(57)【要約】【課題】研削・研磨加工を施さなくても十分平滑性の高いアルミナ焼結体が得られる製法を提供する。【解決手段】本発明のアルミナ焼結体の製法は、アルミナ成形体を焼成して第１の焼結状態のアルミナ中間体を経て第２の焼結状態のアルミナ焼結体を得るアルミナ焼結体の製法である。この製法では、少なくとも前記アルミナ中間体から前記アルミナ焼結体に変化する段階では、前記アルミナ中間体の周りをＡｌ含有雰囲気にする。この製法によれば、研削・研磨加工を施さなくても十分平滑性の高いアルミナ焼結体を得ることができる。その理由は定かではないが、アルミナ中間体からアルミナ焼結体に至る途中で、焼結粒子の面内での平坦性を改善するだけでなく、焼結粒子同士の間に存在する粒界に段差が発生するのをＡｌ含有雰囲気が有効に抑制したのではないかと推察される。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミナ成形体を焼成して第１の焼結状態のアルミナ中間体を経て第２の焼結状態のアルミナ焼結体を得るアルミナ焼結体の製法であって、
少なくとも前記アルミナ中間体から前記アルミナ焼結体に変化する段階では、前記アルミナ中間体の周りをＡｌ含有雰囲気にする、
アルミナ焼結体の製法。
【請求項２】
前記Ａｌ含有雰囲気は、アルミナを含有する雰囲気である、
請求項１に記載のアルミナ焼結体の製法。
【請求項３】
アルミナ成形体を所定の温度で焼成して前記アルミナ中間体を作製し、その後、前記アルミナ中間体を前記所定の温度を超える温度で前記Ａｌ含有雰囲気下で焼成して前記アルミナ焼結体を得る、
請求項１又は２に記載のアルミナ焼結体の製法。
【請求項４】
前記アルミナ中間体を焼成するにあたり、前記アルミナ中間体をＨＩＰ焼成する、
請求項３に記載のアルミナ焼結体の製法。
【請求項５】
前記アルミナ中間体を焼成するにあたり、前記アルミナ中間体を非気密な容器に入れたあと該容器の周囲をアルミナ粉末で覆うか該容器内にアルミナ粉末を共存させた状態で、不活性雰囲気でＨＩＰ焼成する、
請求項３又は４に記載のアルミナ焼結体の製法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミナ焼結体の製法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、アルミナ成形体を焼成してアルミナ焼結体を製造する方法がいくつも報告されている。例えば、特許文献１には、アルミニウム粉末とアルミナ粉末との原料混合粉を成形し、得られた成形体を酸化性雰囲気中において反応焼結することによりアルミナ焼結体を得る方法が開示されている。この方法によれば、成形体からの寸法変化率が小さく、また割れや変形の発生が少なく、表面粗さが良好なアルミナ焼結体が得られると説明されている。特許文献２には、アルミナ粉末と、高分子結合剤であるポリビニルアルコールと、高分子潤滑剤であるステアリン酸とを含むスラリー状の懸濁液を噴霧乾燥して顆粒を生成し、その顆粒を乾式加圧成形した後に、脱脂、焼成してアルミナ焼結体を得る方法が開示されている。この方法によれば、平坦度（同一面内の任意の３点の高低差）が３０〜５０μｍ程度のアルミナ焼結体が得られるため、研削加工や研磨加工が不要であると説明されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−２５５４１２号公報
【特許文献２】特許第５１８１１９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した２つの特許文献に開示されたアルミナ焼結体よりも平滑性の高いアルミナ焼結体を研削・研磨加工を施すことなく得られる製法の開発が望まれている。
【０００５】
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、研削・研磨加工を施さなくても十分平滑性の高いアルミナ焼結体が得られる製法を提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のアルミナ焼結体の製法は、
アルミナ成形体を焼成して第１の焼結状態のアルミナ中間体を経て第２の焼結状態のアルミナ焼結体を得るアルミナ焼結体の製法であって、
少なくとも前記アルミナ中間体から前記アルミナ焼結体に変化する段階では、前記アルミナ中間体の周りをＡｌ含有雰囲気にする
ものである。
【０００７】
本発明の製法によれば、研削・研磨加工を施さなくても十分平滑性の高いアルミナ焼結体を得ることができる。その理由は定かではないが、アルミナ中間体からアルミナ焼結体に至る途中で、焼結粒子の面内での平坦性を改善するだけでなく、焼結粒子同士の間に存在する粒界に段差が発生するのをＡｌ含有雰囲気が有効に抑制したのではないかと推察される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】板状アルミナ粒子の模式図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、本発明の一実施形態について説明する。本実施形態のアルミナ焼結体の製法は、アルミナ成形体を焼成して第１の焼結状態のアルミナ中間体を経て第２の焼結状態のアルミナ焼結体を得る製法であって、少なくとも前記アルミナ中間体から前記アルミナ焼結体に変化する段階では、前記アルミナ中間体の周りをＡｌ含有雰囲気にするものである。
【００１０】
まず、アルミナ成形体を作製する。具体的には、アルミナを主成分とする原料粉末を所定の形状に成形してアルミナ成形体を得る。成型方法としては、特に限定されるものではなく、例えばテープ成形、押出成形、鋳込み成形、射出成形、一軸プレス成形、ゲルキャストなどが挙げられる。原料粉末としては、１種類のアルミナ粉末を用いてもよいし、平均粒径の異なる２種以上のアルミナ粉末の混合物を用いてもよいし、形状の異なる２種以上のアルミナ粉末の混合物を用いてもよい。配向性の良好なアルミナ焼結体を得るには、板状アルミナ粉末と微細アルミナ粉末との混合物を原料粉末として用いるのが好ましい。原料粉末には、アルミナ粉末以外にＭｇＯ等の焼結助剤粉末を添加してもよいし、バインダーや可塑剤、分散剤、分散媒などを適宜添加してもよい。アルミナ成形体は、原料粉末に有機物を添加した場合にはその有機物が分解・蒸発する温度で脱脂を行ったあと次工程で用いるのが好ましい。
【００１１】
次に、アルミナ成形体を焼成して第１の焼結状態のアルミナ中間体を経て第２の焼結状態のアルミナ焼結体を得る。その際、少なくともアルミナ中間体からアルミナ焼結体に変化する段階では、アルミナ中間体の周りをＡｌ含有雰囲気にする。こうすることにより、研削・研磨加工を施さなくても十分平滑性の高いアルミナ焼結体を得ることができる。Ａｌ含有雰囲気とは、アルミナ中間体を戴置する空間内に、アルミナ中間体とは別にＡｌを含む化合物を共存させた状態をいう。Ａｌ化合物としては、Ａｌを含む限り化合物の材質には特に限定はないが、アルミナ、スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、窒化アルミニウムが好ましく、このうちアルミナが特に好ましい。また、化合物の形態には特に限定はないが、固体が好ましく、特に粉末が好ましい。
【００１２】
第２の焼結状態は、第１の焼結状態と比べて焼結が進んだ状態であり、例えば開気孔率及び閉気孔率の少なくとも一方が第１の焼結状態より低くなっている状態や相対密度（焼結体密度の理論密度に対する比）が第１の焼結状態より高い状態などをいう。第１の焼結状態は、開気孔率や閉気孔率が小さい方が好ましく、特に開気孔率が小さいほうが好ましい。開気孔率は３％以下が好ましく、２％以下がより好ましく、１％以下が更に好ましく、実質ゼロであるのが特に好ましい。第２の焼結状態は、開気孔率や閉気孔率が第１の焼結状態より小さくなっていることが好ましく、実質ゼロであることが特に好ましい。なお、開気孔率が実質ゼロとは、開気孔率がゼロの場合のほか、開気孔の測定条件下において開気孔が発見されなかった場合も含む意である。
【００１３】
アルミナ成形体を焼成してアルミナ中間体とする工程（前段階）では、所定の温度で焼成を行う。このときの圧力は常圧でも常圧を超える圧力でもよい。ここで、所定の温度とは、アルミナ成形体のアルミナ粒子同士の少なくとも一部が焼結する温度をいい、１０００〜１６５０℃の範囲で設定された温度が好ましい。焼成雰囲気は、Ａｌ含有雰囲気であってもよいが、特にこれに限定されず、大気雰囲気であっても不活性ガス雰囲気であっても真空雰囲気であってもよい。なお、アルミナ成形体は炉内に直接配置してもよいが、炉内の汚染やハンドリングの観点から、容器に入れた状態で炉内に配置するのが好ましい。その場合、容器の材質は特に限定されないが、焼成中に揮発する成分を含まず、アルミナと反応しないものが好ましい。
【００１４】
また、アルミナ中間体を焼成してアルミナ焼結体とする工程（後段階）では、Ａｌ含有雰囲気下、前段階の焼成温度（所定の温度）を超える温度で焼成するのが好ましい。このときの圧力は、常圧でも常圧を超える圧力でもよいが、常圧を超える圧力が好ましい。後段階の温度は、１７００〜２０５０℃（好ましくは１７５０〜２０００℃）の範囲で設定された温度としてもよい。後段階では、Ａｌ含有雰囲気下、熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ）で焼成してアルミナ焼結体を得るようにするのが好ましい。ＨＩＰ焼成は、Ａｌ含有雰囲気下でアルミナ中間体を焼成するのに適しているからである。ＨＩＰ焼成の場合の圧力は、緻密化の観点では、２０ＭＰａ以上が好ましく、５０ＭＰａ以上がより好ましく、１００ＭＰａ以上が更に好ましく、１５０ＭＰａ以上が最も好ましく、特に上限はない。但し、装置コストの観点では、圧力が低い方がよく、２００ＭＰａ以下が現実的である。したがって、１５０ＭＰａ以上、２００ＭＰａ以下が特に好ましい。アルミナ中間体をＡｌ含有雰囲気下でＨＩＰ焼成するにあたり、アルミナ中間体を非気密な容器に入れたあと該容器をアルミナ粉末で覆うか該容器内にアルミナ粉末を共存させた状態で、不活性ガス中でＨＩＰ焼成するのが好ましい。こうすれば、ＨＩＰ焼成時、非気密な容器に収容されたアルミナ中間体の周りの雰囲気は、その容器を覆うアルミナ粉末又はその容器内に共存するアルミナ粉末によってアルミナ雰囲気（アルミナを含有する不活性ガス雰囲気）になる。不活性ガスとは、例えば窒素ガスやアルゴンガス、ヘリウムガス、ネオンガスなどが挙げられる。容器の材質は特に限定されないが、焼成中に揮発する成分を含まず、アルミナと反応しないものが好ましい。
【００１５】
前段階と後段階は、２回に分けて別々に行ってもよいし、１つの炉内で連続して行ってもよい。前段階と後段階を２回に分けて別々に行う場合、前段階のアルミナ中間体を一旦炉から取り出し、後段階でそのアルミナ中間体を同じ炉又は別の炉に入れて焼成するのが好ましい。その場合、少なくとも後段階の工程の焼成雰囲気はＡｌ含有雰囲気とする必要がある。一方、前段階と後段階を１つの炉内で連続して行う場合、焼成雰囲気は当初からＡｌ含有雰囲気とする必要がある。
【００１６】
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
【実施例】
【００１７】
以下に、本発明の実施例について説明する。なお、以下の実施例は本発明を何ら限定するものではない。
【００１８】
［実験例１］
１．アルミナ焼結体の作製
（１）板状アルミナ粉末の作製
高純度γ−アルミナ粉末（ＴＭ−３００Ｄ、大明化学製）９６質量部と、高純度ＡｌＦ3粉末（関東化学製、鹿特級）４質量部と、種結晶として高純度α−アルミナ粉末（ＴＭ−ＤＡＲ、大明化学製、Ｄ５０＝１μｍ）０．１７質量部とを、溶媒をＩＰＡ（イソプロピルアルコール）としてφ２ｍｍのアルミナボールを用いて５時間ポットミルで混合した。ポットミル混合した後、ＩＰＡをエバポレータにて乾燥し、混合粉末を得た。得られた混合粉末３００ｇを純度９９．５質量％の高純度アルミナ製のさや（容積７５０ｃｍ3）に入れ、純度９９．５質量％の高純度アルミナ製の蓋をして電気炉内でエアフロー中、９００℃、３時間熱処理した。エアーの流量は２５０００ｃｃ／ｍｉｎとした。熱処理後の粉末を大気中、１１５０℃で４２．５時間アニール処理した後、φ２ｍｍのアルミナボールを用いて４時間粉砕して平均粒径２μｍ、厚み０．３μｍ、アスペクト比約７の板状アルミナ粉末を得た。粒子の平均粒径、平均厚み、アスペクト比は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で板状アルミナ粉末中の任意の粒子１００個を観察して決定した。平均粒径は、粒子板面の長軸長の平均値、平均厚みは、粒子の短軸長（厚み）の平均値、アスペクト比は、平均粒径／平均厚みである。図１は、板状アルミナ粒子の模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。板状アルミナ粒子は、平面視したときの形状が略六角形状であり、その粒径は図１（ａ）に示したとおりであり、厚みは図１（ｂ）に示したとおりである。
【００１９】
（２）テープ成形
上記（１）で作製した板状アルミナ粉末２．０質量部と、平均粒径がこの板状アルミナ粉末の厚みより小さい微細アルミナ粉末（ＴＭ−ＤＡＲ、平均粒径０．１μｍ、大明化学製、以下「市販品１」という）９８．０質量部とを混合した。この混合アルミナ粉末１００質量部に対し、酸化マグネシウム（５００Ａ、宇部マテリアルズ製）０．０３５質量部と、バインダーとしてポリビニルブチラール（品番ＢＭ−２、積水化学工業製）７．８質量部と、可塑剤としてジ（２−エチルヘキシル）フタレート（黒金化成製）３．９質量部と、分散剤としてトリオレイン酸ソルビタン（レオドールＳＰ−Ｏ３０、花王製）２質量部と、分散媒として２−エチルヘキサノールとを加えて混合した。分散媒の量は、スラリー粘度が２００００ｃＰとなるように調整した。このようにして調製されたスラリーを、ドクターブレード法によってＰＥＴフィルムの上に乾燥後の厚さが４０μｍとなるようにシート状に成形した。得られたテープを３０ｍｍ四方の正方形に切断した後これらを３０枚積層し、厚さ１０ｍｍのＡｌ板の上に載置した後、パッケージに入れて内部を真空にすることで真空パックとした。この真空パックを８５℃の温水中で２００ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力にて静水圧プレスを行い、アルミナ成形体を得た。なお、混合アルミナ粉末の組成とＭｇＯ添加量を表１に示す。
【００２０】
（３）焼成
得られたアルミナ成形体を脱脂炉中に配置し、６００℃で１０時間の条件で脱脂を行った。脱脂後のアルミナ成形体を９０ｍｍ角のアルミナ製の鞘に入れ、大気中、１２５０℃で４時間の条件で常圧焼成し、アルミナ中間体を得た。得られたアルミナ中間体を内径５０ｍｍ、高さ４０ｍｍの蓋付きのアルミナ製の小坩堝に入れ、更にその小坩堝を内径７４ｍｍ、高さ６０ｍｍの蓋付きのアルミナ製の大坩堝に入れた。その大坩堝を、８００℃で４時間熱処理した高純度α−アルミナ粉末（ＡＫＰ−２０、住友化学製）６０ｇを用いて埋設し、ＨＩＰ焼成をＡｒガス、圧力１８５ＭＰａ、１９００℃で２時間の条件で行い、アルミナ焼結体を得た。
【００２１】
２．アルミナ焼結体の評価
得られたアルミナ焼結体に対して以下に示す評価を行った。これらの結果を表１に示す。
（１）凹凸の山と谷の最大値（ＰＶ）測定
得られたアルミナ焼結体の表面（戴置した際に坩堝に触れていない側）を光学計測機器（Zygo社製NewView7300）を用いて、０．１００ｍｍ×０．１４０ｍｍの範囲にて測定した。
（２）表面粗さ（Ｒａ）測定
得られたアルミナ焼結体の表面（戴置した際に坩堝に触れていない側）を前出の光学計測機器を用いて、０．１００ｍｍ×０．１４０ｍｍの範囲にて測定した。
（３）開気孔率、密度測定
ＪＩＳＲ１６３４に準拠してアルキメデス法にて開気孔率、嵩密度を測定した。
【００２２】
【表１】
2017178691.tif 000002
【００２３】
［実験例２］
アルミナ焼結体を作製するにあたり、上記１．（２）のテープ成形において板状アルミナ粉末を用いず微細アルミナ粉末のみ使用したこと、酸化マグネシウムを添加しないこと、上記１．（３）の焼成においてＨＩＰ焼成を１８５０℃で行ったこと以外は、実験例１と同様にしてアルミナ焼結体を作製し、そのＰＶ及びＲａを測定した。また、アルミナ中間体及びアルミナ焼結体の開気孔率、嵩密度も測定した。結果を表１に示す。
【００２４】
［実験例３］
アルミナ焼結体を作製するにあたり、上記１．（２）のテープ成形において微細アルミナ粉末として、高純度α−アルミナ粉末（ＡＫＰ−２０、住友化学製、以下「市販品２」という）を使用したこと、上記１．（３）の焼成において脱脂体を１５５０℃で常圧焼成したこと、ＨＩＰ焼成をＮ2ガス、１９５０℃で行ったこと以外は、実験例１と同様にしてアルミナ焼結体を作製し、そのＰＶ及びＲａを測定した。また、アルミナ中間体及びアルミナ焼結体の開気孔率、嵩密度も測定した。結果を表１に示す。
【００２５】
［実験例４］
アルミナ焼結体を作製するにあたり、埋設用の高純度α−アルミナ粉末を３０ｇとしたこと以外は、実験例２と同様にしてアルミナ焼結体を作製し、そのＰＶ及びＲａを測定した。また、アルミナ中間体及びアルミナ焼結体の開気孔率、嵩密度も測定した。結果を表１に示す。
【００２６】
［実験例５］
上記１．（３）の焼成においてＨＩＰ焼成を行う際に、埋設しないこと以外は、実験例１と同様にしてアルミナ焼結体を作製し、そのＰＶ及びＲａを測定した。また、アルミナ中間体及びアルミナ焼結体の開気孔率、嵩密度も測定した。結果を表１に示す。
【００２７】
［実験例６］
上記１．（３）の焼成においてＨＩＰ焼成を行う際に、埋設しないこと以外は、実験例２と同様にしてアルミナ焼結体を作製し、そのＰＶ及びＲａを測定した。また、アルミナ中間体及びアルミナ焼結体の開気孔率、嵩密度も測定した。結果を表１に示す。
【００２８】
［実験例７］
上記１．（３）の焼成においてＨＩＰ焼成を行う際に、埋設しないこと以外は、実験例３と同様にしてアルミナ焼結体を作製し、そのＰＶ及びＲａを測定した。また、アルミナ中間体及びアルミナ焼結体の開気孔率、嵩密度も測定した。結果を表１に示す。
【００２９】
［評価結果］
表１を参照しながら各実験例の表面状態について説明する。実験例１と実験例５とを比べると、両者は同じ原料粉末を用いてアルミナ成形体を作製し、そのアルミナ成形体を同じ常圧焼成条件で焼成してアルミナ中間体を作製し、そのアルミナ中間体を焼成雰囲気以外は同じＨＩＰ焼成条件で焼成してアルミナ焼結体を得た。ＨＩＰ焼成時の雰囲気は、実験例１ではアルミナ含有雰囲気、実験例５ではアルミナ非含有雰囲気とした。その結果、アルミナ焼結体の表面状態を示すＰＶとＲａは、実験例１の方が実験例５に比べて格段に小さい値であった。実験例１では、アルミナ中間体を焼成してアルミナ焼結体を得る段階でアルミナ含有雰囲気を採用したため、アルミナ焼結体の最表面を構成するアルミナ粒子の面内での平坦性が改善し、粒子間の段差の発生が抑制され、表面の平滑性が十分高まり、その結果ＰＶ及びＲａが良好な値になったと考えられる。これに対して、実験例５では、アルミナ中間体を焼成してアルミナ焼結体を得る段階でアルミナを含有しない雰囲気を採用したため、アルミナ焼結体の最表面を構成するアルミナ粒子の面内での凹凸や粒子間の段差が大きくなり、ＰＶ及びＲａが良好な値にならなかったと考えられる。
【００３０】
実験例２と実験例６との関係や実験例３と実験例７との関係は、実験例１と実験例５との関係と同じである。つまり、実験例２，３ではアルミナ中間体を焼成してアルミナ焼結体を得る段階でアルミナ含有雰囲気を採用したのに対し、実験例６，７ではその段階でアルミナ非含有雰囲気を採用した以外は実験例２，３とそれぞれ同じ条件で焼成した。その結果、実験例２，３では、それぞれ実験例６，７と比べてＰＶ及びＲａが良好な値のアルミナ焼結体が得られた。実験例４では、埋設用のアルミナ粉末を実験例２と比べて半分にした以外は、実験例２と同じ条件で焼成したが、その場合でもＰＶ及びＲａが良好な値のアルミナ焼結体が得られた。
【００３１】
なお、上述した実験例１〜７のうち、実験例１〜４が本発明の実施例に相当し、実験例５〜７が比較例に相当する。
【図１】
2017178691.tif 000003