高純度アルミナセラミック構造部品の加工方法

高純度アルミナセラミック構造部品は、高硬度、耐高温性、耐食性、良好な電気絶縁性、低熱膨張係数などの優れた性能により、半導体、航空宇宙、医療機器、新エネルギーなどの分野で広く使用されている。しかし、硬度が高く脆いため加工が難しく、特殊な工程や設備を必要とする。

1、原材料の準備
高純度アルミナセラミックスの出発点は、高純度アルミナ粉末（Al ₂ O3 含有率≧99.9%）です。超微粉砕技術により、粉末の粒径を1μm以下に制御し、均一性と密度を確保する。また、焼結性を向上させるために、少量の焼結助剤（MgO、SiO ₂など）を添加する必要がある。噴霧造粒プロセスは、粒子の流動性を最適化するためによく用いられる。ポリビニルアルコール（PVA）または水溶性パラフィンをバインダーとして添加し、粉末を球状にし、密度をゆるやかにし、流動角度を30°未満にする。

2、成形工程
構造部品の形状と精度の要件に基づいて、適切な成形方法を選択します。一般的な成形方法には次のようなものがある：

-乾式プレス成形：単純な幾何学形状（長さと直径の比が4：1以下の部品など）に適しており、油圧プレスまたは機械式プレスにより200MPaの圧力で迅速に成形でき、成形効率は15～50個／分である。
-グラウト成形：複雑で不規則な部品に適しており、石膏型を使用してスラリーの水分を吸収し、形状に固める。懸濁系を安定させるため、スラリーには脱乳化剤（ポリアクリルアミドなど）とバインダー（メチルセルロースなど）を加える必要がある。
-鋳造成形＋予備埋め込み技術：微細孔や溝を含む複雑な構造部品の場合、アルミナスラリーをシート状に鋳造し、ポリビニルブチラール（PVB）充填材をあらかじめ埋め込み、温度静水圧プレス（75～100℃、100～200MPa）で成形する。焼結後、充填材は蒸発し、精密な細孔チャンネルが形成される。
-静水圧成形：液体または気体媒体を通して均一な圧力（200～400MPa）を加えることで、ビレットの密度がより高く均一になり、複雑な構造に適している。

3、焼結プロセス
焼結は、セラミックスの特性を決定する中核工程であり、高温結合によって粒子を緻密化する。一般的な焼結プロセスには以下が含まれます：

-大気圧焼結：1600℃以上の高温で行われ、従来の構造部品に適している。
-熱間静水圧プレス（HIP）：高温高圧ガス媒体中で均一な圧力をかけることにより、密度を30～50%高めることができ、航空ベアリングや核燃料部品などの高付加価値製品に適しています。
-ホットプレス焼結：加圧下（10～40MPa）で焼結し、焼結温度を1400～1600℃に下げることができ、密度は99.5%以上である。
-スパークプラズマ焼結（SPS）：急速加熱（数百℃/分）、短時間（5～20分）で高密度化、微細粒径。

焼結胚はX線検査を受け、内部に亀裂や気孔の欠陥がないことを確認し、その後の精密機械加工の基礎を築く必要がある。

4、精密機械加工
高純度アルミナセラミックスの硬度は、ダイヤモンド（モース硬度9）に次ぐ硬さであるため、精密加工には超硬工具とCNC技術が必要となる。一般的な加工方法は以下の通り：

-ダイヤモンド工具による切削：セラミック彫刻機とフライス盤は、立方晶窒化ホウ素（CBN）またはダイヤモンド工具を装備し、切削パラメータ（速度>3000rpm、送り速度0.01mm/回）を最適化することにより、マイクロメートルレベルの精度を達成する。
-研削と研磨：研削にはダイヤモンド砥石（粒度# 200～# 2000）を使用し、表面粗さRaは最大0.1μmです。粗研磨から精研磨へと段階的に研磨し、最後にサブミクロン級のアルミナ粉末またはダイヤモンド石膏研磨を使用することで、鏡面効果を得ることができます。
-レーザー加工：フェムト秒またはピコ秒レーザーを穴あけや切断に使用でき、精度は±5μmで、超薄型や複雑な微細構造に適している。
-放電加工：放電により材料をエッチングすることで、高硬度セラミックスの溝加工や切断に適している。
-超音波加工：高周波振動を利用して薄肉や複雑な工作物を研削し、刃先破損のリスクを低減する。