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JPS6228118B2 - - Google Patents
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JPS6228118B2 - - Google Patents

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Publication number
JPS6228118B2
JPS6228118B2 JP54171380A JP17138079A JPS6228118B2 JP S6228118 B2 JPS6228118 B2 JP S6228118B2 JP 54171380 A JP54171380 A JP 54171380A JP 17138079 A JP17138079 A JP 17138079A JP S6228118 B2 JPS6228118 B2 JP S6228118B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
single crystal
sintered body
alumina
crystal
heat
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired
Application number
JP54171380A
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English (en)
Other versions
JPS5692190A (en
Inventor
Hiroyuki Yoshida
Shunzo Shimai
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Coorstek KK
Original Assignee
Toshiba Ceramics Co Ltd
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】
この発明は、アルミナの固相体から融液状態を
経ずに一挙にアルミナの単結晶体を製造する方法
に関する。 従来アルミナ単結晶の製品をつくるには、まず
アルミナ原料を溶融し、その融液に同種の単結晶
核をつけその周囲を徐々に固化せしめて単結晶塊
をつくり、更にこれを機械加工するとによつて製
品としていた。 しかし、この方法では原料をその融点以上に加
熱しなければならずエネルギー損失は大きく、加
えて融液の容器や加熱炉材のはげしい損耗、或は
炉材やヒータからの製品汚染といつた問題があつ
た。また、得られた単結晶塊の加工にも形状的に
種々の制約を受けていた。例えば、α―アルミナ
の単結晶体(以下「サフアイア」という)に例を
とると、アルミナ原料を溶融してこれを固化する
方法として、従来よりベルヌーイ法、チヨコラル
スキー法、シユミツト・ヴイーヒニキ法、バグダ
ザロフ法、タイコー法等が知られている。これら
の製法は、全てアルミナの融点(2050℃)以上の
温度で一たん融液をつくるため、上述の種々の制
約ないし条件が附随してくるものである。即ち、
熱効率が悪く温度コントロールも困難で、モリブ
デン、タングステンなどの使用容器あるいはヒー
タ材の損耗ははなはだしく、加えてこれらの炉内
の治具からの製品汚染が問題となつている。ま
た、形状的にもタイコー法のチユーブやリボンを
除いて他は全てブロツク又は棒状であり、最終製
品によつては更にダイヤモンド加工が不可欠であ
り、こうした面からも製品価格を著しく高くして
いた。更に、ルツボ、試験管の如き形状は従来法
では実際問題として製造が出来なかつた。 この発明は、従来のかかる問題を一挙に解決し
たものであつて、結晶成長抑制剤としてのマグネ
シアを含むアルミナ微粉の原料を所定の形状に成
形してから気孔率が5%以下の高密度焼結体に焼
成し、さらにこの高密度焼結体を融点以下でかつ
絶対温度で表示した融点の2/3以上の温度で、し
かも焼結体の唯一ケ所から結晶粒の成長を開始せ
しめるようにして熱処理をし単結晶とすることを
特徴とするアルミナ単結晶体の製造方法である。
以下に、この発明を更に説明する。 本発明では、まづ結晶成長抑制剤としてのマグ
ネシアを含むアルミナ微粉の原料を所定の形状に
成形してから気孔率が5%以下の高密度焼結体に
焼成する。アルミナ微粉の原料を成形し、これを
焼結して高密度化する方法は従来から一般に行わ
れている通常の方法と同様でよい。注意すべき点
としては、粒子の異常成長を抑えて高密度化する
ことである。ここでの高密度とは理論密度の95%
以上を指すもので、焼結体の気孔率でいうと5%
以下ということである。焼結体の密度がこれ未満
の低密度であると、次にこれを熱処理して単結晶
化する場合、内部に気泡が内在して実質的な単結
晶としてのメリツトが損われることになる。 このような高密度焼結体は、次に熱処理をして
これを単結晶化するのであるが、この熱処理は、
高密度焼結体を得たのと同一の炉で焼結体とした
のと連続して行つてもよく、またこの炉から一た
ん焼結体を取り出しこれを別の炉に入れ、別の加
熱条件下で行つてもよい。これらは高密度焼結体
を得るための条件と、これを更に単結晶化するた
めの加熱処理の条件の違いの程度或は経済性など
を考慮して決定すべきである。熱処理温度は、高
密度焼結体の融点以下でかつ絶対温度で表示した
融点の2/3以上の温度とする。融点温度を超える
と固相体のままで単結晶を得るという本発明の目
的が達せられず、また絶対温度で表示した融点の
2/3以上の温度未満であると単結晶化が不十分で
あつたり、単結晶化に時間がかかるからである。 高密度焼結体を熱処理してこれを単結晶にする
場合、焼結体の唯一ケ所から結晶粒の成長を開始
せしめるようにすることが必要である。結晶粒の
成長の発生箇所が唯一ケ所でなくて多数箇所にわ
たるときは、焼結体は多数の粗大結晶の集合体と
なつて、一ケの単結晶体とはならない。焼結体の
熱処理に当つてその唯一ケ所から結晶粒の成長を
開始せしめようとするには、熱処理にあたつて炉
内に温度勾配を設けるとか、焼結体の一部を肉薄
とするとか、焼結体の一部に結晶誘起物を予め内
在させておく等の手段をとればよい。 次に、単結晶化の工程をサフアイアを事例にし
て更に詳しく説明する。 従来からアルミナ磁器を高温で処理すると、い
わゆる異常粒子成長を起しアルミナ結晶が粗大化
し、セラミツク材料としては不良となることが知
られている。こうした場合をみると、異常粒子成
長の発生をもたらす核は通常多数個あり、そのた
め材料の中に多数個の粗大結晶がぶつかり合つて
いる外観を呈している。また結晶の成長は、焼結
が完了する前、すなわち材料中に多くの気孔が存
在しているうちに結晶粒子がその気孔を取り込み
ながら成長するので、結晶内の多数の気孔が存在
することになる。従つて、ここに得られたものは
サフアイアとはほど遠い材料というものとなつて
いた。そのためこの発明では、焼結体が上記のよ
うな粗大結晶の集合体のようになることと、結晶
内に気孔が多数存在することを防止しようとした
ものである。即ち、原料に結晶成長抑制剤として
のマグネシアを含むことにより、高密度焼結体を
得るに当つて異常粒子成長を起させないようにし
ておき、これを次の工程で単結晶化するものであ
る。高密度焼結体の単結晶化は、焼結体中の結晶
成長抑制剤としてのマグネシアMgOが揮散する
ことにより始まり、さらに進行するものと考えら
る。そのため単結晶化を進める上からすると、焼
結中に異常粒子の成長が起きない限り、MgOの
添加量は微量であることが好ましい。発明者の実
験によれば、MgOの添加量は30ppm以下では焼
結中に異常粒子成長を起しやすく、また0.15%以
上とすると単結晶化は進み難たく、例えば1900℃
で20時間の熱処理を行つても良好な単結晶は得ら
れなかつた。 異常粒子成長の抑制された高密度焼結体を得た
ら、続いてこれを熱処理して単結晶化する。α―
アルミナ焼結体を熱処理によりその一端から単結
晶化を引起すには、上記の通り焼結体中のMgO
の揮散除去が有効であるが、その手段としては各
種のものがある。例えば、焼結体の単結晶化を開
始せしめようとする局部を肉薄としておくこと、
また焼結体の端面に鋭角をなす稜を形成すること
などである。また、加熱炉の中に温度勾配を設け
ておくこと、さらには焼結体内のMgOの濃度に
一定方向に向けて濃、薄をつけても同様な効果を
期待することが出来る。 いづれの場合も焼結体の唯一ケ所より結晶成長
を開始させることが必要であり、ここに一たも結
晶粒子成長が始まりそれ巨大結晶に成長していく
と、この巨大結晶粒に隣接する微粒結晶はその界
面エネルギーの差により巨大粒子に吸収され、巨
大粒子は更に成長していく。なお、こうした現象
を利用して原料粉の成形段階で1ケの巨大粒子を
予め封入して成形し、これを焼結せしめて次いで
その巨大粒子を核として全体を単結晶化する方法
がβ―アルミナでは有効に採用される。添附した
第1図の写真は、本発明を採用したときアルミナ
多結晶が単結晶に移行する過程をとらえたもので
図の右半分が単結晶化し、左半分の多結晶粒をく
いつつ単結晶化が右より左へと移行しつつある状
況を示したものである。 以上の本発明によると、固相体から融液状態を
経ることなく一挙にアルミナの単結晶体を得るこ
とが出来る。したがつて、融液を得るための熱エ
ネルギーの損失、融液の容器やこのための加熱炉
の必要といつたことがないばかりか、製品の汚染
といつたことも大幅に改善されることになつた。
さらにこの発明によると、原料成形時に必要な形
としておくことにより、単結晶となつた後の加工
が不要となつて、複雑形状のものも容易に得られ
るようになつた。 本発明によつて得られる単結晶体は様々な用途
に向けられるが、例えば現在すべに期待されてい
るものの1つに高圧ナトリウムランプの発光管が
ある。これまでこの発光管は、多結晶質透光性ア
ルミナ焼結体が用いられているが、粒界によつて
光の散乱を越し、ランプ効率の低下をもたらして
いる。また、発光管内に封入されているナトリウ
ユム蒸気が粒界を選択的に侵蝕するためランプ寿
命を短くするもととなつていた。本発明によれば
サフアイアチユーブを従来とほぼ同程度の容易さ
で得ることが出来、かつこれに例えば特願昭53−
69354号に記載されているような化学研磨を施す
ことによりさらに透明なサフアイアチユーブを供
給することが出来る。 実施例 1 (サフアイア) 高純度アルミナ粉(99.9%) 100部 硝酸マグネシウム6水塩 0.06部 ポリビニールアルコール 1部 蒸溜水 100部 上記原料を混合してスリツプとした後スプレー
ドライヤーで造粒した。この造粒粉をアイソスタ
テイツクプレスで2トン/cm2の圧力でチユーブ状
に成形した。このチユーブの外表面を旋盤を用い
て加工した。得られた加工体は、外形約11.2mm、
内径8.8mmφ、長さ200mmであつた。ここに同様な
チユーブを50本得た。これを各々1200℃まで空気
中で仮焼しポリビニールアルコールを焼散させ
た。このチユーブの中の20本を水素雰囲気中で
100℃/Hrで昇温し、1900℃で3時間保持して高
密度焼結とそれに続く単結晶化を同時に行つた。
これによつて外径約9mmφ、内径7mmφ、長さ
160mmの単結晶チユーブを得た。残り30本は部分
的に単結晶したものであるが、これらを観察する
とチユーブ下端の液角部より結晶が成長したもの
であることが分る。 実施例 2 (サフアイア) 実施例1と同じ造粒粉を用い、下記(1)〜(8)の長
さ100mm、肉厚2mmのチユーブを各10ケ成形し
た。次にこのチユーブを旋盤で加工し次表に示す
各肉厚とするとともに、この各チユーブの中のNo.
1、No.2、No.4、No.6を第2図イに示すようなも
のから同図ロに示すものへ先端が45度となるよう
に加工した。
【表】 次に、これを空気中で仮焼した後、乾燥した水
素雰囲気中で170℃で10時間焼成した。得られた
チユーブをアルゴン雰囲気中でチユーブの加工例
を高温に、また非加工部分を低温として5℃/cm
の温度勾配をつけて1870℃で10時間加熱した。得
られた単結晶を比較したところ次表の通りであつ
た。
【表】 以上の結果から、肉厚及び単結晶化開始部分の
形状が大きく影響すること、また炉内温度勾配も
同様充分有効であることが判明した。 実施例 3 (サフアイア) 実施例2に記載の1700℃焼結のα―アルミナチ
ユーブを真空連続炉で炉内を1900℃に保ちつつ10
cm/時間の速度差のある部分で20℃/cmの温度勾
配を与えた。この処理により全体が単結晶化した
チユーブを得ることが出来た。 実施例 4 (β―アルミナ) Al2O3、90%、Na2O、8%、MgO、2%より
なるβ―アルミナ微粉の15mm×15mm×0.5mmのペ
レツトの一端に0.2mmのβ―アルミナ単結晶薄片
を含ませるようにして成形し、次いで1700℃で5
時間アルカリ雰囲気にて焼結したところ、ほぼ全
面にわたつて埋設した当初のβ―アルミナ単結晶
と方位も同じくする単結晶のペレツトを得た。
【図面の簡単な説明】
第1図は、アルミナの多結晶体が単結晶化する
状況を示す顕微鏡写真、第2図はアルミナチユー
ブの断面図であつて、イは先端加工前のもの、ロ
は先端加工後のものである。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 結晶成長抑制剤としてのマグネシアを含むア
    ルミナ微粉の原料を所定の形状に成形してから気
    孔率が5%以下の高密度焼結体に焼成し、さらに
    この高密度焼結体を融点以下でかつ絶対温度で表
    示した融点の2/3以上の温度で、しかも焼結体の
    唯一ケ所から結晶粒の成長を開始せしめるように
    して熱処理をし単結晶とすることを特徴とするア
    ルミナ単結晶体の製造方法。 2 炉内に温度勾配を設けて高密度焼結体を熱処
    理して単結晶とすることを特徴とする特許請求の
    範囲第1項記載のアルミナ単結晶体の製造方法。 3 高密度焼結体の一部を肉薄として熱処理をし
    て単結晶とすることを特徴とする特許請求の範囲
    第1項記載のアルミナ単結晶体の製造方法。 4 高密度焼結体の一部に結晶成長誘起物を予め
    存在せしめて熱処理をし単結晶とすることを特徴
    とする特許請求の範囲第1項記載のアルミナ単結
    晶体の製造方法。 5 高密度焼結体がα―アルミナであり、かつそ
    の中のマグネシアの添加量に濃度勾配を設けて熱
    処理をし単結晶とすることを特徴とする特許請求
    の範囲第1項記載のアルミナ単結晶体の製造方
    法。
JP17138079A 1979-12-27 1979-12-27 Oxide single crystal body and its production Granted JPS5692190A (en)

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