(57)【要約】【課題】  酸窒化アルミニウム相を主成分とする透光性の高い透光性セラミックスを常圧焼結によって得られるようにする。【解決手段】  Ａｌ２Ｏ３およびＡｌＮをモル比率で８０〜６０％：２０〜４０％の割合で含有し、かつ平均粒径０．６〜１．２μｍのＭｇＯ粉末をＡｌ２Ｏ３とＡｌＮとの合計量を１００重量部としたときに２〜１０重量部含有する混合粉末を成形して成形体１０を得る。この成形体１０を最高温度１９５０〜２０５０℃で焼結させることによって、ＡｌＯＮ相を主成分とする透光性セラミックスを得る。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌ２Ｏ３およびＡｌＮをモル比率で８０〜６０％：２０〜４０％の割合で含有し、かつ平均粒径０．６〜１．２μｍのＭｇＯ粉末をＡｌ２Ｏ３とＡｌＮとの合計量を１００重量部としたときに２〜１０重量部含有する混合粉末を成形して成形体を得、この成形体を最高温度１９５０〜２０５０℃で焼結させることを特徴とする、透光性セラミックスの製造方法。
【請求項２】
少なくとも１７００℃から前記最高温度までの昇温速度を０．５〜８℃／分として焼結することを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記透光性セラミックスがＡｌ２Ｏ３相を有することを特徴とする、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の方法によって得られたことを特徴とする、透光性セラミックス。
【請求項５】
ＡｌＯＮ相とＡｌ２Ｏ３相との各ピーク高さの相対比率が９５．０〜９９．５：５．０〜０．５であることを特徴とする、請求項４記載の透光性セラミックス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧ナトリウムランプ発光管、高温炉の窓、赤外線検出用窓材、耐熱性レンズ等のように、高温下（特に、１０００℃以上）での耐久性と、紫外・可視・赤外領域波長の光に対する高い透光性とを必要とする部品の材料として好適な、透光性酸窒化アルミニウムマグネシウム焼結体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、可視および赤外領域波長の光の透光性に優れ、かつ耐熱性や耐摩耗性にも優れた透光性材料に対する要求が高まっている。アルミナに窒化アルミニウムを添加し、高温で焼結すると単一相の酸窒化アルミニウムが得られることが知られている（特許文献１、２、非特許文献１）。酸窒化アルミニウムの結晶構造は、等方性の立方晶構造からなるものであり、この酸窒化アルミニウムを用いると、結晶粒界における複屈折による光散乱がなく、透光性の非常に高い酸窒化アルミニウム焼結体が得られる可能性がある。
【特許文献１】特開平１−１８３４７２号公報
【特許文献２】特開平７−３０９６６７号公報
【非特許文献１】「酸窒化アルミニウムスピネルの透光性に及ぼすＭｇＯの添加効果」（１９９６年発行：「山口県工業技術センター研究報告」橋本  雅史、三国  彰）
【０００３】
これまで、上記酸窒化アルミニウムの均一な焼結体の製造方法として、一旦、酸窒化アルミニウム組成とした原料粉末を製造し、これを窒素中や真空中でホットプレスすることによって、透光性酸窒化アルミニウム焼結体を製造する方法が提案されている。しかし、この方法では、製造工程が複雑であり、高コストである。
【発明の開示】
【０００４】
本発明の課題は、酸窒化アルミニウム相を主成分とする透光性の高い透光性セラミックスを常圧焼結によって得られるようにすることである。
【０００５】
本発明は、Ａｌ２Ｏ３およびＡｌＮをモル比率で８０〜６０％：２０〜４０％の割合で含有し、かつ平均粒径０．６〜１．２μｍのＭｇＯ粉末をＡｌ２Ｏ３とＡｌＮとの合計量を１００重量部としたときに２〜１０重量部含有する混合粉末を成形して成形体を得、この成形体を最高温度１９５０〜２０５０℃で焼結させることを特徴とする、ＡｌＯＮ相を主相とする透光性セラミックスの製造方法に係るものである。
【０００６】
この方法によれば、酸窒化アルミニウム相を主成分とする透光性の高い透光性セラミックスを常圧焼結によって得ることができる。
透光性セラミックスのうち最も量の多い相はＡｌＯＮ相である必要がある。好ましくはＸ線回折測定において、ＡｌＯＮ相のピーク強度と他の結晶相のピーク強度との合計値を１００％としたとき、他の結晶相のピーク強度は１０％以下であることが好ましく、５％以下であることが更に好ましい。
【０００７】
Ａｌ２Ｏ３およびＡｌＮの割合は、モル比率で８０〜６０％：２０〜４０％の割合とする。これによって酸窒化アルミニウム相を主相として生成させることができる。Ａｌ２Ｏ３とＡｌＮとの合計量を１００重量部としたときにＭｇＯ粉末を２〜１０重量部添加する。ＭｇＯ粉末の添加量を２重量部以上とすることによって、結晶粒子径を大きくすることができ、直線透過率が向上する。この観点からは、ＭｇＯ粉末の添加量を２重量部以上とすることが好ましい。また、ＭｇＯ粉末の添加量が１０重量部を超えると、焼結時の粒内気孔が多く存在し透光性が劣る。
【０００８】
ＭｇＯ粉末の平均粒径は０．６〜１．２μｍとする。例えば非特許文献１においてはＭｇＯ粉末の平均粒径は０．４μｍと微細であるが、焼結温度によって直線透過率の変化が非常に大きく、焼結温度による特性変動が大きい。本発明のように若干平均粒径の大きいＭｇＯ粉末を使用することで、最終的な焼結体中にＡｌ２Ｏ３相が残り易くなり、焼結温度による直線透過率の変化が小さく、従って安定して高い直線透過率を有する焼結体を量産可能となる。
【０００９】
成形体の焼結時の最高温度は１９５０〜２０５０℃とする。この最高温度を１９５０℃以上、２０５０℃以下とすることによって、焼結体の直線透過率を高くすることができる。
【００１０】
本発明において好ましくは、常圧焼結で少なくとも１７００℃から最高温度までの昇温速度を０．５〜８℃／分とする。このように固相反応から燒結までの昇温速度を低くし、反応を緩やかにすることによって、急激な緻密化を抑えながら、粒内気孔を拡散し、結晶粒子を成長させて透光性を高くすることができる。この観点からは、１７００℃以上での昇温速度を２℃／分以下とすることが更に好ましい。
【００１１】
また、本発明は、前記方法によって得られたことを特徴とする透光性セラミックスに係るものである。この透光性セラミックスは、好ましくはＡｌ２Ｏ３相を含有している。特に好ましくは、ＡｌＯＮ相とＡｌ２Ｏ３相との各ピーク高さの相対比率が、実施例記載の条件で９５．０〜９９．５：５．０〜０．５である。
【００１２】
以下本発明に係る透光性酸窒化アルミニウムマグネシウム焼結体の製造方法について、さらに詳細に説明する。まず、アルミナ粉末、窒化アルミニウム粉末および酸化マグネシウム粉末を所定の配合比で混合して混合粉末を調製する。アルミナ粉末の平均粒径は０．４μｍ以下であることが好ましく、窒化アルミニウム粉末の平均粒径は０．６μｍ以下であることが好ましい。酸化マグネシウム粉末の平均粒径は０．６μｍ以上、１．２μｍ以下とする。
【００１３】
粉末混合方法は限定されない。例えば、エタノール等の溶媒中で各粉末をボールミル中で混合し、得られたスラリーをスプレードライなどの方法によって乾燥して調製することによって、混合状態の良い混合粉末が得られる。
【００１４】
次に、上記混合粉末を成形し、成形体を得る。この成形方法は限定されない。例えば、金型を用いた一軸加圧成形、ゴム型を用いた冷間等方加圧（ＣＩＰ）成形を例示できる。上記のようにボールミルを用いて混合した場合には、前記スラリーを、石膏などの多孔質の型に直接に流し込み、混合粉末を型に着肉した後、離型および乾燥することによって、成形体を得ることができる。
【００１５】
そして、成形体を大気圧あるいは減圧下で所定の最高温度まで昇温させることによって、固相反応および焼結を行わせる。この際、最高温度までゆっくりと昇温することによって、固相反応を生じさせ、次いで焼結を生じさせることができる。好ましくは、最高温度よりも低い温度において一定時間保持することによって、アルミナ粉末、窒化アルミニウム粉末および酸化マグネシウム粉末の固相反応を進行させ、酸窒化アルミニウムマグネシウム（Ｍｇ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ）相を生成させることができる。この後に保持温度から最高温度へと昇温し、焼結を生じさせる。
【００１６】
前記保持温度は、１５００〜１７５０℃の温度範囲が好適である。上記保持温度が１７５０℃を超えると、以降の処理で除去できない閉気孔が焼結体中に残留しやすく、最終製品の透光性を下げるおそれがある。
【００１７】
固相反応および焼結時の雰囲気ガスには、窒素ガス、水素ガス、又はアルゴンなどの不活性ガスを用いることができる。また、焼結中の成形体の還元を防ぐために、上記窒素ガス等や不活性ガス中に０．１〜５％程度の酸素ガスを混合したガスを用いてもよい。
【００１８】
成形体の固相反応が進行すると、更に最高温度へと昇温し、焼結体とする。最高温度での保持時間は３〜１０時間が適当である。
【実施例】
【００１９】
以下のようにして、表１のＴー１〜１３に示す各例の焼結体を作製した。
（粉末）  具体的には、Ａｌ２Ｏ３粉末（住友化学株式会社製「ＡＫＰ−３０」：平均粒径０．４μｍ、ＡｌＮ粉末（徳山ソーダ株式会社製「ＦグレードＡｌＮ粉末」：平均粒径０．６μｍ）、およびＭｇＯ粉末（宇部マテリアルズ株式会社製「高純度超微紛」：平均粒径１．０μｍ）を使用した。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
（調合条件）  １リットルポリ容器内に径φ５ｍｍのアルミナ玉石１ｋｇ（純度99.9％）、前記原料粉末およびエタノール(500cc)を加え、ポットミル中で２４時間混合・解砕し（70〜80rpm），調合物を得た。各粉末の混合比率は、表１に示すように変更した。
（溶媒除去・乾燥）
ステンレスバットに調合物を収容し、N２ガス乾燥機内で、１０５０℃で１２時間乾燥した。
（粉砕・篩通し）
乾燥後の調合物を、純度９９．９％アルミナ乳鉢を用いて粉砕し、ポリエステル篩（＃８０）に通した。
（ペレット成形）
ハンドプレスφ20金型に調合物を収容し、圧力200kg／ｃｍ２で成形し、ペレット状の成形体を得た。このペレット状成形体を、ＣＩＰで2000ｋｇ／ｃｍ２で加圧した。
（焼成）
図１に模式的に示すようなカーボン製の匣鉢１を準備した。３は匣鉢本体であり、２は蓋である。匣鉢１の寸法は、縦３００ｍｍ、横３００ｍｍ、高さ２００ｍｍである。匣鉢１内に窒化ホウ素製のルツボ５を収容した。図２に模式的に示すように、ルツボ５の本体７の空間８内に窒化ホウ素粉末９を充填し、窒化ホウ素粉末９内にペレット状成形体１０を埋設する。そして窒化ホウ素製の蓋６をする。ルツボの寸法は、直径８０ｍｍ、高さ７０ｍｍである。
（研磨）
各例の焼結体を、厚さ１．２ｍｍになるまで研磨加工し、次いで焼結体の両面を鏡面研磨加工した。
【００２２】
表１に示す各例においては、以下のような昇温−焼成−降温スケジュールを採用した。
（Ｔ−１、Ｔ−２）
室温から２０００℃まで１０℃／分で昇温し、２０００℃で１０時間保持した。予備加熱工程は設けていない。
（Ｔ−３、Ｔ−４）
室温から保持温度１７５０℃まで１０℃／分で昇温し、１７５０℃で３時間保持し、更に最高温度２０５０℃まで１０℃／分で昇温した。そして２０５０℃で６時間保持した。
（Ｔ−５、６、７、８）
室温から保持温度１７００℃まで１０℃／分で昇温し、１７００℃で１時間保持し、更に最高温度２０００℃まで２℃／分で昇温した。そして２０００℃１０時間保持した。
（Ｔ−９、１０、１１、１１）
室温から保持温度１７００℃まで１０℃／分で昇温し、１７００℃で１時間保持し、更に最高温度２０５０℃まで２℃／分で昇温した。そして２０５０℃３時間保持した。
（Ｔ−１３）
室温から保持温度１７００℃まで１０℃／分で昇温し、１７００℃で１時間保持し、更に最高温度２０５０℃まで１．３℃／分で昇温した。そして２０５０℃で３時間保持した。
【００２３】
得られた各例の焼結体について、以下の特性を測定した。
（生成相）
以下の条件で各焼結体のＸ線回折チャートを得た。
CuKα、50kV、300mA 、2 θ＝１０〜７０°
回転対陰極型X 線回折装置「理学電機製「RINT」」
この結果、いずれの例においても、ＡｌＯＮ相とＡｌ２Ｏ３相との各ピークを検出した。更に、各ピークの高さを合計し、ピーク高さの合計値を１００％とした。そしてＡｌＯＮ相、Ａｌ２Ｏ３相の各ピーク高さ比率（％）を測定した。
（粒径）
焼結した試料断面をＳＥＭで粒径サイズを観察した。
（密度、相対密度）
アルキメデス法によって測定した。
（直線透過率）
焼成した試料を１３ｍｍ×１３ｍｍ×１．２ｍｍｔの寸法に加工し、試料両面をダイヤモンドペーストで鏡面研磨した試料を，直線透過率測定器で波長６００ｎｍの透過率を測定した。
【００２４】
【表２】
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【００２５】
比較例のＴ−１においては、ＭｇＯを添加しておらず、２０００℃まで１０℃／分で昇温し、２０００℃で焼結させている。得られた焼結体のＸ線回折分析を行うと、ＡｌＯＮ単相の結晶が得られず、僅かにＡｌ２O３（Ｃｏｒｕｄｕｍ）が残存している複合相であった。Ａｌ２O３相のピーク高さ比率は２％であった。試料の直線透過率は１％と低かった。本発明例のＴ−２においては、ＭｇＯを３．０重量％添加し、Ｔ−１と同じ焼成条件を採用している。得られた焼結体のＸ線回折分析を行うと、ＡｌＯＮ単相の結晶が得られず、僅かにＡｌ２O３  （Ｃｏｒｕｄｕｍ）が残存している複合相であった。Ａｌ２O３相のピーク高さ比率は１．７％であった。相対密度は９６．０％と若干低く、試料の直線透過率は２１％に達していた。
【００２６】
比較例のＴ−３においては、ＭｇＯを添加しておらず、１７５０℃で３時間保持しており，また２０５０℃まで１０℃／分で昇温している。得られた焼結体のＸ線回折分析を行うと、ＡｌＯＮ単相の結晶が得られず、僅かにＡｌ２O３（Ｃｏｒｕｄｕｍ）が残存している複合相であった。Ａｌ２O３相のピーク高さ比率は２％であった。試料の直線透過率は１％と低かった。本発明例のＴ−４においては、ＭｇＯを３．０重量％添加し、Ｔ−３と同じ条件で焼結している。得られた焼結体のＸ線回折分析を行うと、ＡｌＯＮ単相の結晶が得られず、僅かにＡｌ２O３  （Ｃｏｒｕｄｕｍ）が残存している複合相であった。Ａｌ２O３相のピーク高さ比率は１．５％であった。相対密度は９６．４％と若干低く、試料の直線透過率は９％であった。
【００２７】
本発明例のＴ−５においては、ＭｇＯを３．０重量％添加しており、１７００℃で１時間保持しており，また２０００℃まで２℃／分で昇温している。得られた焼結体のＸ線回折分析を行うと、ＡｌＯＮ単相の結晶が得られず、僅かにＡｌ２O３（Ｃｏｒｕｄｕｍ）が残存している複合相であった。Ａｌ２O３相のピーク高さ比率は４．３％であった。試料の相対密度は９８．５％と高く、試料の直線透過率は４１％と高かった。比較例のＴ−６、７、８においては、ＭｇＯを添加しておらず、Ｔ−５と同じ条件で焼結している。得られた焼結体のＸ線回折分析を行うと、ＡｌＯＮ単相の結晶が得られず、僅かにＡｌ２O３  （Ｃｏｒｕｄｕｍ）が残存している複合相であった。Ａｌ２O３相のピーク高さ比率は２．５％であった。試料の相対密度は高いが、比較例の試料Ｔ−１、３とほとんど変わらない。これに対して、ＭｇＯ粉末を添加している本発明例Ｔ−２、４、５においては、最高温度への昇温速度が試料の相対密度に対して大きく影響しており、この点で比較例とまったく異なっている。比較例Ｔ−６、７、８の直線透過率は、それぞれ、５、２、２％であった。
【００２８】
本発明例のＴ−９においては、ＭｇＯを３．０重量％添加しており、１７００℃で１時間保持しており，また２０５０℃まで２℃／分で昇温している。得られた焼結体のＸ線回折分析を行うと、ＡｌＯＮ単相の結晶が得られず、僅かにＡｌ２O３（Ｃｏｒｕｄｕｍ）が残存している複合相であった。Ａｌ２O３相のピーク高さ比率は４．３％であった。試料の相対密度は９９．２％と高く、試料の直線透過率は４３％と高かった。比較例のＴ−１０、１１、１２においては、ＭｇＯを添加しておらず、Ｔ−９と同じ条件で焼結している。得られた焼結体のＸ線回折分析を行うと、ＡｌＯＮ単相の結晶が得られず、僅かにＡｌ２O３  （Ｃｏｒｕｄｕｍ）が残存している複合相であった。試料の相対密度は高いが、比較例の試料Ｔ−１、３、６、７、８とほとんど変わらない。比較例Ｔ−１０、１１、１２の直線透過率は、それぞれ、５、３、３％であった。比較例の試料Ｔ−１０、Ｔ−１１、Ｔ−１２において、Ａｌ２O３相のピーク高さ比率は４．３％、２．５％、２．５％であった。
更に、ＭｇＯを３重量％添加したＴ−９では試料の粒径が大きく、ＭｇO無添加のＴ−１０、１１、１２では試料の粒径は約１／５まで小さくなった。
【００２９】
本発明例のＴ−１３においては、ＭｇＯを３．０重量％添加しており、１７００℃で１時間保持しており，また２０５０℃まで１．３℃／分で昇温している。得られた焼結体のＸ線回折分析を行うと、ＡｌＯＮ単相の結晶が得られず、僅かにＡｌ２O３（Ｃｏｒｕｄｕｍ）が残存している複合相であった。Ａｌ２O３相のピーク高さ比率は４．１％であった。試料の直線透過率は３１％と高かった。
【００３０】
以上述べたように、本発明によれば、酸窒化アルミニウム相を主成分とする透光性の高い透光性セラミックスを常圧焼結によって得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】カーボン製の匣鉢１内にルツボ５を収容した状態を模式的に示す部分断面図である。
【図２】ルツボ５内に窒化ホウ素粉末９および成形体１０を埋設した状態を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  匣鉢        ２  蓋        ３  匣鉢本体        ５  ルツボ        ７  ルツボ本体        ９  窒化ホウ素粉末        １０  成形体
【図１】
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【図２】
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