−2)を準備した。そして、上記アルミナ粉末と、
窒化アルミ粉末あるいは窒化チタン粉末を、表3および
表4に示す組み合わせおよび配合量で秤量し、アルミナ
のボールを用いて有機溶媒中で混合し、エバポレーター
を用いて乾燥粉末を得た。
圧焼成(PLS)を用いた。ホットプレス焼成の場合
は、この粉末をカーボン型に入れ、窒素ガス中、30M
Pa圧力下で表に示す焼成温度で焼成した。常圧焼成の
場合は、この粉末を3t/cm2 の圧力で静水圧処理を
して成形体を作製し、窒素ガス中、表3、4に示す焼成
温度で焼成した。
磨加工した。そして、比重をJISR2205に基づい
て求め、相対密度を求めた。強度値はJISR1601
に基づく4点曲げ試験により室温および1400℃での
強度を求めた。また、試験片の表面を鏡面加工し、窒素
雰囲気中で熱エッチングし、焼結体中の表面を観察し
た。また、電子顕微鏡写真によりマトリックスや分散粒
子の粒径を観察、測定した。その結果を、表3、4に示
した。なお、表中、*は比較例を示す。
均粒径が2μm以下のD−1、E−1を使用した場合、
分散粒子はいずれも平均粒径1.0μm以下の微細な粒
子として、反応層を介してアルミナ結晶粒内および粒界
に分散していた。
(D−2)を使用した試料No.46では、反応層は形
成されても強度の向上は見られなかった。また、何ら分
散粒子を含まない試料No.24は、室温強度は340
Pa、1400℃強度は150MPaと非常に低いもの
であったものであった。また、無機質結晶粒子の含有量
が0.5体積%を越える試料No.31、32、44、
焼結体のアルミナマトリックスの平均粒径が10μmを
越える試料No.36では、機械的強度の向上効果が得
られなかった。また、原料としてのアルミナ粉末の平均
粒径が1μmを越える試料No.45および焼成温度が
1200℃よりも低い試料No.33では、いずれも相
対密度96%以上が達成できなかった。
化アルミ粉末や窒化チタン粉末を0.001〜0.5体
積%の割合で含有せしめた本発明の焼結体は、いずれも
室温強度は450MPa以上、1400℃強度は250
MPa以上の優れた機械的強度を示した。また、高温耐
酸化性においてもアルミナと同等の優れた特性を示し
た。
2μmの大明化学工業社製のタイミクロンTM−DAR
(A−1)を用いた。炭化ケイ素粉末として平均粒径が
0.1μmの住友大阪セメント社製の炭化ケイ素粉末
(F−1)、炭化チタン粉末として平均粒径が1.2μ
mの日本新金属社製の炭化チタン粉末(G−1)を準備
した。比較のために、結晶粒径が1.2μmのA12 0
3 粉末(A−2)と、平均粒径が3.2μmの炭化ケイ
素粉末(F−2)を準備した。そして、上記アルミナ粉
末と、炭化ケイ素粉末あるいは炭化チタン粉末を表5、
および表6に示す組み合わせおよび配合量で秤量し、ア
ルミナのボールを用いて有機溶媒中で混合し、エバポレ
ーターを用いて乾燥粉末を得た。
圧焼成(PLS)を用いた。ホットプレス焼成の場合
は、この粉末をカーボン型に入れ、アルゴンガス中、3
0MPa圧力下で表に示す焼成温度で焼成した。常圧焼
成の場合は、この粉末を3t/cm2 の圧力で静水圧処
理をして成形体を作製し、アルゴンガス中、表5、6に
示す焼成温度で焼成した。
磨加工した。そして、比重をJISR2205に基づい
て求め、相対密度を求めた。強度値はJISR1601
に基づく4点曲げ試験により室温および1400℃での
強度を求めた。また、試験片の表面を鏡面加工し、窒素
雰囲気中で熱エッチングし、焼結体中の表面を観察し
た。また、電子顕微鏡写真によりマトリックスや分散粒
子の粒径を観察、測定した。その結果を、表5、6に示
した。なお、表中、*は比較例を示す。
均粒径が2μm以下のF−1、G−1を使用した場合、
分散粒子はいずれも平均粒径1.0μm以下の微細な粒
子として、反応層を介してアルミナ結晶粒内および粒界
に分散していた。
(F−2)を使用した試料No.69では、反応層は形
成されても強度の向上は見られなかった。また、何ら分
散粒子を含まない試料No.47は、室温強度は340
Pa、1400℃強度は150MPaと非常に低いもの
であった。また、無機質結晶粒子の含有量が0.5体積
%を越える試料No.54、55、56、焼結体のアル
ミナマトリックスの平均粒径が10μmを越える試料N
o.59、では、機械的強度の向上効果が得られなかっ
た。また、原料としてのアルミナ粉末の平均粒径が1μ
mを越える試料No.68および焼成温度が1200℃
よりも低い試料No.56では、いずれも相対密度96
%以上が達成できなかった。
化ケイ素粉末や炭化チタン粉末を0.001〜0.5体
積%の割合で含有せしめた本発明の焼結体は、いずれも
室温強度450MPa以上、1400℃強度250MP
a以上の優れた機械的強度を示した。また、高温耐酸化
性においてもアルミナと同等の優れた特性を示した。
室温強度450MPa以上、1400℃強度250MP
a以上の優れた機械的強度を有し、かつ優れた高温耐酸
化性を有する高強度アルミナ質焼結体を製造することが
できる。上述の如く、本発明のアルミナ質焼結体は、室
温から高温までの温度領域で優れた抗折強度を有するこ
とから、ウエハ研磨用プレートや半導体製造装置用治具
などの精密加工製品、ポンプ、バルブ、粉砕機用部品、
伸線機械用部品などの耐食・耐磨耗・耐熱部品、切削工
具、ICパッケージ基板、高温で使用する耐熱部村等に
好適に使用することができる。
の分散粒子の状態を示す説明図である。
の分散粒子の状態を示す説明図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 平均粒径10μm以下の結晶粒子からな
るアルミナマトリックスに、該マトリックスとの反応層
を介してムライト、窒化アルミニウム、窒化チタン、炭
化ケイ素および炭化チタンの群から選ばれる少なくとも
1種からなる平均粒径2μm以下の無機質結晶粒子を
0.001〜0.5体積%の割合で分散含有するととも
に、相対密度が96%以上であることを特徴とする高強
度アルミナ質焼結体。 - 【請求項2】 前記無機質結晶粒子は、前記アルミナ結
晶粒子内およびその粒界に分散する請求項1記載の高強
度アルミナ質焼結体。 - 【請求項3】 平均粒径が1μm以下のアルミナ粉末か
らなるマトリックス形成成分に、平均粒径が2μm以下
のムライト、シリカ、窒化アルミニウム、窒化チタン、
炭化ケイ素および炭化チタンの群から選ばれる少なくと
も1種の無機質結晶粒子形成成分を0.001〜0.5
体積%(ただし、シリカはムライト換算による)の割合
で混合し、該混合物を所定形状に成形した後、1200
℃以上の温度で焼成して、前記マトリックスと前記無機
質結晶粒子との間に反応層を形成せしめつつ、相対密度
96%以上に緻密化することを特徴とする高強度アルミ
ナ質焼結体の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP34398497A JP3177650B2 (ja) | 1997-11-28 | 1997-11-28 | 高強度アルミナ質焼結体およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP34398497A JP3177650B2 (ja) | 1997-11-28 | 1997-11-28 | 高強度アルミナ質焼結体およびその製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH11157919A true JPH11157919A (ja) | 1999-06-15 |
JP3177650B2 JP3177650B2 (ja) | 2001-06-18 |
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ID=18365759
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP34398497A Expired - Lifetime JP3177650B2 (ja) | 1997-11-28 | 1997-11-28 | 高強度アルミナ質焼結体およびその製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3177650B2 (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006282502A (ja) * | 2005-03-11 | 2006-10-19 | Ngk Insulators Ltd | アルミナ焼結体及びその製造方法、並びに、このアルミナ焼結体を用いた静電チャック及びその製造方法 |
KR101355542B1 (ko) * | 2012-01-09 | 2014-02-05 | 한국과학기술원 | 세라믹 복합재료 및 그의 제조방법 |
JP2015151307A (ja) * | 2014-02-14 | 2015-08-24 | 株式会社アテクト | アルミナ焼結体及びその製造方法 |
-
1997
- 1997-11-28 JP JP34398497A patent/JP3177650B2/ja not_active Expired - Lifetime
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006282502A (ja) * | 2005-03-11 | 2006-10-19 | Ngk Insulators Ltd | アルミナ焼結体及びその製造方法、並びに、このアルミナ焼結体を用いた静電チャック及びその製造方法 |
KR101355542B1 (ko) * | 2012-01-09 | 2014-02-05 | 한국과학기술원 | 세라믹 복합재료 및 그의 제조방법 |
JP2015151307A (ja) * | 2014-02-14 | 2015-08-24 | 株式会社アテクト | アルミナ焼結体及びその製造方法 |
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---|---|
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