(57)【要約】      （修正有）【課題】精密加工性悪化や皮膜形成の際にチッピング、面粗れ、脱粒などが起こりにくいＡｌ２Ｏ３−ＴｉＣセラミックス焼結体の提供。【解決手段】Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＣ複合セラミックス焼結体について、その組織中について、ＴｉＣが５〜２５体積％、残部がＡｌ２Ｏ３である。ＴｉＣ粒子の長径が４μｍ以上のものがなく、ＴｉＣ粒子の平均粒子径は０．４μｍ以下であり、組織中に1μｍ以上のポアがないことを満たす。ポアが少なく、組織の均一さを有し、粗大粒子（ＴｉＣ）の数の少なさおよび微小さ、そして快削性、導電性などの性質を有する炭化物の微粒子で被覆した構造のＡｌ２Ｏ３−ＴｉＣセラミックス焼結体を得る。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
５〜２５体積％の微細なＴｉＣ粒子がＡｌ２Ｏ３中に分散した複合セラミック焼結体において、組織中に長径が０．５μｍ以上のポアがなく、
長径が４μｍ以上のＴｉＣ粒子がなく、
ＴｉＣ粒子の平均粒子長径が０．４μｍ以下であることを特徴とするＡｌ２Ｏ３−ＴｉＣ複合セラミックス焼結体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細な組織を有するＡｌ２Ｏ３−ＴｉＣ複合セラミックス焼結体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＣ複合セラミックスは硬さ、高温での耐熱性、強度、非磁性体、加工後の面粗度の平滑さ、皮膜の形成しやすさ、被精密加工性などで優れており、磁気ヘッドスライダーやレンズ成形型、半導体製造用治具、切削工具、電圧非直線抵抗体、真空チャック、半導体保持具、発熱体、ヒートシンク、摺動部材、精密金型、光学用反射鏡、耐摩耗用部材、ガスセンサー、圧電性素子、溶融金属容器、スライディングノズル、浸漬ノズルなどに幅広く用いられている。
いずれの電気的、熱的、物理的用途にしても、焼結体の精密加工性、面の平滑性、ミクロ的視点での均一性が益々求められている。
通常、Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＣ複合セラミックスは下記方法で製造される。
混合はボールミルやアトライター、ブラストミルなどを用いて行うが、両粉末が均一に混合される必要がある。
乾燥・造粒は静置乾燥やスプレードライヤーを用いて行うのが一般的である。
プレス成形は、金型プレスや冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）法を用いる。こうして得られた圧粉体に必要であれば中間加工を行う。
圧粉体を焼結する方法は、雰囲気炉、真空炉、加圧炉、大気炉、ホットプレス炉などを用いるのが旧来の方法だが、通電プラズマ焼結など新しい焼結法も一般的になっている。より高い密度を得るためには、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）をこの焼結工程の後で行えば良い。
以上が最も一般的なセラミックスを得る工程である。
ところで、焼結体の精密加工性、面の平滑性、ミクロ的視点での均一性は、焼結体中のＴｉＣ粒子をいかに微細化できるかという点が問題となる。ＴｉＣは被加工性、熱伝導率、強度や靭性向上などで不可欠な成分であるが、焼結体中のＴｉＣ粒子が粗大な粒（粗大粒）であれば、結晶粒界からの剥離や脱粒が起こりやすくなるため前記用途に適さない。
そのために、現在までに焼結体中のＴｉＣ粒子を微細化する技術が提案されている。
特許文献１には、アルミナマトリックス中に炭化物が分散し、電気抵抗率が１×１０６〜１０１０（Ω・ｃｍ）である帯電除去用セラミックスが開示されている。帯電除去用セラミックスとしては、炭化物の組成は焼結体全体の４〜２３体積％の範囲が最も望ましい旨が開示されている。
この技術には、アルミナおよび炭化物の平均粒子径が５μｍ以下とだけ記載がある。そのことから、炭化物に超微粉を用いる技術とは異なり、炭化物が４〜２３ｖｏｌ％添加しても電気抵抗率は１×１０６〜１×１０１０（Ω・ｃｍ）と高い。微細に炭化物が分散されていればこれよりも電気抵抗は著しく低下する。
特許文献２にはＡｌ２Ｏ３の原料粉末粒子の表面に、ＴｉＣの薄膜コートをＣＶＤ法によって０．０１〜０．１μｍの厚みで形成し、得られた被覆Ａｌ２Ｏ３と別のＴｉＣ粉末を混合、焼成することによりＡｌ２Ｏ３−ＴｉＣの複合材料を得る方法が開示されている。被覆されたＴｉＣ薄膜コートを形成するＴｉＣ微粒子は、焼結中にＡｌ２Ｏ３の粒成長を阻害する役割も持つ。
この技術では、一部のＴｉＣを確かに微細にすることができるが、焼結体では効果が期待できない。なぜなら、焼結が進行すれば、微細なＴｉＣは単独で存在するのが難しく、他のＴｉＣ粒子の粒成長に併呑されるからである。また、粉末で投入されるＴｉＣ粉末は特別に微粒ではないために、ＴｉＣ結晶を小さくするという目的は達せられない。
【特許文献１】特開平０４−２３０９０４号公報
【特許文献２】特開平０５−２７０８２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＣ複合セラミックスについて、下記特徴を有する焼結体を得るものである。
１．ＴｉＣの含有量が２〜２５体積％、残部がＡｌ２Ｏ３。
２．ＴｉＣ粒子の長径（円形の場合は直径、円形ではない結晶は最も長い距離）が４μｍ以上のものがないこと。
３．ＴｉＣ粒子の平均粒子径（長径）は０．４μｍ以下であること。
４．組織中に長径が０．５μｍ以上のポアがない。更に望ましくは０．２μｍ以上のポアがないこと。
これらについて説明を加えれば、下記のようになる。
１.ＴｉＣ粒子の含有量は、焼結体の特性が得られる範囲でなら、少ない方がよい。ＴｉＣの粒子同士の結合は、剥離を起こしやすく、そのために出来る限りＡｌ２Ｏ３と結合している方が望ましい。これまでのＡｌ２Ｏ３−ＴｉＣ焼結体はＴｉＣ（または同様の効果のあるセラミックス）を２５〜４０体積％添加するのが一般的である。１．に示す要件は、ＴｉＣ粒子の数を増やさず、また、ＴｉＣ粒子同士の結合を少なくするために必要である。ＴｉＣの含有量が２体積％未満であれば分散による効果が十分にならず、２０体積％以上であればＴｉＣの粗大粒ができやすくなる。また、この場合のＴｉＣとは、完全に化学量論組成と限らずに、ＴｉＣｘ（０．９≦ｘ≦１．１）や１０体積％を越えない一部が、ＴｉＯやＴｉＣＯ、ＴｉＣＯＮの形を取るものを含む。
２.ＴｉＣは、焼結、緻密化の際に、原料粉末の大きさよりも大きく粒成長する。加工時のチッピング、剥離性を考えるならば、ＴｉＣ粒子は可能な限り小さい状態にすることが望ましい。また、４μｍを越える粗大粒は精密加工性悪化や皮膜形成の際にチッピング、面粗れ、脱粒など悪影響を及ぼす。
３.焼結体中のＴｉＣ粒子については、粗大であればあるほど精密加工性悪化や皮膜形成の際にチッピング、面粗れ、脱粒、強度で以下、クラックの進展の助長などの要因になり、その粒子が小さい方が有利である。平均粒子径が０．４μｍ以下にできれば、十分な効果が得られる。更に望ましい値は平均粒子径０．３μｍである。
４.焼結体中のポアは、焼結体の品質に大きく関わる。ポアは、全くないのが望ましいが、現実に焼結体を調査してもＡｌ２Ｏ３の粒内や、ＴｉＣ粒子との粒界部付近に見られる。その中でも、焼結体中の０．５μｍ（長径）以上の大きさのポアでは前記悪影響が特に顕著に表れる。ポアは小さいほど、その悪影響を退けることができ、更に望ましくは０．３μｍ以上のポアがないことである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明に示されるＡｌ２Ｏ３−ＴｉＣ複合セラミックス焼結体は、
１．ＴｉＣが５〜２５体積％、残部がＡｌ２Ｏ３。
２．ＴｉＣ粒子長径（球形の結晶はその直径。球形ではない結晶は結晶中の最も長い距離）が４μｍ以上のものがない。
３．ＴｉＣ粒子の平均粒子径は０．４μｍ以下である。
４．組織中に1μｍ、より好ましくは０．２μｍ以上のポアがない。
であることを満たす。前記課題はこの範囲のＡｌ２Ｏ３−ＴｉＣセラミックスにより解決できる。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によりポアが少なく、組織の均一さを有し、粗大粒子（ＴｉＣ）の数の少なさおよび微小さ、快削性、導電性などの性質を有する炭化物の微粒子が被覆した構造の焼結体を得られる。
こうした要件を満たすＡｌ２Ｏ３−ＴｉＣ焼結体は磁気ヘッドスライダーやレンズ成形型、半導体製造用治具、切削工具、電圧非直線抵抗体、真空チャック、半導体保持具、発熱体、ヒートシンク、摺動部材、精密金型、光学用反射鏡、耐摩耗用部材、ＰＴＣ半導体、ガスセンサー、圧電性素子、溶融金属容器、スライディングノズル、浸漬ノズルなどに使用された際に優れた特性を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。
【実施例１】
【０００７】
（原料・粉末）
原料粉末として、平均粒子径０．５μｍ、更に望ましくは０．３μｍ以下のＡｌ２Ｏ３粉末を準備する。また、ＴｉＣ粉末としては平均粒子径が３０ｎｍ〜２００ｎｍの微細粉末を用いる。ＴｉＣ粒子も焼結時に粒成長する。ＴｉＣの粒成長を見越して、原材料では前記範囲とすることが望ましい。この平均粒子径範囲であれば、１５００℃〜１７００℃程度で、焼結および緻密化が十分に進行した後でも、ＴｉＣ層の平均粒子径を０．４μｍ以下に制御することができる。２００ｎｍを越える粉末を使用すれば、十分に緻密な焼結体とした場合のＴｉＣの粒子は、粒成長のために平均結晶粒径は最低でも５００〜１０００ｎｍまで粗大化してしまう。ＴｉＣの微細粉の製造方法は、有機含チタンを溶媒にて液体状にし、それに炭素源を加えて炉内で炭化処理する方法が用いられるが、機械的なミリング、ジェット粉砕など、十分な粒子径がえられるのであればその手段は問わない。混合は、表１に示す組成にて６種類の実施例と４種類の比較例にて行った。焼結温度は、温度条件をさまざま変えて最も高密度を得た際の温度である。
また、本文中には特に記載していないが、Ａｌ２Ｏ３とは純粋なＡｌ２Ｏ３に限らず、ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３、ＳｉＯ２、希土類酸化物などの一般にＡｌ２Ｏ３や、Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＣ材の焼結助材として用いられる物質は、その量が特に多くない場合は（全体の３体積％以下）、本発明の範囲であることを付記しておく。
（成形・焼結）
成形はプレス成形にて、所望の形を得ることができる。圧粉体に工作機にて中間加工も行うことができる。得られた成形体を、非還元雰囲気の炉にて１５００〜１８００℃程度で焼結が可能である。雰囲気はアルゴンガス、窒素ガスなどを用いて、１０気圧程度で加圧する方法がより望ましい。
また、目的物が磁気ヘッド基板や切削チップ、反射板や耐摩板の様な平面状であれば、ＨＰ（ホットプレス）を用いて成形、焼結を同時に行うことも可能である。この際の温度は１４００〜１７００℃、雰囲気はアルゴン雰囲気とした。ホットプレスの圧力は、３５ＭＰaで統一した。
さらに上記いずれの場合でも、焼結後にＨＩＰ処理を行うことで、更にポアを少なくすることもできる。
【０００８】
【表１】
2008087985.tif 000002
【０００９】
ただし、表1中の番号に「*」のついた試料は、本発明の範囲外の比較試料である。
（評価  組織・電気抵抗）
前記１０種類の試料を焼結の後、切断して断面を鏡面ラップ処理し、断面の約１ｍｍ２についてＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）にて観察を行った。 結果を表２に示す。本発明の試料は、総て最大ＴｉＣ粒子径は３．５μｍ以下、平均粒子径は０．３５μｍ以下と良好であった。また、相対密度も９９％以上と良好であった。最大のポアの径も、０．３μ以下であった。
比較例の*試料５は緻密体が得られたが、 ＴｉＣ量が多いために、ＴｉＣの粒子同士がネッキングを起こして、粗大なＴｉＣ粒子となっていた。*試料7はＴｉＣの粒子が大きく、粒界に存在する最大ポアの大きさが１μｍを上回った。*試料８は焼結条件を見つけることができずに、緻密な焼結体が得られなかった。
（評価  精密加工性）
本発明の試料２．３．４．６．９．１０および*比較試料8をのぞいた比較例について、切断機にて一定条件下で切断試験を行った。切断後、光学顕微鏡によりチッピングと脱粒の有無を調べた。
【００１０】
【表２】
2008087985.tif 000003
【００１１】
ただし、表2中の「*」がついた試料は、本発明の範囲外の比較試料である。
表２に示した結果より、本発明のＡｌ２Ｏ３−ＴｉＣ複合セラミックスは、チッピングがごく少ないことが分かる。
これは、ＴｉＣ粒子の状態が、大きく連続しておらず、且つ均一に微細分散していることによるものである。*比較試料１もＴｉＣが微細分散している点では同じだが、ＴｉＣの量自体が少ないために、単体では脆いＡｌ２Ｏ３がチッピングを起こしたものと考えられる。
*比較試料５および*比較試料７は、ＴｉＣ粒子が粗大加しているために、ＴｉＣの剥離による脱粒が多く見られた。
以上のことより、本発明のＡｌ２Ｏ３−ＴｉＣ複合セラミックス焼結体は、ＴｉＣ粒子の凝集が極めて少なく、破壊の起点となるポアも小さく、少ない。また、ミクロ的視点で見た場合も、材料の均一性が極めて優れた、良好な焼結体を得ることができた。
【産業上の利用可能性】
【００１２】
本発明で得られたＡｌ２Ｏ３−ＴｉＣ複合セラミックス焼結体は、レンズ成形型、半導体製造用治具、切削工具、電圧非直線抵抗体、真空チャック、半導体保持具、発熱体、ヒートシンク、摺動部材、精密金型、光学用反射鏡、耐摩耗用部材、磁気ヘッドスライダー、ガスセンサー、圧電性素子、溶融金属容器、スライディングノズル、浸漬ノズルなどに利用できる。