(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＬｉＡｌＳｉＯ４で表されるβ−ユークリプタイトを９０〜９９質量％、酸化イットリウムを１０〜１質量％の焼結体からなり、ヤング率が１０８〜１１９ＧＰａであり、測定温度０〜２０℃での熱膨張率が−１．１〜−０．３×１０−６／℃であることを特徴とするリチウムアルミノシリケート系セラミックス。
【請求項２】
ＬｉＡｌＳｉＯ４で表されるβ−ユークリプタイトを８０〜９０質量％、酸化チタニウムを２０〜１０質量％の焼結体からなり、ヤング率が１２２〜１２８ＧＰａであり、測定温度０〜２０℃での熱膨張率が−０．４〜０．４×１０−６／℃であることを特徴とするリチウムアルミノシリケート系セラミックス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、精密機器用部品に適したリチウムアルミノシリケート系セラミックスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
精密機器用部品としては、軽量で、熱的な寸法変化が少なく、変形しにくいという特徴からアルミナや窒化珪素などのセラミックスが広く用いられている。
【０００３】
また、低熱膨張材料として、コージェライトやリチウムアルミノシリケート（以降、ＬＡＳと表記。）がよく知られている。コージェライト系焼結体は特公昭５７−３６２９号、特開平２−２２９７６０号等に示されるようにコージェライト粉末あるいはコージェライトを形成するＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２粉末を配合・合成して、これに焼結助剤として希土類酸化物やＣａＯ、ＳｉＯ２、ＭｇＯなどを添加し、所定形状に成形後、１０００〜１４００℃の温度で焼成することによって得られる。
【０００４】
ＬＡＳ系焼結体で特にβ−スポジュメンは一般式ＬｉＡｌＳｉ２Ｏ６で表され、特公昭５３−９６０５号、特公昭５６−１６４０７０号等に示されるように天然原料を使用して、所定形状に成形後、１１００〜１４００℃で焼成することによって作製される。
【０００５】
このβ−スポジュメンは、比重２．０〜２．４と低く、熱膨張率は室温〜８００℃で０．３〜２．７×１０−６／℃、室温付近では０〜０．２×１０−６／℃と低いものである。ＬＡＳ系焼結体の熱膨張率の低さは、結晶軸方向の異方性によるものとそれに伴うマイ
クロクラックの存在がその要因とされる。マイクロクラックは、結晶軸方向の異方性が大きいほどよく見られ、マイクロクラックを抑制する方法は、マイクロクラック発生の臨界粒径を見極め、臨界粒径内で磁器結晶を制御することとされる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
精密機器用部品として、一般に用いられてきたアルミナ、窒化珪素などのセラミックスの比重は、アルミナが３．８、窒化珪素が３．０と金属に比べ低いものの、機器の軽量化、振動抑制のためにより軽量材が必要とされてきている。また、熱膨張率は、０〜２０℃でアルミナが約５．０×１０−６／℃、窒化珪素が約１．５×１０−６／℃であるが、精密機器の熱変形を軽減するために、より低熱膨張材が必要とされてきている。精密機器用部品として望まれる材料の特性は、低比重、低熱膨張、高剛性であるが、上記アルミナ、窒化珪素は、これを満足することができなかった。
【０００７】
一方、低熱膨張材料として知られるコージェライトは、比重２．６〜２．７と低いものの、ヤング率が７０〜９０ＧＰａと小さいため、精密機器用部品として用いる場合、たわみによる変形や部材の固有振動数低下に伴う共振発生等の問題があった。
【０００８】
これに対して、最近の報告では希土類酸化物を焼結助剤とするコージェライト系セラミックスは、比重２．７、熱膨張率−０．１〜０．１×１０−６／℃、ヤング率１３０〜１４０ＧＰａを有するものがあり、変形対策や固有振動数の向上に期待されている（特開平１１−２５５５５７号公報参照）。しかし、焼結助剤として用いる希土類酸化物はそれ自体高価であるため、原料単価が比較的高くなるという問題があった。
【０００９】
一方、ＬＡＳ系セラミックスの１種であるβ−スポジュメン、ペタライトは、比重２．０〜２．４と低く、熱膨張率は室温〜８００℃で０．３〜２．７×１０−６／℃、室温付近では０〜０．２×１０−６／℃と低いものの、ヤング率は６０〜８０ＧＰａと剛性の低い材料である。また、この材料は結晶軸方向の異方性が大きく、焼結時の粒成長に伴い、クラックが発生するため欠陥のない焼結体を得ることは難しいという課題があった。
【００１０】
本発明は軽量で低熱膨張を有するとともに、焼結後、クラックの発生することのない、しかも剛性の高いセラミックスを提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、低熱膨張材料の中でも特に比重の低いＬＡＳ系焼結体で特に熱膨張率が低いβ−ユークリプタイト材料を用い、微細な結晶組織の状態で緻密化することでマイクロクラック発生を抑え、低熱膨張特性を有し、かつ比較的剛性の高い材料を得るようにした。
【００１２】
即ち、本発明のリチウムアルミノシリケート系セラミックスは、化学式ＬｉＡｌＳｉＯ４で表されるβ−ユークリプタイト９０〜９９質量％と酸化イットリウム１０〜１質量％の焼結体からなり、ヤング率が１０８〜１１９ＧＰａであり、測定温度０〜２０℃での熱膨張率が−１．１〜−０．３×１０−６／℃であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明のリチウムアルミノシリケート系セラミックスは、化学式ＬｉＡｌＳｉＯ４で表されるβ−ユークリプタイト８０〜９０質量％と酸化チタニウム２０〜１質量％の焼結体からなり、ヤング率が１２２〜１２８ＧＰａであり、測定温度０〜２０℃での熱膨張率が−０．４〜０．４×１０−６／℃であることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の軽量低熱膨張セラミックスは、軽量低熱膨張特性を有するＬＡＳ系焼結体で特にβ−ユークリプタイトとして知られる化学式ＬｉＡｌＳｉＯ４で表される複合酸化物を
主成分とし、焼結助剤として酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）を１〜１０質量％含有させた焼結体からなるものである。酸化イットリウムが、１質量％未満では粒成長が伴わず、β−ユークリプタイトが緻密化しない。また、添加量が１０質量％を超えると助剤過多により焼成温度幅が狭まるため緻密なβ−ユークリプタイトを得ることが難しくなる。
【００１５】
また、焼結助剤として上記酸化イットリウムにかえて、酸化チタニウム（ＴｉＯ２）を１〜２０質量％含有させることもできる。この系においては、添加量が１質量％未満では粒成長により、マイクロクラックが発生するようになり、添加量が２０質量％を超えると助剤過多により焼成温度幅が狭まるため緻密なβ−ユークリプタイトを得ることが難しくなる。低熱膨張特性を有し、かつ剛性を高めるため、本発明において、酸化チタニウム（ＴｉＯ２）の添加量は１０〜２０質量％とする。
【００１６】
また、上記、主成分を成すβ−ユ−クリプタイトを作製するには、質量比率でＬｉ２Ｏ：Ａｌ２Ｏ３：ＳｉＯ２＝１２．５：４０．５：４７に処方した原料粉末を用いる。各成分の増減により結晶中にムライト生成や、クリストバライト生成が見られるようになり、その結果、熱膨張率が増加するため、質量比率のバラツキは各成分とも、上記質量比率の±０．５％以内に抑える必要がある。
【００１７】
アルコキシド法にて上記組成比率で処方された平均粒径５〜７μｍのＬＡＳ原料粉末１００に対して、比表面積８〜９ｍ２／ｇ、平均粒径０．８〜０．９μｍの酸化イットリウムを所定量添加する。配合の後、振動ミル等を使用して、平均粒径１μｍ未満となるように粉砕混合し、所定形状に成形後、大気雰囲気下で１１９０〜１２１０℃で熱処理を行うことにより、比重２．３５〜２．５、熱膨張率は測定温度０〜２０℃で−１．１〜−０．３×１０−６／℃、ヤング率１０８〜１１９ＧＰａ、平均結晶粒径１．３〜１．７μｍとなるセラミックスを得ることが出来る。
【００１８】
または、アルコキシド法にて上記組成比率で処方された平均粒径５〜７μｍのＬＡＳ原料粉末１００に対して、比表面積７〜８ｍ２／ｇ、平均粒径０．９〜１．０μｍの酸化チタニウムを所定量添加する。配合の後、振動ミル等を使用して、平均粒径１μｍ未満となるように粉砕混合し、所定形状に成形後、大気雰囲気下で１１７５〜１２２４℃で熱処理を行うことにより、比重２．４４〜２．５５、熱膨張率は測定温度０〜２０℃で−０．４〜０．４×１０−６／℃、ヤング率１２２〜１２８ＧＰａ、平均結晶粒径１．３〜２．２μｍとなるセラミックスを得ることが出来る。
【００１９】
以上の仕様にて得られた本発明の軽量低熱膨張セラミックスは、比重２．３５〜２．５５と小さく、低熱膨張材料群の中ではヤング率１０８〜１１９ＧＰａまたは１２２〜１２８ＧＰａと高く、また、アルミナ、窒化珪素と比較して熱膨張率は測定温度０〜２０℃で−１．１〜−０．３×１０−６／℃または−０．４〜０．４×１０−６／℃と熱膨張が０に近く、軽量低熱膨張特性を有することを特徴とする。
【００２０】
本発明のリチウムアルミノシリケート系セラミックスは、上記特徴を生かし、精密機器用部品として用いることにより、温度変化に対して寸法安定性に優れ、変形・振動の影響を極めて少なくすることができる。
【００２１】
【実施例】
実施例１
平均粒径５．５μｍのβ−ユークリプタイトに対して、比表面積８．８ｍ２／ｇ、平均粒径０．９μｍの酸化イットリウム原料粉末を０．５〜１５質量％の仕様で配合し、振動ミルにより７２時間混合し、粉砕粒度をそれぞれ平均粒径０．９μｍとした。造粒後、乾式プレス成形により抗折試験片形状に製作した。得られた各条件毎の試験片を表１に記した焼成温度にて大気雰囲気下で熱処理しセラミックス磁器を製作し評価を行った。なお、緻密な磁器が得られたか否かについて、判定欄に○×で示した。また、熱膨張率の測定温度範囲は０〜２０℃とした。
【００２２】
テストの結果を表１に示すように、Ｎｏ．１の酸化イットリウム０．５質量％添加仕様、Ｎｏ．６の１５．０質量％添加仕様では、緻密体を得ることができなかった。これは、１．０質量％未満では粒成長が伴わずに緻密化できず、また、１０．０質量％を越えると助剤過多により焼成温度幅が狭まるため緻密な磁器を得ることが難しくなるためである。
【００２３】
これに対し、Ｎｏ．２の酸化イットリウム１．０質量％添加仕様では、焼成温度１２１０℃で比重２．３５、ヤング率１０８ＧＰａ、熱膨張率−１．１×１０−６／℃が得られ、平均結晶粒径は１．３μｍとなった。Ｎｏ．３の酸化イットリウム２．０質量％添加仕様では、焼成温度１２１０℃で比重２．３７、ヤング率１１０ＧＰａ、熱膨張率−０．９×１０−６／℃が得られ、平均結晶粒径は１．４μｍとなった。Ｎｏ．４の酸化イットリウム５．０質量％添加仕様では、焼成温度１２１０℃で比重２．４１、ヤング率１１４ＧＰａ、熱膨張率−０．８×１０−６／℃が得られ、平均結晶粒径は１．４μｍとなった。Ｎｏ．５の酸化イットリウム１０．０質量％添加仕様では、焼成温度１１９０、１２１０℃で比重２．４８〜２．５０、ヤング率１１５〜１１９ＧＰａ、熱膨張率−０．４〜−０．３×１０−６／℃が得られ、平均結晶粒径は１．５〜１．７μｍとなった。
【００２４】
このように本発明に基づき、β−ユークリプタイトに、比表面積８．８ｍ２／ｇ、平均粒径０．９μｍの酸化イットリウム原料粉末を１〜１０質量％加え、平均粒径０．９μｍに粉砕した原料系を使用して、大気雰囲気下で１１９０℃（試料Ｎｏ．５）または１２１０℃（試料Ｎｏ．２〜５）で熱処理したことによって得られたセラミックス磁器については、比重２．３５〜２．５、ヤング率１０８〜１１９ＧＰａ、熱膨張率は測定温度範囲０〜２０℃で−１．１〜−０．３×１０−６／℃で平均結晶粒径１．３〜１．７μｍとなる緻密なセラミックスとなった。
【００２５】
【表１】
0004658311.tif 000002
【００２６】
実施例２
平均粒径５．５μｍのβ−ユークリプタイトに対して、比表面積７．２ｍ２／ｇ、平均粒径０．９μｍの酸化チタニウム原料粉末を０．５〜２５質量％の仕様で配合し、振動ミルにより７２時間混合し、粉砕粒度をそれぞれ平均粒径０．９μｍとした。造粒後、乾式プレス成形により抗折試験片形状に製作した。得られた各条件毎の試験片を表２に記した焼成温度にて大気雰囲気下で熱処理しセラミックス磁器を製作し評価を行った。なお、緻密な磁器が得られたか否かについて、判定欄に○×で示した。また、熱膨張率の測定温度範囲は０〜２０℃とした。
【００２７】
テストの結果を表２に示すように、Ｎｏ．７の酸化チタニウム０．５質量％添加仕様、Ｎｏ．１４の２５．０質量％添加仕様では、緻密体を得ることができなかった。これは、１．０質量％未満では粒成長によりクラックが発生し、また、２０．０質量％を越えると助剤過多により焼成温度幅が狭まるため緻密な磁器を得ることが難しくなるためである。
【００２８】
これに対し、Ｎｏ．８の酸化チタニウム１．０質量％添加仕様では、焼成温度１１７５、１１９０、１２１０、１２２４℃で比重２．３５〜２．３６、ヤング率１１５〜１１８ＧＰａ、熱膨張率−０．９〜−０．７×１０−６／℃が得られ、平均結晶粒径は０．９〜１．２μｍとなった。Ｎｏ．９の酸化チタニウム２．０質量％添加仕様では、焼成温度１１７５、１１９０、１２１０、１２２４℃で比重２．３３〜２．３７、ヤング率１１５〜１１９ＧＰａ、熱膨張率−０．９〜−０．７×１０−６／℃が得られ、平均結晶粒径は０．９〜１．３μｍとなった。
【００２９】
Ｎｏ．１０の酸化チタニウム５．０質量％添加仕様では、焼成温度１１７５、１１９０
、１２１０、１２２４℃で比重２．３６〜２．４０、ヤング率１１７〜１１９ＧＰａ、熱膨張率−０．８〜０．６×１０−６／℃が得られ、平均結晶粒径は１．１〜１．４μｍとなった。Ｎｏ．１１の酸化チタニウム１０．０質量％添加仕様では、焼成温度１１７５、１１９０、１２１０、１２２４℃で比重２．４４〜２．４５、ヤング率１２２〜１２４ＧＰａ、熱膨張率−０．４〜−０．１×１０−６／℃が得られ、平均結晶粒径は１．３〜１．８μｍとなった。
【００３０】
Ｎｏ．１２の酸化チタニウム１５．０質量％添加仕様では、焼成温度１１７５、１１９０、１２１０、１２２４℃で比重２．４９〜２．５０、ヤング率１２５〜１２６ＧＰａ、熱膨張率−０．１〜０．２×１０−６／℃が得られ、平均結晶粒径は１．５〜２．０μｍとなった。Ｎｏ．１３の酸化チタニウム２０．０質量％添加仕様では、焼成温度１１７５、１１９０、１２１０、１２２４℃で比重２．５４〜２．５５、ヤング率１２８ＧＰａ、熱膨張率０．３〜０．４×１０−６／℃が得られ、平均結晶粒径は１．６〜２．２μｍとなった。
【００３１】
このように本発明に基づき、β−ユークリプタイトに、比表面積７．２ｍ２／ｇ、平均粒径０．９μｍの酸化チタニウム原料粉末を１０〜２０質量％加え、平均粒径０．９μｍに粉砕した原料系を使用して、大気雰囲気下で１１７５〜１２２４℃で熱処理したことにより、比重２．４４〜２．５５、ヤング率１２２〜１２８ＧＰａ、熱膨張率は測定温度範囲０〜２０℃で−０．４〜０．４×１０−６／℃で平均結晶粒径１．３〜２．２μｍとなる緻密なセラミックスを得ることができた。
【００３２】
【表２】
0004658311.tif 000003
【００３３】
【発明の効果】
以上、詳述したとおり本発明のリチウムアルミノシリケート系セラミックスによれば、一般式ＬｉＡｌＳｉＯ４で表されるβ−ユークリプタイトを９０〜９９質量％、酸化イットリウムを１０〜１質量％の焼結体からなり、ヤング率が１０８〜１１９ＧＰａ、熱膨張率が−１．１〜−０．３×１０−６／℃であることによって、軽量で低熱膨張を有するとともに、剛性の高いセラミックスを提供することができる。
【００３４】
また、一般式ＬｉＡｌＳｉＯ４で表されるβ−ユ−クリプタイトを８０〜９０質量％、酸化チタニウムを２０〜１０質量％の焼結体からなり、ヤング率が１２２〜１２８ＧＰａ、熱膨張率は測定温度範囲０〜２０℃で−０．４〜０．４×１０−６／℃であることによって、軽量で低熱膨張を有するとともに、剛性の高いセラミックスを提供することができる。
【００３５】
このリチウムアルミノシリケート系セラミックスを精密機器用部品として用いることにより温度変化に対して寸法安定性に優れ、変形・振動の影響を極めて少なくすることができる。