(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＬｉＡｌＳｉＯ4で表されるβ−ユークリプタイトのリチウムアルミノ
シリケートを主成分とし、副成分として酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化チタニウムのいずれか１種を６〜４５質量％含む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−ユークリプタイトのリチウムアルミノ
シリケートを主成分とし、副成分として酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化チタニウムのうちいずれか２種以上を含み、副成分の合計で２．５〜４６質量％含む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３】
比重が２．４〜２．８、ヤング率が１１５〜１２８ＧＰａ、測定温度０〜２０℃での熱膨張率が−１．３〜＋２．０×１０−６／℃、平均結晶粒径が１．０〜２．３μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の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理由で、アルミナ系セラミックスや窒化珪素系セラミックスが広く用いられている。
【０００３】
また、低熱膨張材料であるコージェライト系セラミックスは、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（特公昭５７−３６２９号、特開平２−２２９７６０号各公報参照）。
【０００４】
また、その他の低熱膨張材料としては、リチウムアルミノシリケート（以降、ＬＡＳと表記。）系セラミックスがよく知られている。ＬＡＳ系セラミックスの一種であるβ−スポジュメンについては、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得られる（特公昭５３−９６０５号、特公昭５６−１６４０７号各公報参照）。
【０００５】
【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系セラミックスは比重が３．８、窒化珪素系セラミックスは比重が３．０と、金属に較べて低いものの、機器の大型化に伴う質量の増加を抑えるため、更に軽量な素材が必要とされるようになってきている。また、測定温度範囲０〜２０℃におけるアルミナ系セラミックスの熱膨張率は約５．０×１０−６／℃、窒化珪素系セラミックスの熱膨張率は約１．５×１０−６／℃であるが、より低熱膨張の材料が必要とされている。
【０００６】
一般に、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。
【０００７】
低熱膨張材料として知られるコージェライト系セラミックスは、比重が２．６〜２．７と低いものの、ヤング率が７０〜９０ＧＰａと低く、このヤング率では、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という課題があった。
【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、比重が２．７、熱膨張率が−０．１〜０．１×１０−６／℃、ヤング率が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、比重が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】
本発明のリチウムアルミノシリケート系セラミックスは、ＬｉＡｌＳｉＯ4で表される
β−ユークリプタイトのリチウムアルミノシリケートを主成分とし、副成分として酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化チタニウムのいずれか１種を６〜４５質量％含むことを特徴とする。
【００１２】
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、ＬｉＡｌＳｉＯ4で表
されるβ−ユークリプタイトのリチウムアルミノシリケート主成分とし、副成分として酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化チタニウムのうちいずれか２種以上を含み、副成分の合計で２．５〜４６質量％含むことを特徴とする。
【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、比重が２．４〜２．８、ヤング率が１１５〜１２８ＧＰａ、測定温度０〜２０℃での熱膨張率が−１．３〜＋２．０×１０−６／℃、平均結晶粒径が１．０〜２．３μｍであることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
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、軽量かつ低熱膨張特性を有するＬＡＳ系焼結体であり、化学式ＬｉＡｌＳｉＯ４で表されるβ−ユークリプタイトのリ
チウムアルミノシリケートを主成分とし、酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化チタニウムのいずれか１種またはいずれか２種以上を副成分として含むものである。そして、これらの副成分を１種のみ含有する場合は、その含有量は６〜４５質量％とし、２種以上を含有する場合は、その含有量は２．５〜４６質量％とする。このように含有量の範囲が異なる理由は、複合効果による組織の微細化または針状組織の分散によるものである。
【００１５】
なお、リチウムアルミノシリケートとは、Ｌｉ、Ａｌ、Ｓｉの複合酸化物のことであり、β−ユークリプタイト、β−スポジュメン、ペタライトなどがあるが、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、β−ユークリプタイトを主成分とする。
【００１６】
上記副成分のうち、イオン半径が１．０Å以上の酸化ストロンチウムおよび酸化バリウムは、ＬＡＳ中のＬｉと置換し液層成分を生成することによって、焼結温度を下げる効果が大きい。また、酸化バリウム、酸化ストロンチウム成分を針状組織として分散することにより強度、破壊靱性が向上する効果を有している。特に、酸化バリウムと酸化ストロンチウムを複合した組成が針状化の傾向が大きい。
【００１７】
また、酸化チタニウムは、結晶の粒成長を抑制するため、粒成長に起因するクラックを発生させない効果がある。
【００１８】
ここで、副成分として酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化チタニウムのうち、いずれか１種のみを含有する場合、その含有量が６質量％未満では、前記効果が十分得られず、クラックが発生してしまう。添加量が４５質量％を超えると熱膨張係数は、２．０×１０−６／℃を超えてしまう。
【００１９】
また、副成分として酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化チタニウムのうちいずれか２種以上を含む場合は、合計含有量が２．５質量％未満では、クラックが発生してしまう。添加量が４６質量％を越えると熱膨張係数は、２．０×１０−６／℃を超えてしまう。
【００２０】
その他の成分としては、ジルコニア等のＬＡＳと反応性の低い酸化物は酸化チタニウム同様に結晶の微細化の効果があると考えられ特に存在しても良い。ただし、０．１質量％を超えると熱膨張係数を増大することになるため、不純物量は０．１質量％未満が望ましい。
【００２１】
また、平均結晶粒径は１．０〜２．３μｍが望ましい。１．０μｍ未満では磁器の緻密化が不十分であり、２．３μｍを超えるとクラックが発生してしまう。
【００２２】
本発明のリチウムアルミノシリケート系セラミックスを得るには、先ず、質量比率でＬｉ２Ｏ：Ａｌ２Ｏ３：ＳｉＯ２＝１２．５：４０．５：４７に処方したβ−ユークリプタイト原料粉末を用いる。
【００２３】
ここで、質量比率のばらつきは１％以内に抑えることが必要である。質量比率が１％を超えると、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からである。
【００２４】
そして、アルコキシド法にて上記質量比率で処方した後、仮焼合成し、更に粉砕した比表面積２〜３ｍ２／ｇ、平均粒径５〜７μｍのＬＡＳ原料粉末１００に対して、比表面積１〜２ｍ２／ｇの酸化ストロンチウム、酸化バリウムおよび／または、比表面積６〜７ｍ２／ｇの酸化チタニウムを所定量配合する。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、乾式プレス等を用いて、所定形状に成形後、大気雰
囲気下で９００〜１２００℃、好ましくは、９９０〜１１００℃で焼成することで欠陥のない焼結体を得ることができる。
【００２５】
以上の方法にて得られたセラミックスは、比重が２．４〜２．８と小さく、ヤング率が１１５〜１２８ＧＰａと比較的高く、また熱膨張率は測定温度０〜２０℃で−１．３〜＋２．０×１０−６／℃で、軽量、低熱膨張かつ高剛性特性を有している。
【００２６】
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、上述のような特徴を生かし、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。
【００２７】
【実施例】
比表面積が２．３ｍ２／ｇのβ−ユークリプタイトを主成分、副成分として、比表面積が１．１ｍ２／ｇの酸化ストロンチウム原料粉末を０〜４５．０質量％、また、比表面積が１．４ｍ２／ｇの酸化バリウムを０〜４５．０質量％、また、比表面積が６．２ｍ２／ｇの酸化チタニウムを０〜４５．０質量％の範囲で表１に示す組成でそれぞれ配合し、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で０．９〜１．０μｍ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。次に、試験片を大気雰囲気下で焼成し、焼結体を製作しヤング率、熱膨張係数、外観の評価を行った。ここで、熱膨張率の測定温度範囲は、０〜２０℃とした。
【００２８】
熱処理は９００〜１２００℃の範囲で条件を設定し、各組成の最適な焼成温度を確認し、その最適な温度条件で得られた焼結体の特性を記した。評価の結果、９９０〜１１００℃の範囲で外観上良好な焼結体が得られることが確認できた。焼結体は、クラックの発生が無いものを良好と判定した。
【００２９】
【表１】
0004658312.tif 000002
【００３０】
【表２】
0004658312.tif 000003
【００３１】
評価の結果、酸化ストロンチウム、酸化バリウムのいずれか１種のみを６質量％以上含む焼結体Ｎｏ．１１，１２，１４，１６，５４，５６，５８は、クラックのない良好な焼結体であったが、添加量６質量％未満の焼結体Ｎｏ．８，１７，３６，４９ではクラックが発生して良好な焼結体が得られなかった。
【００３２】
また、酸化チタニウムを６質量％以上含む焼結体Ｎｏ．２，３，４は、クラックのない良好な焼結体であったが、添加量６質量％未満の焼結体Ｎｏ．１では、クラックが発生して良好な焼結体が得られなかった。
【００３３】
また、酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化チタニウムのうちいずれか２種以上を２．５質量％以上含む焼結体Ｎｏ．６，７，９，１０，１３，１５，１６，１９〜２１，２４，２５，２８〜３５，３８，３９，４２，４３，４５〜４８，５０〜５３，５５，５７，５９は、クラックのない良好な焼結体であった。これに対し、添加量が２．５質量％未満の焼結体Ｎｏ．５，１８，２２，２３，２６，２７，３７，４０，４１，４４では、クラックが発生して良好な焼結体が得られなかった。
【００３４】
表１、２に見られるように、ＬｉＡｌＳｉＯ4で表されるβ−ユークリプタイトのリチ
ウムアルミノシリケートを主成分とし、副成分として酸化ストロンチウム、酸化バリウムまたは酸化チタニウムのいずれか１種のみを６質量％以上含む組成、または、酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化チタニウムのうちいずれか２種以上を２．５質量％以上含む組成で良好な焼結体を得ることができた。
【００３５】
また、平均粒径を０．９μｍに粉砕した原料系を使用して、大気雰囲気下で９９０〜１１００℃で熱処理することにより、比重が２．４〜２．８であり、熱膨張率は測定温度範囲０〜２０℃で−１．３〜＋２．０×１０−６／℃、ヤング率が１１５〜１２８ＧＰａで平均結晶粒径が１．０〜２．３μｍとなるクラックのない緻密なセラミックスを得ることができた。
【００３６】
【発明の効果】
以上、詳述したとおり、ＬｉＡｌＳｉＯ4で表されるβ−ユークリプタイトのリチウム
アルミノシリケートを主成分とし、副成分として酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化チタニウムのいずれか１種を６〜４５質量％含むことにより、比重が２．４〜２．８、ヤング率が１１５〜１２８ＧＰａ、熱膨張率が−１．３〜＋２．０×１０−６／℃、平均結晶粒径が１．０〜２．３μｍとなるセラミックスを得ることができる。
【００３７】
さらに、ＬｉＡｌＳｉＯ4で表されるβ−ユークリプタイトのリチウムアルミノシリケートを主成分とし、副成分として酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化チタニウムのうちいずれか２種以上を含み、副成分の合計で２．５〜４６質量％含むことにより、比重が２．４〜２．８、ヤング率が１１５〜１２８ＧＰａ、測定温度０〜２０℃での熱膨張率が−１．３〜＋２．０×１０−６／℃で平均結晶粒径が１．０〜２．３μｍとなるセラミックスを得ることができる。
【００３８】
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、クラックの発生がないため、精密機器用部品として用いた場合、その信頼性は高いものとなり、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。