(57)【要約】      （修正有）【課題】超精密機器に用いる部品として要求されるヤング率を満たすコーディエライト材及び同コーディエライト材の製造方法を提供する。【解決手段】SiO2とAl2O3とMgOと窒化物とを溶融させた後、冷却に伴って非晶質化すると共に、所定温度に保持してα−コーディエライト質結晶相を析出させることによって、高硬度、高ヤング率を有するコーディエライト材を提供することができる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
SiO2とAl2O3とMgOと窒化物とを溶融させた後、冷却に伴って非晶質化すると共に、所定温度に保持してα−コーディエライト質結晶相を析出させたコーディエライト材。
【請求項２】
SiO2とAl2O3とMgOとを溶融した融液に、窒素含有ガスを吹込んだ後に冷却に伴って非晶質化すると共に、所定温度に保持してα−コーディエライト質結晶相を析出させたコーディエライト材。
【請求項３】
SiO2とAl2O3とMgOと窒化物とを溶融させた後、冷却に伴って非晶質化すると共に、所定温度に保持してα−コーディエライト質結晶相を析出させるコーディエライト材の製造方法。
【請求項４】
SiO2とAl2O3とMgOとを溶融した融液に、窒素含有ガスを吹込んだ後に冷却に伴って非晶質化すると共に、所定温度に保持してα−コーディエライト質結晶相を析出させるコーディエライト材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コーディエライト材及び同コーディエライト材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、超精密機器用部材の分野では、アルミナセラミックスやSiCセラミックス等を用いた部品が多く使用されていた。
【０００３】
このような、アルミナセラミックスやSiCセラミックス等を用いた部品は、鉄やアルミニウムなどの金属材料と比較して熱膨張率が低いので、超精密加工時における変動が小さく、製品歩留まりの向上が期待できる。
【０００４】
昨今では、さらなる精密加工の要求が高まるにつれて、アルミナセラミックスやSiCセラミックス等よりもさらに熱膨張率が小さいセラミックスが求められており、その中でコーディエライトが注目されている。
【０００５】
すなわちコーディエライト材は、アルミナセラミックスやSiCセラミックス等よりも低い熱膨張率を有しており、温度変化による膨張が少ないので超精密加工の部材として極めて有望であるが、低硬度、低ヤング率などの機械的特性が劣っていることから、更なる特性の向上が求められていた。
【０００６】
そこで、一旦形成されたコーディエライトを粉砕してコーディエライト粉末を形成し、このコーディエライト粉末と、窒化珪素(Si3N4)粉末とを混合した混合物を所定形状として焼成することにより、ヤング率を向上させたコーディエライト材を形成可能であることが知られている（たとえば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開2002-321969号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記したコーディエライト粉末と窒化珪素粉末とを混合して焼成する方法でも、超精密機器に用いる部品として要求されるヤング率を満たすことができないという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明者は、コーディエライト材のヤング率を所望の値とすることができるように研究開発を行い、本発明を成すに至ったものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明に係るコーディエライト材は、SiO2とAl2O3とMgOと窒化物とを溶融させた後、冷却に伴って非晶質化すると共に、所定温度に保持してα−コーディエライト質結晶相を析出させた。
【００１０】
また、SiO2とAl2O3とMgOとを溶融した融液に、窒素含有ガスを吹込んだ後に冷却に伴って非晶質化すると共に、所定温度に保持してα−コーディエライト質結晶相を析出させたことにも特徴を有する。
【００１１】
さらに、本発明に係るコーディエライト材の製造方法では、SiO2とAl2O3とMgOと窒化物とを溶融させた後、冷却に伴って非晶質化すると共に、所定温度に保持してα−コーディエライト質結晶相を析出するようにした。
【００１２】
また、SiO2とAl2O3とMgOとを溶融した融液に、窒素含有ガスを吹込んだ後に冷却に伴って非晶質化すると共に、所定温度に保持してα−コーディエライト質結晶相を析出するようにしたことにも特徴を有する。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に記載のコーディエライト材は、SiO2とAl2O3とMgOと窒化物とを溶融させた後、冷却に伴って非晶質化すると共に、所定温度に保持してα−コーディエライト質結晶相を析出させたことによって、高硬度、高ヤング率を有するコーディエライト材を提供することができる。
【００１４】
また、請求項２に記載のコーディエライト材は、SiO2とAl2O3とMgOとを溶融した融液に、窒素含有ガスを吹込んだ後に冷却に伴って非晶質化すると共に、所定温度に保持してα−コーディエライト質結晶相を析出させたことによって、α−コーディエライト質結晶に効率よく窒素を取り込ませることができるので高硬度、高ヤング率を有するコーディエライト材を提供することができる。
【００１５】
また、請求項３に記載のコーディエライト材の製造方法では、SiO2とAl2O3とMgOと窒化物とを溶融させた後、冷却に伴って非晶質化すると共に、所定温度に保持してα−コーディエライト質結晶相を析出させることによって、高硬度、高ヤング率を有するコーディエライト材を得ることができる。
【００１６】
また、請求項４に記載のコーディエライト材の製造方法では、SiO2とAl2O3とMgOとを溶融した融液に、窒素含有ガスを吹込んだ後に冷却に伴って非晶質化すると共に、所定温度に保持してα−コーディエライト質結晶相を析出させることによって、高硬度、高ヤング率を有するコーディエライト材を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明のコーディエライト材及び同コーディエライト材の製造方法では、SiO2（酸化ケイ素）とAl2O3（酸化アルミニウム）とMgO（酸化マグネシウム）と窒化物とを溶融させた後、冷却に伴って非晶質化すると共に、所定温度に保持してα−コーディエライト質結晶相を析出するようにしている。
【００１８】
これにより、α−コーディエライト質結晶の分子構造内部において、窒化物由来の窒素原子がその他の種類の原子と結合を形成できるので、高ヤング率のコーディエライト材が製造可能であり、超精密機器用部材として優れたコーディエライト材を提供することができる。
【００１９】
すなわち、α−コーディエライト質結晶中の窒素含量を0.5〜10重量％としたコーディエライト材を製造し提供することができる。
【００２０】
これは、原子が持ついわゆる結合手の数が酸素は２本であるのに対して窒素は３本であることから、窒素の方が金属原子同士を強固に結合させるためであると推測される。
【００２１】
さらに、窒化物はアンモニア(NH3)や窒素ガス（N2）などの窒素原子を含む気体分子（以下、窒素含有ガスという）を選択することにより、SiO2とAl2O3とMgOとを溶融した融液に、窒素含有ガスを吹込んだ後に冷却に伴って非晶質化すると共に、所定温度に保持してα−コーディエライト質結晶相を析出させることによっても、コーディエライト質結晶の内部に他の元素と結合を有する窒素原子を導入することができるので、高ヤング率を有するコーディエライト材を製造することができる。
【００２２】
なお、コーディエライト粉末からなる未焼成セラミックスを所定形状として焼成することにより形成するコーディエライト材の製造方法において、コーディエライト粉末は、SiO2とAl2O3とMgOと窒化物とを溶融し、所定温度に保持して固化することにより、α−コーディエライト質結晶相を析出させたコーディエライトを粉砕して生成するようにしてコーディエライト材を製造しても良い。
【００２３】
なお、ここで窒化物とは、たとえばSi3N4、AlN、BN、Cr2N、Fe4N、Fe3N、GaN、Li3N、Mg3N2、Mo2N、NbN、TaN、TiN、W2N、WN2、YN、ZrN、MgSiN等のような、1a族、2a族、3a族、4a族、5a族、6a族、7a族、8族、3b族、4b族の金属と窒素の化合物である金属窒化物や、前記窒素含有ガスの両者から選ばれる1種類または2種類以上の混合物をいう。
【００２４】
以下、この発明を実施例によって更に詳細に説明するが、この発明はその範囲が下記実施例によって制限されるものでは一切なく、下記実施例はこの発明をより具体的に説明するために例示的に記載されたものである。したがって、この発明は、この発明の要旨から逸脱しない限り、あらゆる改良、変更などを包含するものと解釈することができる。
【実施例】
【００２５】
まず、SiO2とAl2O3とMgOと窒化物との混合物を調製する。
【００２６】
ここで、SiO2とAl2O3とMgOの粒径は、100μｍ以下の粒径を持つようにするのが好ましい。粒径が100μmを超えると窒化物の分散が不均一になり、材料の均一性を損なうことになる。
【００２７】
SiO2とAl2O3とMgOは、あらかじめα型やβ型やμ型等のコーディエライト結晶相を有するコーディエライトやコーディエライトの成分組成を有する非晶質のものを粉砕して粉末化したものでも良く、SiO2とAl2O3とMgOとをモル比でそれぞれ5：2：2に調合したものであっても良い。この際、SiO2とAl2O3とMgOのモル比は本発明における趣旨を逸脱しない範囲内であれば必ずしも正確な調合を要するものではない。
【００２８】
また、窒化物の粒径は、20μm以下とするのが好ましい。粒径が20μmよりも大きいと、SiO2とAl2O3とMgOと十分に混和することができず、しかも、窒化物の分散が不均一になり、材料の均一性を損なうことになる。
【００２９】
SiO2とAl2O3とMgOと窒化物との混合物中に占める窒素原子の重量割合は、混合物100重量部中に好ましくは0.1重量部〜10重量部、さらに好ましくは1重量部〜5重量部とするのが良い。
【００３０】
ここで、コーディエライト材に、Mg3N2、AlN、Si3N4、MgSiN等を窒化物として用いることで、MgとAlとSi以外の金属元素を混入せずに、SiO2とAl2O3とMgOと窒化物との混合物を調製することができる。
【００３１】
また、窒化物としてBN、Cr2N、Fe4N、Fe3N、GaN、Li3N、Mg3N2、Mo2N、NbN、TaN、TiN、W2N、WN2、YN、ZrN等を混入させることにより、MgとAlとSi以外の金属元素を混入させたことによる機能を有するようにすることもできる。
【００３２】
これらの窒化物は、いずれも常温において固体（粉体）であることから、SiO2とAl2O3とMgOとが融解する温度に達するまで窒素を蒸散させずに保持することができるので、α−コーディエライト質結晶に効率よく窒素を取り込ませることができる。
【００３３】
なお、前記窒素含有ガスを窒化物として用いることで、α−コーディエライト質結晶相に窒素を導入するようにしても良い。
【００３４】
本実施例では、あらかじめ調製されたコーディエライトを粉砕して平均粒径を３μｍとした粉体と、平均粒径３μｍの粉体としたSi3N4とをそれぞれ90：10の重量割合でボールミルを用いて混合し、SiO2とAl2O3とMgOと窒化物との混合物を調製した。
【００３５】
次に、SiO2とAl2O3とMgOと窒化物との混合物を、るつぼに入れて溶融炉内に配置する。
【００３６】
ここで用いる溶融炉は特に限定されるものではないが、炉内に窒素ガス（N2)を導入する配管と、炉内の気体を排出する配管を備え、かつ、気密性を有するように密閉可能なものであるのが好ましく、加圧または減圧が可能であれば更に好ましい。
【００３７】
窒素ガスの導入配管と、排出配管を備えることで、常に新鮮な窒素ガスを溶融炉内部に送気することができ、かつ、溶融炉内部に存在する酸素を円滑に排出することができる。
【００３８】
また、溶融炉が気密性を有するようにすることで、大気中に含まれる酸素（O2)が溶融炉内部に入って来るのを防止することができると共に、溶融炉内部に送気した窒素ガスが排出配管から漏れ出すことによる窒素ガスのロスを防止することができる。
【００３９】
本実施例では、窒素ガスが送気可能で、かつ、密閉可能な溶融炉に、SiO2とAl2O3とMgOと窒化物との混合物を収納したるつぼを配置し、溶融炉を密閉した後に、溶融炉内部に200ml/分の流速で窒素ガスを送気して、炉内を窒素ガスで置換した。
【００４０】
次に、溶融炉内のるつぼを加温して、るつぼ内部の混合物を溶融する。
【００４１】
混合物を溶融する温度はSiO2とAl2O3とMgOとが溶融する温度であれば良く、好ましくは1378K(1100℃)〜2078K(1800℃)、さらに好ましくは1678K(1400℃)〜1878K(1600℃)である。
【００４２】
1378K(1100℃)を下回る温度とすると、SiO2とAl2O3とMgOが完全に溶融しないおそれがあると共に、添加した窒化物の窒素原子がα−コーディエライト質結晶相に取り込まれにくくなる。
【００４３】
一方、溶融温度の上限は特に限定されるものではないが、2078K(1800℃)を上回る温度としても、混合物の溶融において特に好ましい効果を生起するものではないので、溶融に必要なエネルギーや作業効率上の観点から2078K(1800℃)以下の温度で混合物を溶融するのが好ましい。
【００４４】
また、本実施例においては、混合物を溶融する際の溶融炉内部における窒素雰囲気の圧力は、大気圧よりも高い状態としている。
【００４５】
したがって、窒素原子同士が結合して生じた窒素ガスが混合物から蒸散するのを効果的に防止することができる。
【００４６】
本実施例では、密閉した溶融炉内部に窒素ガスを200ml/分の流量で送気しつつ、溶融炉内温度を5K/分の昇温速度で1873K（1600℃）まで上昇させた。
【００４７】
次に、α−コーディエライト質結晶相が析出可能な温度まで溶融物の温度を低下させて保持することで、溶融した混合物内にα−コーディエライト質結晶相を析出させる。
【００４８】
この、α−コーディエライト質結晶相を析出させる温度は、1173K（900℃）〜1473K（1200℃）が好ましく、1373K（1100℃）〜1473K（1200℃）がさらに好ましい。
【００４９】
1173K（900℃）を下回ると、六方晶のα−コーディエライト質結晶相が析出しにくいので、その他の結晶相（たとえば斜方晶であるμ−コーディエライト質結晶相）が多く生じてしまい、製造するコーディエライト材のヤング率が低下する。
【００５０】
また、1473K（1200℃）を超える温度では、α−コーディエライト質結晶が析出するのに長時間を要することから、作業効率の悪化を招くこととなる。
【００５１】
α−コーディエライト結晶相を析出させるための保持時間は、10秒間〜３時間が好ましく、１分間〜30分間が更に好ましい。
【００５２】
10秒間より短い時間であると、α−コーディエライト質結晶相が析出しておらず、一方、３時間以上保持しても飛躍的にα−コーディエライト質結晶相が析出することはないので、作業効率上好ましくない。
【００５３】
本実施例では、混合物の溶融温度である1873K（1600℃）から1573K（1200℃）まで溶融炉内部の温度を低下させ、17分間保持することでα−コーディエライト質結晶相を析出させた。
【００５４】
なお、本実施例では溶融したSiO2とAl2O3とMgOと窒化物との混合物を、そのまま1573K（1200℃）まで温度を低下させることで、溶融と析出とを連続的に行っているが、α−コーディエライト質結晶が析出可能な組成を有する窒化物を混合させた非晶質体（たとえば急冷ガラス等）を100μm以下の粒径として、好ましくは1173K（900℃）〜1473K（1200℃）、さらに好ましくは1373K（1100℃）〜1473K（1200℃）とすることでα−コーディエライト質結晶相を析出させても良い。
【００５５】
次に、α−コーディエライト質結晶相を析出させた析出物を粉砕して、コーディエライト粉末を形成し所望の形状に成形する。
【００５６】
ここで行う粉砕は、いわゆるボールミル等を用いて、コーディエライト粉末の粒径が１μm程度の微粉末となるように行うのが好ましい。
【００５７】
本実施例では、ZrO2ボールミルにて析出物を粉砕し、コーディエライト粉末を得た後に板状に成形した。
【００５８】
なお、本実施例では、混合物をるつぼ内で溶融してα−コーディエライト質結晶相を析出させた後に、ZrO2ボールミルにて析出物を粉砕し板状に成形したが、たとえば、あらかじめ所望の形状としたるつぼ内でSiO2とAl2O3とMgOと窒化物との混合物を溶融し、次いで、α−コーディエライト質結晶相を析出させてるつぼの形状に固化することで、粉砕や成形の過程を省略するようにしても良い。
【００５９】
次に、所望の形状に成形した成型物を焼成してコーディエライト材を生成する。
【００６０】
焼成は空気中で行っても良いが、窒素雰囲気中で行うことにより、成型物から窒素が蒸散するのを防止することができる。
【００６１】
また、焼成は加圧条件下で行うようにしても良く、この場合は、コーディエライト粉末が緻密なコーディエライト材とすることができる。
【００６２】
本実施例では、板状とした成型物を、５気圧の窒素雰囲気中で加熱して焼結することでコーディエライト材を得た。
【００６３】
次に、このようにして焼結させたコーディエライト材と、窒素を含有していないコーディエライト材とを比較して、窒素含量、ヤング率、曲げ強度、ビッカース硬度、熱膨張係数（-20〜60℃）の各測定を行った結果を表１に示す。
【００６４】
【表１】
2006240905.tif 000002
上記表１からもわかるように、本実施例において調製したコーディエライト材は、窒素を含まないコーディエライト材と比較してヤング率、曲げ強度、ビッカース硬度のそれぞれにおいて値の上昇が確認された。また、熱膨張係数については、若干の増加傾向がみられたものの、非常に小さな変化であることから、超精密機器用部材に使用する上で特に問題となる変化ではない。
【００６５】
このようにして、本発明によれば、SiO2とAl2O3とMgOと窒化物とを溶融させた後、冷却に伴って非晶質化すると共に、所定温度に保持してα−コーディエライト質結晶相を析出させたことによって、α−コーディエライト質結晶相に窒素が結合を有するように導入することができて、超精密機器用部材として十分なヤング率を有するコーディエライト材を製造し、提供することができる。