(57)【要約】【課題】緻密化焼成温度範囲を広げるとともに、本来のコ一ジライト質セラミックスよりも低熱膨張、高強度および低吸水率な耐熱衝撃性セラミックスを得るものである。【解決手段】主たる結晶相がコージェライト相であるコージライト質セラミックスに、さらに酸化物換算で酸化チタンおよび酸化イットリウムの少なくとも一方を０．５質量％以上１０質量％以下、ならびに酸化リチウムを０．５質量％以上７質量％以下の範囲で添加したものである。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
主たる結晶相がコージェライト相であるコージライト質セラミックスに、
さらに
酸化物換算で酸化チタンおよび酸化イットリウムの少なくとも一方を０．５質量％以上１０質量％以下、
ならびに酸化リチウムを０．５質量％以上７質量％以下が添加されたこと
を特徴とする耐熱衝撃性セラミックス。
【請求項２】
コージライト質セラミックスの組成比は、
酸化物換算で酸化マグネシウムが５質量％以上１５質量％以下、
酸化アルミニウムが３０質量％以上４５質量％以下
および酸化シリコンが４５質量％以上６０質量％以下であって、
全質量％が１００質量％であることを特徴とする
請求項１記載の耐熱衝撃性セラミックス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、各種耐熱衝撃性が必要な産業用部品を構成するセラミックス材料に関するものであり、さらに詳しくはコージライト質セラミックスを基本とした、低熱膨脹で高強度な性質を有する耐熱衝撃性セラミックスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
コージライト質セラミックスは、低熱膨脹性であるとともに耐熱衡撃特性に優れ、さらに誘電率や誘霞損失も低くいという電気的特性に優れた性質をもっている。しかしながら、この材料においては、緻密化に必要な焼成温度と、軟化・変形および分解溶融を開始する温度とが接近しているため、織密化焼成温度範囲が数十℃程度と極めて狭く、このため気孔率が低くて、吸水率が低い緻密な焼結体を得ることが困難であった。
【０００３】
緻密化焼成温度範囲を広げるため、コージライト質セラミックスに焼結助剤として適量の酸化カリウムまたは酸化ナトリウムを添加する方法が開示されていた（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１９４８２７号公報（３頁）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のコージライト質セラミックスに焼結助剤として適量の酸化カリウムまたは酸化ナトリウムを添加する方法では、緻密化焼成温度範囲は広がるものの、焼結助剤を添加しない場合に対して、誘電率や誘電損失が大きくなるなど電気的特性面での劣化に加え、熱膨張係数も大きくなり、本来のコ一ジライト質セラミックスのもつ優れた特性が失われてしまう欠点があった。
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、緻密化焼成温度範囲を広げるとともに、本来のコ一ジライト質セラミックスよりも低熱膨張、高強度および低吸水率な耐熱衝撃性セラミックスを得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る耐熱衝撃性セラミックスにおいては、主たる結晶相がコージェライト相であるコージライト質セラミックスに、さらに酸化物換算で酸化チタンおよび酸化イットリウムの少なくとも一方を０．５質量％以上１０質量％以下、ならびに酸化リチウムを０．５質量％以上７質量％以下の範囲で添加したものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明に係る耐熱衝撃性セラミックスは、コージライト質セラミックスに酸化物換算で酸化チタンおよび酸化イットリウムの少なくとも一方を０．５質量％以上１０質量％以下、ならびに酸化リチウムを０．５質量％以上７質量％以下が追加添加されているので、緻密化焼成温度範囲が広がるとともに、本来のコ一ジライト質セラミックスよりも低熱膨張、高強度および低吸水率が得られる。なお、ここで述べる低熱膨張、高強度および低吸水率とは、それぞれ熱膨張係数１．０×１０−６／℃以下（２５〜６００℃）、３点曲げ強度１８０Ｍｐａ以上および吸水率１％以下の特性をいう。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
タルク、アルミナおよびカオリンの原料粉末を、理論組成（２ＭｇＯ・２Ａｌ２Ｏ３・５Ｓｉ０２）となるように秤量し、これらの原料粉末を混合して約１２５０℃で焼成し、乾燥後粉砕して合成コージライト粉末とした。この合成コージライト粉末１００質量％として、炭酸リチウム（ＬｉＣＯ３）粉末を酸化物換算で０．５質量％、酸化チタン（ＴｉＯ２）粉末を０．２５質量％および酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）粉末を０．２５質量％加えた後、水を溶媒としてアルミナボールを用いて、約２０時間のボールミルにて混合した。これらの炭酸リチウム、酸化チタンおよび酸化イットリウムについては合成コージライトに対して外添加である。
【００１０】
混合後、スラリーを取り出し、このスラリーを乾燥して粉末化した後、大気雰囲気中１２００℃で３時間熱処理することで、炭酸塩を分解反応させて全体を酸化物の粉末とした。
【００１１】
この酸化物の粉末をらいかい機で軽く粉砕した後、水、分散剤および結合剤を加えて再びボールミルで混合し、流動性をもつ泥しょう状態とした。この泥しょうを、真空脱泡して石膏型に鋳込み、φ１００ｍｍ×ｔ２０ｍｍの円柱状に成形して乾燥後、電気炉を用いて１４００℃で４時間焼成し、セラミック試料を得た。このセラミック試料を実施例１とした。
【００１２】
この実施例１と同様に、表１に示すように、合成コージライト粉末に対する炭酸リチウムの酸化物換算添加量を変化させて、実施例２〜４および比較例１〜３のセラミック試料を作成した。
【００１３】
表１は、本実施の形態における、セラミック試料の組成と特性値とを示したものである。本実施の形態においては、コージライト質セラミックスの組成は、ＭｇＯが１３質量％、Ａｌ２Ｏ３が１３質量％およびＳｉ０２が５３質量％で一定としおり、この重量比は理論組成（２ＭｇＯ・２Ａｌ２Ｏ３・５Ｓｉ０２）に該当する。また、ＬｉＣＯ３、およびＴｉＯ２＋Ｙ２Ｏ３の質量％は、合成コージライト粉末に追加添加した割合を示している。なお、ＴｉＯ２とＹ２Ｏ３との混合比は、１：１である。
【００１４】
【表１】
2011132055.tif 000002
【００１５】
表１において、熱膨張係数は、作製したセラミック試料から切り出した長さ１０ｍｍの角柱試料を用いて横型熱膨張計を用いて２５℃〜６００℃の温度範囲において測定した熱膨張係数の平均値である。また、機械強度は、作製したセラミック試料から切り出した長さ１０ｍｍの角柱試料を用いた３点曲げ強度試験による破壊開始のときの曲げ強度である。また、吸水率は、セラミック試料を純水中にて１００℃で３０分間煮沸し、その後にセラミック試料を乾燥させたときの重量変化率である。また、適正焼成温度幅は、吸水率１％以下となる焼成温度を下限温度とし、この温度を超えて焼成を継続したとき、試料の表面にガラスが浮き出る直前の温度、あるいはセラミックス内の組織が成長変化して、吸水率が１％を超えた温度を上限温度とし、この下限温度と上限温度との差を適正焼成温度幅とした。
【００１６】
表１を用いて酸化リチウムの添加量について説明する。酸化リチウムが無添加（比較例１）の場合には熱膨張係数が大きく、酸化リチウムの添加量が７質量％よりも多い（比較例２）場合には熱膨張係数は改善されるが、強度が低下する。一方、酸化リチウムの添加量が０．５〜７質量％の範囲（実施例１〜４）であれば、熱膨張係数１．０×１０−６／℃以下、曲げ強度１８０Ｍｐａ以上および吸水率１％以下の特性を実現できる。なお、比較例３は、コージライト質セラミックスに、炭酸リチウム、酸化チタンおよび酸化イットリウムを添加していない本来のコージライト質セラミックスである。
【００１７】
なお、本実施の形態においては、含有される成分を酸化物として記述し、原材料としてタルク、アルミナおよびカオリンの粉末や、炭酸リチウム、酸化チタンおよび酸化イットリウムなどを用いているが、焼成により酸化物となる原材料であれば、他の炭酸塩や硝酸塩などを用いてもよい。
【００１８】
また、本実施の形態においては、セラミック試料の焼成条件を１４００℃で４時間としたが、焼成温度は１３００〜１４５０℃の範囲が好ましい。１３００℃より低い温度ではセラミックの緻密度が低下し、１４５０℃より高い温度ではセラミック試料の軟化、変形および分解溶融などが発生して、形状を維持できなくなる恐れがある。
【００１９】
実施の形態２．
実施の形態２においては、合成コージライト粉末に対する酸化チタンおよび酸化イットリウムの添加量を変化させたものである。本実施の形態において、セラミック試料の作製方法や各種特性値の測定方法は、実施の形態１と同様である。表２に示すように、合成コージライト粉末に対する酸化チタンおよび酸化イットリウムの添加量を変化させて、実施例５〜８および比較例４〜５のセラミック試料を作成した。
【００２０】
【表２】
2011132055.tif 000003
【００２１】
表２は、本実施の形態における、セラミック試料の組成と特性値とを示したものである。表２を用いて酸化チタンおよび酸化イットリウムの添加量について説明する。酸化チタンおよび酸化イットリウムが無添加（比較例４）の場合には適正焼成温度幅が狭く吸水率も高く、酸化チタンおよび酸化イットリウムの添加量が１０質量％よりも多い（比較例５）場合には適正焼成温度幅も広くなり吸水率も低下するが、熱膨張係数が大きくなる。一方、酸化チタンおよび酸化イットリウムの添加量が０．５〜１０質量％の範囲（実施例１、５〜８）であれば、熱膨張係数１．０×１０−６／℃以下、曲げ強度１８０ＭＰａ以上および吸水率１％以下の特性を実現できる。
【００２２】
実施の形態３．
実施の形態３においては、合成コージライト粉末に対する酸化チタンおよび酸化イットリウムのそれぞれの添加量を変化させたものである。本実施の形態において、セラミック試料の作製方法や各種特性値の測定方法は、実施の形態１と同様である。表３に示すように、合成コージライト粉末に対する酸化チタンおよび酸化イットリウムの添加量を変化させて、実施例５〜８および比較例４〜５のセラミック試料を作成した。なお、酸化リチウムの添加量は３質量％、酸化チタンおよび酸化イットリウムの合計の添加量は３質量％に固定した。
【００２３】
【表３】
2011132055.tif 000004
【００２４】
表３は、本実施の形態における、セラミック試料の組成と特性値とを示したものである。表３から、酸化チタンおよび酸化イットリウムそれぞれの添加量が変化しても、大きな特性差は見られず、熱膨張係数１．０×１０−６／℃以下、曲げ強度１８０ＭＰａ以上および吸水率１％以下の特性を実現できる。
【００２５】
実施の形態４．
実施の形態４においては、コージライト質セラミックスの組成を変化させたものである。本実施の形態において、セラミック試料の作製方法や各種特性値の測定方法は、実施の形態１と同様である。表４に示すように、コージライト質セラミックスの組成を変化させて、実施例１６〜３２のセラミック試料を作成した。なお、酸化リチウムの添加量は３質量％、酸化チタンおよび酸化イットリウムそれぞれの添加量は１．５質量％に固定した。
【００２６】
【表４】
2011132055.tif 000005
【００２７】
表４は、本実施の形態における、セラミック試料の組成と特性値とを示したものである。表４を用いてコージライト質セラミックスの組成について説明する。
【００２８】
酸化マグネシウムの組成比について説明する。実施例１６〜２０を比較すると、Ｍｇの酸化物換算での組成比が５〜１５質量％のとき、曲げ強度が１９０ＭＰａ以上で吸水率１％以下の良好な特性を実現できる。組成比が５質量％より少ない（実施例１６）場合は、機械強度が１８０ＭＰａと若干低下し、組成比が１５質量％より多い（実施例２０）場合は、機械強度が１８０ＭＰａと若干低下するとともに、吸水率が１．０％となる。したがって、酸化マグネシウムの組成比は、５質量％以上１５質量％以下であることが好ましい。
【００２９】
次に、酸化アルミニウムの組成比について説明する。実施例２１〜２６を比較すると、Ａｌの酸化物換算での組成比が３０〜４５質量％のとき、曲げ強度が１９０ＭＰａ以上で吸水率１％以下の良好な特性を実現できる。組成比が３０質量％より少ない（実施例２１）場合は、吸水率が０．７％と若干上昇し、組成比が４５質量％より多い（実施例２６）場合は、熱膨張係数が１．００ｐｐｍ／℃と若干上昇するとともに、吸水率が０．９％となる。したがって、酸化アルミニウムの組成比は、３０質量％以上４５質量％以下であることが好ましい。
【００３０】
次に、酸化シリコンの組成比について説明する。実施例２７〜３２を比較すると、Ｓｉの酸化物換算での組成比が４５〜６０質量％のとき、曲げ強度が１９０ＭＰａ以上で吸水率１％以下の良好な特性を実現できる。組成比が４５質量％より少ない（実施例２７）場合は、熱膨張係数が１．００ｐｐｍ／℃と若干上昇し、組成比が４５質量％より多い（実施例３２）場合は、適正焼成温度範囲が少し狭くなる。したがって、酸化シリコンの組成比は、４５質量％以上６０質量％以下であることが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
以上のように、本発明にかかる耐熱衝撃性セラミックスは、電磁調理器、誘導加熱調理器などの調理器においてとくに急熱、急冷環境下で好適に用いられる耐熱セラミックプレートなどに適用することができる。