JP2005272291A - Aluminum oxide titanium nitride sintered body, magnetic head substrate, ultrasonic motor, hydrodynamic bearing using the same, and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
【課題】耐静電気破壊性に優れ、体積固有抵抗率のばらつきが小さい焼結体を提供する。
【解決手段】酸化アルミニウム65〜85質量%と残部の窒化チタニウムを主成分とし、前記酸化アルミニウムからなる結晶粒と前記窒化チタニウムからなる結晶粒の両者の結晶粒径を合計した平均が0.4〜2.0μmであり、前記酸化アルミニウムの平均結晶粒径が0.5〜2.2μm、前記窒化チタニウムの平均結晶粒径が0.2〜1.6μmであること。
【選択図】図1A sintered body having excellent resistance to electrostatic breakdown and having a small variation in volume resistivity is provided.
An average of the total crystal grain size of both aluminum oxide crystal grains and titanium nitride crystal grains is 0.4 based on 65 to 85% by mass of aluminum oxide and the balance of titanium nitride. The average crystal grain size of the aluminum oxide is 0.5 to 2.2 μm, and the average crystal grain size of the titanium nitride is 0.2 to 1.6 μm.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、酸化アルミニウム窒化チタニウム系焼結体とその製造方法、さらに、これを用いたハードディスクドライブ(以下HDDと称す)用の磁気ヘッド用基板、超音波モータ、動圧軸受に関するものである。 The present invention relates to an aluminum oxide titanium nitride-based sintered body and a manufacturing method thereof, and further to a magnetic head substrate, an ultrasonic motor, and a hydrodynamic bearing for a hard disk drive (hereinafter referred to as HDD) using the same.
従来から、酸化アルミニウムと種々の金属・非金属の炭化物、窒化物などを組み合わせた複合セラミックスが提案されてきた。例えば、酸化アルミニウムと炭化チタニウム、酸化アルミニウムと窒化チタニウムを組み合わせた材料は硬度が大きいため、耐摩耗部材や摺動部材などに用いられ、導電性も有することから静電気除去部材としても利用されてきた。 Conventionally, composite ceramics combining aluminum oxide with various metal / nonmetal carbides and nitrides have been proposed. For example, a combination of aluminum oxide and titanium carbide, or a combination of aluminum oxide and titanium nitride has a high hardness, so it has been used as an anti-static member because it is used for wear-resistant members and sliding members, and also has conductivity. .
そして、それらの具体的な用途として、例えば、図5(a)に示すHDDの磁気ヘッド用基板50があった。HDDの磁気ヘッド用基板50は、酸化アルミニウムと炭化チタニウム、又は酸化アルミニウムと窒化チタニウムを主成分とする複合セラミックスからなり、磁気ヘッド用基板50の表面に複数の成膜工程を経て多数の磁気ヘッド素子51を形成した後、スライシング加工で個々に分割することにより、(b)に示す磁気ヘッド52となる。そして、磁気ヘッド用基板50は磁気ヘッド52において、磁気ヘッドスライダ20を形成し、記録用のディスク(不図示)と摺動するため、耐摩耗性の高さが必要であり、さらに、磁気ヘッド素子51の静電気破壊を防止するため導電性が必要なのである。さらに、磁気ヘッドスライダ20の記録用ディスクからの浮上量は、現在数nm程度であるため、浮上面20aをイオンミリングなどで高精度に加工できることも重要なのである。
As a specific application thereof, for example, there is a
また、別の用途として超音波モータの押圧部材や可動部材の当接面などにも用いられてきた。超音波モータは、圧電素子の振動を駆動源とする摩擦駆動によるモータであり、一般的な磁気駆動のモータと異なり、磁気の影響を受けない、高分解能の位置決めが可能、小型で駆動力が大きい、などの特徴を有しカメラのレンズズーム機構や医療用の磁気共鳴画像診断装置などに利用されている。そして、超音波モータは摩擦駆動であるため、駆動力を伝達する押圧部材や当接面に用いられる材料として、耐摩耗性、耐熱性に優れたセラミックスが用いられてきた。 As another application, it has been used for a pressing member of an ultrasonic motor, a contact surface of a movable member, and the like. Ultrasonic motors are friction-driven motors that use the vibration of piezoelectric elements as the drive source. Unlike general magnetic drive motors, high-resolution positioning that is not affected by magnetism is possible. It has features such as large size, and is used in a lens zoom mechanism of a camera, a medical magnetic resonance diagnostic imaging apparatus, and the like. Since the ultrasonic motor is friction driven, ceramics having excellent wear resistance and heat resistance have been used as a material used for a pressing member that transmits driving force and a contact surface.
ここで、図6(a)、(b)に超音波モータの一例を示した。超音波モータ60は、(a)に示すように、圧電セラミック板60cの一方の主面に4分割された電極膜60bを有し、対角に結線するとともに、他方の主面である(b)には全面的に電極膜60dを形成することにより、振動体60eとなし、電極膜60b、60dに位相を異ならせた電圧を印可することにより、圧電セラミック板60cに縦振動と横振動を発生させ、これらの振動の合成によって押圧部材60aを楕円運動させる仕組みである。そして、押圧部材60aの楕円運動を、可動部材の当接面に伝達することにより、可動部材を移動させることができるのである。
Here, FIGS. 6A and 6B show an example of an ultrasonic motor. As shown in (a), the
また、図7に超音波モータ60を利用した案内装置70の概念図を示した。案内装置70は、ガイド部材71の上にステージ72が設置されており、超音波モータ60がステージ72aの側面に配置されている構造である。そして、超音波モータ60は押圧部材60aから当接面72aに駆動力を伝達し、ステージ72を左右に移動させている。
FIG. 7 shows a conceptual diagram of a
そして、酸化アルミニウムと窒化チタニウムを含有する複合セラミックスとして、特許文献1乃至4に示すようなものがあった。また、従来から用いられてきた磁気ヘッド用基板材料としては特許文献5または6に示すようなものもあった。さらに、超音波モータの押圧部に用いられる複合セラミックスとして、特許文献7に示すようなものがあった。
As composite ceramics containing aluminum oxide and titanium nitride, there are those shown in Patent Documents 1 to 4. Further, as a magnetic head substrate material that has been conventionally used, there is a material as shown in
特許文献1においては酸化アルミニウムを主成分とするマトリックス中に、Ti、Zr、Hf、NbまたはTaの窒化物および炭化物の中から選ばれる1種以上の導電性化合物を含み、かつ面抵抗率が106〜1010Ω・cm2の範囲にあることを特徴とする帯電除去用セラミックスが示されている。 In Patent Document 1, the matrix mainly composed of aluminum oxide contains one or more conductive compounds selected from nitrides and carbides of Ti, Zr, Hf, Nb, or Ta, and has a surface resistivity. There is shown a ceramic for charge removal characterized by being in the range of 10 6 to 10 10 Ω · cm 2 .
また、導電性化合物は4〜23体積%、残部が実質的に酸化アルミニウムとされ、その平均粒径は5μm以下であることを特徴としている。そして、産業上の利用分野には、帯電した電子部品を取り扱う際、急速な放電による破壊を防止するための電子部品帯電除去用セラミックスとして提案されている。 Further, the conductive compound is characterized in that it is 4 to 23% by volume, the balance is substantially aluminum oxide, and the average particle size is 5 μm or less. In the industrial application field, it has been proposed as a ceramic for electrification removal of electronic parts for preventing breakdown due to rapid discharge when handling charged electronic parts.
特許文献2においては、Al2O3−10モル%MgO、Al2O310モル%SiO2、MgO−2.5モル%Nb2O5、Al2O3−5モル%Nb2O5、Al2O3−10モル%TiO2の複合焼結体、またはNb2O5のいずれかの酸化物に、SiC、ZrC、TaC、TiC、NbC、またはTiNのいずれかを1つまたは2つ以上含むことを特徴とする磁気ヘッドスライダが示されている。 In Patent Document 2, Al 2 O 3 -10 mol% MgO, Al 2 O 3 10 mol% SiO 2, MgO-2.5 mol% Nb 2 O 5, Al 2 O 3 -5 mol% Nb 2 O 5 In addition, one or two of SiC, ZrC, TaC, TiC, NbC, or TiN is added to any one of the composite sintered body of Al 2 O 3 -10 mol% TiO 2 or the oxide of Nb 2 O 5. A magnetic head slider characterized by including two or more is shown.
この磁気ヘッドスライダは、磁気ディスクの炭素または炭素を主に含む保護膜の摩耗を抑制できる効果が示されている。すなわち、炭素または炭素を主に含む保護膜の摩耗は、前記炭素の酸化によるものであるため、前記炭素の酸化を促進する触媒作用の小さい材料を用いて磁気ヘッドスライダを形成することが提案されているのである。 This magnetic head slider has been shown to be effective in suppressing wear of carbon or a protective film mainly containing carbon of the magnetic disk. That is, since wear of carbon or a protective film mainly containing carbon is caused by oxidation of the carbon, it is proposed to form a magnetic head slider using a material having a small catalytic action that promotes oxidation of the carbon. -ing
特許文献3においては、主成分がAl2O3、TiO2又はY2O3、安定化ZrO2からなり、該主成分にErがEr2O3換算で2〜10重量%含有する薄膜磁気ヘッド作製用基板が示されている。さらに、前記主成分にSiC、ZrC、NbC、TaC、TiC又はTiNから選ばれたいずれか1種以上を40重量%以下の範囲で含むことを特徴とする薄膜磁気ヘッド作製用基板が示されている。この薄膜磁気ヘッド作製用基板においては、主成分にEr2O3を2〜10重量%の範囲で添加することにより、理由は明確になっていないが、特許文献2で示された炭素または炭素を主に含む保護膜の摩耗を抑制する効果に加えて、機械加工したときのチッピングや、表面研磨したときのボイドが小さくなることが示されている。 In Patent Document 3, the main component is composed of Al 2 O 3 , TiO 2 or Y 2 O 3, and stabilized ZrO 2 , and Er is contained in the main component in an amount of 2 to 10% by weight in terms of Er 2 O 3. A head manufacturing substrate is shown. Furthermore, there is shown a thin film magnetic head manufacturing substrate characterized in that the main component contains at least one selected from SiC, ZrC, NbC, TaC, TiC or TiN in a range of 40% by weight or less. Yes. In this thin film magnetic head manufacturing substrate, the reason is not clear by adding Er 2 O 3 in the range of 2 to 10% by weight as the main component. In addition to the effect of suppressing the wear of the protective film mainly containing, it has been shown that chipping when machined and voids when surface polishing is reduced.
特許文献4においては、Al2O3単味またはAl2O3を95質量%以上含有するAl2O3系セラミックス5〜70質量部と、導電材としてZrB2、ZrC、ZrN、TaB2、TaC、TaN、TiB2、TiC及びTiNの少なくとも1種以上を30〜95質量部混合してなる組成物を焼結して得られる導電性セラミックス(請求項6で差別化可能か?)が示されている。 In Patent Document 4, Al 2 O 3 and Al 2 O 3 based ceramics 5-70 parts by weight of a plain or Al 2 O 3 containing not less than 95 wt%, ZrB 2, ZrC as a conductive material, ZrN, TaB 2, A conductive ceramic obtained by sintering a composition obtained by mixing 30 to 95 parts by mass of at least one of TaC, TaN, TiB 2 , TiC, and TiN (is it possible to differentiate in claim 6)? Has been.
さらに、前記導電性セラミックスは抵抗温度特性が正であるため、通電し加熱された際、電流暴走による溶断を起こさないという特徴があり、ヒータや電気着火器などに好適であることが示されている。 Further, since the conductive ceramic has a positive resistance temperature characteristic, when it is energized and heated, it has a feature that it does not cause fusing due to current runaway, and is shown to be suitable for a heater or an electric igniter. Yes.
特許文献5においては、60乃至80重量%の酸化アルミニウム並びに20乃至40重量%の炭化チタンを主要構成部と成し、前記主要構成部に酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、酸化イットリウム、酸化カルシウムが含まれていることを特徴とするセラミック焼結体が示されている(以下アルティックと称す)。
In
このセラミック焼結体は、スライシング加工時の耐チッピング性が向上し、機械加工時の切削抵抗も低下する磁気ヘッド用基板であることが示されている。 This ceramic sintered body is shown to be a substrate for a magnetic head that has improved chipping resistance during slicing and reduced cutting resistance during machining.
特許文献6においては、炭化珪素99重量%以上、遊離カーボン含有量0.3重量%以下、相対密度99%以上の焼結体からなる磁気ヘッド用基板が示されている。また、前記磁気ヘッド用基板は、熱伝導率が100W/m・K以上、ヤング率が400GPa以上、平均結晶粒子径が10.0μm以下、体積固有抵抗値が106〜109Ω・cmであることも示されている。この炭化珪素製磁気ヘッド用基板は、特許文献5で示したアルティック製磁気ヘッド用基板と同等の機械的強度およびミリング性を維持しつつ、放熱性を改善することが示されている。
Patent Document 6 discloses a magnetic head substrate made of a sintered body having a silicon carbide of 99% by weight or more, a free carbon content of 0.3% by weight or less, and a relative density of 99% or more. The magnetic head substrate has a thermal conductivity of 100 W / m · K or more, a Young's modulus of 400 GPa or more, an average crystal particle diameter of 10.0 μm or less, and a volume resistivity of 10 6 to 10 9 Ω · cm. It is also shown that there is. This silicon carbide magnetic head substrate has been shown to improve heat dissipation while maintaining the same mechanical strength and milling performance as the Altic magnetic head substrate disclosed in
特許文献7においては、振動体と、振動体の振動を可動部材側に伝達する押圧部材とからなる超音波モータにおいて、前記押圧部材を酸化アルミニウムと炭化チタニウムの複合材で形成したことを特徴とする超音波モータが示されている。 In Patent Document 7, in an ultrasonic motor including a vibrating body and a pressing member that transmits vibration of the vibrating body to the movable member side, the pressing member is formed of a composite material of aluminum oxide and titanium carbide. An ultrasonic motor is shown.
この複合材で押圧部材を形成することにより、押圧部材の摩耗が抑えられ、接触状態が安定することが示されている。さらに、炭化チタニウムが摺動時の摩擦熱により、大気中の酸素と反応し、酸化アルミニウムや炭化チタニウムよりも摩擦係数の大きい酸化チタンとなり、押圧部材と可動部材側との滑りを低減し、駆動力を損失なく伝達できることが示されている。
しかしながら、特許文献1に示されている電子部品帯電除去用セラミックスは、平均結晶粒径が5μm以下であり、磁気ヘッド用基板材としては比較的大きな結晶粒径が特許請求の範囲内に含まれるため、次に述べる問題があった。 However, the ceramic for electrification removal of electronic parts disclosed in Patent Document 1 has an average crystal grain size of 5 μm or less, and a relatively large crystal grain size is included in the scope of claims as a substrate material for a magnetic head. Therefore, there was a problem described below.
第一に、磁気ヘッド用基板から切り出されたHDD用の磁気ヘッドスライダは、磁気ディスクからの浮上量を測定するとき(図2参照)スポット径が4〜6μm程度のレーザを使用するため、平均結晶粒径が5μm以上になると、照射されたレーザの屈折、反射、角度が場所(結晶)毎に異なり正確な測定ができなくなるという問題があった(図3参照)。 First, the HDD magnetic head slider cut out from the magnetic head substrate uses a laser with a spot diameter of about 4 to 6 μm when measuring the flying height from the magnetic disk (see FIG. 2). When the crystal grain size was 5 μm or more, there was a problem that the refraction, reflection, and angle of the irradiated laser differed for each place (crystal), and accurate measurement was impossible (see FIG. 3).
ここで、図2は磁気ヘッドスライダの浮上量を測定している状態の概略図を示しており、磁気ヘッドスライダ20が、磁気ディスクに相当する回転する透明なガラス又はサファイア製のディスク21上で浮上し、下方から入射レーザ22が磁気ヘッドスライダ20の浮上面20aに照射され、測定部24に反射レーザ23が入射している状態である。
Here, FIG. 2 shows a schematic view of a state in which the flying height of the magnetic head slider is measured. The
図3は、磁気ヘッドスライダ20の浮上面20aにおけるレーザ照射部近傍の拡大概略図を示しており、磁気ヘッドスライダの結晶粒径が大きすぎると、レーザスポット30が照射される場所により結晶相11、結晶相12、結晶相11と結晶相12の境界部でその屈折、反射、角度が変化することが推測できる。
FIG. 3 shows an enlarged schematic view of the vicinity of the laser irradiation portion on the air bearing
第二に、磁気ヘッドスライダは浮上面53aにイオンミリングなどにより溝53bなどが形成されており浮上量を調節する機能を有するが、イオンミリングの加工レートは結晶の種類毎に異なるため、平均結晶粒径が大きいと、隣接する結晶粒の段差が浮上面53aの形状精度を低下させ、その浮上特性が安定しなくなるという問題があった。具体的には、現在の磁気ヘッドスライダに形成されている浮上面53aの溝53bなどの段差は通常0.1〜数μm程度であり、平均結晶粒径が5μm以上の材料では加工バラツキを抑えることは困難であった。 Second, the magnetic head slider has a function of adjusting the flying height by forming a groove 53b or the like on the air bearing surface 53a by ion milling or the like. However, since the processing rate of ion milling differs for each crystal type, the average crystal When the grain size is large, there is a problem that the step of adjacent crystal grains reduces the shape accuracy of the air bearing surface 53a, and the flying characteristics are not stable. Specifically, the step such as the groove 53b of the air bearing surface 53a formed on the current magnetic head slider is usually about 0.1 to several μm, and the processing variation is suppressed when the average crystal grain size is 5 μm or more. It was difficult.
ここで、図4(a)(b)に、磁気ヘッドスライダ20の表層面における、結晶相及び結晶粒径と加工レートの関係を表す概念図を示した。
Here, FIGS. 4A and 4B are conceptual diagrams showing the relationship between the crystal phase, crystal grain size, and processing rate on the surface of the
図4(a)は結晶粒径が大きいため加工レートの差Aが広い範囲で大きな凹みとなっているが、図4(b)は同一組成でも結晶粒径が小さいため加工レートの差Aが全体的に均一に分散され、浮上面20aを高精度に加工できることが判る。
In FIG. 4A, since the crystal grain size is large, the processing rate difference A is a large dent in a wide range, but FIG. 4B shows the processing rate difference A because the crystal grain size is small even in the same composition. It can be seen that the entire surface is uniformly dispersed and the
さらに、磁気ヘッド用基板材として使用する場合、面抵抗率が106〜1010Ω・cm2の範囲にあるため、現在磁気ヘッド用基板材として主流となっている酸化アルミニウム炭化チタニウムの面抵抗率(10−1Ω・cm2以下)と比較して導電性に劣るという問題もあった。 Furthermore, when used as a substrate material for a magnetic head, the sheet resistivity is in the range of 10 6 to 10 10 Ω · cm 2 , so that the surface resistance of aluminum oxide titanium carbide, which is currently mainstream as a substrate material for a magnetic head, is used. There was also a problem that the conductivity was inferior compared with the rate (10 −1 Ω · cm 2 or less).
特許文献2にて示されている磁気ヘッドスライダ材は、酸化物系セラミックスの複合焼結体に炭化物や窒化物を添加した材料である。この材料は特許文献2の明細書中のにおいて、2種の酸化物の間で複酸化物が生じると記載されており、それはガラス層であると推測できる。ところが、酸化物結晶相、ガラス相、炭化物結晶相または窒化物結晶相、が混在すると、先に述べたようにイオンミリングの加工レートが異なり、磁気ヘッドスライダに用いた場合、浮上面の溝などを高精度に形成することが困難になるという問題があった。すなわち、この材料は少なくとも3相以上の結晶相(ガラス相も含む)を有することから、1つのミリング条件で少なくとも3つの段が浮上面に生じて加工精度が低下するのである。 The magnetic head slider material disclosed in Patent Document 2 is a material obtained by adding carbide or nitride to a composite sintered body of oxide ceramics. This material is described in the specification of Patent Document 2 that a double oxide is generated between two kinds of oxides, and it can be assumed that this is a glass layer. However, if the oxide crystal phase, glass phase, carbide crystal phase or nitride crystal phase are mixed, the processing rate of ion milling differs as described above, and when used for a magnetic head slider, the groove on the air bearing surface, etc. There is a problem that it is difficult to form the film with high accuracy. That is, since this material has at least three crystal phases (including a glass phase), at least three steps are generated on the air bearing surface under one milling condition, and the processing accuracy is lowered.
また、通常このようなガラス相は摩耗や腐食を受けやすく、磁気ヘッドスライダの耐久性を低下させ、さらに、ガラス相から生じた摩耗粉が磁気ディスク装置内のクリーン度を低下させるという深刻な問題があった。 In addition, such a glass phase is usually subject to wear and corrosion, which lowers the durability of the magnetic head slider. Further, the abrasion powder generated from the glass phase reduces the cleanliness in the magnetic disk device. was there.
特許文献3においては機械加工性が良好な酸化物−炭化物系、酸化物−窒化物系の磁気ヘッド作製用基板が示されているが、酸化エルビウムが2〜10重量%含有しているため、特許文献1及び特許文献2で説明した問題は克服されていなかった。 In Patent Document 3, an oxide-carbide-based, oxide-nitride-based magnetic head manufacturing substrate with good machinability is shown, but erbium oxide contains 2 to 10% by weight. The problems described in Patent Document 1 and Patent Document 2 have not been overcome.
特許文献4においては、酸化アルミニウム単味または酸化アルミニウムを95質量%以上含有する酸化アルミニウムと各種の硼化物、炭化物、窒化物の少なくとも一種以上を含有する導電性セラミックスが示されている。この材料は磁気ヘッド用基板材料として考案されたものではないため、特許文献1で述べた結晶粒径に関する問題が未解決であった。 Patent Document 4 discloses a conductive ceramic containing aluminum oxide containing at least 95% by mass of aluminum oxide or aluminum oxide and at least one of various borides, carbides and nitrides. Since this material was not devised as a substrate material for a magnetic head, the problem relating to the crystal grain size described in Patent Document 1 has not been solved.
すなわち、特許文献4の実施例10において、酸化アルミニウムの平均粒径が0.5μmのものと窒化チタニウムの平均粒径が2μmのものを調合、ホットプレスして、酸化アルミニウム−窒化チタニウムの複合材料を作製しているが、ホットプレス後に窒化チタニウムの平均粒径が2μm以上となることは容易に推測でき、磁気ヘッド用基板には適していないことが明らかなのである。 That is, in Example 10 of Patent Document 4, an aluminum oxide having an average particle diameter of 0.5 μm and a titanium nitride having an average particle diameter of 2 μm were prepared, hot pressed, and an aluminum oxide-titanium nitride composite material. However, it can be easily estimated that the average particle size of titanium nitride becomes 2 μm or more after hot pressing, and it is clear that it is not suitable for a magnetic head substrate.
また、酸化アルミニウムを95質量%以上含有する酸化アルミニウムを使用する場合は、焼結助剤がガラス相を形成するため、特許文献2で述べた磁気ヘッドスライダの耐久性低下や摩耗粉が発生するという問題が未解決であった。 In addition, when using aluminum oxide containing 95% by mass or more of aluminum oxide, the sintering aid forms a glass phase, so that the durability of the magnetic head slider described in Patent Document 2 and wear powder are generated. The problem was unresolved.
特許文献5においては、酸化アルミニウム炭化チタニウム系セラミックスを磁気ヘッド用基板として用いることが示されている。
しかし、現在HDD向け磁気ヘッド用基板として主流のアルティックは、体積固有抵抗率が10−3以下と体積固有抵抗値が低いため、周囲が帯電している場合には、磁気ヘッド素子に向けて急速に放電を生じやすく、磁気ヘッド素子が静電気破壊を起こしてしまう危険性があった。 However, Altic, which is currently the mainstream as a magnetic head substrate for HDDs, has a volume resistivity of 10-3 or less and a low volume resistivity value. There was a risk that electric discharge would easily occur rapidly and the magnetic head element would cause electrostatic breakdown.
特許文献6においては、熱伝導率が高く放熱性に優れた炭化珪素製の磁気ヘッド用基板が示されているが、炭化珪素はビッカース硬度が通常20GPa以上と高いため機械加工性が非常に悪く、磁気ヘッド素子をスライシング加工で切り出す工程において、チッピングが発生し、ツールの損耗も早くなるという問題が発生していた。 Patent Document 6 discloses a magnetic head substrate made of silicon carbide having high thermal conductivity and excellent heat dissipation. However, since silicon carbide has a high Vickers hardness of 20 GPa or more, its machinability is very poor. In the process of cutting out the magnetic head element by slicing, there has been a problem that chipping occurs and the wear of the tool is accelerated.
さらに、磁気ヘッド用基板に絶縁膜であるアモルファスアルミナを成膜すると、熱膨張率に差があるため、温度変化により剥離してしまうという問題があった。 Furthermore, when amorphous alumina, which is an insulating film, is formed on the magnetic head substrate, there is a problem in that the thermal expansion coefficient is different, and therefore, peeling occurs due to a temperature change.
上述のように、従来から提供されてきた酸化アルミニウム窒化チタニウム系の材料は、磁気ヘッド用基板として充分使用に耐えうるものではなかった。 As described above, the aluminum oxide titanium nitride-based material that has been conventionally provided cannot be sufficiently used as a magnetic head substrate.
さらに、他に述べた材質においても磁気ヘッド用基板として問題が残されていた。 Further, other materials described above still have a problem as a magnetic head substrate.
また、特許文献7においては、超音波モータの押圧部材を酸化アルミニウムと炭化チタニウムの複合セラミックスで形成すると、炭化チタニウムが摺動時の摩擦熱により、大気中の酸素と反応し酸化チタニウムになり、摩擦係数が増加し滑りを抑制するという効果がある反面、硬度や強度が低下するため、耐摩耗性が低下し、モータの寿命が短くなるという問題があった。 Further, in Patent Document 7, when the pressing member of the ultrasonic motor is formed of a composite ceramic of aluminum oxide and titanium carbide, titanium carbide reacts with oxygen in the atmosphere due to frictional heat during sliding to become titanium oxide, While it has the effect of suppressing the slip by increasing the coefficient of friction, there is a problem that the hardness and strength are lowered, so that the wear resistance is lowered and the life of the motor is shortened.
かかる問題を解決するため、本発明は、酸化アルミニウム65〜85質量%と残部の窒化チタニウムを主成分とし、前記酸化アルミニウムからなる結晶粒と前記窒化チタニウムからなる結晶粒の両者の結晶粒径を合計した平均(以下、合計平均結晶粒径と称す)が0.4〜2.0μmであり、前記酸化アルミニウムの平均結晶粒径が0.5〜2.2μm、前記窒化チタニウムの平均結晶粒径が0.2〜1.6μmであることを特徴とする酸化アルミニウム窒化チタニウム系焼結体を提供する。 In order to solve such a problem, the present invention has 65 to 85% by mass of aluminum oxide and the balance of titanium nitride as the main components, and the crystal grain size of both the crystal grains made of aluminum oxide and the crystal grains made of titanium nitride. The total average (hereinafter referred to as the total average crystal grain size) is 0.4 to 2.0 μm, the average crystal grain size of the aluminum oxide is 0.5 to 2.2 μm, and the average crystal grain size of the titanium nitride The aluminum oxide titanium nitride-based sintered body is characterized in that is 0.2 to 1.6 μm.
また、前記主成分100重量部に対し、酸化イッテルビウム、酸化イットリウムの少なくともいずれかを0.005〜1重量部含有したことを特徴とする。 Moreover, 0.005 to 1 part by weight of at least one of ytterbium oxide and yttrium oxide is contained with respect to 100 parts by weight of the main component.
また、前記主成分100重量部に対し、酸化イッテルビウム、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、酸化チタニウム、酸化ケイ素、酸化カルシウムのうちから選ばれる2種以上を5〜20重量部含有することを特徴とする。 Further, 5 to 20 parts by weight of two or more selected from ytterbium oxide, magnesium oxide, zirconium oxide, titanium oxide, silicon oxide, and calcium oxide are contained with respect to 100 parts by weight of the main component.
また、前記酸化アルミニウム窒化チタニウム系焼結体の体積固有抵抗率が10−3以上106Ω・cm未満であることを特徴とする。 The volume resistivity of the aluminum oxide titanium nitride sintered body is 10 −3 or more and less than 10 6 Ω · cm.
また、前記酸化アルミニウム窒化チタニウム系焼結体の熱伝導率が23W/m・Kを越えることを特徴とする。 Further, the thermal conductivity of the aluminum oxide titanium nitride sintered body exceeds 23 W / m · K.
また、前記酸化アルミニウム窒化チタニウム系焼結体の熱膨張率が7.2〜7.8ppm/℃であることを特徴とする。 Further, the thermal expansion coefficient of the aluminum oxide titanium nitride-based sintered body is 7.2 to 7.8 ppm / ° C.
そして、前記酸化アルミニウム窒化チタニウム系焼結体を用いたことを特徴とする磁気ヘッド用基板を提供する。 And the substrate for magnetic heads using the said aluminum oxide titanium nitride type sintered compact is provided.
さらに、前記酸化アルミニウム窒化チタニウム系焼結体を押圧部材に用いたことを特徴とする超音波モータを提供する。 Furthermore, the ultrasonic motor characterized by using the said aluminum oxide titanium nitride type sintered compact for a press member is provided.
さらに、前記酸化アルミニウム窒化チタニウム系焼結体を動圧の発生する摺動面に用いたことを特徴とする動圧軸受を提供する。 Furthermore, the present invention provides a dynamic pressure bearing characterized in that the aluminum oxide titanium nitride sintered body is used for a sliding surface where dynamic pressure is generated.
また、前記酸化アルミニウム窒化チタニウム系焼結体の製造方法において、気相法により合成された窒化チタニウム粉末を用いて調合、成形、焼成する工程を有する酸化アルミニウム窒化チタニウム焼結体の製造方法を提供する。 Also provided is a method for producing an aluminum oxide titanium nitride sintered body comprising the steps of preparing, forming and firing the titanium nitride powder synthesized by a vapor phase method in the method for producing an aluminum oxide titanium nitride sintered body. To do.
また、前記焼成工程がホットプレスであって、最高温度が1530〜1780℃、加圧力が30〜60MPaの条件であることを特徴とする酸化アルミニウム窒化チタニウム系焼結体の製造方法を提供する。 Further, the present invention provides a method for producing an aluminum oxide titanium nitride sintered body characterized in that the firing step is a hot press, and the maximum temperature is 1530 to 1780 ° C. and the applied pressure is 30 to 60 MPa.
酸化アルミニウム65〜85質量%と残部の窒化チタニウムを主成分とし、合計平均結晶粒径が0.4〜2.0μmであり、前記酸化アルミニウムの平均結晶粒径が0.5〜2.2μm、前記窒化チタニウムの平均結晶粒径が0.2〜1.6μmであることを特徴とする酸化アルミニウム窒化チタニウム系焼結体は、イオンミリング加工などによる面粗さの低下を抑制しつつ、鏡面加工性も維持することが可能となり、浮上面20aに溝20bなどを高精度に加工することが可能となる。さらに、磁気ヘッドスライダーに用いたとき、磁気ディスクからの浮上量をレーザで測定すると、正確に測定できる。
The main component is 65 to 85% by mass of aluminum oxide and the remaining titanium nitride, the total average crystal grain size is 0.4 to 2.0 μm, and the average crystal grain size of the aluminum oxide is 0.5 to 2.2 μm. The aluminum nitride titanium nitride-based sintered body having an average grain size of titanium nitride of 0.2 to 1.6 μm is mirror-finished while suppressing a reduction in surface roughness due to ion milling or the like Therefore, the groove 20b and the like can be processed in the
また、前記酸化アルミニウムの平均結晶粒径を0.5〜2.2μm、前記窒化チタニウムの平均結晶粒径を0.2〜1.6μmとすることにより、合計平均結晶粒径を0.4μm以上、1.2μm以下とすることができ、材料の強度を600MPa以上とすることができる。 Further, by setting the average crystal grain size of the aluminum oxide to 0.5 to 2.2 μm and the average crystal grain size of the titanium nitride to 0.2 to 1.6 μm, the total average crystal grain size is 0.4 μm or more. 1.2 μm or less, and the strength of the material can be 600 MPa or more.
さらに、前記酸化アルミニウムを65〜85質量%、残部を窒化チタニウムとしたことにより、体積固有抵抗率を10−3Ω・cm以上、106Ω・cm未満とすることができる。 Furthermore, the volume resistivity can be made 10 −3 Ω · cm or more and less than 10 6 Ω · cm by using 65 to 85 mass% of the aluminum oxide and the remaining titanium nitride.
また、前記主成分100重量部に対し、酸化イッテルビウム、酸化イットリウムの少なくともいずれかを0.005〜1重量部含有し、ホットプレスで焼成されたことにより、ガラス相が少なく、ミリング加工精度の優れた酸化アルミニウム窒化チタニウム系焼結体を得ることができ、特に磁気ヘッドスライダーに用いる場合に好ましい。 Further, it contains 0.005 to 1 part by weight of at least one of ytterbium oxide and yttrium oxide with respect to 100 parts by weight of the main component, and is fired by hot pressing, so that there is little glass phase and excellent milling accuracy. In addition, an aluminum oxide titanium nitride-based sintered body can be obtained, which is particularly preferable when used for a magnetic head slider.
また、前記主成分100重量部に対し、酸化イッテルビウム、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、酸化チタニウム、酸化ケイ素、酸化カルシウムのうちから選ばれる2種以上を5〜20重量部含有することにより、焼結性を改善することができ、ホットプレスを用いることなく、緻密な酸化アルミニウム窒化チタニウム系焼結体を得ることが可能となる。 Further, by containing 5 to 20 parts by weight of two or more selected from ytterbium oxide, magnesium oxide, zirconium oxide, titanium oxide, silicon oxide, and calcium oxide with respect to 100 parts by weight of the main component, sinterability Thus, a dense aluminum oxide titanium nitride-based sintered body can be obtained without using a hot press.
また、前記酸化アルミニウム窒化チタニウム系焼結体の体積固有抵抗率を10−3以上106Ω・cm未満とすることにより、部材に静電気が帯電することを防止できる。 Further, by setting the volume resistivity of the aluminum oxide titanium nitride-based sintered body to 10 −3 or more and less than 10 6 Ω · cm, static electricity can be prevented from being charged to the member.
また、前記酸化アルミニウム窒化チタニウム系焼結体の熱伝導率が23W/m・Kを越えることにより、磁気ヘッド素子から発生した熱をアルティックよりも迅速に放熱することができる。 Further, when the thermal conductivity of the aluminum oxide titanium nitride sintered body exceeds 23 W / m · K, the heat generated from the magnetic head element can be radiated more rapidly than Altic.
また、前記酸化アルミニウム窒化チタニウム系焼結体の熱膨張率を7.2〜7.8ppm/℃とすることにより、焼結体にアモルファスアルミナを成膜した際、熱膨張率の差による剥がれやクラックの発生を防止できる。 Moreover, when the thermal expansion coefficient of the aluminum oxide titanium nitride-based sintered body is set to 7.2 to 7.8 ppm / ° C., when amorphous alumina is formed on the sintered body, peeling due to the difference in thermal expansion coefficient Generation of cracks can be prevented.
そして、前記酸化アルミニウム窒化チタニウム系焼結体を用いたことを特徴とする磁気ヘッド用基板は、磁気ヘッド素子に静電気破壊の生じる危険性を低減し、表面凹凸のバラツキが小さい高精度なミリング加工を行うことができ、ガラス相から生じる摩耗粉や腐食が低減され、クリーン度が要求される磁気ヘッド用基板に好適に使用できる。 The magnetic head substrate characterized by using the aluminum oxide titanium nitride-based sintered body reduces the risk of electrostatic breakdown in the magnetic head element and provides high-precision milling with small variations in surface irregularities. Thus, the wear powder and corrosion generated from the glass phase can be reduced, and the magnetic head substrate can be suitably used.
さらに、前記酸化アルミニウム窒化チタニウム系焼結体を押圧部材に用いたことを特徴とする超音波モータは、押圧部材の耐久性が高く、モータを長寿命化することができる。 Furthermore, the ultrasonic motor using the aluminum oxide titanium nitride sintered body as the pressing member has high durability of the pressing member, and can extend the life of the motor.
さらに、前記酸化アルミニウム窒化チタニウム系焼結体を動圧の発生する摺動面に用いたことを特徴とする動圧軸受は、耐摩耗性や摺動性に優れた軸受部材となる。 Furthermore, a hydrodynamic bearing characterized in that the aluminum oxide titanium nitride sintered body is used for a sliding surface where dynamic pressure is generated is a bearing member having excellent wear resistance and sliding properties.
また、本発明は、気相法により合成された窒化チタニウム粉末を用いて調合、成形、焼成することにより、異物の少ない酸化アルミニウム窒化チタニウム系焼結体を得ることができ、特に、磁気ヘッド用基板として用いる場合に好適である。 In addition, the present invention can obtain an aluminum nitride titanium nitride-based sintered body with few foreign matters by preparing, molding, and firing using titanium nitride powder synthesized by a vapor phase method. It is suitable for use as a substrate.
また、本発明は、前記焼成工程がホットプレスであって、最高温度が1530〜1780℃、加圧力が30〜60MPaの条件とすることにより、微細な結晶組織を有する酸化アルミニウム窒化チタニウム系焼結体を得ることができる。 Further, in the present invention, the sintering step is a hot press, and the aluminum oxide titanium nitride-based sintered material having a fine crystal structure is obtained by setting the maximum temperature to 1530 to 1780 ° C. and the applied pressure to 30 to 60 MPa. You can get a body.
本発明を実施するための最良の形態を説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described.
本発明は、酸化アルミニウム65〜85質量%と残部の窒化チタニウムを主成分とし、前記酸化アルミニウムからなる結晶粒と前記窒化チタニウムからなる結晶粒の合計平均結晶粒径が0.4〜2.0μmであり、前記酸化アルミニウムの平均結晶粒径が0.5〜2.2μm、前記窒化チタニウムの平均結晶粒径が0.2〜1.6μmであることを特徴とする酸化アルミニウム窒化チタニウム系焼結体である。 The present invention is mainly composed of 65 to 85% by mass of aluminum oxide and the balance of titanium nitride, and the total average grain size of the crystal grains made of aluminum oxide and the crystal grains made of titanium nitride is 0.4 to 2.0 μm. The aluminum oxide has an average crystal grain size of 0.5 to 2.2 μm, and the titanium nitride has an average crystal grain size of 0.2 to 1.6 μm. Is the body.
ここで、酸化アルミニウムは一般的なα型のものを指すが、窒化チタニウムは侵入型の固溶体であるため、一般的な結合法則には従わず、粉体の製造過程で炭素や酸素なども相互に固溶する場合がある。本発明では、窒素、炭素、酸素などの合計固溶量を100重量部としたとき、窒素の固溶量が80重量部以上のものを指している。 Here, aluminum oxide refers to the general α-type, but titanium nitride is an interstitial solid solution, so it does not follow the general bond law, and carbon and oxygen etc. are also mutually involved in the powder manufacturing process. May dissolve in In the present invention, when the total solid solution amount of nitrogen, carbon, oxygen and the like is 100 parts by weight, the solid solution amount of nitrogen is 80 parts by weight or more.
本発明の焼結体に酸化アルミニウムを用いたのは、酸化アルミニウムは安価であることや、高純度の原料を入手することが容易なためである。窒化チタニウムを用いたのは、導電性を有するため焼結体に静電気の帯電を防止することができる、酸化アルミニウムとの複合材料として焼結すると、熱伝導率が従来の磁気ヘッド用基板材料であるアルティックよりも高くなる、炭化チタニウムよりも耐酸化性において優れている、ためである。 The reason why aluminum oxide is used in the sintered body of the present invention is that aluminum oxide is inexpensive and it is easy to obtain high-purity raw materials. Titanium nitride is used because it has electrical conductivity, so that the sintered body can be prevented from being charged with static electricity. When sintered as a composite material with aluminum oxide, the thermal conductivity is the conventional substrate material for magnetic heads. This is because it has higher oxidation resistance than titanium carbide, which is higher than some Altic.
また、製法にもよるが、粉体の炭化チタニウムの酸化温度は約400℃であるのに対し、窒化チタニウムの酸化温度は約500℃であることから、アルティックと比較し摺動部材として用いた場合、ケモメカニカル反応による焼結体の表面酸化を抑制することができる。 Although depending on the manufacturing method, the oxidation temperature of powdered titanium carbide is about 400 ° C, whereas the oxidation temperature of titanium nitride is about 500 ° C, so it is used as a sliding member compared to Altic. If so, surface oxidation of the sintered body due to the chemomechanical reaction can be suppressed.
そして、本発明で酸化アルミニウムを65質量%以上、85質量%以下、残部を窒化チタニウムとしたのは、材料強度を保ちつつ、適度な導電性を維持するためである。 In the present invention, the reason why the aluminum oxide is 65% by mass or more and 85% by mass or less and the balance is titanium nitride is to maintain appropriate electrical conductivity while maintaining the material strength.
酸化アルミニウムが65質量%未満になると、窒化チタニウムの量が多すぎるため、焼結性が著しく低下し、焼結体の強度やボイドレベルが低下するとともに、加工性も悪化しスライシング加工時のチッピングが増加するという問題が生じる。 If the amount of aluminum oxide is less than 65% by mass, the amount of titanium nitride is too large, so that the sinterability is significantly reduced, the strength and void level of the sintered body are lowered, and the workability is also deteriorated, so that chipping during slicing is performed. The problem arises that increases.
逆に、酸化アルミニウムが85質量%を越えると、窒化チタニウムの量が少なすぎるため、硬度や耐摩耗性が低下し、さらに、導電性を維持することが困難となり、図1に示すように体積固有抵抗率が急激に上昇し、静電気除去の面から好ましくないのである。 On the other hand, if the aluminum oxide exceeds 85% by mass, the amount of titanium nitride is too small, so that the hardness and wear resistance are reduced, and it becomes difficult to maintain the conductivity. As shown in FIG. The specific resistivity rapidly increases, which is not preferable from the viewpoint of static electricity removal.
そして、この範囲で体積抵抗率が安定するのは、導電性を有する窒化チタニウム粒子同士の結合が焼結体全域にわたり、ほぼ均一に広がり安定状態となっているためだと考えられる。さらに、酸化アルミニウムの含有量さらに好ましい範囲としては、70質量%以上、82質量%以下である。この範囲では、体積固有抵抗率が安定し、強度も十分であるため、実際の製造工程においても品質的に安定した焼結体を得ることができる。 The reason why the volume resistivity is stabilized in this range is considered to be that the bonds between the conductive titanium nitride particles spread almost uniformly over the entire sintered body and are in a stable state. Furthermore, the content of aluminum oxide is more preferably in the range of 70% by mass to 82% by mass. In this range, since the volume resistivity is stable and the strength is sufficient, a sintered body that is stable in quality can be obtained even in an actual manufacturing process.
また、本発明の酸化アルミニウム窒化チタニウム系焼結体の望ましい特性として、合計平均結晶粒径は0.4μm以上、2.0μm以下の範囲がよい。 Further, as a desirable characteristic of the aluminum oxide titanium nitride sintered body of the present invention, the total average crystal grain size is preferably in the range of 0.4 μm or more and 2.0 μm or less.
合計平均結晶粒径を0.4μm以上としたのは、0.4μm未満の合計平均結晶粒径の焼結体を作製するには、焼結前の結晶粒径を0.1〜0.2μm程度まで粉砕する必要があり、コストや時間的な利点が少ないためである。さらに、粒成長を抑制するためには短時間での焼成となり、焼結が充分に進行せず、ボイドが残留し強度低下が生じ、さらに、ミリング加工後の面粗さも悪化するためである。 The total average crystal grain size is set to 0.4 μm or more in order to produce a sintered body having a total average crystal grain size of less than 0.4 μm, the crystal grain size before sintering is 0.1 to 0.2 μm. This is because it needs to be pulverized to a certain extent, and there are few cost and time advantages. Furthermore, in order to suppress grain growth, firing is performed in a short time, sintering does not proceed sufficiently, voids remain, the strength decreases, and the surface roughness after milling also deteriorates.
また、合計平均結晶粒径を2.0μm以下としたのは、部材の鏡面加工性を良好に保ち、イオンミリングやエッチングなどによる結晶相毎の加工レート差を全体的に均一に分散させるためである。 The total average crystal grain size was set to 2.0 μm or less in order to maintain a good mirror surface workability of the member and to uniformly disperse the processing rate difference for each crystal phase by ion milling or etching. is there.
さらに、例えば、磁気ヘッド用基板として用いた場合、合計平均結晶粒径を2.0μm以下にすると、前述した磁気ヘッドの浮上量を測定する時に使用するレーザのスポット径が4〜6μmであるため、レーザが浮上面の任意の場所に照射されても、結晶相がスポット内に常に複数個含まれて安定した測定条件を得られるという効果もある。 Furthermore, for example, when used as a magnetic head substrate, if the total average crystal grain size is 2.0 μm or less, the laser spot diameter used when measuring the flying height of the magnetic head described above is 4 to 6 μm. Even if the laser is irradiated to an arbitrary place on the air bearing surface, a plurality of crystal phases are always included in the spot, and a stable measurement condition can be obtained.
逆に、合計平均結晶粒径が2.0μmを越えるものは、一次原料の粒度が粗い場合や、焼成温度が高すぎる場合であり、材料強度が低下し、鏡面加工性、イオンミリング性なども低下するという問題が生じる。 Conversely, the case where the total average crystal grain size exceeds 2.0 μm is the case where the primary raw material is coarse or the firing temperature is too high, the material strength is reduced, and the mirror surface workability, ion milling property, etc. The problem of deteriorating arises.
また、合計平均結晶粒径のさらに望ましい範囲は、0.5μm以上、1.4μm以下である。 A more desirable range of the total average crystal grain size is 0.5 μm or more and 1.4 μm or less.
そして、酸化アルミニウムの平均結晶粒径は0.5μm以上、2.2μm以下、窒化チタニウムの平均結晶粒径が0.2μm以上、1.6μm以下の範囲がよい。 The average crystal grain size of aluminum oxide is preferably 0.5 μm or more and 2.2 μm or less, and the average crystal grain size of titanium nitride is preferably 0.2 μm or more and 1.6 μm or less.
酸化アルミニウムの平均結晶粒径を0.5μm以上、2.2μm以下、窒化チタニウムの平均結晶粒径を0.2μm以上、1.6μm以下としたのは、この範囲となるように原料の粉砕粒度や焼成温度を設定すると、材料強度を保ちつつ、適度な導電性を維持し、鏡面加工性やイオンミリング性も優れた材料となるためである。 The average crystal grain size of aluminum oxide is 0.5 μm or more and 2.2 μm or less, and the average crystal grain size of titanium nitride is 0.2 μm or more and 1.6 μm or less. This is because, when the firing temperature is set, the material becomes strong while maintaining the strength of the material while maintaining an appropriate conductivity, and having excellent mirror surface workability and ion millability.
そして、酸化アルミニウムの平均結晶粒径が0.5μm未満になると、焼結過程における酸化アルミニウムと窒化チタニウムの結合が不十分となり材料強度が低下し、逆に、2.2μmを越えると、酸化アルミニウム結晶の異常粒成長が多発し、これも強度低下の要因となり、鏡面加工性も悪化するのである。 When the average crystal grain size of aluminum oxide is less than 0.5 μm, the bonding between aluminum oxide and titanium nitride in the sintering process becomes insufficient and the material strength decreases. Conversely, when it exceeds 2.2 μm, aluminum oxide Abnormal crystal growth occurs frequently, which also causes a decrease in strength and deteriorates the mirror surface workability.
さらに、窒化チタニウムの平均結晶粒径が0.2μm未満になると、原料の粉砕時間が長くなる割に、材料特性的な利点が見られず、コスト的にもメリットが小さい。逆に、窒化チタニウムの平均結晶粒径が1.6μmを越えると、焼成温度が高温になるため、酸化アルミニウム結晶粒が異常粒成長を生じやすくなり、部材の強度低下を引き起こす。逆に、低温で焼成し酸化アルミニウムの異常粒成長を抑制しても、窒化チタニウムと酸化アルミニウムの粒界にボイドが残留するため強度は低下する。さらに、窒化チタニウムの結晶粒が大きくなると、静電気を通す経路が分断されやすくなるため、焼結体の導電性のバラツキが大きくなり、品質的にも不安定となる。 Furthermore, if the average crystal grain size of titanium nitride is less than 0.2 μm, the material characteristic advantage is not seen and the cost advantage is small for the longer raw material grinding time. On the other hand, if the average crystal grain size of titanium nitride exceeds 1.6 μm, the firing temperature becomes high, so that the aluminum oxide crystal grains tend to cause abnormal grain growth and cause a reduction in strength of the member. On the other hand, even if firing at a low temperature to suppress abnormal grain growth of aluminum oxide, the strength decreases because voids remain at the grain boundaries of titanium nitride and aluminum oxide. Further, when the titanium nitride crystal grains become large, the path through which static electricity passes is likely to be broken, resulting in a large variation in the conductivity of the sintered body and unstable quality.
また、さらに好ましくは、酸化アルミニウムよりも窒化チタニウムの平均結晶粒径を小さくするとよい。これは、窒化チタニウムは難焼結性であるため、酸化アルミニウムよりも平均結晶粒径が大きくなると、酸化アルミニウム結晶との粒界にボイドが形成されやすくなり、強度低下の要因となるためである。さらに、焼結体に研削加工や鏡面加工を行うと、脱粒やチッピングが生じやすくなり、表面性状が低下することも強度低下を引き起こす要因となる。 More preferably, the average crystal grain size of titanium nitride is smaller than that of aluminum oxide. This is because titanium nitride is difficult to sinter, so if the average crystal grain size is larger than that of aluminum oxide, voids are likely to be formed at the grain boundaries with the aluminum oxide crystal, causing a reduction in strength. . Further, when grinding or mirror finishing is performed on the sintered body, degranulation and chipping are likely to occur, and the deterioration of the surface properties also causes a decrease in strength.
そして、合計平均結晶粒径を本発明の範囲内とするには、酸化アルミニウムと窒化チタニウムの粉砕粒度を、それぞれD50=0.1〜1.8、D50=0.1〜1.4の範囲とし、焼結助剤の種類と添加量は適宜調整し、焼成温度は1530〜1780℃とし、焼成設備はホットプレスか真空炉(アルゴン雰囲気、窒素雰囲気)を用いればよい。 In order to make the total average crystal grain size within the range of the present invention, the pulverized grain sizes of aluminum oxide and titanium nitride are in the ranges of D50 = 0.1 to 1.8 and D50 = 0.1 to 1.4, respectively. The kind and amount of the sintering aid are appropriately adjusted, the firing temperature is 1530 to 1780 ° C., and the firing equipment may be a hot press or a vacuum furnace (argon atmosphere, nitrogen atmosphere).
そして、合計平均結晶粒径の測定方法は、走査型電子顕微鏡(以下SEMと称す)を用いて1000〜5000倍程度で焼結体の鏡面を撮影し、写真上の任意の個所で直線を引き、コード法で測定すればよい。なお、SEMの前に焼成温度よりも50〜200℃低い温度でファイヤーエッチングを行うと、粒界の観察が容易となる。 The total average grain size is measured by taking a mirror surface of the sintered body at a magnification of about 1000 to 5000 times using a scanning electron microscope (hereinafter referred to as SEM) and drawing a straight line at an arbitrary position on the photograph. Measure by the code method. If fire etching is performed at a temperature lower by 50 to 200 ° C. than the firing temperature before SEM, the grain boundary can be easily observed.
また、本発明は、主成分をなす酸化アルミニウムと窒化チタニウム100重量部に対し、焼結助剤として酸化イッテルビウム、酸化イットリウムのいずれかを0.005重量部以上、1重量部以下含有することを特徴とする
焼結助剤として酸化イッテルビウム、酸化イットリウムを用いるのは、含有量が0.005重量部以上、1重量部以下の微量で酸化アルミニウムと窒化チタニウムの焼結性を改善することができるためである。そして、微量の焼結助剤で焼結した本発明の焼結体は、粒界のガラス相成分が極微量であるため、鏡面加工性に優れ、さらに、イオンミリングをしても面粗さが極端に低下することはない。加えて、焼結体にスライシング加工を行うとき、切断面のチッピングが少なくなるという利点や、パーティクルの発生量が少ないという利点がある。
Further, the present invention contains 0.005 parts by weight or more and 1 part by weight or less of either ytterbium oxide or yttrium oxide as a sintering aid with respect to 100 parts by weight of aluminum oxide and titanium nitride as main components. The use of ytterbium oxide or yttrium oxide as a sintering aid can improve the sinterability of aluminum oxide and titanium nitride in a trace amount of 0.005 parts by weight or more and 1 part by weight or less. Because. And the sintered body of the present invention sintered with a small amount of sintering aid is excellent in mirror surface workability because the glass phase component at the grain boundary is extremely small, and even with ion milling, the surface roughness Does not drop drastically. In addition, when slicing the sintered body, there are advantages that chipping of the cut surface is reduced and that the amount of particles generated is small.
また、添加量が0.005重量部未満になると、焼結性が改善されないという問題が生じ、1重量部を越えると、酸化イッテルビウム、酸化イットリウムが凝集し、組織ムラが発生し、上述した磁気ヘッドのように、光の反射率を利用して磁気ヘッドの浮上量を測定する場合に正確に測定できないという問題や、他にも、焼結体の表面に透光性の薄膜を形成し、その厚みを光を用いて計測する際、反射率が部分的に変化して正確に測定できないという問題や、凝集粒がイオンミリング面において突起になるという問題があり、磁気ヘッド用基板としては好ましくない。 Further, when the added amount is less than 0.005 parts by weight, there is a problem that the sinterability is not improved. When the added amount exceeds 1 part by weight, ytterbium oxide and yttrium oxide are aggregated to cause unevenness of the structure, and the above-described magnetic property Like the head, when measuring the flying height of the magnetic head using the reflectivity of light, in addition to the problem that it can not be measured accurately, a translucent thin film is formed on the surface of the sintered body, When measuring the thickness using light, there is a problem that the reflectance is partially changed and cannot be measured accurately, and there is a problem that aggregated particles become projections on the ion milling surface, which is preferable as a substrate for a magnetic head. Absent.
そして、酸化イッテルビウムと酸化イットリウムのさらに好ましい含有量は、0.01重量部以上、0.5重量部以下である。この範囲では、少量の焼結助剤で焼結性を改善でき、凝集粒も発生することはなく、強度的にも優れている。 And more preferable content of ytterbium oxide and yttrium oxide is 0.01 parts by weight or more and 0.5 parts by weight or less. In this range, the sinterability can be improved with a small amount of sintering aid, no agglomerates are generated, and the strength is excellent.
なお、焼結助剤に酸化イッテルビウムと酸化イットリウムのいずれかを添加する場合は、焼結体を緻密化するためホットプレスを使用する必要がある。焼結助剤が微量であるため、真空炉を使用しても焼結が進行しないためである。また、ホットプレスの代わりに熱間静水圧加圧焼成(以下HIPと称す)を使用しても構わない。 When either ytterbium oxide or yttrium oxide is added to the sintering aid, it is necessary to use a hot press in order to densify the sintered body. This is because the amount of sintering aid is so small that sintering does not proceed even when a vacuum furnace is used. Moreover, you may use hot isostatic press baking (henceforth HIP) instead of a hot press.
また、本発明は、主成分をなす酸化アルミニウムと窒化チタニウム100重量部に対し、焼結助剤として酸化イッテルビウム、酸化イットリウム、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、酸化チタニウム、酸化ケイ素、酸化カルシウムの一種以上を5重量部以上、20重量部以下含有することを特徴とする。 In the present invention, one or more of ytterbium oxide, yttrium oxide, magnesium oxide, zirconium oxide, titanium oxide, silicon oxide, and calcium oxide are used as sintering aids with respect to 100 parts by weight of aluminum oxide and titanium nitride as main components. It contains 5 parts by weight or more and 20 parts by weight or less.
酸化イッテルビウムと酸化イットリウムは、微量で酸化アルミニウムと酸化チタニウムの焼結性を改善し、酸化マグネシウムは主成分の粒成長を抑制する効果があり、酸化ジルコニウムは焼結体の加工性を改善し、酸化チタニウムは焼結体を緻密化し、酸化ケイ素はガラス相を形成して焼結温度を下げ、酸化カルシウムは粒界相を安定化する効果がある。 Ytterbium oxide and yttrium oxide improve the sinterability of aluminum oxide and titanium oxide in a trace amount, magnesium oxide has the effect of suppressing grain growth of the main component, zirconium oxide improves the workability of the sintered body, Titanium oxide densifies the sintered body, silicon oxide forms a glass phase to lower the sintering temperature, and calcium oxide has the effect of stabilizing the grain boundary phase.
そして、本発明の焼結体にこれらの焼結助剤が5重量部以上、20重量部以下含有するのは、ホットプレスやHIPのような高価な設備を用いることなく、通常の真空炉(雰囲気炉)で焼成しても充分な強度や硬度が得られるためである。なお、ホットプレスを用いて焼成しても何ら問題はなく、通常の真空炉で焼成した後、HIPを用いて緻密化し、強度や硬度などの材料特性を改善することも可能である。 The sintered body of the present invention contains these sintering aids in an amount of 5 parts by weight or more and 20 parts by weight or less without using an expensive facility such as a hot press or HIP. This is because sufficient strength and hardness can be obtained even by firing in an atmospheric furnace. Note that there is no problem even if baking is performed using a hot press, and after baking in a normal vacuum furnace, the material properties such as strength and hardness can be improved by densification using HIP.
また、焼結助剤が5重量部未満では、焼結性の改善効果が低く、20重量部を越えると強度や耐摩耗性が低下するため好ましくない。そして、より好ましい焼結助剤の添加量は、8重量部%以上、15重量部以下である。 Further, if the sintering aid is less than 5 parts by weight, the effect of improving the sinterability is low, and if it exceeds 20 parts by weight, the strength and wear resistance are lowered, which is not preferable. And the addition amount of a more preferable sintering aid is 8 parts by weight or more and 15 parts by weight or less.
また、本発明は体積固有抵抗率が10−3Ω・cm以上、106Ω・cm未満であることを特徴とする
本発明の焼結体は、体積固有抵抗率を10−3Ω・cm以上、106Ω・cm未満とすることにより、例えば、磁気ヘッド用基板に用いる場合、現在HDD向け磁気ヘッド用基板として主流であるアルティック材(体積固有抵抗率:約10−3Ω・cm)と同等以上の耐静電気破壊性を付加することができ、これにより、従来の製造ラインで新たに静電気対策を追加することなく本発明の焼結体をHDD向け磁気ヘッド用基板として用いることが可能となる。さらに、磁気ヘッド素子のように静電気破壊が問題となる電子部品周辺の治具にも好適に用いることができる。
Further, the present invention is the specific volume resistivity is 10 -3 Ω · cm or more, the sintered body of the present invention, characterized in that less than 10 6 Ω · cm, the volume resistivity 10 -3 Ω · cm As described above, by using less than 10 6 Ω · cm, for example, when used for a magnetic head substrate, Altic material (volume specific resistivity: about 10 −3 Ω · cm), which is currently mainstream as a magnetic head substrate for HDD, is used. ), The sintered body of the present invention can be used as a substrate for a magnetic head for HDDs without adding countermeasures against static electricity in a conventional production line. It becomes possible. Further, it can be suitably used for a jig around an electronic component where electrostatic breakdown is a problem, such as a magnetic head element.
また、体積固有抵抗率が10−3Ω・cm未満になると、図1で示すように窒化チタニウムの添加量が35質量%を越える量となり、上述したように、焼結性が低下し、ボイドレベルや加工性も悪化するという問題がある。 Also, when the volume resistivity is less than 10 −3 Ω · cm, the amount of titanium nitride added exceeds 35% by mass as shown in FIG. There is a problem that the level and workability deteriorate.
また、体積固有抵抗率が106Ω・cm以上になると、特に、磁気ヘッド用基板材料として用いる場合、導電性が低下するため、別途に静電気除去膜などの対策を部材に付加する必要性が生じて工程数が増加し、コスト的に好ましくない。そして、耐静電気破壊の面から考慮すると、体積固有抵抗率は10−3Ω・cm以上、104Ω・cm以下の範囲とすることがより好ましい。 In addition, when the volume resistivity is 10 6 Ω · cm or more, particularly when used as a substrate material for a magnetic head, the conductivity is lowered. Therefore, it is necessary to separately add a countermeasure such as a static eliminating film to the member. As a result, the number of steps increases, which is not preferable in terms of cost. In view of electrostatic breakdown resistance, the volume resistivity is more preferably in the range of 10 −3 Ω · cm to 10 4 Ω · cm.
そして、体積固有抵抗率を本発明の範囲内とするには、焼結体の合計平均結晶粒径を、0.4μm以上、2.0μm以下、酸化アルミニウムを65質量%以上、85質量%以下、残部を窒化チタニウムで形成すればよい。 In order to make the volume resistivity within the range of the present invention, the total average grain size of the sintered body is 0.4 μm or more and 2.0 μm or less, and aluminum oxide is 65% by mass or more and 85% by mass or less. The remainder may be formed of titanium nitride.
具体的には、窒化チタニウムの含有量が多く、合計平均結晶粒径が小さいほど体積固有抵抗率は小さくなる。窒化チタニウムは導電性を有するため、含有量が多いほど焼結体の体積固有抵抗率は低下し、合計平均結晶粒径が小さくなると、絶縁性の酸化アルミニウム結晶粒の間で、窒化チタニウムが三次元的な網目構造を形成しやすくなり体積固有抵抗率は低下するのである。 Specifically, the volume resistivity is smaller as the content of titanium nitride is larger and the total average crystal grain size is smaller. Since titanium nitride has electrical conductivity, the volume resistivity of the sintered body decreases as the content increases. When the total average crystal grain size decreases, the titanium nitride is tertiary between the insulating aluminum oxide crystal grains. It becomes easy to form an original network structure, and the volume resistivity decreases.
また、体積固有抵抗率の測定は、106Ω・cm未満の低抵抗の場合はJIS K 7194に準拠する4端子法で測定し、106Ω・cm以上の高抵抗の場合はJIS K 6911に準拠する二重リング法で測定すればよい。 The measurement of the specific volume resistivity, if it is less than 10 6 Ω · cm for low-resistance measured by the four-terminal method conforming to JIS K 7194, in the case of more than 10 6 Ω · cm high resistance JIS K 6911 The measurement may be performed by the double ring method in accordance with the above.
また、本発明の焼結体は、熱伝導率が23W/m・Kを越えることを特徴とする。 The sintered body of the present invention is characterized in that the thermal conductivity exceeds 23 W / m · K.
例えば、従来のアルティックを酸化アルミニウム70質量%と炭化チタニウム30質量%の比率で混合し、ホットプレスを用いて1750℃、1時間で焼結させると熱伝導率は23W/(m・K)以下であるのに対し、本発明の焼結体を酸化アルミニウム70質量%と窒化チタニウム30質量%の比率で混合し、同等の条件で焼結させると熱伝導率は24〜27W/m・Kとなり、アルティックよりも高い熱伝導率が得られる。これは、窒化チタニウムの熱伝導率が炭化チタニウムよりも大きいためである。 For example, when conventional Altic is mixed at a ratio of 70% by mass of aluminum oxide and 30% by mass of titanium carbide and sintered at 1750 ° C. for 1 hour using a hot press, the thermal conductivity is 23 W / (m · K). In contrast, when the sintered body of the present invention is mixed at a ratio of 70% by mass of aluminum oxide and 30% by mass of titanium nitride and sintered under the same conditions, the thermal conductivity is 24 to 27 W / m · K. Thus, higher thermal conductivity than Altic can be obtained. This is because the thermal conductivity of titanium nitride is larger than that of titanium carbide.
また、表4に示すように、本発明の組成範囲では最高で30W/(m・K)まで熱伝導率を改善することが可能である。 In addition, as shown in Table 4, the thermal conductivity can be improved up to 30 W / (m · K) in the composition range of the present invention.
そして、熱伝導率を調整するには、主に、酸化アルミニウムと窒化チタニウムの質量比を調整する方法、結晶粒径を調整する方法がある。熱伝導率を大きくする場合は、酸化アルミニウムの比率を高くする、結晶粒径を大きくする、或いは、その両方を実施すればよい。すなわち、酸化アルミニウムは窒化チタニウムよりも熱伝導率が高く、結晶粒径が大きくなると、熱伝導を妨げる要因となる粒界が減少するためである。また、焼結助剤を調整する方法もあるが、本発明の焼結体では効果が小さい。 In order to adjust the thermal conductivity, there are mainly a method of adjusting the mass ratio of aluminum oxide and titanium nitride and a method of adjusting the crystal grain size. In order to increase the thermal conductivity, the ratio of aluminum oxide is increased, the crystal grain size is increased, or both. That is, aluminum oxide has a higher thermal conductivity than titanium nitride, and when the crystal grain size is increased, grain boundaries that are factors that hinder thermal conduction are reduced. There is also a method of adjusting the sintering aid, but the effect is small in the sintered body of the present invention.
そして、熱伝導率がアルティックよりも高くなることにより、例えば、本発明の焼結体を磁気ヘッド用基板に用いたとき、磁気ヘッド素子から発生する熱を速やかに放熱し、熱による誤作動や過熱を抑制する効果がある。さらに、摺動部材に用いたときも同様に、摺動面に発生した熱を周囲に逃がして部材の温度上昇を抑制し、熱膨張による寸法変化を低減する効果がある。 And when the thermal conductivity becomes higher than Altic, for example, when the sintered body of the present invention is used for a magnetic head substrate, the heat generated from the magnetic head element is quickly dissipated and malfunction due to heat. And has the effect of suppressing overheating. Further, when used for the sliding member, similarly, the heat generated on the sliding surface is released to the surroundings to suppress the temperature rise of the member and to reduce the dimensional change due to thermal expansion.
また、熱伝導率の測定はJIS C 2141に準拠するレーザフラッシュ法で測定すればよい。 The thermal conductivity may be measured by a laser flash method in accordance with JIS C 2141.
さらに、本発明の焼結体は、熱膨張率が7.2ppm/℃以上、7.8ppm/℃以下であることを特徴とする。 Furthermore, the sintered body of the present invention has a thermal expansion coefficient of 7.2 ppm / ° C. or more and 7.8 ppm / ° C. or less.
熱膨張率を本発明の範囲内とすることにより、例えば、磁気ヘッド用基板に用いた場合、絶縁膜のアモルファスアルミナを磁気ヘッド用基板に成膜したとき、密着性の優れた材料となり、従来のアルティック材で使用した製造装置をそのまま転用することができる。 By making the coefficient of thermal expansion within the range of the present invention, for example, when used for a magnetic head substrate, when an amorphous alumina of an insulating film is formed on the magnetic head substrate, it becomes a material having excellent adhesion. The production equipment used for the Altic material can be diverted as it is.
そして、熱膨張率を7.2ppm/℃以上、7.8ppm/℃以下とするには、酸化アルミニウム、窒化チタニウム、焼結助剤の質量比を本発明の範囲内で調整すればよく、具体的には、酸化アルミニウムの質量比が増加すると熱膨張率は大きくなる。 In order to set the coefficient of thermal expansion to 7.2 ppm / ° C. or more and 7.8 ppm / ° C. or less, the mass ratio of aluminum oxide, titanium nitride, and sintering aid may be adjusted within the scope of the present invention. Specifically, as the mass ratio of aluminum oxide increases, the coefficient of thermal expansion increases.
また、熱膨張率の測定はJIS R 1618に準拠する熱機械分析方法で測定すればよい。 The coefficient of thermal expansion may be measured by a thermomechanical analysis method based on JIS R 1618.
また、本発明は、酸化アルミニウム窒化チタニウム系焼結体を用いたことを特徴とする磁気ヘッド用基板である。 The present invention also provides a magnetic head substrate using an aluminum oxide titanium nitride sintered body.
本発明の焼結体を用いた磁気ヘッド用基板は、現在主流のアルティック製磁気ヘッド用基板と比較し、熱伝導率が高く放熱性に優れる、炭化チタニウムと比較し窒化チタニウムの耐酸化性が高い、熱膨張率がアルティックと同等なので従来設備を転用できる、などの優れた効果がある。 The magnetic head substrate using the sintered body of the present invention has higher thermal conductivity and better heat dissipation than the current mainstream Altic magnetic head substrate, and the oxidation resistance of titanium nitride compared to titanium carbide. It has an excellent effect that the existing equipment can be diverted because it has a high thermal expansion coefficient equivalent to Altic.
特に、焼結助剤として酸化イッテルビウム、酸化イットリウムのいずれかを0.005重量部以上、1重量部以下含有する焼結体は、浮上面20aをイオンミリングなどで高精度に加工ができ、加工後の表面粗さが原子間力顕微鏡(以下AFMと称す)で測定するとRa20nm以下となり、磁気ヘッドスライダ20として好適に使用できる。すなわち、粒界のガラス相成分が極微量であるため、加工後の浮上面20aに有害な凹凸が非常に少なく、安定した状態で浮上走行できるのである。
In particular, a sintered body containing 0.005 part by weight or more and 1 part by weight or less of either ytterbium oxide or yttrium oxide as a sintering aid can process the
また、アルティックでは磁気ヘッド用基板の表面に1μm以上のボイドが存在することは無く、本発明の焼結体を磁気ヘッド用基板に用いる場合も、これと同等以上のボイドレベルであることが好ましい。 In Altic, there is no void of 1 μm or more on the surface of the magnetic head substrate, and even when the sintered body of the present invention is used for the magnetic head substrate, the void level is equal to or higher than this. preferable.
さらに、本発明の磁気ヘッド用基板は、基板に形成された磁気ヘッド素子をスライシング加工で分離するとき、切断面に生じるチッピング90(図9)が小さく、磁気ヘッド素子に干渉し機能を妨げるということもない。 Further, the magnetic head substrate according to the present invention has a small chipping 90 (FIG. 9) generated on the cut surface when the magnetic head element formed on the substrate is separated by slicing, and interferes with the magnetic head element to hinder its function. There is nothing.
そして、本発明は、酸化アルミニウム窒化チタニウム系焼結体を押圧部材に用いたことを特徴とする超音波モータである。 And this invention is an ultrasonic motor characterized by using the aluminum oxide titanium nitride type sintered compact for the press member.
本発明の焼結体は、耐摩耗性や耐酸化性に優れており、超音波モータの押圧部に用いると、従来から提案されてきたアルティックよりも、耐久性に優れたものとなる。さらに、熱伝伝導率がアルティックよりも高いため、駆動時の摩擦熱をより早く放熱し、押圧部の熱膨張による変形を低減し、正確な送りを実現することができる。そして、図6、7には棒状の超音波モータとこれを用いた案内装置を示したが、円環型の超音波モータにも用いることもできる。 The sintered body of the present invention is excellent in wear resistance and oxidation resistance, and when used in a pressing portion of an ultrasonic motor, the sintered body is superior in durability than the conventionally proposed Altic. Furthermore, since the thermal conductivity is higher than that of Altic, it is possible to dissipate frictional heat at the time of driving faster, reduce deformation due to thermal expansion of the pressing portion, and realize accurate feeding. 6 and 7 show a rod-shaped ultrasonic motor and a guide device using the same, it can also be used for an annular ultrasonic motor.
また、本発明は酸化アルミニウム窒化チタニウム系焼結体を動圧の発生する摺動面に用いたことを特徴とする動圧軸受である。 The present invention also provides a hydrodynamic bearing characterized in that an aluminum oxide titanium nitride sintered body is used for a sliding surface where dynamic pressure is generated.
本発明の焼結体は、耐摩耗性や耐酸化性に優れているため、高速で接触摺動する動圧軸受の摺動面に好適に用いることができる。例えば、従来から提案されてきたアルティック製動圧軸受(特開平8−121467等)は、それまでの酸化アルミニウム製動圧軸受と比較して耐摩耗性や摺動性の優れた材料である。しかし、本発明の焼結体に含有する窒化チタニウムは、アルティック製動圧軸受の摺動面に存在する炭化チタニウムと比較し、耐酸化性に優れているため、摩擦熱による表面組成の変化が生じにくく、部材が高温となる使用環境でも安定して用いることができる。 Since the sintered body of the present invention is excellent in wear resistance and oxidation resistance, it can be suitably used for a sliding surface of a hydrodynamic bearing that contacts and slides at high speed. For example, Altic's hydrodynamic bearings that have been proposed in the past (JP-A-8-121467, etc.) are materials that are superior in wear resistance and slidability compared to conventional aluminum oxide hydrodynamic bearings. . However, titanium nitride contained in the sintered body of the present invention is superior in oxidation resistance compared to titanium carbide existing on the sliding surface of Altic's dynamic pressure bearing, so the surface composition changes due to frictional heat. Can be used stably even in a use environment where the member is at a high temperature.
また、本発明で使用する窒化チタニウムは、従来からある金属窒化法や熱炭素窒化法と比較して、高純度で微粉の原料が得られる気相法により合成されたものが好ましい。ここで、気相法とは、気体の塩化チタニウムを窒化反応の生じる反応ガス中で加熱することにより、窒化チタニウムを合成する方法のことである。また、反応ガスとしては、例えば、水素と窒素の混合ガスやアンモニア等がある。 Further, the titanium nitride used in the present invention is preferably synthesized by a vapor phase method capable of obtaining a fine powder material with high purity as compared with conventional metal nitriding methods and thermal carbon nitriding methods. Here, the vapor phase method is a method of synthesizing titanium nitride by heating gaseous titanium chloride in a reaction gas in which a nitriding reaction occurs. Examples of the reactive gas include a mixed gas of hydrogen and nitrogen and ammonia.
また、金属窒化法は金属粉を反応ガス中で加熱することにより窒化チタニウムを合成する方法であるが、製造時の安全面の都合から、粗粒の窒化チタニウムを合成した後、粉砕し微粉化する製法がとられる。この合成後の粉砕時に不純物が混入するため、本発明の磁気ヘッド用基板に用いる場合は適さないのである。 In addition, the metal nitriding method is a method of synthesizing titanium nitride by heating metal powder in a reaction gas, but for safety reasons during production, after synthesizing coarse titanium nitride, it is pulverized and pulverized. The manufacturing method to be taken is taken. Since impurities are mixed during the pulverization after the synthesis, it is not suitable for use in the magnetic head substrate of the present invention.
また、熱炭素窒化法は酸化チタニウムと炭素の混合粉を反応ガス中で加熱して窒化チタニウムを合成する方法である。この方法により合成された窒化チタニウムは、安価ではあるが、純度が低いため本発明の磁気ヘッド用基板に用いることは適さないのである。 The thermal carbon nitriding method is a method of synthesizing titanium nitride by heating a mixed powder of titanium oxide and carbon in a reaction gas. Titanium nitride synthesized by this method is inexpensive but is not suitable for use in the magnetic head substrate of the present invention because of its low purity.
また、本発明では不純物を低減するため、原料の粉砕には純度99.9%以上のアルミナボールを用いることがより好ましい。例えば、粉砕効率を考慮して超硬合金製ボールやジルコニア製ボールなどを用いると、例えば、本発明の焼結体を磁気ヘッド用基板に用いた時、粉砕ボールから不純物が混入し、イオンミリング面に有害な凹凸が生じるという問題があり好ましくない。 In the present invention, in order to reduce impurities, it is more preferable to use alumina balls having a purity of 99.9% or more for pulverizing the raw material. For example, when a cemented carbide ball or a zirconia ball is used in consideration of grinding efficiency, for example, when the sintered body of the present invention is used for a magnetic head substrate, impurities are mixed from the grinding ball, and ion milling is performed. There is a problem that harmful irregularities occur on the surface, which is not preferable.
ただし、その他の用途である耐摩耗性の治具や摺動部材に用いる場合は、気相法以外の製法で得られた窒化チタニウムを用いることも可能である。 However, titanium nitride obtained by a manufacturing method other than the vapor phase method can also be used when used for a wear-resistant jig or sliding member which is another application.
また、本発明の焼結体の製造方法は、ホットプレスを用いて最高温度を1530℃以上、1780℃以下、最高温度保持時間を30分以上、3時間以下、最高圧力を30MPa以上、60MPa以下とすればよい。 The method for producing a sintered body according to the present invention uses a hot press to have a maximum temperature of 1530 ° C. or more and 1780 ° C. or less, a maximum temperature holding time of 30 minutes or more and 3 hours or less, and a maximum pressure of 30 MPa or more and 60 MPa or less. And it is sufficient.
最高温度を1530℃以上、1780℃以下としたのは、1530℃以下では焼結性が低下するためであり、1780℃以下としたのは結晶粒径の成長を抑えるためである。 The reason why the maximum temperature is set to 1530 ° C. or higher and 1780 ° C. or lower is that the sinterability is lowered at 1530 ° C. or lower, and the reason why the maximum temperature is set to 1780 ° C. or lower is to suppress the growth of crystal grain size.
また、最高圧力を30MPa以上、60MPa以下としたのは、30MPa以下では焼結性が低下するためであり、60MPa以下としたのは、装置コストが増大する割に焼結性に大きな改善が見られないためである。 The reason why the maximum pressure is set to 30 MPa or more and 60 MPa or less is that the sinterability decreases when the pressure is 30 MPa or less. The reason why the maximum pressure is set to 60 MPa or less is that the sinterability is greatly improved although the apparatus cost increases. It is because it is not possible.
さらに、最高温度保持時間は30分以上、3時間以下とするのが望ましい。すなわち、30分以下では、時間が短すぎるため、焼結体に焼結ムラが生じるという問題があり、3時間を越えると結晶粒径が異常粒成長を生じやすくなるためである。 Furthermore, the maximum temperature holding time is desirably 30 minutes or more and 3 hours or less. That is, if the time is less than 30 minutes, the time is too short, so that there is a problem that uneven sintering occurs in the sintered body. If the time exceeds 3 hours, the crystal grain size tends to cause abnormal grain growth.
また、ホットプレスを行う際には、焼結体とモールドやスペーサに使用されているカーボンとの反応を防ぐため、ボロンナイトライドや黒鉛の離型剤をモールドやスペーサに塗布することが好ましい。 Further, when hot pressing is performed, it is preferable to apply a boron nitride or graphite release agent to the mold or spacer in order to prevent reaction between the sintered body and carbon used in the mold or spacer.
さらに、本発明の焼結体を用いた焼結体は、上述の製造方法で得られた焼結体に不活性ガス中でHIPを行い、残存したボイドを消滅させて、さらに緻密化することも可能である。 Furthermore, the sintered body using the sintered body of the present invention is further densified by performing HIP on the sintered body obtained by the above-described manufacturing method in an inert gas to eliminate the remaining voids. Is also possible.
また、本発明の焼結体を磁気ヘッド用基板に用いる場合、磁気ヘッド用基板の内部に残留する内部応力を軽減するため、ホットプレス後、またはHIP後にアニールを行うこともできる。ここで、アニールは真空中またはヘリウム、アルゴン、窒素などの不活性ガス中で行い、磁気ヘッド用基板とセッターとの反応を防止するため磁気ヘッド用基板と同じ材質の敷板やケースを利用するとなお好ましい。 In addition, when the sintered body of the present invention is used for a magnetic head substrate, annealing can be performed after hot pressing or after HIP in order to reduce internal stress remaining in the magnetic head substrate. Here, annealing is performed in a vacuum or in an inert gas such as helium, argon, nitrogen, etc. In order to prevent the reaction between the magnetic head substrate and the setter, a floor plate or case made of the same material as the magnetic head substrate is used. preferable.
なお、本発明の焼結体は、他にも電子部品を保持するピンセット、ケース、加工治具、摺動部材などにも使用することができる。 The sintered body of the present invention can also be used for tweezers, cases, processing jigs, sliding members and the like for holding electronic components.
(実施例1)
次に、本発明の焼結体の合計平均結晶粒径とミリング性、ボイドレベルの関係を説明する。
(Example 1)
Next, the relationship between the total average crystal grain size, milling property, and void level of the sintered body of the present invention will be described.
まず、主成分として、純度99.99質量%以上の酸化アルミニウムと純度95質量%以上の窒化チタニウム、および焼結助剤として酸化イッテルビウムを主成分に対し0.1重量部準備した。そして、主成分の酸化アルミニウムと窒化チタニウムを75質量%:25質量%の割合で調合し、主成分100重量部に対して0.1重量部の酸化イッテルビウムを焼結助剤として添加し、IPA(イソプロピルアルコール)と共に振動ミルに投入し、酸化ジルコニウム製の粉砕ボールを用いて湿式粉砕をした。ここで、粉砕に水ではなくIPAを用いたのはTiNの酸化を極力防止するためである。 First, 0.1 parts by weight of aluminum oxide having a purity of 99.99% by mass or more, titanium nitride having a purity of 95% by mass or more, and ytterbium oxide as a sintering aid were prepared as the main components. Then, aluminum oxide as a main component and titanium nitride are mixed at a ratio of 75% by mass: 25% by mass, 0.1 part by weight of ytterbium oxide is added as a sintering aid to 100 parts by weight of the main component, and IPA (Isopropyl alcohol) was added to a vibration mill and wet pulverized using pulverized balls made of zirconium oxide. Here, the reason why IPA was used instead of water for pulverization is to prevent the oxidation of TiN as much as possible.
粉砕終了後の酸化アルミニウムと窒化チタニウムのそれぞれの粒度分布はD50=0.12〜1.45、D50=0.15〜1.1の範囲で調整した。なお、粒度分布の測定はレーザー回折法で行い、装置はマイクロトラック(日機装(株)製:9320−X100)を使用した。 The particle size distributions of aluminum oxide and titanium nitride after completion of pulverization were adjusted in the ranges of D50 = 0.12 to 1.45 and D50 = 0.15 to 1.1. The particle size distribution was measured by a laser diffraction method, and the device used was Microtrack (manufactured by Nikkiso Co., Ltd .: 9320-X100).
そして、粉砕終了後のスラリーにバインダーを少量添加混合した後、IPAを蒸発させ、メッシュパスを通して粉末原料とした。 And after adding a small amount of binder to the slurry after pulverization and mixing, IPA was evaporated and used as a powder raw material through a mesh pass.
次に、得られた粉末原料をプレス成形して成形体となし、脱脂した後、設定温度1400〜1800℃、圧力30〜60MPa、キープ時間0.1〜4Hrの条件で誘導加熱式でホットプレスし、φ127×T2.5〜3.5mmの試料を複数作製し、さらに、それらの試料を平面研削盤で2mmの厚みに加工し、ラップ盤で鏡面とした。 Next, the obtained powder material is press-molded to form a molded body, degreased, and then hot-pressed by induction heating under the conditions of a set temperature of 1400 to 1800 ° C., a pressure of 30 to 60 MPa, and a keep time of 0.1 to 4 Hr. A plurality of samples of φ127 × T2.5 to 3.5 mm were prepared, and these samples were further processed to a thickness of 2 mm with a surface grinder and mirrored with a lapping machine.
そして、SEM(日本電子株式会社製:JSM6700F)を用いて3000倍で鏡面を観察し、コード法を用いて合計平均結晶粒径を測定し、小数点2桁以下の値は四捨五入とした。なお、SEMの前に焼成温度よりも50〜200℃低い温度で真空炉を用いてファイヤーエッチングを行い、粒界の観察を容易にしておいた。 And the mirror surface was observed by 3000 times using SEM (the JEOL Co., Ltd. product: JSM6700F), the total average crystal grain diameter was measured using the code | cord | chord method, and the value below two decimal places was rounded off. Prior to SEM, fire etching was performed using a vacuum furnace at a temperature lower by 50 to 200 ° C. than the firing temperature to facilitate observation of grain boundaries.
また、ミリング性の評価方法は、鏡面加工された試料にアルゴンイオンを用いてミリング加工を行い、その表面粗さをAFMで測定した。なお、ミリング加工条件は、アルゴンイオンの加速電圧を600V、ミリングレートを200Å/分で10分とした。各試料のミリング加工前の表面粗さRaは1〜2nmであり、約0.5μm加工した後で表面状態を測定し、Ra20nm以下の試料を合格とした。 Moreover, the evaluation method of milling property performed the milling process using the argon ion to the mirror-finished sample, and measured the surface roughness by AFM. The milling process conditions were an acceleration voltage of argon ions of 600 V and a milling rate of 200 Å / min for 10 minutes. The surface roughness Ra before milling of each sample was 1 to 2 nm, the surface state was measured after processing about 0.5 μm, and samples with Ra of 20 nm or less were accepted.
ボイドレベルの評価方法は、SEMで3000倍の写真を撮影し、30μm×30μmの範囲に直径1μm以下のボイドが50個以下のものを合格として○、中でも25個以下の優れたものを◎、直径1μm以下のボイドが51個以上のものと、直径1μmを越えるボイドが含まれているものを失格として×とした。ここで、ボイドの直径は、ボイドの長径と短径の和を2で割った値を使用した。 The void level was evaluated by taking a 3000 times photograph with a SEM and passing 50 or less voids with a diameter of 1 μm or less in the range of 30 μm × 30 μm. Those with 51 or more voids having a diameter of 1 μm or less and those containing voids with a diameter exceeding 1 μm were disqualified and marked as x. Here, as the diameter of the void, a value obtained by dividing the sum of the major axis and minor axis of the void by 2 was used.
その結果を表1に示す。
表1より、本発明の実施例となる試料No.2〜7がミリング性、ボイドレベルともに良好であることが判る。ミリング性は、No.2〜7の間で大きな差は現れなかったが、No.3〜6はボイドレベルが優れており、磁気ヘッドスライダーなどの摺動部材にも好適に使用できることが判る。 From Table 1, sample No. which is an example of the present invention is shown. It can be seen that 2 to 7 are good in milling property and void level. Milling properties are No. No significant difference appeared between 2 and 7, but no. Nos. 3 to 6 have excellent void levels, and can be suitably used for sliding members such as magnetic head sliders.
また、比較例の試料No.1は、合計平均結晶粒径は小さいが、焼結が充分に進行していないためミリング性やボイドレベルが低下したと考えられる。同じく比較例の試料No.8、9は、ボイドレベルは合格であるが、No.2〜7と比較して脱粒の跡が多く見られ、加えて鏡面加工に要する時間も1〜5割長くなった。さらに、ミリング性も悪化しており、結晶相毎のミリングレートの差が顕著に現れてきたものと考えられる。 In addition, sample No. No. 1 has a small total average crystal grain size, but it is considered that milling property and void level were lowered because sintering did not proceed sufficiently. Similarly, sample No. Nos. 8 and 9 passed the void level, but no. Compared with 2-7, many marks of degranulation were seen, and in addition, the time required for mirror finishing was 10-50% longer. Furthermore, the milling property is also deteriorated, and it is considered that the difference in the milling rate for each crystal phase has appeared remarkably.
次に、酸化アルミニウムと窒化チタニウムの合計平均結晶粒径と強度の関係を説明する。 Next, the relationship between the total average crystal grain size of aluminum oxide and titanium nitride and the strength will be described.
上述と同様の方法で、本発明の実施例となる試料No.12〜21及び比較例の試料No.10、11、22〜24として酸化アルミニウム65質量%と窒化チタニウム35質量%を別個に振動ミルで粉砕し、それぞれ粒度を調整した後、混合撹拌し、IPAを蒸発させ、粉末原料から成形体を形成し、次いで、ホットプレスで試料を作製した。
In the same manner as described above, the sample No. 12 to 21 and Comparative Sample No. 10, 65, and 22 as aluminum oxide and
なお、焼結助剤の酸化イッテルビウムは、酸化アルミニウムと同時に粉砕し、主成分となる酸化アルミニウムと窒化チタニウムの合計100重量部に対し、0.1重量部となるように調合した。 The sintering aid ytterbium oxide was pulverized at the same time as aluminum oxide, and was prepared so as to be 0.1 part by weight with respect to 100 parts by weight as the main components of aluminum oxide and titanium nitride.
同様に、本発明の実施例となる試料No.27〜36及び比較例の試料No.25、26、37〜39として酸化アルミニウム85質量%と窒化チタニウム15質量%の合計100重量部に対し、0.1重量部の酸化イッテルビウムを調合し、ホットプレスで試料を作製した。 Similarly, the sample No. used as an example of the present invention. 27-36 and Comparative Sample No. As 25, 26, 37 to 39, 0.1 part by weight of ytterbium oxide was prepared with respect to a total of 100 parts by weight of 85% by weight of aluminum oxide and 15% by weight of titanium nitride, and samples were prepared by hot pressing.
また、ホットプレスは表2に示す合計平均結晶粒径となるように温度と圧力の条件を設定した。この時、酸化アルミニウムの平均結晶粒径に対し、窒化チタニウムの平均結晶粒径は30〜100%の範囲となった。 In addition, the temperature and pressure conditions were set so that the hot press had the total average crystal grain size shown in Table 2. At this time, the average crystal grain size of titanium nitride was in the range of 30 to 100% with respect to the average crystal grain size of aluminum oxide.
結晶粒径の測定は上述の方法で行い、抗折強度は3点曲げ試験(JIS R 1601)で求めた。 The crystal grain size was measured by the method described above, and the bending strength was determined by a three-point bending test (JIS R 1601).
その結果を表2に示し、図8にグラフ化した。図8のDは本発明の合計平均結晶粒径の範囲である。
表2及び図8より、本発明の実施例である試料No.12〜21、No.27〜36は合計平均結晶粒径が0.4μm以上、2.0μm以下となり、600MPa以上の抗折強度を有し、アルティックと同等の強度があるといえる。さらに、合計平均結晶粒径が0.4μm以上、1.6μm以下の範囲であれば、抗折強度は700MPa以上となり、さらに好ましい範囲であることが判る。 From Table 2 and FIG. 8, sample No. which is an example of the present invention is shown. 12-21, no. Nos. 27 to 36 have a total average crystal grain size of 0.4 μm or more and 2.0 μm or less, have a bending strength of 600 MPa or more, and have the same strength as Altic. Furthermore, when the total average crystal grain size is in the range of 0.4 μm or more and 1.6 μm or less, the bending strength is 700 MPa or more, which is a more preferable range.
また、比較例であるNo.10、11、25、26は合計平均結晶粒径は小さいが、焼結が十分に進行しなかったため、強度が低下したと考えられる。そして、比較例であるNo.22〜24、No.37〜39は、強度の低下は大きくないが、先に述べたミリング性の問題があるため本発明の範囲外とした。 Moreover, No. which is a comparative example. Nos. 10, 11, 25, and 26 have a small total average crystal grain size, but it was considered that the strength was lowered because sintering did not proceed sufficiently. And No. which is a comparative example. 22-24, no. 37-39 were not greatly reduced in strength, but were outside the scope of the present invention due to the above-mentioned problem of millability.
(実施例2)
実施例2において、酸化アルミニウムの平均結晶粒径、及び窒化チタニウムの平均結晶粒径と焼結体の強度について説明する。
(Example 2)
In Example 2, the average crystal grain size of aluminum oxide, the average crystal grain size of titanium nitride, and the strength of the sintered body will be described.
焼結体の合計平均結晶粒径は本発明の範囲内であるが、酸化アルミニウムの平均結晶粒径が0.5μm未満の場合、2.2μmを越える場合の焼結体、同様に、焼結体の合計平均結晶粒径は本発明の範囲内であるが、窒化チタニウムの平均結晶粒径が0.2μm未満の場合、1.6μmを越える場合の焼結体を作製し、それらの強度を表3に示した。また、試料の作製方法および結晶粒径と抗折強度の測定方法は、実施例1と同様である。
表3より、本発明の実施例である試料No.41〜43、46、47、50〜52、55、56は600MPa以上の抗折強度を有し、アルティックと同等の抗折強度を有する材料であることが判る。また、No.42、43は、No.41よりも抗折強度が100MPa以上高くなっている。これは、酸化アルミニウムの平均結晶粒径が窒化チタニウムの平均結晶粒径よりも大きく、焼結時に結晶粒界に残留する微小なボイドが少なくなったためと考えられる。 From Table 3, sample No. which is an example of the present invention is shown. 41-43, 46, 47, 50-52, 55, 56 have a bending strength of 600 MPa or more, and it is understood that these are materials having a bending strength equivalent to Altic. No. 42 and 43 are No. The bending strength is higher than that of 41 by 100 MPa or more. This is presumably because the average crystal grain size of aluminum oxide is larger than the average crystal grain size of titanium nitride, and minute voids remaining at the crystal grain boundaries during sintering are reduced.
また、比較例であるNo.40、54は、焼結が十分に進行しなかったため、酸化アルミニウムの平均結晶粒径が小さく、抗折強度が低下したと考えられる。逆に、比較例であるNo.44、57は焼結が進みすぎたため酸化アルミニウムの平均結晶粒径が本発明の範囲を超え、抗折強度が低下したと考えられる。 Moreover, No. which is a comparative example. In Nos. 40 and 54, since sintering did not proceed sufficiently, it was considered that the average crystal grain size of aluminum oxide was small and the bending strength was lowered. On the contrary, No. which is a comparative example. Nos. 44 and 57 were considered to have been sintered too much, so that the average crystal grain size of aluminum oxide exceeded the range of the present invention and the bending strength was lowered.
さらに、比較例であるNo.45、53は、本発明の実施例であるNo.46、52と比較し、窒化チタニウムの粉砕に2倍以上の時間が必要となるが、材料特性的には改善効果が殆ど見られないという問題がある。 Furthermore, No. which is a comparative example. Nos. 45 and 53 are Nos. Compared with 46 and 52, it takes twice or more time to grind titanium nitride, but there is a problem that almost no improvement effect is seen in material properties.
そして、比較例であるNo.48、49は、窒化チタニウムの平均結晶粒径が本発明の範囲外であり、抗折強度は低下していることが判る。すなわち、窒化チタニウムの平均結晶粒径が大きすぎるため、焼結性が低下し、結晶粒界に微小なボイドが残留したためと考えられる。 And No. which is a comparative example. 48 and 49 show that the average crystal grain size of titanium nitride is outside the range of the present invention, and the bending strength is lowered. That is, it is considered that because the average crystal grain size of titanium nitride is too large, the sinterability is lowered and minute voids remain in the crystal grain boundaries.
(実施例3)
次に、本発明の焼結体の酸化アルミニウムと窒化チタニウムの質量比率について説明する。
(Example 3)
Next, the mass ratio of aluminum oxide and titanium nitride in the sintered body of the present invention will be described.
酸化アルミニウム、窒化チタニウム、酸化イッテルビウムの質量比率及び設定温度、ホットプレス圧力を表4に示す条件に調整し、焼結体を作製した。 The mass ratio of aluminum oxide, titanium nitride, and ytterbium oxide, the set temperature, and the hot press pressure were adjusted to the conditions shown in Table 4 to prepare a sintered body.
そして、体積固有抵抗率、熱伝導率、抗折強度、合計平均結晶粒径を測定し、ボイドレベルとミリング性の評価も行った。その結果を表4に示す。
表4より、実施例である試料No.61〜65、69〜73、は体積固有抵抗率が10−3Ω・cm以上、106Ω・cm未満の範囲にあり、熱伝導率はアルティック(20〜23W/(m・K))と同等以上であり、例えば、アルティックよりも放熱性に優れた磁気ヘッド用基板として使用できることが判る。 From Table 4, sample No. which is an example is shown. 61 to 65 and 69 to 73 have a volume resistivity in the range of 10 −3 Ω · cm or more and less than 10 6 Ω · cm, and the thermal conductivity is Altic (20 to 23 W / (m · K)). It can be seen that, for example, it can be used as a magnetic head substrate having better heat dissipation than Altic.
また、熱膨張率は7.2ppm/℃以上、7.8ppm/℃以下となり、スパッタリングによりアモルファスアルミナを本発明のセラミック焼結体上に成膜しても、熱膨張率が同等であるため、加熱冷却時に剥離する危険性は少ない。 In addition, the coefficient of thermal expansion is 7.2 ppm / ° C. or more and 7.8 ppm / ° C. or less, and even when amorphous alumina is formed on the ceramic sintered body of the present invention by sputtering, the coefficient of thermal expansion is the same. There is little risk of peeling during heating and cooling.
また、ボイドレベルを実施例1と同様に評価すると、比較例のNo.66、74は、ボイドレベルが悪化しているため、本発明の範囲外となった。 Further, when the void level was evaluated in the same manner as in Example 1, No. of the comparative example. 66 and 74 were out of the scope of the present invention because the void level was deteriorated.
比較例であるNo.58は、ホットプレス圧力が高すぎるため、クラックが発生するものもあり歩留まりが低く、比較例であるNo.75は、逆にホットプレス圧力が低すぎるため焼結性が悪く歩留まりが低くなることが判った。従って、本発明の焼結体のホットプレス圧力は、30MPa以上、60MPa以下、焼成温度は1530℃以上、1780℃以下が望ましい範囲である。 No. which is a comparative example. No. 58 is a comparative example of No. 58, because the hot press pressure is too high, cracks may occur and the yield is low. On the other hand, it was found that No. 75 had poor sinterability because the hot press pressure was too low, resulting in a low yield. Accordingly, the hot press pressure of the sintered body of the present invention is preferably in the range of 30 MPa to 60 MPa and the firing temperature is in the range of 1530 ° C. to 1780 ° C.
また、実施例1の条件でミリング性の評価を行うと、実施例であるNo.61〜65、69〜73の試料において、表面粗さはRa4〜7nmとなり、ほぼ同等レベルとなり合格であった。比較例であるNo.66、75は多数のボイドが残留し、測定値にバラツキが大きく、ミリング性においても表面粗さはRa20nm以上のため、例えば、磁気ヘッド用基板として使用するには不適であることが判った。
Further, when the milling property was evaluated under the conditions of Example 1, No. 1 as an example. In the samples 61 to 65 and 69 to 73, the surface roughness was Ra 4 to 7 nm, which was almost the same level and passed. No. which is a comparative example. It has been found that 66 and 75 are not suitable for use as, for example, a magnetic head substrate because a large number of voids remain, the measured values vary greatly, and the surface roughness of the milling property is
(実施例4)
次に、本発明の焼結体に焼結助剤を添加した場合について説明する。
Example 4
Next, the case where a sintering aid is added to the sintered body of the present invention will be described.
主成分となる酸化アルミニウムと窒化チタニウムの質量比は65:35とし、本発明の範囲内で最も焼結性が低下する比率とした。 The mass ratio of the main component of aluminum oxide and titanium nitride was 65:35, which was the ratio at which the sinterability was most reduced within the scope of the present invention.
そして、主成分となる酸化アルミニウムと窒化チタニウムの合計100重量部に対し、焼結助剤として酸化イッテルビウムのみを加えた場合を焼結助剤Aとし、酸化イッテルビウム、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウムの3種類を2:5:2の質量比率で混合して加えた場合を焼結助剤Bとし、酸化イッテルビウム、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、酸化ケイ素、酸化カルシウムの5種類を1:2:1:2:1で加えた場合を焼結助剤Cとし、それらの焼結助剤の添加量と焼成方法を変化させ材料特性を調査した。また、酸化イッテルビウムの代わりに酸化イットリウムを添加しても同様の効果があり、適宜選択すればよい。さらに、比較用として焼結助剤を添加しない試料も作製した。 Then, the case where only ytterbium oxide is added as a sintering aid to 100 parts by weight of the main components of aluminum oxide and titanium nitride is used as a sintering aid A, and three types of ytterbium oxide, magnesium oxide, and zirconium oxide. Is added at a mass ratio of 2: 5: 2 as a sintering aid B, and five types of ytterbium oxide, magnesium oxide, zirconium oxide, silicon oxide, and calcium oxide are used at 1: 2: 1: 2: The case of adding in 1 was designated as sintering aid C, and the material properties were investigated by changing the amount of the sintering aid added and the firing method. Moreover, even if yttrium oxide is added instead of ytterbium oxide, the same effect is obtained, and it may be selected as appropriate. Furthermore, a sample to which no sintering aid was added was also prepared for comparison.
そして、焼成にはホットプレスと真空炉を使用した。ホットプレス圧力は比較のため40MPaに固定し、焼成温度は黒鉛型に内蔵したB熱電対で制御した。真空炉は500℃以上でアルゴンを30〜80kPaの圧力で導入し、1400℃以下の低温域はR熱電対、1400℃を越える高温域はタングステン−レニウム熱電対で制御した。 A hot press and a vacuum furnace were used for firing. The hot press pressure was fixed at 40 MPa for comparison, and the firing temperature was controlled by a B thermocouple built in the graphite mold. In the vacuum furnace, argon was introduced at a pressure of 30 to 80 kPa at 500 ° C. or higher, and a low temperature region of 1400 ° C. or lower was controlled by an R thermocouple, and a high temperature region above 1400 ° C. was controlled by a tungsten-rhenium thermocouple.
アルゴンは焼結体表面の変質を抑制するため炉内に導入したものであり、窒素やヘリウムで代用しても構わない。 Argon is introduced into the furnace in order to suppress deterioration of the surface of the sintered body, and nitrogen or helium may be substituted.
その結果を表5に示す。
焼結助剤を添加しない試料No.76〜78において、実施例であるNo.76、77は合計平均結晶粒径が本発明の範囲内となったが、比較例であるNo.78は焼成温度が高温過ぎるため、合計平均結晶粒径が本発明の範囲外となり、強度も低下した。すなわち、焼結助剤を添加しない場合、焼成温度は1780℃以下が望ましい。 Sample No. with no sintering aid added. Nos. 76-78 are examples No. Nos. 76 and 77 have a total average crystal grain size within the range of the present invention. Since the firing temperature of 78 was too high, the total average crystal grain size was out of the range of the present invention, and the strength was also lowered. That is, when no sintering aid is added, the firing temperature is desirably 1780 ° C. or lower.
実施例である試料No.79〜83は、焼結助剤Aを添加しているため、無添加の試料と比較し、低温でも焼結しやすいことが判った。そして、これらの試料は低温でも焼結し緻密な焼結体となるため、合計平均結晶粒径が小さく、強度が高く、焼結助剤の凝集粒が少ない材料であり、磁気ヘッド用基板として好適に用いることができる。実施例であるNo.84は、焼結助剤の添加量が1重量部以下の試料と比較すると凝集粒が多くなるため、磁気ヘッド用基板には不適であり、治具や摺動部材などに用いることが好ましい。また、比較例であるNo.85を真空炉で焼成すると、焼成温度が1800℃でも焼結が進行せず、強度が上昇しなかった。従って、焼結助剤が1.0重量部以下の場合、ホットプレスを用いることが好ましい。 Sample No. as an example. Nos. 79 to 83 were found to be easy to sinter even at a low temperature as compared with the additive-free sample because the sintering aid A was added. Since these samples are sintered at a low temperature and become a dense sintered body, the total average crystal grain size is small, the strength is high, and the aggregate of the sintering aid is small. It can be used suitably. No. as an example. No. 84 is unsuitable for a substrate for a magnetic head because it has a larger amount of aggregated particles than a sample having a sintering additive added of 1 part by weight or less, and is preferably used for a jig or a sliding member. Moreover, No. which is a comparative example. When 85 was fired in a vacuum furnace, sintering did not proceed even at a firing temperature of 1800 ° C., and the strength did not increase. Therefore, when the sintering aid is 1.0 part by weight or less, it is preferable to use a hot press.
ここで、酸化イッテルビウムの凝集粒の観察は、SEMを用いて1cm2の範囲を750倍で観察した。表5では、凝集粒が50個以下の試料を○、50個を越える試料を×とした。 Here, the observation of the agglomerated particles of ytterbium oxide was performed by observing a 1 cm 2 range at 750 times using SEM. In Table 5, a sample having 50 or less agglomerated grains was indicated by ◯, and a sample having more than 50 agglomerates was indicated by ×.
次に、試料No.86〜92は、焼結助剤Bを添加し、主に真空炉で焼成を行った。比較例であるNo.86は、焼結助剤Bを主成分100重量部に対し2重量部添加しているが、真空炉を用いているため、1800℃で焼成しても焼結が進まず、酸化アルミニウムは粒成長したが、緻密な焼結体とはならず、合計平均結晶粒径も本発明の範囲内とはならなかった。 Next, sample No. 86-92 added sintering aid B, and baked mainly in the vacuum furnace. No. which is a comparative example. In No. 86, 2 parts by weight of sintering aid B is added to 100 parts by weight of the main component. However, since a vacuum furnace is used, sintering does not proceed even when fired at 1800 ° C. Although it grew, it did not become a dense sintered body, and the total average grain size did not fall within the scope of the present invention.
実施例であるNo.87〜91は、焼結助剤Bの添加量を5〜20重量部とすることにより、焼結性を改善し、合計平均結晶粒径も本発明の範囲内とすることができた。また、ホットプレスを用いることにより、実施例であるNo.91を低温で焼結させることもできた。 No. as an example. In Nos. 87 to 91, by adding 5 to 20 parts by weight of the sintering aid B, the sinterability was improved and the total average crystal grain size could be within the range of the present invention. In addition, by using a hot press, No. which is an example. 91 could also be sintered at low temperatures.
実施例であるNo.92は、本発明の範囲内ではあるが、強度的に他の試料と比較し低下していることが判った。これは、焼結助剤の量が多くなり、粒界の強度が低下したことが原因と考えられる。 No. as an example. 92 was found to be lower in strength than other samples, although within the scope of the present invention. This is considered to be because the amount of the sintering aid is increased and the strength of the grain boundary is lowered.
試料No.93〜99は、焼結助剤Cを添加し、主に真空炉で焼成を行った。比較例であるNo.93は、焼結助剤Cを主成分100重量部に対し2重量部添加しているが、真空炉を用いているため、1800℃で焼成しても焼結が進まず、酸化アルミニウムは粒成長したが、緻密な焼結体とはならず、合計平均結晶粒径も本発明の範囲内とはならなかった。 Sample No. Nos. 93 to 99 were added with sintering aid C and fired mainly in a vacuum furnace. No. which is a comparative example. No. 93 has 2 parts by weight of sintering aid C added to 100 parts by weight of the main component, but since a vacuum furnace is used, sintering does not proceed even when fired at 1800 ° C. Although it grew, it did not become a dense sintered body, and the total average grain size did not fall within the scope of the present invention.
実施例であるNo.94〜98は、焼結助剤Cの添加量を5〜20重量部とすることにより、焼結性を改善し、合計平均結晶粒径も本発明の範囲内とすることができた。また、ホットプレスを用いることにより、No.98を低温で焼結させることもできた。 No. as an example. Nos. 94 to 98 were able to improve the sinterability by setting the addition amount of the sintering aid C to 5 to 20 parts by weight, and the total average crystal grain size could be within the range of the present invention. Further, by using a hot press, No. 98 could also be sintered at low temperatures.
実施例であるNo.99は、本発明の範囲内ではあるが、強度的に他の試料と比較し低下していることが判った。これは、焼結助剤の量が多くなり、粒界の強度が低下したことが原因と考えられる。 No. as an example. 99 was found to be lower in strength than other samples, although it was within the scope of the present invention. This is considered to be because the amount of the sintering aid is increased and the strength of the grain boundary is lowered.
また、焼結助剤Cは、焼結助剤Bと比較すると、焼成温度が低下する傾向が見られ、酸化ケイ素と酸化カルシウムが含有している影響だと考えられる。 In addition, the sintering aid C tends to have a lower firing temperature than the sintering aid B, which is considered to be an effect of containing silicon oxide and calcium oxide.
以上から、本発明の焼結体は、焼結助剤を適度な範囲で添加することにより、ホットプレスと真空炉の両方で焼結させられることが判った。 From the above, it was found that the sintered body of the present invention can be sintered in both a hot press and a vacuum furnace by adding a sintering aid in an appropriate range.
また、実施例4では焼結助剤の混合比率の一例を示して説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。 Moreover, although Example 4 showed and demonstrated an example of the mixing ratio of the sintering aid, the present invention is not limited to this.
(実施例5)
次に、本発明の焼結体から発生するパーティクル量について説明する。
(Example 5)
Next, the amount of particles generated from the sintered body of the present invention will be described.
まず、測定用の試料として実施例4の試料No.76、78、80、82、83、84を用いた。試料は、φ127×T2mmの円板形状とし、両面とも鏡面加工したものを用いた。また、鏡面はAFMで20×20μmを測定したとき、Ra5nm以下となるようにした。外径端面は研削盤を用いて#400のダイヤモンド砥石で所定の寸法となるように加工し、0.3のC面を形成した。
First, the sample No. of Example 4 was used as a measurement sample. 76, 78, 80, 82, 83, 84 were used. The sample was a disk shape of φ127 × T2 mm and both surfaces were mirror-finished. The mirror surface was set to
パーティクルの測定条件は、パーティクル量を測定する前に、試料を純水中で1分間超音波洗浄(38kHz、1200W)し、表層に付着する汚れを除去した後、試料を純水中で超音波洗浄し、前記純水に含まれる1μm以上のパーティクル量をリキッドパーティクルカウンター(リオン株式会社製:PARTICLE COUNTER KL−11)で10ml分測定した。測定数はそれぞれ3個とし、それらの平均値を求め、パーティクル量が10000個以下のものを合格(○)、10000個を越えるものを不合格(×)とみなした。 Before measuring the amount of particles, the particles are measured by ultrasonically cleaning the sample in pure water (38 kHz, 1200 W) to remove dirt adhering to the surface layer, and then ultrasonicating the sample in pure water. After washing, the amount of particles of 1 μm or more contained in the pure water was measured by a liquid particle counter (manufactured by Lion Co., Ltd .: PARTICLE COUNTER KL-11) for 10 ml. The number of measurements was 3 each, and the average value thereof was determined. Those having a particle amount of 10,000 or less were regarded as acceptable (◯) and those exceeding 10,000 were regarded as unacceptable (x).
さらに、同じ試料にスライシング加工を行ったときの切断面におけるチッピング90(図9)の発生状態を観察した。 Furthermore, the state of occurrence of chipping 90 (FIG. 9) on the cut surface when slicing was performed on the same sample was observed.
スライシング加工の条件は、ホイールを直径100mm×幅0.18mm、回転数を7000rpm、送り速度を60mm/min、ダウンカットとし、合計で1000mmの長さとなるように複数のラインを形成した。その後、金属顕微鏡を用いて500倍で100個所を観察し、チッピングサイズEの最大値を測定した。チッピングサイズEは10μm以下を合格(○)、10μmを越えるものを不合格(×)、とみなした。 The slicing conditions were as follows: the wheel was 100 mm in diameter x 0.18 mm in width, the rotation speed was 7000 rpm, the feed rate was 60 mm / min, and the cut was down, and a plurality of lines were formed so that the total length was 1000 mm. Thereafter, 100 locations were observed at 500 times using a metal microscope, and the maximum value of the chipping size E was measured. As for the chipping size E, 10 μm or less was regarded as acceptable (◯), and those exceeding 10 μm were regarded as unacceptable (x).
また、パーティクル量とチッピングサイズの合格基準は、アルティック基板を同じ条件で測定した場合を参考にした。 The acceptance criteria for the amount of particles and the chipping size were based on the case where the Altic substrate was measured under the same conditions.
パーティクルとチッピングの測定結果を表6に示す。
表6より、パーティクル量は焼結助剤の添加量が少量であるほど、少なくなる傾向のあることが判る。これは、酸化アルミニウムと窒化チタニウムの粒界相に殆どガラス相が存在しないためと考えられる。 From Table 6, it can be seen that the amount of particles tends to decrease as the amount of the sintering aid added decreases. This is considered because there is almost no glass phase in the grain boundary phase of aluminum oxide and titanium nitride.
また、チッピングサイズは、No.78、84に10μmを越えるものが発生した。No.78は、合計平均結晶粒径が2.3μm以上あり、切断時の脱粒がチッピングサイズに大きく影響したと考えられる。No.84は、焼結助剤の添加量が多く凝集粒が多数存在し(実施例4)、それらが切断面91付近に存在することにより、チッピング90が大きくなったと考えられる。 The chipping size is No. In 78 and 84, those exceeding 10 μm were generated. No. No. 78 has a total average crystal grain size of 2.3 μm or more, and it is considered that the graining at the time of cutting greatly affected the chipping size. No. In No. 84, it is considered that the chipping 90 was increased because the amount of the sintering aid added was large and many agglomerated grains were present (Example 4).
また、上述した実施例1〜5における実施例と比較例の試料は、特に断りが無い場合、酸化アルミニウムの平均結晶粒径に対し窒化チタニウムの平均結晶粒径は、20〜95%の範囲であった。 In addition, the samples of Examples and Comparative Examples in Examples 1 to 5 described above have an average crystal grain size of titanium nitride in the range of 20 to 95% with respect to the average crystal grain size of aluminum oxide, unless otherwise specified. there were.
酸化アルミニウムの平均結晶粒径に対し窒化チタニウムの平均結晶粒径が20%未満では、窒化チタンが凝集しやすくなるため、焼結体の導電経路の形成が不十分となり、体積固有抵抗値が大きくなってしまう。さらに、凝集しない場合でも、焼結の過程でアルミナに包含され、導電経路の形成が妨げられてしまう。 When the average crystal grain size of titanium nitride is less than 20% with respect to the average crystal grain size of aluminum oxide, titanium nitride tends to agglomerate, resulting in insufficient formation of conductive paths in the sintered body and a large volume resistivity value. turn into. Furthermore, even when not aggregated, it is included in alumina during the sintering process, and the formation of the conductive path is hindered.
また、95%より大きい場合では、窒化チタニウムは難焼結性であるため、酸化アルミニウムよりも平均結晶粒径が大きくなると、酸化アルミニウム結晶との粒界にボイドが形成されやすくなり、強度低下の要因となるためである。さらに、焼結体に研削加工や鏡面加工を行うと、脱粒やチッピングが生じやすくなり、表面性状が低下することも強度低下を引き起こす要因となる。 In addition, when it is larger than 95%, titanium nitride is difficult to sinter. Therefore, when the average crystal grain size is larger than that of aluminum oxide, voids are easily formed at the grain boundary with the aluminum oxide crystal, and the strength is reduced. This is because it becomes a factor. Further, when grinding or mirror finishing is performed on the sintered body, degranulation and chipping are likely to occur, and the deterioration of the surface properties also causes a decrease in strength.
以上、説明したとおり、本発明の焼結体は、適度な体積固有抵抗率を有し、ミリング性やボイドレベルに優れ、強度はアルティックと同等であり、熱伝導率はアルティックよりも高く、例えば、磁気ヘッド用基板や超音波モータの押圧部材に用いることができる。 As described above, the sintered body of the present invention has an appropriate volume resistivity, excellent millability and void level, strength is equivalent to Altic, and thermal conductivity is higher than Altic. For example, it can be used as a pressing member for a magnetic head substrate or an ultrasonic motor.
11,12 結晶相
20 磁気ヘッドスライダ
20a 浮上面
20b レール
21 磁気ディスク
22 入射レーザ
23 反射レーザ
24 測定部
25 レーザ発信菅
26 アーム
30 レーザスポット
41 結晶相
42 結晶相
43 加工前の表面
50 磁気ヘッド
51 磁気ヘッド素子
60 超音波モータ
60a 押圧部材
60b 電極膜
60c 圧電セラミック板
60d 電極膜
60e 振動体
70 案内装置
71 ガイド部材
72 ステージ
72a 当接面
90 チッピング
91 切断面
92 スライシング方向
11, 12
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