(57)【要約】【課題】耐摩耗性及び加工性の向上が図られうるアルミナ質セラミックス及びその製造方法を提供する。【解決手段】本発明のアルミナ質焼結体におけるＡｌ２Ｏ３含有量が９０．０〜９９．９５［ｗｔ％］の範囲に含まれ、Ｓｉ化合物のＳｉＯ２換算含有量が０．０５〜５．０［ｗｔ％］の範囲に含まれている。指定化合物（Ｔｉ、Ｍｎ、Ｓｒ及びＣａから選択される少なくとも１つの元素の化合物）の酸化物換算含有量が、Ｓｉ化合物のＳｉＯ２換算の含有量以下であり、かつ、４．０［ｗｔ％］以下の範囲に含まれている。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌ２Ｏ３含有量が９０．０〜９９．９５［ｗｔ％］の範囲に含まれ、
Ｓｉ化合物のＳｉＯ２換算含有量が０．０５〜５．０［ｗｔ％］の範囲に含まれていることを特徴とするアルミナ質焼結体。
【請求項２】
請求項１記載のアルミナ質焼結体において、
Ｔｉ、Ｍｎ、Ｓｒ及びＣａから選択される少なくとも１つの元素の化合物である指定化合物の酸化物換算含有量が、Ｓｉ化合物のＳｉＯ２換算含有量以下であり、かつ、４．０［ｗｔ％］以下の範囲に含まれていることを特徴とするアルミナ質焼結体。
【請求項３】
請求項２記載のアルミナ質焼結体において、
Ｓｉ化合物のＳｉＯ２換算の含有量が０．１０〜１．５０［ｗｔ％］の範囲に含まれ、前記指定化合物の酸化物換算の含有量が１．０［ｗｔ％］以下の範囲に含まれていることを特徴とするアルミナ質焼結体。
【請求項４】
平均粒子径が０．２０〜１．２０［μｍ］の範囲に含まれるＡｌ２Ｏ３粉末が９０．０〜９９．９５［ｗｔ％］の範囲で含まれ、Ａｌ２Ｏ３粉末の平均粒子径に対する平均粒子径の比率が０．０３〜３．０の範囲に含まれるＳｉ化合物がＳｉＯ2換算で０．０５〜５．０［ｗｔ％］の範囲で含まれている原料を調製する工程と、
前記原料を成形することにより成形体を作製する工程と、
前記成形体を焼成する工程と、を含むことを特徴とするアルミナ質焼結体の製造方法。
【請求項５】
請求項４記載の方法において、
Ａｌ２Ｏ３粉末の平均粒子径に対する平均粒子径の比率が０．０３〜６．０の範囲に含まれる、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｓｒ及びＣａから選択される少なくとも１つの元素の化合物である指定化合物の酸化物換算含有量が、Ｓｉ化合物のＳｉＯ２換算含有量以下となるように前記原料が調整されることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項５記載の方法において、
Ａｌ２Ｏ３粉末の平均粒子径に対するＳｉ化合物の平均粒子径の比率が０．２０〜０．９５の範囲に含まれるように前記原料が調整されることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項５又は６記載の方法において、
Ａｌ２Ｏ３粉末の平均粒子径に対する、前記指定化合物の平均粒子径の比率が０．２０〜０．８０の範囲に含まれるように前記原料が調整されることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミナ質焼結体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミナに対するＭｇＯ添加量の制御により、成形体の焼成時におけるアルミナ結晶粒子の粒成長を抑制し、アルミナ質焼結体の耐摩耗性の向上を図ることが提案されている（特許文献１参照）。アルミナ結晶の内部に添加物を析出させることにより、アルミナ質焼結体の耐摩耗性の向上を図ることが提案されている（特許文献２参照）。また、アルミナに対するＬｉＯ2添加量の制御により、アルミナ質焼結体の曲げ強度の向上を図ることが提案されている（特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２７９８３３号公報
【特許文献２】特開平１１−３４３１６７号公報
【特許文献３】特開平１０−２９７９５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、アルミナ質焼結体の耐摩耗性のみならず、加工性も向上させることが望まれている。
【０００５】
そこで、本発明は、耐摩耗性及び加工性の向上が図られうるアルミナ質焼結体及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のアルミナ質焼結体は、Ａｌ２Ｏ３含有量が９０．０〜９９．９５［ｗｔ％］の範囲に含まれ、Ｓｉ化合物のＳｉＯ２換算含有量が０．０５〜５．０［ｗｔ％］の範囲に含まれていることを特徴とする。
【０００７】
前記アルミナ質焼結体において、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｓｒ及びＣａから選択される少なくとも１つの元素の化合物である指定化合物の酸化物換算含有量が、Ｓｉ化合物のＳｉＯ２換算含有量以下であり、かつ、４．０［ｗｔ％］以下の範囲に含まれていることが好ましい。
【０００８】
前記アルミナ質焼結体において、Ｓｉ化合物のＳｉＯ２換算の含有量が０．１０〜１．５０［ｗｔ％］の範囲に含まれ、前記指定化合物の酸化物換算の含有量が１．０［ｗｔ％］以下の範囲に含まれていることが好ましい。
【０００９】
本発明のアルミナ質焼結体の製造方法は、平均粒子径が０．２０〜１．２０［μｍ］の範囲に含まれるＡｌ２Ｏ３粉末が９０．０〜９９．９５［ｗｔ％］の範囲で含まれ、Ａｌ２Ｏ３粉末の平均粒子径に対する平均粒子径の比率が０．０３〜３．０の範囲に含まれるＳｉ化合物がＳｉＯ2換算で０．０５〜５．０［ｗｔ％］の範囲で含まれている原料を調製する工程と、前記原料を成形することにより成形体を作製する工程と、前記成形体を焼成する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１０】
前記方法において、Ａｌ２Ｏ３粉末の平均粒子径に対する平均粒子径の比率が０．０３〜６．０の範囲に含まれる、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｓｒ及びＣａから選択される少なくとも１つの元素の化合物である指定化合物の酸化物換算含有量が、Ｓｉ化合物のＳｉＯ２換算含有量以下となるように前記原料が調整されることが好ましい。
【００１１】
前記方法において、Ａｌ２Ｏ３粉末の平均粒子径に対するＳｉ化合物の平均粒子径の比率が０．２０〜０．９５の範囲に含まれるように前記原料が調整されることが好ましい。
【００１２】
前記方法において、Ａｌ２Ｏ３粉末の平均粒子径に対する、前記指定化合物の平均粒子径の比率が０．２０〜０．８０の範囲に含まれるように前記原料が調整されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の方法によれば、Ａｌ２Ｏ３粉末の平均粒子径に対するＳｉ化合物の平均粒子径の比率が０．０３〜３．０の範囲に含まれるように原料が調整される。このため、当該原料から作製される成形体においてＳｉ化合物粉末が均等に分散される。これにより、成形体の焼成時にＳｉ化合物によってＡｌ２Ｏ３結晶粒子がコーティングされ、Ａｌ２Ｏ３結晶粒子同士のネッキングによる結合が当該コーティングＳｉ化合物により補強される。
【００１４】
また、原料に指定化合物（Ｔｉ、Ｍｎ、Ｓｒ及びＣａから選択される少なくとも１つの元素の化合物）が含まれている場合、Ａｌ２Ｏ３粉末の平均粒子径に対する指定化合物の平均粒子径の比率が０．０３〜６．０の範囲に含まれるように原料が調整される。このため、当該原料から作製される成形体において当該化合物粉末が均等に分散される。これにより、成形体の焼成時に指定化合物又はこれを構成する元素イオンのＡｌ２Ｏ３結晶粒子内への固溶が促進され、当該結晶粒子の粒成長が促進される。
【００１５】
当該化合物の含有量（酸化物換算）が、Ｓｉ化合物の含有量（ＳｉＯ２換算）以下に抑制されていることにより、Ａｌ２Ｏ３結晶粒子の過度の粒成長が抑制される。
【００１６】
よって、本発明のアルミナ質焼結体の耐摩耗性の向上が図られるとともに、加工時におけるＡｌ２Ｏ３結晶粒子の脱粒の抑制、ひいては当該焼結体の加工性の向上が図られる。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（製造方法）
本発明のアルミナ質焼結体は、次のような手順で製造される。
【００１８】
（原料調整工程）
Ａｌ２Ｏ３粉末と、Ｓｉ化合物粉末と、指定化合物（Ｔｉ、Ｍｎ、Ｓｒ及びＣａから選択される少なくとも１つの元素の化合物）の粉末とを含む原料が調製される。原料中のＡｌ２Ｏ３と、Ｓｉ化合物と、指定化合物の合計含有量は１００［ｗｔ％］以下である。
【００１９】
Ａｌ２Ｏ３の平均粒子径は０．２０〜１．２０［μｍ］の範囲に含まれ、Ａｌ２Ｏ３の含有量は９０．０〜９９．９５［ｗｔ％］の範囲に含まれている。Ａｌ２Ｏ３の平均粒子径は０．４０〜１．０［μｍ］の範囲に含まれていることがさらに好ましい。Ａｌ２Ｏ３の含有量は９８．０〜９９．５０［ｗｔ％］の範囲に含まれていることがさらに好ましい。Ａｌ２Ｏ３粉末の純度は９９．０％以上であれば十分であるが、９９．５％以上であることが好ましく、９９．９％以上であることがより好ましい。
【００２０】
Ｓｉ化合物の含有量はＳｉＯ2換算で０．０５〜５．０［ｗｔ％］の範囲に含まれ、Ｓｉ化合物粉末の平均粒子径のＡｌ２Ｏ３粉末の平均粒子径に対する比率が０.０３〜３．０の範囲に含まれている。Ｓｉ化合物の平均粒子径のＡｌ２Ｏ３の平均粒子径に対する比率が０．２０〜０．９５の範囲に含まれることが好ましい。Ｓｉ化合物としてＳｉＯ２が用いられる場合、その粉末源としては、ＳｉＯ２粉末そのもののほか、コロイダルシリカ、シリカゾル、シリカゲル、ケイ素ハロゲン化物、ケイ素のアルコキシド又は水ガラスなどが用いられる。ＳｉＯ２はコロイダルシリカ（粒径１０〜５００［ｎｍ］）の形で添加されることがより好ましい。
【００２１】
指定化合物の酸化物換算含有量は、Ｓｉ化合物のＳｉＯ２換算含有量以下である。Ａｌ２Ｏ３粉末の平均粒子径に対する、指定化合物粉末の平均粒子径の比率が０．０３〜６．０の範囲に含まれている。例えば、ＴｉＯ２のほか、大気中での焼結後に酸化物を生成する塩化物、水酸化チタン、又は有機チタン化合物等の種々のＴｉ化合物が指定化合物として採用されてもよい。
【００２２】
これは、Ｍｎ化合物、Ｓｒ化合物及びＣａ化合物のそれぞれについても同様である。また、複数の元素が選択される場合、ＳｒＴｉＯ3、ＣａＴｉＯ3又はＭｎＴｉＯ3等の当該複数の元素の複合化合物を指定化合物として原料が調整されてもよい。複数の元素の複合化合物の場合、当該複数の元素のそれぞれの酸化物換算含有量（例えばＳｒＴｉＯ3の場合、ＳｒＯ換算含有量及びＴｉＯ2換算含有量）の和が、指定化合物の酸化物換算含有量として定義される。
【００２３】
Ａｌ２Ｏ３粉末と、Ｓｉ化合物粉末と、指定化合物の粉末とが、ボールミル混合等の公知の方法を用いて混合される。必要に応じて分散剤及びバインダーなどが加えられて原料粉末が調製される。
【００２４】
指定化合物が含まれないように原料が調整されてもよい。Ａｌ２Ｏ３含有量が９０．０〜９９．９５［ｗｔ％］の範囲に含まれ、Ｓｉ化合物の含有量がＳｉＯ２換算で０．０５〜５．００［ｗｔ％］の範囲に含まれるように原料が調整される。
【００２５】
（成形工程）
続いて、原料粉末が成形されることにより成形体が作製される。成形法としては、一軸プレス成形、ＣＩＰ成形、湿式成形、加圧鋳込みや廃泥鋳込み等の種々の方法が採用されうる。
（焼成工程）
成形体の焼成雰囲気として酸化雰囲気が選択される。また、焼成雰囲気の温度が１４００〜１７００［℃］の範囲に雰囲気温度が維持されることにより成形体が焼成される。
【００２６】
（実施例）
表１に示されている製造条件にしたがって、実施例１〜９のそれぞれの焼結体が製造された。当該製造条件には、原料におけるＡｌ２Ｏ３、Ｓｉ化合物及び指定化合物の含有量のほか、Ａｌ２Ｏ３の平均粒子径、及びＡｌ２Ｏ３の平均粒子径に対する当該各化合物の平均粒子径の比率が含まれている。さらに、当該製造条件には、成形体の焼成雰囲気の焼成温度並びに焼成時間が含まれる。
【００２７】
Ａｌ２Ｏ３粉末と、Ｓｉ化合物粉末と、指定化合物の粉末とが、適当な配合で添加された溶媒、分散剤とともにミル混合され、有機バインダーが更に添加された。当該混合物がスプレードライヤー法により顆粒化された。当該顆粒がＣＩＰ成形されることにより１５０［ｍｍ］×１５０［ｍｍ］×２０［ｍｍ］の略正方形板状の成形体が作製された。
【００２８】
【表１】
2014009119.tif 000002
【００２９】
表１から、次のことがわかる。各実施例の焼結体の原料におけるＡｌ２Ｏ３の含有量が９０．０〜９９．９５［ｗｔ％］であり、その粉末の平均粒子径が０．２０〜１．２０［μｍ］の範囲に含まれる。Ｓｉ化合物のＳｉＯ２換算含有量が０．０５〜５．０［ｗｔ％］の範囲に含まれ、その粉末の平均粒子径のＡｌ２Ｏ３粉末の平均粒子径に対する比率が０．０３〜３．０の範囲に含まれている。実施例１〜４，６，８及び９の焼結体におけるＴｉＯ２等の指定化合物の酸化物換算含有量が０．１０〜４．０［ｗｔ％］の範囲に含まれている。実施例５及び７の原料には指定化合物が含まれていない。Ａｌ２Ｏ３粉末の平均粒子径に対する指定化合物粉末の平均粒子径の比率が０．０３〜６．０の範囲に含まれている。
【００３０】
（評価方法）
各比較例の焼結体の磨耗量、表面粗さＲａ及び研削抵抗値が測定された。表２には各比較例の焼結体の評価結果がまとめて示されている。
【００３１】
焼結体の磨耗量の評価に際して、砥粒としてＧＣ（ＳｉＣ）＃２２０が用いられ、ノズルからの砥粒の吐出圧が０．２［ＭＰａ］に制御され、かつ、試料であるアルミナ質焼結体及びノズルの距離が１００［ｍｍ］に設定された上で、アルミナ質焼結体がブラスト加工された。ブラスト加工前後の重量減少量、ブラスト加工面の表面積、及びブラスト加工前の嵩密度の関係から磨耗量が算出された。
【００３２】
「ブラスト加工後の重量（ｇ）」、「ブラスト加工前の重量（ｇ）」、「ブラスト加工面の表面積（ｃｍ2）」、「ブラスト加工前の嵩密度（ｇ/ｃｍ3）」及び「ブラスト照射時間（ｈｒ）」のそれぞれが、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ及びＥのそれぞれにより表現されるとき、焼結体の単位時間あたりの磨耗量は「（（Ｂ−Ａ）／Ｃ／Ｄ）／Ｅ」と表現される。
【００３３】
焼結体のブラスト加工後の表面粗さＲａの評価に際して、ＳＵＲＦ  ＣＯＭ  １４００Ｄの装置が用いられ、かつ、ＩＳＯ−９７規格が算出規格として採用された（測定長さ：１５．０［ｍｍ］、カットオフ長さ：０．８［ｍｍ］、測定倍率：×２Ｋ、測定速度：０．３０［ｍｍ／ｓ］、カットオフ種別：ガウシアン、傾斜補正：最小二乗直線補正)。
【００３４】
焼結体の研削抵抗値の評価に際して、平面研削盤のプランジ加工２ｐａｓｓアップカットでの測定値が採取された（加工機：ナガセ超精密平面研削盤  砥石：アライド製レジンボンドφ３５０  回転数：１３００ｒｐｍ  送り速度：２．５ｍ／ｍｉｎ  切り込み量：０．０６ｍｍ／ｐａｓｓ）。
【００３５】
【表２】
2014009119.tif 000003
【００３６】
表２から、次のことがわかる。各実施例の焼結体におけるＡｌ２Ｏ３含有量が９０．０〜９９．９５［ｗｔ％］の範囲に含まれ、かつ、Ｓｉ化合物のＳｉＯ２換算含有量が０．０５〜５．０[ｗｔ％］の範囲に含まれている。実施例１〜４，６，８及び９の焼結体における指定化合物の酸化物換算含有量が０．１０〜４．０［ｗｔ％］の範囲に含まれている。実施例５及び７の焼結体には指定化合物が含まれていない。また、アルミナ質焼結体のＡｌ２Ｏ３結晶粒子の平均粒径が４〜３０［μｍ］の範囲に含まれている。
【００３７】
各実施例の焼結体のブラスト加工による単位時間あたりの磨耗量が０．００２０〜０．００７０［ｃｍ3／ｃｍ2］の範囲に含まれ、ブラスト加工後の表面粗さＲａが０．５〜３．０［μｍ］の範囲に含まれている。Ｓｉ含有量がＳｉＯ２換算で０．０５〜５．０［ｗｔ％］の範囲に含まれている実施例１〜９のアルミナ質焼結体の磨耗量がより少ない０．００２０〜０．００７０［ｃｍ3／ｃｍ2］の範囲に含まれ、ブラスト加工後の表面粗さＲａが０．５〜３．０［μｍ］の範囲に含まれている。各実施例の焼結体の研削抵抗が２０［ｋｇｆ］以下である。
【００３８】
（比較例）
表３に示されている製造条件にしたがって、比較例１〜７のそれぞれの焼結体が製造された。
【００３９】
【表３】
2014009119.tif 000004
【００４０】
（評価方法）
各比較例の焼結体の物性が、各実施例の焼結体と同様に測定された。表４には各比較例の焼結体の評価結果がまとめて示されている。
【００４１】
【表４】
2014009119.tif 000005
【００４２】
表４から、次のことがわかる。比較例１の原料におけるＡｌ2Ｏ3粉末の含有量が９０．００〜９９．９５［ｗｔ％］の範囲から外れ、Ｔｉ化合物の添加量が、Ｓｉ化合物の含有量以上となっていることから、焼結体の磨耗量及び表面粗さが大きくなっている。比較例２の原料におけるＡｌ2Ｏ3粉末の平均粒子径が０．２０〜１．２０［μｍ］の範囲から外れ、焼結体の研削抵抗値が２０［ｋｇｆ］より大きくなっている。比較例３及び４の原料におけるＳｉＯ2粉末の含有量が０．０５〜５．０［ｗｔ％］の範囲から外れている。比較例３では、焼結体の磨耗量及び表面粗さが大きくなり、比較例４では、焼結体の磨耗量が大きくなっている。
【００４３】
比較例５の原料におけるＳｉＯ2粉末の平均粒子径のＡｌ2Ｏ3粉末の平均粒子径に対する比率が０．０３〜３．０の範囲から外れていることから、焼結体の磨耗量が大きくなっている。比較例６は、ＳｉＯ2等のＳｉ化合物及びＴｉ化合物等がともに未添加なため、粒成長せず、焼結体の研削抵抗値が高くなる。比較例７はＭｎ粉末の平均粒子径のＡｌ2Ｏ3粉末の平均粒子径に対する比率が０．０３〜６．００の範囲から外れていることから、焼結体の表面粗さＲａが大きくなっている。